Устройство для импульсно-фазового управления трехфазным тиристорным преобразователем

 

Изобретение относится к электротехнике. Устройство содержит управляемый элемент - трансформатор-фазовращатель только в одной из фаз. Две другие фазы вместо трансформаторов-фазовращателей содержат фазосдвигающие фильтры, обеспечивающие при соответствующей настройке сдвиг выходного синусоидального напряжения трансформатора-фазовращателя на угол +2Π/3 и -2Π/3 . При этом реализуется передаточная функция фильтра K_ф(p) = 1-R_фC_фp/1+R_фC_фp . В результате модуль напряжения на выходе фильтра относительно общей шины схемы при управлении фазой остается неизменным. Благодаря тому, что форма напряжения на выходе трансформатора-фазовращателя, выполненного по симметричной схеме, очень близка к синусоидальной при соответствующем подборе сопротивления резистора и фиксированной емкости конденсатора фильтра, достигается высокая точность управления тиристорным преобразователем. В рабочем диапазоне разброс управляющих импульсов по фазам не превышает ± 1 - 2 эл. град. 4 ил.

Изобретение относится к электротехнике и может использоваться для импульсно-фазового управления трехфазным тирис- торным преобразователем.

Наибольшее распространение в общепромышленных тиристорных электроприводах получили чисто электронные системы импульсно-фазового управления (СИФУ), работающие по "вертикальному" принципу.

В многоканальных СИФУ в качестве опорного в каждой фазе преобразователя используется синусоидальное или пилообразное напряжение. Импульс формируется в момент равенства опорного напряжения и сигнала управления.

Известны трехфазные одноканальные электронные СИФУ, в которых опорное напряжение формируется только в одной фазе, а управляющие импульсы для других двух фаз создаются с помощью цепей временных задержек различного вида.

Известно одноканальное устройство для фазового управления тиристорным преобразователем, содержащее общий управляемый генератор, соединенный с источником управляющего напряжения и распределителем импульсов, снабженное сумматором, цифроаналоговым преобразователем, широтно-импульсным демодулятором, реверсивным счетчиком, дизъюнктором и тремя формирователями узких импульсов, входы которых служат для подключения к питающей сети, причем выходы формирователей импульсов подключены к входам дизъюнктора, выход которого подключен к входу сложения реверсивного счетчика, вход вычитания которого подключен к выходу управляемого генератора, выход первого разряда через широтно-им- пульсный демодулятор - к входу сумматора, другой вход которого через цифроаналоговый преобразователь подключен к выходам остальных разрядов реверсивного счетчика, а выход сумматора подключен к входу управляемого генератора.

Известно также одноканальное синхронное фазосдвигающее устройство, содержащее формирователь синхроимпульсов, связанный первым выходом с входом узла сдвига основных импульсов и вторым выходом - с входом узла сдвига приоритетных импульсов, распределитель импульсов, соединенный входами с выходами узлов сдвига импульсов, снабженное неуправляемым элементом задержки, а узлы сдвига основных импульсов и приоритетных импульсов образованы n последовательно включенными управляемыми элементами задержки импульсов, где n > 3 - число, ограничиваемое допустимой ошибкой преобразования управляющего напряжения в фазу импульсов, причем неуправляемый элемент задержки введен между выходом формирователя синхроимпульсов и узлом сдвига основных импульсов.

Недостатком как многоканальных, так и одноканальных чисто электронных СИФУ, работающих по "вертикальному" принципу, является относительная сложность устройств, что вызывает трудности при обслуживании их средним техническим персоналом. Устройство обладают недостаточной помехозащищенностью, особенно в условиях искажений и глубоких просадок напряжения сети. Для питания устройств требуются источники с высокой степенью стабилизации выходного напряжения, которые сами по себе являются достаточно сложными изделиями.

Для таких объектов, как электроприводы экскаваторов, стационарных и передвижных буровых установок и других аналогичных механизмов, работающих в условиях искажения и глубоких просадок питающей сети (часто автономной и соизмеримой мощности), нашли применение "горизонтальные" СИФУ, в которых используется в качестве управляемого фазорегулятора трансформатор-фазовращатель.

