Интегрирующая синхронизация тиристорных регуляторов как средство повышения электробезопасности обслуживающего персонала

Современные системы электроснабжения промышленных предприятий характеризуются высоким уровнем коммутационных искажений и импульсных перенапряжений, что является одной из наиболее распространенных причин выхода из строя по каналам синхронизации ведомых сетью вентильных преобразователей и возникновения на объекте аварийной ситуации. В этих условиях необходимо особо тщательно подходить к проблеме минимизации количества элементов информационной и силовой электроники в системах регулирования электроприводами при одновременном повышении надежности их функционирования.

Теоретическая часть

Вопросам обеспечения электробезопасности обслуживающего персонала за счет контроля параметров систем электроснабжения посвящено много работ [1–6]. Ниже приводятся методы и подходы обеспечения электробезопасности за счет развития новых методов управления электротехническими комплексами.

ТРН представляет собой традиционную синхронную трехканальную систему импульсно-фазового управления (СИФУ) с силовыми ключами VS, выполненными по схеме «тиристор – диод». Его отличительной особенностью является система импульсно-фазового управления, где каждый из каналов фаз А, В, С содержит интегрирующее СФС устройство (СФС-А, СФС-В, СФС-С), совмещающее в себе устройство синхронизации (УС), регулятор, фазосдвигающее устройство и формирователь импульсов управления силовыми тиристорами [7]. Контур обратной связи по току электродвигателя М реализован на трансформаторах тока ТТА, ТТВ, ТТС и демодуляторе ДМ [8].

СФС-А, СФС-В, СФС-С выполнены по идентичной схеме на базе интегрирующих развертывающих преобразователей (РП) [9].

Структурная схема синхрофазосдвигающего устройства, например, фазы А включает три РП, из которых два РП-1, РП-2 выполняют функции УС. В состав РП-1, РП-2 входят сумматоры Σ1, Σ2, интеграторы И1, И2, пропорциональные звенья К1, К2 и релейные элементы РЭ1, РЭ2.

С помощью К1, К2 устанавливается требуемый коэффициент передачи РП-1, РП-2. УС включает также инвертор Ин. и генератор импульсов малой длительности ГИ. Ин. передает на выход только «отрицательный» выходной импульс РЭ2 с одновременным его преобразованием в импульс положительной полярности. ГИ формирует на выходе импульс стабильной амплитуды и длительности. Запуск ГИ происходит по заднему фронту выходных импульсов инвертора Ин.

РП-3, с помощью которого сигнал управления преобразуется в угол управления силовыми ключами VS, реализован на сумматоре Σ3, интеграторе И3, релейном элементе РЭ-3 и канале динамической коррекции ДК, включающем нелинейный элемент НЭ и дифференцирующее звено Д с постоянной времени ТД. НЭ выполнен с порогом включе- ния –С. В дальнейшем коэффициент передачи РП-3 по каждому из входов принимаем равным 1,0.

Интеграторы И1–И3 имеют передаточную функцию вида W ( p ) = 1/ Т И р , где Т И - постоянная времени. Релейные элементы РЭ1–РЭ3 реализованы с неинвертирующей петлей гистерезиса, а их пороги переключения ± b симметричны относительно нулевого уровня. Выходной сигнал РЭ1-РЭ3 меняется дискретно в пределах ± А .

Работа канала синхронизации УС (рис. 1, а) системы управления ТРН базируется на следующих положениях [9].

РП-1 и РП-2 в исходном состоянии представляют собой автоколебательную систему с частотно- широтно-импульсной модуляцией. Особенностью таких систем является то, что при соблюдении определенных условий они могут переходить в режим вынужденных переключений (синхронизации) с внешним периодическим сигналом и преобразовываться из частотно-широтно-импульсной в широтно-импульсную систему.

При этом РП-1 синхронизируется с напряжением сети Х С ( t ) = А С sin го t , для чего необходимо выполнение условий:

2 T A

—C—— > 1, п dYИ(t)/dt < dXC(t)/dt,

Рис. 1. Структурная схема СФС устройства управления ТРН (а) и временные диаграммы сигналов устройства синхронизации (б–д)

где Т С = Т C / Т 0 , А С = | А С/ А | - нормированные значения периода Т _С и амплитуды А _С сигнала Х _С ( t ) соответственно; Y _И1 ( t ) – выходной пилообразный сигнал развертки на выходе интегратора И1 при работе РП-1 в режиме собственных автоколебаний, ограниченный по амплитуде порогами переключения ± Ь РЭ1. При этом производная синхронизирующего воздействия Х _С ( t ) при его переходе через нулевой уровень должна превышать производную пилообразного сигнала развертки Y _И1 ( t ) , которую она имеет при работе РП-1 в режиме собственных автоколебаний с нулевым значением постоянной составляющей сигнала на его информационном входе. При синхронизации РП-1 сигналом Х _С ( t ) = А С sin to t (рис. 1, б) выходной сигнал интегратора И1 имеет гармоническую форму (рис. 1, в) и сдвинут относительно сигнала синхронизации на –90 эл. град. Среднее значение выходных импульсов Y _P1 ( t ) РЭ1 равно нулю (рис. 1, в).

