Устройство синхронизации
Владельцы патента RU 2461948:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Уральский государственный университет" (RU)
Изобретение относится к области преобразовательной техники и может использоваться в системах управления тиристорными преобразователями постоянного и переменного напряжения. Технический результат заключается в повышении точности устройства сихронизации. Устройство синхронизации представляет собой интегрирующую развертывающую систему, где выделение требуемой длительности импульса синхронизации для силового вентильного преобразователя осуществляется на основе интервало-кодового алгоритма обработки данных. Устройство синхронизации содержит первый, второй и третий развертывающие преобразователи, трехразрядный двоичный дешифратор, первый, второй и третий логические элементы функции «3ИЛИ». Развертывающие преобразователи состоят из сумматора, интегратора, релейного элемента и инвертора. Введение в устройство синхронизации трехразрядного двоичного дешифратора, первого, второго и третьего логических элементов «3ИЛИ» позволяет выделить требуемую длительность импульса синхронизации на основе интервало-кодового алгоритма обработки данных с выхода развертывающих преобразователей, что повышает точность работы устройства синхронизации и не требует введения в его схему дополнительных источников сигнала смещения. 3 ил.
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 сигнала синхронизации.
Известно устройство синхронизации, содержащее усилитель с резисторами положительной обратной связи (регенеративный компаратор), синхронизирующий трансформатор с выпрямительными диодами и согласующий выходной транзистор (SU 1798869, H02M 1/08. Система импульсно-фазового управления трехфазным тиристорным преобразователем / Маурер В.Г., Рахматулин P.M., Цытович Л.И. и др. - №4778744/07, заявлено 05.01.90; опубл. 28.02.93, Бюл. №8).
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 трехфазная система импульсно-фазового управления интегрирующего типа (SU 873374, H02P 13/16. Устройство для импульсно-фазового управления вентильным преобразователем / Гафиятуллин Р.Х., Суворов Г.В., Цытович Л.И и др. - №2680999/07; заявлено 02.11.78; опубл. 15.10.81, Бюл. №38), состоящая из трех идентичных каналов управления. Каждый канал управления содержит последовательно соединенные сумматор, интегратор, неинвертирующий усилитель постоянного тока (релейный элемент) и формирователь импульсов управления, подключенный к силовому вентильному блоку. Причем выход релейного элемента соединен с первым входом сумматора. Сигнал задания для регулирования угла управления тиристорами подается на второй вход сумматора. Сигнал синхронизации (напряжение одной из фаз сети А, В, С) подключается к третьему входу сумматора.
Устройство, составленное из сумматора, интегратора и релейного элемента, выполняет функции устройства синхронизации и фазосдвигающего устройства одновременно и представляет собой автоколебательный развертывающий преобразователь (РП), работающий в режиме внешней синхронизации с напряжением сети соответствующей фазы А, В, С.
Для перевода РП в режим внешней синхронизации необходимо, чтобы амплитуда синхронизирующего воздействия превышала бы амплитуду выходных импульсов релейного элемента не менее чем в 2,0 раза. В этом случае РП синхронизируется с напряжением сети, когда на выходе интегратора формируется напряжение, сдвинутое относительно сигнала синхронизации на угол -90 эл.град, а выходные импульсы релейного элемента имеют форму «меандра» с частотой напряжения сети.
В режиме внешней синхронизации РП обладает свойствами апериодического фильтра первого порядка W(p)=1/(1+Тр) с постоянной времени , где ТС - период синхронизирующего воздействия (напряжение одной из фаз сети А, В, С); 
- нормированное значение амплитуды AC сигнала синхронизации; ±А - амплитуда выходных импульсов релейного элемента.
Для создания режима надежной синхронизации при колебаниях амплитуды напряжения сети необходимо выполнение условия 
.
Недостатком прототипа является то, что между сигналом синхронизации и выходом релейного элемента присутствует фазовый сдвиг -90 эл.град, что ограничивает область применения подобных каналов синхронизации в целом ряде вентильных преобразователей, например в реверсивных тиристорных преобразователях с раздельным управлением. Причина заключается в том, что при сдвиге сигнала синхронизации на -90 эл.град. относительно соответствующей фазы напряжения сети ограничивается диапазон регулирования угла силовыми вентилями. В результате на вход РП необходимо подавать сигнал смещения для установки фронтов его выходных импульсов в требуемое положение. Учитывая, что под действием входного сигнала смещения изменяется положение во времени как переднего, так и заднего фронта выходного импульса РП, практически не удается при таком методе синхронизации обеспечить полный диапазон регулирования угла управления тиристорами в реверсивных преобразователях.
Таким образом, устройство-прототип имеет низкую точность работы, в результате чего ограничивается диапазон регулирования угла управления в реверсивных тиристорных преобразователях.
В основу изобретения положена техническая задача, заключающаяся в повышении точности работы устройства синхронизации.
