Устройство для регулирования электрической мощности переменного тока

 

Использование: изобретение относится к электротехнике. Сущность изобретения: устройство содержит последовательно соединенные нагрузку и тиристорный исполнительный орган, подключенный через блок включения к выходу компаратора. Первый вход компаратора подключен к задатчику и двухвходовому умножителю аналоговых сигналов. Новым в устройстве является наличие преобразователя среднеквадратического значения. Кроме того, генератор треугольного напряжения включает в себя аналоговый инвертирующий интегратор, операционный усилитель и электронный однополюсный переключатель на два направления. За счет новых элементов и связей расширяются функциональные возможности. 3 ил.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в различных электронагревательных устройствах с резистивными нагревательными элементами.

Известно устройство для регулирования мощности, содержащее трансформатор, первичная обмотка которого подключена к выводам для подключения сети, а вторичная обмотка через выпрямительный мост к входу первого формирователя импульсов, выход которого через первый вход логического элемента И-НЕ соединен со счетным входом счетчика, одновибратор, схему запуска, выход которой соединен с входами управления тиристоров, включенных между выводами для подключения сети и выходными выводами, блок задания кода, второй формирователь импульсов и элемент задержки, причем R-вход счетчика соединен с прямым выходом одновибратора, инверсный выход которого соединен с входом схемы запуска, через второй формирователь импульсов с входом записи счетчика и через элемент задержки с вторым входом логического элемента И-НЕ, информационные входы счетчика соединены с выходом блока задания кода, а выход счетчика с входом одновибратора [1] Недостатком известного устройства является зависимость мощности от изменения напряжения силовой сети, так как параметры регулирования длительности включенного и выключенного состояния тиристоров не зависят от величины сетевого напряжения.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является выбранное в качестве прототипа устройство для регулирования электрической мощности переменного тока, содержащее последовательно соединенные нагрузку, выводы для подключения сети, выводы для подключения нагрузки и тиристорный исполнительный орган, подключенный входом управления через блок включения к выходу компаратора, первый вход которого подключен к задатчику, и двухвходовый умножитель аналогичных сигналов [2] Недостатком известного устройства является ограничение функциональных возможностей, то есть необходимо согласовывать входные цепи измерительного преобразователя мгновенной мощности с нагрузкой при использовании устройства в различных нагревательных устройствах с существенно отличающимися сопротивлениями нагревательных элементов, необходимо подбирать измерительные шунты по току. Другим недостатком устройства является обязательное использование силового согласующего трансформатора для обеспечения гальванической развязки входных цепей измерительного преобразователя мгновенной мощности от силовой цепи, что неоправданно усложняет устройство в случае допустимости подключения нагрузки непосредственно к силовой цепи.

Цель изобретения расширение функциональных возможностей и упрощение схемы устройства для регулирования электрической мощности переменного тока.

В устройство для регулирования электрической мощности переменного тока, содержащее последовательно соединенные нагрузку, выводы для подключения сети, выводы для подключения нагрузки и тиристорный исполнительный орган, подключенный входом управления через блок включения к выходу компаратора, первый вход которого подключен к задатчику, и двухвходовый умножитель аналогичных сигналов, введен преобразователь среднеквадратичного значения, вход которого подключен к выводам для подключения сети, а выход к объединенным входам двухвходового умножителя аналогичных сигналов, выход которого соединен с входом генератора треугольного напряжения, включающего в себя аналоговый инвертирующий интегратор, операционный усилитель и электронный однополюсный переключатель на два направления, размыкающий вывод которого является входом генератора треугольного напряжения, замыкающий вывод подключен к первому входу интегратора и к общей шине, управляющий вход подключен к второму входу интегратора и к выходу операционного усилителя, а общий вывод к инвертирующему входу операционного усилителя, неинвертирующий вход которого подсоединен к выходу интегратора и к выходу генератора треугольного напряжения, который соединен с вторым входом компаратора.

На фиг. 1 и 2 представлены функциональные схемы устройства для регулирования электрической мощности переменного тока и входящего в него генератора треугольного импульса; на фиг. 3 представлены временные диаграммы работы широтно-импульсного модулятора с управляемой амплитудой, в состав которого входит генератор треугольного напряжения, своим выходом соединенный с вторым входом компаратора.

Устройство для регулирования электрической мощности переменного тока (фиг. 1) содержит силовую цепь, состоящую из последовательно соединенных нагрузки 1 и тиристорного исполнительного органа 2, подключенного к выводам 3, 4 (фазному и нулевому) силовой сети, блок 5 включения тиристорного исполнительного органа 2, компаратор 6, задатчик 7, генератор 8 треугольного напряжения, двухвходовый умножитель 9 аналоговых сигналов и преобразователь 10 среднеквадратического значения.

Генератор 8 треугольного напряжения (фиг. 2) содержит аналоговый инвертирующий интегратор 11, операционный усилитель 12, электронный однополюсный переключатель 13 на два направления, выводы 14, 15 для подключения входного управляющего сигнала и для съема выходного сигнала. На диаграмме 16 (фиг. 3) показаны входной 18 и выходной 19 сигналы генератора 8 треугольного напряжения, а также сигнал 20 на выходе задатчика 7. На диаграмме 17 (фиг. 3) показан выходной сигнал компаратора 6, представляющий собой широтно-импульсный сигнал с периодом 21 и временем включения 22 для двух уровней входного сигнала 18 генератора 8 треугольного напряжения.

Устройство для регулирования электрической мощности переменного тока работает следующим образом.

