Многозонный частотно-широтно-импульсный регулятор переменного напряжения
Владельцы патента RU 2408969:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Уральский государственный университет" (RU)
Устройство относится к области преобразовательной техники и может быть использовано, например, в электронагревательных системах. Многозонный частотно-широтно-импульсный регулятор переменного напряжения содержит последовательно включенные источник сигнала задания, первый сумматор и интегратор, выход которого подключен к входам трех релейных элементов, выходы которых подключены к входам второго сумматора, выход которого соединен со вторым входом первого сумматора. Входы трех компараторов подключены к выходам соответствующих релейных элементов. Устройство содержит три ключевых элемента, каждый из которых включен между источником соответствующей фазы трехфазного источника напряжения и нагрузкой, соединенной по схеме «звезда» с нулевым выводом. Выход второго и третьего компараторов подключены к управляющему входу второго и третьего ключевых элементов соответственно. В устройство введены четвертый компаратор и динамический D-триггер, причем вход четвертого компаратора подключен к силовому входу первого ключевого элемента, а выход четвертого компаратора соединен с С-входом D-триггера, D-вход D-триггера соединен с выходом первого компаратора, а выход D-триггера подключен к управляющему входу первого ключевого элемента. Технический результат - повышенная точность работы за счет формирования в цепи нагрузки «пакета» синусоидального напряжения, состоящего из целого числа периодов напряжения сети. 5 ил.
Изобретение относится к области преобразовательной техники и может быть использовано, например, в электронагревательных системах.
Известен частотно-широтно-импульсный преобразователь, содержащий сумматор, интегратор, релейный элемент и контур обратной связи (SU 698004, G06G 7/12. Опубл. 15.11.79, Бюл. №42).
Устройство работает в режиме частотно-широтно-импульсной модуляции (ЧШИМ) и может использоваться в качестве однозонного регулятора переменного напряжения с комбинированным управлением, когда сочетаются в себе фазовое и ЧШИМ-регулирование переменного напряжения. Подобного рода режимы, например, в мощных регуляторах температуры являются энергетически невыгодными, так как потребляют из сети постоянную составляющую тока. Поэтому известное техническое решение практически не применяется в регуляторах переменного напряжения и характеризуется низкой точностью и ограниченными функциональными возможностями.
Известны тиристорные регуляторы напряжения, которые в каждой фазе содержат встречно-параллельно включенные тиристорные ключи, управляемые от системы импульсно-фазового управления (СИФУ) (Комплекс тиристорных преобразователей для плавного пуска асинхронных электродвигателей // Р.Х.Гафиятуллин, Л.И.Цытович, В.Г.Маурер, P.M.Рахматуллин. Научно-техн. семинар «75 лет отечественной школы электропривода», тезисы докладов, С. Петербург, 1997, - с.50). Недостатком этого устройства является фазовое регулирование работы ключей, что приводит к генерации в сеть высших гармоник, отрицательно сказывающихся на энергетических показателях системы в целом.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является развертывающий усилитель (SU 1183988 Al, G06G 7/12. Опубл. 07.10.85, Бюл. №37).
Устройство-прототип содержит последовательно включенные сигнал задания, сумматор, интегратор, нечетное число n≥3 релейных элементов (в дальнейшем ограничимся числом n=3) и второй сумматор. Построение регулятора переменного напряжения на базе развертывающего усилителя предполагает введение в его структуру трех компараторов и трех ключевых элементов (тиристоров), в каждой из фаз A, B, C сети, а также сопротивления нагрузки, включенные, например, по схеме «звезда».
Компараторы предназначены для преобразования биполярного выходного напряжения релейных элементов в однополярные импульсы. Ключи переходят в замкнутое состояние при наличии на их управляющем входе импульса положительной полярности. При замыкании ключа на его входе появляется «пакет» синусоидального напряжения соответствующей фазы, длительность которого пропорциональна длительности положительного выходного импульса с соответствующего релейного элемента.
Для исключения потребления регулятором постоянной составляющей напряжения сети «пакет» переменного напряжения на нагрузке всегда должен содержать целое число периодов напряжения сети. Недостатком известного технического решения является то, что устройство-прототип не в состоянии обеспечить данное требование из-за несовпадения частот напряжения сети и выходного сигнала развертывающего усилителя. В частности, после переключения первого релейного элемента развертывающего усилителя в отрицательное состояние компаратор, подключенный к его выходу, пропустит на выход «избыточную» положительную полуволну напряжения сети. Одновременно с этим очередное замыкание ключа фазы A происходит в несогласованный с напряжением сети момент времени, что приводит к передаче в цепь нагрузки «усеченной» полуволны напряжения сети.