Как показывает опыт эксплуатации (5--7), СИФУ на базе трансфазовращателей в указанных выше условиях (3, 8, 9) обладает высокой надежностью, стабильностью характеристик и повышенной помехозащищенностью. В них отсутствуют элементы, требующие в процессе эксплуатации подрегулировки. Для питания СИФУ не нужны прецизионные источники, так как стабильность ее характеристик управления при колебаниях напряжения сети определяется внутренними свойствами трансформатора-фазовращателя, представляющего собой магнитный мост, в котором взаимное фазовое положение векторов входной и выходной обмоток моста сохраняется при изменении их абсолютной величины, т. е. изменяется только масштаб векторной диаграммы. Повышенная помехозащищенность обеспечивается благодаря наличию гальванической развязки между цепями управления и обмотками переменного тока.

Наиболее близким к предлагаемому устройству по технической сущности является устройство для импульсно-фазового управления трехфазным тиристорным преобразователем, содержащее трансформа- тор-фазовращатель с дополнительной обмоткой смещения резистивным делителем на его выходе, дискриминатор в каждой фазе, состоящий из двух интегральных компараторов со стробирующим, прямым и инверсным входами, двух узлов блокировки управляющих импульсов, при этом узлы блокировки подключены между стробирующими входами соответствующих компараторов и средней точкой делителя напряжения, входы узлов блокировки управляющих импульсов фазы А подключены к выходам соответствующих компараторов фазы В, входы узлов блокировки фазы В подключены к выходам соответствующих компараторов фазы С, входы узлов блокировки фазы С подключены к выходам соответствующих компараторов фазы А.

Это устройство имеет ряд недостатков, которые обуславливают недостаточную точность управления, повышенные производственные затраты при изготовлении и создают ряд неудобств при его эксплуатации: в состав СИФУ входят три трансфазовращателя (по одному в каждый канал), которые представляют собой сложные и по сравнению с другими комплектующими элементами относительно дорогие изделия. От их стоимости в значительной степени зависит цена СИФУ в целом; разброс управляющих импульсов по фазам целиком зависит от того насколько близки друг другу характеристики управления, входящих в СИФУ трансфазовращателей. Поскольку при изготовлении полной идентичности трансфазовращателей получить не удается, в ряде случаев для трехфазных СИФУ возникает необходимость подбора элементов по тройкам. Это обстоятельство дополнительно удорожает производство и усложняет комплектацию объекта запасными изделиями. В среднем разброс характеристик трехканальных СИФУ по фазам обычно составляет 3-4 эл. градуса; Фазировку СИФУ с сетью необходимо производить отдельно для каждой фазы устройства путем изменения фазы напряжения на входе трансфазовращателя с помощью фазосмещателя того или иного типа. Это усложняет процесс фазировки при эксплуатации преобразователя и вносит в установку начального угла управляющих импульсов по фазам дополнительные погрешности; габаритные размеры устройства в основном определяются трансфазовращателем и при использовании трех элементов существенно увеличиваются, а полезное заполнение блока управления уменьшается.

Целью изобретения является повышение точности управления при одновременном упрощении устройства, его обслуживании, сокращении габаритных размеров и массы, снижении затрат на производство и стоимости изделия.

