АДАПТИВНОЕ ИНТЕГРИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО СИНХРОНИЗАЦИИ Российский патент 2014 года по МПК H02M1/08 H02M7/53846 

Устройство относится к области преобразовательной техники и может использоваться в системах управления тиристорными преобразователями постоянного и переменного напряжения.

Известно устройство синхронизации (УС) прямого действия (Информационные цепи преобразователей тиристорных электроприводов / С.С.Крылов, Е.В.Мельников, Л.И.Конышев. - М: Энергоатомиздат, 1984. -160 с.), содержащее компаратор на операционном усилителе с резисторами цепи положительной обратной связи, подключенный к напряжению сети через разделительный понижающий трансформатор и осуществляющий выделение с помощью выходного сигнала логической «1» моментов времени перехода напряжением сети через нулевой уровень. Двуханодный стабилитрон служит для защиты входа микросхемы от перенапряжений со стороны сетевого напряжения.

Недостатком известного технического решения является его низкая помехоустойчивость к импульсным помехам и коммутационным искажениям со стороны напряжения синхронизации, а также погрешность работы при изменениях амплитуды и частоты сигнала синхронизации.

Известно устройство синхронизации, содержащее усилитель с резисторами положительной обратной связи, синхронизирующий трансформатор с выпрямительными диодами и согласующий транзистор (А.с. 1798869 СССР, Н02М 1/08. Система импульсно-фазового управления трехфазным тиристорным преобразователем / Маурер В.Г., Рахматулин P.M., Цытович Л.И. и др. (СССР). - №4778744/07, заявлено 05.01.90; опубл. 28.02.93, Бюл. №8).

Питание компаратора осуществляется от двух трехфазных нулевых схем, формирующих нестабилизированное напряжение для усилителя. При этом пороги переключения компаратора изменяются по закону выпрямленного напряжения сети. Переключение УС производится напряжением соответствующей фазы на вторичной стороне трансформатора. В результате длительность выходного импульса компаратора соответствует заданному диапазону изменения угла управления тиристорами даже для случая значительной нестабильности напряжения сети фаз A, B, C.

Недостатком известного УС является его низкая помехоустойчивость к импульсным помехам со стороны напряжения синхронизации, а также то, что высокая точность поддержания заданного диапазона регулирования тиристорами происходит только при синхронном и идентичном по уровню изменении амплитуд всех фаз напряжения сети одновременно.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является устройство синхронизации интегрирующего типа (Дудкин М.М., Цытович Л.И. Элементы информационной электроники систем управления вентильными преобразователями: монография. - Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2011. - С.37).

В состав УС входят последовательно соединенные источник сигнала синхронизации со стороны разделительного трансформатора системы импульсно-фазового управления - «вход синхронизирующий», сумматор, интегратор, релейный элемент, выход которого соединен со вторым входом сумматора и одновременно является «выходом» устройства. В качестве источника сигнала синхронизации используется непосредственно напряжение сети.

Для перевода звеньев из режима частотно-широтно-импульсной

модуляции в режим внешней синхронизации, когда в УС реализуется

широтно-импульсная модуляция, необходимо на синхронизирующий вход сумматора подать переменный гармонический сигнал с периодом $$T_C\ge T_{0|X_{BX}=0}$$ и с амплитудой, удовлетворяющей условию, $${\overline{A}}_C>\pi /\mathrm{2,}$$ где $${\overline{A}}_C=\left|A_C/A\right|$$ - нормированное значение амплитуды ±A_C - синхронизирующего воздействия; ±A - амплитуда выходных импульсов релейного элемента; $$T_{0|X_{BX}=0}$$ - период автоколебаний звеньев при отсутствии сигнала синхронизации.

