Интегрирующее устройство синхронизации с псевдоследящей фиксацией точек естественной коммутации напряжения сети

Современные энергосистемы как стационарного, так и автономного базирования характеризуются высоким уровнем искажений с труднопредсказуемыми 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– 7]. Поэтому создание систем управления ВП, способных частично или полностью адаптироваться к изменяющимся параметрам сети, является актуальной задачей, направленной на повышение надежности работы всего комплекса электротехнического оборудования промышленных предприятий.

Одним из наиболее уязвимых с позиций помехоустойчивости каналов систем управления ВП являются устройства синхронизации (УС), которые в большинстве практических случаев представляют собой каскадное включение сглаживающего фильтра, например, апериодического первого порядка и релейного элемента с симметричными относительно нулевого уровня порогами переключения [8, 9]. Недостаток подобных УС очевиден – при изменениях амплитуды и/или частоты напряжения сети заданный угол синхронизации существенно меняется, что сказывается на характеристиках ВП в целом, а в ряде случаев может привести к его аварийному отключению [9–11]. Проблема помехоустойчивости контуров синхронизации ВП, в частности, в автоматизированном электроприводе постоянного тока, за последнее время в немалой степени обострилась благодаря широкому внедрению преобразователей частоты в электроприводах переменного тока, генерирующих в сеть высоко- частотные гармоники широтно-импульсной модуляции, не связанные по кратности с частотой напряжения сети.

Применение методов интегрирующего развертывающего преобразования для синхронизации систем импульсно-фазового управления ВП является одним из эффективных способов повышения их помехоустойчивости, статической и динамической точности [11–18].

Ниже рассматривается интегрирующее УС [19], сочетающее в себе высокую помехоустойчивость, простоту технической реализации и способность адаптироваться к колебаниям напряжения сети.

Теоретическая часть

Функциональная схема УС (рис. 1, а) содержит три идентичных канала синхронизации « А », « В », « С », связывающих трехфазную систему напряжений А, В, С с их инверсными шинами А , В , С , а также схему логики, которая включает в себя компараторы К1–К6 и логические элементы Л1–Л3 функции «2И». С помощью схемы логики выделяется сигнал логической «1», длительность которого определяет разрешенный интервал управления силовыми ключами ВП.

В данном случае в качестве примера рассматривается УС для трехфазного ВП с нулевым выводом, хотя путем соответствующего изменения схемы логики может быть получен сигнал синхронизации для любой конфигурации силового блока ВП.

Каналы синхронизации « А », « В », « С » выполнены на основе двух последовательно включенных интегрирующих развертывающих преобразователей (РП) (рис. 1, б).

Каждый из РП1, РП2 включает в себя сумматор Σ , интегратор И и релейный элемент РЭ

А B C

АBC

Рис. 1. Функциональная схема интегрирующего устройства синхронизации с псевдоследящей фиксацией точек естественной коммутации напряжения сети (а), структурная схема каскадного включения развертывающих преобразователей (б) и его временные диаграммы сигналов (в–д)

с порогами переключения ± Ь и симметричной относительно «нуля» петлей гистерезиса. Выходной сигнал РЭ меняется дискретно в пределах ±А . Звенья k _ОС и k _ВХ являются пропорциональными и определяют коэффициент усиления РП1 и РП2 по отношению к входному сигналу.

В общем случае РП представляет собой замкнутую автоколебательную систему с частотно-широтно-импульсной модуляцией. Ее особенность заключается в том, что при соблюдении определенных условий она может переходить в режим вынужденных переключений (синхронизации) с внешним периодическим сигналом и преобразовываться из частотно-широтной-импульсной в широтно-импульсную систему.

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.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований показали, что условием синхронизации РП прямоугольными биполярными импульсами является [9, 11, 20]

Ас > То -1|, (1) где Ас = | Ас / А| — нормированная амплитуда АС прямоугольного сигнала синхронизации (кратность синхронизации); Т0 = Т0 / ТС - нормирован- ное значение периода собственных автоколебаний То = 4ЬТИ РП, когда АС = 0 по отношению к периоду ТС синхронизирующего сигнала ХС(t); Ь = |Ь / А| - нормированное значение порогов переключения РЭ; ±А - амплитуда выходных импульсов РЭ; ТИ – постоянная времени интегратора РП.

