ФОРМИРОВАТЕЛЬ СИНХРОНИЗИРУЮЩИХ ИМПУЛЬСОВ Российский патент 1998 года по МПК H02M1/08 

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано, в частности, для управления тиристорным преобразователем на электроподвижном составе переменного тока с рекуперативным торможением.

Во время работы электровозов переменного тока с рекуперативным торможением на отдельных участках железной дороги наблюдается нестабильная работа электронной аппаратуры управления при сильных искажениях формы кривой питающего напряжения. Сущность этого явления заключается в изменении момента формирования синхронизирующих импульсов, предназначенных для синхронизации работы аппаратуры управления. Синхронизация осуществляется по моментам перехода сетевого (питающего) напряжения через ноль. В случае возникновения искажения формы кривой питающего напряжения, например, при появлении коммутационных и послекоммутационных колебаний напряжения изменяется величина угла запаса инвертора, отсчитываемого от моментов появления синхроимпульсов, что влияет на ухудшение энергетических показателей электровоза.

При сильных искажениях питающего напряжения происходит нестабильная работа, сбои и отказ в работе системы управления электровоза.

Известно устройство, позволяющее формировать синхронизированные с сетью импульсы для задания угла запаса инвертора при искажении формы кривой питающего напряжения [1]. Синхронизация осуществляется за счет замены искаженной кривой питающего напряжения ее первой гармонической составляющей и приближении ее фазы к фазе питающего напряжения. Регулирование фазы осуществляется схемой автоматического регулирования, при этом в моменты прохождения напряжения первой гармоники через ноль формируются синхроимпульсы [2].

Формирователь регулируемых опорных импульсов содержит измерительный трансформатор, выпрямительный мост, транзисторный ключ, задатчик напряжения смещения, элемент сравнения, интегрирующий элемент и фазосмещающий элемент.

Вторичная обмотка силового трансформатора соединена с первичной обмоткой измерительного трансформатора. Его выход связан с входом выпрямительного моста. Выход выпрямительного моста соединен с первым входом транзисторного ключа. Задатчик напряжения смещения соединен с первым входом элемента сравнения, второй вход которого связан с выходом транзисторного ключа. Выход элемента сравнения связан с входом интегрирующего элемента, выход которого соединен с входом фазосмещающего элемента, выход которого соединен с вторым входом транзисторного ключа и является выходом формирователя регулируемых опорных импульсов.

Формирователь регулируемых опорных импульсов выполняет функции задатчика угла запаса инвертора и осуществляет коррекцию заданного угла запаса в зависимости от искажения формы напряжения на вторичной обмотке трансформатора. Формирователь обеспечивает синхронизацию импульсов путем автоматического приближения к фазе напряжения вторичной обмотки трансформатора фазы его первой гармоники. Фазосмещающий элемент формирователя вырабатывает прямоугольные импульсы, равные по длительности заданному значению угла запаса инвертора, которые синхронизированы с напряжением сети.

Таким образом, формирователь регулируемых опорных импульсов позволяет повысить устойчивость инвертора в режимах работы, сопровождающихся искажениями формы кривой питающего напряжения, так как осуществляется коррекция величины заданного угла запаса инвертора в зависимости от возникающих искажений.

Однако управляемое известным формирователем устройство регулирования угла запаса инвертора понижает энергетические показатели электровоза при искажениях формы кривой питающего напряжения, обусловленные статической погрешностью в формировании синхроимпульсов.

Статическая погрешность при формировании синхроимпульсов обусловлена погрешностью системы автоматического регулирования и составляет в установившемся режиме 1-2 эл.град. [2].

При резком увеличении коммутационных провалов напряжения при запуске мотор-компрессора электровоза, а также при отключении защиты на собственном или соседнем электровозе увеличивается ошибка при автоматическом регулировании фазы первой гармоники напряжения вторичной обмотки трансформатора. Это приводит к увеличению погрешности формирования синхроимпульсов, составляющей 2-9 эл.град. [2].

Другим недостатком формирователя импульсов является нестабильность его работы при сильных искажениях формы кривой питающего напряжения, поскольку увеличивающаяся при этом ошибка в формировании синхроимпульсов приводит к сбоям в работе аппаратуры электровоза.

Известен также формирователь в устройстве разнофазного управления тиристорными преобразователями [3], позволяющий исключить сбои в работе формирователя опорных импульсов при сильных искажениях формы кривой питающего напряжения за счет разнесения во времени начал и окончаний коммутации между двумя секциями электровоза. При этом свободные послекоммутационные составляющие напряжения по секциям противоположны по фазе, что приводит к их уменьшению в форме питающего напряжения и соответственно позволяет улучшить форму напряжения на вторичной обмотке трансформатора.

Устройство равнофазного управления содержит формирователь регулируемых опорных импульсов с блоком фиксированной задержки импульсов и устройство регулирования угла запаса инвертора.

