Система импульсно-фазового управления тиристорным выпрямителем и фазосдвигающее устройство в его составе

Полезная модель относится к электротехнике, в частности к преобразовательной технике, и может быть использована в системах управления трехфазными тиристорными выпрямителями.

Задачи полезной модели: обеспечение точности регулирования при высоких динамических показателях, поддержание высокой степени симметрии управляющих импульсов, снижение массогабаритных показателей, возможность программной реализации с помощью микроконтроллера или программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС).

В состав предлагаемого устройства (Фиг.1) входят аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 1, формирователь синхронизирующих импульсов (ФСИ) 2, первое 3 и второе 4 фазосдвигающие устройства (ФСУ), генератор импульсов (ГИ) 5, сдваиватель импульсов управления (СИ) 6, усилитель импульсов управления (УИ) 7. Первое и второе ФСУ состоят из первого 11, второго 12 и третьего 13 одновибраторов, логического элемента «3ИЛИ» 14, счетчика импульсов 15, первого 18, второго 19 и третьего 20 логических элементов «2И».

В отличие от прототипов, где ФСУ синхронизированы с напряжением соответствующей фазы сети, в предлагаемом устройстве первое ФСУ работает по положительным полуволнам фазных напряжений сети, второе ФСУ - по отрицательным полуволнам фазных напряжений сети. Благодаря этому предлагаемая система импульсно-фазового управления обладает более высокой степенью симметрии управляющих импульсов при сохранении динамических показателей. Счетчик импульсов 15 первого и второго ФСУ тактируется от одного генератора импульсов 5, что также способствует высокой степени симметрии управляющих импульсов и повышает точность регулирования. ФСУ содержат в своем составе одновибраторы 11, 12 и 13, формирующие на своем выходе импульсы с заданной длительностью, которая определяет минимальный угол открытия тиристоров. Четвертый одновибратор 17 в составе ФСУ формирует импульс управления малой длительности, а логические элементы «2И» 18, 19 и 20 осуществляют его распределение в зависимости от синхронизации. Сдваиватель импульсов управления 6 осуществляет сдваивание импульсов управления с первого и второго ФСУ. Применение сдвоенных импульсов управления малой длительности позволяет улучшить массогабаритные показатели СИФУ.

Полезная модель относится к электротехнике, в частности к преобразовательной технике, и может быть использована в системах управления трехфазными тиристорными выпрямителями.

Основными задачами системы импульсно-фазового управления (СИФУ) являются формирование управляющих прямоугольных импульсов и регулирование выходного напряжения тиристорного выпрямителя путем изменения фазы управляющих импульсов.

Известна аналоговая СИФУ [1], содержащая три схемы управления для трех групп тиристоров. Каждая схема содержит фазовращатель, на который через синхронизирующий трансформатор подается линейное напряжение трехфазного источника, детектор нулевого уровня, инвертор, первое и второе фазосдвигающие устройства (ФСУ), состоящие из генератора пилообразного напряжения и компаратора. Сформированное детектором нулевого уровня напряжение поступает на первое и второе ФСУ, причем на второе ФСУ сигнал проходит через инвертор. Фаза управляющих импульсов на выходе каждого ФСУ определяется порогом срабатывания компаратора в его составе. Таким образом, рассмотренная аналоговая СИФУ имеет в своем составе шесть ФСУ.

Недостатками вышеописанной СИФУ являются:

- низкая точность и помехоустойчивость;

- необходимость соблюдения чередования фаз;

- необходимость точной настройки по частоте и амплитуде всех шести генераторов пилообразного напряжения, отсюда, как следствие, взаимная асимметрия импульсов управления по каждому из каналов (порядка 0,5-3 эл. град), обусловленная естественным разбросом характеристик их элементов, а также степенью искажения параметров напряжения сети;

- низкие массогабаритные показатели.

Известна многоканальная СИФУ [2], в состав которой входят три устройства синхронизации, три ФСУ, состоящих из генератора опорного напряжения и компаратора, три формирователя импульсов, распределитель импульсов, усилитель мощности и блок ограничения углов.

Многоканальная СИФУ обладает теми же недостатками, что и аналоговая СИФУ, т.е. это низкая точность и помехоустойчивость, взаимная асимметрия импульсов управления по каждому из каналов.

Известна одноканальная СИФУ [3], состоящая из трех устройств синхронизации, одного фазосдвигающего устройства по одной фазе, состоящего из генератора опорного напряжения и компаратора, счетной схемы, трех формирователей импульсов, распределителя импульсов, усилителя мощности и блока ограничения углов.

