АДАПТИВНОЕ УСТРОЙСТВО СИНХРОНИЗАЦИИ
ADAPTIVE SYNCHRONISATION DEVICE

Устройство относится к области преобразовательной техники и может использоваться в системах управления тиристорными преобразователями постоянного и переменного напряжения.
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 (регенеративный компаратор), синхронизирующий трансформатор с выпрямительными диодами и согласующий выходной транзистор (RU 179886. Система импульсно-фазового управления трехфазным тиристорным преобразователем. Н02М 1/08, Бюл. № 8 от 28.02.2001).
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., Рахматуллин 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 - «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 УС в режим внешней синхронизации необходимо, чтобы амплитуда синхронизирующего воздействия (напряжения сети) превышала бы амплитуду выходных импульсов релейного элемента не менее чем в 2,5 раза. В этом случае УС синхронизируются с напряжением сети, когда на выходе интегратора формируется напряжение, сдвинутое относительно сигнала синхронизации на 90 эл.град, а выходные импульсы релейного элемента имеют форму «меандра» с частотой напряжения сети.
э
с
с
В режиме внешней синхронизации УС обладают свойствами апериодического фильтра первого порядка W(p)=1/(1+Тр) с постоянной времени , где Т - период синхронизирующего воздействия (напряжения сети);  - нормированное значение амплитуды А сигнала синхронизации; ±А - амплитуда выходных импульсов релейного элемента.
Для создания режима надежной синхронизации в условиях нестабильности амплитуды напряжения сети приходится увеличивать  до значения порядка 10,0, что резко снижает полосу пропускания канала синхронизации и вентильного преобразователя в целом. В противном случае при уменьшении амплитуды сети ниже значения  происходит снижение амплитуды выходного сигнала интегратора, сопровождаемое выходом УС из режима вынужденных переключений. В результате возникают высокочастотные переключения релейного элемента, приводящие к аварийному отключению силовой части вентильного преобразователя.
Таким образом, устройство-прототип имеет низкую точность и надежность работы в условиях нестационарных параметров напряжения сети.
В основу изобретения положена техническая задача, заключающаяся в повышении точности и надежности работы устройства синхронизации.
Предлагаемое адаптивное устройство синхронизации содержит последовательно включенные сумматор, интегратор, первый релейный элемент, выход которого является «выходом» устройства синхронизации и одновременно соединен с первым входом сумматора, второй вход которого соединен с источником сигнала синхронизации - «вход» устройства синхронизации, и отличается от известного устройства тем, что в него введены последовательно включенные второй релейный элемент и пропорционально-дифференцирующее звено, причем вход второго релейного элемента соединен с источником сигнала синхронизации - «вход» устройства синхронизации, а выход пропорционально-дифференцирующего звена подключен к третьему входу сумматора.
Поставленная техническая задача достигается за счет синхронизации автоколебательного канала УС комбинированным сигналом, представляющим собой сумму сигналов с выхода второго релейного элемента и гармонического напряжения сети. При этом второй релейный элемент за счет дискретного характера фронта своего выходного сигнала обеспечивает надежный режим синхронизации УС с сетью, а гармоническая составляющая суммарного синхронизирующего воздействия определяет перестройку динамических характеристик устройства синхронизации в функции нестабильности амплитуды напряжения сети. Для исключения влияния на характеристики УС асимметрии выходных импульсов второго релейного элемента служит пропорционально-дифференцирующее звено, имеющее бесконечно малый коэффициент передачи для инфранизкочастотных сигналов и сигналов с нулевым значением частоты.
Таким образом, предлагаемое устройство синхронизации обладает повышенной точностью и надежностью в работе при нестационарных по амплитуде и частоте параметрах напряжения сети.
Изобретение поясняется чертежами:
Фиг.1 - структурная схема предлагаемого устройства;
Фиг.2а, б - характеристики элементов предлагаемого устройства;
Фиг.3а, б, в, г - временные диаграммы сигналов предлагаемого устройства.
В состав адаптивного устройства синхронизации входят (фиг.1) последовательно соединенные источник сигнала синхронизации - «вход» устройства синхронизации, второй релейный элемент 1, пропорционально-дифференцирующее звено 2, сумматор 3, интегратор 4 и первый релейный элемент 5, выход которого является «выходом» устройства синхронизации и одновременно соединен со вторым входом сумматора 3. Источник сигнала синхронизации - «вход» устройства синхронизации подключен к третьему входу сумматора 3.
