ФАЗОСДВИГАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО
PHASE SHIFTER

Изобретение относится к области преобразовательной техники и может быть использовано для управления реверсивным тиристорным преобразователем постоянного тока или тиристорным регулятором напряжения, например, для плавного пуска асинхронных электродвигателей.
Известно фазосдвигающее устройство (ФСУ) с «вертикальным» принципом управления, содержащее генератор пилообразного напряжения, синхронизированный с напряжением сети, сумматор, компаратор (Управление вентильными электроприводами постоянного тока / Е.Д.Лебедев, В.Е.Неймарк, М.Я.Пистрак, О.В.Слежановский. - М.: Энергия, 1970, - 199 с.). Генератор пилообразного напряжения и компаратор в совокупности образуют ФСУ. Принцип действия устройства основан на непосредственном сравнении сигнала пилообразного напряжения с сигналом управления и в момент их равенства формируется угол управления тиристорами.
Принцип построения известного ФСУ не обеспечивает нормальное функционирование тиристорного преобразователя при изменениях параметров напряжения сети (частота, амплитуда, коммутационные провалы) и высоком уровне помех со стороны информационного входа. Поэтому данное ФСУ не может быть использовано в системах управления автономного базирования ввиду своей низкой точности работы с нестационарной сетью.
Известна СИФУ (А.с. 873374 СССР, Н02P 13/16. Устройство для импульсно-фазового управления вентильным преобразователем / Гафиятуллин Р.Х., Суворов Г.В., Цытович Л.И., Осипов О.И. и др. (СССР). - №2680999/07, заявлено 02.11.78. Опубл. 15.10.81. Бюл. N38), состоящая из интегрирующих автоколебательных преобразователей, синхронизированных с соответствующей фазой напряжения сети, сумматоров, источников сигнала задания, формирователей управляющих импульсов.
Функции ФСУ выполняют автоколебательные преобразователи на основе последовательно соединенных сумматора, интегратора и релейного элемента, выход которого подключен к формирователю управляющих импульсов и первому входу сумматора. Сигнал управления подается на второй вход сумматора. Сигнал синхронизации подключается к третьему входу сумматора. Выход формирователя управляющих импульсов соединяется с управляющим электродом силового тиристора.
C
C
C
При работе в режиме внешней синхронизации ФСУ приобретают свойства апериодического фильтра первого порядка W(p)=1/(1+Тр) с постоянной времени T=π·T·/16, пропорциональной амплитуде =А/А и периоду Т напряжения сети, где А - амплитуда выходных импульсов релейного элемента (Цытович Л.И. Развертывающий операционный усилитель с перестраиваемой полосой пропускания // Приборы и техника эксперимента. - М.: АН СССР, 1979. - N 4. - С.149-152).
Известное техническое решение имеет следующие основные недостатки:
- возможность перехода в режим собственных автоколебаний при малой глубине режима внешней синхронизации и резких «просадках» напряжения сети, в результате чего нарушается работа СИФУ в целом;
- ограниченный диапазон регулирования, обусловленный гармоническим характером сигнала синхронизации.
Таким образом, известное ФСУ имеет низкую точность работы.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является замкнутое интегрирующее фазосдвигающее устройство с внешней синхронизацией (Цытович Л.И., Дудкин М.М. Анализ динамических характеристик интегрирующих фазосдвигающих устройств // Труды международной тринадцатой научно-технической конференции «Электроприводы переменного тока». - Екатеринбург: УПИ, 2005. - С.95-98).
В состав ФСУ входят последовательно соединенные источник сигнала управления - «вход» фазосдвигающего устройства, сумматор, интегратор, релейный элемент, выход которого соединен со вторым входом сумматора и одновременно является «выходом» фазосдвигающего устройства, а также генератор пилообразного напряжения, синхронизированного с напряжением сети, выход которого подключен ко второму входу релейного элемента.