РП-2 канала синхронизации СФС также работает в режиме внешней синхронизации, только синхронизирующим воздействием являются прямоугольные биполярные импульсы с выхода РП-1 (рис. 1). При этом должно соблюдаться условие foAo > 1, (2)

где Т _o = Т _o / Т о - нормированное значение периода Т _П прямоугольных импульсов синхронизации; Т о = 4 ЬТ И - период выходных импульсов РП2 при его работе в режиме собственных автоколебаний; Ь = |Ь/А | - нормированное значение порогов переключения РЭ2; ± А - амплитуда выходных импульсов РЭ2; А П = А П / А | - нормированное значение амплитуды импульсов синхронизации (кратность синхронизации); Т _И – постоянная времени интегратора И2. Иными словами, синхронизация РП-2 биполярными прямоугольными импульсами с выхода РП-1 наступает при условии превышения модулем вольт-секундной площади синхронизирующего воздействия значения модуля вольт-секундной площади выходных импульсов РП-2 за период его собственных автоколебаний.

Фазовый сдвиг между синхронизирующим воздействием Х _С ( t ) и выходными импульсами РП-1 зависит от нормированной частоты f C = f с К f о = Т - ¹) сигнала синхронизации и А _С . Равенство а _с = -90 эл. град., которое наиболее приемлемо для построения каналов синхронизации вентильных преобразователей на основе РП, достигается при условии равенства частоты собственных автоколебаний РП-1 (РП-2) и частоты сигнала синхронизации Х _С ( t ) ( Y _P1 ( t )).

РП-2 также имеет передаточную функцию вида W ( p ) = К _П2 /(1 + Т Э p ), но постоянная времени Т ^

зависит только от частоты напряжения сети, так как амплитуда выходного сигнала Y _P1 ( t ) РЭ1, которым синхронизируется РП-2, имеет постоянное значение, пропорциональное напряжению питания УС. Выходной сигнал Y _И2 ( t ) интегратора И2 близок по форме к симметричной «пиле» (рис. 1, г), а на выходе РЭ2 импульсы Y _P2 ( t ) сдвинуты относительно сигнала Х _С ( t ) на –180 эл. град. Величина К _П2 определяется звеньями К1, К2 канала РП-2. Сделать РП-2 адаптивным к амплитуде сигнала Х _С ( t ) с технической точки зрения не представляет затруднений, однако, как показала практика, в промышленных технологических системах в этом нет необходимости.

С помощью инвертора Ин. выходной сигнал РП-2 преобразуется в импульс положительной полярности Y _Ин. ( t ) , длительность которого соответствует длительности положительной полуволны напряжения сети (рис. 1, б, д).

Результаты экспериментальных исследований показали, что кратность синхронизации для РП-1 должна выбираться в пределах | А С / Х д | > 2,5 ^ 10,0, что в каждом конкретном случае определяется уровнем помех и коммутационных искажений напряжения сети. Здесь Х д = А /К _П1 - допустимый входной сигнал РП-1, при котором в нем сохраняется режим автоколебаний. Что касается РП-2, то здесь глубина синхронизации может быть выбрана на уровне 1,5–2,5, так как амплитуда выходного сигнала РП-1, синхронизирующего РП-2, фиксирована и вероятность срыва режима синхронизации в РП-2 практически равна нулю.

Таким образом, УС представляет собой каскадное включение двух замкнутых интегрирующих систем с параметрами, частично или полностью адаптируемыми к параметрам напряжения сети. Это является основным отличительным признаком такой синхронизации по сравнению с традиционными техническими решениями типа «фильтр – релейный элемент».

Рассмотрим работу канала РП-3.

При отсутствии звеньев Ин. и ГИ устройство представляет собой частотно-широтноимпульсную систему с периодом автоколебаний Т ₀ = 4 ЬТ _И/ (1 - Х В2Х ), где Ь = \Ь/А\ - нормированная величина порогов переключения РЭ3; Х в_Х = Х _ВХ / А | - нормированное значение входного сигнала управления Х _ВХ . Среднее значение выходных импульсов Y _ВЫХ ( t ) РП-3 за период его автоколебаний пропорционально значению Х _ВХ .

Считаем, что входной сигнал Х _ВХ и сигнал обратной связи Х _ОС равны нулю (рис. 1, а; 2, а). Амплитуда импульсов Y _Ин. ( t ) (рис. 2, б) должна удовлетворять условию А С 1 >  Х д , где Х д - до-

Рис. 2. Временные диаграммы сигналов синхрофазосдвигающего устройства управления ТРН

пустимый уровень входного сигнала РП-3, при котором в нем сохраняется режим устойчивых автоколебаний. При коэффициенте передачи РП-3 (рис. 2, а), равном единице, Х_Д = А . Полагаем также, что момент подачи на вход РП-3 импульса Y _Ин. ( t ) (рис. 2, б) совпадает с моментом переключения РЭ3 в состояние –А , когда сигнал развертки на выходе интегратора И3 Y _И3 ( t ) = - b (рис. 2, в).