Одноканальная СИФУ обладает более высокой степенью симметрии управляющих импульсов по сравнению с СИФУ рассмотренными выше. К недостатку можно отнести низкие динамические показатели, обусловленные тем, что импульсы управления по фазам В и С формируются в параметрическом режиме, т.е. не являются результатом активного сравнения опорного сигнала. Кроме того, одноканальные СИФУ накладывают жесткие требования к стабильности параметров напряжения сети.

Наиболее близкой по технической сущности является СИФУ [3], содержащая три релейных элемента, выполняющих роль устройств синхронизации, три элемента «исключающее ИЛИ», одновибраторы, формирующих максимальный и минимальный углы регулирования, а также три идентичных блока логики, осуществляющих ограничение угла регулирования. Схема содержит три независимых фазосдвигающих устройства по каждой фазе, что неизбежно приводит к взаимной асимметрии импульсов управления по каждому из каналов, как и у многоканальных СИФУ, обусловленной разбросом параметров генераторов, входящих в состав каждой ФСУ.

Задачи полезной модели: обеспечение точности регулирования при высоких динамических показателях, поддержание более высокой степени симметрии управляющих импульсов, снижение массогабаритных показателей, возможность программной реализации СИФУ с помощью микроконтроллера или программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС).

Полезная модель поясняется следующими чертежами:

Фиг.1 - функциональная схема предлагаемого устройства;

Фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства.

В состав устройства (Фиг.1) входят аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 1, формирователь синхронизирующих импульсов (ФСИ) 2, первое 3 и второе 4 фазосдвигающие устройства (ФСУ), генератор импульсов (ГИ) 5, сдваиватель импульсов управления (СИ) 6, усилитель импульсов управления (УИ) 7. Первое и второе ФСУ состоят из первого 11, второго 12 и третьего 13 одновибраторов, логического элемента «3ИЛИ» 14, счетчика импульсов 15, первого 18, второго 19 и третьего 20 логических элементов «2И».

Рассмотрим принцип работы предлагаемого устройства.

Напряжение трехфазного источника питания через датчики напряжения или синхронизирующий трансформатор подается на АЦП 1, полученные цифровые сигналы напряжений поступают на вход ФСИ 2, с которого синхронизирующие импульсы подаются на входы первого 3 и второго 4 ФСУ. Из временных диаграмм (Фиг.2) видно, что ФСИ формирует сигналы логической единицы при прохождении фазного напряжения через точки естественной коммутации (Фиг.2, а), причем с выхода ФСИ на первый вход a1 первого ФСУ 3 подается сигнал при выполнении условий А>В И А>С (Фиг.2, б), на вход а2 при выполнении условий В>А И В>С (Фиг.2, в), на вход а3 при выполнении условий С>А И С>В (Фиг.2, г), на входы a1, а2 и а3 второго ФСУ 4 подаются сигналы при выполнении условий А<В И А<С, В<А И В<С, С<А И С<В соответственно (Фиг.2, д, е, ж). Таким образом, в отличие от рассмотренных выше прототипов СИФУ, полезная модель содержит два ФСУ, которые работают не по фазам напряжений сети, а по положительным и отрицательным полуволнам. Благодаря этому предлагаемая СИФУ обладает более высокой степенью симметрии управляющих импульсов при сохранении динамических показателей.

Рассмотрим более подробно работу второго ФСУ 4, первое ФСУ 3 работает аналогично.