Генератор пилообразного напряжения модулирует по амплитуде пороги переключения релейного элемента. Скважность выходных импульсов (угол управления тиристорами) определяется взаимодействием ведущего (с выхода генератора пилообразного напряжения) и ведомого (с выхода интегратора) сигналов разверток. Это обеспечивает независимость угла управления тиристорами от частоты напряжения сети, что является преимуществом данного класса ФСУ по сравнению с системами других классов.
Устройство-прототип характеризуется низкой динамической точностью ввиду апериодического характера переходного процесса при дискретном изменении сигнала управления, а также независимости динамических характеристик от частоты напряжения сети.
В основу изобретения положена техническая задача, заключающаяся в повышении динамической точности работы интегрирующего фазосдвигающего устройства при изменениях частоты напряжения сети.
Указанная задача решается тем, что в предлагаемое фазосдвигающее устройство, содержащее последовательно соединенные источник сигнала управления - «вход» фазосдвигающего устройства, сумматор, интегратор и релейный элемент, выход которого соединен со вторым входом сумматора и одновременно является «выходом» фазосдвигающего устройства, цифроаналоговый генератор пилообразного напряжения на основе последовательно соединенных двоичного суммирующего счетчика и цифроаналогового преобразователя (ЦАП), причем выход цифроаналогового преобразователя подключен ко второму входу релейного элемента, а вход сброса счетчика соединен с источником импульсов установки нулевых начальных условий в счетчике, а также содержащее три входа для подключения фаз А, В, С напряжения сети, согласно изобретению введены преобразователь напряжения в частоту импульсов, три одновибратора, содержащие последовательно соединенные компаратор и генератор одиночных импульсов, и последовательно соединенные логический элемент «ЗИЛИ» и сглаживающий фильтр, причем вход каждого из трех одновибраторов соединен с соответствующим входом для подключения фаз А, В, С напряжения сети, выходы одновибраторов подключены к входам логического элемента «ЗИЛИ», выход сглаживающего фильтра соединен с управляющим входом преобразователя напряжения в частоту импульсов, выход которого подключен к счетному входу счетчика.
Поставленная техническая задача достигается за счет изменения частоты счетных импульсов двоичного счетчика в функции частоты напряжения сети, что приводит к соответствующему изменению амплитуды пилообразного напряжения на выходе цифроаналогового генератора сигнала ведущей развертки. В результате динамические характеристики ФСУ автоматически изменяются в функции девиаций частоты напряжения сети тиристорного преобразователя.
Таким образом, предлагаемое ФСУ обладает повышенной динамической точностью работы за счет введения преобразователя напряжения в частоту импульсов, на вход которого поступает управляющий сигнал, прямо пропорциональный частоте фаз напряжения сети, формируемый в результате введения трех одновибраторов, логического элемента «ЗИЛИ» и сглаживающего фильтра.
Изобретение поясняется чертежами:
Фиг.1 - структурная схема предлагаемого фазосдвигающего устройства;
Фиг.2 а, б, в, г, д, е, ж, з - временные диаграммы сигналов, поясняющие принцип формирования сигнала коррекции динамических характеристик ФСУ;
Фиг.3 - структурная схема преобразователя напряжения в частоту импульсов;
Фиг.4 а, б, в - временные диаграммы сигналов преобразователя напряжения в частоту импульсов;
Фиг.5 - статическая характеристика «вход-выход» преобразователя напряжения в частоту импульсов;
Фиг.6 а, б, в, г, д - временные диаграммы сигналов ФСУ;
Фиг.7 - временные диаграммы сигналов ФСУ с учетом динамической составляющей на входе;
Фиг.8 - диаграммы пилообразного напряжения к пояснению принципа регулирования динамических характеристик ФСУ;
Фиг.9 а, б - пространства динамического состояния ФСУ при работе с гармоническим сигналом управления.
