Регулятор переменного напряженияили toka

 

Оп ИСАНИЕ изовевтения

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

«ii 805276

Союз Советских

Социалистических

Республик (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 26.03.73 (21) 1897845(1937467/07 с присоединением заявки №вЂ” (23) Приоритет— опубликовано 15,02.80. Бюллетень № 6

Дата опубликования описания 25.02.80 (51) М. Кл.

G 05 F 1/14

Геаударстаенный комитет

СССР по делам изобретений и открытий (53) УДК 621.316. .722.1 (088.8) (72) Автор изобретения

А. Н. Федоров (71) Заявитель (54) РЕГУЛЯТОР ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

ИЛИ ТОКА

Изобретение относится к регуляторам переменного напряжения или тока и может быть использовано в устройствах автоматики для стабилизации программно-заданных токов больших величин при проектировании электролитических ванн, электролитических печей, в сварочном производстве и в других устройствах автоматики. Кроме того, оно может быть использовано в . источниках питания переменным напряжением для различной радиоэлектронной аппаратуры. 10

Известны регуляторы переменного напряжения или тока с цифровым управлением (1) и (2) .

Наиболее близким из известных является регулятор переменного напряжения или тока, содержащий регулирующий орган в виде нескольких групп встречно-параллельно соединенных тиристоров, подключенных к отводам одной из обмоток силового трансформатора и по цепи управления соединенных с выходом цифрового блока управления, щ вход которого соединен с датчиком регулируемого параметра в выходной цепи (2).

Недостатком данного регулятора является его сложность.

Цель изобретения — упрощение схемы устройства.

Указанная цель достигается тем, что в регуляторе переменного напряжения или тока, содержащем регулирующий орган в виде нескольких групп встречно-параллельно соединенных тиристоров, подключенных к отводам одной из обмоток силового трансформатора и по цепи управления соединенных с выходом цифрового блока управления, вход которого соединен с датчиком регулируемого параметра в выходной цепи, цифровой блок управления выполнен в виде первых двух логических схем совпадения, генератора импульсов, вход которого через регулируемый резистор соединен с датчиком регулируемого параметра, а выход — с первыми входами указанных схем совпадения, двух первых триггеров, выход каждого из которых соединен со вторым входом соответствующей из первых двух схем совпадения, первый вход каждого из первых двух триггеров соединен с выходом введенного формирователя импульсов переднего фронта, а второй вход первого триггера соединен через диод с выходом введенного формирователя импульсов заднего фронта, двоичного

805276

15 го

55 счетчика программно заданных чисел импульсов, вход которого соединен с выходами первых двух схем совпадения, а выход— со вторым входом второго триггера, третьей схемы совпадения, первый вход которой соединен с выходом двоичного счетчика программно заданных чисел импульсов, а второй вход — — с выходной цепь формирователя импульсов заднего фронта, третьего и четвертого триггеров, первые входы каждого из которых соединены через соответствующий диод с выходом третьей схемы совпадения и с выходом формирователя импульсов переднего фронта, а вторые входы третьего и четвертого триггеров соединены соответственно с выходом двоичного счетчика программно заданных чисел импульсов и выходом формирователя импульсов заднего фронта, четвертой и пятой схем совпадения, первые входы каждой из которых соединены с выходом генератора импульсов, а вторыес выходами соответственно третьего и четвертого триггеров, реверсивного двоичного счетчика, являющего выходным узлом цифрового блока управления и своими входами соединенного соответственно с выходом четвертой и пятой схем совпадения.

На фиг. 1 изображена общая схема регулятора тока; на фиг. 2 — измеритель тока; на фиг. 3 — двоичный счетчик программно заданных чисел; на фиг. 4 — раверсивный двоичный счетчик, коммутирующий обмотки; на фиг. 5 — питающий трансформатор с коммутирующими обмотками (2, 1, 2, 2, 24, 2 и 26) и схемой формирователей импульсов переднего и заднего фронтов (ИПФ

ИЗФ); на фит . 6 — временные диаграммы формирования ИПФ и ИЗФ; на фиг. 7— общая схема стабилизатора напряжения.

