ИНТЕГРИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО СИНХРОНИЗАЦИИ
INTEGRATING SYNCHRONISATION DEVICE

Изобретение относится к области преобразовательной техники и может использоваться в системах управления тиристорными выпрямителями, выполненными по трехфазной нулевой схеме.
Известно устройство синхронизации (УС) (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.
Известно УС (RU №2400911, опубл. 27.09.2010, Бюл. №27), которое по составу функциональных блоков и связям между ними является наиболее близким к предлагаемому техническому решению.
В состав устройства-прототипа входят компараторы, элемент логической функции «2И», шины фаз А, В, С, выходные клеммы.
Известное устройство характеризуется повышенной точностью работы при нестабильности напряжения сети.
К числу недостатков устройства-прототипа следует отнести его низкую помехоустойчивость к коммутационным искажениям напряжения сети, что свойственно всем УС компараторного типа.
Рассмотрим временные диаграммы сигналов устройства-прототипа.
K
Предположим, что в момент времени, прилегающего к точке естественной коммутации «1», в напряжении фазы А возник коммутационный «провал», имеющий длительность t (диаграмма а). В этом случае отключение компаратора, сравнивающего напряжения фаз А, С, произойдет в точке «3» (диаграммы а, б), а повторное включение возникнет в точке «4» (диаграммы а, в). В итоге импульс синхронизации на интервале «1-2» (диаграммы а, б) будет иметь паузу (диаграмма в), что приведет к сбою в работе системы импульсно-фазового управления.
Поэтому известное техническое решение характеризуется низкой помехоустойчивостью и может быть использовано только в стационарных сетях с низким уровнем коммутационных всплесков и «провалов» напряжения.
В основу изобретения положена техническая задача, заключающаяся в повышении помехоустойчивости УС для трехфазных управляемых выпрямителей с нулевым выводом.
Предлагаемое интегрирующее устройство синхронизации, содержащее шины фаз А, В, С, первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой компараторы, причем выход первого и второго, третьего и четвертого, пятого и шестого компараторов подключены к входам первого, второго и третьего блоков логической функции «2И» соответственно, второй вход второго, четвертого и шестого компараторов подключен к шине нулевого потенциала, выходы блоков «2И» соединены с соответствующей выходной клеммой устройства, характеризуется тем, что в него введены вспомогательные шины фаз , ,  и шесть интегрирующих развертывающих преобразователей, из которых каждый содержит последовательно включенные первый операторный четырехполюсник, сумматор, интегратор, релейный элемент, выход которого через второй операторный четырехполюсник подключен ко второму входу сумматора, вход первого операторного четырехполюсника является входом развертывающего преобразователя, а выход интегратора является выходом развертывающего преобразователя, причем вход первого развертывающего преобразователя подключен к шине фазы А, а его выход  соединен с входом второго развертывающего преобразователя, вход третьего развертывающего преобразователя подключен к шине фазы В, а его выход соединен с входом четвертого развертывающего преобразователя, вход пятого развертывающего преобразователя подключен к шине фазы С, а его выход соединен с входом шестого развертывающего преобразователя, выход второго, четвертого и шестого развертывающего преобразователя подключен к шинам фаз , ,  соответственно, шина  соединена с первым входом первого и второго компараторов и подключена ко второму входу третьего компаратора, шина фазы  подключена к первому входу третьего и четвертого компаратора и соединена со вторым входом пятого компаратора, шина фазы  подключена к первому входу пятого и шестого компаратора и соединена со вторым входом первого компаратора.
Предлагаемое устройство обеспечивает повышенную помехоустойчивость при работе с коммутационными искажениями напряжения сети.
Поставленная техническая задача достигается за счет того, что в устройство введены вспомогательные шины фаз , ,  и шесть интегрирующих развертывающих преобразователей, из которых каждый содержит последовательно включенные первый операторный четырехполюсник, сумматор, интегратор, релейный элемент, выход которого через второй операторный четырехполюсник подключен ко второму входу сумматора, вход первого операторного четырехполюсника является входом развертывающего преобразователя, а выход интегратора является выходом развертывающего преобразователя, причем вход первого развертывающего преобразователя подключен к шине фазы А, а его выход соединен с входом второго развертывающего преобразователя, вход третьего развертывающего преобразователя подключен к шине фазы В, а его выход соединен с входом четвертого развертывающего преобразователя, вход пятого развертывающего преобразователя подключен к шине фазы С, а его выход соединен с входом шестого развертывающего преобразователя, выход второго, четвертого и шестого развертывающего преобразователя подключен к шинам фаз , ,  соответственно, шина  соединена с первым входом первого и второго компараторов и подключена ко второму входу третьего компаратора, шина фазы  подключена к первому входу третьего и четвертого компаратора и соединена со вторым входом пятого компаратора, шина фазы  подключена к первому входу пятого и шестого компаратора и соединена со вторым входом первого компаратора.