При воздействии гармонического синхронизирующего сигнала на выходе УС устанавливаются вынужденные колебания, при которых импульсы на выходе релейного элемента сдвинуты относительно синхронизирующего сигнала на угол α_C=-90 эл.град (начальный угол синхронизации) при условии равенства частоты собственных автоколебаний УС ƒ₀=(T₀)^-1, которая определяется при A_C=0, и частоты сигнала синхронизации ƒ_C=(T_C)^-1, т.е. $${ƒ}_{С}={ƒ}_0=1/\left(4\overline{b}{T}_{И}\right)$$ или $$T_{С}=T_0=4\overline{b}{T}_{И}$$ , где $$\overline{b}=\left|b/A\right|$$ - нормированное значение порогов РЭ; T_И - постоянная времени интегратора УС.

Устройство-прототип обладает высокой помехоустойчивостью к импульсным помехам со стороны напряжения синхронизации, а также способностью адаптироваться к изменению амплитуды напряжения сети (синхронизирующего воздействия), что объясняется замкнутым характером структуры УС и наличием интегратора в прямом канале регулирования.

Недостатком устройства-прототипа является его лишь частичная адаптация к изменению частоты напряжения сети, зависящая от глубины синхронизирующего воздействия $${\overline{A}}_C$$ . Так, например, при отклонениях частоты синхронизации в пределах ±50% и кратности синхронизирующего сигнала $${\overline{A}}_C=\mathrm{2,0}$$ ошибка угла синхронизации $$\Delta {\overline{\alpha }}_C=\left({\alpha }_C-90эл.град\right)/{\alpha }_C$$ достигает ±20%, а при $${\overline{A}}_C=\mathrm{10,0}$$ значение этой же ошибки $$\Delta {\overline{\alpha }}_C$$ не превышает уровня ±5%, что неизбежно приводит к изменению требуемого диапазона регулирования силовыми тиристорами вентильного преобразователя. Кроме этого в данном случае снижение ошибки $$\Delta {\overline{\alpha }}_C$$ было достигнуто за счет ухудшения динамических возможностей (быстродействия) устройства, т.к. интегрирующее УС по отношению к информационному гармоническому сигналу, представляет собой апериодическое звено первого порядка с передаточной функцией

$$W\left(p\right)=\frac{1}{1+T_{Э}p}$$ ,

где $$T_{Э}\approx \pi \cdot {\overline{A}}_C\cdot T_C/16$$ - эквивалентная постоянная времени УС, зависящая от периода T_C и амплитуды A_C сигнала синхронизации.

Таким образом, устройство-прототип характеризуется низкой точностью работы в условиях нестационарности частоты сети, что особенно актуально для тиристорных преобразователей, получающих питание от энергосистем ограниченной мощности, например, дизель-генераторных установок.

В основу изобретения положена техническая задача, заключающаяся в повышении точности работы устройства синхронизации за счет его адаптации к частоте синхронизирующего воздействия.

Указанная техническая задача решается за счет того, что в адаптивное интегрирующее устройство синхронизации, содержащее последовательно соединенные источник сигнала синхронизации - «вход» устройства синхронизации, первый сумматор и интегратор, а также релейный элемент, выход которого соединен со вторым входом первого сумматора и одновременно является «выходом» устройства, согласно изобретению, введены последовательно соединенные преобразователь частоты в напряжение, второй сумматор, амплитудный модулятор и третий сумматор, а также источник опорного напряжения, причем выход релейного элемента одновременно подключен к входу преобразователя частоты в напряжение и второму входу амплитудного модулятора, первый и второй входы третьего сумматора соединены соответственно с выходами амплитудного модулятора и интегратора, выход третьего сумматора подключен к входу релейного элемента, а второй вход второго сумматора соединен с источником опорного напряжения.

Поставленная техническая задача достигается за счет того, что в устройство введены преобразователь частоты в напряжение, второй и третий сумматоры, амплитудный модулятор и источник опорного напряжения.

