Устройство автоматической точной синхронизации на элементах микроэлектроники

Структурная схема устройства синхронизации генераторов приведена на рис. 3.12.

Питание устройства производится стабилизированным напряже­нием 5 В и нестабилизированным напряжением 27 В. Последнее используется для питания выходных усилителей с реле, контакты которых являются выхо­дами устройства. Указанные напряжения формируются узлом питания, на вход которого при включении устройства поступает напряжение работающего генератора.

Узел питания состоит из трансформатора и источника стабилизи­рованного напряжения 5 В и нестабилизированного напряжения 27 В. На входы идентичных трансформаторов TV1 и TV2 подаются соответственно напря­жения работающего и подключаемого генераторов.

Трансформаторы TV1 и TV2 служат для преобразования входных напряжений в сигналы, необ­ходимые для работы устройства, а также для гальванической развязки схемы устройства от источников входных напряжений. С первых выходов (с одно­именных вторичных обмоток) трансформаторов напряжения поступают на входы блока контроля Du, где Du – разность напряжений синхронизируемых генераторов. На выходе этого блока, соединенном с одним из входов блока синхронизации, имеет место сигнал «Du в норме» в виде логической 1, если Du не превышает допустимого предела. В противном случае на этом выходе имеет место логический 0, который, поступая в блок синхронизации, запре­щает выдачу устройством сигнала на включение автоматического выключа­теля.

Со вторых выходов трансформаторов TV1 и TV2 (с одноименных вторич­ных обмоток) сигналы поступают соответственно на идентичные преоб­разователи U1 и U2, каждый из которых формирует два вида выходных сигналов. На первом выходе преобразователя U1 (U2) имеет место последова­тельность положительных импульсов с длительностью, равной половине пе­риода напряжения работающего (подключаемого) генератора, и периодом по­вторения, равным периоду этого напряжения. Указанная последовательность поступает в блок синхронизации. На втором выходе преобразователя U1 (U2) имеет место последовательность коротких положительных импульсов с пе­риодом повторения, равным периоду напряжения работающего (подключае­мого) генератора, поступающая в блок подгонки частоты.

В прибор входят также генератор импульсов G1 частотой 50 кГц с кварце­вой стабилизацией, состоящий из кварцевого генератора частотой 100 кГц и счетного триггера, который делит частоту пополам. Эти импульсы по­ступают в блоки синхронизации и подгонки частоты.

Формирователь F1 формирует при включении питания отрицательный импульс, устанавливающий триггеры, входящие в блоки синхронизации и подгонки частоты, в исходное положение 0.

Блок подгонки частоты в зависимости от абсолютной величины и знака Df формирует выходные сигналы на повышение или понижение частоты под­ключаемого генератора, воздействующие на серводвигатель генераторного агрегата, либо сигнал «Df в норме». Последний поступает в блок синхрониза­ции в виде логической 1, если Df находится в норме. Если Df не в норме, то поступает сигнал в виде логического 0 на вход блока синхрониза­ции, запрещающего выдачу блоком сигнала на включение автоматического выключателя.

Блок синхронизации создает в требуемый момент времени вы­ходной сигнал на включение автоматического выключателя, т.е. на включение генератора на параллельную работу, если Du и Df находятся в норме. В уст­ройстве предусмотрена также блокировка сигналов на повышение или пони­жение частоты при наличии сигнала на включение автоматического выключа­теля.

Блок контроля разности напряжений. Схема блока приве­дена на рис. 3.13.

Напряжение со вторичной обмотки трансформатора TV1, пропорциональное напряжению работающего генератора, выпрямляется мос­том из диодов VD1-VD4 и фильтруется конденсаторами С1, С3 и резистором R3. В результате на резисторе R5 образуется постоянное напряжение, пропор­циональное амплитуде напряжения работающего генератора.

Напряжение со вторичной обмотки трансформатора TV2, пропорциональное напряжению подключаемого генератора, выпрямляется мостом из диодов VD5-VD8 и фильтруется конденсаторами С2, С4 и резистором R4. В результате на рези­сторе R6 образуется постоянное напряжение, пропорциональное амплитуде напряжения подключаемого генератора.

Отметим, что трансформаторы TV1 и TV2 идентичны и что у них используются одноименные обмотки. Напряжения на резисторах R5 и R6 включены навстречу друг другу, образуя в итоге на­пряжение, пропорциональное разности напряжений работающего и подклю­чаемого генераторов. Это напряжение поступает на вход моста из диодов VD9…VD12, на выходе которого образуется напряжение, пропорциональное абсолютной величине разности напряжений работающего и подключаемого генераторов. Переменные резисторы R1 и R2 служат для симметрирования схемы.

Далее Du поступает на вход триггера Шмитта ТШ1. Если Du находится в норме, то на выходе ТШ1, являющегося выходом блока, имеет место логиче­ский 0. Если же Du превышает заданную уставку, то ТШ1 опрокидывается и на выходе блока устанавливается логическая 1.

