СИСТЕМА ИМПУЛЬСНО-ФАЗОВОГО УПРАВЛЕНИЯ Российский патент 2005 года по МПК H02M1/08 H02P1/26 

Изобретение относится к области преобразовательной техники и может быть использовано для управления тиристорными регуляторами напряжения, например, для плавного пуска асинхронных электроприводов.

Известна система импульсно-фазового управления (СИФУ) (А.с. 873374. Устройство для импульсно-фазового управления вентильным преобразователем, 15.10.81), содержащая три идентичных канала преобразования сигнала управления, из которых каждый включает в себя (фиг.1а) сумматор 1, интегратор 2, релейный элемент 3, формирователь управляющих импульсов 4, клемму 5 для подключения источника сигнала управления и клемму 6 для подключения синхронизирующего сигнала (напряжения сети соответствующей фазы).

В режиме внешней синхронизации каждый из каналов СИФУ приобретает свойства адаптивного фильтра с передаточной функцией вида и постоянной времени , где Т_С - период синхронизирующего воздействия X_С(t) (фиг.1б); - нормированное значение амплитуды А_С сигнала синхронизации (фиг.1б); ± А - амплитуда выходных импульсов Y(t) релейного элемента 3 (фиг.1в).

При отсутствии входного сигнала X_ВХ(t) между выходными импульсами релейного элемента 3 (фиг.1в) и сигналом синхронизации X_С(t) (фиг.1б) устанавливается начальный угол α ₁ управления силовыми тиристорами на уровне 90 эл. град. Выходной сигнал Y_И(t) интегратора 2 имеет форму сигнала синхронизации, подаваемого на клемму 6.

Под действием информативного сигнала Х_ВХ(t), например, положительной полярности (фиг.1в) развертка Y_И(t) смещается “вертикально” относительно оси “t” в направлении, противоположном знаку сигнала управления. В результате угол управления силовыми тиристорами уменьшается до величины α ₂ (фиг.1б-г).

Оптимальной величиной сигнала синхронизации является , так как в этом диапазоне СИФУ обладает свойством автокоррекции угла управления тиристорами (Цытович Л.И. Развертывающие преобразователи для систем управления вентильными электроприводами и технологической автоматики. Дис. докт. техн. наук. - Челябинск: ЧГТУ, 1996, 465 с.). Например, в случае уменьшения амплитуды напряжения сети угол управления α автоматически сдвигается в область меньших значений, увеличивая тем самым продолжительность открытого состояния силового вентиля.

Однако при малом заданном значении и резких колебаниях напряжения сети в сторону его уменьшения происходит снижение амплитуды сигнала развертки Y_И(t), например, на величину Δ А_И (фиг.1д, сигнал Y*И

Таким образом, известное техническое решение обладает низкой надежностью в работе при резких колебаниях напряжения сети.

Известна СИФУ (а.с. №1094127. Устройство для импульсно-фазового управления преобразователем, 23.05.84, Бюл. №19), содержащая сумматоры, интеграторы, релейные элементы, амплитудные модуляторы, дифференцирующие звенья, выпрямители, фильтр и формирователи импульсов управления.

В данном устройстве осуществляется автоматическая коррекция постоянной времени Т_э каналов СИФУ в функции коммутационных искажений напряжения сети. Однако при значительном снижении амплитуды сигнала синхронизации здесь, как и в устройстве по а.с. 873374 (фиг.1а), высока вероятность перехода каналов СИФУ в режим собственных автоколебаний.

Известна СИФУ - прототип (а.с. №1094129. Устройство для управления вентильным преобразователем, 23.05.84, Бюл. №19), которая по составу функциональных блоков и связям между ними является наиболее близкой к предлагаемому техническому решению.

Состав основных блоков устройства-прототипа показан на фиг.2. В него входят релейные элементы 1, 2, сумматор 3, интегратор 4, формирователь импульсов 5, стабилизированный источник электропитания 6, клеммы 7, 8 для подключения сигнала синхронизации и управления соответственно.

