ЧАСТОТНО-ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНЫЙ РЕГУЛЯТОР ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ С РАСПРЕДЕЛЕННОЙ НАГРУЗКОЙ
FREQUENCY-WIDTH-PULSE CONTROLLER OF AC VOLTAGE WITH DISTRIBUTED LOAD

Изобретение относится к силовой преобразовательной технике и может использоваться в регуляторах температуры.
Известен многозонный интегрирующий развертывающий преобразователь (МРП) (SU №1283801, G06G 7/12, заявл. 22.05.85, опубл. 15.01.87, бюл. №2), содержащий сумматоры, группу параллельно работающих интеграторов, нечетное число релейных элементов.
Устройство характеризуется высокой надежностью в работе при единичных отказах релейных элементов и относится к классу систем с самодиагностированием активных компонентов схемы и автоматическим вводом в работу работоспособных элементов (Цытович Л.И. Многозонный развертывающий преобразователь с адаптируемой в функции неисправности активных компонентов структурой // Приборы и техника эксперимента. - М.: АН СССР, 1988. - №1. - С.81-85).
Недостатком известного технического решения является его низкие энергетические показатели, так как здесь отсутствует возможность «выравнивания» тока нагрузки между релейными элементами.
Известен МРП (SU №1183988, G06G 7/12, заявл. 27.04.84, опубл. 07.10.85, Бюл. №37), содержащий сумматоры, интегратор, релейные элементы, входную и выходную клеммы.
Устройство относится к классу автоколебательных частотно-широтно-импульсных (ЧШИМ) преобразователей интегрирующего типа, обладает высокой помехоустойчивостью и точностью работы, что обусловлено замкнутым характером структуры МРП и наличием интегратора в прямом канале регулирования.
Однако известное техническое решение также имеет низкие энергетические показатели, что препятствует его применению в мощных регуляторах переменного напряжения (РН).
Наиболее близким к предлагаемому устройству является многозонный регулятор переменного напряжения (патент SU №2408969, МПК Н02М 5/293, заявл. 23.12.09, опубл. 10.01.11, бюл. №1), содержащий последовательно включенные источник сигнала задания и первый сумматор, 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, четвертый компаратор и динамический D-триггер, причем вход четвертого компаратора подключен к силовому входу первого ключевого элемента, а выход 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.
Недостатком устройства-прототипа являются его низкие энергетические показатели, так как здесь также отсутствует возможность устойчивого и равномерного распределения тока нагрузки между фазами напряжения сети.
В основу изобретения положена техническая задача, заключающаяся в повышении энергетических показателей регулятора напряжения, благодаря выравниванию тока нагрузки между фазами.
Указанная техническая задача решается тем, что частотно-широтно-импульсный регулятор переменного напряжения с распределенной нагрузкой, содержащий последовательно включенные источник сигнала задания - входная клемма, сумматор, интегратор, выход которого соединен с входом первого второго и третьего релейных элементов, выходы которых подключены к входам первого, второго и третьего компараторов соответственно, выход первого компаратора соединен с D-входом первого динамического D-триггера, шины фаз А, В, С, подключенные соответственно через первый, второй и третий силовые ключи к трехфазной нагрузке с нулевым выводом, причем шина фазы А подключена также к входу четвертого компаратора, выход которого подключен к С-входам первого D-триггера, отличающийся тем, что выходы первого, второго и третьего релейных элементов подключены к соответствующим входам сумматора, введены пятый и шестой компараторы, а также второй и третий D-триггеры, при этом входы пятого и шестого компараторов подключены к шинам фаз В и С соответственно, а выходы соединены с С-входами второго и третьего D-триггеров соответственно, D-вход второго и третьего D-триггера подключен к выходу второго и третьего компараторов соответственно, дополнительно введены в фазу А четвертый и пятый силовые ключи, в фазу В шестой и седьмой силовые ключи, в фазу С восьмой и девятый, а нагрузка в каждой фазе представляет собой параллельное соединение трех цепей, причем выход первого, четвертого и пятого силового ключа соответственно подключен к первой, второй и третьей цепи нагрузки фазы А, выход шестого, второго и седьмого силового ключа соответственно подключен к первой, второй и третьей цепи нагрузки фазы В, выход восьмого, девятого и третьего силового ключа соответственно подключен к первой, второй и третьей цепи нагрузки фазы С, выход первого D-триггера подключен к управляющему входу первого, шестого и восьмого силового ключа, выход второго D-триггера подключен к управляющему входу четвертого, второго и девятого силового ключа, выход третьего D-триггера подключен к управляющему входу пятого, седьмого и третьего силового ключа, также введены датчики тока фаз А, В, С, выходы которых подключены к соответствующим входам сумматора.
Техническим результатом предлагаемого устройства являются его повышенные энергетические показатели, а именно снижение потребления электроэнергии, достигаемое за счет того, что каждая из фаз напряжения сети работает в режиме многозонной частотно-широтно-импульсной модуляции. При этом благодаря устойчивому и равномерному распределению тока нагрузки между фазами напряжения сети дополнительно повышается надежность в работе устройства.
