РЕГУЛЯТОР ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ
AC VOLTAGE REGULATOR

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники и может найти применение в системах прецизионного регулирования технологических параметров, в частности в регуляторах температуры.
Известен регулятор переменного напряжения, содержащий регулирующий орган дискретного действия, включенный между входными и выходными выводами, аналого-цифровой преобразователь, соединенный входом с выводами для подключения сигнала управления, формирователь синхроимпульсов, подсоединенный входом к входным выводам, а выходом - к счетному входу счетчика, источник сигналов «лог.0», сумматор, первый вход которого соединен со старшими разрядами аналого-цифрового преобразователя, а выход - с управляющими входами регулирующего органа дискретного действия, и компаратор, первый вход которого соединен с выходом младших разрядов аналого-цифрового преобразователя, второй вход - с выходом счетчика, а выход - с младшим разрядом второго входа сумматора, старшие разряды которого подсоединены к выходу источника сигналов «лог.0» [А.с. 1325431 SU, G05F 1/20, Регулятор переменного напряжения].
Недостатком этого регулятора является неравномерность регулировочной характеристики, выраженная в отклонении приращения мощности в нагрузке от расчетного значения при регулировании, что обусловлено отклонениями параметров регулировочных обмоток и ключей от номинальных значений.
Более близким по технической сущности к предложенному техническому решению является регулятор переменного напряжения, содержащий регулирующий орган дискретного действия, включенный между входными и выходными выводами, аналого-цифровой преобразователь, соединенный входом с выводами для подключения сигнала управления, а также счетчик, формирователь синхроимпульсов, подсоединенный входом к входным выводам, а выходом - к счетному входу счетчика, источник сигналов «лог.0», сумматор, первый вход которого соединен со старшими разрядами аналого-цифрового преобразователя, а выход - с управляющими входами регулирующего органа дискретного действия, и компаратор, первый вход которого соединен с выходом младших разрядов аналого-цифрового преобразователя, второй вход - с выходом счетчика, а выход - с младшим разрядом второго входа сумматора, старшие разряды которого подсоединены к выходу источника сигналов «лог.0», преобразователь кодов, вход которого соединен с выходами старших разрядов аналого-цифрового преобразователя, а выход - с установочным входом счетчика [А.с. 2386993 C1, G05F 1/00, Регулятор переменного напряжения].
Недостатком данного регулятора напряжения является то, что в качестве регулирующего органа дискретного действия выступает трансформатор, в котором вторичная обмотка секционирована таким образом, чтобы числа витков в различных секциях относились как целые числа степени два, что требует изготовления специальных трансформаторов. Еще одним недостатком является отклонение напряжения на выходе регулятора от заданного значения при нестабильности питающей сети. Программирование преобразователя кодов производится, исходя из определенного значения питающего напряжения. Следовательно, отклонение напряжения питающей сети от номинального не позволит получить на выходе регулятора требуемое действующее значение напряжения.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение стабильности действующего значения напряжения на выходе регулятора, а также улучшение технической реализуемости, выраженную в возможности применения в качестве дискретного регулирующего органа любых секционированных трансформаторов.
Технический результат достигается тем, что в известный регулятор переменного напряжения, содержащий регулирующий орган дискретного действия, включенный между входными и выходными выводами, а также счетчик, формирователь синхроимпульсов, подсоединенный входом к входным выводам, а выходом - к счетному входу счетчика, и схему сравнения кодов, первый вход которой соединен с выходом блока вычисления, второй вход - с выходом счетчика, введены блок измерителей действующего значения, выходы которых соединены с входами аналоговых компараторов и с входами двух аналоговых мультиплексоров, комбинационное устройство, входы которого соединены с выходами аналоговых компараторов, а выход подключен к одному из входов сумматора и адресным входам аналоговых мультиплексоров, блок аналоговых компараторов, два мультиплексора, выходы которых соединены с входами блока АЦП, на вход которого также подключен сигнал с задатчика уставки, блок вычисления, к входам которого подключены выходы АЦП, а выход соединен с одним из входов схемы сравнения кодов и задатчик уставки.
