Фазосдвигающее устройство

Изобретение относится к преобразовательной технике и может использоваться для управления тиристорными регуляторами напряжения, например, для плавного пуска асинхронных электроприводов. Технический результат заключается в повышении помехоустойчивости и точности. Устройство содержит (фиг.1) источник сигнала управления (не показан) - «вход фазосдвигающего устройства», преобразователь напряжения в частоту импульсов (1), первый логические элемент «2И» (2), суммирующий (3) и вычитающий (4) двоичные счетчики, вход (5) для подключения источника импульсов установки (не показан) в счетчиках (3) и (4) начальных условий, цифровой компаратор (6), второй логический элемент «2И» (7), вход (8) для подключения источника импульсов управления силовыми тиристорами (не показан). Устройство относится к классу систем с двумя функциональными (зависящими от входного сигнала) развертывающими функциями, формируемыми в счетчиках (3, 4) под действием выходных импульсов преобразователя напряжения в частоту импульсов (1). Импульс управления тиристорами формируется в моменты времени равенства чисел в суммирующем (3) и вычитающем (4) счетчиках. 5 ил.

 

Изобретение относится к области преобразовательной техники и может быть использовано для управления тиристорными регуляторами напряжения, например, для плавного пуска асинхронных электроприводов.

Известны системы импульсно-фазового управления (СИФУ), выполненные на основе последовательно соединенных канала синхронизации, генератора пилообразного напряжения, релейного элемента и формирователя управляющих импульсов (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 релейный элемент в совокупности образуют фазосдвигающее устройство (ФСУ). Принцип действия устройства основан на непосредственном сравнении сигнала пилообразного напряжения с сигналом управления и в момент их равенства формируется угол управления тиристорами. Данные СИФУ относятся к классу систем с "вертикальным" управлением, характеризуются низкой помехоустойчивостью и надежностью в работе.

Известен интегрирующий развертывающий преобразователь (а.с. 515117 СССР, G 06 G 7/12. Релейный операционный усилитель / Суворов Г.В., Осипов О.И., Цытович Л.И., Маурер В.Г. (СССР). - №2055243/24, заявлено 20.08.74; опубл. 25.05.76, Бюл. N19), содержащий последовательно включенные интегратор и релейный элемент, выход которого через резистор соединен с выходом интегратора, в цепи обратной связи которого включены последовательно соединенные нелинейный элемент с зоной нечувствительности и дифференцирующее звено. Преобразователь работает в режиме устойчивых автоколебаний и обладает повышенной помехоустойчивостью за счет дискретного изменения постоянной времени интегратора при воздействии на информационный вход сигнала синхронизирующей помехи.

Недостатком устройства являются его ограниченные функциональные возможности, так как он может быть использован только для управления частотно-широтно-импульсными преобразователями.

Известна СИФУ (А.с.873374 СССР, Н 02 З 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. N 38), 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.

При работе в режиме внешней синхронизации ФСУ приобретают свойства апериодического фильтра первого порядка W(p)=1/(1+Тр) с постоянной времени пропорциональной амплитуде и периоду Т_с 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). В результате, повышенная помехоустойчивость СИФУ достигается ценой значительного ухудшения ее динамических показателей.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является интегрирующий аналого-цифровой преобразователь (Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналогово-цифровых электронных устройств. - М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2005. - 459 с.).

В состав аналого-цифрового преобразователя входят последовательно включенные преобразователь напряжения в частоту импульсов (ПНЧ), суммирующий двоичный счетчик и выходной регистр. На вход ПНЧ подается сигнал управления, а его выход соединен со счетным входом суммирующего счетчика. Для переноса двоичного кода с выхода счетчика в выходной регистр и для обнуления счетчика на синхронизирующий вход выходного регистра и на R-вход счетчика подаются отсчетные импульсы малой длительности стабильной частоты с выхода генератора импульсов. Преобразователь напряжения в частоту импульсов преобразует сигнал управления в частоту импульсов. Двоичный суммирующий счетчик подсчитывает число импульсов, поступивших от ПНЧ за фиксированный период, задаваемый отсчетными импульсами, которыми содержимое счетчика заносится в выходной регистр. Вслед за этим происходит обнуление счетчика.