В состав ФСУ входят (фиг.1) последовательно соединенные источник сигнала управления - «вход» фазосдвигающего устройства, сумматор 1, интегратор 2 и релейный элемент 3, выход которого соединен со вторым входом сумматора 1 и одновременно является «выходом» фазосдвигающего устройства. ФСУ содержит цифроаналоговый генератор пилообразного напряжения на основе последовательно соединенных двоичного суммирующего счетчика 4 и цифроаналогового преобразователя 5, причем выход цифроаналогового преобразователя 5 соединен со вторым входом релейного элемента 3, а вход сброса счетчика 4 подключен к источнику 6 импульсов установки нулевых начальных условий в счетчике 4. В устройства входят три одновибратора 7, 8, 9, последовательно соединенные логический элемент «ЗИЛИ» 10, сглаживающий фильтр 11 и преобразователь напряжения в частоту импульсов 12, выход которого соединен со счетным входом счетчика 4. Вход каждого из трех одновибраторов 7, 8, 9 соединен с соответствующим входом для подключения фаз А, В, С напряжения сети 13, 14, 15, выходы одновибраторов подключены к входам логического элемента «ЗИЛИ» 10.
Каждый из блоков 7, 8, 9 (фиг.1) содержит последовательно соединенные компаратор 16 и генератор одиночных импульсов 17.
Преобразователь напряжения в частоту импульсов 12 состоит (фиг.3) из последовательно соединенных элементов - источника сигнала задания 18, первого сумматора 19, амплитудного модулятора 20, второго сумматора 21, интегратора 22 и релейного элемента 23, выход которого подключен к счетному входу счетчика 4 фазосдвигающего устройства (фиг.1), и одновременно соединен со вторым входом амплитудного модулятора 20, а также со вторым входом второго сумматора 21. Второй вход первого сумматора 19 подключен к выходу сглаживающего фильтра 11 фазосдвигающего устройства (фиг.1).
На фиг.1-9 введены следующие обозначения:
BX
Х - сигнал управления ФСУ («вход» устройства);
И1
Y(t) - выходной сигнал ЦАП 5 (генератора ведущего пилообразного сигнала развертки);
И2
Y(t) - выходной сигнал интегратора 2;
Ф
Y - выходной сигнал сглаживающего фильтра 11;
Y(t) - сигнал на выходе ФСУ («выход» устройства);
А, В, С - напряжение соответствующей фазы сети;
±А - амплитуда выходных импульсов блоков 3,23;
±b - пороги переключения релейного элемента 23;
И
ΔY - постоянная составляющая сигнала смещения «нуля» на выходе интегратора 2;
C
Т - период сигнала на выходе ЦАП 5 (период синхронизации ФСУ сигналом ведущей развертки);
з
Х - сигнал задания на входе 18 ПНЧ 12;
F
Y - сигнал на выходе сглаживающего фильтра 11;
ΔХ - сигнал на выходе сумматора 19 (входе амплитудного модулятора 20) ПНЧ 12;
A
Y(t) - выходной сигнал амплитудного модулятора 20;
И
Y(t) - выходной сигнал интегратора 22;
p
Y(t) - выходной сигнал релейного элемента 23;
0i
Т - период выходных импульсов ПНЧ 12.
Звенья ФСУ имеют следующие характеристики.
Сумматоры 1, 19, 21 имеют коэффициент передачи, равный единице. Интеграторы 2, 22 выполнены с инвертирующей переходной характеристикой «вход - выход» и их выходной сигнал при «скачке» входного воздействия изменяется линейно в направлении, противоположном знаку входного сигнала. Релейный элемент 3 имеет нулевое значение порогов переключения, а его выходной сигнал изменяется по амплитуде дискретно в пределах ±А. Счетчик 4 выполняет операцию суммирования импульсов, поступающих на счетный вход с выхода ПНЧ 12. Обнуление счетчика 4 происходит коротким импульсом сброса на входе 6. Блоки 7, 8, 9 формируют на выходе импульс стабильной амплитуды и длительности синхронно с изменением знака напряжения сети соответствующей фазы. Каждый из блоков 7, 8, 9 на фиг.1 содержит компаратор («нуль - орган») 16 и генератор одиночного импульса 17. Запуск блока 17 происходит по переднему и заднему фронтам импульсов с выхода блока 16. Элемент 10 функции «ЗИЛИ» переключается в состояние логической «1», когда хотя бы на одном из его входов присутствует сигнал логической «1». Апериодический фильтр 11, например, первого порядка предназначен для выделения среднего значения импульсов с выхода блока 10. ПНЧ 12 имеет линейную характеристику «вход-выход». Амплитудный модулятор 20 формирует на выходе биполярные импульсы, частота которых определяется частотой сигнала с выхода релейного элемента 23, а амплитуда зависит от уровня сигнала на выходе сумматора 19. Релейный элемент 23 выполнен с неинвертирующей петлей гистерезиса и симметричными относительно «нуля» порогами переключения ± b.
