УСТРОЙСТВО СИНХРОНИЗАЦИИ
SYNCHRONISER

Устройство относится к области преобразовательной техники и может использоваться в системах управления тиристорными преобразователями постоянного и переменного напряжения, а также при создании адаптивных фильтров.
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 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 (авт.св. 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 А, В, С.
Недостатком известного УС является 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 (Цытович Л.И., Гафиятуллин Р.Х., Рахматулин P.M., Дудкин М.М., Шкаликов С.И., Попов Ю.Г., Тюгаев В.А., Габорик А.А., Скляров С.И. Тиристорная станция управления интегрирующего типа для плавного пуска асинхронных электродвигателей // Наука и технологии. Избранные труды Российской школы «К 70-летию Г.П. Вяткина». - М.: РАН, 2005. - С.520-526).
В состав УС входят последовательно соединенные источник сигнала синхронизации со стороны разделительного трансформатора системы импульсно-фазового управления управления - «сеть», сумматор, интегратор, релейный элемент, выход которого соединен со вторым входом сумматора и одновременно является «выходом» устройства. На третий и четвертые входы сумматора подключаются источники сигналов задания и обратной связи, например, по току статора соответственно.
Для перевода звеньев из режима частотно-широтно-импульсной модуляции в режим внешней синхронизации, когда в УС реализуется широтно-импульсная модуляция второго рода, необходимо на синхронизирующий вход сумматора подать переменный сигнал с периодом  и с амплитудой, удовлетворяющей условию
С
где  - нормированное значение амплитуды ±Асинхронизирующего воздействия;  - нормированное значение постоянной составляющей сигнала управления на «входе» подачи сигнала управления; ±А - амплитуда выходных импульсов релейного элемента;  - период автоколебаний звеньев при отсутствии сигнала синхронизации и управления.
Тогда структура по отношению к информационному гармоническому сигналу представляет собой апериодическое звено первого порядка с передаточной функцией
,
С
п
где  - эквивалентная постоянная времени УС в режиме внешней синхронизации, автоматически перестраиваемая в функции частоты  и амплитуды А сигнала синхронизации. Здесь  - нормированное значение амплитуды сигнала синхронизации; К - коэффициент пропорционального усиления УС, определяемый параметрами его цепей на входе и в цепи обратной связи.
С
С
Выходные импульсы релейного элемента сдвинуты относительно сигнала синхронизации на -90 эл. град. При этом УС формирует разрешающий сигнал для управления тиристорами силового блока только в пределах 0,25·Т. Применительно к однофазным преобразователям данное обстоятельство является недостатком известного технического решения, так как требуемый диапазон регулирования силовыми тиристорами должен составлять 180 эл. град., то есть 0,5·Т.
Решение данной задачи за счет последовательного включения двух автоколебательных преобразователей, где первый синхронизируется напряжением сети, а второй - выходным сигналом предыдущего автоколебательного преобразователя, нельзя считать приемлемым, так как, несмотря на результирующий фазовый сдвиг в -180 эл. град. между сигналом синхронизации и выходными импульсами УС, постоянная времени второго автоколебательного тракта будет зависеть только от частоты напряжения сети, а свойство адаптации к амплитуде сигнала синхронизации для второго канала УС будет потеряно ввиду постоянства амплитуды выходных импульсов первого релейного элемента.
Таким образом, устройство-прототип применительно к однофазным управляемым выпрямителям характеризуется низкой точностью работы.
В основу изобретения положена техническая задача, заключающаяся в повышении точности работы устройства синхронизации.
Предлагаемое устройство синхронизации содержит последовательно соединенные источник сигнала синхронизации - «вход» устройства синхронизации, первый сумматор, первый интегратор и первый релейный элемент, выход которого соединен со вторым входом первого сумматора, и отличается от известного устройства тем, что в него введены последовательно соединенные демодулятор, сглаживающий фильтр, амплитудный модулятор, пропорционально-дифференцирующее звено, второй сумматор, второй интегратор и второй релейный элемент, причем выход второго релейного элемента соединен со вторым входом второго сумматора и одновременно является «выходом» устройства синхронизации, вход демодулятора подключен к источнику сигнала синхронизации - «вход» устройства синхронизации, выход первого релейного элемента соединен со вторым входом амплитудного модулятора.