Преобразователь частоты в напряжение осуществляет измерение частоты импульсов на выходе устройства, которая в установившемся режиме работы полностью совпадает с частотой синхронизирующего сигнала (напряжения сети). Амплитудный модулятор производит коррекцию порогов переключения релейного элемента таким образом, чтобы при изменении частоты синхронизации (напряжения сети) всегда выполнялось равенство между частотой сигнала синхронизации ƒ_C=(T_C)^-1 и частотой собственных автоколебаний устройства $${ƒ}_0={\left(T_0\right)}^{-1}=1/\left(4\overline{b}{T}_{И}\right)$$ , которая, как видно, зависит от нормированного порога переключения релейного элемента $$\overline{b}=\left|b/A\right|$$ и постоянной времени интегрирования интегратора, являющаяся постоянной величиной. Здесь А - амплитуда выходных импульсов релейного элемента. В результате этого угол синхронизации α_C между выходными импульсами релейного элемента и сигнала синхронизации в установившемся режиме работы при изменении частоты напряжения сети сохраняется постоянным и равен -90 эл.град, что однозначно свидетельствует об адаптации устройства синхронизации к частоте напряжения сети, а значит, и повышению его точности работы.

Таким образом, предлагаемое адаптивное интегрирующее устройство синхронизации обладает повышенной точностью в работе за счет его адаптации к частоте синхронизирующего воздействия вследствие автоматического регулирования порога переключения релейного элемента, что обеспечивается за счет введения преобразователя частоты в напряжение, второго и третьего сумматоров, амплитудного модулятора и источника опорного напряжения.

Изобретение поясняется чертежами:

Фиг.1 - функциональная схема предлагаемого устройства;

Фиг.2 а, 6, в, г - характеристики элементов предлагаемого устройства;

Фиг.3 а, 6, в, г - диаграммы сигналов адаптивного интегрирующего устройства синхронизации;

Фиг.4 - график зависимости угла синхронизации при изменении частоты синхронизирующего воздействия;

Фиг.5 - пример технической реализации преобразователя напряжения в частоту импульсов;

Фиг.6 а, 6, в, г, д, е - временные диаграммы сигналов преобразователя напряжения в частоту импульсов.

В состав УС входят (фиг.1) последовательно соединенные источник сигнала синхронизации - «вход» устройства синхронизации, первый сумматор 1, интегратор 2, второй сумматор 3, релейный элемент 4, преобразователь частоты в напряжение 5, третий сумматор 6, амплитудный модулятор 7. Выход релейного элемента 4 является «выходом» устройства синхронизации и одновременно соединен со вторым входом первого сумматора 1 и вторым входом амплитудного модулятора 7, выход которого подключен ко второму входу второго сумматора 3. Второй вход третьего сумматора 6 соединен с источником опорного напряжения 8.

Преобразователь частоты в напряжение (ПЧН) 5 (фиг.1) состоит из последовательно соединенных элементов - генератора высокочастотных импульсов 9, двоичного суммирующего счетчика 10, регистра памяти 11 и цифроаналогового преобразователя 12 (фиг.5), являющегося выходом ПЧН. В состав ПЧН также входят последовательно соединенные одновибратор импульсов 13, являющийся входом ПЧН, и элемент задержки 14, выход которого подключен к R-входу двоичного счетчика 10. Выход одновибратора 13 соединен с С-входом регистра памяти 11.

На фиг.1 - 6 введены следующие обозначения:

X_C - сигнал синхронизации УС («вход» устройства);

A_C, T_C - амплитуда и период сигнала синхронизации соответственно;

α_C - угол синхронизации на выходе устройства;

Y_И - выходной сигнал интегратора 2;

Y- выходной сигнал релейного элемента 4;

±A, T₀ - амплитуда и период выходных импульсов релейного элемента 4 соответственно;

±b - ширина порогов переключения релейного элемента 4;

Y_F- выходной сигнал преобразователя частоты в напряжение 5;

Δb отклонение порога переключения релейного элемента 4 при изменении частоты синхронизирующего воздействия;

Y_A - выходной сигнал амплитудного модулятора 7;

X₀ - источник опорного напряжения;

Y_G - выходной сигнал генератора высокочастотных импульсов 9;

N - двоичный цифровой код на выходе счетчика 10;

Y_OB, Y_DL - выходные сигналы одновибратора импульсов 13 и элемента задержки 14 соответственно;

τ - время задержки элемента 14.