Схема предложенного регулятора переменного напряжения изображена на фиг.1. Он содержит формирователь синхроимпульсов 1, входы которого соединены с входными выводами дискретно-регулируемого трансформатора (ДРТ), а выход соединен со счетным входом счетчика 6, дешифратор 2, вход которого соединен с выходом сумматора 4. Выходы дешифратора 2 подключаются к соответствующим электронным ключам секций ДРТ. Один из входов сумматора 4 соединен младшим разрядом с выходом схемы сравнения кодов 5, а остальными разрядами с выходом источника логического нуля 3, другой вход сумматора 4 подключен к выходу комбинационного устройства 7. Выходы блока измерителей 9 действующего значения соединены с входами блока аналоговых компараторов 8. Выходы блока аналоговых компараторов 8 поступают на входы комбинационного устройства 7. Выход комбинационного устройства 7 подключен к одному из входов сумматора 4 и к адресным входам мультиплексоров 13 и 14. Выходы мультиплексоров подключены к входам блока АЦП 11, на еще один вход которого поступает сигнал с выхода задатчика уставки 10. Входы блока вычисления 12 соединены с выходом блока АЦП, а выход блока вычисления подключен к одному из входов схемы сравнения кодов. Задатчик уставки 10 соединен с одним из входов каждого аналогового компаратора.
Формирователь синхроимпульсов 1 выполнен на микросхеме 554САЗ, счетчик 6, источник логического нуля 3, дешифратор 2, сумматор 4, схема сравнения кодов 5, комбинационное устройство 7, блок вычисления 12 могут быть выполнены на микросхеме микроконтроллера AT90S1200. Аналоговые мультиплексоры 13 и 14 могут быть выполнены на микросхеме 590КН1. Измерители действующего значения 9 могут быть построены на микросхемах LH0091. Для блока АЦП 11 могут быть использованы микросхемы AD9634. Блок аналоговых компараторов может быть выполнен на операционных усилителях LM741.
На фиг.2 изображены временные диаграммы, поясняющие принцип функционирования предложенного регулятора переменного напряжения. Работа предложенного регулятора переменного напряжения происходит следующим образом. В начальном состоянии содержимое счетчика равно нулю. При старте каждого периода регулирования блок вычисления 12 производит расчет момента переключения и выдает его на вход схемы сравнения кодов 5. Формирователь синхроимпульсов 1 формирует из напряжения сети короткие импульсы, соответствующие началу каждого полупериода напряжения сети. С началом полупериода импульс с выхода формирователя синхроимпульсов 1 поступает на счетный вход счетчика 6, что инкрементирует содержимое счетчика. Код s с выхода счетчика 6 поступает на один из выходов схемы сравнения кодов 5, которая сравнивает его с кодом q, поступающим на второй вход от блока вычисления 12. Код q определяет момент переключения между дискретными уровнями напряжения. Если (s<q), то на выходе схемы сравнения кодов 5 сигнал логического нуля (r=0), иначе логическая единица (r=1). Значение r с выхода схемы сравнения кодов 5 поступает на младший разряд одного из входов сумматора 4, на второй вход которого подается значение от комбинационного устройства 7, которое определяет номер подключаемой секции в начале цикла регулирования. После переполнения счетчика 6 начинается новый цикл регулирования. Далее работа устройства повторяется.
Мощность на нагрузке будет определяться следующим выражением
<mrow><mi>P</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>n</mi><mi>N</mi></mfrac><mo>⋅</mo><msub><mi>P</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><mfrac><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>N</mi><mo>−</mo><mi>n</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mi>N</mi></mfrac><mo>⋅</mo><msub><mi>P</mi><mn>2</mn></msub><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
1
где n - число полупериодов сети, когда к нагрузке подключена секция с мощностью P;
N - длительность цикла регулирования в полупериодах сети;
1
2
Р и Р - мощности начального и конечного уровня соответственно.
