Устройство для управления электрической мощностью

 

Союз Советски и

Соцмалмстнчесиив

Ресттублии

О П И С А Н И Е (Ä)936834

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К ПАТЕНТУ

{6I) Дополнительный к патенту (22) Заявлено 23.02.79(21) 2734659/24-07 (51) М. Кл.

Н 02 М 5/04 (23) Приоритет — (32) 24.02.78 (31) 880945 (33) США

3Ъаулафств01яьбв яаюитют

CCCP ае диам- язебретеннй . я открмтМ

Опубликовацо15.06.8233юллетень № 22 (53) УДК 621.316..722,1 (088. 8) Дата опубликования описания 15.06.82 (72) Автор изобретения

Иностранеп

Аллан Тит-Синг Чоу (США) Иностранная фирма

"Е.И. Дюпон де Немур энд Компани (США) (71) Заявитель

{54) устРОЙстВО для упРАВления электРическОЙ мощностью

Изобретение относится к устройствдм для управления электрической мощностью и может быть использовано в преобразовательной технике.

Известны устройства для управления а электрической мощностью, в которых мощность, подаваемая в нагрузку, регулируется посредством контролирования напряжения (13 и (2) .

Наиболее близким к изобретению явля- lO ется устройство для управления электртт:: ческой мощностью, подаваемой от источника переменного тока в нагрузку в соот ветствии с сигналом ошибки, включающее детектор перехода сигнала переменного !5 тока через нуль и управляющий узел, входы которого связаны с узлам форкирования ошибки и детектором перехода через нуль.

В этом устройстве схема возведени)и 20 в квадрат напряжения генерирует сигнал управления, пропорциональный среднему значению квадрата напряжения, и пропоршюональный регулятор сравнивает управляющий сигнал с сигналом ошибки, таким 25 образом регулируя мощность, подаваемую в нагрузку f2).

Однако устройство работает только от среднего значения квадрата напряжения ,и по атой причине оно до некоторой стеле» ни ограничено в степени точности, которая может быть получена.

Белью изобретения является повышение точности регулирования мощности, подаваемой в нагрузку.

Oem достигается тем, что устройство для управления алектрнческой мощностью, подаваемой от источника переменного тока в нагрузку в соответствии с сигналом ошибки, включающее детектор перехода сигнала переменного тока через нуль и управляющий узел, выходы которого связаны с узлам формирования ошибки и детектором перехода через нуль, прн этом управляющий узел содержит устройство измерения напряжения. при любой форме тока, вычислитель непрерывного вычисления интеграла квадрата напряжения каждой половины периода и устройство сравнения вычислительного сигнала с сигналом

936834

3 ошибки, причем выход устройства сравнения является выходом управляющего узла.

На фиг. 1 изображена блок-схема обобщенного вида регулятора, устройства для управления электрической мощностью, сконструированного согласно этому изобретению, фиг. 2 - частично блок, частично принципиальная схема регулятора (устройства для управления электри-. ческой мощностью ), изображающая под- g робную трансляторную часть блок-схемы, изображенной на фиг. 1, Фиг. 3 - диаграмма формы сигнала, на которой изображен график зависимости мощности, подаваемой в нагрузку, от рабочего периода, что- g бы описать способ, которым мощность ре гулируется как функция времени срабаты вания переключателя. . На фиг. 1 изображена схема регулирования мощности, в которой мощность от источника напряжения переменного тока 1 (линейное напряжение) подается в нагрузку 2, которая изображена в качестве резестивного нагревательного элемента.

Этот элемент может быть расположен в печи 3, например, аналитического прибора. Хотя мощность показана как подаваемая на редистивную нагрузку, однако она может быть также подана на другие типы нагрузок, включающих электродвигатели и Зо им подобные. Схема также содержит датчик 4, такой как термопара образца, которая расположена в печи 3 для измерения температуры печи и является же-.лательной переменной.

В случае термопары 4 предусмотрен эталонный спай 5, так что напряжение, пропорциональное разности температур между спаем образца и эталонным спаем, передается через резистор 6 на суммирую- о шее соединение 7. К суммирующему соединению подводится сигнал заданного значения или опорный сигнал, полученный от устройства 8 заданного значения. Этот опорный сигнал может быть фиксированно- г го значения или с запрограммированным значением, предназначенным для получения заданного значения или опорного сиг нала, который изменяется таким образом, что желательно изменять регу. ируемые характеристики. Этот опорный сигнал проходит через резистор 9 на суммирующее соединение 7. Сигнал суммы прикладываеъ. ся через усилитель 10 к устройству для управления электрической мощностью, поступающей в нагрузку 11. Устройство

