Подгонка напряжения генератора к напряжению сети при автоматической точной синхронизации и самосинхронизации осуществляется блоком подгонки (ПУН). После окончания подгонки ПУН выдает соответствующий сигнал.
Суммирование и усиление сигналов регулирования и стабилизации происходят на блоке усиления (БУ). Его выходной сигнал является выходом АРВ, поэтому БУ осуществляет гальваническую развязку между цепями АРВ и системы управления тиристорным преобразователем (СУТ).
3. Типовые узлы регулятора
Блоки АРВ-СДП1 спроектированы из ряда типовых узлов. Рассмотрим наиболее характерные из них.
Синхронный фильтр
Синхронный фильтр (СФ) предназначен для формирования аналогового сигнала, равного среднему значению входного напряжения. При этом он подавляет переменную составляющую входного напряжения частоты, равной частоте сигнала управления и кратной ей. Фильтр состоит из операционного усилителя, собранного по схеме интегратора, и трех транзисторов (рис. 4.2). Транзистор Т1 работает в режиме ключа и управляется от Т2. На двойном транзисторе ТЗ собран истоковый повторитель.
Синхронный фильтр
Рассмотрим работу СФ при скачкообразном изменении входного напряжения, произошедшем в середине периода управляющего сигнала (момент времени t0, рис. 4.3).
В исходном состоянии (t <t0) ток, протекающий по цепи R5-R6 - R8, создает положительное падение напряжения на базе транзистора Т2 по отношению к его эмиттеру. При этом Т2 открыт и отрицательное напряжение источника питания поступает на затвор транзистора 77, тем самым запирая его. Закрытое состояние Т1 соответствует разомкнутому состоянию ключа. В этом случае отсутствует цепь заряда и разряда конденсатора СЗ и его напряжение остается неизменным при изменении входного напряжения и напряжения интегратора. В момент времени t0, соответствующий фронту входного сигнала, операционный усилитель начинает интегрировать. В момент времени t1, соответствующий изменению полярности управляющего сигнала с положительной на отрицательную, импульс отрицательной полярности запирает транзистор Т2. Напряжения на истоке и затворе T1 становятся равными, и ключ замыкается. Происходит заряд конденсатора СЗ через резистор R4 до напряжения интегратора. Очевидно, что заряд СЗ произойдет до указанной величины только в том случае, если постоянная времени заряда, равная T3 = R4C3, будет меньше 4-кратной длительности импульса, определяемой параметрами дифференцирующей цепи C2-R5-R6-R8. Напряжение на истоке транзистора ТЗ (выход синхронного фильтра) повторяет напряжение конденсатора СЗ. Следовательно, в момент времени t1 будет справедливо равенство
где ф - период управляющего сигнала.
Временные диаграммы работы синхронного фильтра
На интервале времени [t1, t2] интегрируется алгебраическая сумма входного и выходного напряжений, и в момент времени t2, когда произойдет очередное замыкание ключа T1, будет справедливо новое равенство
Постоянная времени интегратора равна периоду управляющего сигнала
При этих условиях в момент времени t2 амплитуды входного и выходного сигналов станут равными.
В дальнейшем выходное напряжение меняться не будет, так как прекратится процесс интегрирования ввиду равенства нулю подынтегральной функции.
Особый интерес вызывает многофазный синхронный фильтр, представляющий собой совокупность синхронных фильтров, на вход которых подается одинаковое напряжение, а фазы управляющих сигналов сдвинуты на 2р/n (n - число фаз). Очевидно, что передаточная функция многофазного дискретизатора, определенная как реакция на единичный входной сигнал, имеет вид:
Амплитудно-фазочастотная характеристика синхронного фильтра
Точками отмечены результаты эксперимента.
Передаточная функция интегратора, входящего в состав синхронного фильтра, определенная аналогичным образом, может быть записана в виде:
Передаточная функция многофазного синхронного фильтра будет иметь вид:
Сравнение расчетной частотной характеристики СФ с экспериментальной (рис. 4.4) показывает, что они отличаются не более чем на 2% по амплитуде и 3° по фазе. Это различие можно объяснить разбросом параметров элементов, входящих в схему.
Фазочувствительный выпрямитель
В состав фазочувствительного выпрямителя (ФЧВ) входят операционный блок и четыре транзистора: ТЗ и Т4 работают в ключевом режиме и управляются транзисторами Т1 и Т2 соответственно (рис. 4.5).
При наличии на управляющем входе напряжения отрицательной полярности на базе T1 будет отрицательный потенциал по отношению к эмиттеру. Он открывает транзистор. При этом напряжения затвора и истока ТЗ становятся равными и ключ, собранный на ТЗ, замыкается. Ток по цепи эмиттер-коллектор Т1-R3-R4 вызывает положительное падение напряжения на базе Т2 относительно его эмиттера. Транзистор Т2 открывается, и отрицательный потенциал поступает на затвор Т4. При этом ключ, собранный на Т4, разомкнется. Замкнутому ключу ТЗ и разомкнутому Т4 соответствует коэффициент передачи операционного усилителя К = - R8/R6.