Формирователь регулируемых опорных импульсов содержит измерительный трансформатор, выпрямительный мост, транзисторный ключ, задатчик напряжения смещения, элемент сравнения, интегрирующий и фазосмещающий элементы.

Вторичная обмотка силового трансформатора электровоза соединена с первичной обмоткой измерительного трансформатора формирователя. Его выход связан с входом выпрямительного моста. Выход выпрямительного моста соединен с первым входом транзисторного ключа. Задатчик напряжения смещения соединен с первым входом элемента сравнения, второй вход которого связан с выходом транзисторного ключа. Выход элемента сравнения связан с входом интегрирующего элемента, выход которого соединен с входом фазосмещающего элемента, выход которого соединен с вторым входом транзисторного ключа и входом блока задержки импульсов, выход которого является выходом формирователя регулируемых опорных импульсов.

Формирователь регулируемых опорных импульсов с блоком задержки обеспечивает асинхронное включение двух инверторов каждой секции электровоза. Угол задержки импульсов, задаваемый блоком задержки, равен полупериоду свободных послекоммутационных колебаний напряжения, возникающих в сети при сильных искажениях питающего напряжения. Взаимная компенсация между секциями свободных колебаний напряжения, имеющих противоположные знаки, приводит к уменьшению свободных составляющих в форме кривой питающего напряжения и улучшению формы кривой напряжения, поступающего в формирователь со вторичной обмотки трансформатора электровоза. Таким образом, разнофазное управление позволяет увеличить устойчивость работы аппаратуры управления электровоза при сильных искажениях формы кривой питающего напряжения, а также позволяет без сбоев формировать синхронизирующие импульсы при сильных искажениях формы питающего напряжения.

При сохраненной в устройстве схеме автоматического регулирования при формировании синхроимпульсов неизбежна, как и в первом рассмотренном устройстве, статическая погрешность в генерировании синхроимпульсов. Статическая погрешность обусловлена погрешностью системы автоматического регулирования. Динамическая ошибка связана с резким увеличением или исчезновением коммутационных провалов напряжения при пуске, например, мотор-компрессора электровоза или при других переходных процессах. Схема разнофазного управления за счет улучшения формы кривой напряжения уменьшает погрешности формирования синхроимпульсов, хотя это не решает проблемы выработки синхроимпульсов, которые должны формироваться в момент перехода напряжения вторичной обмотки трансформатора через ноль.

В основу изобретения положена задача создания формирователя синхронизирующих импульсов, работающего без сбоев при сильных искажениях формы питающего напряжения и лишенного статической и динамической погрешности в формировании синхроимпульсов за счет того, что устройство срабатывает только в моменты перехода сетевого напряжения через ноль.

Поставленная задача решается тем, что в формирователе синхронизирующих импульсов, содержащем инвертор и измерительный трансформатор, подключенный к выходу силового трансформатора, дополнительно введены компаратор, первый и второй диоды, RS-триггер и формирователь импульсов из фронтов и срезов прямоугольных импульсов, причем вход компаратора подключен к выходу измерительного трансформатора, выход компаратора соединен с входами первого и второго диодов, выход первого диода соединен с входом S RS-триггера, а выход второго диода через инвертор соединен с входом R RS-триггера, выход которого соединен с входом формирователя импульсов из фронтов и срезов прямоугольных импульсов, выход которого является выходом формирователя синхроимпульсов, при этом компаратор обеспечивает преобразование напряжения с выхода измерительного трансформатора в прямоугольные импульсы положительной и отрицательной полярности, выделяемые первым и вторым диодами соответственно.

Эффект работы формирователя синхронизирующих импульсов основан на том, что RS-триггер формирователя срабатывает в каждый полупериод только по первому импульсу сигнала, поступающего на его вход со стороны вторичной обмотки трансформатора, и не реагирует до конца полупериода на последующие импульсы. При этом появление первого импульса сигнала соответствует моменту перехода сетевого напряжения через ноль, все искажения входного сигнала, связанные с коммутацией, находятся в середине полупериода, поэтому они не вызывают переключение триггера.

На фиг. 1 представлена схема формирователя синхронизирующих импульсов; на фиг. 2 представлены диаграммы, поясняющие работу формирователя синхронизирующих импульсов.

Формирователь синхронизирующих импульсов содержит измерительный трансформатор 1, компаратор 2, первый диод 3, второй диод 4, инвертор 5, RS-триггер 6, формирователь импульсов из фронтов и срезов прямоугольных импульсов 7.

Выход измерительного трансформатора 1 соединен с входом компаратора 2, выход которого соединен с входом первого диода 3 и входом второго диода 4, выход первого диода подключен к входу S RS-триггера 6, выход второго диода через инвертор 5 соединен с входом R триггера, выход которого соединен с входом формирователя импульсов из фронтов и срезов прямоугольных импульсов 7, выход которого является выходом устройства. При этом компаратор обеспечивает преобразование напряжения с выхода измерительного трансформатора в прямоугольные импульсы положительной и отрицательной полярности, выделяемые первым и вторым диодами соответственно.