Поставленная техническая задача достигается за счет синхронизации второго автоколебательного каскада УС, состоящего из второго сумматора, второго интегратора и второго релейного элемента, импульсами прямоугольной формы с выхода пропорционально-дифференцирующего звена, амплитуда которых зависит от амплитуды синхронизирующего сигнала. В результате УС в целом представляет собой апериодическое звено второго порядка с передаточной функцией вида
,
Э1
Э2
где обе постоянные времени Т и Т адаптируются к частоте и амплитуде напряжения синхронизирующего сигнала. Возникающий при этом результирующий фазовый сдвиг в - 180 эл. град. между сигналом синхронизации и выходными импульсами УС позволяет системе импульсно-фазового управления работать в полном диапазоне регулирования однофазных тиристорных преобразователей.
Таким образом, предлагаемое устройство синхронизации обладает повышенной точностью в работе при построении систем импульсно-фазового управления однофазными тиристорными преобразователями за счет введения второго автоколебательного каскада и его синхронизации импульсами прямоугольной формы, амплитуда которых зависит от амплитуды синхронизирующего сигнала, что обеспечивается за счет введения демодулятора, фильтра и амплитудного модулятора.
Изобретение поясняется чертежами:
Фиг.1 - структурная схема предлагаемого устройства;
Фиг.2 а, б, в, г, д, е - характеристики элементов предлагаемого устройства;
Фиг.3 а, б - диаграммы сигналов первого канала УС в режиме внешней синхронизации;
Фиг.4 а, б, в - структурное представление предлагаемого устройства эквивалентными линейными звеньями;
Фиг.5 а, б, в, г, д - временные диаграммы сигналов демодулятора, сглаживающего фильтра, амплитудного модулятора и пропорционально-дифференцирующего звена;
Фиг.6 - временные диаграммы сигналов второго канала УС;
Фиг.7 - пример технической реализации автоколебательных каскадов предлагаемого устройства синхронизации;
Фиг.8 - пример технической реализации амплитудного модулятора.
В состав УС входят (фиг.1) последовательно соединенные источник сигнала синхронизации - «вход» устройства синхронизации, первый сумматор 1, первый интегратор 2, первый релейный элемент 3, амплитудный модулятор 4, пропорционально-дифференцирующее звено 5, второй сумматор 6, второй интегратор 7 и второй релейный элемент 8, выход которого соединен со вторым входом второго сумматора 6 и одновременно является «выходом» устройства. Выход первого релейного элемента 3 соединен со вторым входом первого сумматора 1. В устройство синхронизации также входят последовательно соединенные демодулятор 9 и сглаживающий фильтр 10, выход которого подключен ко второму входу амплитудного модулятора 4, а вход демодулятора 9 соединен с источником сигнала синхронизации - «вход» устройства.
На фиг.2-6 введены следующие обозначения:
С
Х - сигнал синхронизации УС («вход» устройства);
С
Т - период сигнала синхронизации;
С
A - амплитуда сигнала синхронизации;
И1,
И2
YY - выходной сигнал первого 2 и второго 7 интеграторов соответственно;
Р1
Р2
Y, Y - выходной сигнал первого 3 и второго 8 релейных элементов соответственно;
±А - амплитуда выходных импульсов первого 3 и второго 8 релейных элементов;
В
Y - выходной сигнал демодулятора (выпрямителя) 9;
ф
С
Y(А) - выходной сигнал сглаживающего фильтра 10;
М
Y - выходной сигнал амплитудного модулятора 4;
М
Т - период выходных импульсов амплитудного модулятора 4;
- выходной сигнал пропорционально-дифференцирующего звена 5;
м
С
±А(А) - амплитуда импульсов на выходе амплитудного модулятора 4 и пропорционально-дифференцирующего звена 15;
i
Δb - приращения амплитуды выходного сигнала второго интегратора 7 на i-м интервале дискретизации.
Звенья УС имеют следующие характеристики (фиг.2).
Интеграторы 2, 7 реализованы на основе операционных усилителей (ОУ), когда при дискретном изменении входного воздействия (фиг.2а) их выходные сигналы изменяются по линейному закону со знаком, обратным по отношению к знаку сигнала на входе интегратора.
Релейные элементы 3, 8 имеют симметричную относительно нуля и неинвертирующую петлю гистерезиса с порогами переключения |±b|<<|±A| (фиг.2б). В дальнейшем принимаем |±b|=0.
Демодулятор 9 представляет собой, например, двухполупериодный выпрямитель с коэффициентом передачи, равным единице (фиг.2в).
Сглаживающий фильтр 10 является, например, апериодическим звеном первого порядка с частотной характеристикой, показанной на фиг.2г.