Тогда на интервале времени Δ t ₁ (рис. 2, в) развертка Y _И3 ( t ) под действием разности сигналов

АС1 - А (рис. 2, б, в) будет линейно изменяться в отрицательном направлении до тех пор, пока не достигнет порога –С звена НЭ. При включении НЭ в цепь обратной связи И3 включается звено Д, что приводит к увеличению постоянной времени интегратора РП-3 до величины ТИ∗ и снижению производной сигнала YИ3(t) на интервале t01 -∆t1 (рис. 2, а, в). В результате за время t01 внешней синхронизации РП-3 выходной сигнал интегратора И3 достигает амплитуды -АИ1 . На этом этап син- хронизации РП-3 внешним гармоническим воздействием заканчивается.

После изменения знака сигнала Х _С ( t ) (рис. 2, а) и выключения Ин. (рис. 2, б) запускается ГИ, формирующий в течение времени A t C импульс Y _r ( t ) отрицательной полярности с амплитудой | АС 2| ^ А С1 . При этом РП-3 переходит на этап установки «нулевых» условий в интеграторе И3. При этом в течение времени A t 11 темп нарастания сигнала Y _И3 ( t ) определяется постоянными времени Т И и Т И , а в интервале A t ₁₂ зависит от собственной постоянной времени интегратора И3 (рис. 2, в). После этого РП-3 входит в режим собственных автоколебаний с частотой, намного превышающей частоту гармонического сигнала Х _С ( t ) , формируя тем самым «пакет» импульсов управления силовым тиристором. Так как сигнал управления отсутствует, интервалы t 1 = t ₂ , а выходной сигнал И3 ограничен по амплитуде порогами переключения РЭ3. Начальный угол управления силовым тиристором составляет а 1 (рис. 2, а, в).

При наличии входного сигнала, например, Х ВХ >  0 (рис. 2, г) интервал A t 1 (рис. 2, в) уменьшается до значения A t ₂ (рис. 2, д), а сигнал У _И3 ( t ) за интервал синхронизации t ₀₁ достигает амплитуды А _И2| >  А _И1| (рис. 2, в, д), так как на вход интегратора действует результирующий сигнал А С 1 + Х ВХ — А (рис. 2, б, г, д). На интервале A t _C и далее до момента времени выполнения условия У И₃ ( t ) > - С (рис. 2, б, д) происходит снижение амплитуды развертки Y _И3 ( t ) с производной меньшей, чем в случае Х ВХ = 0 (рис. 2, в), что обусловлено наличием на входе РП-3 постоянной составляющей Х _ВХ . В результате угол управления увеличивается до величины а ₂ (рис. 2, а, д). Здесь следует учитывать, что одновременно уменьшается длительность импульса Y _ВЫХ ( t ) положительной полярности при работе РП-3 в режиме собственных автоколебаний.

Начало следующего интервала синхронизации РП-3 может происходить с ошибкой по времени A 1 (рис. 2, в) или A ₂ (рис. 2, д) относительно переднего фронта импульсов Y _C ( t ) (рис. 2, б). Однако при достаточно высокой собственной частоте автоколебаний РП-3, отличающейся от частоты сигнала синхронизации Х _С ( t ) , например, на два порядка, величины A 1 , A 2 являются пренебрежимо малыми и существенно не влияют на асимметрию импульсов управления силовыми тиристорами.

Практическая часть

На основе рассмотренного ТРН в 2004 г. была реализована система управления оборотным циклом водоснабжения промышленного предприятия, содержащая 3 асинхронных электропривода по 75 кВт каждый. Два канала регулирования являлись рабочими, один – резервным.

До реконструкции электроприводов, которые также были оснащены ТРН известной зарубежной фирмы, в среднем за год возникали 2–3 аварийные ситуации, сопровождающихся срабатыванием силовых защит и остановкой технологического процесса. Анализ причин возникновения аварийных отключений однозначно указывал, что в большинстве случаев причиной была неудовлетворительная работа УС, выполненных по традиционной схеме «фильтр – компаратор». Из личных бесед с персоналом цеха установлено, что при этих авариях были случаи травматизма персонала, но конкретные данные по причинам и частоте таких случаев, когда пострадали люди, предоставлено не было. За 9 лет эксплуатации электроприводов после их реконструкции не было зафиксировано ни одного случая аварийного останова технологического процесса по вине силового или информационного электронного оборудования.

Выводы

• 1.    Определены условия синхронизации РП гармоническим сигналом и биполярными прямоугольными импульсами со средним нулевым значением. Даны рекомендации по выбору глубины синхронизации РП гармоническим сигналом и биполярными импульсами.

• 2.    Предложено интегрирующее устройство на базе РП, совмещающее в себе регулятор, формирователь «пакета» импульсов и усилитель мощности, что существенно упрощает систему управления ТРН.

• 3.    Кратко изложены результаты промышленного внедрения ТРН, что позволило значительно повысить надежность работы электроприводов и исключить тем самым вероятность травматизма обслуживающего персонала.