Принцип работы устройства следующий.
Блоки 7, 8, 9, 10 и 11 (фиг.1) формируют сигнал, пропорциональный частоте фаз напряжения сети. Переключение элементов 7, 8, 9 происходит в моменты времени изменения знака напряжения соответствующей фазы напряжения сети (фиг.2а-г). При этом формируется дискретный фронт импульса для запуска генераторов одиночных импульсов 17 (фиг.2д-ж). С помощью логического элемента «ЗИЛИ» 10 выходные импульсы блоков 7, 8, 9 суммируются (фиг.2з). Выделение среднего значения импульсов с выхода блока 10 производится сглаживающим фильтром 11 (фиг.2з). Таким образом, формируется сигнал, пропорциональной частоте напряжения сети.
Принцип работы ПНЧ 12 (фиг.1, фиг.3-5) следующий.
з
Ф
НАЧ
01
0
При отсутствии сигналов Х и Y на входах сумматора 19 (фиг.4а) частота автоколебаний f (фиг.5) ПНЧ 12 определяется постоянной времени интегратора 22 и величиной порогов переключения релейного элемента 23 (фиг.4в). Под действием сигнала ΔХ с выхода сумматора 19 (фиг.4а) на выходе блока 20 появляются импульсы (фиг.4б), которые находятся в фазе с выходным сигналом релейного элемента 23 (фиг.4в). Вследствие этого скорость нарастания выходного напряжения интегратора возрастает, так как на сумматор 21 поступает сумма сигналов с выхода релейного элемента 23 и амплитудного модулятора 20. После переключения релейного элемента 23 процесс повторяется и на выходе ПНЧ 12 (фиг.3) формируются импульсы с периодом Т<Т (фиг.4в). При этом частота выходного сигнала ПНЧ 12 изменяется по закону
где =|b/A| - нормированная величина порогов переключения релейного элемента 23; Δ=ΔХ/|А| - нормированное значение амплитуды входного сигнала ПНЧ; ±А - амплитуда выходных импульсов релейного элемента 23;
И
Т - постоянная времени интегратора 21.
max
з
0
з
Ф
Ф
p
Ф
Настройка ПНЧ 12 производится следующим образом. Максимальное значение частоты автоколебаний f задается сигналом задания Х (фиг.3, фиг.5). На номинальную траекторию f (фиг.5) ПНЧ 12 выводится разностью сигналов Х-Y. При уменьшении частоты сети напряжение Y снижается, а частота выходных импульсов ПНЧ 12 возрастает (фиг.5, движение в направлении точки «b»). Повышение частоты напряжения сети влечет за собой снижение частоты сигнала Y(t) из-за роста уровня напряжения Y (фиг.5, движение в направлении точки «а»).
И1
И1
И1
Цифроаналоговый генератор пилообразного напряжения Y(t) (фиг.1) работает следующим образом. Суммирующий счетчик 4 накапливает число, соответствующее количеству импульсов с выхода ПНЧ 12. При этом напряжение на выходе ЦАП 5 линейно возрастает до момента времени поступления на вход сброса счетчика 4 импульса обнуления с выхода источника 6. В результате в счетчике 4 устанавливаются начальные нулевые условия, обеспечивающие нулевое значение напряжения на выходе ЦАП 5. В дальнейшем процесс повторяется. Наклон (постоянная времени) сигнала Y(t) зависит от частоты выходных импульсов ПНЧ 12, воздействующих на счетный вход счетчика 4. Синхронизация генератора пилообразного напряжения 4, 5 производится синхроимпульсами малой длительности, подаваемыми от устройства синхронизации системы импульсно-фазового управления на вход 6. В дальнейшем пренебрегаем погрешностью дискретности по уровню выходного сигнала ЦАП 5, считая, что напряжение ведущей развертки Y(t) описывается линейными уравнениями. Данное допущение является справедливым, так как в реальных системах управления частота выходных импульсов преобразователя 12 (фиг.1) достигает сотен кГц.