Синхронизация блоков 3, 4, 2 производится выходными импульсами релейного элемента 1, которые имеют постоянную амплитуду, определяемую источником 6. Учитывая прямоугольный характер импульсов с выхода блока 1 и их амплитуду, не зависящую от напряжения сети, в СИФУ исключается возможность возникновения автоколебательного режима при снижении амплитуды сетевого напряжения. Однако данное качество приобретается ценой потери СИФУ свойств адаптации к параметру . В результате постоянная времени Т_э прямого канала регулирования оказывается зависимой только от частоты напряжения сети.

Таким образом, устройство-прототип характеризуется низкой точностью работы при колебаниях амплитуды сетевого напряжения.

В основу изобретения положена техническая задача, заключающаяся в повышении точности и надежности работы системы импульсно фазового управления.

Предлагаемая система импульсно-фазового управления содержит последовательно включенные первый релейный элемент, сумматор, интегратор, второй релейный элемент, формирователь импульсов управления, причем выход второго релейного элемента соединен с вторым входом сумматора, третий вход которого подключен к источнику сигнала управления, стабилизатор напряжения, выход которого соединен с клеммами напряжения питания интегратора и второго релейного элемента, и отличается от известного устройства тем, что в нее введены последовательно включенные первый выпрямитель и первый усилитель, ограничитель, а также последовательно включенные второй выпрямитель и второй усилитель-ограничитель, причем входы первого и второго выпрямителей подключены к источнику трехфазной сети, а выходы первого и второго усилителей ограничителей соединены с клеммами напряжения питания первого релейного элемента, клеммы напряжения питания первого и второго усилителей-ограничителей подключены к выходу стабилизатора напряжения.

Существенным отличием предлагаемого устройства является его повышенная точность и надежность в работе.

Поставленная техническая задача достигается за счет питания первого релейного элемента нестабилизированным выпрямленным напряжением сети и ограничения напряжения питания первого релейного элемента на уровне максимального выходного сигнала усилителей-ограничителей. При этом в СИФУ исключается возможность ее перевода в режим собственных автоколебаний при резких уменьшениях амплитуды синхронизирующего сигнала и обеспечивается способность СИФУ изменять свои динамические характеристики в функции частоты и амплитуды напряжения сети.

Исследование предлагаемого устройства по патентной и научно-технической литературе не выявило технических решений, содержащих признаки, эквивалентные заявляемому объекту, что позволяет считать его соответствующим критерию “новизна”.

Изобретение поясняется следующими чертежами:

фиг.1 - структурная схема (а) и временные диаграммы сигналов устройства-аналога;

фиг.2 - структурная схема устройства-прототипа;

фиг.3 - структурная схема предлагаемой СИФУ;

фиг.4 - временные диаграммы сигналов (а, б) выпрямителей и усилителей ограничителей, характеристики “вход-выход” усилителей-ограничителей (в, г) и интегратора (д);

фиг.5, 6 - временные диаграммы сигналов СИФУ;

фиг.7 - принципиальная схема СИФУ;

фиг.8 - функциональная схема тиристорного регулятора напряжения для плавного пуска асинхронного электродвигателя.

В состав СИФУ входят (фиг.3) первый 1 и второй 2 релейные элементы, сумматор 3, интегратор 4, формирователь импульсов управления 5, стабилизатор напряжения 6, первый 7 и второй 8 выпрямители, первый 9 и второй 10 усилители-ограничители, клемма 11 для подключения сигнала синхронизации (напряжения соответствующей фазы сети), клемма 12 для подключения источника сигнала управления, клемма 13 для подключения выпрямителей 7, 8 к источнику трехфазной сети, выходная клемма 14 СИФУ.

На фиг.4, 5, 6 введены следующие обозначения:

А, В, С - напряжение соответствующей фазы сети;

X_c(t) - выходной сигнал релейного элемента 1;

± А_С - амплитуда выходных импульсов релейного элемента 1;

Т_с - период выходных импульсов релейного элемента 1;

Y_И(t) - выходной сигнал интегратора 4;

Y(t) - выходной сигнал релейного элемента 2;

±А - амплитуда выходных импульсов релейного элемента 2;

+U_П, -U_П - выходное напряжение блоков 9, 10 соответственно;

X_ВХ - сигнал управления на клемме 12;

±Y_н - зона ограничения (“насыщения”) усилителей-ограничителей 7, 8 соответственно;

t_i - интервалы развертывающего преобразования;

Δ b_i - амплитуда выходного сигнала интегратора 4 на соответствующем интервале развертывающего преобразования.

