УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ МИНИМАЛЬНЫХ УГЛОВ УПРАВЛЕНИЯ
DEVICE FOR FORMATION OF MINIMUM CONTROL ANGLES

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано, в частности, для управления тиристорным преобразователем на электроподвижном составе переменного тока с зонно-фазовым регулированием напряжения.
Во время работы электровозов переменного тока на отдельных участках железной дороги отмечается нестабильная работа электронной аппаратуры управления при сильных искажениях формы кривой питающего напряжения.
Сущность этого явления заключается в изменении момента формирования нерегулируемых по фазе импульсов управления, предназначенных для открытия в начале каждого полупериода тиристоров выпрямительно-инверторного преобразователя (ВИП) электровоза. Формирование импульсов осуществляется в моменты достижения такого уровня анодного напряжения на тиристоре, при котором обеспечивается его надежное открытие. В случае возникновения искажения формы кривой анодного напряжения на тиристоре, например, при коммутационных снижениях или послекоммутационных колебаниях напряжения изменяется величина угла формирования импульсов управления, отсчитываемого от начала полупериода, что влияет на уменьшение коэффициента мощности электровоза. При сильных искажениях формы кривой анодного напряжения происходит нестабильная работа, сбои и отказы в работе системы управления тиристорами электровоза.
Известно устройство для формирования импульсов управления для открытия тиристоров в ключе переменного тока [А.С. № 2097911 Ключ переменного тока (варианты). Автор изобретения Ю.С. Василенко. - Опубл. 27.11 1997 г. МПК Н02К 17/13; Н02К 17/56], позволяющее открывать тиристоры ключа при искажении формы кривой анодного напряжения, обусловленного снижением уровня этого напряжения.
Формирование импульсов управления осуществляется за счет того, что отпирающий импульс подается на тиристор ключа переменного тока вблизи момента перехода синусоиды переменного тока через нулевое значение. При этом длительность этого импульса равна удвоенному интервалу времени от момента перехода синусоиды переменного тока через нулевое значение до момента времени, когда мгновенное значение синусоиды переменного тока будет равно току удержания тиристора в открытом состоянии. Формирование широких импульсов управления тиристорами позволяет открывать тиристоры ключа переменного тока при искаженной форме кривой анодного напряжения, обусловленной снижением в начале полупериода уровня этого напряжения.
Устройство ключа переменного тока согласно первому варианту содержит первый и второй тиристоры, первый и второй резисторы, первый - четвертый диоды, транзистор и нагрузку.
Первый и второй встречно-параллельно включенные тиристоры через нагрузку подключены к первой и второй шине сети переменного тока. Управляющие электроды тиристоров через первый и второй резисторы соединены со своими катодами и катодами первого и второго диодов, объединенные аноды которых связаны с эмиттером транзистора. Коллектор транзистора подключен к точке соединения катодов третьего и четвертого диодов. Анод третьего диода соединен с катодом первого тиристора и нагрузкой, анод четвертого диода подключен к катоду второго тиристора. Цепь управляющего импульса подключена к базе транзистора и к общей точке соединения анодов первого и второго диодов.
Ключ переменного тока работает следующим образом.
При подключении базы и эмиттера транзистора к схеме управления, а входных клемм ключа к сети переменного тока схема управления вырабатывает управляющий импульс, длительность которого равна удвоенной величине времени от момента прохождения синусоиды переменного тока через нулевое значение до момента времени, когда мгновенное значение синусоиды переменного тока будет равно току удержания тиристора в открытом состоянии.
упр
Транзистор открывается на время импульса управления Т и даже когда ток, протекающий через тиристор, будет ниже тока удержания он отключается, а ток через нагрузку продолжает протекать в первый полупериод по цепи: первая клемма питающей сети, нагрузка, третий диод, коллектор-эмиттер транзистора, второй диод, управляющий электрод-катод второго тиристора, вторая клемма сети. Аналогично происходит протекание тока нагрузки во втором полупериоде. При отключении импульса управления транзистор закрывается, первый и второй тиристоры также закрываются при первом же прохождении синусоиды переменного тока вблизи нулевого значения, когда анодный ток тиристора снижается ниже тока удержания. При этом ключ переменного тока размыкается.
