Цытович Л.И., Дудкин М.М., Брылина О.Г., Тюгаев А.В.

Южно-Уральский государственный университет, Россия

Каскадное интегрирующее устройство синхронизации с комбинированной синхронизацией развертывающих преобразователей

Современные энергосистемы как стационарного, так и автономного базирования характеризуются высоким уровнем искажений с трудно предсказуемыми параметрами, зачастую выходящими за допустимые нормы искажений и играющими роль дестабилизирующих факторов в работе не только вентильных преобразователей (ВП), но и технологических установок в целом [1 – 3]. Поэтому создание систем управления ВП с высокой помехоустойчивостью канала синхронизации с сетью является актуальной задачей.

Как показывает практика, применение методов интегрирующего развертывающего преобразования для синхронизации систем импульсно-фазового управления ВП является одним из наиболее эффективных способов повышения их помехоустойчивости, статической и динамической точности [4 –6].

Ниже рассматривается каскадное устройство синхронизации (УС) для ведомых сетью ВП, выполненное на базе интегрирующих развертывающих преобразователей (РП) и имеющее повышенную помехоустойчивость и полосу пропускания по сравнению с известными техническими решениями [6, 7].

Структурная схема УС (рис. 1) содержит два интегрирующих РП1, РП2, генератор пилообразного напряжения ГПН, генератор одиночного импульса (одновибратор) G и логический элемент Л1 функции «Равнозначность».

РП1 реализован на сумматоре S1, интеграторе И1 и релейном элементе РЭ1 с симметричной относительно нуля петлей гистерезиса. В исходном состоянии РП1 представляет собой автоколебательную систему с частотно-широтно-импульсной модуляцией и знакопеременной обратной связью.

Рис. 1. Структурная схема каскадного интегрирующего УС с комбинированной синхронизацией развертывающих преобразователей

Ее особенность заключается в том, что при соблюдении определенных условий эта система может переходить в режим вынужденных переключений (синхронизации) с внешним периодическим сигналом и преобразовываться из частотно-широтной-импульсной в широтно-импульсную. При этом наиболее часто для внешней синхронизации РП используется непосредственно напряжение сети, либо прямоугольные биполярные импульсы со средним нулевым значением, получаемые путем преобразования синусоидального сигнала с помощью компаратора.

Условием синхронизации РП1 прямоугольными биполярными импульсами является

, (1)

где – нормированное значение периода прямоугольных импульсов синхронизации; – период выходных импульсов РЭ1 при его работе в режиме собственных автоколебаний; – нормированное значение порогов переключения РЭ1; – амплитуда выходных импульсов РЭ1; – нормированное значение амплитуды импульсов синхронизации (кратность синхронизации); – постоянная времени интегратора И1.

Аналогично для сигнала вида условиями внешней синхронизации РП1 являются

, (2)

где , – нормированное значение периода и амплитуды сигнала соответственно; – выходной сигнал развертки на выходе интегратора И1 при работе РП1 в режиме собственных автоколебаний, ограниченный по амплитуде порогами переключения РЭ1. Здесь, по сравнению с (1), появляется дополнительное условие, которое говорит о том, что производная синхронизирующего воздействия при его переходе через нулевой уровень должна превышать производную сигнала развертки , которую она имеет при работе РП1 в режиме собственных автоколебаний с нулевым значением постоянной составляющей сигнала на его информационном входе.

В режиме внешней синхронизации, когда роль несущей частоты выполняет, например, гармонический сигнал , РП1 имеет свойства близкие к характеристикам апериодического фильтра первого порядка с постоянной времени , автоматически перестраиваемой в функции параметров синхронизирующего воздействия (напряжения сети) [8, 9]. Однако следует иметь в виду, что подобная «линеаризация» РП1 справедлива только для области частот входных воздействий , выше которой развертывающий преобразователь, как и любая импульсная система, переходит в режим замедленной дискретизации динамической составляющей входного сигнала [10].

При переводе РП1 в режим внешней синхронизации с напряжением сети (рис. 2 а) между сигналом и выходными импульсами РЭ1 (рис. 2 б) при условии устанавливается фазовый сдвиг –90 эл. град. Здесь и частота напряжения сети и собственных автоколебаний РП1 соответственно. Для обеспечения режима надежной синхронизации РП1 гармоническим сигналом необходимо выполнение условия , что практически исключает возврат РП1 в состояние собственных автоколебаний при «просадках» напряжения сети.

Рис. 2. Временные диаграммы сигналов каскадного интегрирующего УС с комбинированной синхронизацией развертывающих преобразователей

Второй каскад РП2 (рис. 1) по составу функциональных блоков практически идентичен РП1. Отличие заключается в том, что синхронизация РП2 производится не по его информационному входу как у РП1, а по входу бесгистерезисного релейного элемента РЭ2. При этом сигналом синхронизации является «пила» с линейно нарастающим и дискретным фронтами (рис. 2 г), формируемая генератором пилообразного напряжения ГПН (рис. 1). ГПН синхронизирован с выходом РП1 через генератор G, запускаемый по переднему и заднему фронту выходного импульса РЭ1 (рис. 2 б, в). При этом сигнал на выходе РЭ2 (рис. 2 д) формируется как результат взаимодействия ведомой с выхода интегратора И2 и ведущей с выхода ГПН разверток (рис. 2 г), что обеспечивает удвоение частоты выходных импульсов РЭ2 по отношению к частоте напряжения сети (рис. 2 а, д).