Недостатком устройства-прототипа также является его относительно низкая помехоустойчивость, что объясняется следующим образом. Разрядность счетчика выбирается из условия, диктуемого со стороны цифровой системы, и в дальнейшем является неизменяемой частью аналого-цифрового преобразователя. Для повышения быстродействия устройства-прототипа необходимо увеличить частоту генератора, формирующего отсчетные импульсы, что в свою очередь приведет к уменьшению либо постоянной времени интегрирующего каскада ПНЧ, либо к уменьшению порога переключения релейного элемента, входящего в его состав. В том и в другом случае ухудшается помехоустойчивость аналого-цифрового преобразователя по отношению к сигналам, поступающим на его информационный вход.

В основу изобретения положена техническая задача, заключающаяся в повышении помехоустойчивости фазосдвигающего устройства.

Предлагаемое фазосдвигающее устройство содержит источник сигнала управления, подключенный к входу преобразователя напряжения в частоту импульсов, двоичный суммирующий счетчик, содержащий синхронизирующий С-вход и установочный R-вход, подключенный к источнику импульсов установки нулевых начальных условий, и отличается от известного устройства тем, что в него введены первый и второй логические элементы «2И», вычитающий двоичный счетчик и цифровой компаратор, при этом выход преобразователя напряжения в частоту импульсов подключен к первому входу первого логического элемента «2И», выход которого соединен с С-входами вычитающего и суммирующего счетчиков, установочный S-вход вычитающего счетчика подключен к источнику импульсов установки нулевых начальных условий, выходы суммирующего и вычитающего счетчиков подключены к соответствующим входам цифрового компаратора, прямой выход которого соединен с первым входом второго элемента «2И», а инверсный выход цифрового компаратора подключен ко второму входу первого элемента «2И», второй вход второго элемента «2И» подключен к источнику импульсов управления тиристором, выход второго элемента «2И» является «выходом» фазосдвигающего устройства.

При исследовании предлагаемого устройства по патентной и научно-технической литературе не выявлены технические решения, содержащие признаки, эквивалентные заявляемому объекту, что позволяет считать его соответствующим критерию «изобретательский уровень».

Поставленная техническая задача достигается за счет формирования угла управления силовыми тиристорами в результате сравнения двух цифровых сигналов развертки, получаемых как результат сложения и вычитания импульсов с выхода преобразователя напряжения в частоту импульсов. Формирование импульса управления силовыми тиристорами производится в моменты времени равенства цифровых кодов, поступающих на цифровой компаратор. При этом эквивалентная постоянная времени интегрирования ФСУ увеличивается в два раза по сравнению с устройством-прототипом, что положительно влияет на помехоустойчивость фазосдвигающего устройства.

Таким образом, предлагаемое ФСУ обладает повышенной помехоустойчивостью.

Изобретение поясняется чертежами:

Фиг.1 - функциональная схема предлагаемого устройства;

Фиг.2 - временные диаграммы сигналов предлагаемого устройства;

Фиг.3 - структурная схема и временные диаграммы сигналов преобразователя напряжения в частоту импульсов;

Фиг.4 - пример реализации цифрового компаратора;

Фиг.5 - обобщенная структурная схема и временные диаграммы сигналов предлагаемого устройства.