На нагрузку 1 через тиристорный исполнительный орган 2 подается переменное напряжение с выводов 3, 4 силовой сети в течение времени включения Т_вкл, являющегося частью периода Т работы (отрезки времени 22 и 21 соответственно на диаграмме 17). При этом средняя за период Т мощность Р_ср, выделяемая в виде теплоты на нагрузке 1, определяется выражением P_ср= P_max (1) где P_max мощность, рассеиваемая в нагрузке 1 при постоянном ее подключении к силовой сети. В свою очередь, максимальная мощность определяется выражением P_max= (2) где R_н активное сопротивление нагрузки 1; U_c эффективное или среднеквадратическое значение напряжения силовой сети.

Сигнал включения формируется на выходе компаратора 6 широтно-импульсного модулятора и поступает через блок 5 включения на управляющий вход тиристорного исполнительного органа 2.

Временные соотношения в широтно-импульсном сигнале на выходе компаратора 6 определяются из пропорции где U_упр сигнал 18 на выходе генератора 8 треугольного напряжения; U₃ сигнал 20 на выходе задатчика 7, то есть (3) Сигнал U_упр формируется с помощью преобразователя 10 среднеквадратического значения и двухвходового умножителя 9 аналоговых сигналов в соответствии с выражением
U_упр= , (4) где U_о опорный сигнал, необходимый для работы двухвходового умножителя аналоговых сигналов.

Преобразователь 10 среднеквадратического значения создает на своем выходе постоянное напряжение, прямо пропорциональное среднеквадратическому значению сетевого напряжения.

Подставив выражения (2) и (3) в (1), получим:
P_ср= · , а с учетом выражения (4)
P_ср= · · U_o
или
P_ср= (5)
Из выражения (5) следует, что средняя мощность на выходе устройства не зависит от величины и формы сетевого напряжения.

Генератор 8 треугольного напряжения работает следующим образом.

В первый момент после включения питания конденсатор аналогового инвертирующего интегратора 11 разряжен, то есть на выводе 15 значение напряжения, близкое к нулю. На выходе усилителя 12 также фиксируется низкий потенциал, что соответствует состоянию электронного однополюсного переключателя 13. При этом на инвертирующий вход операционного усилителя 12 подано положительное напряжение с вывода 14 генератора 8 треугольного напряжения U_упр. После установления напряжения питания на выходе операционного усилителя 12 на входе аналогового инвертирующего интегратора 11 будет максимальное отрицательное напряжение U_min. Вследствие этого напряжение на выводе 15 будет нарастать в соответствии с выражением
U_iC · T_i, (6) где R и С параметры аналогового инвертирующего интегратора 11;
U_i мгновенное напряжение на конденсаторе С;
T_i текущее время.

В момент равенства выходного напряжения 19 входному напряжению 18, то есть при U_i U_упр, происходит скачкообразное изменение напряжения на выходе операционного усилителя 12 с отрицательного значения U_min на положительное U_max. Также при этом происходит изменение состояния электронного однополюсного переключателя 13. Вследствие этого на инвертирующий вход операционного усилителя 12 подается нулевое напряжение, а на вход аналогового инвертирующего интегратора 11 максимальное положительное напряжение U_max и напряжение на выводе 15 начинает спадать до нуля. Далее процесс повторяется.

Время спада Т_сп из выражения (6) равно
T_сп= RC (7)
Аналогично получается время нарастания Т_нр.

T_нр= RC (8)
Период работы генератора 8 треугольного напряжения равен
Т Т_сп + Т_нр или
T U_упрRC +
(9)
В данном генераторе 8 треугольного напряжения период 21 и амплитуда колебаний треугольного напряжения 19 прямо пропорциональны управляющему напряжению 18. Это обеспечивает совместно с преобразователем 10 среднеквадратического значения и двухвходовым умножителем 9 аналоговых сигналов нужное изменение скважности импульсов или периода колебаний 21.

Например, при увеличении управляющего напряжения 18 период 21 также увеличивается при неизменном времени включения 22. Следовательно, средняя мощность остается неизменной в соответствии с выражением (5).

Параметры U₃ и U₀ в выражении (5) являются постоянными для данного устройства. Регулируемая мощность Р_ср зависит только от сопротивления нагрузки R_н, которое может быть выбрано любым без изменения параметров самого устройства. Это обеспечивает возможность использования данного устройства с различными нагревательными элементами, допускающими непосредственное подключение к силовой сети. При этом тиристорный исполнительный орган 2 должен обеспечить безаварийную коммутацию выбранного нагревательного элемента.

Область применения устройства расширяется, и исключается необходимость использования измерительных шунтов и измерительных средств.

Предлагаемое устройство может быть использовано для ведения прецизионных термотехнологических процессов с использованием систем автоматического управления.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МОЩНОСТИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА, содержащее последовательно соединенные нагрузку, выводы для подключения сети, выводы для подключения нагрузки и тиристорный исполнительный орган, подключенный входом управления через блок включения к выходу компаратора, первый вход которого подключен к задатчику, и двухвходовый умножитель аналоговых сигналов, отличающееся тем, что в него введен преобразователь среднеквадратического значения, вход которого подключен к выводам для подключения сети, а выход к объединенным входам двухвходового умножителя аналоговых сигналов, выход которого соединен с входом генератора треугольного напряжения, включающего в себя аналоговый инвертирующий интегратор, операционный усилитель и электронный однополюсный переключатель на два направления, размыкающий вывод которого является входом генератора треугольного напряжения, замыкающий вывод подключен к первому входу интегратора и к общей шине, управляющий вход подключен к второму входу интегратора и к выходу операционного усилителя, а общий вывод к инвертирующему входу операционного усилителя, неинвертирующий вход которого подсоединен к выходам интегратора и генератора треугольного напряжения, который соединен с вторым входом компаратора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3