УСТРОЙСТВО СИНХРОНИЗАЦИИ

Предлагаемая полезная модель относится к области преобразовательной техники и может использоваться в системах управления трехфазными тиристорными преобразователями постоянного и переменного тока, работающими в электроприводах и автономных системах с переменной частотой питающего напряжения.
Известно устройство синхронизации (Комплектные тиристорные электроприводы. Справочник. / Под ред. В.М. Перельмуттера. - М.: Энергоиздат, 1988, стр. 66, рис. 2.8), содержащее входной фильтр и компаратор с регулируемыми порогами переключения.
Недостатком устройства является его низкая точность в условиях нестабильности напряжения сети.
2
2
2
2
2
2
2
2
2
Кроме того, известно устройство синхронизации (патент на изобретение "УСТРОЙСТВО СИНХРОНИЗАЦИИ ДЛЯ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ С НУЛЕВЫМ ПРОВОДОМ" RUS 2515286 21.11.2012, МПК Н02М 1/08, опубликовано: 10.05.2014 Бюл. №13), являющееся прототипом предлагаемой полезной модели. Оно содержит шины фаз А, В, С, первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой компараторы, вспомогательные шины фаз A, B, C, шесть сумматоров и два адаптивных апериодических фильтра первого порядка, выход первого и второго, третьего и четвертого, пятого и шестого компараторов подключены к входам первого, второго и третьего блоков логической функции «2И» соответственно, вторые входы второго, четвертого и шестого компараторов подключены к шине нулевого потенциала, выходы блоков «2И» соединены с соответствующей выходной клеммой устройства, первый сумматор входами подключен к шине фазы А и нулевому проводу, второй сумматор подключен к шинам фазы В и С, а их выходы соединены со входами адаптивных апериодических фильтров первого порядка соответственно, выходы фильтров подключены к первому и второму входу третьего и четвертого сумматоров соответственно, выход третьего сумматора подключен к первому входу пятого и шестого сумматоров, второй вход шестого и пятого сумматоров подключен к выходу четвертого сумматора, выходы третьего, пятого и шестого сумматоров формируют шины фаз A, B и C соответственно, шина A соединена с первым входом первого и второго компараторов и подключена ко второму входу третьего компаратора, шина фазы B подключена к первому входу третьего и четвертого компараторов и соединена со вторым входом пятого компаратора, шина фазы С подключена к первому входу пятого и шестого компараторов и соединена со вторым входом первого компаратора.
Однако, указанное устройство обеспечивает формирование стабильных синхронизирующих импульсов для системы управления тиристорным выпрямителем только при стабильной и заранее известной частоте трехфазной сети переменного напряжения, поскольку у используемых в устройстве адаптивных фильтров первого порядка существует однозначно определяемая нелинейная зависимость фазы выходного сигнала по отношению к фазе входного сигнала, более известная как фазочастотная характеристика апериодического звена.
Задачей (техническим результатом) предлагаемой полезной модели является обеспечение стабильных синхронизирующих импульсов для системы управления тиристорным выпрямителем при наличии искажений в питающей сети и при изменении рабочей частоты переменного напряжения в широком диапазоне.
