Устройство для синхронизации импульсов управления тиристорным преобразователем

УСТРОЙСТВО ДЛЯ СИНХРОНИЗАЦИИ ИМПУЛЬСОВ УПРАВЛЕНИЯ ТИРИСТОРНЫМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ, содержащее последовательно включенные трансформатор напряжения, фильтр и пороговый элемент, формирователь синхронизирующих сигналов, выход которого предназначен для подключения к блоку импульсно-фазового управления, отличающееся тем, что, с целью повышения точности синхронизации, оно снабжено вторым пороговым элементом, подключенным через первый вход элемента совпадения и первый вход дифференциального усилителя к интегрирующему элементу, и формирователем задержки импульсов с синхронизирующим и управляющим входами, при этом вход второго порогового элемента соединен с выходом трансформатора напряжения, выход первого порогового элемента подключен к второму входу элемента совпадения, выход интегрирующего элемента соединен с управляющим входом формирователя задержки, синхронизирующий вход которого подключен к выходу первого порогового элемента, а его выход соединен с вторым входом дифференциального усилителя и входом формирователя синхронизирующих сигналов.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к управлению тиристорными выпрямительно-инверторными преобразователями с фазовым регулированием напряжения, и может быть использовано на электроподвижном составе.
Известно устройство синхронизации импульсов управления тиристорными преобразователями с питающим напряжением, содержащее последовательно соединенные измерительный трансформатор напряжения, амплитудный ограничитель и дифференциатор (формирователь синхроимпуль- сов), выход которого соединен с одним из входов системы импульсов фазового управления тиристорными преобразователями.
Однако работа тиристорных преобразователей сопровождается не только амплитудными, но и фазовыми искажениями формы кривой питающего напряжения.
Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство, содержащее последовательно соединенные измерительный трансформатор напряжения (трансформатор синхронизации), фильтр, пороговый элемент, выход которого через формирователь синхронизирующих сигналов соединен с одним из входов системы импульсно-фазового управления.
Известное устройство имеет ряд существенных недостатков.
Напряжение за фильтром, которое используется для формирования синхронизирующих сигналов, даже при отсутствии коммутационных искажений имеет фазовый сдвиг , величина которого существенным образом зависит от частоты питающего напряжения, разброса температурных изменений параметров элементов схемы. Наличие фазового сдвига сужает диапазон регулирования выходного напряжения преобразователя, снижает его энергетические показатели. При появлении коммутационных искажений величина фазового сдвига напряжения за фильтром, а следовательно, и синхронизирующих сигналов перестает быть постоянной и меняется с изменением тока нагрузки (зависит от величины угла коммутации ). В выпрямительном режиме это ведет к уменьшению выходного напряжения преобразователя, т. е. к снижению энергетических показателей установки. В инверторном режиме зависимость величины от тока нагрузки при определенных условиях (большие и реактивное сопротивление сети) может привести к потере устойчивости в системе преобразователь-сеть.
Целью изобретения является повышение точности синхронизации, что позволяет расширить диапазон регулирования выходного напряжения, повысить энергетические показатели, устойчивость и надежность работы преобразователя.
Поставленная цель достигается тем, что известное устройство, содержащее последовательно включенные трансформатор напряжения, фильтр и пороговый элемент, формирователь синхронизирующих сигналов, выход которого предназначен для подключения к блоку импульсно-фазового управления, снабжено вторым пороговым элементом, подключенным через первый вход элемента совпадения и первый вход дифференциального усилителя к интегрирующему элементу, и формирователем задержки с синхронизирующим и управляющим входами, при этом вход второго порогового элемента соединен с выходом трансформатора напряжения, выход первого порогового элемента подключен к второму входу элемента совпадения, выход интегрирующего элемента соединен с управляющим входом формирователя задержки, синхронизирующий вход которого подключен к выходу первого порогового элемента, а его выход соединен с вторым входом дифференциального усилителя и входом формирователя синхронизирующих сигналов.
На фиг. 1 приведена блок-схема устройства; на фиг. 2 диаграммы напряжений на выходах элементов схемы в установившемся режиме; на фиг. 3 диаграмма тех же напряжений при сдвиге фазы напряжений за фильтром вправо; на фиг. 4 диаграмма напряжений при сдвиге фазы напряжений за фильтром влево.