Образованная с помощью развертывающих преобразователей (РП) новая трехфазная последовательность , ,  защищена от коммутационных искажений сети за счет фильтрующих свойств РП, каждый из которых представляет собой апериодический фильтр первого порядка с постоянной времени, зависящей от параметров напряжения сети. В результате помехоустойчивость УС обеспечивается путем включения между шинами А, В, С и , ,  адаптивного апериодического фильтра второго порядка.
Исследование предлагаемого устройства по патентной и научно-технической литературе не выявило технических решений, содержащих признаки эквивалентных заявляемому объекту, что позволяет считать его соответствующим критерию «новизна».
Изобретение поясняется чертежами, где на
Фиг.1 - дана функциональная схема предлагаемого устройства;
Фиг.2 - дана функциональная схема интегрирующего развертывающего преобразователя;
Фиг.3 - приведены временные диаграммы сигналов и характеристики интегрирующего развертывающего преобразователя;
Фиг.4 - приведены временные диаграммы сигналов предлагаемого устройства.
В состав устройства (фиг.1) входят шины А, В, С и , , , первый 1, второй 2, третий 3, четвертый 4, пятый 5 и шестой 6 интегрирующие развертывающие преобразователи, первый 7, второй 8, третий 9, четвертый 10, пятый 11 и шестой 12 компараторы, первый 13, второй 14 и третий 15 блоки логической функции «2И», выходные клеммы 16, 17, 18.
Каждый из интегрирующих развертывающих преобразователей 1-6 содержит (фиг.2) первый 19 и второй 20 операторные четырехполюсники, сумматор 21, интегратор 22, релейный элемент 23.
Элементы УС имеют следующие характеристики.
Компараторы 8, 10, 12 переключаются в состояние «1», когда напряжение на их первом входе имеет отрицательную полярность. В противном случае компаратор находится в «0».
Компараторы 7, 9, 11 формируют сигнал «1», когда напряжение на их втором входе превышает значение напряжения на первом входе.
Работа элементов 13-15 функции «2И» соответствует таблице истинности
Входы
Выход
X1
Х2
Y
1
1
1
0
0
0
1
0
0
0
1
0
Интегрирующие развертывающие преобразователи 1-6 (фиг.2) в исходном состоянии представляют собой автоколебательные устройства с частотно-широтно-импульсной модуляцией.
ВХ
ОС
Четырехполюсники 19, 20 в рамках решаемой задачи являются пропорциональными звеньями с коэффициентами К, К, которые определяют коэффициенты пропорционального усиления РП.
Сумматор 21 выполнен с единичным коэффициентом передачи по каждому из входов.
И
И
Интегратор 22 реализуют передаточную функцию вида W(p)=1/Тр, где Т - постоянная времени интегрирования. Его выходное напряжение нарастает линейно при скачке входного воздействия в направлении, противоположном знаку входного сигнала.
Релейный элемент 23 имеет симметричную относительно «нуля» петлю гистерезиса и пороги переключения ±b. Выходные импульсы релейного элемента 23 меняются дискретно в пределах ±А.
Принцип работы УС следующий.
Блоки 19, 20, 21, 22, 23 (фиг.2) в совокупности образуют первый автоколебательный развертывающий преобразователь РП1. При отсутствии сигнала на его входе выходной сигнал интегратора 22 имеет форму симметричной относительно нулевого уровня «пилы» с амплитудой, ограниченной значением ±b порогов переключения релейного элемента 23. В дальнейшем принимаем ±b=0.
Выходные биполярные импульсы релейного элемента 23 имеют нулевое среднее значение.
Д
П
П
C
C
И1
При наличии входного, например, гармонического сигнала с амплитудой намного превышающей величину допустимого для автоколебательного режима РП1 сигнала |±Х|=|±А/К| (К - коэффициент пропорционального усиления РП1, определяемый звеньями 19, 20) РП1 из режима автоколебаний переходит в режим внешней синхронизации (фиг.3 а, б) с частотой сигнала X(t) на его входе. При этом синхронизирующим воздействием может являться гармонический сигнал либо прямоугольные биполярные импульсы. При гармоническом сигнале синхронизации X(t) (фиг.3б) выходной сигнал Y(t) интегратора 22 имеет синусоидальную форму (фиг.3б).
С
С
Коэффициент пропорционального усиления РП1 зависит от соотношения коэффициентов передачи звеньев 19, 20. Для обеспечения режима внешней синхронизации коэффициент передачи РП1 должен быть не менее 4,0 при условии выполнения равенства |А|=|А|, где А - амплитуда сигнала синхронизации.
C
С
Для сигнала вида X(t)=А·sinωt условиями внешней синхронизации РП1 являются соотношения
И1
C
dY(t)/dt<dX(t)/dt,
C
С
C
И1
где  - нормированное значение периода T и амплитуды А сигнала X(t) соответственно; Y(t) - выходной пилообразный сигнал развертки на выходе интегратора 22 при работе РП1 в режиме собственных автоколебаний, ограниченный по амплитуде порогами переключения ±b блока 23.