Звенья УС имеют следующие характеристики (фиг.2).

Сумматор 1 осуществляет суммирование синхронизирующего воздействия X_C(t) и сигнала Y(t) с выхода релейного элемента 4 и имеет единичный коэффициент передачи по каждому из входов.

Интегратор 2 имеет передаточную функцию W(p)=1/T_Иp, где T_И - постоянная времени интегрирования. При дискретном изменении входного воздействия выходной сигнал интегратора 2 изменяется по линейному закону со знаком, обратным по отношению к знаку сигнала на его входе (фиг.2а).

Сумматоры 3 и 6 осуществляют вычитание сигнала Y_A(t) амплитудного модулятора 7 из выходного сигнала Y_И(t) интегратора 2 и выходного напряжения Y_F(t) ПЧН 5 из источника опорного напряжения X₀ соответственно и имеют единичные коэффициенты передачи по каждому из входов.

Релейный элемент 4 имеет симметричную относительно нуля и неинвертирующую петлю гистерезиса с порогами переключения $$\left|b\right|<<\left|A\right|$$ (фиг.2б).

ПЧН 5 преобразует частоту (период) импульсов на выходе релейного элемента 4 в аналоговый сигнал Y_F(t) уровень которого линейно возрастает с ростом частоты входного воздействия (фиг.2в).

Амплитудный модулятор 7 формирует на выходе переменный импульсный сигнал Y_A(t), амплитуда которого соответствует уровню напряжения на выходе сумматора 6, а частота определяется частотой выходных импульсов релейного элемента 4 (фиг.2г).

Генератор импульсов 9 формирует высокочастотные импульсы со стабильной частотой для их подсчета суммирующим счетчиком 10.

Двоичный счетчик 10 является суммирующим и увеличивает свое содержимое на единицу младшего разряда синхронно с передним фронтом импульса на С-входе. При воздействии переднего фронта импульса на R-вход счетчик 10 переходит в «нулевое» состояние по всем разрядам.

Регистр памяти 11 записывает данные со своих D-входов синхронно с передним фронтом импульса на C-входе.

Цифроаналоговый преобразователь 12 преобразует цифровой код с выхода регистра памяти 12 в аналоговый сигнал Y_F(t).

Одновибратор 13 запускается по переднему и заднему фронту импульсов с выхода релейного элемента 4 и формирует импульсы малой длительности для перезаписи данных из двоичного счетчика 10 в регистр памяти 12.

Элемент задержки 14 сдвигает во времени тактовый импульс с выхода одновибратора 13 на величину «τ», оставляя без изменений его амплитуду и длительность.

Принцип работы устройства следующий.

При отсутствии сигнала на входе синхронизации X_C(t) сумматоры 1,3, интегратор 2 и релейный элемент (РЭ) 4 (фиг.1) в совокупности образуют автоколебательную систему с частотно-широтно-импульсной модуляцией. Амплитуда выходного сигнала интегратора 2 ограничена порогами переключения ±b релейного элемента 4 и имеет вид симметричной относительно нулевого уровня «пилы». Частота собственных автоколебаний системы, составленной из блоков 1-4, определяется постоянной времени T_И интегратора 2, а также нормированным значением порогов переключения $$\overline{b}=\left|b/A\right|$$ релейного элемента 4

$${ƒ}_0={\left(T_0\right)}^{-1}=1/\left(4\overline{b}{T}_{И}\right)$$ .

Считаем, что собственная частота автоколебаний ƒ₀ системы равна частоте ƒ_С сигнала синхронизации и соответствует 50 Гц.

Рассмотрим работу устройства в режиме внешней синхронизации с частотой напряжения сети, подключаемого к входу синхронизации.