Поставленная цель достигается тем, что устройство для импульсно-фазового управления трехфазным тиристорным преобразователем, содержащее трансформа- тор-фазовращатель с дополнительной обмоткой смещения и резистивным делителем на его выходе, дискриминатор в каждой фазе, состоящий из двух интегральных компараторов со стробирующим, прямым и инверсным входами, двух узлов блокировки управляющих импульсов, при этом узлы блокировки подключены между стробирующими входами соответствующих компараторов и средней точкой делителя напряжения, входы узлов блокировки управляющих импульсов фазы А подключены к выходам соответствующих компараторов фазы В, входы узлов блокировки фазы В подключены к выходам соответствующих компараторов фазы С, входы узлов блокировки фазы С подключены к выходам соответствующих компараторов фазы А, снабжено двумя фазосдвигающими фильтрами RC соответственно в фазе А и фазе С, двумя усилителями напряжения с резистивной нагрузкой, при этом общая точка резистивной нагрузки усилителей соединена со средней точкой делителя трансформатора-фазовращателя, входы усилителей в противофазе подключены к соответствующим выводам резистивного делителя трансформатора-фа- зовращателя, входные клеммы RC-фильтров фаз А и С подключены в противофазе к выходам усилителей, а общие выводы резистора и конденсатора фильтров подключено к противофазным входам соответствующих компараторов фаз А и С, два других противофазных входа компараторов фаз А и С через резисторы соединены с общей шиной, а в фазе В одноименные входы компараторов подключены к общей шине, а два других - к выходам усилителей, при этом трансформатор-фазовращатель выполнен по схеме симметричного магнитного моста, а фазосдвигающий фильтр выполнен реализующим передаточную функцию вида K_ф(P) = , где R_ф - сопротивление фильтра; С_ф - емкость фильтра; Р - оператор Лапласа.

По сравнению с прототипом предлагаемое устройство является одноканальным и содержит управляемый элемент-трансфазовращатель только в одной из фаз. Одноканальные аналоги предлагаемому устройству, использующие "горизонтальный принцип" управления неизвестны. Две другие фазы вместо трансформаторов-фазовращателей содержат фазосдвигающие фильтры, обеспечивающие при соответствующем выборе R_ф и С_ф сдвиг выходного синусоидального напряжения управляемого элемента - трансформатора-фазовращателя строго на угол + и - . Это достигается благодаря включению двух фильтров RC в противофазе через два усилителя, образующих на выходе трансформатора-фазовращателя линейный двухтактный усилитель, по мостовой схеме, в которой два плеча образует резистивная нагрузка усилителя. При этом реализуется передаточная функция фильтра K_ф(P) = (см. приложение). В результате модуль напряжения на выходе фильтра относительно общей шины схемы при управлении фазой остается неизменным. Благодаря тому, что форма напряжения на выходе трансформатора-фазовращателя, выполненного по симметричной схеме, очень близка к синусоидальной, при соответствующем подборе сопротивления резистора и фиксированной емкости конденсатора фильтра, достигается более высокая точность управления тиристорным преобразователем. В рабочем диапазоне разброс управляющих импульсов по фазам не превышает ±1-2 эл. градусов.

Устройство значительно проще в производстве, имеет вдвое меньшие габаритные размеры, массу и стоимость. При его изготовлении на стадии заводской регулировки перед заливной компаундом не требуется строгого подбора характеристик трансформаторов-фазовращателей. Достаточно лишь обеспечить их относительную линейность на рабочем участке. Причем это требование существенно главным образом для реверсивных преобразователей. Устройство более удобно в эксплуатации. Так, например, фазировка управляющих импульсов с сетью производится одним фазосмещателем сразу для всех трех фаз преобразователя. Вследствие взаимозаменяемости ячеек сокращается количество запасных изделий. Конструктивно предлагаемое устройство импульсно-фазового управления выполнено в виде двух стандартных ячеек (ЯФУ-ячейка фазового управления с транс- фазовращателем и ЯФИ-ячейка формирования импульсов с фазосмещающими фильтрами и компараторами). Суммарная ширина лицевых панелей ячеек составляет всего 70 мм (в прототипе - 150 мм), что в большинстве случаев позволяет разместить в одной стандартной кассете БУК МЭК также систему автоматического регулирования и источник питания.

На фиг. 1 приведена функциональная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - векторная диаграмма фазосдвигающих фильтров; на фиг. 3 - векторная диаграмма напряжений на входе компараторов относительно общей шины схемы; на фиг. 4 - временные диаграммы напряжений в различных точках функциональной схемы; на фиг. 1 приложения - расчетная схема устройства и исходные уравнения Кирхгофа для построения векторных диаграмм; на фиг. 2 - расчетная схема для передаточной функции фильтра.