2
2
2
2
2
2
2
2
2
Поставленная задача достигается тем, что в известном устройстве синхронизации, содержащем шины фаз А, В, С, первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой компараторы, вспомогательные шины фаз А, В, С, шесть сумматоров и два адаптивных апериодических фильтра первого порядка, выход первого и второго, третьего и четвертого, пятого и шестого компараторов подключены к входам первого, второго и третьего блоков логической функции «2И» соответственно, вторые входы второго, четвертого и шестого компараторов подключены к шине нулевого потенциала, выходы блоков «2И» соединены с соответствующей выходной клеммой устройства, первый сумматор входами подключен к шине фазы А и нулевому проводу, второй сумматор подключен к шинам фазы В и С, а их выходы соединены со входами адаптивных апериодических фильтров первого порядка соответственно, выходы фильтров подключены к первому и второму входу третьего и четвертого сумматоров соответственно, выход третьего сумматора подключен к первому входу пятого и шестого сумматоров, второй вход шестого и пятого сумматоров подключен к выходу четвертого сумматора, выходы третьего, пятого и шестого сумматоров формируют шины фаз A, B и С соответственно, шина А соединена с первым входом первого и второго компараторов и подключена ко второму входу третьего компаратора, шина фазы В подключена к первому входу третьего и четвертого компараторов и соединена со вторым входом пятого компаратора, шина фазы С подключена к первому входу пятого и шестого компараторов и соединена со вторым входом первого компаратора введены седьмой сумматор, два умножителя, два генератора синусоидального сигнала, интегратор и пропорционально-интегральный усилитель, входы седьмого сумматора соединены с выходами умножителей, первые входы умножителей подключены к выходам адаптивных фильтров соответственно, а вторые входы подключены к выходам генераторов синусоидального сигнала, входы генератора синусоидального сигнала одновременно подключены к выходу интегратора, выход пропорционально-интегрального усилителя подключен ко входу интегратора и к дополнительным входам адаптивных фильтров, вход пропорционально-интегрального усилителя подключен к выходу седьмого сумматора.
На фиг. 1 приведена схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 и 3 - диаграммы, поясняющие принцип его работы.
Предлагаемое устройство (фиг. 1) содержит два адаптивных апериодических фильтра первого порядка (1, 2), семь сумматоров (3, 4, 5, 6, 7, 8, 21), шесть компараторов (9, 10, 11, 12, 13, 14), три блока логической функции «2И» (15, 16, 17), пропорционально-интегральный усилитель (22), два умножителя (23, 24), интегратор (25) и два генератора синусоидального сигнала (26, 27).
2
2
2
2
2
2
Первый сумматор (3) соединен своим вторым входом с нулевым потенциалом, а первым входом подключен к шине фазы А. Первый сумматор обладает единичным коэффициентом передачи по обоим своим входам. Выход первого сумматора подключен к входу одного из адаптивных апериодических фильтров (1) первого порядка. Второй сумматор (4) своим первым входом подключен к линии В, а вторым входом подключен к линии С. Коэффициенты передачи второго сумматора по обоим своим входам равны ,  для первого и второго входа соответственно. Выход второго сумматора (4) соединяется с входом второго адаптивного апериодического фильтра (2) первого порядка. Выход первого фильтра (1) подключен к первому входу третьего сумматора (5), другой вход которого соединен с выходом второго фильтра (2) первого порядка. Выходы адаптивных апериодических фильтров (1, 2) первого порядка так же соединены с обоими входами четвертого сумматора (6) соответственно. Коэффициенты передачи по входам третьего и четвертого сумматоров равны единице, за исключением второго входа третьего сумматора (5), соединенного с выходом второго фильтра (2) и равным -1. Выход третьего сумматора (5) формирует линию А и подключен к первому входу пятого (7) сумматора. Коэффициент передачи по входу пятого сумматора, к которому подключен выход третьего сумматора, равен -0,5. Второй вход пятого сумматора, к которому подключен выход четвертого сумматора, обладает коэффициентом передачи . Выходы третьего и четвертого сумматоров подключены к первому и второму входу шестого сумматора (8) соответственно. Причем коэффициент передачи по первому входу шестого сумматора равен -0,5, а по второму входу равен . Выход пятого сумматора (7) формирует линию В. Выход шестого сумматора (8) формирует линию С. Далее шина А соединена с первым входом первого (9) и второго (10) компараторов и подключена ко второму входу третьего (11) компаратора. Шина фазы В подключена к первому входу третьего (11) и четвертого (12) компараторов и соединена со вторым входом пятого (13) компаратора. Шина фазы С подключена к первому входу пятого (13) и шестого (14) компараторов и соединена со вторым входом первого компаратора (9). Вторые входы второго (10), четвертого (12) и шестого (14) компараторов соединены с нулевым проводом. Входы седьмого сумматора (21) с единичными коэффициентами усиления соединены с выходами умножителей (23, 24). Первые входы умножителей (23, 24) подключены к выходам адаптивных фильтров (1, 2) соответственно. Вторые входы умножителей (23, 24) подключены к выходам генераторов синусоидального сигнала (26, 27) соответственно. Генераторы синусоидального сигнала (26, 27) выполняют функцию преобразования постоянного сигнала в гармонические колебания синусоидальной формы с частотой, пропорциональной амплитуде входного сигнала, поступающего на этот генератор. Математическое описание этого блока представляется следующим образом:
вых
вх
U=sin(U+φ)
вых
вх
где: U и U - соответствующие сигналы на выходе и входе генератора синусоидального сигнала, φ - начальное фазовое смещение гармонического сигнала.