Указанная техническая задача решается тем, что в устройство синхронизации, содержащее три развертывающих преобразователя, каждый из которых выполнен на основе последовательно включенных сумматора, интегратора, релейного элемента и инвертора, причем выход релейного элемента подключен к первому входу сумматора, выход инвертора является «выходом» развертывающего преобразователя, а вторые входы сумматоров, являющиеся «входами» первого, второго и третьего развертывающих преобразователей, подключены к шинам фаз А, В, С соответственно, согласно изобретению, введены трехразрядный двоичный дешифратор и три логических элемента функции «3ИЛИ», причем первый вход дешифратора, соответствующий весу младшего разряда преобразуемого кода, подключен к выходу первого развертывающего преобразователя, второй вход дешифратора, соответствующий весу среднего разряда преобразуемого кода, подключен к выходу второго развертывающего преобразователя, а третий вход дешифратора, соответствующий весу старшего разряда преобразуемого кода, подключен к выходу третьего развертывающего преобразователя, выходная шина десятичного числа «1» дешифратора подключена к соответствующему входу первого и второго элементов «3ИЛИ», выходная шина десятичного числа «2» дешифратора соединена с соответствующим входом второго и третьего элемента «3ИЛИ», выходная шина десятичного числа «3» дешифратора подключена к соответствующему входу второго элемента «3ИЛИ», выходная шина десятичного числа «4» дешифратора соединена с соответствующими входами первого и третьего элементов «3ИЛИ», выходная шина десятичного числа «5» дешифратора подключена к соответствующему входу первого элемента «3ИЛИ», а выходная шина десятичного числа «6» дешифратора подключена к соответствующему входу третьего элемента «3ИЛИ», выходы первого, второго и третьего элементов «3ИЛИ» являются выходами устройства синхронизации фаз А, В, С соответственно.
В результате поставленная техническая задача достигается за счет введения трехразрядного двоичного дешифратора и трех логических элементов «3ИЛИ». При этом выходные сигналы развертывающих преобразователей рассматриваются в качестве двоичного кода, когда требуемому интервалу коммутации соответствует вполне определенное сочетание десятичных чисел. Затем эти числа объединяются по функции «ИЛИ», в результате чего формируется сигнал логической «1», длительность которого соответствует заданному интервалу коммутации, что однозначно свидетельствует о расширении диапазона регулирования угла силовыми вентилями, а значит, и о повышении точности работы устройства.
Таким образом, предлагаемое устройство обладает повышенной точностью в работе при построении систем импульсно-фазового управления трехфазными реверсивными мостовыми тиристорными преобразователями.
Изобретение поясняется чертежами:
фиг.1 (а, б) - функциональная схема устройства синхронизации и развертывающего преобразователя;
фиг.2 - временные диаграммы сигналов устройства синхронизации.
В состав устройства синхронизации (фиг.1(а)) входят первый 1, второй 2 и третий 3 развертывающие преобразователи, трехразрядный двоичный дешифратор 4, первый 5, второй 6 и третий 7 логические элементы «3ИЛИ», являющиеся выходами устройства синхронизации фаз А, В, С соответственно. Причем входы развертывающих преобразователей 1, 2, 3 подключены к шинам фаз А, В, С соответственно. Выходы развертывающих преобразователей 1, 2, 3 соединены с адресными входами дешифратора 4, при этом выход первого развертывающего преобразователя 1 задает вес младшего разряда преобразуемого кода дешифратора 4, а выход третьего развертывающего преобразователя 3 - вес старшего разряда преобразуемого кода дешифратора 4. Выходная шина десятичного числа «1» дешифратора 4 подключена к соответствующему входу первого 5 и второго 6 элементов «3ИЛИ», выходная шина десятичного числа «2» дешифратора 4 соединена с соответствующим входом второго 6 и третьего 7 элемента «3ИЛИ», выходная шина десятичного числа «3» дешифратора 4 подключена к соответствующему входу второго 6 элемента «3ИЛИ», выходная шина десятичного числа «4» дешифратора 4 соединена с соответствующими входами первого 5 и третьего 7 элементов «3ИЛИ», выходная шина десятичного числа «5» дешифратора 4 подключена к соответствующему входу первого 5 элемента «3ИЛИ», а выходная шина десятичного числа «6» дешифратора 4 подключена к соответствующему входу третьего 7 элемента «3ИЛИ».
Каждый из развертывающих преобразователей 1, 2, 3 (фиг.1(б)) состоит из последовательно включенных сумматора 8, интегратора 9, релейного элемента 10 и инвертора 11, причем выход релейного элемента 10 подключен к первому входу сумматора 8. Второй вход сумматора 8 является «входом» каждого из развертывающих преобразователей 1, 2, 3, а выход инвертора 11 является «выходом» каждого из развертывающих преобразователей 1, 2, 3.
Звенья устройства синхронизации имеют следующие характеристики.
Дешифратор 4 преобразует входной двоичный код в десятичное число. Вес входных разрядов и вес выходных разрядов обозначены десятичными числами «внутри» условно-графического изображения дешифратора.
Элементы 5, 6, 7 функции «3ИЛИ» переключаются в состояние логической «1», если хотя бы одна из входных переменных равна логической «1».
