Интегрирующее устройство синхронизации
Владельцы патента RU 2422974:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Уральский государственный университет" (RU)
Изобретение относится к области силовой преобразовательной техники и может использоваться в системах импульсно-фазового управления тиристорными преобразователями. Техничский результат - повышение точности синхронизации. Интегрирующее устройство синхронизации представляет собой два последовательно включенных автоколебательных каскада с частотно-широтно-импульсной модуляцией, работающих в режиме внешней синхронизации с частотой напряжения сети. Синхронизация первого автоколебательного каскада осуществляется непосредственно от напряжения сети, а второго - пилообразным напряжением, синхронизированным сигналом с выхода первого автоколебательного каскада. Устройство содержит шину напряжения сети 1, сумматор 2, второй интегратор 3, второй релейный элемент 4, одновибратор 5, генератор пилообразного напряжения 6, первый интегратор 7, первый релейный элемент 8 и блок логической функции «Равнозначность» 9. 3 ил.
Устройство относится к области силовой преобразовательной техники и может использоваться в системах импульсно-фазового управления тиристорными преобразователями.
Известно устройство синхронизации (УС), содержащее компаратор, блок установки нулевых начальных условий в генераторе пилообразного напряжения, включающий первый и второй одновибраторы, блок функции «2ИЛИ» (Чернов Е.А., Кузьмин В.П. Комплектные электроприводы станков с ЧПУ. Справочное пособие. - Горький: Волго-Вятское книжное издательство, 1989. - 320 с.).
Известное техническое решение характеризуется низкой помехоустойчивостью из-за высокой чувствительности к коммутационным помехам со стороны сети.
Известно устройство синхронизации, содержащее усилитель с резисторами положительной обратной связи, синхронизирующий трансформатор с выпрямительными диодами и согласующий транзистор (SU 1798869, Н02М 1/08. Система импульсно-фазового управления трехфазным тиристорным преобразователем / Маурер В.Г., Рахматулин P.M., Цытович Л.И. и др. (СССР). №4778744/07; заявл. 05.01.90; опубл. 28.02.93, Бюл. №8).
Отличие УС состоит в том, что питание компаратора осуществляется от двух трехфазных нулевых схем диодных выпрямителей, формирующих нестабилизированное напряжение для усилителя компаратора. При этом пороги переключения компаратора изменяются по закону выпрямленного напряжения сети. Переключение УС производится напряжением соответствующей фазы на вторичной стороне разделительного 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.
Известно устройство (RU 2320071. Фазосдвигающее устройство / Цытович Л.И., Дудкин М.М., заявл. 09.10.2006; опубл. 20.03.2008, Бюл. №8), содержащее сумматор, амплитудный модулятор, интегратор, первый и второй релейный элементы, блок логической функции «Исключающее ИЛИ», а также генератор пилообразного напряжения с двумя развертывающими функциями на основе суммирующего и вычитающего счетчиков.
Достоинством данного устройства является повышенная помехоустойчивость при преобразовании аналоговых сигналов, поступающих на вход устройства за счет применения интегрирующего развертывающего преобразования информации. Недостатком устройства является низкая помехоустойчивость со стороны логического входа «Сброс», на который поступает сигнал, синхронизированный с сетью.
Известно устройство, которое по составу функциональных блоков и принципу их взаимодействия является наиболее близким к предлагаемому устройству (Цытович Л.И., Дудкин М.М. Анализ динамических характеристик интегрирующих фазосдвигающих устройств // Труды международной тринадцатой научно-технической конференции «Электроприводы переменного тока» // Екатеринбург: УПИ, 2005. С.95-98).
В состав устройства-прототипа входят последовательно соединенные источник сигнала управления - «вход» устройства, сумматор, интегратор, релейный элемент, выход которого соединен со вторым входом сумматора и одновременно является «выходом» устройства, а также генератор пилообразного напряжения, синхронизированного с напряжением сети, выход которого подключен ко второму входу релейного элемента. Устройство-прототип имеет следующие основные недостатки:
- низкую точность и помехоустойчивость со стороны генератора пилообразного напряжения, которая объясняется тем, что возмущение, проникающее через ГПН на вход релейного элемента, вводится во внутренний контур устройства, когда интегратор оказывается в цепи обратной связи. В результате устройство приобретает свойства дифференцирующего звена, чувствительного к внешним помехам. Поэтому здесь синхронизация ГПН не может осуществляться с помощью традиционных компараторных устройств синхронизации;
- ограниченную область применения при выполнении функций УС вентильными преобразователями, так как его выходной сигнал оказывается сдвинутым относительно сигнала синхронизации на -90 эл. град. В результате оно не может использоваться, например, для синхронизации однофазными преобразователями, где начальный угол синхронизации составляет 0 эл. град.