Положительное напряжение на управляющем входе запирает транзистор Т1. Напряжение отрицательной полярности через резисторы R4, R3 поступает на затвор ТЗ. Ключ на транзисторе ТЗ размыкается. При отсутствии тока в резисторе R4 напряжения базы и эмиттера Т2 становятся равными; Т2 запирается. Отсутствие тока через него уравнивает потенциалы истока и затвора Т4, и ключ, собранный на нем, замыкается. Разомкнутому ключу ТЗ и замкнутому ключу Т4 соответствует коэффициент передачи операционного усилителя
Номиналы резисторов R8 и R6 выбраны равными. В этом случае:
Управляемый интегратор
Управляемый интегратор (ИНТ) формирует сигнал, пропорциональный величине определенного интеграла входного напряжения на интервале времени между двумя управляющими импульсами. ИНТ собран на операционном усилителе и двух транзисторах (рис. 4.6). Входной сдгнал через сопротивление R3 подается на инвертирующий вход усилителя; управляющее напряжение через R1 поступает на базу Т1. Сигнал управления положительной полярности, создавая положительное падение напряжения базы Т1 относительно эмиттера, открывает его. Отрицательное напряжение источника питания через эмиттер-коллектор Т1 поступает на затвор Т2, собранного по схеме ключа. Отрицательное напряжение затвора размыкает ключ, и операционный усилитель становится интегратором, т.е.
При отрицательном напряжении управления Т1 закрывается, и положительное напряжение источника питания через резистор R5 подается на затвор T2. Положительный потенциал затвора T2 замыкает ключ, закорачивая тем самым вход и выход операционного усилителя. В этом случае
Таким образом, в зависимости от полярности управляющего сигнала рассмотренное устройство осуществляет интегрирование входного напряжения или обнуление выходного сигнала.
Быстродействующее запоминающее устройство
В состав быстродействующего запоминающего устройства (БЗУ) входит операционный усилитель и три транзистора (рис. 4.7). На Т2 собран полупроводниковый ключ, который управляется. Т1. Транзистор с изолированным затвором ТЗ работает в режиме истокового повторителя и служит для увеличения входного сопротивления операционного усилителя.
При отрицательном напряжении управления Т1 закрыт и ключ, собранный на Т2, замкнут. Схема становится эквивалентной апериодическому звену первого порядка:
Через промежуток времени, превышающий три постоянных времени, на выходе усилителя установится напряжение, пропорциональное величине входного сигнала.
При поступлении на управляющий вход напряжения положительной полярности полупроводниковый ключ разомкнется. Напряжение выхода усилителя сохранится и не будет меняться при изменении входного сигнала, так как разомкнутый ключ разорвет цепь разряда конденсатора.
4. Устройство и работа блоков регулятора АРВ-СДП1
синхронный статор уставка регулятор
Блок напряжения
Блок напряжения (БН) формирует аналоговые сигналы, пропорциональные отклонению напряжения статора от заданного значения и первой производной напряжения статора. В его состав входят три компаратора (К1-КЗ), три усилителя (У1-УЗ), три синхронных фильтра (СФ1-СФЗ), интегратор (И) и дифференциатор (Д) (рис. 4.8). На вход поступают синусоидальные напряжения, пропорциональные линейным напряжениям статора, выпрямленное напряжение, среднее значение которого пропорционально среднему значению напряжения статора, а также аналоговые сигналы, формирующие задание. В их число входят: уставка напряжения от БУН и БОР, реактивные токи генератора и группы генераторов от БРТ-1 и БРТ-2, сигнал, пропорциональный частоте от БЧЗ, а также выходное напряжение блока ОМВ. Сигналы, пропорциональные реактивным токам генератора и группы генераторов, необходимы для создания требуемого статизма регулирования. Сигнал, пропорциональный частоте, служит для снижения величины напряжения статора в режиме выбега. Сигналы БОР и ОМВ осуществляют ограничение возбуждения сверху и снизу соответственно. Сигналы, определяющие задание, поступают на вход усилителя У1, где алгебраически суммируются с сигналом, пропорциональным среднему значению напряжения статора. На выходе У1 образуется сигнал, пропорциональный отклонению напряжения статора от заданной величины.
Синусоидальные сигналы линейных напряжений поступают на входы компараторов и преобразуются в симметричные прямоугольные импульсы управления синхронными фильтрами. На вход синхронных фильтров подается выходное напряжение усилителя У1. Выходные сигналы фильтров, пропорциональные отклонению напряжения, суммируются на сумматоре (С). Кроме выходов синхронных фильтров ко входу сумматора подключен выход интегратора. Входы интегратора подключены к выходам усилителей У1, У 2, УЗ, причем выход УЗ (выход БН) поступает на вход интегратора через делитель S. Таким образом формируется напряжение, определяемое при отсутствии сигнала ОМВ уравнением
где К - коэффициент пропорциональности.