Бесконтактный датчик 1 (фиг. 1) стабилизируемого параметра (в данном случае тока) реагирует на среднее значение тока в шине 2 нагрузки 3. С уменьшением или увеличением тока в нагрузке относительно программно заданного значения изменяется емкость конденсатора датчика 1 стабилизируемого параметра, которая входит в фазирующую RC-цепь генератора 4 импульсов. С уменьшением или увеличением тока в нагрузке соответственно уменьшается или увеличивается частота генератора 4 импульсов звукового генератора. Изменение частоты генератора, выраженное частотой следования импульсов, фиксирует двоичный счетчик 5 программно заданных чисел импульсов, который за определенное время должен насчитать программно (заранее) заданное число импульсов (50, 75, 100 ...), т. е. числом импульсов (50, 75, 100 ...) в двоичном счетчике 5 задается определенный ток в шине 2 цепи нагрузки 3. При изменении тока в нагрузке 3 реверсивный двоичный счетчик 6 коммутирует с помощью коммутатора 7 обмотки трансформатора фазы (сети), которая выдает (формирует) импульсы п;реднего фронта ИПФ и импульсы

4 заднего фронта ИЗФ (фиг. 5). За время следования этих импульсов происходит проверка отклонения тока в шине 2, которая осуществляется следующим образом.

Импульсы переднего фронта ИПФ каждый раз перебрасывают триггера 8 и 8а,которые разрешают логическим схемам совпадения 9 и 9а пропускать импульсы с генератора 4 (отрицательные полупериоды гармонических колебаний напряжения генератора) HB вход двоичного счетчика 5, который считает импульсы до прихода импульса заднего фронта ИЗФ с коммутатора 7, который сбросит триггер 8, и схема совпадения 9 прекратит пропускать импульсы на двоичный счетчик 5.

Если ток в нагрузке 3 уменьшился относительно заданного значения, значит уменьшилась частота генератора 4 импульсов и увеличилось время следования импульсов с этого генератора, и двоичный счетчик 5 не успеет к приходу импульса ИЗФ насчитать программно заданное число импульсов (50, 75 и 100) Импульс ИЗФ сбросит триггер 8, и схема 9 совпадения прекратит подачу импульсов с генератора импульсов на вход двоичного счетчика 5, но триггер 8а разрешает схеме 9а совпадения пропускать импульсы с генератора на вход двоичного счетчика 5, пока счетчик не насчитает программно заданное число импульсов.

Пришедший импульс заднего фронта перебросит триггер 10, который разрешит лоЗ0 гической схеме совпадения 11 пропустить импульсы с генератора 4 импульсов на вход реверсивного двоичного счетчика 6, которывй просуммирует число импульсов с генератора 4 импульсов, пропорциональное уменьшению тока в нагрузке 3 от заданного

З5, значения, и реверсивный двоичный счетчик

6 при этом включит некоторое число обмоток, и питающее напряжение нагрузки увеличится.

Когда двоичный счетчик 5 насчитает программно заданное число, то он сбросит триг40 гер 8а и тем самым прекратит поступление импульсов с генератора через схему 9а совпадения в счетчик 5 и сбросит также триггер 10, который прекратит подачу импульсов с генератора на реверсивный двоичный

45 счетчик 6, прекращающий добавление обмоток питающего трансформатора . и соответственно увеличение напряжения.

Если ток в нагрузке при этом увеличился относительно заданного значения, значит увеличилась частота генератора 4 импульсов, и двоичный счетчик 5 быстрее насчитает программно заданное число импульсов, чем придет импульс ИЗФ, а импульс (один) с выхода счетчика 5 сбросит триггер 8а и перебросит триггер 12, который разрешит логической схеме совпадения 13 пропустить импульсы с генератора на вход реверсивного двоичного счетчика 6, который при этом вычтет некоторое число импульсов, пропор805276

F= IBr, где F — сила притяжения в кг;

1 — ток рамки в амперах.

1=1 W ! — ток одного витка в амперах; — число витков в обмотке рамки 15; — напряженность магнитного поля тока шины 2 в теслах;

-длина плеча рамки.