Так как мощность прямо пропорциональна квадрату действующего значения напряжения получим следующую формулу
<mrow><msubsup><mi>U</mi><mrow><mi>д</mi><mi>е</mi><mi>й</mi><mi>с</mi><mi>т</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup><mo>=</mo><mfrac><mi>n</mi><mi>N</mi></mfrac><mo>⋅</mo><msubsup><mi>U</mi><mrow><mi>д</mi><mn>1</mn></mrow><mn>2</mn></msubsup><mo>+</mo><mfrac><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>N</mi><mo>−</mo><mi>n</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mi>N</mi></mfrac><mo>⋅</mo><msubsup><mi>U</mi><mrow><mi>д</mi><mn>2</mn></mrow><mn>2</mn></msubsup><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Выразим n из вышеприведенного выражения
<mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>N</mi><mo>⋅</mo><mo stretchy="false">(</mo><msubsup><mi>U</mi><mrow><mi>д</mi><mn>2</mn></mrow><mn>2</mn></msubsup><mo>−</mo><msubsup><mi>U</mi><mrow><mi>д</mi><mi>е</mi><mi>й</mi><mi>с</mi><mi>т</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><msubsup><mi>U</mi><mrow><mi>д</mi><mn>2</mn></mrow><mn>2</mn></msubsup><mo>−</mo><msubsup><mi>U</mi><mrow><mi>д</mi><mn>1</mn></mrow><mn>2</mn></msubsup></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>3</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
д1
д2
дейст
Исходя из данного выражения, можно найти момент переключения с одной секции на другую (число полупериодов сетевого напряжения, когда подключена начальная секция). Для этого необходимо знать действующие напряжения начальной и конечной секций U и U соответственно, а также действующее напряжение U, которое требуется получить на нагрузке.
i
1
2
3
m-1
m
На фиг.3 приведена схема подключения измерителей к секциям ДРТ. Каждый измеритель выдает аналоговый сигнал V, пропорциональный действующему напряжению секции. Причем V<V<V<…<V<V.
i
0
Сигналы с измерителей поступают на блок аналоговых компараторов, каждый из которых сравнивает уровень секции V с уставкой V действующего значения напряжения на нагрузке.
0
1
0
5
Аналоговый компаратор выдает сигнал логической единицы, если уровень уставки больше сигнала с измерителя действующего значения, в ином случае логический ноль. Уставка не может быть меньше минимального напряжения и больше максимального напряжения выдаваемого ДРТ, а значит, сигналы с первого и последнего измерителей можно исключить из анализа для определения номера секции, подключаемой в начале периода регулирования, так как их соотношение с уставкой заранее определено (V>V, V<V всегда).
Комбинационное устройство (КУ) суммирует сигналы, поступающие на его входы от аналоговых компараторов, а результат в виде k-разрядного кода поступает на выход. Разрядность кода k на выходе КУ зависит от количества секций ДРТ и находится по формуле (4) с округлением до целого числа в большую сторону. Выход КУ определяет номер секции, подключаемой в начале периода регулирования
<mrow><mi>k</mi><mo>=</mo><mi>l</mi><mi>o</mi><msub><mi>g</mi><mn>2</mn></msub><mi>m</mi><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>4</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
где m - количество секций ДРТ.
0
3
4
0
1
2
3
4
5
m
1
2
2
Например, значение уставки V находится между сигналами измерителей V и V, то есть V больше, чем V V, V, и меньше, чем V, V, …, V. В этом случае, на КУ логическая единица поступит от аналоговых компараторов АК и АК, на остальных входах КУ будут нули. После суммирования на выходе будет двоичный код 10, который означает, что в начале периода регулирования логическая единица будет подана на электронный ключ К3.
Код с выходов КУ поступает на один из входов сумматора 4. Также код с выхода КУ поступает на адресные входы мультиплексоров. Мультиплексор (13) присоединяет на свой выход действующее значение начального уровня, а мультиплексор (14) - действующее значение конечного уровня. Сигналы с выходов мультиплексоров и значение уставки преобразуются с помощью блока АЦП в двоичные коды и поступают на входы ЭВМ. ЭВМ по формуле (3) вычисляет количество полупериодов, в течение которых выдается начальный уровень напряжения и выдает его на вход схемы сравнения кодов 5.
По сравнению с известным регулятором переменного напряжения [2] данный регулятор напряжения при изменении напряжения питающей сети определяет номера подключаемых секций и пересчитывает момент переключения между ними так, чтобы действующее напряжение на выходе регулятора соответствовало уставке. Не требуется перепрограммирование элементов регулятора при использовании в нем других дискретных трансформаторов, имеющих такое же количество секций.