Звенья СИФУ имеют следующие характеристики.

Релейные элементы 1, 2 выполнены с неинвертирующей характеристикой “вход-выход” и имеют нулевое значение порогов переключения. Выходной сигнал релейных элементов 1, 2 меняется дискретно в пределах ±А. Сумматор 3 реализован с единичным коэффициентом передачи по каждому из входов. Интегратор 4 имеет передаточную функцию вида W(р)=1/Т_ир, где Т_И - постоянная времени интегрирования. При подаче на вход блока 4 “скачка” входного воздействия его выходной сигнал изменяется линейно в сторону, противоположную знаку входного сигнала (фиг.4д). Формирователь импульсов управления 5 синхронизирован с одним из фронтов выходных импульсов релейного элемента 2 (например, с передним) и формирует на выходе импульс заданной амплитуды и длительности. Питание формирователя 5 осуществляется от нестабилизированного источника постоянного напряжения (на фиг.3 не показан). Стабилизатор напряжения 6 осуществляет стабилизацию напряжения питания блоков 2, 4, 9, 10. Выпрямители 7, 8 выполнены, например, по трехфазной нулевой схеме. Их входы подключаются к источнику трехфазного напряжения А, В, С (фиг.4а). При этом на выходе блоков 7, 8 формируется выпрямленное напряжение положительной +U_П и отрицательной -U_П полярности соответственно (фиг.4б). Усилители-ограничители 9, 10 имеют единичный коэффициент передачи, а их выходной сигнал не превышает зоны “насыщения” ±Y_Н (фиг.4в, г). При номинальном напряжении сети на клемме 13 (фиг.3) блоки 9, 10 работают на линейном участке своей статической характеристики (фиг.4б). При наличии коммутационного всплеска напряжения А_И, например, фазы А (фиг.4а), выходной сигнал блоков 9, 10 не превышает уровня ±Y_Н (фиг.4б), определяемого выходным напряжением стабилизатора 6.

Принцип работы устройства следующий.

Выпрямители 7, 8 осуществляют выпрямление трехфазного напряжения (фиг.5а) и могут выполняться как по трехфазной нулевой, так и трехфазной мостовой схемам выпрямления (в дальнейшем считаем, что блоки 7, 8 реализованы по трехфазной нулевой схеме). Параметры звеньев 7-10 выбираются таким образом, чтобы усилители 9, 10 при номинальном напряжении сети работали бы на линейном участке своей статической характеристики “вход-выход”. Релейный элемент 1 имеет нулевое значение порогов переключения и переключается синхронно с моментами времени перехода синхронизирующим сигналом, например, фазы А, через нулевой уровень (фиг.5б). При этом амплитуда выходных импульсов блока 1 изменяется по закону выходного сигнала блоков 9, 10, осуществляющих электропитание релейного элемента 1. С целью упрощения временных диаграмм сигналов СИФУ в дальнейшем считаем амплитуду выходных импульсов релейного звена 1 постоянной на уровне среднего ±А_С за полупериод напряжения сети значения (фиг.5б).

Для перевода СИФУ в режим внешней синхронизации необходимо на вход канала, состоящего из звеньев 2, 3, 4, подать переменный сигнал с выхода релейного элемента 1 с амплитудой, удовлетворяющей условию где - нормированное значение амплитуды ±А_С синхронизирующего воздействия X_С(t); - нормированное значение постоянной составляющей сигнала управления X_ВХ; ±А - амплитуда выходных импульсов релейного элемента 2.

Рассмотрим режим входа канала 2, 3, 4 в синхронизацию с сигналом X_С(t), представляющим собой, как отмечалось ранее, прямоугольные биполярные импульсы с амплитудой ±А_С (фиг.6а).