В основу изобретения положена техническая задача, заключающаяся в повышении точности УС и расширении его функциональных возможностей.
Указанная техническая задача решается тем, что в интегрирующее устройство синхронизации, содержащее последовательно включенные первый интегратор и первый релейный элемент, выход которого подключен к входу первого интегратора, генератор пилообразного напряжения, выход которого соединен со вторым входом первого релейного элемента, а также содержащее шину напряжения сети, согласно изобретению, введены блок логической функции «Равнозначность», а также последовательно соединенные сумматор, второй интегратор, второй релейный элемент и одновибратор, выход которого подключен к входу генератора пилообразного напряжения, при этом выход второго релейного элемента подключен ко второму входу сумматора, первый вход которого соединен с шиной напряжения сети, первый и второй входы блока «Равнозначность» подключены к выходу первого и второго релейного элемента соответственно, выход блока «Равнозначность» является «выходом» устройства синхронизации.
Особенность заявленного интегрирующего устройства синхронизации заключается в том, что в него введены блок логической функции «Равнозначность», а также последовательно соединенные сумматор, второй интегратор и второй релейный элемент, в совокупности образующие интегрирующий автоколебательный каскад, работающий в режиме внешней синхронизации с напряжением сети.
Практика эксплуатации силовых тиристорных преобразователей показала, что системы импульсно-фазового управления с компараторными устройствами синхронизации обладают низкой точностью и помехоустойчивостью из-за высокой чувствительности к коммутационным помехам со стороны сети. В результате наблюдаются сбои в работе промышленных установок, что является следствием снижения качества выпускаемой продукции. Одним из возможных вариантов решения указанной проблемы является применение в системах импульсно-фазового управления тиристорными преобразователями интегрирующих устройств синхронизации.
Для перевода интегрирующего автоколебательного каскада в режим внешней синхронизации необходимо, чтобы амплитуда синхронизирующего воздействия (напряжения сети) превышала бы амплитуду выходных импульсов релейного элемента не менее, чем в 2,0 раза. В этом случае автоколебательный каскад синхронизируется 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.
В режиме внешней синхронизации интегрирующий автоколебательный каскад обладает свойствами апериодического фильтра первого порядка W(p)=1/(1+Тэр) с постоянной времени , что свидетельствует о его высокой помехоустойчивости со стороны сети. Здесь ТС - период синхронизирующего воздействия (напряжения сети);
- нормированное значение амплитуды АС сигнала синхронизации; ±А - амплитуда выходных импульсов релейного элемента. В результате этого синхронизация генератора пилообразного напряжения с сетью осуществляется через интегрирующий автоколебательный каскад, что повышает помехоустойчивость интегрирующего устройства синхронизации в целом, а значит и его точность.
Введения блока логической функции «Равнозначность» обеспечивает получение длительности сигнала синхронизации на уровне 0-180 эл. град., что недостижимо в устройстве-прототипе, в котором выходной сигнал оказывается сдвинутым относительно сигнала синхронизации на - 90 эл.град. В результате интегрирующее устройство синхронизации можно использовать в системах управления однофазными вентильными преобразователями, что расширяет его функциональные возможности.
Таким образом, предлагаемое устройство обладает повышенной точностью и расширенными функциональными возможностями.
Изобретение поясняется следующими чертежами:
фиг.1 - структурная схема предлагаемого УС;
фиг.2 - характеристики элементов УС;
фиг.3 - временные диаграммы сигналов УС.
В состав интегрирующего устройства синхронизации (фиг.1) входят последовательно соединенные шина напряжения сети 1, сумматор 2, второй интегратор 3, второй релейный элемент 4, одновибратор 5 и генератор пилообразного напряжения 6, причем выход второго релейного элемента 4 подключен ко второму входу сумматора 2. Последовательно включенные первый интегратор 7 и первый релейный элемент 8, выход которого подключен к входу первого интегратора 7, а второй вход первого релейного элемента 8 соединен с выходом генератора пилообразного напряжения 6.
Входы блока логической функции «Равнозначность» 9 соединены с выходами первого 8 и второго 4 релейных элементов соответственно, а выход - является «выходом» устройства синхронизации.
Звенья УС имеют следующие характеристики.
Сумматор 2 имеет единичный коэффициент передачи по каждому из входов.
Интеграторы 3, 7 выполнены с передаточной функцией вида W(p)=1/TИp, где ТИ - постоянная времени интегрирования. Знак выходного сигнала интегратора 3, 7 инвертирован по отношению к знаку входного воздействия.