С помощью шарнира 18 к рамке 15 прикреплена кулиса 19, вращающаяся на оси 20.

Второе плечо кулисы заканчивается пластиной 21 конденсатора, изогнутой по радиусу плеча кулисы. Вторая пластина 22 конденсатора также изогнута по радиусу плеча кулисы с учетом диэлектрика (воздух) между пластинами 21 и 22 и закреплена неподвижно.

Когда рамка-обмотка 15 притягивается к шине 2, то пластина 21 смещается относительно пластины 22, закрепленной по линии 23, и при этом изменяется емкость этогде

9/

B циональное увеличению тока в на1 рузке, а реверсивный двоичный счетчик 6 при этом отключит часть питающих нагрузку обмоток трансформатора. Питающее напряжение уменьшится, и ток в нагрузке также цменьшится.

Когда ток в нагрузке 3 соответствует программно заданному значению, значит двоичный счетчик 5 успевает насчитывать программно заданное число импульсов к приходу импульса ИЗФ, и при этом логическая схема совпадения 14 сбрасывает триггер 10 и 12, и логические схемы совпадения

11 и 13 не пропускают импульса с генератора на реверсивный двоичный счетчик 6, и нагрузку 3 питают напряжением те обмотки трансформатора, которые обеспечивают программно заданный ток.

Импульсы переднего фронта ИПФ каждый раз сбрасывают триггеры 10 и 12, перебрасывают триггера 8 и 8а и тем самым начинают новую проверку соответствия тока в нагрузке 3 по заданному значению в шине 2.

Точность стабилизации тока в нагрузке определяется частотой генератора 4 импульсов, число разрядов реверсивного двоичного счетчика и соответственно числом коммутируемых обмоток трансформатора. Триггера, логические схемы совпадения, двоичный счетчик и реверсивный двоичный счетчик образуют цифровой блок управления регулятора.

Бесконтактный измеритель 1 (фиг. 2) представляет собой прямоугольную рамкуобмотку 15, по которой протекает постоянный ток. Рамка-обмотка подвешена растяжками 16 на закрепленной пружине 17.

Когда по шине 2 протекает ток нагрузки, то рамка-обмотка (нижнее ее плечо) 15 притягивается к шине 2 с силой го конденсатора, так как изменяется площадь двух взаимно действующих пластин

21 и 22. Рамка-обмотка 15 перемещается (притягивается к шине 2) вертикально по отношению к шине 2 в стакане 24, служа5 щим направляющим для рамки-обмотки и экраном для верхнего плеча рамки-обмотки.

Конденсатор из пластин 21 и 22 и резистор 4а входят в фазирующую RC-цепь генератора 4 импульсов и определяют частоту следования импульсов генератора.

Триггера 25 двоичного счетчика 5 (фиг. 3) проводят запись импульсов с генератора 4 импульсов (фиг. 1).

Логические схемы совпадения 26 и 27 выдадут импульс (один), если триггера 25 (2, 2, 2 и 2 ) ъапишут единицы (2 +

+ 2 + 2 + 2 = 75) и своим высоким отрицательным потенциалом (-9,5 Ь) подопрут логические схемы совпадения. Логическая схема совпадения 28 выдаст импульс, когда она будет программно опрошена. Логичес2В кая схема совпадения 29 выдаст импульс, если триггера 25 (2, 2 и 2 ) запишут единицы (2 + 2 + 2 = 100) и логическая схема совпадения 30 выдает импульс, если она будет программно опрошена. Аналогично логическая схема совпадения 31 выдаст импульс, если триггера 25 (2, 24 и 2 ) запишут единицы, а логическая схема совпадения 32 выдаст импульс, если она будет также программно опрошена либо постоянным отрицательным потенциалом, либо сещ рией импульсов (с этого же генератора через тумблер по второму входу 50).