Компаратор 2 выполнен на базе операционного усилителя К140УД7, инвертор 5 изготовлен по известной схеме [4] на операционном усилителе К140УД7, RS-триггер 6 собран из двух логических элементов ИЛИ-НЕ, формирователь импульсов из фронтов и срезов выполнен по известной схеме [5] и состоит из двух логических элементов И-НЕ и демпфирующей RC-цепочки.

Формирователь синхронизирующих импульсов работает следующим образом.

Напряжение вторичной обмотки трансформатора 1 (фиг.2а) поступает на вход компаратора 2 и имеет провалы, связанные с процессами коммутации в инверторе. С помощью компаратора 2 это напряжение преобразуется в прямоугольные импульсы положительной и отрицательной полярности (фиг.2б). Переход напряжения вторичной обмотки трансформатора 1 через ноль сопровождается формированием фронта и среза в напряжении на выходе компаратора 2. При этом в выходном напряжении компаратора 2 сохраняются переходы напряжения от низкого уровня к высокому и обратно, которые связаны с коммутационными искажениями напряжения вторичной обмотки трансформатора 1. После выпрямления с помощью первого диода 3 положительная полуволна напряжения компаратора (фиг.2в) поступает на вход S триггера 6. Отрицательная полуволна напряжения компаратора (фиг.2г), выделяемая вторым диодом 4, преобразуется в положительную (фиг.2д) с помощью инвертора 5 и подается на вход R триггера 6. Таким образом, на входы триггера 6 поступают управляющие импульсы, фронты которых совпадают с моментами перехода сетевого напряжения через ноль. RS-триггер 6 переключается из одного устойчивого состояния в другое только по фронту первого импульса импульсной последовательности, поступающей на его вход. Так триггер 6 переходит в единичное состояние (фиг.2е) по фронту импульса, поступающего на его вход S (фиг.2в), и не реагирует на фронты импульсов, связанные с искажениями напряжения вторичной обмотки трансформатора 1. Аналогично работает триггер по входу R, отличие состоит в том, что фронт импульса, поступающий на этот вход, приводит к обнулению триггера. Таким образом, на выходе триггера 6 (фиг.2е) формируются прямоугольники напряжения, совпадающие с моментами перехода сетевого напряжения через ноль. Напряжение с выхода триггера поступает на вход формирователя импульсов из фронтов и срезов прямоугольных импульсов 7 и с его помощью по фронту и срезу входных импульсов (фиг.2е) формируются синхронизирующие импульсы (фиг.2ж) необходимой величины и формы.

Устройство формирователя синхронизирующих импульсов прошло испытания на электровозе переменного тока с рекуперативным торможением ВЛ 80Р. В течение месячной эксплуатации электровоза на участке Смоляниново-Находка не отмечалось отказов и сбоев в работе схемы синхронизации. Погрешность в формировании синхроимпульсов как в статическом, так и в динамическом режимах работы оказалась близкой к нулю.

Формирователь синхронизирующих импульсов может использоваться для управления тиристорным преобразователем на электроподвижном составе переменного тока с рекуперативным торможением и может работать без сбоев при сильных искажениях формы питающего напряжения без статической и динамической погрешности. Формирователь синхронизирующих импульсов содержит измерительный трансформатор, компаратор, два диода, выпрямитель, RS-триггер и формирователь импульсов из фронтов и срезов прямоугольных импульсов. Измерительный трансформатор своим выходом соединен с входом компаратора, выход которого подключен к входам первого и второго диодов. Выход первого диода подключен к входу S, а выход второго через выпрямитель - к входу R RS-триггера, выход которого соединен с входом формирователя импульсов из фронтов и срезов прямоугольных импульсов, а его выход является выходом устройства. Формирователь срабатывает в каждый полупериод только в момент перехода напряжения трансформатора через ноль и не реагирует до конца полупериода на все последующие искажения входного сигнала, связанные с коммутацией. Опытные испытания формирователя показали, что в течение месячной эксплуатации на электровозе ВЛ80Р не отмечалось сбоев и отказов в его работе, статическая и динамическая погрешности близки к нулю. 2 ил.

Формирователь синхронизирующих импульсов, содержащий инвертор и измерительный трансформатор, подключенный к силовому трансформатору, отличающийся тем, что в него дополнительно введены компаратор, первый и второй диоды, RS-триггер и формирователь импульсов из фронтов и срезов прямоугольных импульсов, причем вход компаратора подключен к выходу измерительного трансформатора, а выход - к входам первого и второго диодов, выход первого диода соединен с входом S RS-триггера непосредственно, а выход второго диода - с входом R RS-триггера через инвертор, выход триггера подключен к входу формирователя импульсов из фронтов и срезов прямоугольных импульсов, при этом компаратор обеспечивает преобразование напряжения с выхода измерительного трансформатора в прямоугольные импульсы положительной и отрицательной полярности, выделяемые первым и вторым диодами соответственно.