Причем, генератор синусоидального сигнала (26) имеет нулевое фазовое смещение, а генератор синусоидального сигнала (27) имеет фазовое смещение, равное -π/2. Входы генератора синусоидального сигнала одновременно подключены к выходу интегратора (25). Постоянная времени интегратора (25) равна единице. Выход пропорционально-интегрального усилителя (22) подключен ко входу интегратора (25) и к дополнительным входам адаптивных фильтров (1, 2). Дополнительный вход адаптивного фильтра позволяет изменять полюс фильтра пропорционально сигналу на этом входе. Математически это можно представить следующим образом:
вых
вх
а
где: U(s) и U(s) - соответствующие сигналы на выходе и входе в частотной области, s - оператор Лапласа,  - полюс передаточной функции, значение которого задается пропорционально сигналу на дополнительном входе адаптивного фильтра. Вход пропорционально-интегрального усилителя (22) подключен к выходу седьмого сумматора (21). Выход первого и второго (9, 10), третьего и четвертого (11, 12), пятого и шестого (13, 14) компараторов подключены к входам первого, второго и третьего (15, 16, 17) блоков логической функции «2И» соответственно. Выходы блоков «2И» соединены с соответствующей выходной клеммой устройства. Устройство работает следующим образом.
αβ
α
A
ср
αβ
2
2
2
2
2
2
*
Сумматоры (3, 4) из трех фазных напряжений А, В, С формируют вращающийся обобщенный вектор U трехфазного напряжения, состоящий из двух ортогональных компонент, если проецировать на комплексную плоскость. Действительная компонента обобщенного вектора определяется как U=U, мнимая компонента . Далее, каждая из двух координат этого вектора поступает на соответствующий вход адаптивных апериодических фильтров (1, 2). Фильтры обладают идентичной структурой и имеют основной настраиваемый параметр, частота среза (ω), пропорциональную уровню сигнала на дополнительном входе фильтра. То есть, адаптивность фильтра заключается в изменении полюса передаточной функции. Целью этой адаптации является стабилизация фазового сдвига выходного сигнала фильтра. Для этого необходим вычислитель частоты напряжения фаз сети А, В, С. Этот вычислитель частоты напряжения организован с использованием седьмого сумматор (21), пропорционально-интегрального усилителя (22), интегратора (25), двух генераторов синусоидального сигнала (26, 27) и двух умножителей (23, 24). Представленная система блоков вычислителя частоты с указанным соединением образует замкнутую систему с единственным равновесным состоянием, при котором выполняется условие равенства значения сигнала на выходе пропорционально-интегрального усилителя и фактического значения частоты двух ортогональных гармонических сигналов, поступающих на входы умножителей (24, 23) с выходов адаптивных фильтров (1, 2). Частота колебаний сигналов на выходах адаптивных фильтров однозначно соответствует частоте фазных напряжений А, В, С. Любое отклонение значения частоты фазных напряжений от установившегося равновесного состояния приводит к появлению дополнительных гармонических колебаний на выходах умножителей (23, 24) и соответственно на выходе седьмого сумматора (21). Сигнал на выходе седьмого сумматора (21), содержащий появившуюся ошибку рассогласования в результате отклонения частоты фазных напряжений, проходит через блок пропорционально-интегрального усилителя (22), который приводит в соответствие сигнал на своем выходе новому значению частоты. В