При воздействии гармонического синхронизирующего сигнала X_C(t) с частотой ƒ_С=50 Гц (фиг.3а) и амплитудой, удовлетворяющей условию $${\overline{A}}_C>\pi /2$$ , на выходе релейного элемента 4 устанавливаются вынужденные колебания с частотой (T₀)^-1, равной частоте ƒ_C=(T_C)^-1 синхронизирующего воздействия, а импульсы Y{t) (фиг.3б) сдвинуты относительно сигнала X_C(t) на угол α_C=-90 эл.град. Здесь $${\overline{A}}_C=\left|A_C/A\right|$$ - нормированное значение амплитуды ±A_C синхронизации X_C(t) (фиг.3а); ±A - амплитуда выходных импульсов Y(t) релейного элемента 4 (фиг.3б). Выходной сигнал 7и(0 интегратора 2 близок по форме к гармоническому сигналу (фиг.3б). Переключение релейного элемента 4 осуществляется при достижении разверткой интегратора Y_И(t) порогов переключения ±b РЭ.

На выходе ПЧН 5 формируется аналоговый сигнал Y_F(t), прямо пропорциональный периоду T_C синхронизирующего воздействия X_C(t) (фиг.3г). Сигнал Δb(t) на выходе сумматора 6 равен нулю при условии выбора источника опорного напряжения X₀, равного величине порога переключения +b релейного элемента 4. В результате сигнал Y_A(t) на выходе амплитудного модулятора (AM) 7 также равен нулю (фиг.3в), когда контур коррекции по частоте не оказывает никакого влияния на величину порога переключения релейного элемента 4.

При отклонении частоты синхронизирующего воздействия X_C(t) от заданного положения (ƒ_C=50 Гц), например, при ее уменьшении, когда возрастает период T_C (фиг.3а), происходит пропорциональное увеличение сигнала Y_F(t) на выходе ПНЧ 5 (фиг.3г), а на выходе сумматора 6 формируется отрицательное отклонение Δb. Амплитудный модулятор 7 формирует на выходе переменный импульсный сигнал Y_A(t) с амплитудой Δb и частотой, равной частоте выходных импульсов релейного элемента 4 (фиг.3в). Знак выходных импульсов AM 7 определяется как результат перемножения сигналов с выхода РЭ 4 и сумматора 6. В результате этого происходит изменение порога переключения |b| релейного элемента 4 на величину |Δb| (фиг.3б) и выполнение равенства $$T_C=T_0=4\overline{b}{T}_{И}$$ , когда угол синхронизации α_C между выходными импульсами Y(t) релейного элемента и сигнала синхронизации X_C(t) в установившемся режиме работы при изменении частоты ƒ_C напряжения сети сохраняется постоянным и равен -90 эл.град (фиг.3а, б).

На фиг.4 приведен график зависимости угла синхронизации α_с при изменении частоты синхронизирующего воздействия ƒ_C, полученный на основе математического моделирования в программе MatLab+Simulink. Из графика видно, что при отсутствии контура коррекции по частоте, состоящего из ПЧН 5, сумматоров 3 и 6, амплитудного модулятора 7 и источника опорного напряжения 8, в системе возникает ошибка угла синхронизации $$\Delta {\overline{\alpha }}_C=\left({\alpha }_C-90эл.град\right)/{\alpha }_C$$ , зависящая от глубины синхронизирующего воздействия $${\overline{A}}_C.$$ Так, например, при отклонениях частоты синхронизации в пределах ±50% и кратности синхронизирующего сигнала $${\overline{A}}_C=\mathrm{2,0}$$ ошибка угла синхронизации $${\overline{\alpha }}_C$$ достигает ±20%, а при $${\overline{A}}_C=\mathrm{10,0}$$ значение этой же ошибки $${\overline{\alpha }}_C$$ не превышает уровня ±5%.