Формирователь 33 (заторможенный блокинг-генератор, используемый в качестве усилителя мощности) каждый раз, когда схемы логических совпадений 28, 30 и 32 выдают

З> на его вход импульсы, сбрасывает все триггера 25 (2, 2, 2 2З 24 2 и 2 ) двоичного счетчика 5 и каждый раз выдает импульс на выход счетчика на триггера 8, 10 и 12 и на логическую схему совпадения 14 (фиг. 1). Через формирователь 34 (фиг. 4) реверсивного двоичного счетчика, логические схемы совпадения 35 и логические схемы сложения 36 осуществляется сложение импульсов генератора в реверсивный двоич ный счетчик 6 на триггерах 37. Через фор4 мирователь 38, логические схемы совпадения 39 и схемы сложения 36 осуществляется вычитание импульсов генератора с реверсивного двоичного счетчика 6.

Первичная обмотка 40 трансформатора

50 фазы (фиг. 5) питается напряжением фазы (сети) . Обмотка 41 питает нагрузку и не регулируется. Обмотки 42 — 48, число витков которых выбирается как 2, 2, 2, 2З, 24, 2 и 2 коммутируют триггера реверсивного двоичного счетчика 6 (фиг. 4).

Логические схемы совпадения 49 пропускают импульсы на формирователи 50 с разрешения триггеров 37 реверсивного двоичного счетчика 6 (фиг. 4). Тиристоры 51 включают обмотки 42-48, а тиристоры 52

805276 отключают эти обмотки. Если трансформатор 41 наматывается на кольцевом сердечнике, то витки обмоток 42-48 (2, 2, 2, 2, 2, 2 и 2 ) соответствуют числам 2 =

= 1,2=2,2 =4ит, д., аеслитрансформатор наматывается на Ш-образном сердечнике, то необходимо напряжения с обмоток 42-48 (2, 2,2,2,24 2 и 2 ) подбирать так, чтобы они также соответствовали, например 2 = 1в, 2 = 2в, 2 =

= 4в и т. д.).

Единичные выходы триггеров 37 реверсивного двоичного счетчика 6 включают обмотки (42-48) 2, 2, 2 .... 2, т. е. высокий отрицательный потенциал -9,5в) единичного выхода, когда триггер соответственно запишет единицу, подпирает соответствующие логические схемы совпадения 49, которые пропускают импульсы передних фронтов обоих полупериодов (положительного и отрицательного) напряжения фазы (сети) на формирователи 50 (заторможенные блокинг-генераторы, используемые в качестве усилителей мощности), которые выдают положительные управляющие импульсы на тиристоры 51, пропускающие оба полупериода напряжения с соответствующей обмотки

42 48 (2, 2, 2 2 24 2 и 2 ) и тем самым увеличивают напряжение, питающее нагрузку 3, и увеличивают ток. Нулевые выходы триггеров 37 реверсивного двоичного счетчика 6 разрешают логическим схемам совпадения 49 пропускать импульсы переднего фронта обоих полупериодов на формирователи 50, которые выдают управляющие импульсы на тиристоры 52, закорачивающие соответствующую обмотку 42-48 (2, 2 2 2 24 2 и 2 ) по положительным и отрицательным полупериодам питающего напряжения.

Повышающие обмотки 53 и 54 симметричны, причем с обмотки 53 снимается положительный полупериод 55 напряжения фазы (сети) 56 (фиг. 6) на вход триггера

Шмитта 37 (фиг. 5), который выдает отрицательные прямоугольные импульсы 58. Дифферейцирующая цепочка из конденсатора 59 и резистора 60 выделяет передний фронт этих импульсов 61 — импульсы переднего фронта ИПФ и также задний фронт этих импульсов 62 — импульсы заднего фронта ИЗФ.

Эмиттерный повторитель 63 и формирователь 64 формируют мощные импульсы 65 для управления тиристорами 51 и 52, которые пропускают положительные полупериоды 66 с минимальной отсечкой 67 (фиг. 6) в цепь нагрузки. Эмиттерный повторитель 68 и усилитель-инвертор 69 (И) формируют импульсы заднего фронта ИЗФ 70 (фиг. 6).