Блок подгонки частоты (рис. 3.14). Блок подгонки частоты формирует сигнал на подгонку частоты подключаемого генератора к частоте работаю­щего генератора, если разность их частот лежит вне интервала 0,2 Гц < Df < 0,6 Гц , что обеспечивает синхронизацию «сверху». Если Df £ 0,2 Гц, то выда­ется сигнал на увеличение частоты, если же Df ³ 0,6 Гц, то выдается сигнал на уменьшение частоты. При Df < -0 ,4 Гц или Df > 1,2 Гц блок выдает непре­рывный сигнал на подгонку частоты. Если же -0,4 Гц £ Df £ 0,2 Гц или 0,6 Гц £ D f £ 1,2 Гц, то блок выдает импульсный сигнал на подгонку частоты. Если частота в диапазоне от 0,2 Гц до 0,6 Гц, то сигнал на подгонку частоты отсут­ствует и в блок синхронизации выдается сигнал « Df в норме».

Блок синхронизации (рис. 3.15). Задачей блока синхронизации является создание при соблюдении всех условий синхронизации выходного сигнала на включение автоматического выключателя, непосредственно осуществляю­щего включение генератора на параллельную работу, в такой момент времени, когда сдвиг фаз между напряжениями синхронизируемых генераторов не пре­вышает 10^о. При этом момент появления выходного сигнала блока должен опережать момент совпадения фаз напряжений генераторов, так как время срабатывания автоматического выключателя составляет 0,05 с. Следует также иметь в виду, что после формирования выходного сигнала электронной схемой синхронизации должно срабатывать выходное реле этого блока, время сраба­тывания которого составляет 0,01 с. Таким образом, фактический сдвиг фаз между напряжениями синхронизируемых генераторов в момент включения их на параллельную работу отличается от сдвига их фаз в момент выработки вы­ходного сигнала электронной схемой блока, так как между этими моментами существует интервал времени 0,06 с.

Исходной информацией для определения момента выработки сигнала на подключение генератора является последовательность импульсов, получаемая следующим образом. Напряжение работающего и подключаемого генераторов преобразуется соответственно в последовательности прямоугольных импуль­сов а1 и а2, в которых импульсу соответствует положительный, а в паузе - отрицательный полупериод напряжения (рис.3.16).

Эти две последовательности подаются на логику «исключающее или» (неравнозначности), собранную на элементах И1, И2, И3, НЕ1, НЕ2, в блоке синхронизации. В соответствии с законами работы этой логики на выходе ее будет последовательность прямоугольных импульсов ряда А. Эта последова­тельность, которую условно можно определить как биения, представленные в дискретной форме, - периодическая, с периодом, равным периоду биений. Длительность импульсов последовательности А в пределах ее периода возрас­тает от минимума до максимума (восходящая ветвь последовательности А), а затем уменьшается снова до минимума (нисходящая ветвь последовательно­сти А).

При этом минимальная длительность импульса соответствует окрест­ности момента совпадения фаз напряжений генераторов, а максимальная – окрестности момента нахождения их в противофазе.

Длительности каждого импульса последовательности А соответствует определенный сдвиг фаз между напряжениями синхронизируемых генерато­ров. Поэтому измеряя длительность импульса, мы измеряем сдвиг фаз между напряжениями синхронизируемых генераторов.

Таким образом, принцип действия схемы блока синхронизации заключа­ется в следующем. Схема формирует последовательность импульсов А, измеряет длительность очередного импульса этой последовательности, т.е. угол сдвига фаз определяет, на какой ветви восходящей или нисходящей этой последовательности он находится, сравнивает результат измерения с заданной уставкой и формирует выходной сигнал на включение автоматического вы­ключателя, т.е. на включение генератора на параллельную работу при соблюдении всех необходимых условий. В противном случае выходной сигнал не формируется. После окончания измерения длительности очередного импульса последовательности А и анализа его результатов схема создает сигнал, приво­дящий ее в исходное состояние, и с приходом следующего импульса этой по­следовательности процесс повторяется. Таким образом, схема работает повто­ряющимися циклами.

Измерение длительностей импульсов (сдвига фаз) произ­водится путем заполнения их высокочастотными импульсами эталонной час­тоты 50 кГц и подсчета их числа с помощью счетчика импульсов. Сравнение измеренной длительности импульса с уставкой производится с помощью дешифратора.

Как было указано выше, импульс на подключение генератора на парал­лельную работу формируется за 60 мс (время срабатывания реле и автомати­ческого выключателя) до момента совпадения фаз синхронизируемых генера­торов, что обеспечит угол между одноименными фазами генераторов a£ 10⁰ в момент подключения генератора. Длительность импульса последовательности А в момент выработки команды на включение генератора лежит в диапазоне 16…39. В этот отрезок времени уложится от 16 до 39 импульсов эталонной частоты 50 кГц в зависимости от Df , которая должна находится в пределах от 0,2 до 0,6 Гц. Только при такой разности частот подключаемого и работаю­щего генераторов блок подгонки частоты выдаст разрешение на подключение генератора.

