ФОРМИРОВАТЕЛЬ СИНХРОНИЗИРУЮЩИХ ИМПУЛЬСОВ Российский патент 2002 года по МПК H02M1/08 H03K5/1536 

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 автоматической подстройки фазы, 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 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 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 возникает значительная ошибка в формировании синхроимпульсов, приводящая 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.

Формирователь регулируемых опорных импульсов в [3] 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 противоположный 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, работающего без сбоев при сильных искажениях формы питающего напряжения и лишенного статической и динамической погрешности при 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 интегрирующий и фазосмещающий элемент, элемент сравнения и измерительный трансформатор, подключенный к выходу силового трансформатора, дополнительно введены компаратор, формирователь опорных импульсов, генератор пилообразного напряжения, полусумматор, устройство выборки и хранения, формирователь импульсов по фронту и делитель частоты, при этом выход измерительного трансформатора связан с входами компаратора и фазосмещающего элемента, выход которого через формирователь опорных импульсов соединен с входами генератора пилообразного напряжения и делителя частоты, а также со вторым входом интегрирующего элемента, первый вход которого подключен к выходу компаратора, выход генератора пилообразного напряжения связан со вторыми входами полусумматора и элемента сравнения, выход интегрирующего элемента соединен с первым входом полусумматора, выход которого связан с первым входом устройства выборки и хранения, второй вход которого подключен к выходу делителя частоты, выход устройства выборки и хранения связан с первым входом элемента сравнения, выход которого соединен с входом формирователя импульсов по фронту, а его выход является выходом устройства.

Введение в устройство совокупности новых элементов (компаратора, формирователя опорных импульсов, генератора пилообразного напряжения, полусумматора, устройства выборки и хранения, формирователя импульсов по фронту и делителя частоты) и их взаимосвязей позволяет преобразовывать напряжение u₂ с выхода измерительного трансформатора (фиг.2, а) в последовательность прямоугольных импульсов разной полярности (фиг.2, в), фронты и срезы которых совпадают с моментами перехода питающего напряжения через ноль. Применение интегрирующего элемента позволяет уменьшить влияние колебаний питающего напряжения в моменты его перехода через ноль и приблизить форму напряжения на выходе интегратора u_инт к напряжению (показано пунктиром на фиг.2, г), соответствующему гладкой форме питающего напряжения u₂ (показано пунктиром на фиг. 2, а). Кроме того, использование в устройстве полусумматора уменьшает в два раза ошибку в формировании напряжения u_Δ = (u_гпн+u_инт)/2 на его выходе (фиг.2, г). Поскольку синхронизирующие импульсы на выходе устройства (фиг.2, ж) формируются в зависимости от напряжения u_Δ, то это, в свою очередь, позволяет увеличить точность их формирования.

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

Формирователь синхронизирующих импульсов содержит измерительный трансформатор 1, компаратор 2, интегрирующий элемент 3, фазосмещающий элемент 4, формирователь опорных импульсов 5, генератор пилообразного напряжения 6, полусумматор 7, устройство выборки и хранения 8, элемент сравнения 9, формирователь импульсов по фронту 10 и делитель частоты 11.

Выход измерительного трансформатора 1 связан с входами компаратора 2 и фазосмещающего элемента 4, выход которого через формирователь опорных импульсов 5 соединен с входами генератора пилообразного напряжения 6 и делителя частоты 11, а также со вторым входом интегрирующего элемента 3, первый вход которого подключен к выходу компаратора 2, выход генератора пилообразного напряжения 6 связан со вторыми входами полусумматора 7 и элемента сравнения 9, выход интегрирующего элемента 3 соединен с первым входом полусумматора 7, выход которого связан с первым входом устройства выборки и хранения 8, второй вход которого подключен к выходу делителя частоты 11, выход устройства выборки и хранения 8 связан с первым входом элемента сравнения 9, выход которого соединен с входом формирователя импульсов по фронту 10, а его выход является выходом устройства.

Формирователь синхронизирующих импульсов работает следующим образом.

Напряжение u₂ вторичной обмотки измерительного трансформатора 1 (фиг.2, а) поступает на входы компаратора 2 и фазосмещающего элемента 4 и имеет провалы, связанные с процессами коммутации в преобразователе электровоза. С помощью компаратора 2 это напряжение преобразуется в прямоугольные импульсы напряжения u_к положительной и отрицательной полярности (фиг.2, в). Переход напряжения вторичной обмотки измерительного трансформатора 1 через ноль сопровождается формированием фронта и среза в напряжении u_к на выходе компаратора 2. При этом в выходном напряжений компаратора 2 сохраняются переходы напряжения от нулевого уровня к высокому и обратно, которые связаны с коммутационными искажениями напряжения вторичной обмотки измерительного трансформатора 1. С помощью фазосмещающего элемента 4 и формирователя опорных импульсов 5 происходит генерация опорных синхроимпульсов СИ1 (фиг.2, б) по первой гармонике напряжения u₂ вторичной обмотки измерительного трансформатора 1. Такой способ получения импульсов применяется в блоке БСИ-541 на электровозе ВЛ85 [4] . С помощью импульсов СИ1 формируется пилообразное напряжение u_гпн на выходе генератора пилообразного напряжения 6, а также осуществляется управление началом и окончанием преобразования напряжения u_инт в интеграторе 3. Делитель частоты 11 уменьшает частоту следования импульсов СИ1, поступающих на его вход, выходные импульсы СИ2 делителя частоты 11 показаны на фиг.2, д. С помощью полусумматора 7 осуществляется сравнение сигналов напряжения u_гпн и u_инт, в результате чего напряжение u_Δ на выходе полусумматора 7 составляет полусумму его входных сигналов. Устройство выборки и хранения 8 сохраняет в течение периода напряжение u_Δ полусумматора 7. Обновление напряжения u_увх на выходе устройства выборки и хранения 8 осуществляется в моменты подачи импульсов СИ2 (фиг.2, д). С помощью элемента сравнения 9 и формирователя импульсов по фронту 10 происходит формирование синхронизирующих импульсов СИ (фиг.2, ж) в моменты превышения пилообразным напряжением напряжения на выходе устройства выборки и хранения 8. Фронты полученных синхронизирующих импульсов СИ совпадают с моментами перехода питающего напряжения через ноль.