Аналогично для гармонического сигнала вида Х _С( t ) = А ₍^т(о) t ) условием внешней синхронизации является

А с > 0,5п- Т о —1|- (2)

Решение неравенств (1)–(2) представлено в виде графика зависимости А _С = f ( Т ₀) (рис. 2, а), анализ которого позволяет сделать следующие выводы:

• -    при Т о << 1,0 глубину синхронизации РП прямоугольными импульсами следует выбирать из условия А _С > 1,0, а для гармонического сигнала -из условия А _С > п/2. В противном случае РП переходит в режим собственных автоколебаний;

• -    при Т ₀ > 1,0 уровень А _С , требуемый для синхронизации РП как прямоугольными импульсами, так и гармоническим сигналом, резко возрастает. Это объясняется тем, что для синхронизации РП с низкой собственной частотой ( Т ₀)^–1 высокочастотным синхронизирующим сигналом с частотой ( Т _С)^–1 требуется увеличивать А _С так,

  

  Рис. 2. Графики зависимостей А с = f ( Т о) (а) и а с = f ( Т о) (б) для развертывающего преобразователя, работающего в режиме внешней синхронизации

  
  

чтобы всегда выполнялось равенство модуля вольт-секундных площадей ( S С = I А С ■ Т С I ) > ( S = I А ■ Т 0 I ). В противном случае частота ( Т 0 ) ¹ импульсов на выходе РП будет меньше частоты ( Т С )^–1 сигнала синхронизации Х С ( t );

• -    при Т о = 1,0 уровень А с стремится к нулю, поэтому частоту собственных автоколебаний ( Т ₀)^–1 в РП целесообразно выбирать вблизи значения частоты ( Т _С)^–1 синхронизирующего воздействия Х _С( t ).

Фазовый сдвиг (угол синхронизации аС) между синхронизирующим воздействием ХС(t) и выходными импульсами Y1 (t) , например, РП1 (рис. 1, в–г) зависит от нормированного значения периода Т0 = Т0 / ТС собственных автоколебаний и глубины синхронизации АС аС = -90 эл.град ■

1 +

Т о - 1

Как показали результаты исследований, выражение (3) справедливо для РП, синхронизирующего при помощи прямоугольных биполярных импульсов. Графическое отображение (3) представлено в виде зависимости А с = f ( Т о) (рис. 2, б), анализ которой позволяет сделать следующие выводы:

• -    при Т о * 1,0 чувствительность а _С к отклонению частоты ( Т _С)^–1 синхронизирующего напряжения Х _С( t ) от номинального значения Т ₀ = 1,0 возрастает по мере уменьшения глубины синхронизации А С = | А С / А |. Так, например, при А _с = 10,0 и Т_о = 1,0± 10 % ошибка угла синхронизации а _С пренебрежимо мала, а в случае А С = 4,0 составляет порядка ± 3,0 эл. град;

• -    при Т ₀ = 1,0, когда частота собственных автоколебаний ( Т ₀) ^{- 1} = 1,4ЬТ И РП равна частоте ( Т _С)^–1 сигнала синхронизации, и при любых значениях А с угол синхронизации а _С всегда остается постоянным и равным –90 эл. град. Это придает РП свойства адаптации к нестабильности амплитуды напряжения сети.

Моделирование в среде MatLab+Simulink выявило, что в случае синхронизации РП гармоническим сигналом выражение (3) для угла синхронизации а _С остается справедливым только при условии А С >  4,0 (рис. 2, б). Для случая А С <  4,0 вычисление угла а _С по уравнению (3) допустимо с погрешностью, не превышающей ± 5 %.

В режиме внешней синхронизации, когда роль несущей частоты выполняет, например, гармонический сигнал Х _С( t ), РП имеет свойства, близкие к апериодическому фильтру первого порядка W (р ) = 1/(1 + Т Э р ) с постоянной времени

Т Э « п ■ Т _С ■ А С /16, автоматически перестраиваемой в функции параметров синхронизирующего воздействия (напряжения сети) [21, 22]. Это указывает на высокую помехоустойчивость РП, работающего в режиме внешней синхронизации, по отношению к высшим гармоникам и коммутационным искажениям напряжения сети. Однако следует иметь в виду, что подобная «линеаризация» РП справедлива только для области частот входных воздействий f ВХ < 0.5( f C = 1/ Т С ), выше которой развертывающий преобразователь, как и любая импульсная система, переходит в режим замедленной дискретизации динамической составляющей входного сигнала [23, 24].

При каскадном включении РП1 и РП2 (рис. 1, б) каналы синхронизации работают следующим образом.

С помощью гармонического воздействия Х _С( t ) = А _Сsin( to t ) (рис. 1, в, например, фазы А ) РП1 переводится из автоколебательного режима в режим внешней синхронизации, когда на его выходе формируются импульсы Y 1 ( t ) (рис. 1, г), сдвинутые относительно сигнала Х _С( t ) на угол а _С = –90 эл. град. Выходной сигнал Y И1 ( t ) (рис. 1, г) интегратора РП1 имеет форму синусоиды и является сигналом синхронизации для РП2.