Амплитудный модулятор 4 формирует на выходе переменный импульсный сигнал, амплитуда которого соответствует уровню напряжения на выходе фильтра 10, а частота определяется частотой выходных импульсов первого релейного элемента 3 (фиг.2д).
Пропорционально-дифференцирующее звено 5 реализовано с частотной характеристикой, вид которой показан на фиг.2е.
Принцип работы устройства следующий.
При отсутствии сигналов на входе синхронизации и выходе блока 5 каждый из каналов, составленных из блоков 1, 2, 3 и 6, 7, 8, в совокупности образуют автоколебательную систему с частотно-широтно-импульсной модуляцией. Амплитуда выходного сигнала интеграторов 2 и 7 ограничена порогами переключения соответствующего из релейных элементов 3, 8 и имеет вид симметричной относительно нулевого уровня «пилы». Частота собственных автоколебаний каналов 1, 2, 3 и 6, 7, 8 определяется постоянной времени интеграторов 2, 7, а также порогами переключения и амплитудой выходных импульсов релейных элементов 3, 8. Считаем, что собственная частота автоколебаний каналов 1, 2, 3 и 6, 7, 8 выше частоты сигнала синхронизации.
Рассмотрим работу канала 1, 2, 3 в режиме внешней синхронизации с частотой напряжения сети, подключаемого к входу синхронизации.
p1
C
C
C
При воздействии синхронизирующего сигнала (фиг.3а) на выходе релейного элемента 3 устанавливаются вынужденные колебания, при которых импульсы Y (фиг.3б) сдвинуты относительно сигнала Х на - 90 эл. град. Выходной сигнал интегратора 2 представляет собой гармонический сигнал (фиг.3б), при изменении знака которого осуществляется переключение релейного элемента 3. Для перевода канала 1, 2, 3 в режим внешней синхронизации амплитуда А сигнала Х должна быть по крайней мере в два раза выше амплитуды выходных импульсов релейного элемента 3.
C
Для определения степени зависимости динамических характеристик канала 1, 2, 3 от параметров синхронизирующего воздействия Х представим его в виде системы (фиг.4а), где релейный элемент 3 заменен эквивалентным линейным звеном с коэффициентом гармонической линеаризации
,
И1
С
p1
где  - нормированное значение амплитуды сигнала развертки Y, в установившемся режиме работы блоков 1, 2, 3 при условии отсутствия на входе синхронизации постоянной составляющей и фазовом сдвиге между координатами Х и Y, равным -90 эл. град.
Тогда структура на фиг.4а представляет собой апериодическое звено первого порядка (фиг.4б) с передаточной функцией
С
С
П
П
где  - эквивалентная постоянная времени канала 1, 2, 3 в режиме внешней синхронизации, автоматически перестраиваемая в функции частоты  и амплитуды А сигнала синхронизации Х. Здесь  - нормированное значение амплитуды сигнала синхронизации; К - коэффициент пропорционального усиления канала 1, 2, 3, определяемый параметрами его цепей на входе и в цепи обратной связи (принято, что К=1). Очевидно, что представление звеньев 1, 2, 3 в виде линейного аналога (1) допустимо лишь в области частот, удовлетворяющей условию , известному из теоремы В.А.Котельникова.
С
Р2
Э2
С
Э2
С
Р1
Последовательное соединение апериодических звеньев (фиг.4в) позволяет получить фазовый сдвиг между сигналами Х и Y, равный 180 эл. град., при котором система импульсно-фазового регулирования однофазного выпрямителя обеспечивает максимально возможный диапазон управления силовыми тиристорами. Однако в этом случае УС частично теряет свое свойство адаптации к параметрам напряжения сети, так как Т (фиг.4 в) зависит только от частоты синхронизирующего воздействия Х (частоты выходных импульсов релейного элемента 3). Зависимость же Т от амплитуды А оказывается невозможной ввиду фиксированного значения амплитуды выходных импульсов Y, блока 3. В результате ухудшается динамическая точность УС и системы импульсно-фазового управления в целом при работе с сетью, имеющей нестационарные параметры (частоту и амплитуду).
Для устранения отмеченного недостатка в схему УС введены блоки 4, 5, 9 и 10. При этом коэффициент передачи звена 4 должен быть, применительно к структуре на фиг.1, больше единицы. Это необходимо для того, чтобы обеспечивался режим внешней синхронизации канала 6, 7, 8, который возможен только при условии, когда амплитуда импульсов , превышает амплитуду выходного сигнала релейного элемента 8.