Таким образом, устройство-прототип характеризуется низкой точностью работы в режиме регулятора переменного напряжения.
Технической задачей изобретения является повышение точности работы многозонного частотно-широтно-импульсного регулятора переменного напряжения.
Поставленная задача достигается за счет того, что в предлагаемый многозонный частотно-широтно-импульсный регулятор переменного напряжения, содержащий последовательно включенные источник сигнала задания, первый сумматор и интегратор, выход которого подключен к входам трех релейных элементов, выходы которых подключены к входам второго сумматора, выход которого соединен со вторым входом первого сумматора, а также три компаратора, входы которых подключены к выходам соответствующих релейных элементов, и три ключевых элемента, каждый из которых включен между источником соответствующей фазы трехфазного источника напряжения и нагрузкой, соединенной по схеме «звезда» с нулевым выводом, выход второго и третьего компараторов подключены к управляющему входу второго и третьего ключевых элементов соответственно, согласно изобретению введены четвертый компаратор и динамический D-триггер, причем вход четвертого компаратора подключен к силовому входу первого ключевого элемента, а выход четвертого компаратора соединен с C-входом D-триггера, D-вход D-триггера соединен с выходом первого компаратора, а выход D-триггера подключен к управляющему входу первого ключевого элемента.
Существенным отличием предлагаемого устройства является его повышенная точность работы.
Особенностью изобретения является то, что в регулятор переменного напряжения введен четвертый компаратор и динамический D-триггер. D-триггер переключается в состояние D-входа при появлении переднего фронта импульса на его C-входе. Четвертый компаратор выделяет положительную полуволну фазы A, выход его подключен на C-вход D-триггера. Выход D-триггера подключен к управляющему входу первого ключевого элемента, поэтому включение или выключение первого ключевого элемента оказывается возможным только с приходом положительной полуволны. Таким образом, обеспечивается формирование в цепи нагрузки «пакета» синусоидального напряжения с целым числом периодов напряжения сети.
Изобретение поясняется чертежами.
Фиг.1 - структурная схема предлагаемого многозонного частотно-широтно-импульсного регулятора переменного напряжения;
Фиг.2а-е - временные диаграммы сигналов развертывающего усилителя;
Фиг.3а, б - временная диаграмма сигнала Yвых(t) на выходе второго сумматора 7 для i-го числа модуляционных зон (фиг.3а) и уравнения для расчета модуляционной и амплитудной характеристики развертывающего усилителя для нечетного числа релейных элементов (фиг.3б);
Фиг.4а-и - временные диаграммы сигналов многозонного частотно-широтно-импульсного регулятора переменного напряжения;
Фиг.5 - временные диаграммы сигналов многозонного частотно-широтно-импульсного регулятора переменного напряжения, полученные в результате моделирования в пакете «Matlab+Simulink».
В состав устройства (фиг.1) входят последовательно включенные источник сигнала задания 1, первый сумматор 2, интегратор 3, три релейных элемента 4, 5, 6, второй сумматор 7, а также компараторы 8, 9, 10, 11, динамический D-триггер 12, ключевые элементы 13, 14, 15, клеммы 16, 17, 18 для подключения фаз A, B, C напряжения сети, клеммы 19, 20, 21 для подключения сопротивлений 22, 23, 24 нагрузки, шина «нуля» 25.
Элементы предлагаемого устройства имеют следующие характеристики:
Сумматоры 2 и 7 имеют линейную неинвертирующую характеристику «вход-выход» и единичный коэффициент передачи по каждому из входов.
Интегратор 3 реализован с передаточной функцией вида W(p)=1/Tиp, где Tи - постоянная времени. При скачке сигнала задания, например, положительной полярности выходной сигнал интегратора 3 изменяется линейно со знаком, противоположным знаку входного воздействия.
Релейные элементы 4, 5, 6 имеют симметричную относительно нуля неинвертирующую петлю гистерезиса и пороги переключения, удовлетворяющие условию |±b1|<|±b2|<|±b3|, где ±b1 - пороги переключения релейного элемента 4, ±b2 - пороги переключения релейного элемента 5, a ±b3 - пороги переключения релейного элемента 6. Выходной сигнал релейных элементов 4, 5, 6 меняется дискретно в пределах ±A/3.