Таким образом, устройство для формирования импульсов для открытия тиристоров в ключе переменного тока позволяет за счет формирования широких управляющих импульсов повысить устойчивость работы ключа переменного тока в режимах работы, сопровождающихся искажением формы кривой анодного напряжения, обусловленной снижением в начале полупериода уровня этого напряжения.
упр
Однако работа устройства для формирования импульсов является недостаточно устойчивой при сильных искажениях формы кривой анодного напряжения и вызывает сбои в работе ключа переменного тока в случае, когда продолжительность интервала снижения формы кривой питающего напряжения превышает время подачи импульса управления Т.
упр
Другим недостатком устройством для формирования импульсов является нестабильность его работы при сильных искажениях формы кривой анодного напряжения, связанных с послекоммутационными колебаниями напряжения, поскольку ошибка в формировании импульсов управления Т приводит к сбоям в работе ключа переменного тока.
Наиболее близким по техническим решениям и достигаемому результату является устройство для формирования минимальных углов управления, установленное в блоке регулирования угла запаса инвертора (БРУЗ) электровоза ВЛ85 [Кулинич Ю.М. Устройство и работа выпрямительно-инверторного преобразователя. - Локомотив, 2001, №3, с. 19-22], которое содержит измерительный трансформатор напряжения, источник порогового напряжения, блок синхронизирующих импульсов, канал слежения за мгновенным значением напряжения на тиристорных плечах, RS - триггер, фазорегулятор и формирователь укороченных синхронизирующих импульсов. Фазорегулятор представляет собой систему автоматического регулирования.
Измерительный трансформатор напряжения и источник порогового напряжения подключены, соответственно, к первому и второму входу канала слежения за мгновенным значением напряжения на тиристорных плечах, выход которого соединен с входом  RS - триггера. Блок синхронизирующих импульсов через формирователь укороченных синхронизирующих импульсов связан с входом  RS - триггера и вторым входом фазорегулятора. Выход RS - триггера подключен к первому входу фазорегулятора, выход которого соединен с третьим входом фазорегулятора. Выход фазорегулятора является выходом устройства для формирования минимальных углов управления.
Устройство для формирования минимальных углов управления работает следующим образом.
сл
п
п
0
0
сл
п
си
сл
си
0
0
0
0
0
На выходе измерительного трансформатора напряжения формируется напряжение слежения U, пропорциональное анодному напряжению на тиристорах выпрямительно-инверторного преобразователя (ВИП) электровоза. Источник порогового напряжения задает уровень порогового напряжения U, необходимый для открытия тиристоров выпрямительно-инверторного преобразователя. Величина напряжения U обеспечивает задержку управляющих импульсов α на 7-11 эл. град. от начала полупериода при неискаженной форме номинального напряжения контактной сети 25 кВ. Канал слежения за мгновенным значением напряжения на тиристорных плечах формирует управляющие импульсы α после достижения напряжения слежения U порогового уровня U, необходимого для включения тиристоров ВИП. Блок синхронизирующих импульсов генерирует синхронизирующие импульсы U в моменты перехода через ноль напряжения слежения U. Формирователь укороченных синхронизирующих импульсов формирует укороченные по времени синхронизирующие импульсы  по фронту синхронизирующих импульсов U, что позволяет повысить точность регулирования. Импульсы α поступают на первый вход RS - триггера, на его второй вход подаются укороченные синхронизирующие импульсы . RS - триггер переключается по срезу входных импульсов, в начале каждого полупериода по срезу импульса  триггер переходит в единичное состояние, первый же срез импульса α переключает триггер в нулевое состояние. Последующие изменения напряжения на первом входе триггера не приводят к его переключению. Таким образом, длительность импульса на выходе RS - триггера соответствует углу α, необходимому для открытия тиристоров ВИП при данном уровне питающего напряжения. На входе фазорегулятора сравниваются импульсы α и импульсы  поступающие на третий вход фазорегулятора с его выхода. Фазорегулятор автоматически поддерживает равенство фазы его выходных импульсов  и импульсов α, формируемых RS - триггером.