Рассмотрим работу канала, включающего блоки 1, 2, 3 (фиг.1).
Предлагаемое ФСУ является интегрирующей системой с двумя развертывающими функциями. Ведущей является развертка с выхода ЦАП 5, ведомой - выходной пилообразный сигнал на выходе интегратора 2.
И1
И1
С
С
С
И1
И1
И1
И1
И2
Сигнал Y(t) (фиг.6а) подается на второй вход релейного элемента 3 и приводит к модуляции его порога переключения по закону ведущей развертывающей функции Y(t), которая в течение заданного интервала дискретизации Т; достигает амплитуды А=А·Т/Т, где А - некоторый опорный сигнал, принимаемый равным амплитуде выходных импульсов релейного элемента 3; Т - постоянная времени, определяющая темп нарастания ведущей развертки Y(t), причем Т<Т.
BX
2n-1
2n
И1
И2
При включении ФСУ и отсутствии входного сигнала Х система переходит в режим вынужденных колебаний с частотой сигнала генератора «пилы» 4, 5, равной частоте напряжения сети, а интервалы t, t развертывающего преобразования определяются при этом как результат последовательного взаимодействия ведущей Y(t) и ведомой Y(t) с выхода интегратора 2 развертывающих функций (фиг.6а).
И1
И2
И2
И2
И2
И1
В результате, по истечении определенного числа периодов выходных импульсов Y(t) релейного элемента 3, определяемого соотношением постоянных времени Т, Т, их среднее значение достигает нулевого уровня (фиг.6б), а скважность равна 0,5. При этом развертка Y(t) (фиг.6а) смещается относительно «нуля» на нормированную величину  где =T/T - относительное значение постоянной времени интегратора 2.
BX
При подаче на вход ФСУ сигнала управления Х>0, например, в момент времени
0
t (фиг.6в), совпадающий с перепадом выходного сигнала генератора пилообразного напряжения 4, 5 (фиг.6г), происходит последовательное смещение ведомой развертки
И2
BX
И
BX
0
C
BX
Y(t) в направлении, противоположном знаку X, причем ΔY=Х по причине наличия интегратора 2 в прямом канале регулирования. Это приводит к изменению скважности выходных импульсов релейного элемента 3 и соответственно угла управления силовыми тиристорами. Следует также отметить, что среднее значение Y импульсов Y(t) за интервал дискретизации Т в установившемся режиме пропорционально величине Х (фиг.6д).
Как видно из диаграмм сигналов ФСУ, процессы в нем носят апериодический характер.
П
П
На фиг.7 приведены временные диаграммы сигналов ФСУ с учетом динамической составляющей X(t)=A·sin(2πt/T) входного сигнала, описываемые системой трансцендентных уравнений (1) (Цытович Л.И. Развертывающие преобразователи для систем управления вентильными электроприводами и технологической автоматики. Дис… докт. техн. наук. - Челябинск: ЧГТУ, 1996, - 464 с.)
BX
П
i
И2
Здесь  - нормированное значение постоянной составляющей сигнала управления ФСУ;  - нормированное значение переменной составляющей сигнала управления ФСУ;  - нормированная величина частоты переменной составляющей сигнала управления ФСУ; Δ - нормированная величина амплитуды сигнала Y(t) на i-ом интервале дискретизации выходных импульсов релейного элемента 3;  - относительное значение постоянной времени интегратора 2; Δ[n] - относительное отклонение угла управления тиристорами при наличии динамической составляющей сигнала управления.