Уравнение сумматора и усилителя УЗ имеет вид:
Решив совместно последние два уравнения, получим:
Параметры блока напряжения выбраны таким образом, что К = = К1 = 20 В/е.н., К2 = 1/3, T = 0.044 с.
При положениях переключателя коэффициента усиления сигнала отклонения напряжения «25», «50», «200» значения величии делителя 5 равны 1, 1/2, 1/8 соответственно. Следовательно, при положении переключателя «200»
и осуществляется пропорционально-интегральное регулирование.
При положении переключателя «25»
и обеспечивается пропорциональное регулирование.
Сигнал производной напряжения статора формируется дифференциатором.
Блоки реактивного тока
Блоки реактивного тока (БРТ) формируют аналоговые сигналы, пропорциональные реактивным составляющим тока генератора (БРТ-1) или группы генераторов (БРТ-2). В состав каждого БРТ входят компаратор (К), усилитель (У), фазочувствительный выпрямитель (ФЧВ), два одновибратора (OB1, OB2), быстродействующее запоминающее устройство (БЗУ) и фильтр (Ф) (рис. 4.9). На вход БРТ поступают синусоидальные сигналы, пропорциональные линейному напряжению UAC и фазному току IB:
Компаратор преобразует входное синусоидальное напряжение в симметричные прямоугольные импульсы:
Функциональная схема блока БРТ
где n = 0, 2, 4,… - четные числа натурального рада.
Напряжение выхода усилителя, где осуществляется инвертирование синусоидального сигнала фазного тока, подается на фазочувст-вительный выпрямитель. При этом
Выход ФЧВ поступает на вход управляемого интегратора. В момент времени t= р (n + 1)/щ и напряжение на выходе УИ будет
В момент времени t = р (n + 2)/щ напряжение выхода УИ равно
Таким образом, в моменты перехода линейного напряжения через ноль напряжение на выходе управляемого интегратора будет пропорционально реактивному току. Это фиксируется быстродействующим запоминающим устройством. Рис. 4.10 иллюстрирует работу БРТ при угле сдвига между током и напряжением генератора 90°.
Временные диаграммы работы блока БРТ
Передаточная функция блока для выхода БЗУ определяется как реакция на скачкообразное изменение входного сигнала в момент времени t0 (рис. 4.10). Она имеет вид
где ф - период напряжения и тока.
Блок частоты и защиты
Блок частоты и защиты (БЧЗ) формирует стабилизирующие сигналы отклонения частоты напряжения генератора от установившегося значения и ее первой производной, а также блокирует эти сигналы при аварийном разрыве электропередачи. В него входят: четыре компаратора (KJ-K4), одновибратор (0В), управляемый интегратор (УИ), быстродействующее запоминающее устройство (БЗУ), усилитель (У), разделительное звено (РЗ), три инвертора (И1-ИЗ), дифференциатор (Д) и исполнительное реле (ИР) (рис. 4.11).
На вход К1 подается синусоидальное напряжение, пропорциональное линейному напряжению генератора, где оно преобразуется в симметричные прямоугольные импульсы (рис. 4.12):
где k = 2n + 1, n = 1, 2, 3,… - числа натурального ряда.
С выхода компаратора сигнал поступает на входы управляемого интегратора, К2 и одновибратора. Одновибратор в моменты времени tk формирует импульсы отрицательной полярности длительностью Т, управляющие работой БЗУ. К2 формирует прямоугольные импульсы управления интегратором в соответствии с уравнением
В моменты времени tk напряжение на интеграторе будет пропорционально величине определенного интеграла
где ф - период входного напряжения.
Таким образом, в моменты времени tk напряжение интегратора будет пропорционально периоду входного напряжения. В эти моменты БЗУ запоминает его и хранит на интервале [tk, tk+1].
Выход БЗУ поступает на вход масштабирующего усилителя, исключающего постоянную составляющую входного напряжения при номинальном значении частоты, тем самым формируя сигнал, пропорциональный отклонению периода входного напряжения от номинального значения.
Поскольку T= 1/f, для малых отклонений от номинальных значений периода ДTu и частоты Дfu будет справедливо:
Следовательно, напряжение на выходе усилителя будет пропорционально отклонению частоты напряжения генератора от номинального значения. Далее оно проходит последовательно через разделительное звено, инвертор И1, дифференциатор и инвертор И2, формирующий стабилизирующие сигналы по отклонению частоты от установившегося значения Дfu и ее первой производной f'u.
Обрыв электропередачи характеризуется одновременным нарастанием напряжения, частоты и ее производной. При увеличении напряжения статора выше определенной величины срабатывает компаратор КЗ. Если при этом сигналы частоты и ее производной больше заданных значений, то срабатывает компаратор К4, который включает исполнительное реле, блокирующее выходные сигналы БЧЗ.