В состав ФСУ входят (фиг.1) последовательно соединенные источник сигнала управления («вход» фазосдвигающего устройства), преобразователь напряжения в частоту импульсов 1 (ПНЧ) и первый логический элемент 2 «2И», выход которого подключен к С-входу суммирующего 3 и вычитающего 4 счетчиков. Вход источника 5 импульсов установки начальных условий в счетчиках 3, 4 подсоединен к R- и S-входу суммирующего и вычитающего счетчиков соответственно, выходы которых подключены к цифровому компаратору 6. Прямой выход компаратора 6 соединен с первым входом второго элемента 7 «2И», а инверсный выход цифрового компаратора 6 подключен ко второму входу первого элемента 2 «2И». Выход второго логического элемента 7 «2И» является «выходом» фазосдвигающего устройства, а его второй вход подключен к источнику 8 импульсов управления тиристором.

ПНЧ 1 (фиг.3а) состоит из последовательно соединенных элементов - амплитудного модулятора 9, сумматора 10, интегратора 11 и релейного элемента 12, выход которого является входом первого логического элемента 2 «2И» фазосдвигающего устройства (фиг.1), и одновременно соединен с первым входом амплитудного модулятора 9, а также со вторым входом сумматора 10. Второй вход амплитудного модулятора 9 подключен к источнику сигнала управления («вход» фазосдвигающего устройства).

Цифровой компаратор 6 (фиг.4) содержит элементы 13...14 функции «Равнозначность», выходы которых подключены к логическому элементу 15 типа «nИ». Выход элемента 15 является прямым выходом цифрового компаратора 6 и одновременно соединен с входом элемента 16 «НЕ», выход которого формирует инверсный выход компаратора 6 (фиг.1).

На фиг.1-5 введены следующие обозначения:

X_ВХ - сигнал управления ФСУ («вход» устройства);

f_i - частота выходных импульсов ПНЧ 1;

N₁(t), N₂(t) - число на выходе суммирующего 3 и вычитающего 4 счетчиков соответственно;

Q, - прямой и инверсный выходы цифрового компаратора 6;

N_MAX - максимальное число в счетчике 4;

α_i - угол управления силовыми тиристорами;

Y_A(t) - выходной сигнал амплитудного модулятора 9;

Y_И(t) - выходной сигнал интегратора 11;

Y(t) - выходной сигнал релейного элемента 12;

Т_0i - период выходных импульсов ПНЧ 1;

±b, ±A - пороги переключения и амплитуда выходных импульсов релейного элемента 12 соответственно;

A0...Ai, B0...Bi - код числа на выходе счетчика 3 и 4 соответственно.

Блоки фазосдвигающего устройства имеют следующие характеристики.

Частота выходных импульсов ПНЧ 1 возрастает пропорционально амплитуде сигнала управления ("вход" устройства). При нулевом значении Х_ВХ частота выходных импульсов ПНЧ 1 минимальна и определяет максимальный угол управления силовыми тиристорами.

Выходной сигнал элементов 2, 7, 15 соответствует логическому состоянию "1" при условии наличия логического состояния "1" на каждом из их входов одновременно.

Счетчик 3 является суммирующим и при наличии импульса, соответствующего логическому состоянию "1" на R-входе, устанавливается в логическое состояние "0" на всех выходных шинах. Счетчик 4 является вычитающим и при наличии импульса, соответствующего логическому состоянию "1" на S-входе, устанавливается в логическое состояние "1" на всех выходных шинах.

Цифровой компаратор 6 формирует на прямом выходе логическое состояние "1" при условии выполнения равенства N₁(t)=N₂(t), а на инверсном выходе - логическое состояние "1" при условии не выполнения равенства N₁(t)≠N₂(t).

Амплитудный модулятор 9 формирует на выходе прямоугольные импульсы с частотой выходного сигнала релейного элемента 12 и амплитудой, равной величине сигнала управления Х_ВХ.

Сумматор 10 имеет коэффициент передачи, равный 1,0 по каждому входу.

Интегратор 11 реализует передаточную функцию вида W(p)=1/Т_И(р). Его выходной сигнал инвертирован по знаку относительно знака входного воздействия.