11, которое также может быть регулятсьром, вырабатывает пусковой Сигнал наа пряжения, который пропускают для управления соответствующим переключающим ток прибором, таким как триак 12, тем самым изменяя рабочий период сигнала переменного тока 1, который приложен к резистору нагрузки 2. Изменением рабочего периода можно изменять мощность, подаваемую в нагрузку. Регулятор 11 (в известных устройствах) обычно вклю >. чает детектор перехода через нуль и некоторые схемы для изменения моментов времени, следующих за каждой точкой перехода, через нуль, в которые включают триак 12. В соответствии с изобретением регулятор 1 1 видоизменен для переключения получающих импульсов, которые имеют место в момент времени как функция не только мощности, которая должна быть подана в нагрузку, но также является функцией формы сигнала линейного напряжения.

Следовательно, происходит более точное регулирование мощности, подаваемой в нагрузку.

Клеммы переменного тока 1 (фиг. 2) подсоединены через трансформатор 13 к детектору 14 перехода через нуль, к пиковому детектору 1 5 и к схеме 16 сдвига фазы на 90 . Обычный детектор о

14 перехода через нуль обеспечивает импульсный выходной сигнал в каждый момент времени перехода через нуль волны переменного тока. Детектор 14 может быть предусмотрен любым из известных типов с интегральными схемами или, для этого случая - с использованием транзисторов. Пиковый детектор 15 содержит стандартный последовательно включенный диод, шунтирующую конденсаторную схему.

Схема сдвига фазы на 90 может быть о любой из обычно используемых.

Выходы схем 14 - 16 подсоединены к схеме, сконструированной s соответст" вини с этим изобретением, для осуществления интегрирования налряжения переменного тока, приложенного к выходным клеммам 1. Выходной сигнал выражается формулой lудО, где 7 - пиковое значение сигнала переменного тока, à 9 фазовый угол, который с каждым полупел риодом меняется в пределах от О до К

Определяют действительную мощность, подаваемую в резистивную нагрузку, (фиг. 1), так как мощность пропорциональ на квадрату напряжения в резистивной нагрузке:

P=K у(vsi

КМ - "й

=<> J"""/ L — os 9)3&=ф-41им ".

- Ы

В полученной формуле угол о(. представляет собой угол от точки перехода через нуль до точки, при которой происходит действительное срабатывание тракта, так что результирующая формы волны, которая вырабатывается этой схемой, изображена на фиг. 3 и представлена кри-10 вой 1 7. Согласно этой кривой, если угол срабатывания ранний, т. е. К О. то максимальная мощность подана в реэистивную нагрузку, тогда как по мере увеличения угла А до Ж следующей точки перехода через нуль мощность пос- . тоянно уменьшается в соответствии с -образной функцией 17. Сигнал ошиб-. ки, отражающий мощность, требуемую для нагрузки, полученной от усилителя 10 (фиг. 1), подается через резистор 18 на компаратор 19 {фиг. 2), на вторую входную клемму которого подается функция 17, Таким образом, когда сигнал ошибки 20 (фиг. 3, пунктирная линия), равен Z-tA, 25 разной функции 17, компаратор 19 (уст родство сравнения) подает выходной импульс на триак 12 (фиг. 1} для включения этого переключающего ток прибора, так что мощность, подаваемая в оставшееся время этого периода, имеет значение, определяемое точкой пересечения сигнала ошибки с - -образной кривой 17.

Образование этой кривой требует почти синусоидального входного сигнала и

35 выполняется посредством решения интеграла, изображенного выше. Для этого, получают первый член интегрируемого выражения подачей выходного сигнала пи40 кового детектора 1 5 на схему возведения в квадрат 21, выход которой (kT / /2 ) подсоединен через суммирующий резистор 22 к суммирующему соединению 23 для получения второго члена

45 интегрируемого выражения. Выход схемы возведения в квадрат 21 подсоединен через резистор 24 к отрицательному входу своего интегратора, который состоит sa операционного усилителя 25 и конденсатора 26 обратной связи. Интегрирующий конденсатор или конденсатор 26 обратной связи интегратора зашунтирован переключающим транзистором 27, в этом случае изображенном как полевой транзистор, подсоединенный для приема выходного сиг55 нала от детектора 14 перехода через нуль через изолирующий конденсатор 28.

Таким образом,. выходной сигнал схемы

34 6 интегратора обеспечивает второй член (— )(У о /2), подаваемый через ре зистор 29 на суммирующее соединение 23.