сл
п
Достоинство известного устройства для формирования минимальных углов управления заключается в том, что схема фазорегулятора остается работоспособной во время коммутации, вызывающей в начале полупериода провалы и искажения напряжения слежения U ниже порогового напряжения U. Это обусловлено большой постоянной времени τ фазорегулятора, которая позволяет усреднять за время τ реальный угол управления  что обеспечивает помехозащищенность контура фазорегулирования.
cл
п
Другим достоинством известного устройства являются его повышенные энергетические показатели, обусловленные тем, что устройство позволяет формировать управляющие импульсы при искажениях формы кривой питающего напряжения, обусловленными послекоммутационными колебаниями напряжения. Это связано с тем, что RS - триггер срабатывает после достижения напряжения слежения U порогового напряжения U, а послекоммутационными колебаниями напряжения не влияют на его переключение.
сл
Однако известного устройства для формирования минимальных углов управления понижает энергетические показатели электровоза при искажении формы кривой напряжения слежения U, обусловленные статической погрешностью в формировании реального угла управления . Статическая погрешность при формировании импульсов управления  обусловлена погрешностью системы автоматического регулирования, применяемой в фазорегуляторе, которая составляет в установившемся режиме 1-2 эл. град. [Кулинич Ю.М. Испытания электровоза ВЛ85 с разнофазным управлением выпрямительно-инверторными преобразователями / Ю.М. Кулинич, В.В. Находкин и др. М: Вестник ВНИИЖТ, - 1986. №4, с. 23-26.].
м
Задача, решаемая изобретением, заключается в разработке устройства для формирования минимальных углов управления, работающего без сбоев при сильных искажениях формы питающего напряжения и лишенного статической погрешности при формировании импульсов управления за счет того, что устройство срабатывает только в моменты равенства напряжения слежения и порогового напряжения и, как следствие, повышает значения коэффициента мощности К электровоза.
Для решения поставленной задачи в устройство для формирования минимальных углов управления, содержащем измерительный трансформатор напряжения, источник порогового напряжения, блок синхронизирующих импульсов, канал слежения за мгновенным значением напряжения на тиристорных плечах и формирователь укороченных синхронизирующих импульсов, при этом измерительный трансформатор напряжения и источник порогового напряжения подключены, соответственно, к первому и второму входу канала слежения за мгновенным значением напряжения на тиристорных плечах, блок синхронизирующих импульсов связан с входом формирователя укороченных синхронизирующих импульсов введены RS - триггер, инвертор, одновибратор, логический элемент И, первый и второй логические элементы И-НЕ, генератор тактовых импульсов, реверсивный счетчик и логический элемент ИЛИ, при этом выход формирователя укороченных синхронизирующих импульсов подключен к входу  RS - триггера и через одновибратор соединен с первым входом логического элемента И, выход канала слежения за мгновенным значением напряжения на тиристорных плечах связан со вторым входом логического элемента И, выход которого подключен к первому входу первого логического элемента И-НЕ и через инвертор связан с первым входом второго логического элемента И-НЕ, вторые входы первого и второго логических элементов И-НЕ подключены к выходу генератора тактовых импульсов, выходы первого и второго логических элементов И-НЕ соединены, соответственно, с входами Up и Down реверсивного счетчика, выход которого через логический элемент ИЛИ подключен к входу  RS - триггера, выход которого является выходом устройства для формирования минимальных углов регулирования.
Введение в устройство для формирования минимальных углов управления RS - триггера, инвертора, одновибратора, первого и второго логических элементов И-НЕ, логического элемента И, генератора тактовых импульсов, реверсивного счетчика и логического элемента ИЛИ и образование новых взаимосвязей между элементами устройства отличает заявляемое решение от прототипа. Наличие существенных отличительных признаков в заявляемом решении свидетельствует о его соответствии критерию патентоспособности изобретения «новизна».
м
Введение в устройство для формирования минимальных углов управления RS - триггера, инвертора, одновибратора, первого и второго логических элементов И-НЕ, логического элемента И, генератора тактовых импульсов, реверсивного счетчика и логического элемента ИЛИ и образование новых взаимосвязей между элементами устройства приводит к формированию минимальных углов регулирования при сильных искажениях формы питающего напряжения и отсутствии статической погрешности при формировании импульсов управления за счет того, что устройство срабатывает только в моменты равенства напряжения слежения и порогового напряжения и, как следствие, повышает значения коэффициента мощности К электровоза.