Устройство содержит подключенный к питающей сети измерительный трансформатор напряжений 1, выход которого соединен с входом фильтра 2 и входом порогового элемента 3. На выходе фильтра 2 включен пороговый элемент 4, выход которого через управляемый формирователь задержки импульсов 5 и формирователь синхронизирующих сигналов 6 соединен со входом блока импульсно-фазового управления 7. Причем выход порогового элемента 4 соединен также с одним из входов выполненного на логическом элементе И элемента совпадения 8, второй вход которого подключен к выходу порогового элемента 3. Выход элемента совпадения 8 через дифференциальный усилитель 9 и интегрирующий элемент 10 соединен с управляющим входом формирователя задержки импульсов 5, выход которого подключен также к второму входу дифференциального усилителя 9.
Управляемый напряжением формирователь 5 представляет собой широтно-импульсный модулятор, выполненный по принципу вертикального управления фазой выходных сигналов.
Он преобразует напряжение управления в импульсы прямоугольной формы и содержит включенный на синхронизирующем входе генератор опорного напряжения (ГПН), на управляющем входе элемент сравнения, на выходе нуль-орган, причем выход ГПН через элемент сравнения соединен с входом нуль-органа. Синхронизирующий вход формирователя 5 подключен к выходу порогового элемента 4, а управляющий вход соединен с выходом интегрирующего элемента 10. Начальная длительность выходных сигналов устанавливается подаваемым на управляющий вход напряжением смещения.
Устройство работает следующим образом.
Питающее напряжение U₁ через измерительный трансформатор напряжения 1 подается на вход выделяющего первую гармонику фильтра 2, который управляет работой порогового элемента 4. На выходе U₄ порогового элемента 4 формируются импульсы прямоугольной формы U₂, длительность которых равна длительности полупериода напряжения за фильтром, а фаза переднего и заднего фронтов определяется моментом перехода этого напряжения через ноль. Импульсы U₄ используются затем для запуска (синхронизации) генератора опорного напряжения, который включен на синхронизирующем входе формирователя 5. На выходе формирователя 5 формируются импульсы прямоугольной формы U₅, передний фронт которых совпадает с фронтом импульсов U₄, т.е. с моментом изменения знака напряжения U₂ за фильтром, а их длительность устанавливается такой, чтобы задний фронт совпадал с моментом изменения знака питающего напряжения U₁. По заднему фронту импульсов U₅блоком 6 формируются сигналы, которые используются затем для синхронизации блока импульсного фазового управления 7. За счет установки определенной длительности импульсов U₅ (т.е. задержки начала формирования синхронизирующих сигналов) на выходе формирователя 5 компенсируются влияние на точность синхронизации постоянного фазового сдвига - между питающим напряжением U₁ и напряжением за фильтром U₂, величина которого обусловлена только параметрами элементов используемого в устройстве фильтра 2. Однако, как отмечалось ранее, в условиях эксплуатации фазовый сдвиг определяется не только выбранными характеристиками фильтра, но в сильной степени зависит от изменения частоты и степени искажений формы питающего напряжения U₁от температуры и технологических изменений параметров элементов схемы устройства, прямо пропорционально изменению величины фазового сдвига будет меняться фаза синхронизирующих сигналов, что снижает показатели работы преобразователя.
Для компенсации влияния нестабильности фазового сдвига на точность синхронизации выходное напряжение измерительного трансформатора напряжения 1 подается также на вход порогового элемента 3 (фиг. 1). На выходе порогового элемента 3 формируются импульсы прямоугольной формы, длительность которых равна длительности полупериода питающего напряжения U₁, а передний и задний фронт совпадают с точками перехода этого напряжения через нулевое значение (фиг. 2 фиг. 4).
