Способ для ускоренной синхронизации систем фазовой автоподстройки в электрических сетях и устройство для его реализации Российский патент 2022 года по МПК H03L7/06 H03D13/00 G06F13/00 

Изобретение относится к области электротехники, в частности к компьютерным архитектурам и силовой электронике, может использоваться в системах управления инверторными устройствами, корректорами коэффициента мощности, автоматике, системах авторегулирования, в частности, при проектировании различных типов систем фазовой автоподстройки частоты (далее ФАП), отличающееся возможностью определять оптимальные параметры для достижения синхронного режима в пределах узкого диапазона разности фаз и стабильной работы систем ФАП, что способствует повышению помехоустойчивости и улучшению фильтрующих свойств системы.

Известно, что тестирование реальной модели является трудоемким процессом и не может гарантировать правильность работы системы ФАП при всевозможных значениях начальных данных состояний интеграторов, используемых в системе, а также при всех значениях параметров ее компонент, таких коэффициент усиления усилителя постоянного тока и коэффициенты передаточной функции фильтра нижних частот, поэтому такой способ достаточно редко применяется на практике.

Известно, что использование классических систем фазовой автоподстройки в электроэнергетике затруднено из-за низкой частоты работы сети и, как следствие, появления нежелательных колебаний двойной частоты [1]. Кроме того, режим работы различных типов систем ФАП, соответствующий синхронизации частот эталонного и подстраиваемого генераторов внутри одного биения как при начале работы системы, так и при мгновенном переключении частоты эталонного генератора [2, 3], и наиболее часто реализуемый на практике, является недостаточно эффективным в задачах электроэнергетики из-за более жестких требований к переходным процессам.

Известно, что существуют модификации классических систем ФАП, которые часто применяются для синхронизации с сетью, а также позволяют определить амплитуду колебаний сети [4]. Однако использование упрощенных моделей не позволяет определять динамику системы при всех начальных возмущениях, а также проводить анализ переходных процессов. Поэтому часто для оценки допустимого отклонения свободной частоты сигнала подстраиваемого генератора от частоты сигнала эталонного генератора обычно применяют моделирование и анализ моделей ФАП в пространстве фаз сигналов.

Известно устройство фазовой автоподстройки частоты [5], суть которого в обеспечении устойчивости, определяющей полосу захвата - диапазона разности частоты сигнала эталонного генератора и свободной частоты сигнала подстраиваемого генератора, соответствующей устойчивой работе ФАП при любых начальных возмущениях. Однако известное устройство является недостаточно стабильным за счет того, что при его работе допускается фазовая синхронизация с биениями, а также определение полосы захвата без проскальзывания с помощью известного устройства является сложной задачей.

Известны способ для управления однофазной энергосистемой и устройство для его реализации [6], основанные на задании двух дополнительных сигналов в зависимости от заданных эталонного и подстраиваемого сигналов. Первый дополнительный сигнал используется для определения режима синхронизации, а второй позволяет управлять сигналом подстраиваемого генератора. Недостатком известных способа и устройства является то, что выявление рабочих режимов системы происходит опытным путем, и такое выявление является трудоемким. Помимо этого, известные способ и устройство являются недостаточно информативными для определения рабочего диапазона, соответствующему минимальной расфазировки сигналов эталонного и подстраиваемого генераторов при переходных процессах.

Известен способ для определения границ рабочего диапазона импульсного генератора систем фазовой синхронизации [7], наиболее близкий к заявленному способу для ускоренной синхронизации систем фазовой автоподстройки в электрических сетях, принятый в качестве прототипа для заявленного изобретения на способ. Сущность известного способа состоит в том, что задают два высокостабильных по частоте колебания прямоугольных сигнала, один из которых выбирают эталонным, а второй подстраиваемым, причем диапазон частот первого и второго сигналов выбирают от 20 кГц до 20 ГГц, задают первый и второй коэффициенты передаточной функции фильтра нижних частот, после чего по соотношению эталонного и подстраиваемого сигналов задают дополнительный сигнал, который с помощью фильтра нижних частот подвергают фильтрации, с помощью усилителя постоянного тока увеличивают его амплитуду, и дополнительный сигнал используют в качестве управляющего сигнала, причем допустимое отклонение частоты подстраиваемого сигнала от эталонного задается по соответствующим формулам, выбор которых зависит от функции сравнения.