м
Это обусловлено тем, что в заявляемом устройстве формирование минимальных углов регулирования при сильных искажениях формы питающего напряжения и отсутствии статической погрешности при формировании импульсов управления обеспечивается за счет определения момента равенства напряжения слежения и порогового напряжения не в начале, а в конце полупериода напряжения слежения. Кроме того, повышение коэффициента мощности К приводит к снижению потерь мощности в сети между электровозом и подстанцией.
м
Причинно-следственная связь «Введение в устройство для формирования минимальных углов управления RS - триггера, инвертора, одновибратора, первого и второго логических элементов И-НЕ, логического элемента И, генератора тактовых импульсов, реверсивного счетчика и логического элемента ИЛИ и образование новых взаимосвязей между элементами устройства приводит к формированию минимальных углов регулирования при сильных искажениях формы питающего напряжения и отсутствии статической погрешности при формировании импульсов управления за счет того, что устройство срабатывает только в моменты равенства напряжения слежения и порогового напряжения и, как следствие, повышает значения коэффициента мощности К электровоза» не обнаружена в уровне техники и явным образом не следует из него, что свидетельствует о ее новизне. Наличие новой причинно-следственной связи, проявляемой в заявляемом устройстве, свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности изобретения «изобретательский уровень».
На фиг. 1 представлена схема устройства для формирования минимальных углов управления, позволяющая раскрыть работоспособность и «промышленную применимость» заявляемого решения.
На фиг. 2 показаны диаграммы, поясняющие работу устройства для формирования минимальных углов управления.
Устройство для формирования минимальных углов управления содержит измерительный трансформатор напряжения 1, источник порогового напряжения 2, блок синхронизирующих импульсов 3, канал слежения за мгновенным значением напряжения на тиристорных плечах 4, формирователь укороченных синхронизирующих импульсов 5, RS - триггер 6, инвертор 7, одновибратор 8, первый 9 и второй 10 логические элементы И-НЕ, логический элемент И 11, генератор тактовых импульсов 12, реверсивный счетчик 13 и логический элемент ИЛИ 14.
Измерительный трансформатор напряжения 1 и источник порогового напряжения 2 подключены, соответственно, к первому и второму входу канала слежения за мгновенным значением напряжения на тиристорных плечах 4, блок синхронизирующих импульсов 3 связан с входом формирователя укороченных синхронизирующих импульсов 5, выход формирователя укороченных синхронизирующих импульсов 5 подключен к входу  RS - триггера 6 и через одновибратор 8 соединен с первым входом логического элемента И 11, выход канала слежения за мгновенным значением напряжения на тиристорных плечах 4 связан со вторым входом логического элемента И 11, выход которого подключен к первому входу первого логического элемента И-НЕ 9 и через инвертор 7 связан с первым входом второго логического элемента И-НЕ 10, вторые входы первого 9 и второго 10 логических элементов И-НЕ подключены к выходу генератора тактовых импульсов 12, выходы первого 9 и второго 10 логических элементов И-НЕ соединены, соответственно, с входами Up и Down реверсивного счетчика 13, выход которого через логический элемент ИЛИ 14 подключен к входу  RS - триггера 6, выход которого является выходом устройства для формирования минимальных углов управления.
Устройство для формирования минимальных углов управления работает следующим образом.
сл
п
α0
сл
п
СИ
сл
СИ
а
Напряжение слежения U с выхода измерительного трансформатора напряжения 1 и пороговое напряжение U с выхода источника порогового напряжения 2 поступают, соответственно, на первый и второй входы канала слежения за мгновенным значением напряжения на тиристорных плечах 4 (фиг. 2,), на выходе которого формируется двоичный сигнал U (фиг. 2,б), изменяющийся в моменты сравнения напряжений U и U. Блок синхронизирующих импульсов 3 генерирует синхронизирующие импульсы U (фиг. 2,в) в моменты (0, π, 2π…) прохождения напряжения слежения U через нулевое значение. Формирователь укороченных синхронизирующих импульсов 5 формирует укороченные синхронизирующие импульсы  (фиг. 2,г) по фронту синхронизирующих импульсов U.