При отсутствии сигнала управления Х_ВХ (фиг.6а) в интервале времени t₁ сигнал развертки Y_И(t) с выхода интегратора 4 изменяется под действием суммарного воздействия А_с-А и достигает амплитуды Δ b₁. После изменения знака синхронизирующего сигнала меняется направление развертывающего преобразования и в течение времени t₂ возрастает скорость нарастания напряжения Y_И(t), которая определяется результирующим сигналом -А_С-А, действующим на вход интегратора 4. В момент выполнения условия Y_И(t)=0 релейный элемент 2 переключается, и производная развертки Y_И(t) вновь падает, так как на интегратор 4 подается сигнал -А_С+А. При этом выходной сигнал интегратора 4 получает приращение Δ b₂<Δ b₁. В дальнейшем процесс периодически повторяется до тех пор, пока не достигнет установившегося режима, при котором период выходных импульсов релейного элемента 2 соответствует периоду Т_C сигнала синхронизации, приращения Δ b_2n-1=Δ b_2n, а среднее значение импульсов Y(t) на выходе блока 2 равно нулю.

Предположим, что на вход сумматора 3 с клеммы 12 подан постоянный сигнал управления Х_ВХ положительной полярности (фиг.6б). Тогда в интервале t₁₁ (фиг.6в) развертка Y_И(t) формируется в результате суммарного сигнала А_С-А+Х_ВХ, подаваемого на интегратор 4, и темп ее нарастания оказывается выше, чем в случае Х_ВХ=0 (фиг.6а). После смены знака выходного сигнала X_С(t) релейного элемента 1 на вход интегратора действует сигнал -А_с-А+Х_ВХ, что в течение времени t₁₂ вызывает рост скорости изменения сигнала Y_И(t) на выходе интегратора 4. Следующие циклы развертывающего преобразования t₂₁ и t₂₂ определяются воздействиями -А_С+А+X_ВХ и A_С+A+X_ВХ соответственно. После нескольких периодов переключения релейного элемента 2 система выходит на установившейся режим работы, при котором развертка Y_И(t) оказывается смещенной относительно “нуля” (| Δ b_2n-1|_{>Δ b2n). Это приводит к выполнению условия t1>t2, когда среднее значение импульсов Y(t) достигает уровня, пропорционального ХВХ. В результате частота выходных импульсов блока 2 соответствует частоте синхронизирующего сигнала XС(t) с выхода релейного звена 1, а скважность (угол управления тиристорами) определяется величиной управляющего воздействия XВХ. Формирователь 5 запускается синхронно с передним фронтом выходного сигнала релейного элемента 2 и формирует импульс управления силовым тиристором заданной мощности и длительности.}

Повышенная надежность работы СИФУ объясняется следующими обстоятельствами. Во-первых, синхронизация канала 2, 3, 4 выходными импульсами релейного элемента 1 исключает возможность перехода системы в режим высокочастотных колебаний, как это показано на фиг.1д., так как в данном случае скорость изменения фронта сигнала синхронизации не зависит от амплитуды напряжения сети. Во-вторых, непосредственное подключение выпрямителей 7, 8 к клеммам питания релейного элемента 1 могло бы привести к выходу из строя блока 1 из-за коммутационных всплесков напряжения сети, в результате которых напряжение питания релейного элемента 1 превысило бы допустимое для микросхемы значение. Введение в СИФУ усилителей-ограничителей 9, 10 устраняет данный недостаток ввиду того, что они имеют зону “насыщения” ±Y_н (фиг.4б-г), при которой напряжение питания блока 1 не может превысить допустимый уровень.

Повышенная точность работы СИФУ объясняется тем, что амплитуда сигнала синхронизации с выхода релейного элемента не является фиксированной, а зависит от амплитуды напряжения сети. Так, в случае, например, уменьшения амплитуды сетевого напряжения автоматически снижается среднее за полупериод напряжения сети значение амплитуды сигнала синхронизации. В результате уменьшается постоянная времени канала 2, 3, 4, а угол управления тиристорами сдвигается в сторону его меньшего значения, частично компенсируя тем самым изменение амплитуды сетевого напряжения.