Недостатками данного прототипа являются недостаточно высокая эффективность определяемых рабочих режимов системы для обеспечения высокой скорости синхронизации, а также ограниченная область применения.

Известно устройство для определения границ рабочего диапазона классических систем фазовой автоподстройки [8], наиболее близкое к заявленному устройству для ускоренной синхронизации систем фазовой автоподстройки в электрических сетях, и принятое в качестве прототипа для заявленного изобретения на устройство. Сущность известного устройства состоит в фиксировании границ рабочего диапазона системы фазовой автоподстройки за счет генерации двух гармонических сигналов, задании коэффициента усиления усилителя постоянного тока, первого, второго и третьего коэффициентов передаточной функции фильтра нижних частот, определении блоком определения границ рабочего диапазона допустимого отклонения частот по соответствующей формуле и задании свободной частоты подстраиваемого генератора в допустимом диапазоне, определяемом значением на регистраторе.

Недостатками данного прототипа являются недостаточно высокая эффективность определяемых рабочих режимов системы фазовой автоподстройки для требования минимальности расфазировки при синхронизации с сетью, остаток ошибки двойной частоты и, как следствие, недостаточная устойчивость работы.

Технический результат, достигаемый заявляемым изобретением, является общим для всей группы объектов заявленного изобретения (для способа ускоренной синхронизации систем фазовой автоподстройки в электрических сетях и для устройства его реализации) и состоит в ускорении процесса синхронизации и возможности синхронизации в узких диапазонах значений разности фаз сигналов эталонного и подстраиваемого генераторов за счет эффективного определения соответствующих режимов работы в зависимости от параметров системы, а также в повышения точности, устойчивости работы за счет удаления ошибки двойной частоты.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе для ускоренной синхронизации систем фазовой автоподстройки, в котором задают два сигнала, один из которых выбирают эталонным, а второй - подстраиваемым, после чего по соотношению этих двух сигналов задают первый вспомогательный сигнал, который с помощью фильтра нижних частот подвергают фильтрации и используют в качестве сигнала, управляющего фазой подстраиваемого генератора, в соответствии с заявленным изобретением на способ форму эталонного сигнала выбирают синусоидальной, а форму сигнала подстраиваемого генератора выбирают косинусоидальной, дополнительно по соотношению эталонного и подстраиваемого генераторов задают второй вспомогательный сигнал, управляющий амплитудой подстраиваемого генератора, диапазон частот эталонного и подстраиваемого генераторов выбирают от 50 Гц до 10 кГц, в качестве фильтра нижних частот выбирают фильтр нижних частот первого порядка с передаточной функцией вида:

где F(s) - передаточная функция фильтра нижних частот,

s - комплексная переменная,

а и b - первый и второй коэффициенты передаточной функции фильтра нижних частот,

а свободную частоту подстраиваемого сигнала выбирают таким образом, чтобы абсолютное значение разности частоты сигнала эталонного генератора и свободной частоты подстраиваемого генератора было меньше, либо равно допустимого значения причем допустимое значение задается соотношением:

где K>0 - коэффициент усиления, θ∈(0, π) - максимальная допустимая разность фаз сигналов подстраиваемого и эталонного генераторов во время переходных процессов.

Указанный технический результат достигается также новым устройством для ускоренной синхронизации систем фазовой автоподстройки, выполненном в корпусе и содержащем эталонный генератор, выход которого подключен к первому входу фазового детектора; в котором, в соответствии с заявленным изобретением на устройство, дополнительно фазовый детектор выполнен в виде вычитателя двух сигналов, первый выход фазового детектора подключен к первому входу первого перемножителя сигналов, второй выход фазового детектора подключен к первому входу второго перемножителя сигналов, выход первого перемножителя сигналов подключен к первому входу фильтра нижних частот, передаточная функция которого задана соотношением:

где F(s) - передаточная функция фильтра нижних частот,

s - комплексная переменная,

a и b - первый и второй коэффициенты передаточной функции фильтра нижних частот,

выход фильтра нижних частот подключен к первому входу усилителя постоянного тока, выход усилителя постоянного тока подключен к управляющему входу подстраиваемого генератора, первый выход подстраиваемого генератора подключен к второму входу первого перемножителя сигналов, второй выход подстраиваемого генератора подключен к блоку преобразования Гильберта, первый выход которого подключен ко второму входу второго перемножителя сигналов, а второй выход - к первому входу третьего перемножителя сигналов, выход второго перемножителя сигналов подключен к интегратору, выход которого подключен ко второму входу третьего перемножителя сигналов, выход которого подключен ко второму входу вычитателя, выход блока задания первого коэффициента передаточной функции подключен ко второму входу фильтра нижних частот, первый выход блока задания второго коэффициента передаточной функции подключен к третьему входу фильтра нижних частот, второй выход блока задания второго коэффициента передаточной функции подключен к первому входу блока определения границ ускоренной синхронизации, выполненного в виде арифметического контроллера с обеспечением точности вычислений не менее четырех знаков после запятой, определяющего допустимое отклонение свободной частоты сигнала подстраиваемого генератора от частоты сигнала эталонного генератора по формуле:

где K>0 - коэффициент усиления, θ∈(0, π) - максимальная допустимая разность фаз сигналов подстраиваемого и эталонного генераторов во время переходных процессов,

выход блока определения границ ускоренной синхронизации подключен к регистратору, который фиксирует значение свободной частоты подстраиваемого генератора для ускоренной синхронизации, первый выход блока задания коэффициента усиления усилителя постоянного тока подключен ко второму входу усилителя постоянного тока, второй выход блока задания коэффициента усиления усилителя постоянного тока подключен ко второму входу блока определения границ ускоренной синхронизации, выход блока задания значения максимальной расфазировки подключен к третьему входу блока определения границ ускоренной синхронизации.

В основу заявленного изобретения поставлена техническая задача ускорения синхронизации эталонного и подстраиваемого сигналов, повышения точности, устойчивости работы модифицированной системы ФАП, снижении трудоемкости определения рабочих режимов при проектировании и тестировании системы.

Сущность заявленного изобретения иллюстрируется Фигурой, на которой представлена схема заявленного устройства.

Устройство для ускоренной синхронизации систем фазовой авто подстройки в электрических сетях, выполненное в корпусе (1) и содержащее эталонный генератор (2), выход которого подключен к первому входу фазового детектора (3), фазовый детектор выполнен в виде вычитателя двух сигналов, первый выход фазового детектора (3) подключен к первому входу первого перемножителя сигналов (4), второй выход фазового детектора (3) подключен к первому входу второго перемножителя сигналов (5), выход первого перемножителя сигналов (4) подключен к первому входу фильтра нижних частот (6), выход фильтра нижних частот (6) подключен к первому входу усилителя постоянного тока (7), выход усилителя постоянного тока (7) подключен к управляющему входу подстраиваемого генератора (8), первый выход подстраиваемого генератора (8) подключен к второму входу первого перемножителя сигналов (4), второй выход подстраиваемого генератора (8) подключен к блоку преобразования Гильберта (9), первый выход которого подключен ко второму входу второго перемножителя сигналов (5), а второй выход - к первому входу третьего перемножителя сигналов (10), выход второго перемножителя сигналов (5) подключен к интегратору (11), выход которого подключен ко второму входу третьего перемножителя сигналов (10), выход которого подключен ко второму входу фазового детектора (3), выход блока задания первого коэффициента передаточной функции (12) подключен ко второму входу фильтра нижних частот (6), первый выход блока задания второго коэффициента передаточной функции (13) подключен к третьему входу фильтра нижних частот (6), второй выход блока задания второго коэффициента передаточной функции (13) подключен к первому входу блока определения границ ускоренной синхронизации (14), выполненного в виде арифметического контроллера с обеспечением точности вычислений не менее четырех знаков после запятой, выход которого подключен к регистратору (15), который фиксирует значение свободной частоты подстраиваемого генератора для ускоренной синхронизации, первый выход блока задания коэффициента усиления усилителя постоянного тока (16) подключен ко второму входу усилителя постоянного тока (7), второй выход блока задания коэффициента усиления усилителя постоянного тока (16) подключен ко второму входу блока определения границ ускоренной синхронизации (14), выход блока задания значения максимальной расфазировки (17) подключен к третьему входу блока определения границ ускоренной синхронизации (14).