Таким образом, изменения 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.

Работоспособность формирователя синхронизирующих импульсов подтверждена путем моделирования его работы с помощью пакета прикладных программ Design Lab 8.0 [5] . Результаты расчета на модели приведены на фиг.3, из которого следует, что искажения питающего напряжения u₂, связанные с многократным прохождением его через ноль, не приводят к смещению синхроимпульсов СИ относительно неискаженной формы питающего напряжения u.

Источники информации
1. А.с. 1018189. Устройство для управления тиристорным инвертором. Авторы изобретения О.Р.Калабухов, С.А.Крамсков. Опубл. в БИ, 1983, 18, кл. Н 02 М 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 и др. Испытания электровоза ВЛ85 с разнофазным управлением выпрямительно-инверторными преобразователями. - Вестник ВНИИЖТ, 1986, 4.

4. Электровоз ВЛ85: Руководство по эксплуатации /Б.А.Тушканов и др. - М. : Транспорт, 1992, - 480 с.

5. В. Д.Разевиг. Система сквозного проектирования электронных устройств Design Lab 8.0. - М.: "Солон", 1999, - 693 с.

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, интегрирующий элемент, фазосмешивающий элемент, формирователь опорных импульсов, генератор пилообразного напряжения, полусумматор, устройство выборки и хранения, элемент сравнения, формирователь импульсов по фронту и делитель частоты. Выход измерительного трансформатора связан с входами компаратора и фазосмещающего элемента, выход которого через формирователь опорных импульсов соединен с входами генератора пилообразного напряжения и деления частоты, а также со вторым входом интегрирующего элемента, первый вход которого подключен к выходу компаратора, выход генератора пилообразного напряжения связан со вторыми входами полусумматора и элемента сравнения, выход интегрирующего элемента соединен с первым входом полусумматора, выход которого связан с первым входом устройства выборки и хранения, второй вход которого подключен к выходу делителя частоты, выход устройства выборки и хранения связан с первым входом элемента сравнения, выход которого соединен с входом формирователя импульсов по фронту, а его выход является выходом устройства. Применение интегрирующего элемента позволяет уменьшить влияние колебания питающего напряжения в моменты его перехода через ноль, что, в свою очередь, увеличивает точность формирования синхронизирующих импульсов - это является техническим результатом. Результаты расчета на модели показали, что искажения питающего напряжения, связанные с многократным прохождением его через ноль, не приводят к смещению синхроимпульсов относительно неискаженной формы питающего напряжения. 3 ил.

Формирователь синхронизирующих импульсов, содержащий интегрирующий и фазосмещающий элементы, элемент сравнения и измерительный трансформатор, подключенный к выходу силового трансформатора, отличающийся тем, что в него дополнительно введены компаратор, формирователь опорных импульсов, генератор пилообразного напряжения, полусумматор, устройство выборки и хранения, формирователь импульсов по фронту и делитель частоты, при этом выход измерительного трансформатора связан с входами компаратора и фазосмещающего элемента, выход которого через формирователь опорных импульсов соединен с входами генератора пилообразного напряжения и делителя частоты, а также со вторым входом интегрирующего элемента, первый вход которого подключен к выходу компаратора, выход генератора пилообразного напряжения связан со вторыми входами полусумматора и элемента сравнения, выход интегрирующего элемента соединен с первым входом полусумматора, выход которого связан с первым входом устройства выборки и хранения, второй вход которого подключен к выходу делителя частоты, выход устройства выборки и хранения связан с первым входом элемента сравнения, выход которого соединен с входом формирователя импульсов по фронту, а его выход является выходом устройства, при этом напряжение на выходе полусумматора составляет полусумму его входных напряжений, а импульсы, генерируемые формирователем опорного напряжения, осуществляют управление началом и окончанием преобразования напряжения в интеграторе, устройство выборки и хранения сохраняет в течение периода напряжение с выхода полусумматора, а обновление напряжения на выходе устройства выборки и хранения осуществляется в моменты подачи выходных импульсов делителя частоты.