Релейный элемент 12 выполнен с неинвертирующей петлей гистерезиса и с симметричными относительно нулевого уровня порогами переключения ±b.

Элементы 13...14 формируют на выходе логическое состояние "1" при условии совпадения уровней их входных сигналов и логическое состояние "0" в случае несовпадения значений этих сигналов.

Элемент 16 производит инвертирование уровня входного логического сигнала.

Устройство работает следующим образом.

ФСУ относится к классу систем с двумя функциональными (зависящими от X_ВХ) развертывающими функциями N₁(t), N₂(t) (фиг.2г). В момент времени формирования импульса с выхода устройства синхронизации (фиг.1, вход 5; фиг.2а) счетчик 3 переходит в нулевое состояние, а счетчик 4 - в состояние максимального числа N_MAX (фиг.2г). Под действием счетных импульсов с выхода ПНЧ 1 (фиг.2в) в счетчике 3 накапливается число N₁(t), а в вычитающем счетчике 4 происходит уменьшение числа N_MAX пропорционально величине сигнала управления Х_ВХ (фиг.2б-г). При выполнении равенства N₁(t)=N₂(t) (фиг.2г) на инверсном выходе "" цифрового компаратора 6 (фиг.2а) формируется сигнал, соответствующий логическому состоянию "0", элемент 2 закрывается и счет в счетчиках 3, 4 прекращается. Сигналом, соответствующим логическому состоянию "1", с прямого выхода "Q" цифрового компаратора 6 открывается элемент 7 и на силовой тиристор подается управляющий импульс. По мере роста амплитуды входного сигнала (фиг.2б) увеличивается частота выходных импульсов ПНЧ (фиг.2в), что приводит к соответствующему изменению угла управления α_i тиристорами (фиг.2г).

ПНЧ 1 (фиг.3а) относится к классу интегрирующих развертывающих преобразователей с синфазной амплитудной модуляцией. При отсутствии входного сигнала (фиг.3б) частота автоколебаний ПНЧ 1 определяется постоянной времени Т_И интегратора 11 и величиной порогов переключения ±b релейного элемента 12 (фиг.3г). Под действием Х_ВХ (фиг.3б) на выходе амплитудного модулятора 9 появляются импульсы (фиг.3в), которые находятся в фазе с выходным сигналом ПНЧ 1 (фиг.3г). Вследствие этого, скорость нарастания выходного напряжения интегратора 11 возрастает, т.к. на сумматор 10 поступает сумма сигналов с выхода амплитудного модулятора 9 и релейного элемента 12. После переключения релейного элемента 12 процесс повторяется, и на выходе ПНЧ 1 формируются импульсы с периодом Т₀₁<Т₀ (фиг.3г). При этом частота выходного сигнала ПНЧ 1 изменяется по закону

где - нормированная величина порогов переключения ±b релейного элемента 12; ±А - амплитуда выходных импульсов релейного элемента 12.

Цифровой компаратор 6 (фиг.1) производит сравнение многоразрядных чисел на основе функции "Равнозначность" (фиг.4, элементы 13...14), используя при этом метод поразрядного сравнения чисел A0...Ai, B0...Bi с последующим логическим умножением промежуточных результатов на основе функции "nИ" (фиг.4, элемент 15), где n - число разрядов на выходе суммирующего 3 и вычитающего 4 счетчиков.