Работа заявленного устройства осуществляется следующим образом. Фильтр нижних частот (6) выполнен как фильтр нижних частот первого порядка с передаточной функцией

где F(s) - передаточная функция фильтра нижних частот,

s - комплексная переменная,

а>0 и b>0 - первый и второй коэффициенты передаточной функции фильтра нижних частот.

Блок задания коэффициента усиления усилителя постоянного тока (16) генерирует значение коэффициента усиления K>0, а блок задания первого коэффициента передаточной функции (12) и блок задания второго коэффициента передаточной функции (13) генерируют первый и второй коэффициенты передаточной функции фильтра нижних частот а>0 и b>0, соответственно. Блок задания значения максимальной расфазировки (17) генерирует значение максимальной допустимой разности фаз сигналов подстраиваемого и эталонного генераторов во время переходных процессов θ∈(0, π).

Значения K, θ и b поступают на входы блока определения границ ускоренной синхронизации (14), где производится определение допустимого отклонения свободной частоты сигнала подстраиваемого генератора от частоты сигнала эталонного генератора в соответствии со следующим соотношением:

Регистратор (15), подключенный к выходу блока определения границ ускоренной синхронизации (14), регистрирует допустимое отклонение свободной частоты сигнала подстраиваемого генератора от частоты сигнала эталонного генератора.

Эталонный генератор (2) генерирует синусоидальный сигнал ƒ_ref(t) с частотой ω_ref в диапазоне 50 Гц-10 кГц, подстраиваемый генератор (8) генерирует косинусоидальный сигнал ƒ_vco(t) с собственной частотой в диапазоне 50 Гц-10 кГц, которую задают не более чем от частоты ω_ref эталонного сигнала. Сигналы ƒ_ref(t) и ƒ_vco(t) имеют формы, описываемые следующими соотношениями:

где θ_ref(t) - фаза эталонного сигнала, θ_vco(t) - фаза сигнала подстраиваемого генератора.

Интегратор (11) генерирует амплитуду ν(t) сигнала подстраиваемого генератора. Сигнал подстраиваемого генератора (8) поступает на вход блока преобразования Гильберта (9), на выходе которого получают сигнал ƒ₁(t), который имеет форму ƒ₁(t)=sin(θ_vco(t)). Сигнал на выходе блока преобразования Гильберта (9) и сигнал на выходе интегратора (11) поступают на вход третьего перемножителя сигналов (10), на выходе которого получают сигнал, удовлетворяющий следующему соотношению:

где ƒ₂(t) - выход третьего перемножителя сигналов.

Сигнал эталонного генератора (2) и сигнал на выходе третьего перемножителя сигналов (10) поступают на вход фазового детектора (3), который выполнен как вычитатель сигналов, на выходе которого получают сигнал ƒ(t), удовлетворяющий следующему соотношению:

Сигнал на выходе фазового детектора (3) через второй выход фазового детектора и сигнал на выходе блока преобразования Гильберта (9) поступают на вход второго перемножителя сигналов (5), образуя второй вспомогательный сигнал s₂(t), управляющий амплитудой сигнала подстраиваемого генератора и удовлетворяющий следующему соотношению:

Сигнал на выходе фазового детектора (3) через первый выход фазового детектора и сигнал подстраиваемого генератора (8) поступают на вход первого перемножителя сигналов (4), образуя первый вспомогательный сигнал s₁(t), удовлетворяющий следующему соотношению:

который поступает на последовательно соединенные фильтр нижних частот (6), через первый вход усилителя постоянного тока (7), и через управляющий вход подстраиваемого генератора (8), чем и достигается технический результат, который состоит в упрощении и снижении времени для синхронизации систем фазовой автоподстройки, повышении достоверности и точности за счет управления максимальной расфазировкой во время переходных процессов, а также в определении амплитуды сигнала эталонного генератора.