Пример технической реализации СИФУ показан на фиг.7. Интегратор 4 выполнен на операционном усилителе А1 с конденсатором С1 в цепи обратной связи и защитными диодами VD1, VD2 на входе. Релейный элемент 2 реализован на микросхеме А2 со слабой положительной обратной связью по напряжению. Транзистор VT с защитным диодом VD3 служит для согласования выхода релейного элемента 2 с формирователем импульсов управления 5 (на схеме не показан). Блокировочные конденсаторы С2-С5 предназначены для подавления помех со стороны стабилизатора напряжения 6. Блоки 7, 8 реализованы на разделительном трансформаторе Тр. и диодах VD4-VD9. В состав усилителей-ограничителей 9, 10 входят микросхемы А4, А5 с диодами VD10-VD13, ограничивающими напряжение между входами операционного усилителя.

Рассмотренное СИФУ входит в состав регулятора напряжения РН (фиг.8) для плавного пуска асинхронного электродвигателя. Каждый из каналов 7-9 регулятора выполнены по структуре на фиг.3 и синхронизирован соответствующей фазой сетевого напряжения. Силовой блок регулятора включает ключи 1-6 типа “диод-тиристор”. РН содержит также контур обратной связи по току нагрузки и комплекс селективных защит (на схеме не показаны).

Рассмотренное устройство предполагается использовать при реконструкции электроприводов воздухообменников цеха №6 ОАО ЧТПЗ с применением тиристорных станций управления для плавного пуска асинхронных электродвигателей.

Основными статьями экономической эффективности являются:

- экономия затрат на электроэнергию в результате перевода электродвигателей из непрерывного в отключенное состояние;

- эффективность от снижения потока отказов электро- и технологического оборудования и снижения затрат на ремонт и обслуживание;

Воздухообменники линии сварки труб 1220Воздухообменник №Номинальная мощность электродвигателя, квтПотребляемая электродвигателем мощность из сети, квтВ-1160135В-2125100В-312595В-5160135В-13160130Всего730595

Среднестатистический простой оборудования линии 1220, в течение которого воздухообменники должны находиться в выключенном состоянии, согласно техотчету цеха №6 за 2002 г. составляет 24,3%. При этом не учитывается время на ремонт оборудования 0,5%, настройку технологического оборудования 1,0%, технологический простой 1,5%, отсутствие металла 13,7%.

Сокращение затрат на электроэнергию за год работы электропривода определяется из соотношения C ≈ N· P_ДВ·_{TС·D· Квыкл [руб.], где N - стоимость одного квт· час электроэнергии; РДВ - мощность, потребляемая электродвигателем из сети, квт; ТС - количество часов в рабочей смене предприятия; D - число фактических рабочих дней в году (по данным отчета за 2002 г.). Считаем N=1,016 руб., ТС=24 час, D=220,67 дней, коэффициент выключенного состояния электропривода Квыкл=0,243.}

Тогда имеем:

- Экономия затрат на электроэнергию за счет перевода электродвигателей в отключенное состояние С₁=1,016· 595-24· 220,67· 0,243=777985,5 руб.

Воздухообменники линии отделки труб 1220Воздухообменник №Номинальная мощность электродвигателя, квтПотребляемая электродвигателем мощность из сети, квтВ-511090В-87555Всего185145

- Экономия затрат на электроэнергию за счет перевода электродвигателей в отключенное состояние

С₂=1,016· 145· 24· 220,67· 0,243=189593, 1 руб.

Воздухообменники линии сварки труб 820Воздухообменник №Номинальная мощность электродвигателя, квтПотребляемая электродвигателем мощность из сети, квтВ-511095В-89075В-6132110В-10132105Всего464385

Среднестатистический простой оборудования линии 820, в течение которого воздухообменники должны находиться в выключенном состоянии, согласно техотчету цеха №6 за 2002 г. составляет 15,3% (не учитывается время на ремонт оборудования 0,4%, настройки технологического оборудования 0,8%, технологический простой 0,7%, отсутствие металла 5,8%). Фактическое рабочее время за год линии 820 составляет 249,5 дней.