Перевод РП2 в режим синхронизации с РП1 позволяет получить на выходе второго интегратора гармоническое воздействие Y _И2( t ), сдвинутое относительно сигнала Х _С( t ) на величину –180 эл. град (рис. 1, в–д), что является инверсией соответствующей фазы напряжения сети.

Таким образом, с помощью каналов синхронизации « А », « В », « С » (рис. 1, а) формируется инверсная по отношению к последовательности фаз А , В , С (рис. 3, а) система напряжений А , В , С (рис. 3, б).

Компараторы К1, К3, К5 попарно сравнивают напряжения фаз С - А , А - В и В - С (рис. 3, б) соответственно и формируют на выходе импульсы « с - а » (рис. 3, в), « a - b » (рис. 3, е) и « b - c » (рис. 3, и). Компараторы К2, К4 и К6 формируют сигналы « а », « b », « c » (рис. 3, г, ж, к), фиксирующие моменты времени перехода соответствующей фазой А , В , С через нулевой уровень (рис. 3, б).

Далее, с помощью логических элементов Л1– Л3 функции «2И» (рис. 1, а) полученные сигналы сравниваются, в результате чего на выходах 1…3 УС формируются импульсы «1–2», «3–4», «5–6» (рис. 3, д, з, л), длительность которых ограничена точками естественной коммутации 1–2, 3–4, 5–6 системы напряжений А , В , С (рис. 3, а), т.е. диапазоном регулирования угла управления силовыми вентилями трехфазного ВП с нулевым выводом. Например, для синхронизации реверсивного мостового ВП можно воспользоваться непосредствен-

Рис. 3. Временные диаграммы сигналов интегрирующего устройства синхронизации с псевдоследящей фиксацией точек естественной коммутации напряжения сети

но сигналами « с - а », « а - b », « b - c » (рис. 3, а, в, е, и), а однофазный ВП может работать с выходным сигналом соответствующего из компараторов К2, К4, К6 (рис. 3, а, г, ж, к).

Практические рекомендации

Очевидно, что при колебаниях амплитуды напряжения сети (рис. 3, а) система синхронизации будет отслеживать положение точек естественной коммутации фаз А, В, С с запаздыванием, обусловленным инерционностью каскада РП1– РП2 (рис. 1, б). Поэтому с этих позиций существенно увеличивать глубину синхронизации АС развертывающих преобразователей РП1, РП2 нецелесообразно. С другой стороны, ослабление фильтрующих свойств РП1, РП2 за счет умень- шения величины АС чревато снижением помехоустойчивости ВП и возникновением потенциальной опасности его аварийного отключения из-за импульсных помех со стороны источника электроснабжения. Поэтому величина АС для РП1 и РП2 оптимизируется в период пуско-наладочных работ на объекте. Как показала практика, для РП1 глубина синхронизации составляет порядка А С = 2,5 - 4,0 . Для сильно искаженных сетей эта величина может доходить до АС = 10,0 . Что касается РП2, то его синхронизация обычно находится на уровне А С = 1,7 - 2,0. Объясняется это тем, что гармонический сигнал YИ1(t) (рис. 1, г) оказывается в достаточной степени сглаженный первым РП и нет смысла неоправданно увеличивать постоянную времени всего каскада синхронизации РП1–РП2.

Недостатком рассмотренного УС является его псевдоследящий режим, когда положение точек естественной коммутации отслеживается не по исходной системе напряжений А , В , С , а после ее преобразования в систему А , В , С . Это делает малопригодным данный принцип синхронизации на объектах с проблемной «сетью», где колебания амплитуды фазных напряжений могут сопровождаться девиацией частоты напряжения сети. В этом случае можно попытаться решить проблему за счет УС прямого слежения за точками естественной коммутации [25], которое, естественно, уступает рассмотренному УС по уровню своей помехоустойчивости.

Выводы

• 1.    Рассмотрена структура УС с псевдоследящей фиксацией точек естественной коммутации напряжения сети, в основе которой лежит принцип интегрирующего развертывающего преобразования. Проведено моделирование УС и получены рекомендации по выбору соотношения частоты собственных автоколебаний развертывающего преобразователя и частоты напряжения сети.

• 2.    Показано, что УС обладает свойством адаптации к колебаниям амплитуды напряжения сети, а также объяснены причины, по которым данный тип УС не рекомендуется использовать в системах управления с питанием от автономных источников электроснабжения, где «просадки» напряжения сети могут сопровождаться нестабильностью его частоты.

• 3.    Даны практические рекомендации по выбору параметров УС и рациональным областям его применения.