итоге, замкнутая система блоков (21, 22, 23, 24, 25, 26, 27) осуществляет слежение за частотой фазных напряжений А, В, С и любое изменение этой частоты отражается на выходе пропорционально-интегрального усилителя (22). Таким образом выходные сигналы с адаптивных фильтров имеют фиксированное фазовое запаздывание, которое определяется в соответствии с известной фазочастотной характеристикой фильтра первого порядка при определенном значении соотношения частоты сигнала и полюса фильтра. Иными словами, можно сказать, что поворачивается обобщенный вектор трехфазного напряжения на заданный угол (фиг. 2), причем вне зависимости от частоты фазного напряжения. Образованный новый вектор U  с известным фазовым сдвигом на выходах адаптивных фильтров содержит уменьшенные по амплитуде высшие гармонические составляющие в соответствии с передаточной характеристикой фильтра первого порядка. Далее, за счет сумматоров (5, 6) происходит восстановление обобщенного вектора трехфазного напряжения на прежний угол, то есть осуществляется компенсация временной задержки, возникающей при пропускании гармонического сигнала через апериодические звенья (1, 2). После восстановления угла, обобщенный вектор восстанавливается до трехфазной последовательности А, В, С, соответствующей основной последовательности входных напряжений А, В, С с уменьшенным содержанием высших гармонических составляющих. Тем самым осуществляется достаточная фильтрация искаженных сигналов питающих напряжений, необходимых для точной синхронизации выпрямительного устройства, что подтверждается временным диаграммами, изображенными на фиг. 3 при разных значениях частоты основной гармоники напряжения фаз сети. Результаты моделирования процессов показывают, что при изменении частоты в два раза, работоспособность предлагаемого устройства сохраняется. На фиг. 3а и 3б отображены входные искаженные сигналы питающего напряжения А, В, С и выходные отфильтрованные сигналы, соответствующие линиям А, В, С. Компараторы 10, 12, 14 выделяют сигнал «1», когда напряжение соответствующей фазы А, В, С имеет положительную полярность (фиг. 3б, г, ж, л; сигналы "а", "b", "с").
Компараторы 9, 11, 13 переключаются в «1» в случае, когда напряжение на втором входе превышает величину сигнала на первом входе. В результате формируются импульсы "а-с" (фиг. 3в), "b-а" (фиг. 3е) и "с-b" (фиг. 3к).
С помощью элемента 15 логической функции «2И» сравниваются сигналы "а-с" и "а" (фиг. 3в, г), в результате чего формируется сигнал «1-2» (фиг. 3д), соответствующий диапазону 1-2 (фиг. 3а) регулирования угла управления силовым тиристором фазы А. Аналогичным образом с помощью блока 16 производится сравнение напряжений "b-а" (фиг. 3е) и "b" (фиг. 3ж). В итоге формируется импульс «3-4» (фиг. 3и), соответствующий диапазону 3-4 (фиг. 3а) регулирования тиристора фазы В. Сигнал «5-6» (фиг. 3м) диапазона 5-6 (фиг. 3а) получается в результате сравнения элементом 17 «2И» сигналов "с-b" (фиг. 3к) и "с" (фиг. 3л) с выхода компараторов 17, 18.
В итоге, на выходах 18-20 формируются сигналы синхронизации трехфазной нулевой схемы управляемого выпрямителя.
Таким образом, техническим результатом предложенного устройства является формирование стабильных синхронизирующих импульсов для системы управления тиристорного выпрямителя при наличии искажающих гармонических составляющих в питающей сети и при изменении частоты основной гармоники напряжения фаз.