- Экономия затрат на электроэнергию за счет перевода электродвигателей в отключенное состояние С₃=1,016· 385· 24· 249,5· 0,153=358366,7 руб.

Воздухообменники линии отделки труб 820Воздухообменник №Номинальная мощность электродвигателя, квтПотребляемая электродвигателем мощность из сети, квтВ-1813275В-20132110В-2213290Всего396275

- Экономия затрат на электроэнергию за счет перевода электродвигателей в отключенное состояние

С₄=1,016· 275· 24· 249,5· 0,153=255976,2 руб.

Дымоудалители участка покрытия трубДымоудалитель №Мощность электродвигателя, квтПотребляемая электродвигателем мощность из сети, квтД-17540

Среднестатистический простой оборудования линии покрытия, в течение которого дымоудалитель должен находиться в выключенном состоянии, согласно техотчету цеха №6 за 2002 г. составляет 12% (не учитывается время на ремонт оборудования 1,4%, отсутствие труб 8,2%, отсутствие заказа 7,6%). Фактическое рабочее время 197,5 дней.

- Экономия затрат на электроэнергию за счет перевода электродвигателя в отключенное состояние С₅=1,016· 40· 24· 197,5· 0,12=23116 руб.

Результирующая экономия затрат на электроэнергию

СΣ =С₁+С₂+С₃+С₄+С₅=1605037,5 руб.

Затраты на ремонт электродвигателей и силовой релейно-контакторной аппаратуры систем воздухообмена и дымоудаления за период 2001-2002 г. (по данным электроцеха) в среднем составили 354712 руб. Снижение затрат на ремонт электрооборудования при плавном пуске электродвигателей составляет около 80-90%. Принимаем 80%. Тогда

С₆=354712· 0,8=283769,6 руб.

Результирующая экономическая эффективность

С_рез=СΣ +С₆=1888807,1 руб.

Затраты на приобретение оборудования, его монтаж и наладку 3900000 руб.

Срок окупаемости затрат на реконструкцию электроприводов систем воздухообмена и дымоудаления на основе тиристорных станций управления составляет 24,777 месяца ≈ 2 года 1 месяц.

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано для управления тиристорными регуляторами напряжения при пуске асинхронного электропривода. Техническим результатом является повышение точности и надежности работы. Система импульсно-фазового управления содержит источник сигнала синхронизации, два релейных элемента, сумматор, интегратор, формирователь импульсов управления, источник сигнала управления, стабилизатор напряжения, интегратор и источник трехфазного напряжения. В систему импульсно-фазового управления включены первый выпрямитель и первый усилитель-ограничитель и последовательно включенные второй выпрямитель и второй усилитель-ограничитель. Входы выпрямителей соединены с источником трехфазного напряжения, а выходы усилителей ограничителей подключены к клеммам электропитания первого релейного элемента. Клеммы электропитания усилителей-ограничителей соединены с выходом стабилизатора напряжения. 8 ил., 5 табл.

Система импульсно-фазового управления, содержащая последовательно включенные источник сигнала синхронизации, первый релейный элемент, сумматор, интегратор, второй релейный элемент, формирователь импульсов управления, выход которого подключен к выходной клемме устройства, причем выход второго релейного элемента соединен со вторым входом сумматора, третий вход которого подключен к источнику сигнала управления, стабилизатор напряжения, выход которого соединен с клеммами электропитания интегратора и второго релейного элемента, источник трехфазного напряжения, отличающаяся тем, что в нее введены последовательно включенные первый выпрямитель и первый усилитель-ограничитель и последовательно включенные второй выпрямитель и второй усилитель-ограничитель, причем входы выпрямителей соединены с источником трехфазного напряжения, а выходы усилителей-ограничителей подключены к клеммам электропитания первого релейного элемента, а клеммы электропитания усилителей-ограничителей соединены с выходом стабилизатора напряжения.