С обмотки 54 снимается отрицательнь1й полупериод 71 (фиг. 6) на вход триггера

Шмитта 72 (<Ьиг. 5), который выдает отрицательные прямоугольные импульсы 73 (фиг. 6) . Дифференцирующая цепочка из конденсатора 74 и резистора ?5 выделяет передний фронт импульса 73 (фиг. 6) импульс переднего фронта ИПФ 76, из которого эмиттерный повторитель 77 и формирователь 78 формируют импульсы 79 для

5 управления тиристорами 51 и 52, которые пропускают отрицательные полупериоды 80 (фиг. 6) с минимальной отсечкой 81.

С обмотки 82 снимается опорное напряжение на диод 83 (фиг. 5), равное чувствительности триггера Шмитта 72. Отрицательные полупериоды замыкаются через диод

83 и конденсатор 84.

В схемах принято, что вход со стрелкойимпульсный, а вход без стрелки — потенциальный.

На фиг. 7 представлен вариант схемы стабилизатора напряжения.

Выпрямитель 85 (фиг. 7) преобразует переменное напряжение нагрузки в постоянное напряжение необходимой величины для управления варикондом генератора импуль сов 86, который выдает отрицательные импульсы на логическую схему совпадения 97.

Импульс переднего фронта положительного полупериода питающего напряжения перебрасывает триггер 88, который разрешает логической схеме совпадения 87 пропустить импульсы с генератора 86 на вход двоичного счетчика 89 программных напряжений. Одновременно импульс переднего фронта положительного полупериода перебрасывает триггера 90 и 91, которые разрезo шают логическим схемам совпадения 92 и

93, пропускать импульсы блокинг-генератора 94 на вход логических схем совпадения

95 и 96.

Импульс переднего фронта отрицательных полупериодов каждый раз сбрасывает

З триггера 91 и 97 и перебрасывает триггер 98.

На двоичном счетчике 89 задается число импульсов (6, 20 и 40) вручную или автоматически опрашивается соответствующая логическая схема совпадения этого счетчика.

Шесть импульсов за половину периода. питающего напряжения 50 Гц соответствует частоте генератора 300 Гц и сорок импульсов за период соответствует 2000 Гц.

Итак; импульс переднего фронта положительного полупериода сбрасывает счет4> чик 5 и перебрасывает. триггер 88, и счетчик 89 начинает, подсчет импульсов генератора 86.

Пусть напряжение нагрузки соответствует требуемому значению, при котором выпрямленное выпрямителем 85 постоянное напряжение создает на вариконде емкость, при которой частота генератора 86 равна, например, 2000 Гц, что за период 50 Гц питающего напряжения будет соответствовать 40 импульсов. Тумблером или автомау тически опросим логическую схему совпадения двоичного счетчика 86 на 40 импульсов.

Значит, к приходу импульса переднего фронта отрицательного полупериода счетчик 86 должен насчитать 40 импульсов. В таком

805276

9 случае совпадение импульса выхода со счетчика 86 и импульса переднего фронта отрицательного полупериода на логической схеме совпадения 99 соответствует тому, что напряжение нагрузки равно заданному на счетчике 86 и выходной импульс схемы 99 сбрасывает триггера 97 и 98, и импульсы блокинг-генератора 94 на вход реверсивного двоичного счетчика 100 через схемы совпадения 95 и 96 не поступают.

В следующем периоде питающего напряжения напряжение нагрузки уменьшается, значит частота генератора 96 увеличилась, и счетчик 89 быстрее насчитывает 40 импульсов и к приходу импульса переднего фронта отрицательного полупериода перебросит триггер 9?, который разрешит логической схеме совпадения 95 пропустить импульсы блокинг-генератора 94 на суммирование в реверсивный двоичный счетчик 100; который при этом добавит несколько из обмоток 42 — 48 (2, 1 2 2 2 2 и т. д.) трансформатора сети коммутатора ?, и напряжение нагрузки увеличится.

Импульс переднего фронта отрицательного полупериода сбросит триггера 91 и

97 и суммирование импульсов блокинг-генератора 94 в счетчике 100 прекратится.