В предлагаемом устройстве ошибка угла синхронизации $$\Delta {\overline{\alpha }}_C$$ при изменении частоты синхронизации ƒ_C в установившемся режиме работы всегда равна нулю, что позволяет стабилизировать диапазон регулирования угла управления тиристорного преобразователя, а значит, повысить точность его работы.

ПЧН (фиг.5) осуществляет преобразование периода выходных импульсов УС в аналоговый сигнал. С этой целью одновибратор 13 формирует короткие импульсы Y_OB(t) (фиг.6б) по переднему и заднему фронтам сигнала Y(t) с выхода релейного элемента 4 (фиг.6а). С задержкой времени «τ», формируемой элементом 14, двоичный суммирующий счетчик 10 «обнуляется» (фиг.6г) коротким импульсом Y_DL(t) (фиг.6д), и начинается процесс счета в счетчике 10 импульсов Y_G(t) (фиг.6в) с выхода высокочастотного генератора 9. В результате к моменту времени формирования короткого импульса Y_OB(t) одновибратором 13 (фиг.6б) на выходе счетчика 10 накапливается число N(t) (фиг.6г), прямо пропорциональное полупериоду T₀ импульсов Y(t) на выходе релейного элемента 4 (фиг.6а), которое переписывается с выхода счетчика 10 в регистр памяти 11. Цифроаналоговый преобразователь 12 преобразует двоичное число с выхода регистра памяти 11 в аналоговый сигнал Y_F(f) (фиг.6е). С задержкой времени «τ» (фиг.6д) двоичный счетчик 10 «обнуляется» (фиг.6 г), процессы в схеме повторяются.

Таким образом, за счет введения контура амплитудной коррекции по частоте, состоящего из преобразователя частоты в напряжение 5, сумматоров 3 и 6, амплитудного модулятора 7 и источника опорного напряжения 8, предлагаемое устройства обладает свойством адаптации к частоте синхронизирующего воздействия (напряжения сети), а значит, и повышенной точностью в работе.

Промышленная применимость.

Предлагаемое устройство предполагается использовать в системе управления вентильным преобразователем постоянного тока автоматизированного электропривода кромкорежущего станка на ОАО «Челябинский трубопрокатный завод».

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в системах управления тиристорными преобразователями постоянного и переменного тока. Технический результат - повышение точности работы в условиях нестационарности частоты сети. Адаптивное интегрирующее устройство синхронизации представляет собой замкнутую интегрирующую автоколебательную систему с контуром амплитудной коррекции по частоте. Устройство содержит источник сигнала синхронизации (не показан) - «вход» устройства синхронизации, первый сумматор (1), интегратор (2), второй сумматор (3), релейный элемент (4), преобразователь частоты в напряжение (5), третий сумматор (6), амплитудный модулятор (7), источник опорного напряжения 8. Повышение точности работы устройства обеспечивается за счет его адаптации к частоте синхронизирующего воздействия вследствие автоматического регулирования порога переключения релейного элемента (4) за счет введения преобразователя частоты в напряжение (5), второго (3) и третьего (6) сумматоров, амплитудного модулятора (7) и источника опорного напряжения (8). 6 ил.

Адаптивное интегрирующее устройство синхронизации, содержащее последовательно соединенные источник сигнала синхронизации - «вход» устройства синхронизации, первый сумматор и интегратор, а также релейный элемент, выход которого соединен со вторым входом первого сумматора и одновременно является «выходом» устройства синхронизации, отличающееся тем, что в него введены последовательно соединенные преобразователь частоты в напряжение, второй сумматор, амплитудный модулятор и третий сумматор, а также источник опорного напряжения, причем выход релейного элемента одновременно подключен к входу преобразователя частоты в напряжение и второму входу амплитудного модулятора, первый и второй входы третьего сумматора соединены соответственно с выходами амплитудного модулятора и интегратора, выход третьего сумматора подключен к входу релейного элемента, а второй вход второго сумматора соединен с источником опорного напряжения.