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 приближения 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 инверторов в режимах работы, сопровождающихся искажениями формы кривой питающего напряжения, так как осуществляется коррекция величины заданного угла запаса инвертора в зависимости от возникающих искажений.

Однако при сильных искажениях формы кривой питающего напряжения ошибка в формировании синхроимпульсов приводит к сбоям в работе аппаратуры управления электровоза.

Вместе с тем 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 динамическая погрешность формирования синхроимпульсов, составляющая 2-9 эл.град. [2].

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 разнофазного 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. Фиксированный 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 знак, приводит к уменьшению свободных составляющих в форме кривой питающего напряжения и улучшению формы кривой напряжения, поступающего в формирователь со вторичной обмотки трансформатора электровоза.

Однако при фиксированном угле задержки импульсов полная компенсация свободных послекоммутационных колебаний напряжения может осуществляться при одинаковом значении полупериода колебаний этого напряжения. Этого можно достичь лишь при работе электровоза на фиксированном расстоянии от тяговой подстанции определенной мощности. При других условиях работы нельзя достичь полной компенсации свободных послекоммутационных колебаний напряжения, что в свою очередь приводит к ошибке формирования синхроимпульсов относительно моментов прохождения сетевого напряжения через ноль и ухудшению энергетических показателей электровоза.

Резкое увеличение коммутационных провалов напряжения и соответственно свободных послекоммутационных колебаний напряжения при запуске, например, мотор-компрессора электровоза или других переходных процессах также сопровождается ошибкой формирования синхроимпульсов, так как увеличивается свободная составляющая колебаний напряжения.

Кроме того, 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.

Таким образом, схема разнофазного управления за счет компенсации свободных послекоммутационных колебаний напряжения позволяет работать без сбоев при сильных искажениях питающего напряжения, но при неполной компенсации этого напряжения не решает проблемы выработки синхроимпульсов, которые должны формироваться в моменты перехода питающего напряжения через ноль.

В основу изобретения положена задача создания формирователя синхронизирующих импульсов, генерирующего их в моменты прохождения питающего напряжения через ноль при сохранении устойчивости работы в условиях сильных искажений формы кривой питающего напряжения за счет полной компенсации свободных послекоммутационных колебаний напряжения, приближая форму питающего напряжения к синусоидальной. При этом точность формирования синхроимпульсов сохраняется при различных условиях и режимах работы электровоза.

Поставленная задача решается тем, что в формирователе синхронизирующих импульсов, содержащем измерительный трансформатор, подключенный к выходу силового трансформатора, и выпрямитель, в него дополнительно введены заграждающий фильтр Вина, сумматор, усилитель-ограничитель, формирователь импульсов по фронту срезу, при этом выпрямитель выполнен однополупериодным, вход заграждающего фильтра Вина и первый вход сумматора соединены с выходом измерительного трансформатора, второй вход сумматора соединен с выходом заграждающего фильтра Вина, выход сумматора связан через последовательно включенные усилитель-ограничитель, однополупериодный выпрямитель с формирователем импульсов по фронту и срезу, выход которого связан с системой управления электровоза.

Введение в устройство совокупности элементов: заграждающего фильтра Вина, сумматора, усилителя-ограничителя, формирователя импульсов по фронту и срезу позволяет выделить составляющие питающего напряжения, связанные с коммутацией и переходным режимом работы электровоза. Выделенные составляющие имеют фазовый сдвиг 180 эл.град., поэтому при последующем их сложении с питающим напряжением происходит приближение его формы к синусоидальной. Для основной гармоники питающего напряжения 50 Гц фильтр Вина является заграждающим, поэтому при сложении не происходит изменения этого напряжения. При этом на выходе сумматора формируется синусоидальное напряжение, в котором отсутствуют составляющие, искажающие форму питающего напряжения, поскольку напряжение, выделенное фильтром, компенсирует составляющие напряжения в кривой питающего напряжения, приближая его к синусоидальной форме.

Таким образом, все искажения входного сигнала, связанные с коммутацией и переходными процессами, не влияют на формирование синхронизирующих импульсов.

Полученная синусоидальная форма питающего напряжения обеспечивает формирование синхронизирующих импульсов в моменты перехода его через нулевое значение. Это позволяет устройству не реагировать на изменения напряжения, так как любые изменения напряжения компенсируются устройством и не влияют на моменты формирования синхронизирующих импульсов.

Кроме того, благодаря последовательному соединению элементов, составляющих схему устройства, в формирователе синхронизирующих импульсов отсутствует статическая погрешность. Это обусловлено отсутствием обратной связи, характерной для системы автоматического регулирования, какой является схема прототипа.

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

Формирователь синхронизирующих импульсов выполнен следующим образом. Он содержит измерительный трансформатор 1, заграждающий фильтр Вина 2, сумматор 3, усилитель-ограничитель 4, однополупериодный выпрямитель 5, формирователь импульсов по фронту и срезу 6.

Вход фильтра Вина 2 и первый вход сумматора 3 соединены с выходом измерительного трансформатора 1, второй вход сумматора 3 соединен с выходом заграждающего фильтра Вина 2. Выход сумматора 3 связан с последовательно включенными усилителем-ограничителем 4, однополупериодным выпрямителем 5 и формирователем импульсов по фронту и срезу 6, который является выходом устройства.