Сигналы синхронизации по отрицательным полуволнам фазных напряжений с ФСИ 2 поступают на первый 11, второй 12, третий 13 одновибраторы и на первый 18, второй 19 и третий 20 логические элементы «2И» второго ФСУ 4. Одновибраторы 11, 12 и 13 формируют на своем выходе импульсы (Фиг.2, з, и, к) длительностью Т1, поступающие на вход логического элемента «3ИЛИ» 14. Полученные на выходе «ЗИЛИ» 14 импульсы (Фиг.2, л) попадают на вход сброса счетчика импульсов 15 и сбрасывают его. Длительность импульсов T1 на выходах одновибраторов 11, 12 и 13 определяет минимальный угол открытия тиристоров. Импульсы с генератора 5 поступают на тактовый вход счетчика 15. Разрядность счетчика 15 и частоту генератора 5 необходимо выбирать из условия: Fgen>Fseti×2 ⁿ, где Fgen - частота генератора импульсов 5, Fseti - частота напряжения сети, n - разрядность счетчика 15. Следует отметить, что в отличие от рассмотренных выше прототипов СИФУ, предлагаемая СИФУ содержит только один генератор импульсов, что значительно повышает точность, кроме того, частота генератора определяет дискретность всей СИФУ. Цифровой сигнал со счетчика 15 (Фиг.2, м) поступает на первый вход цифрового компаратора 16, на второй вход компаратора подается цифровой сигнал управления. Сигнал с выхода цифрового компаратора 16 (Фиг.2, н) попадает на вход одновибратора 17, который формирует импульс управления длительности Т2 (Фиг.2, о). Логические элементы «2И» 18, 19 и 20 осуществляют распределение управляющих импульсов с выхода одновибратора 17 в зависимости от синхронизации (Фиг.2, д, е, ж). Сдваиватель импульсов управления 6 осуществляет сдваивание импульсов управления поступающих на его входа с первого 3 (Фиг.2, т, у, ф) и второго 4 (Фиг.2, п, р, с) ФСУ. Импульсы с выхода сдваивателя 6 (Фиг.2, х, ц, ч, ш, э, ю) попадают в усилитель импульсов 7, после которого подаются на соответствующие тиристоры. Применение в предлагаемой СИФУ сдвоенных импульсов управления малой длительности Т2 позволяет улучшить массогабаритные показатели импульсных трансформаторов, входящих в состав усилителя мощности и, в сочетании с программной реализацией всего принципа управления, улучшить массогабаритные показатели всей СИФУ в целом.

Источники информации:

1. «Основы силовой электроники» С.Рама Редди. - Москва: Техносфера, 2006; стр.96.

2. Южно-Уральский государственный университет, кафедра «Электропривод и автоматизация промышленных установок». Курс лекций, глава 9 «Системы управления ведомых преобразователей» стр.163. _Pt.pdf

3. 2. Южно-Уральский государственный университет, кафедра «Электропривод и автоматизация промышленных установок». Курс лекций, глава 9 «Системы управления ведомых преобразователей» стр.166.

4. Заявка 2009128430/09 РФ, МПК Н02М 1/084. Система импульсно-фазового управления/ Качалов Андрей Валентинович; заявитель и патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Уральский государственный университет".

1. Система импульсно-фазового управления тиристорным выпрямителем, содержащая аналого-цифровой преобразователь, на вход которого с датчиков напряжения или синхронизирующего трансформатора подается входное трехфазное напряжение, формирователь синхронизирующих импульсов, входы которого подключены к выходам аналого-цифрового преобразователя, отличающаяся тем, что, с целью обеспечения симметрии управляющих импульсов при сохранении динамических показателей, в нее введены два фазосдвигающих устройства, на входы которых подается сигнал с одного генератора импульсов, один сигнал управления и импульсы синхронизации с выходов формирователя синхронизирующих импульсов, причем импульсы синхронизации по положительным полуволнам фазных напряжений с выходов формирователя синхронизирующих импульсов поступают на первое фазосдвигающее устройство, а импульсы синхронизации по отрицательным полуволнам фазных напряжений с выходов формирователя синхронизирующих импульсов поступают на второе фазосдвигающее устройство, сдваиватель импульсов, сигналы с выхода которого подаются на усилитель импульсов, а входы соединены с выходами фазосдвигающих устройств.

2. Система импульсно-фазового управления тиристорным выпрямителем по п.1, отличающаяся тем, что ее фазосдвигающие устройства состоят из трех одновибраторов, сигналы, с выходов которых поступают на входы логического элемента «3ИЛИ», а на входы подаются синхронизирующие импульсы, счетчика импульсов, вход сброса которого соединен с выходом логического элемента «3ИЛИ», а на тактовый вход подается сигнал с генератора импульсов, цифрового компаратора, первый вход которого соединен с выходом счетчика импульсов, а на второй подается сигнал управления, четвертого одновибратора, формирующего импульсы управления малой длительности, что улучшает массогабаритные показатели системы импульсно-фазового управления в целом, вход которого подключен к выходу цифрового компаратора, трех логических элементов «2И», на первые входы которых подается сигнал с выхода четвертого одновибратора, вторые входы первого, второго и третьего логических элементов «2И» соединены с входами первого, второго и третьего одновибраторов соответственно.