Для того, чтобы устранить проблемы

I в случае, когда сигнал ошибки превышает амплитуду Z -образной кривой 17, импууп сы от детектора 14 перехода через нуль также подводятся через резистор 30 к суммирующему соединению 23, так что в начале каждого периода Z -образная кривая изменена при помощи острого пика

31 (фиг. 3} Это гарантирует запуск в точке перехода через нуль или близко от нее, в случае очень большого сигнала ошибки, так что в нагрузке будет подана максимальная мощность.

Третий член интегрирующего выраже -. ния подается подсоединением выходного сигнала схемы 16 сдвига фазы на 90 вместе с напряжением переменного тока к входам умножителя 32. Выходным сигналом этой схемы является член (+ V+K /4 6 Ю Ц. Этот выходной сигнал через резистор 33 подводится к суммирующему соединению 23. Это суммирующее соединение подсоединено к усилителю 34, другой выход которого эаземлен через резистор 35. Выход усилителя подсоединен ко входу через регулируемый резистор 36 для определения значения коэффициента усиления, который равен отношению значений сопротивления 36 и 35. Таким образом, просуммированный выходной сигнал, представляющий мгновен иую мощность, поданную в нагрузку, в зависимости от срабатывания при опреде ленном угле, т. е. Z «образной кривой

17. Этот выходной сигнал или " -образная кривая подается через резистор 37 на первый вход комларатора 19 (устройства сравнения), который вырабатывает выходной импульс, когда амлитуда Z-образной кривой равна амплитуде сигнала ошибки, приложенного ко второму входу компаратора. Таким образом, совокупность устройств 15 и 16 составляет устройство 38 измерения напряжения при любой форме тока, а совокупность устройство и элементов 21 30 и 32 — 36 представляет вычислитель интеграла 39.

Когда выполняется сравнение, выход, ной импульсный сигнал прнклааывается к триаку 12, который осуществляет пропускание сигнала в надлежащий момент времени во время каждого полупериоца входного сигнала переменного тока.

Таким образом, предлагаемое устройство имеет возможность учитывать откло7 9368 нения линейного напряжения и даже обеспечения точную выходную мощность в нагрузке посредством регулирования yi )ù срабатывания переключающего прибора.

Это делает устройство особенно полеэ. -. нъ|м для тОчнОГО регулирования нагрева теля камер термического анализа, например устройство обеспечивает атоматическую компенсацию изменения напряжения так что Можно управлять динамическим диапазоном семикратного линейного напряжения питания.

В альтернативном исполнении изобретения регулятор 11 (фнг. 1) может быть в форме микрокомпьютера, соеди- 1$ пенного с постоянной памятью (РОМ), в памяти . которой хранится таблица поиска значений синуса синхронно с сигналом. переменного тока. В устройстве использу,ют пиковый детектор для подачи лихово+уй го напряжения на микрокомпьютер. Функция М ЯИ О может интегрироваться последовательным приближением. Таким способом образуется та же 2 -образная кривая, которая может быть подана д на комларатор 19 для регулирования точки срабатывания триака.

В изобретении можно использовать ,микрокомпьютер для вычисления последовательности, представляющей функцию зо

Vgjh О, так что вычисляется интервал в реальном масштабе времени синх ронно с формой волны. Этот выходной сигнал, который находится в зависимости от Z -образной кривой 17, также мо - ( жет быть подан на компаратор 19 для регулирования угла срабатывания.

Предлагаемое изобретение имеет преимущество в получении точного регулирования, которое меняется как функция действительного линейного напряжения и ,обеспечивает очень точно отрегулированную величину мощности в нагрузке в соответствии с сигналом ошибки.

Формула изобретения

Устройство для управления электрической мощностью,поааваемой от источника переменного тока в нагрузку в соответст вии с сигналом ошибки, включающее детектор перехода сигнала переменного тока через нуль и управляющий узел, выходы которого связаны с узлом фоомирования ошибки и детектором перехода через нуль, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности, управляющий узел содержит устройство измерения напряжения при любой форме тока, вычислитель непрерывного вычисления интеграла квадрата напряжения каждой поло. 4 вины периода н устройство сравнения вычислительного сигнала с сигналом ошиб ". ки, причем выход устройства сравнения является выходом управляющего узла.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

J. Руденко В.С. и др. Преобразовательная техника. Киев. Внша школа, 1978, гл. 2, 0 2.11.

2. Патент США l4 3553428, кл. Н 02 М, 1978.

Составитель Ю. Андреев

Редактор М, Недолуженко Техред M.Рейвес Корректор М,демчнк

Заказ 4290/80 Тираж 721 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

1 1 3035, Москва, Ж-35, i Раушская наб., ц, 4/5

Филиал ППП "Патент, г, Ужгород, ул. Проектная, 4