Устройство для импульсно-фазового управления трехфазным тиристорным преобразователем содержит трансформа- тор-фазовращатель 1 с входной обмоткой 2, обмоткой 3 управления, обмоткой 4 смещения, выходной обмоткой 5, резистивный делитель 6 на его выходе, усилители 7 и 8 с резистивной нагрузкой 9, при этом общая точка резистивной нагрузки 9 усилителей 7, 8 соединена со средней точкой делителя 6 трансформатора-фазовращателя 1, входы усилителей 7 и 8 в противофазе подключены к соответствующим выводам резистивного делителя 6 трансформатора-фазовращателя 1, два фильтра 10 (резистор 11, конденсатор 12), 13 (резистор 14, конденсатор 15). Входные клеммы RC-фильтров 10 и 13 фаз А и С подключены в противофазе к выходам усилителей 7 и 8. В фазе А содержится дискриминатор 16 с двумя интегральными компараторами 17 и 18, в фазе В - дискриминатор 19 с интегральным компараторами 20 и 21, в фазе С - дискриминатор 22 с интегральными компараторами 24 и 24, причем в каждой фазе содержит по два узла 25-30 блокировки управляющих импульсов. Общие точки резистора 11 и конденсатора 12 фильтра 10, резистора 15 и конденсатора 14 фильтра 13 подключены к противофазным входам компараторов 17, 18 фазы А и компараторов 23, 24 фазы С, два других противофазных входа компараторов 17, 18 и 23, 24 фаз А и С через резисторы соединены с общей шиной, а фазе В одноименные входы компараторов 20, 21 подключены к общей шине, а два других - к выходам усилителей 7, 8. Входы узлов 25, 26 блокировки управляющих импульсов фазы А подключены к выходам компараторов 20, 21 фазы В. Входы узлов 27, 28 блокировки фазы В подключены к выходам компараторов 23, 24 фазы С. Входы узлов 29, 30 блокировки фазы С подключены к выходам компараторов 17, 18 фазы А, при этом трансформатор-фазовращатель 1 выполнен по схеме симметричного магнитного моста, фазосдвигающий фильтр выполнен реализующим передаточную функцию вида K_ф(P) = , где R_ф - сопротивление фильтра, С_ф - емкость фильтра;
р - оператор Лапласа.

Устройство работает следующим образом.

Регулируемое по фазе выходное напряжение трансформатора-фазовращателя 1 подается на входы усилителей 7, 8 с резистивной нагрузкой 9 и усиливается до напряжения ≈10 В. Выбор параметров фазосдвигающих фильтров 10 и 13 осуществляется таким образом, что напряжения на их выходе оказываются сдвинутыми относительно друг друга на угол . Из рассмотрения диаграммы фиг. 2 следует, что напряжение U_OF фазы А опережает напряжение U_ОЕ прямого канала фазы В на угол , а напряжение U_OG фазы С отстает на такой же угол. Из диаграммы следует, что на входе компараторов относительно общей шины схемы с помощью двух мостовых фильтров 10, 13 образуются четыре напряжения U_OF, U_OG, U_OD, U_OE, сдвинутые относительно друг друга на углы кратные . Напряжения U_OF, U_OE, U_OG, образующие симметричную трехфазную систему, для управления тиристорами анодной группы выпрямителя подключаются к одноименным (инверсным) входам компараторов 18, 21, 24 соответственно фаз А, В, С. При этом в отрицательную полуволну напряжений на выходе компараторов образуются прямоугольные импульсы длительностью π(см. фиг. 4).

Напряжения U_OF, U_D и U_OG, образующие несимметричную трехфазную систему, используются для формирования импульсов такой же длительности катодной группы выпрямителя. Для этого напряжения U_OF и U_OG подаются на прямой вход компараторов 17 и 23 фазы А и фазы С, а напряжение U_OD на инверсный вход компаратора 20 прямого канала фазы В. При отсутствии стробирующего сигнала прямоугольные импульсы имеют длительность, равную π (заштрихованы на фиг. 4 сплошными и пунктирными линиями). Импульсы с наклонной штриховкой вправо относятся к анодной группе тиристоров, а с наклоном влево к катодной группе. С помощью узлов блокировки и 25-30, подключенных к стробирующим входам компараторов, формируются управляющие импульсы тиристоров длительностью . Для этого вход узла блокировки 25 фазы А подключен к выходу компаратора 20 фазы В, вход узла 27 блокировки фазы В подключен к выходу компаратора 23 фазы С, вход узла 29 блокировки фазы С подключен к выходу компаратора 17 фазы А. Полученные таким образом на выходе компараторов 17, 20, 23 управляющие импульсы длительностью после усиления (на фиг. 1 усилитель мощности не показан) служат для управления тиристорами катодной группы мостовой схемы преобразователя.