BX
0
BX
Модуляционная характеристика (1) получена при условии, что сигнал Х+X(t) (фиг.7) прикладывается в момент времени t начала очередного цикла развертывающего преобразования после завершения в ФСУ переходного процесса, происходящего при условии [X+X(t)]=0.
Рассмотрим динамические характеристики ФСУ, где приведены:
Фиг.9 а - пространство динамического состояния  и его проекция на плоскость переменных (
И2
Фиг.9 б - пространство динамического состояния  и его проекция на плоскость переменных (,).
По характеру своего поведения пространства  (фиг.9 а) и  (фиг.9 б) отображают свойства, присущие интегрирующим развертывающим системам, работающим в режиме внешней синхронизации. Частотная область  делится на две характерные зоны: область достоверной передачи частот динамической составляющей входного сигнала (ОДП) и область частот замедленной дискретизации (ОДЗ), где ФСУ работает в качестве преобразователя спектра частот входного воздействия, преобразуя сигнал X(t) в низкочастотные гармоники. Граница раздела ОДП и ОЗД - соответствует известной теореме В.А.Котельникова и составляет 0,5·. Динамические характеристики ФСУ (фиг.9а) практически не зависят от постоянной составляющей . С ростом  в ОЗД величина Δ [1] уменьшается, что указывает на фильтрующие свойства интегрирующего ФСУ по отношению к сигналам высокочастотных помех.
И2
И1
Характеристика  (фиг.9б) указывает на то, что с увеличением значения  динамика ФСУ ухудшается. Так, при фиксированной частоте , равной, например, 0,4, отклонение угла управления Δ [1] уменьшается по мере роста . Следовательно, одним из вариантов регулирования динамических характеристик ФСУ является изменение координаты  в функции T, т.е. наклона пилообразного напряжения с выхода цифроаналогового генератора 4, 5.
C
C
П
С
П
C
C
C
C
И2
И1
И2
И1
С
Необходимость в подобного рода регулировании возникает, например, в следующем случае. Предположим, что мостовой трехфазный тиристорный преобразователь работает с нестационарной по частоте f сетью. При f=50 Гц предельная полоса пропускания f преобразователя составляет 150 Гц. Если f=80 Гц, то f=6·f/2=240 Гц. Однако для структуры устройства-прототипа динамические характеристики, независимо от значения f, сохраняются постоянными и фактически определяются заранее выбранным значением  (фиг.9б, точка «V» на поверхности  В то же время для оптимизации динамических возможностей ФСУ необходимо с ростом частоты f точку «V» перемещать в точку «а», а при уменьшении f - в точку «b». Параметр =T/T содержит заранее выбираемое и фиксированное значение постоянной времени Т интегратора 2 и постоянную времени Т, характеризующую угол наклона линейного участка сигнала ведущей развертки с выхода ЦАП 5. В случае роста f для уменьшения
И1
С
И1
относительно номинального значения необходимо увеличить Т, например, до уровня  (фиг.8), что реализуется путем соответствующего уменьшения частоты счетных импульсов с выхода преобразователя напряжения в частоту импульсов 12. Наоборот, по мере снижения f постоянная времени T должна уменьшаться, например, до значения  (фиг.8). Для этого необходимо повысить частоту сигнала с выхода ПНЧ 12.
Рассмотренный алгоритм коррекции динамических характеристик ФСУ достигается за счет блоков 7-12 (фиг.1). При этом формирование сигнала, пропорционального частоте сети, одновременно по всем фазам обеспечивает повышение частоты следования импульсов на выходе блока 10 (фиг.2з) и снижение инерционности сглаживающего фильтра 11, что улучшает динамические характеристики корректирующего канала ФСУ в целом.
Таким образом, предлагаемое устройство обладает повышенной динамической точностью в работе.
Промышленная применимость.
Предлагаемое устройство предполагается использовать в комплексе электроприводов барабанных печей шлакоплавильного цеха ОАО «Челябинский трубопрокатный завод». Экономическая эффективность от внедрения регуляторов напряжения для плавного пуска асинхронных электроприводов составляет 4650000 руб. в год. Срок окупаемости затрат - 2,1 года.