Заявленное изобретение было апробировано в лабораторных условиях Санкт-Петербургского государственного университета и результаты апробации, проведенные в среде моделирования MATLAB Simulink, приведены в виде конкретных примеров.

Примеры реализации способа для ускоренной синхронизации систем фазовой автоподстройки и устройства для его реализации.

Пример 1

Было проведено моделирование границ ускоренной синхронизации модифицированной системы ФАП для двух сигналов, один из которых был принят эталонным с синусоидальной формой, а второй принят подстраиваемым с косинусоидальной формой. При этом первый и второй коэффициенты передаточной функции фильтра нижних частот были заданы равными а=0.02, b=0.00005 и коэффициент усиления усилителя постоянного тока был задан равным K=1. Частота эталонного сигнала была задана равной ω_ref=5 кГц, а максимальная допустимая разность фаз сигналов подстраиваемого и эталонного генераторов во время переходных процессов была задана равной θ=0.0524 рад. Допустимое отклонение частоты было получено по оригинальной формуле, представленной в заявке. Отклонение свободной частоты подстраиваемого сигнала от частоты эталонного сигнала было выбрано не превышающим допустимое отклонение частоты По результатам работы ФАП полученная величина (частота подстраиваемого сигнала равная 4999.5834 Гц) принадлежит рабочему диапазону ФАП, для которого разность фаз эталонного и подстраиваемого генераторов во время переходных процессов не превышает допустимого значения θ=0.0524 рад. При этом при выборе отклонения частоты подстраиваемого сигнала от частоты эталонного сигнала превышающим допустимое отклонение частоты, выборе частоты подстраиваемого сигнала и выборе частоты эталонного сигнала ω_ref=5 кГц синхронизация ФАП происходила вне рабочего диапазона: разность фаз эталонного и подстраиваемого генераторов во время переходных процессов превысила допустимое значение θ=0.0524 рад.

Универсальность предлагаемого изобретения основана на реализации изменения допустимого отклонения свободной частоты сигнала подстраиваемого генератора от частоты сигнала эталонного генератора в зависимости от значений коэффициентов передаточной функции фильтра нижних частот и коэффициента усиления усилителя постоянного тока, по оригинальной формуле, представленной в заявке, учитывающей инженерные требования на максимальную разность фаз сигналов подстраиваемого и эталонного генераторов во время переходных процессов. Для этого, как видно из заявленного способа, определяется допустимое отклонение частоты и выбирается отклонение значения свободной частоты подстраиваемого сигнала от частоты сигнала эталонного генератора, не превышающее полученное допустимое значение.

Как показывают результаты исследования примера 1, использование единого способа вычисления допустимого отклонения частоты позволяет эффективно выбирать отклонения свободной частоты сигнала подстраиваемого генератора, гарантирующие достижение синхронного режима при изменении разности фаз эталонного и подстраиваемого генераторов в допустимых пределах, что существенно снижает трудоемкость.

Пример 2

Заявленный способ поясняется также конкретным примером использования устройства ускоренной синхронизации систем фазовой автоподстройки в электрических сетях для реализации этого способа, схема которого представлена на Фигуре.

Конкретный пример работы устройства для ускоренной синхронизации систем фазовой автоподстройки состоит в следующем: эталонный и подстраиваемый генераторы генерируют сигналы, имеющие следующий вид:

где θ_ref(t)=ω_reft - фаза сигнала эталонного генератора с частотой ω_ref=5 кГц, фаза сигнала подстраиваемого генератора θ_vco(t) и частота сигнала подстраиваемого генератора меняются в зависимости от управляющего входа. С помощью блока задания коэффициента усиления усилителя постоянного тока задают коэффициент усиления усилителя постоянного тока K=1, с помощью блоков задания первого и второго коэффициентов передаточной функции задают первый и второй коэффициенты передаточной функции фильтра нижних частот а=0.02, b=0.00005, и с помощью блока задания значения максимальной расфазировки задают требуемое значение максимальной расфазировки θ=0.0524 рад. Заданное значение коэффициента усиления поступает на соответствующий вход усилителя постоянного тока, а заданные значения первого и второго коэффициентов передаточной функции поступают на соответствующие входы фильтра нижних частот. Кроме того, заданные значения коэффициента усиления усилителя постоянного тока, второго коэффициентов передаточной функции и максимальной расфазировки поступают на соответствующие входы блока определения границ ускоренной синхронизации. Значение допустимого отклонения свободной частоты сигнала подстраиваемого генератора от частоты сигнала эталонного генератора вычисляется блоком определения границ ускоренной синхронизации в соответствии с заявленным соотношением, т.е. Вычисленное значение допустимого отклонения частоты фиксируется регистратором.

Для достижения заявленного технического результата свободную частоту сигнала подстраиваемого генератора задают не более чем на от частоты сигнала эталонного генератора, т.е.

Интегратор генерирует амплитуду ν(t) сигнала подстраиваемого генератора. Сигнал подстраиваемого генератора поступает на вход блока преобразования Гильберта, на выходе которого получают сигнал ƒ₁(t), который имеет форму ƒ₁(t)=sin(θ_vco(t)). Сигнал на выходе блока преобразования Гильберта и сигнал на выходе интегратора поступают на вход третьего перемножителя сигналов, на выходе которого получают сигнал, удовлетворяющий следующему соотношению:

где ƒ₂(t) - выход третьего перемножителя сигналов.

Эталонный сигнал и сигнал на выходе третьего перемножителя сигналов поступают на вход фазового детектора, который выполнен как вычитатель сигналов, на выходе которого получают сигнал ƒ(t), удовлетворяющий следующему соотношению:

Сигнал на выходе фазового детектора через второй выход фазового детектора и сигнал на выходе блока преобразования Гильберта поступают на вход второго перемножителя сигналов, образуя второй вспомогательный сигнал s₂(t), управляющий амплитудой сигнала подстраиваемого генератора и удовлетворяющий следующему соотношению:

Сигнал на выходе фазового детектора через первый выход фазового детектора и сигнал подстраиваемого генератора поступают на вход первого перемножителя сигналов, образуя первый вспомогательный сигнал s₁(t), удовлетворяющий следующему соотношению:

Далее полученный сигнал проходит через последовательно соединенные фильтр нижних частот и усилитель постоянного тока, образуя управляющий сигнал, который поступает на вход подстраиваемого генератора.

Как показывают результаты исследования по примеру 2, использование единого способа вычисления границ ускоренной синхронизации позволяет задать свободную частоту косинусоидального сигнала подстраиваемого генератора гарантированно внутри рабочего диапазона, что позволяет синхронизировать сигналы с удовлетворением требований переходных процессов, чем достигается повышение достоверности и точности работы ФАП.

Результаты проведенных исследований, изложенных в примерах 1 и 2, моделирующих конкретные условия реализации заявленных способа и устройства, показали работоспособность, достоверность и универсальность изобретения. Достижение технического результата стало возможным также за счет учета обнаруженной авторами универсальной зависимости допустимого значения разности свободной частоты сигнала подстраиваемого генератора и частоты сигнала эталонного генератора от коэффициента усиления усилителя постоянного тока, коэффициентов передаточной функции фильтра нижних частот, а также от задаваемого значения максимальной разности фаз сигналов при переходных процессах, что на апробировании многих моделей подтвердило устойчивость работы устройства и универсальность заявленного способа по сравнению с известными способом- прототипом и устройством-прототипом.

Технико-экономическая эффективность заявленного изобретения в целом состоит в оптимизации и снижении трудоемкости при проектировании ФАП за счет определения рабочих режимов, соответствующих требуемым свойствам, повышении скорости синхронизации и стабильности (устойчивости) работы устройства за счет достижения ФАП режима синхронизма в пределах узкого диапазона разности фаз сигналов, расширении области рабочих параметров ФАП за счет обнаруженной авторами универсальной зависимости допустимого значения разности свободной частоты сигнала подстраиваемого генератора и частоты сигнала эталонного генератора от коэффициента усиления усилителя постоянного тока, коэффициентов передаточной функции фильтра нижних частот, а также от задаваемого значения максимальной разности фаз сигналов при переходных процессах, и повышении достоверности (точности) работы системы за счет учета указанной закономерности.