Компараторы 8, 9, 10, 11 переключаются в состояние «1» при положительном сигнале на их входе. В противном случае их выходное напряжение соответствует «0».
D-триггер 12 переключается в состояние D-входа по переднему фронту импульса на C-входе.
Ключи 13, 14, 15 замыкаются при наличии на их управляющем входе сигнала «1».
На фиг.1-5 приняты следующие обозначения:
XВХ - сигнал задания, на выходе источника 1;
- нормированная величина сигнала задания;
Tи - постоянная времени интегратора 3;
Yи(t) - выходной сигнал интегратора 3;
YР1, YР2(t), YР3(t) - выходные сигналы релейных элементов 4, 5 и 6 соответственно;
Yвых(t) - выходной сигнал сумматора 7;
Y0 - среднее значение выходных импульсов сумматора 7;
,
, 
- пороги переключения релейных элементов 4, 5 и 6 соответственно;
- нормированное значение порога переключения b1;
n - количество релейных элементов, причем n≥3 - нечетное число;
Zi=1, 2, 3… порядковый номер модуляционной зоны;
γ=t1/(t1+t2) - скважность импульсов на выходе сумматора 7;
±A - максимальная амплитуда выходного сигнала Yвых(t);
A, B, C - фазы A, B, C напряжения сети;
Rн - сопротивления нагрузки 22, 23, 24.
t0, 
, t01,, t02, t03, t1, t2 - интервалы времени, пояснение для которых дано ниже по тексту, при описании работы устройства.
Принцип работы устройства следующий.
Источник сигнала задания 1, первый сумматор 2, интегратор 3, релейные элементы 4, 5, 6 и второй сумматор 7 в совокупности образуют развертывающий усилитель.
Здесь и далее полагаем, что коэффициент передачи развертывающего усилителя, со стороны информационного входа равен единице, а изменение уровня сигнала задания совпадает с началом очередного цикла развертывающего преобразования (смены знака производной выходного сигнала Yвых(t)).
При включении развертывающего усилителя и нулевом сигнале задания Xвх релейные элементы 4, 5, 6 устанавливаются произвольным образом, например, в состояние +A/3 (фиг.2в-д). Под действием сигнала развертки Yи(t) с выхода интегратора 3 (фиг.2б) происходит последовательное переключение в положение -A/3 релейных элементов 4 и 5 (фиг.2в, г, моменты времени t01, t02), после чего меняется направление развертывающего преобразования, и сигнал Yи(t) на выходе интегратора 3 нарастает в положительном направлении.
Начиная с момента времени выполнения условия Yи(t)=b1, развертывающий усилитель входит в режим устойчивых автоколебаний, когда амплитуда сигнала развертки Yи(t) ограничена зоной неоднозначности релейного элемента 4 (фиг.2б, в), а релейные элементы 5 и 6 находятся в статических и противоположных по знаку выходных сигналов YР2(t), YР3(t) состояниях (фиг.2г, д). Выходная координата Yвых(t) развертывающего усилителя формируется за счет переключений первого релейного элемента 4 (фиг.2в) в первой модуляционной зоне, ограниченной пределами ±A/3 (фиг.2е). При отсутствии Xвх (фиг.2а, t<t0) среднее значение Y0 импульсов Yвых(t) равно нулю (фиг.2е). Наличие сигнала Xвх<(A/3) (фиг.2a, 
) влечет за собой изменение частоты и скважности импульсов Yвых(t), так как в интервале t1 (фиг.2в) развертка Yи(t) (фиг.2б) изменяется под действием разности сигналов, подаваемых на первый сумматор 2 (фиг.2а, е), а в интервале t2 - производная dYи(t)/dt зависит от суммы этих воздействий. В результате Y0≡Xвх (фиг.2е).
Предположим, что в момент времени 
сигнал Xвх увеличился дискретно до величины (A/3)<Xвх<A (фиг.2а). Это нарушает условия существования режима автоколебаний в первой модуляционной зоне, и развертывающий усилитель переходит на этап переориентации состояний релейных элементов 5 и 6, который заканчивается в момент времени t03, когда релейный элемент 6 переключается в положение -A/3 (фиг.2д). Координата Yвых(t) достигает уровня -А (фиг.2е), и развертывающий усилитель переходит во вторую модуляционную зону, где в интервалах t1, t2 (фиг.2в) скорость формирования развертывающей функции Yи(t) (фиг.2б) также определяется разностью или суммой сигналов, воздействующих на первый сумматор 2. При этом сигнал Y0 включает постоянную составляющую -A/3 первой и среднее значение импульсного потока Yвых(t) второй модуляционных зон (фиг.2е). Переход развертывающего усилителя из одной модуляционной зоны в другую для малых приращений сигнала Xвх сопровождается переходом системы через характерные точки с нулевым значением частоты несущих колебаний (режим частотно-нулевого сопряжения модуляционных зон).