С
М
Выходной сигнал релейного элемента 3 (фиг.5в) выполняет функции сигнала несущей частоты для ключевых элементов амплитудного модулятора 4. На информационный вход звена 4 подается постоянное напряжение с выхода сглаживающего фильтра 10 (фиг.5б), которое пропорционально амплитуде синхронизирующего воздействия на «входе» устройства синхронизации (фиг.5а). В результате на выходе амплитудного модулятора 4 формируются импульсы с частотой напряжения сети и с амплитудой, зависящей от А (фиг.5г). Параметры звена 5 (фиг.1) выбираются таким образом, чтобы во всем диапазоне возможного изменения частоты синхронизирующего воздействия работа звена 5 осуществлялась бы на пропорциональном участке частотной характеристики (фиг.2е) и фазовый сдвиг между сигналами Y и  соответствовал бы нулевому значению (фиг.5г, д).
Рассмотрим работу канала 6, 7, 8 в режиме внешней синхронизацией сигналом  типа «меандр» (фиг.6).
1
И2
М
С
1
2
И2
М
С
И2
И2
м
С
2
1
C
2n-1
2n
P2
В интервале времени t сигнал развертки Y изменяется под действием суммарного воздействия [А(А)-А] и достигает амплитуды Δb. После изменения знака синхронизирующего сигнала  меняется направление развертывающего преобразования и в течение времени t возрастает скорость нарастания напряжения Y, которая определяется результирующим сигналом [-А(А)-А], действующим на вход интегратора 7. В момент выполнения условия Y=0 релейный элемент 8 переключается, и производная развертки Y вновь падает, так как на интегратор 7 подается сигнал [-А(А)+А]. При этом выходной сигнал интегратора 7 получает приращение Δb<Δb. В дальнейшем процесс периодически повторяется до тех пор, пока не достигнет установившегося режима, при котором период выходных импульсов релейного элемента 8 соответствует периоду Т сигнала синхронизации, Δb=Δb, а среднее значение импульсов Y на выходе блока 8 равно нулю.
Э1
Э2
С
Р2
Учитывая, что синхронизация канала 6, 7, 8 производится импульсами с амплитудой, зависящей от амплитуды синхронизирующего воздействия, УС в целом представляет собой апериодический фильтр второго порядка (фиг.4в), где постоянные времени Т и Т автоматически изменяются в функции как амплитуды, так и частоты напряжения сети. При этом фазовый сдвиг между сигналами Х и Y, соответствует - 180 эл. град., что обеспечивает для системы импульсно-фазового управления максимальный диапазон регулирования угла открытого состояния силовых тиристоров в однофазных схемах преобразователей. Тем самым повышается динамическая точность работы УС при изменениях амплитуды напряжения сети.
Блок 5 предотвращает прохождение на вход сумматора 6 постоянной составляющей выходного сигнала амплитудного модулятора 4, возникающей по причине дрейфа параметров его элементов. За счет этого исключается изменение скважности выходных импульсов релейного элемента 8 и повышается статическая точность УС.
Таким образом, введение блоков 4, 5, 9 и 10 повышает статическую и динамическую точность работы устройства синхронизации при его работе в однофазных управляемых тиристорных преобразователях постоянного и переменного напряжения.
Каналы, составленные из блоков 1, 2, 3 и 6, 7, 8 реализуются по идентичным схемам (фиг.7). Интегратор 2, 7 реализован на усилителе А1 с конденсатором С2 в цепи обратной связи. Релейные элементы 3, 8 выполнены на усилителе А2 с положительной обратной связью R4. Коэффициент пропорционального усиления каждого из каналов зависит от соотношения резисторов R1, R2. Диоды VD1, VD2 защищают вход А1 от внешних перенапряжений. Блокировочные конденсаторы С3-С6 подавляют импульсные и низкочастотные помехи со стороны напряжения питания УС. Функции блока 5 выполняет конденсатор С1.
Амплитудный модулятор 4 может быть реализован по схеме на фиг.8. С помощью А1 и резисторов R1, R2 устанавливается требуемый коэффициент передачи модулятора. А2 с резисторами R3, R4 выполняет функции инвертора. Ключи Кл.1, Кл.2 управляются с выхода релейного элемента 3 и работают в противофазе.
Промышленная применимость
Рассмотренное устройство предполагается использовать при реконструкции системы освещения цеха №6 ОАО ЧТПЗ с применением тиристорных регуляторов напряжения. Результирующая годовая экономия за счет реконструкции системы освещения с использованием регуляторов напряжения составляет 2971248 руб.