сл
1
α0
0
Из фиг. 2,а следует, что уменьшение напряжение слежения U (интервал π - t) вызвано искажениями, связанными с процессами коммутации, происходящими в начале полупериода. Это приводит к изменению формы сигнала U (фиг. 2,б) на выходе канала слежения за мгновенным значением напряжения на тиристорных плечах 4 и, соответственно, к ошибке и сбоям при формировании минимальных углов управления α.
ОB
ОВ
α0
И
сл
п
0
сл
0
0
сл
Одновибратор 8 в начале каждого полупериода формирует по сигналам укороченных синхронизирующих импульсов  двоичный нулевой сигнал U (фиг. 2,д) продолжительностью τ. Высокий уровень напряжения этого сигнала разрешает прохождение сигнала U через логический элемент И 11. В результате этого в конце полупериода на выходе логического элемента И 11 образуется сигнал высокого уровня U (фиг. 2,е) на интервале от момента равенства напряжений U=U до окончания полупериода (π, 2π …). Продолжительность этого сигнала соответствует минимальному углу управления α. При этом сформированный на выходе логического элемента И 11 сигнал (фиг. 2,е) не зависит от искажения формы напряжения слежения U в начале полупериода, а определяется заданным значением минимального угла управления α. Таким образом продолжительность интервалов α (фиг. 2,е) в устройстве определяется не в начале, а в конце полупериода напряжения слежения U.
И
И
С помощью первого 9, второго 10 логических элементов И-НЕ и инвертора 7 осуществляется распределение тактовых импульсов генератора тактовых импульсов 12 между входами Up и Down реверсивного счетчика 13. В случае высокого уровня напряжения U на выходе логического И 11 (фиг. 2,е) тактовые импульсы поступают на вход Up реверсивного счетчика 13 (фиг. 2,ж), при нулевом уровне сигнала U они направляются на другой вход Down реверсивного счетчика 13 (фиг. 2,з).
0
сч
сч
сч
0
сч
сч
ИЛИ
сч
ИЛИ
Тактовые импульсы, приходящие на вход Up реверсивного счетчика 13 (фиг. 2,ж), за время интервала α увеличивают его выходной код К, тактовые импульсы, поступающие на другой вход Down реверсивного счетчика 13 (фиг. 2,з), за это же время уменьшают код счетчика К до нуля (фиг. 2,и). Таким образом, процесс уменьшения кода счетчика К происходит за время, соответствующее минимальному углу управления α. Выходной код реверсивного счетчика К поступает на вход логического элемента ИЛИ 14. В процессе работы реверсивного счетчика 13, т.е. при К≠0 сигнал U на выходе логического элемента ИЛИ 14 соответствует лог. 1. При обнулении выходного кода реверсивного счетчика 13, т.е. при К=0 логический элемент ИЛИ 14 также переходит в нулевое состояние U=0.
вых
0
ИЛИ
вых
0
сл
п
Формирование фронта выходного сигнала устройства U длительностью α (фиг. 2,л) происходит на выходе RS - триггера 6 по срезу укороченных синхронизирующих импульсов  (фиг. 2,г), обнуление RS - триггера 6 также происходит по срезу сигнала U. Из построений на фиг. 2,л следует, что выходной сигнал устройства U определяется минимальным углом управления α, соответствующим достижению неискаженной формы напряжения слежения U уровня порогового напряжения U.
0
1
0
м
Таким образом, генерируемый устройством выходной сигнал соответствует минимальному углу управления α, который не зависит от искажения формы напряжения слежения (интервал π - t на рис. 2), связанного с коммутацией. Кроме того, устройство лишено статической ошибки при формировании сигнала α, поскольку в структуре заявляемого устройства не применяется автоматический регулятор. Все это позволяет повысить коэффициента мощности К электровоза.
Испытания заявляемого преобразователя однофазно-постоянного тока на электровозе ВЛ65 в локомотивном депо Белогорск Забайкальской железной дороги показали, что минимальный угол открытия тиристоров можно уменьшить с 9,0 до 2-2,5 эл. град. при работе электровоза на четвертой зоне регулирования. При этом обеспечивается устойчивая работа локомотива на всех зонах регулирования, а коэффициент мощности увеличился в среднем до 0,94.