В каждом из РП (фиг.1(б)) сумматор 8 имеет единичный коэффициент передачи по каждому из входов. Интегратор 9 имеет передаточную функцию W(p)=1/Tp, где Т - постоянная времени интегрирования. При дискретном изменении входного воздействия выходной сигнал интегратора 9 изменяется по линейному закону со знаком, обратным по отношению к знаку сигнала на его входе. Релейный элемент 10 имеет симметричную относительно «нуля» петлю гистерезиса. Его выходной сигнал меняется дискретно в пределах ±А. Инвертор 11 преобразует биполярные выходные импульсы релейного элемента 10 в однополярные для последующего согласования РП с цифровыми элементами. Инвертор 11 имеет нулевое значение порогов включения/выключения и инвертирующую характеристику «вход-выход».
На фиг.1-2 приняты следующие обозначения:
Q0, Q1, Q2 - выходные сигналы развертывающих преобразователей 1, 2, 3 соответственно. Принимается, что РП 1 формирует сигнал Q0 младшего разряда, а РП 3 - сигнал Q2 старшего разряда двоичного кода;
«1»-«6» - точки естественной коммутации трехфазной системы напряжений А, В, С (фиг.2).
Принцип работы устройства следующий.
Развертывающие преобразователи 1, 2, 3 представляют собой автоколебательную систему с частотно-широтно-импульсной модуляцией (ЧШИМ). При подаче на вход РП переменного напряжения сети с амплитудой, превышающей амплитуду выходных импульсов релейного элемента 10 в 2,0-4,0 раза, развертывающий преобразователь переходит в режим внешней синхронизации, когда частота его выходных импульсов оказывается равной частоте напряжения сети. При этом фазовый сдвиг между сигналом синхронизации (напряжением сети) и выходными импульсами релейного элемента 10 (инвертора 11) становится равным -90 эл.град (фиг.2 (а-г)).
В дальнейшем считаем, что РП 1 формирует сигнал Q0 младшего разряда, а РП 3 - сигнал Q2 старшего разряда двоичного кода.
Тогда каждому из участков 1-2; 2-3; 3-4; 4-5; 5-6 трехфазной системы напряжений (фиг.2(а)) будет соответствовать свое десятичное число из ряда «4-5-1-3-2-6» (фиг.2(д)).
Объединяя соответствующие числа по функции «3ИЛИ» на выходе УС формируются импульсы логической «1» (фиг.2 (е-з)), длительность которых соответствует интервалам 1-4; 3-6; 5-2 точек естественной коммутации фаз А, В, С, в пределах которых осуществляется регулирование угла управления тиристорами в мостовом реверсивном преобразователе.
Таким образом, введение в устройство синхронизации трехразрядного двоичного дешифратора 4, первого 5, второго 6 и третьего 7 логических элементов функции «3ИЛИ» позволяет выделить требуемую длительность импульса синхронизации на основе интервало-кодового алгоритма обработки данных с выхода развертывающих преобразователей 1, 2, 3, что повышает точность работы устройств синхронизации и не требует введения в его схему дополнительных источников сигнала смещения.
Промышленная применимость
Предлагаемое устройство предполагается использовать в реверсивном тиристорном преобразователе электропривода подачи системы плазменной сварки труб большого диаметра в цехе №6 на ОАО «Челябинский трубопрокатный завод».
Устройство синхронизации, содержащее три развертывающих преобразователя, каждый из которых выполнен на основе последовательно включенных сумматора, интегратора, релейного элемента и инвертора, причем выход релейного элемента подключен к первому входу сумматора, а выход инвертора является «выходом» развертывающего преобразователя, а вторые входы сумматоров, являющиеся «входами» первого, второго и третьего развертывающих преобразователей, подключены к шинам фаз А, В, С соответственно, отличающееся тем, что в него введены трехразрядный двоичный дешифратор и три логических элемента функции «3ИЛИ», причем первый вход дешифратора, соответствующий весу младшего разряда преобразуемого кода, подключен к выходу первого развертывающего преобразователя, второй вход дешифратора, соответствующий весу среднего разряда преобразуемого кода, подключен к выходу второго развертывающего преобразователя, а третий вход дешифратора, соответствующий весу старшего разряда преобразуемого кода, подключен к выходу третьего развертывающего преобразователя, выходная шина десятичного числа «1» дешифратора подключена к соответствующему входу первого и второго элементов «3ИЛИ», выходная шина десятичного числа «2» дешифратора соединена с соответствующим входом второго и третьего элемента «3ИЛИ», выходная шина десятичного числа «3» дешифратора подключена к соответствующему входу второго элемента «3ИЛИ», выходная шина десятичного числа «4» дешифратора соединена с соответствующими входами первого и третьего элементов «3ИЛИ», выходная шина десятичного числа «5» дешифратора подключена к соответствующему входу первого элемента «3ИЛИ», а выходная шина десятичного числа «6» дешифратора подключена к соответствующему входу третьего элемента «3ИЛИ», выходы первого, второго и третьего элементов «3ИЛИ» являются выходами устройства синхронизации фаз А, В, С соответственно.