Временная диаграмма Yвых(t) (фиг.3а) и уравнения (фиг.3б), представленные на фиг.3а, б, показывают, что:
- развертывающий усилитель в каждой модуляционной зоне представляет собой систему с частотно-широтно-импульсной модуляцией, когда с ростом Xвх частота выходных импульсов уменьшается и на границе раздела модуляционных зон становится равной нулю;
- во всем диапазоне изменения сигнала задания Xвх амплитудная характеристика развертывающего усилителя является линейной, что объясняется замкнутым характером структуры развертывающего усилителя и наличием интегратора в прямом канале регулирования.
Рассмотрим работу регулятора переменного напряжения в целом для случая Xвх=0 (фиг.4).
В этом случае в режиме ЧШИМ работает релейный элемент 4 (фиг.4в), а релейные элементы 5 и 6 находятся в статических противоположных по знаку выходного сигнала состояниях (фиг.4д, е). Компаратор 8 повторяет форму импульса положительной полярности с выхода релейного элемента 4 (фиг.4г). Компаратор 11 (фиг.4б) переключается в состояние «1» синхронно с положительной полуволной напряжения фазы A (фиг.4а). Ключевой элемент 14 постоянно замкнут, а ключевой элемент 15 разомкнут (фиг.4з, и).
При этом в регулируемой фазе A (фиг.4ж) формируется «пакет» синусоидального напряжения, который, независимо от скважности импульсов на выходе релейного элемента 4, всегда содержит целое число периодов напряжения сети. Происходит это по причине того, что включение или выключение ключевого элемента 13 возможно только с приходом положительной полуволны фазы A (фиг.4а, б, ж), т.е. по истечении целого числа периодов напряжения сети.
На фиг.5 приведены диаграммы работы устройства, полученные в результате моделирования структуры регулятора (фиг.1) в пакете «Matlab + Simulink».
Спецификой устройства является то, что при определенных уровнях Xвх из-за нецелочисленного соотношения частот сети и импульсов на выходе релейного элемента 4 («набег» фазы) в регулируемой фазе A наблюдается периодическое несоответствие числа периодов сети в «пакетах». Так, первый «пакет» напряжения на выходе ключа 13 содержит 7 периодов сети, а следующие 2 «пакета» - 6 периодов (фиг.5). Затем процесс повторяется. Это свидетельствует о том, что естественная ошибка дискретизации в рассматриваемой системе соответствует одному периоду напряжения сети. Для инерционных объектов типа регуляторов температуры с постоянными времени от единиц до сотен минут подобная ошибка дискретизации пренебрежимо мала и, как правило, не учитывается.
Таким образом, введение в систему компаратора 11 и D-триггера 12 позволяет повысить точность работы регулятора напряжения за счет целого числа периодов напряжения сети в регулируемой фазе.
Рассмотренное устройство может работать также в однофазном режиме, для чего необходимо объединить клеммы 16, 17, 18.
Устройство предполагается использовать в регуляторах температуры технологической линии гидротермального синтеза кристаллов пьезокварца на Южноуральском заводе «Кристалл».
Многозонный частотно-широтно-импульсный регулятор переменного напряжения, содержащий последовательно включенные источник сигнала задания, первый сумматор и интегратор, выход которого подключен к входам трех релейных элементов, выходы которых подключены к входам второго сумматора, выход которого соединен со вторым входом первого сумматора, три компаратора, входы которых подключены к выходом соответствующих релейных элементов, три ключевых элемента, каждый из которых включен между источником соответствующей фазы трехфазного источника напряжения и нагрузкой, соединенной по схеме «звезда» с нулевым выводом, выход второго и третьего компараторов подключены к управляющему входу второго и третьего ключевых элементов соответственно, отличающийся тем, что в него введены четвертый компаратор и динамический D-триггер, причем вход четвертого компаратора подключен к силовому входу первого ключевого элемента, а выход четвертого компаратора соединен с С-входом D-триггера, D-вход D-триггера соединен с выходом первого компаратора, а выход D-триггера подключен к управляющему входу первого ключевого элемента.