Второй релейный элемент (РЭ) 4 имеет неинвертирующую петлю гистерезиса, которая симметрична относительно «нуля». Первый РЭ 8 выполнен с неинвертирующей характеристикой «вход - выход» и имеет нулевое значение порогов переключения. Выходные сигналы релейных элементов 4, 8 меняются дискретно в пределах ±А.
Одновибратор 5 запускается по переднему и заднему фронту выходных импульсов второго РЭ 4 и формирует на выходе импульсы с «малой» длительностью.
Выходной сигнал генератора пилообразного напряжения (ГПН) 6 представляет собой пилообразное напряжение с линейно нарастающим и дискретным фронтами. Дискретный фронт «пилы» формируется синхронно с выходным сигналом одновибратора 5.
Блок логической функции «Равнозначность» 9 имеет характеристику вида:
| Вход 1 | Вход 2 | Выход |
| А | А | 1 |
| -А | -А | 1 |
| А | -А | 0 |
| -А | А | 0 |
Принцип работы устройства следующий.
Сумматор 2, второй интегратор 3 и второй РЭ 4 в совокупности образуют автоколебательный каскад с частотно-широтно-импульсной модуляцией. При воздействии на первый вход сумматора 2 напряжения сети (фиг.3а) с кратностью 
происходит срыв режима автоколебаний, и автоколебательный каскад, состоящий из сумматора 2, второго интегратора 3 и второго РЭ 4, переходит в режим внешней синхронизации с частотой напряжения сети (фиг.3б). Здесь: ±АС - амплитуда напряжения сети (фиг.2а, 3а); ±А - амплитуда выходных импульсов второго РЭ 4 (фиг.2а, фиг.3б). В случае 
между напряжением сети и выходным сигналом второго РЭ 4 устанавливается начальный угол синхронизации αС=-90 эл.град. (фиг.2б, 3б). Здесь fС - частота напряжения сети; f0 - частота выходных импульсов второго
релейного элемента 4 при работе автоколебательного каскада в режиме собственных автоколебаний.
Одновибратор 5 запускается по переднему и заднему фронту выходных импульсов второго РЭ 4 и формирует на выходе импульс «малой» длительности (фиг.3б, в). При этом на выходе ГПН 6 появляется дискретный фронт пилообразного напряжения (фиг.3г).
Период выходного сигнала первого РЭ 8 (фиг.3д) соответствует полупериоду напряжения сети (фиг.3а). Сигнал на выходе первого интегратора 7 имеет форму симметричной «пилы» (фиг.3г), а скважность выходных импульсов первого РЭ 8 равна 0,5 (нулевое среднее значение импульсов). Это является следствием наличия в прямом канале регулирования первого интегратора 7, а также обратной связи между первым интеграторов 7 и первым РЭ 8.
После сравнения с помощью блока 9 логической функции «Равнозначность» выходных импульсов РЭ 4 и 8 (фиг.3б, д) на «выходе» УС формируется сигнал (фиг.3е), длительность которого соответствует полупериоду напряжения сети (фиг.3а).
Таким образом, введение сумматора 2, второго интегратора 3, одновибратора 5 и блока логической функции «Равнозначность» 9 позволяет:
- повысить помехоустойчивость канала формирования пилообразного напряжения за счет второго интегратора 3 и наличия обратной связи между вторым РЭ 4 и сумматором 2, а значит, и точность интегрирующего УС;
- обеспечить в совокупности с помощью сумматора 2, второго интегратора 3, второго РЭ 4, одновибратора 5 и блока логической функции «Равнозначность» 9 длительность синхронизирующего импульса от 0 до 180 эл. град., что нереализуемо в устройстве-прототипе. Это позволяет использовать данное УС в системах управления однофазными вентильными преобразователями, что свидетельствует о расширении функциональных возможностей интегрирующего УС.
Следовательно, предложенное устройство обладает более высокой точностью работы и расширенными функциональными возможностями.
Промышленная применимость.
Рассмотренное техническое решение предполагается использовать в тиристорном возбудителе электропривода постоянного тока системы подачи стола шлифовального станка.
Интегрирующее устройство синхронизации, содержащее последовательно включенные первый интегратор и первый релейный элемент, выход которого подключен к входу первого интегратора, генератор пилообразного напряжения, выход которого соединен со вторым входом первого релейного элемента, шину напряжения сети, отличающееся тем, что в него введены блок логической функции «Равнозначность», а также последовательно соединенные сумматор, второй интегратор, второй релейный элемент и одновибратор, выход которого подключен к входу генератора пилообразного напряжения, при этом выход второго релейного элемента подключен ко второму входу сумматора, первый вход которого соединен с шиной напряжения сети, первый и второй входы блока «Равнозначность» подключены к выходу первого и второго релейных элементов соответственно, выход блока «Равнозначность» является выходом устройства синхронизации.