Когда длительность очередного импульса последовательности А достиг­нет 39 или ближайшего меньшего значения, находящегося в пределах задан­ного диапазона уставки, электронная схема формирует выходной сигнал на выходе дешифратора ДШ1.

Уставка в виде диапазона чисел выбрана для того, чтобы обеспечить создание блоком выходного сигнала в том случае, если из-за случайного сбоя блок не сработает после того, как длительность импульса последовательности А достигнет верхней границы уставки.

В схеме предусмотрена еще одна мера защиты от возможного ложного срабатывания блока. Если по какой-нибудь случайной причине не произошло подключение генератора на спадающем участке напряжения биения, напри­мер, запретный сигнал с блока подгонки частоты или с блока контроля напря­жения, то может произойти ложное срабатывание на восходящем участке характеристики напряжения биения. Во избежание этого в каждом цикле работы в зоне, где длительность импульсов последовательности А меньше нижней границы допустимых значений (выход 1…15 ДШ1), через И6, И7, НЕ6 произ­водится установка в положение 0 триггера Т1, который при этом дает сигнал запрета на срабатывание блока до первого цикла с переполнением СЧ1. При этом сохра­няется возможность срабатывания блока при измерении длительности оче­редного импульса, находящейся в заданных пределах.

Схема блока синхронизации на рис 3.15 работает следующим образом. При включении питания от F1 поступает отрицательный импульс, устанавли­вающий в положение 0 через И4, НЕ3, ЭЗ1 счетчик импульсов СЧ1, через И4, НЕ3, ЭЗ1, ЭЗ2 – RS-триггеры Т1 и Т2. При этом выходной сигнал блока от­сутствует. После окончания импульса уставки в этой линии, соединенной с первыми входами И4, И7, постоянно присутствует логическая 1 на входе от F1. Прямоугольные импульсы последовательности А поступают на логику И5 (И-НЕ). На втором входе этой логики все время присутствуют импульсы с частотой 50 кГц от генератора стабилизированной частоты. Импульсы стаби­лизированной частоты проходят через логику И-НЕ только во время сущест­вования импульса последовательности А на втором входе этой логики. Для того чтобы определить длительность импульса последовательности А, сигнал с логики И-НЕ после инверсии поступает на вход счетчика СЧ1. С оконча­нием импульса последовательности А на СЧ1 оказывается записанным число, соответствующее его длительности, т.е. углу сдвига напряжений синхронизи­руемых генераторов.

Со счетчика информация поступает на дешифратор. Если угол сдвига фаз находится в норме, то на выходе ДШ1 16…39 образу­ется логическая 1, а в противном случае - логический 0.

Для повышения помехоустойчивости схемы на первом входе И8 почти все время присутствует логический 0, запрещающий создание выходного сиг­нала. Только после окончания измерения импульса последовательности А, ко­гда на выходе И3 возникает перепад напряжений от логической 1 до логиче­ского 0, на выходе F1 образуется отрицательный импульс (логический 0) дли­тельностью несколько микросекунд, который инвертируется элементом НЕ7. Таким образом, на первом входе И8, соединенном с выходом НЕ7, образуется короткий положительный импульс (логическая 1), разрешающий формирова­ние выходного сигнала только на время своей длительности.

Так как блок включается в произвольный момент времени, возможно его лож­ное срабатывание, если включение произойдет после момента, соответст­вующего нулю сдвига фаз, но достаточно близко от этого момента и на восхо­дящем участке напряжения биения. Чтобы избежать этого, введен триггер Т1. Триггер, установленный в нулевое положение по команде от внешнего блока F1, своим прямым выходом заблокирует команду на подключения генератора при включении синхронизатора в работу. Для того чтобы выставить 1 на его пря­мом выходе, необходимо переполнение счетчика, так как вход S триггера со­единен с инверсным выходом переполнения счетчика. А переполнение счет­чика происходит, когда длительность импульса последовательности А велика, т.е. когда синхронизируемые генераторы находятся в противофазе, тогда на­пряжение биения достигает максимума. Генератор после этого переходит на спадающий участок характеристики напряжения биения, и при длительности импульса последовательности А равной 16...39 можно формировать команду на под­ключение генератора.

В циклах, где имеет место переполнение счетчика, возможна ситуация, когда в результате измерения на выходе 16…39 ДШ1 будет логическая 1, т.е. длительность импульса последовательности А определится в этом случае как модуль счетчика плюс 16…39. Очевидно, что в этом случае команда на под­ключение генератора не должна проходить, но на выходе 16…39 будет логи­ческая 1. Чтобы избежать ложного выходного сигнала в этом случае, введен триггер Т2, который при переполнении счетчика установится в состояние 1. При этом с инверсного выхода Т2 поступает запрет на срабатывание блока в виде логического 0, приходящего на четвертый вход И8. По окончании каж­дого цикла Т2 устанавливается в положение 0, и запрет на срабатывание блока с его инверсного выхода не поступает.