Элемент Л1 имеет характеристику вида (табл. 1), что приводит к формированию на «Выходе» УС импульсов логической «1» длительностью 180 эл. град (рис. 2 е). Этот сигнал может использоваться для синхронизации ВП различной конфигурации и фазности [9].

По сравнению с традиционной структурой УС на базе РП1 [9, 11] каскадное включение РП1 и РП2 увеличивает полосу пропускания канала синхронизации примерно в 2 – 3 раза [11, 12]. Это является следствием того, что РП2 обладает дифференцирующими свойствами, так как сигнал синхронизации вводится во внутренний контур, когда интегратор И2 оказывается в цепи обратной связи РЭ2.

Выводы

1. Получены условия синхронизации интегрирующего РП внешним гармоническим воздействием и прямоугольными биполярными импульсами. При глубине синхронизации достигается компромисс между устойчивостью режима синхронизации РП при колебаниях амплитуды напряжения сети и его быстродействием. В системах с питанием от автономных сетей с нестабильной частотой необходимо обеспечить условие .

2. УС на основе интегрирующего РП полностью адаптируются к нестабильности напряжения сети ввиду замкнутого характера своей структуры и наличия интегратора в прямом канале регулирования, что выгодно отличает их от традиционных УС на основе каскада «фильтр – релейный элемент». Кроме того, постоянная времени РП1 адаптируется к параметрам напряжения сети, что позволяет использовать данный тип УС в системах с нестабильной частотой источника энергоснабжения.

3. Каскадное включение двух РП с различными способами их внешней синхронизации обеспечивает расширение полосы пропускания УС в 2 – 3 раза по сравнению с УС на базе РП, синхронизированного напряжением сети по информационному входу.

Литература:

1. Осипов О.И. Техническое диагностирование автоматизированного электропривода постоянного тока: дис. … докт. техн. наук. – Челябинск: ЧПИ, 1995. – 405 с.

2. Цытович Л.И., Качалов А.В., Дудкин М.М., Рахматулин Р.М. Адаптивная система синхронизации трехфазного мостового реверсивного тиристорного преобразователя // Вестник ЮУрГУ. Серия «Энергетика». – 2009. – Вып. 11. – № 15(148). – С. 45–50.

3. Осипов О.И., Усынин Ю.С. Промышленные помехи и способы их подавления в вентильных электроприводах постоянного тока. – М.: Энергия, 1979. – 80 с.

4. Цытович, Л.И., Шкаликов С.И., Дудкин М.М. Тиристорный преобразователь с интегрирующим устройством для мягкого пуска асинхронных электродвигателей // Проблемы энергетики: известия высших учебных заведений. – Казань: Изд-во КГЭУ, 2005. – № 7–8. – С. 57–65.

5. Цытович Л.И., Рахматулин Р.М., Дудкин М.М., Качалов А.В. Реверсивный тиристорный преобразователь для систем управления с питанием от сети с нестационарными параметрами // Практическая силовая электроника. – 2009. – № 2 (34). – С. 35–41.

6. RU 2396683 Российская Федерация, МПК⁷ Н 02 М 1/084. Система импульсно-фазового управления / А.В. Качалов, Р.М. Рахматулин М.М. Дудкин, Л.И. Цытович,. – № 2009128430/09; заявл. 22.07.09; опубл. 10.08.10, Бюл. № 22.

7. RU 2383985 Российская Федерация, МПК⁷ Н 02 М 1/08. Устройство синхронизации / Л.И. Цытович, М.М. Дудкин, А.В. Качалов, Р.М. Рахматулин. – № 2008142655/09; заявл. 27.10.08; опубл. 10.03.10, Бюл. № 7. – 13 с.

8. Цытович Л.И. Развертывающий операционный усилитель с перестраиваемой полосой пропускания // Приборы и техника эксперимента. – М.: АН СССР, 1979. – № 4. – C. 149–152.

9. Качалов А.В., Цытович Л.И., Дудкин М.М. Интегрирующие устройства синхронизации для систем импульсно-фазового управления вентильными преобразователями // Практическая силовая электроника. – 2010. – № 1 (37). – С. 42–51.

10. Дудкин М.М., Цытович Л.И., Брылина О.Г. Динамические спектральные характеристики развертывающих преобразователей с широтно-импульсной модуляцией // Практическая силовая электроника. – 2012. – № 4 (48). – С. 49–55.

11. Цытович Л.И., Брылина О.Г. Многозонные интегрирующие системы управления каскадами «вентильный преобразователь – исполнительный механизм» для объектов с параллельными каналами регулирования // Практическая силовая электроника. – М.: Изд-во ЗАО «ММП-Ирбис», 2009. № 36. – С 23–30.

12. Пат. 2422974 Российская Федерация, МПК⁷ Н 02 М 1/08. Интнгрирующее устройство синхронизации / Л.И. Цытович, М.М. Дудкин, А.В. Качалов. – № 2009147064/09; заявл. 17.12.09; опубл. 27.06.11, Бюл. № 18.