Пороговый элемент 3 реагирует только на изменение знака входных сигналов, и поэтому длительность и форма импульсов U₃ не зависят от уменьшения питающего напряжения в зоне углов коммутации вплоть до нулевого значения. Импульсы U₃ сравниваются по длительности и фазе с выходными импульсами U₄ порогового элемента 4. Сравнение осуществляется элементом совпадения 8, выполненным на логическом элементе И. Фаза переднего фронта сигналов сравнения U₆ на выходе элемента совпадения 8 определяется фазой переднего фронта сигналов U₄, а задний фронт совпадает с задним фронтом сигналов на выходе порогового элемента 3. В соответствии с этим длительность этих сигналов сравнения U₆соответствует истинному (текущему) значению фазового сдвига - (фиг. 2 фиг. 4) между напряжением питания U₁ и напряжением U₂ за фильтром. Сигналы сравнения подаются на прямой вход дифференциального усилителя 9, на второй (инверсный) вход которого подаются импульсы U₅ с выхода формирователя 5. При равенстве амплитуд сигналов U₆ и U₅ на выходе дифференциального усилителя 9 формируются импульсы прямоугольной формы U₇, длительность которых равна разнице между фактической (истинной) величиной фазового сдвига - напряжения U₂ за фильтром и установленной величиной задержки начала формирования синхронизирующих сигналов, причем если > - импульсы U₇ отрицательны и формируются в начале второй полуволны питающего напряжения, если < - они отрицательны и формируются в конце первой полуволны U₁ (фиг. 3 фиг. 4). При соблюдении равенства = - выходное напряжение U₇дифференциального усилителя 9 равно нулю (фиг. 2). Здесь определяется не только величина разницы между фазовым сдвигом - напряжения за фильтром и величиной задержки начала формирования синхронизирующих сигналов, но и знак этой разницы. Импульсы U₇ с выхода дифференциального усилителя 9 подаются на вход интегрирующего элемента 10, для которого справедливо следующее соотношение:
U_вых. U₇dt где U_вых. напряжение на выходе интегрирующего элемента;
постоянная времени интегрирования;
U₇ амплитуда входных сигналов.
Из приведенного соотношения следует, что при неизменной амплитуде импульсов U₇ выходное напряжение интегрирующего элемента 9 пропорционально усредненной за время их длительности. Усреднение длительности сигналов U₇, которые формируются с использованием сигналов на выходе порогового элемента 3, эквивалентно также усреднению момента перехода через ноль питающего напряжения U₇.
Выходные напряжения интегрирующего элемента 10 подаются на управляющий вход формирователя 5. В зависимости от его значения меняется величина задержки начала формирования синхронизирующих сигналов. Устойчивое состояние схемы наступает в том случае, если за период квантования Т, равный длительности полупериода питающего напряжения, сумма всех сигналов на входе интегрирующего элемента 9 равна нулю. Указанное условие равновесия имеет место только при наличии временного совпадения сигналов U₅ и U₆ на входе дифференциального усилителя 9, когда на его выходе импульсы U₇ отсутствуют. При этом = - и момент формирования заднего фронта импульсов U₅ на выходе элемента задержки 5, а следовательно, и момент формирования синхронизирующих сигналов на выходе формирователя 6 совпадает с моментом перехода питающего напряжения U₁ через нулевое значение (фиг. 2). Любые изменения длительности импульсов U₅ на выходе формирователя 5 или фазы - напряжения U₂ за фильтром приводят к нарушению указанного устойчивого состояния, т.е. к появлению условий работы схемы, показанных на фиг. 3 или фиг. 4. На выходе интегрирующего элемента 10 появляется изменяющееся по величине напряжение, под действием которого начинает меняться длительность выходных импульсов U₅ элемента задержки 5. Это изменение продолжается до тех пор, пока длительность сигналов вновь станет равной величине фазового сдвига - . Независимо от искажений формы кривой питающего напряжения U₁ синхронизация блока импульсно-фазового управления 7 будет осуществляться по усредненному моменту перехода этого напряжения через нулевое значение. Следует иметь в виду, что при отсутствии фазовых искажений формы кривой питающего напряжения момент формирования синхронизирующих сигналов будет совпадать с текущим значением момента перехода через ноль этого напряжения.
Таким образом, данное изобретение позволяет повысить энергетические показатели, устойчивость и надежность работы.