Аналогичным образом на выходе компараторов 18, 21 и 24 с помощью узлов блокировки 26, 28, 30 формируются управляющие импульсы длительностью для анодной группы тиристоров преобразователя.

Изобретение позволяет повысить точность управления при одновременном упрощении устройства и его обслуживания, сократить габаритные размеры и массу, снизить затраты на производство и стоимость изделия.

Для положительных направлений напряжений, указанных на фиг. 1, уравнения Кирхгофа имеют следующий вид:
U_DE = U_DF + U_FE;
U_OF = U_DF - U_DO; или в других обозначениях
U_DE = U_RФ1 + U_CФ1; (1)
U_OF = U_RФ1 - U_DO, где U_RФ1 = U_DF - падение напряжения на резисторе фильтра Ф1 (поз. 1) на фиг. 1)
U_CФ1 = U_FE - падение напряжения на конденсаторе фильтра Ф1; для фазы С аналогично получают
U_DE = U_QE + U_DG = U_RФ2 + U_CФ2, (2)
U_OG = U_OE - U_GE = U_OE - U_RФ2
По уравнениям (1) и (2) на фиг. 2 и фиг. 3 построены векторные диаграммы фазосдвигающих фильтров и напряжений на входе компараторов относительно общей шины схемы устройства.

Для расчетной схемы фиг. 2 можно составить следующие уравнения:
I_Ф+I_ФR_Ф-U_o= 0,
I_Ф-I_oR_o-U_вых= 0,
I_o= . Решая эти уравнения относительно U_вых, получают
U_вых= Если на вход принять падение напряжения на сопротивлении R_o U_вх = , то передаточная функция для ненагруженного фильтра будет иметь вид
K_ф(P) = = Из полученной передаточной функции следует, что модуль функции не зависит от параметров фильтра и частоты питающего напряжения.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИМПУЛЬСНО-ФАЗОВОГО УПРАВЛЕНИЯ ТРЕХФАЗНЫМ ТИРИСТОРНЫМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ, содержащее трансформатор-фазовращатель с дополнительной обмоткой смещения и резистивным делителем на его выходе, дискриминатор в каждой фазе, состоящий из двух интегральных компараторов со стробирующим, прямым и инверсным входами, двух узлов блокировки управляющих импульсов, при этом узлы блокировки подключены между стробирующими входами соответствующих компараторов и средней точкой делителя напряжения, входы узлов блокировки управляющих импульсов фазы A подключены к выходам соответствующих компараторов фазы B, входы узлов блокировки фазы B - к выходам соответствующих компараторов фазы C, входы узлов блокировки фазы C - к выходам соответствующих компараторов фазы A, отличающееся тем, что оно снабжено двумя фазосдвигающими RC-фильтрами соответственно в фазах A и C, двумя усилителями напряжения с резистивной нагрузкой, при этом общая точка резистивной нагрузки усилителей соединена со средней точкой делителя трансформатора-фазовращателя, входы усилителей в противофазе подключены к соответствующим выводам резистивного делителя трансформатора-фазовращателя, входные клеммы RC-фильтров фаз A и C подключены в противофазе к выходам усилителей, а общие выводы резистора и конденсатора фильтров - к противофазным входам соответствующих компараторов фаз A и C, два других противофазных входа компараторов фаз A и C через резисторы соединены с общей шиной, а в фазе B одноименные входы компараторов подключены к общей шине, а два других - к выходам усилителей, при этом трансформатор-фазовращатель выполнен по схеме симметричного магнитного моста, фазосдвигающий фильтр выполнен реализующим передаточную функцию вида
K_ф(P)= ,
где R_ф - сопротивление фильтра;
C_ф - емкость фильтра;
P - оператор Лапласа.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4