Заявленное изобретение позволяет успешно решать задачи, связанные с определением рабочего режимов работы модифицированных ФАП и моделированием работы ФАП, с определением оптимальных параметров, соответствующих ускоренному достижению синхронного режима и стабильной работы ФАП.

Источники информации

1. Golestan S., Guerrero J., Vasquez J. Single-phase PLLs: A review of recent advances. IEEE Transactions on Power Electronics, 2017.

2. Gardner, F.M. Phaselock Techniques. Wiley, 3^rd edition, 2005.

3. Leonov, G.A., Kuznetsov, N.V., Yuldashev, M.V., Yuldashev, R.V. Hold-in, pull-in, and lock-in ranges of PLL circuits: rigorous mathematical definitions and limitations of classical theory. IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers, 2015.

4. Karimi-Ghartemani M. Enhanced phase-locked loop structures for power and energy applications. John Wiley & Sons, 2014.

5. Патент РФ № 2565526 С1; МПК H03L 7/00.

6. USA Patent No. 9,705,331, Int. B2. H02M 7/44, H02M 7/53871, H02M 1/12.

7. Патент РФ № 2625557 C1; МПК H03D 13/00, G06F 1/12. (прототип для способа).

8. Патент РФ № 2715799 С1; МПК H03D 13/00, G06F 1/12. (прототип для устройства).

Используемые термины

Перемножитель двух сигналов: электронное устройство с двумя входами и одним выходом, генерирующий на выходе сигнал (напряжение) равный произведению сигналов (напряжений), поступающих на два входа.

Фазовый детектор (ФД): в электронике, устройство, сравнивающее фазы двух входных сигналов. Обычно, один из них генерируется генератором сигнала, управляемым напряжением, а второй берется из внешнего источника. ФД обычно имеет один выходной сигнал, управляющий стоящей за ним схемой фазовой автоподстройки (задача схемы фазовой автоподстройки сделать фазы входных сигналов одинаковыми), другими словами фазовым детектором называют устройство, предназначенное для создания сигнала, пропорционального разности фаз между генерируемым сигналом и эталонным сигналом. (Существуют различные электронные реализации ФД: например, перемножитель двух сигналов, XOR и др.)

Передаточная функция: один из способов математического описания динамической системы. Используется в основном в теории управления, связи и цифровой обработке сигналов. Представляет собой дифференциальный оператор, выражающий связь между входом и выходом линейной стационарной системы. Зная входной сигнал системы и передаточную функцию, можно восстановить выходной сигнал.

Фильтр нижних частот: электронный или любой другой фильтр, эффективно пропускающий частотный спектр сигнала ниже некоторой частоты (частоты среза) и уменьшающий (подавляющий) частоты сигнала выше этой частоты. Степень подавления каждой частоты зависит от вида фильтра.

Вычитатель двух сигналов: электронное устройство с двумя входами и одним выходом, генерирующий на выходе сигнал (напряжение) равный разности сигналов (напряжений), поступающих на два входа, причем сигнал (напряжение), поступающий на второй вход вычитается из сигнала (напряжения), поступающего на первый вход.

Интегратор: дифференциальный оператор с передаточной функцией где F(s) - передаточная функция, s - комплексная переменная.