Если в следующем периоде напряжение нагрузки стало больше чем нужно, значит частота генератора уменьшилась и счетчик 89 не успеет к приходу импульса переднего фронта отрицательного полупериода насчитать заданное число 40. Тогда импульс переднего фронта отрцательного полупериода перебросит триггер 98, который разрешит логической схеме совпадения 96 пропустить импульсы блокинг-генератора 94 на вычитание некоторого числа импульсов, пропорционального увеличению напряжения в нагрузке, из реверсивного двоичного счетчика 100, который отключит некоторые обмотки 42-48 (2, 2, 2 2З 24 25 и т. д,) трансформатора сети, и напряжеиие .нагрузки И„при этом уменьшится, а частота генератора 86 увеличится до нужногозначения. И тогда счетчик 89 в следующем периоде успеет насчитать заданное число

40 к приходу импульса переднего фронта отрицательного полупериода. Таким образом, импульс переднего фронта положительногО полупериода питающего напряжения каждый раз. начинает проверку опрошенного числа (6, 20 и 40)на счетчике 89 к приходу импульса переднего фронта отрицательного полупериода питающего напряжения. Каждый раз импульс переднего фронта положительного полупериода перебрасывает триггера 90 и 91 на разрешение логическим схемам 92 и 93 пропускать импульсы с блокинг-генератора 94 на логические схемы совпадения 95 и 96, и каждый раз выходной импульс счетчика 89 сбрасывает триггера 88 и 96, а импульс переднего фронта отрицательного полупериода сбрасывает триггера 91 и 97, что дает возможность пропускать импульсы с блокинг-генератора 94 на вход реверсивного двоичного счетчика

100 пропорционально увеличению или уменьшению напряжения в нагрузке относительно заданного значения на двоичном счетчике 89 числами импульсов (6, 20, 40 14 т. д.)

Выпрямитель 85 с согласующим трансформатором 18 обеспечивают допустимое постоянное напряжение управления варикондом генератора 86.

Формула изобретения

Регулятор переменного напряжения или

15 тока, содержащий регулирующий орган в виде нескольких групп встречно-параллельно соединенных тиристоров, подключенных к отводам одной из обмоток силового трансформатора и по цепи управления соедиенных с выходом цифрового блока управления, вход которого соединен с датчиком регулируемого параметра в выходной цепи, отличающийся тем, что, с целью упрощения схемы, цифровой блок управления выполнен в виде первых двух логических схем 5 совпадения, генератора импульсов, вход которого через регулируемый резистор соединен с датчиком регулируемого параметра, а выход — с первыми входами указанных схем совпадения, двух первых триггеров, выход каждого из которых соединен со вторым зо входом соответствующей из первых двух схем совпадения, первый вход каждого из первых двух триггеров соединен с выходом введенного формирователя импульсов перед-, него фронта, а второй вход первого триггера соединен через .диод с выходом введен35 ного формирователя импульсов заднего фронта, двоичного счетчика программно заданных чисел импульсов, вход которого соединен с выходами первых двух схем совпадения, а выход — со вторым входом второго

4р триггера, третьей схемы совпадения, первый вход которой соединен с выходом двоичного счетчика программно заданных чисел импульсов, а второй вход — с выходной цепью формирователя импульсов заднего фронта, третьего и четвертого триггеров, пер45 вые входы каждого из которых соединены через соответствующий диод с выходом третьей схемы совпадения и с выходом формирователя импульсов переднего фронта, а вторые входы третьего и четвертого триггеров соединены соответственно с выходом двоичного счетчика программно заданных чисел импульсов и выходом формирователя импульсов заднего фронта, четвертой и пятой схем совпадения, первые входы каждой из которых соединены с выходом генератора

55 импульсов, а вторые — с выходами соответственно третьего и четвертого триггеров, реверсивного двоичного счетчика, являющегося выходным узлом цифрового блока управления и своими входами соединенного

805276 соответственно с выходом четвертой и пятой схем совпадения.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент США № 3195038, кл. 323 — 25, 1970.

2. Авторское свидетельство СССР № 433458, кл. G 05 F 1/14, 1971.

Фиг 2

805276

Составитель В. Круглова

Редактор А. Наурсков Техред А. Бойкас Корректор О. Билак.Заказ 10683/70 Тираж 951 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, )К вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП «Патент», г. Ужгород, ул. Проектная, 4