На фиг.1-3 введены следующие обозначения:
1
2
1
2
К - коэффициент передачи пропорционально-дифференцирующего звена 2 с передаточной функцией вида W(p)=Tp/(Tp+1), где T, T - постоянные времени;
ϖ - частота сигнала на входе пропорционально-дифференцирующего звена 2;
0
ϖ - граничная частота входного воздействия пропорционально-дифференцирующего звена 2;
и
Т - постоянная времени интегратора 4;
c
X(t) - напряжение сети;
1
Y(t) - выходной сигнал второго релейного элемента 1;
c
c
T - период напряжения сети X(t);
c
c
A - амплитуда напряжения сети X(t);
Σ
Y(t) - суммарный сигнал синхронизации;
и
Y(t) - выходной сигнал интегратора 4;
Y(t) - выходной сигнал первого релейного элемента 5 с амплитудой ±А;
д
±Х - допустимый входной сигнал, при котором блоки 3, 4, 5 работают в режиме автоколебаний;
1
д
±Δ - превышение амплитуды импульсов Y(t) относительно уровней ±Х.
Звенья адаптивного УС (фиг.1) имеют следующие характеристики (фиг.2).
0
Частотная характеристика пропорционально-дифференцирующего звена 2 показана на фиг.2а. Его параметры выбираются таким образом, чтобы частота выходных импульсов второго релейного элемента 1 (или напряжения сети) находилась правее частоты ϖ, где между входным и выходным сигналами пропорционально-дифференцирующего звена 2 фазовый сдвиг был бы равен нулю.
Релейные элементы 1, 5 имеют нулевое значение порогов переключения и симметричную относительно нуля характеристику «вход - выход». Выходные импульсы релейных элементов 1, 5 изменяются дискретно.
Интегратор 4 реализован на основе операционного усилителя, когда при дискретном характере входного воздействия (фиг.2б) его выходной сигнал изменяется по линейному закону со знаком, обратным по отношению к знаку сигнала на входе.
Принцип работы устройства следующий.
д
Сумматор 3, интегратор 4 и первый релейный элемент 5 в совокупности образуют автоколебательную систему с частотно-широтно-импульсной модулляцией. При изменении входного сигнала на входе сумматора 3 в пределах, не превышающих величину ±Х, автоколебательный канал УС формирует на выходе биполярные импульсы Y(t) со средним значением, пропорциональным входному воздействию.
Второй релейный элемент 1 переключается (фиг.3б) синхронно с моментами времени изменения знака сигнала синхронизации (сети) (фиг.3а).
Характеристика пропорционально-дифференцирующего звена 2 выбирается таким образом, чтобы обеспечить нулевой фазовый сдвиг между его входным и выходным сигналами. В этом случае напряжение на выходе пропорционально-дифференцирующего звена 2 повторяет форму выходных импульсов второго релейного элемента 1 (фиг.3б).
1
д
Амплитуда импульсов Y(t) (фиг.3б) превышает уровень ±Х примерно на 15-20%. При этом условии канал, состоящий из сумматора 3, интегратора 4 и первого релейного элемента 5, переходит в режим внешней синхронизации с частотой напряжения сети, приобретая свойства апериодического звена первого порядка с постоянной времени , причем  в данном случае оказывается величиной постоянной и не зависящей от амплитуды напряжения сети. Таким образом, УС адаптируется только по отношению к частоте напряжения сети.
1
Σ
c
c
Σ
c
1
Для исключения данного недостатка совместно с выходным сигналом пропорционально-дифференцирующего звена 2 на вход сумматора 3 подается непосредственно сигнал с источника сигнала синхронизации - «вход» устройства синхронизации. В результате синхронизация канала, состоящего из сумматора 3, интегратора 4 и первого релейного элемента 5, осуществляется комбинированным воздействием, включающим неизменяемую часть Y(t) (фиг.3в, заштрихованная область) и функциональную составляющую (вершину сигнала Y(t)), которая несет в себе информацию о характере изменений амплитуды напряжения сети X(t). В результате величина  становится зависимой от амплитуды напряжения синхронизации, и УС сохраняет свойство адаптации как к частоте, так и к амплитуде сигнала синхронизации X(t). Вместе с тем, дискретный характер сигнала Y(t) в моменты времени изменения знака напряжения сети, сформированный вторым релейным элементом 1, не позволяет при резких колебаниях амплитуды сигнала X(t) «вывалиться» каналу, состоящему из сумматора 3, интегратора 4 и первого релейного элемента 5, из режима внешней синхронизации, что повышает надежность работы силового преобразователя в целом. Ошибка УС, вызванная асимметрией амплитуд выходных импульсов второго релейного элемента 1 из-за естественного разброса параметров его микросхемы, подавляется пропорционально-дифференцирующим звеном 2, препятствующим прохождению на вход сумматора 3 постоянной составляющей импульсов Y(t). Тем самым повышается точность работы УС.
На выходе УС формируется сигнал, имеющий форму «меандра» с частотой напряжения сети и сдвинутый относительно напряжения сети на 90 эл.град (фиг.3г).
Промышленная применимость.
Предлагаемое техническое решение предполагается использовать в реверсивном тиристорном преобразователе постоянного тока для управления электроприводом прошивного стана на ОАО «Челябинский трубопрокатный завод».