Собственная частота подстраиваемого генератора: частота подстраиваемого генератора в разомкнутой цепи.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к компьютерным архитектурам и силовой электронике. Технический результат заключатся в возможности определять оптимальные параметры для достижения синхронного режима в пределах узкого диапазона разности фаз и стабильной работы систем ФАП, повышение помехоустойчивости и улучшение фильтрующих свойств системы. Способ ускоренной синхронизации систем фазовой автоподстройки в электрических сетях и реализующее его устройство выполнены с возможностью эффективно определять оптимальные параметры систем ФАП, позволяющие достигать синхронизма при требовании минимальности расфазировки во время переходных процессов, определять границы рабочего диапазона систем фазовой автоподстройки и моделировать работу систем ФАП. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ для ускоренной синхронизации систем фазовой автоподстройки в электрических сетях, заключающийся в том, что задают два сигнала, один из которых выбирают эталонным, а второй - подстраиваемым, после чего по соотношению этих двух сигналов задают первый вспомогательный сигнал, который с помощью фильтра нижних частот подвергают фильтрации и используют в качестве сигнала, управляющего фазой подстраиваемого генератора, отличающийся тем, что форму эталонного сигнала выбирают синусоидальной, а форму сигнала подстраиваемого генератора выбирают косинусоидальной, дополнительно по соотношению эталонного и подстраиваемого генераторов задают второй вспомогательный сигнал, управляющий амплитудой подстраиваемого генератора, диапазон частот эталонного и подстраиваемого генераторов выбирают от 50 Гц до 10 кГц, в качестве фильтра нижних частот выбирают фильтр нижних частот первого порядка с передаточной функцией вида:

где F(s) - передаточная функция фильтра нижних частот,

s - комплексная переменная,

а и b - первый и второй коэффициенты передаточной функции фильтра нижних частот,

а свободную частоту подстраиваемого сигнала выбирают таким образом, чтобы абсолютное значение разности частоты сигнала эталонного генератора и свободной частоты подстраиваемого генератора было меньше, либо равно допустимого значения причем допустимое значение задается соотношением:

где K>0 - коэффициент усиления, θ∈(0, π) - максимальная допустимая разность фаз сигналов подстраиваемого и эталонного генераторов во время переходных процессов.

2. Устройство для ускоренной синхронизации систем фазовой автоподстройки в электрических сетях, выполненное в корпусе и содержащее эталонный генератор, выход которого подключен к первому входу фазового детектора, отличающееся тем, что фазовый детектор выполнен в виде вычитателя двух сигналов, первый выход фазового детектора подключен к первому входу первого перемножителя сигналов, второй выход фазового детектора подключен к первому входу второго перемножителя сигналов, выход первого перемножителя сигналов подключен к первому входу фильтра нижних частот, передаточная функция которого задана соотношением:

где F(s) - передаточная функция фильтра нижних частот,

s - комплексная переменная,

а и b - первый и второй коэффициенты передаточной функции фильтра нижних частот,

выход фильтра нижних частот подключен к первому входу усилителя постоянного тока, выход усилителя постоянного тока подключен к управляющему входу подстраиваемого генератора, первый выход подстраиваемого генератора подключен к второму входу первого перемножителя сигналов, второй выход подстраиваемого генератора подключен к блоку преобразования Гильберта, первый выход которого подключен ко второму входу второго перемножителя сигналов, а второй выход - к первому входу третьего перемножителя сигналов, выход второго перемножителя сигналов подключен к интегратору, выход которого подключен ко второму входу третьего перемножителя сигналов, выход которого подключен ко второму входу вычитателя, выход блока задания первого коэффициента передаточной функции подключен ко второму входу фильтра нижних частот, первый выход блока задания второго коэффициента передаточной функции подключен к третьему входу фильтра нижних частот, второй выход блока задания второго коэффициента передаточной функции подключен к первому входу блока определения границ ускоренной синхронизации, выполненного в виде арифметического контроллера с обеспечением точности вычислений не менее четырех знаков после запятой, определяющего допустимое отклонение свободной частоты сигнала подстраиваемого генератора от частоты сигнала эталонного генератора по формуле:

где K>0 - коэффициент усиления, θ∈(0, π) - максимальная допустимая разность фаз сигналов подстраиваемого и эталонного генераторов во время переходных процессов,

выход блока определения границ ускоренной синхронизации подключен к регистратору, который фиксирует значение свободной частоты подстраиваемого генератора для ускоренной синхронизации, первый выход блока задания коэффициента усиления усилителя постоянного тока подключен ко второму входу усилителя постоянного тока, второй выход блока задания коэффициента усиления усилителя постоянного тока подключен ко второму входу блока определения границ ускоренной синхронизации, выход блока задания значения максимальной расфазировки подключен к третьему входу блока определения границ ускоренной синхронизации.