C
Э
ВХ
C
С
В режиме внешней синхронизации сигналом X(t) РП1 имеет свойства, близкие к апериодическому фильтру первого порядка W(p)=1/(1+Тр) с постоянной времени  автоматически перестраиваемой в функции параметров синхронизирующего воздействия (напряжения сети) (Цытович Л.И. Развертывающий операционный усилитель с перестраиваемой полосой пропускания // Приборы и техника эксперимента, М.: АН СССР, 1979. - №4. - С.149-152). Однако следует иметь в виду, что подобная «линеаризация» РП1 справедлива только для области частот входных воздействий f≤0,5·(f=1/Т), выше которой развертывающий преобразователь, как и любая импульсная система, переходит в режим замедленной дискретизации динамической составляющей входного сигнала (Хьюлсман Л.П. Активные фильтры / Пер. с англ. под ред. И.Н.Теплюка. - М.: Мир, 1972. - 516 с.).
C
C
С
C
Фазовый сдвиг (начальный угол синхронизации α) между синхронизирующим воздействием и выходными импульсами РП1 (фиг.3а, б) зависит от нормированной частоты  сигнала синхронизации и  Равенство α=0,25Т=-90 эл. град. (фиг.3 а, б, г), которое наиболее приемлемо для построения каналов управления тиристорных преобразователей на основе РП1, достигается при условии равенства частоты собственных автоколебаний РП1 и частоты сигнала синхронизации X(t) (Качалов А.В. Интегрирующие устройства синхронизации для систем импульсно-фазового управления вентильными преобразователями / А.В.Качалов, Л.И.Цытович, М.М.Дудкин // Практическая силовая электроника - 2010 - №37. - с.42-51).
И1
И2
РП2 (фиг.2) работает аналогичным образом. Его синхронизация осуществляется гармоническим сигналом Y(t) с выхода интегратора 22 РП1. В результате на выходе интегратора 22 РП2 формируется сигнал Y(t) инверсный по отношению к сигналу синхронизации на входе РП1 (фиг.3а, в).
Э1
Э2
Таким образом, за счет последовательной синхронизации РП1 и РП2 образуются напряжения вспомогательных шин , ,  (фиг.2), сдвинутых относительно напряжений сети фаз А, В, С на - 180 эл. град. Фактически между шинами А, В, С и , ,  включены адаптивные апериодические фильтры второго порядка W(р)=К/[(1+Тр)(1+Тр)], где  - эквивалентные постоянные времени РП1 и РП2 соответственно;  - нормированная амплитуда сигнала синхронизации РП2 (выходного сигнала интегратора 22 РП1); К - коэффициент передачи последовательно включенных РП1 и РП2.
Блоки 7-15 работают следующим образом.
Компараторы 8, 10, 12 выделяют сигнал «1», когда напряжение соответствующей фазы , ,  имеет отрицательную полярность (фиг.4б, г, ж, к; сигналы ).
Компараторы 7, 9, 11 переключаются в «1» в случае, когда напряжение на втором входе превышает величину сигнала на первом входе. В результате формируются импульсы  (фиг.4в),  (фиг.4е) и  (фиг.4и).
С помощью элемента 13 логической функции «2И» сравниваются сигналы  и  (фиг.4в, г), в результате чего формируется сигнал «1-2» (фиг.4д), соответствующий диапазону 1-2 (фиг.4а) регулирования угла управления силовым тиристором фазы А.
Аналогичным образом с помощью блока 14 производится сравнение напряжений  (фиг.4е) и  (фиг.4ж). В итоге формируется импульс «3-4» (фиг.4з), соответствующий диапазону 3-4 (фиг.4а) регулирования тиристора фазы В. Сигнал «5-6» (фиг.4л) диапазона 5-6 (фиг.4а) получается в результате сравнения элементом 15 «2И» сигналов  (фиг.4и) и  (фиг.4к) с выхода компараторов 11, 12.
Таким образом, на выходах 16-18 формируются сигналы синхронизации трехфазной нулевой схемы управляемого выпрямителя.
Сравнение предлагаемого устройства с прототипом позволяет сделать следующие выводы.
1. Предложенное устройство обладает высокой помехоустойчивостью за счет адаптивных фильтров второго порядка, образованных последовательно синхронизированными интегрирующими развертывающими преобразователями 1-6.
2. Адаптивный характер фильтрации коммутационных помех обеспечивает подстройку параметров УС под нестационарные параметры напряжения сети.
3. Предложенное УС по динамическим характеристикам уступает устройству-прототипу, поэтому его применение целесообразно в системах среднего и низкого быстродействия.
Предлагаемое УС входит в состав тиристорного регулятора напряжения по схеме «тиристор-диод» для плавного пуска асинхронных электродвигателей. Его промышленное внедрение предполагается в системе электроприводов воздухообмена сушильных камер электроцеха ОАО «Челябинский трубопрокатный завод».