Рассмотрим обощенную структурную схему предлагаемого устройства (фиг.5а), полученную при условии пренебрежения ошибкой дискретности формирования чисел в счетчиках 3, 4. Сумматор 17 с "входом" устройства и входом 18 для подключения опорного сигнала "А" эквивалентны ПНЧ 1. Интегратор 19 отображает работу суммирующего счетчика 3. Сумматор 20 с входом 21 для подключения опорного сигнала "А", из которого вычитается выходной сигнал интегратора 19, отображает работу вычитающего счетчика 4. Фиксируюущий элемент 22 эквивалентен цифровому компаратору 6. Вход 23 выполняет функции входа 5 на фиг.1. Связь блока 22 с установочным входом интегратора 19 отображает блокировочную связь с инверсного выхода цифрового компаратора 6 на вход логического элемента 2. Для приведенной схемы (фиг.5а) при прочих равных условиях постоянная времени Т_И интегратора 19 (фиг.5а) в два раза больше и составляет 2Т_И, чем для устройства-прототипа, что очевидно, так как пороговый уровень N (фиг.5б) в предлагаемом устройстве в два раза ниже, чем в известном, для которого N=N_MAX (N_MAX=А) (фиг.5б).

Таким образом, отличительной особенностью предлагаемого ФСУ (фиг.1, фиг.5а) является наличие двух функциональных разверток и При этом фиксирующие точки под действием входного сигнала перемещаются по прямой "а-с", соответствующей уровню N=0,5·N_MAX (фиг.5б), а процесс развертывающего преобразования является результатом сравнения двух идентичных разверток N₁(t), N₂(t), но с различными знаками производных. Наличие двух разверток N₁(t), N₂(t)) при прочих равных условиях позволяет в два раза повысить постоянную времени канала интегрирования и тем самым снизить влияние помех на работу ФСУ.

Если сравнить известное и предлагаемое устройство, то для получения идентичных регулировочных характеристик устройство на фиг.1 позволяет увеличить разрядность счетчиков 3, 4 по сравнению с разрядностью счетчика в устройстве-прототипе. Это приводит к повышению точности и помехоустойчивости ФСУ. Если погрешность дискретности не является существенной, то в предлагаемом устройстве, по сравнению с известным, возможно снижение частоты автоколебаний ПНЧ 1 (фиг.1), например, за счет увеличения постоянной времени интегратора 11 (фиг.3а), что также положительно сказывается на помехоустойчивости ФСУ.

Таким образом, предлагаемое ФСУ характеризуется повышенной помехоустойчивостью и точностью в работе.

Промышленная применимость.

Рассмотренное устройство предполагается использовать при реконструкции электроприводов рольгангов цеха №6 ОАО ЧТПЗ с применением тиристорных станций управления для плавного пуска асинхронных электродвигателей.

За счет внедрения подобной системы, обладающей повышенной помехоустойчивостью и точностью в работе, основными статьями экономической эффективности являются:

- Экономия затрат на электроэнергию в результате перевода электродвигателей из непрерывного в отключенное состояние;

- Эффективность от снижения потока отказов электро- и технологического оборудования и снижения затрат на ремонт и обслуживание.

Таким образом, предполагаемый экономический эффект от внедрения тиристорных регуляторов напряжения для плавного пуска асинхронных электродвигателей составляет 2750000 руб. в год. Срок окупаемости затрат - 2,7 года.

Фазосдвигающее устройство, содержащее источник сигнала управления, подключенный к входу преобразователя напряжения в частоту импульсов, двоичный суммирующий счетчик, содержащий синхронизирующий С-вход и установочный R-вход, подключенный к источнику импульсов установки нулевых начальных условий, отличающееся тем, что в него введены первый и второй логический элементы «2И», вычитающий двоичный счетчик и цифровой компаратор, при этом выход преобразователя напряжения в частоту импульсов подключен к первому входу первого логического элемента «2И», выход которого соединен с С-входами вычитающего и суммирующего счетчиков, установочный S-вход вычитающего счетчика подключен к источнику импульсов установки нулевых начальных условий, выходы суммирующего и вычитающего счетчиков подключены к соответствующим входам цифрового компаратора, прямой выход которого соединен с первым входом второго элемента «2И», а инверсный выход цифрового компаратора подключен к второму входу первого элемента «2И», второй вход второго элемента «2И» подключен к источнику импульсов управления тиристором, выход второго элемента «2И» является «выходом» фазосдвигающего устройства.