Заграждающий фильтр Вина выполнен на базе двух операционных усилителей типа 140 УД7 [4], сумматор 3 и усилитель-ограничитель 4 изготовлены по известной схеме на операционном усилителе 140 УД7 [5], формирователь импульсов по фронту и срезу выполнен по известной схеме [6] 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 сумматора 3 и заграждающего фильтра Вина 2, имея свободные составляющие напряжения, связанные с коммутацией в преобразователе и переходными процессами в электровозе. С помощью заграждающего фильтра Вина 2 это напряжение преобразуется в последовательность гармонических колебаний (фиг. 2б), связанных с коммутацией. На входе сумматора 3 происходит сложение этих напряжений, при этом свободные составляющие напряжения (фиг. 2б), имеющие фазовый сдвиг 180 эл. град. , вычитаются из напряжения (фиг. 2а) вторичной обмотки трансформатора 1. На выходе сумматора 3 формируется напряжение (фиг. 2а), близкое к синусоидальной форме. Усилитель-ограничитель 4 преобразует синусоидальное напряжение в двуполярные прямоугольные импульсы (фиг. 2г). На выходе однополупериодного выпрямителя 5 это напряжение превращается в последовательность положительных прямоугольных импульсов (фиг. 2д), фронты и срезы которых совпадают с моментами перехода питающего напряжения через ноль. Напряжение с выхода однополупериодного выпрямителя поступает на вход формирователя импульсов из фронту и срезу 6 и с его помощью по фронту и срезу поступающих импульсов (фиг. 2д) формируются синхронизирующие импульсы (фиг. 2е) необходимой величины и длительности.

Таким образом, измерения входного напряжения, связанные с коммутацией и переходными режимами работы электровоза, не приводят к изменению моментов формирования синхронизирующих импульсов. Кроме того, последовательное соединение элементов устройства исключает статическую погрешность, характерную для системы автоматического регулирования.

Устройство формирования синхронизирующих импульсов прошло испытания на электровозе переменного тока ВЛ 65. Во время испытаний электровоза не отмечалось отказов и сбоев в работе схемы синхронизации. Погрешность формирования синхроимпульсов во всех режимах работы оказалась близкой к нулю.

Работа преобразователей электровоза от заявляемого формирователя синхронизирующих импульсов позволяет повысить энергетические показатели электровоза: коэффициент мощности (cos ϕ ) увеличивается на 0,05, что позволяет снизить расход электроэнергии на 4-5%.

Источники информации, принятые во внимание
1. А. с. 1018189. Устройство для управления тиристорным инвертором. Авторы изобретения О. Р.Калабухов, С.А.Крамсков - Опубл. в Б.И., 1983, N 18, кл. H 02 M 1/08.

2. С.А. Крамсков, Б.М.Наумов, О.Р.Калабухов. Синхронизация систем управления тиристорными преобразователями электровозов переменного тока. Опубл. в сб. трудов Всесоюзного научно-исследовательского, проектно-конструкторского и технологического института электровозостроения, т. 25, Новочеркасск, 1984.

3. Ю.М.Кулинич, В.В.Находкин. Испытания электровоза ВЛ 85 с разнофазным управлением выпрямительно-инверторными преобразователями. - Вестник ВНИИЖТ, 1986, N 4.

4. У.Титце, К.Шенк. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство. - М.: Мир, 1982.

5. Е. А.Коломбет. Микроэлектронные средства обработки аналоговых сигналов. - М.: Радио и связь, 1991.

6. Е.А.Зельдин. Импульсные устройства на микросхемах. М.: Радио и связь, 1991.

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, выпрямитель, заграждающий фильтр Вина, сумматор, усилитель-ограничитель, формирователь импульсов по фронту и срезу. Измерительный трансформатор своим выходом соединен с заграждающим фильтром Вина и первым входом сумматора, выход заграждающего фильтра Вина связан с вторым входом сумматора, выход которого соединен с последовательно включенными усилителем - ограничителем, выпрямителем и формирователем импульсов по фронту и срезу, выход которого является выходом устройства. Формирователь срабатывает в каждый полупериод только в момент перехода напряжения трансформатора через ноль и не реагирует на искажения входного сигнала, связанные с коммутацией. Опытные испытания формирователя показали, что в течение месячной эксплуатации на электровозе ВЛ65 не отмечалось сбоев и отказов в работе, статическая и динамическая погрешности близки к нулю. 2 ил.

Формирователь синхронизирующих импульсов, содержащий измерительный трансформатор, подключенный к выходу силового трансформатора, и выпрямитель, отличающийся тем, что в него введены заграждающий фильтр Вина, сумматор, усилитель-ограничитель, формирователь импульсов по фронту и срезу, при этом выпрямитель выполнен однополупериодным, вход заграждающего фильтра Вина и первый вход сумматора соединены с выходом измерительного трансформатора, второй вход сумматора соединен с выходом заграждающего фильтра Вина, выход сумматора связан через последовательно включенные усилитель-ограничитель, однополупериодный выпрямитель с формирователем импульсов по фронту и срезу, выход которого связан с системой управления электровоза.