Отличительной особенностью заявленного решения является то, что в частотно-широтно-импульсный регулятор переменного напряжения дополнительно введены второй и третий D-триггер, пятый и шестой компаратор и три датчика тока на каждую из фаз. При этом нагрузка в каждой фазе представляет собой параллельное соединение трех цепей, подключаемых к шине соответствующей фазы тремя силовыми ключами, управление которыми осуществляется от трех D-триггеров. Причем выход первого, четвертого и пятого силового ключа соответственно подключен к первой, второй и третьей цепи нагрузки фазы А, выход шестого, второго и седьмого силового ключа соответственно подключен к первой, второй и третьей цепи нагрузки фазы В, выход восьмого, девятого и третьего силового ключа соответственно подключен к первой, второй и третьей цепи нагрузки фазы С, выход первого D-триггера подключен к управляющему входу первого, шестого и восьмого силового ключа, выход второго D-триггера подключен к управляющему входу четвертого, второго и девятого силового ключа, выход третьего D-триггера подключен к управляющему входу пятого, седьмого и третьего силового ключа, также введены датчики тока фаз А, В, С, выходы которых подключены к соответствующим входам сумматора.
Изобретение поясняется чертежами, на которых представлено следующее:
Фиг.1 - функциональная схема предлагаемого устройства;
Фиг.2 - функциональная схема датчика тока;
Фиг.3, а-д - характеристики основных элементов регулятора напряжения;
Фиг.4, а-е - временные диаграммы сигналов для упрощенной функциональной схемы регулятора напряжения;
Фиг.5, а-л - временные диаграммы сигналов регулятора напряжения.
В состав устройства (фиг.1) входят последовательно включенные источник сигнала задания - входная клемма 1, сумматор 2 и интегратор 3, выход которого подключен к входу первого 4, второго 5 и третьего 6 релейного элемента. Выходы релейных элементов 4, 5, 6 подключены к соответствующим входам сумматора и к входам первого 7, второго 8 и третьего 9 компараторов соответственно. D-входы динамических D-триггеров 10, 11 и 12 соединены с выходом первого 7, второго 8 и третьего 9 компаратора соответственно. С-входы D-триггеров 10, 11 и 12 подключены к выходам четвертого 13, пятого 14 и шестого 15 компаратора соответственно. Входы компараторов 13, 14 и 15 соединены с шинами фаз А, Б, С соответственно. Шины фаз А, В, С - клеммы 16, 17, 18 подключены через первый 19-1, второй 20-2 и третий 21-3 силовые ключи к трехфазной нагрузке с нулевым выводом 22. В каждую фазу дополнительно введены еще по два силовых ключа, так в фазу А введен четвертый 19-2 и пятый 19-3 силовой ключ, в фазу В введен шестой 20-1 и седьмой 20-3 силовой ключ и в фазу С введен восьмой 21-1 и девятый 21-2 силовой ключ. При этом нагрузка 22 в каждой фазе представляет собой параллельное соединение трех цепей. Клемма 23 предназначена для измерения тока в нулевом проводе. Выход D-триггера 10 подключен к управляющим входам силовых ключей 19-1, 20-1 и 21-1, подключенных к фазе А. Выход D-триггера 11 подключен к управляющим входам силовых ключей 19-2, 20-2 и 21-2, подключенных к фазе В. Выход D-триггера 12 подключен к управляющим входам силовых ключей 19-3, 20-3 и 21-3, подключенных к фазе С. Датчики тока 24, 25, 26 фаз А, В, С соответственно, имеют аналоговый выход, подключенный к соответствующим входам сумматора 2.
В состав датчиков тока 24, 25, 26 входят (фиг.2) трансформатор тока 27, демодулятор (выпрямитель) 28, сглаживающий фильтр 29.
Блоки регулятора напряжения имеют следующие характеристики (фиг.3).
Сумматор 2 выполнен с равными коэффициентами передачи по каждому из входов. В дальнейшем считаем, что эти коэффициенты передачи равны 1,0.
и
и
Интегратор 3 реализован с передаточной функцией вида W(p)=1/Тр, где Т - постоянная времени. Его выходной сигнал нарастает линейно при скачке входного воздействия со знаком, противоположным знаку входного сигнала (фиг.3 а).
Релейные элементы 4, 5, 6 имеют симметричную петлю гистерезиса и пороги переключения, удовлетворяющие условию
1
2
3
|±b|<|±b|<|±b|,
i
где ±b - пороги переключения соответствующего из релейных элементов 4, 5, 6. Выходной сигнал каждого из релейных элементов 4, 5, 6 меняется дискретно в пределах ±А/3 (фиг.3 б).
Компараторы первой группы 7, 8, 9 имеют неинвертирующую характеристику с нулевым значением порогов переключения, предназначены для преобразования биполярного входного сигнала в однополярные импульсы (фиг.3в) и выполняют функции повторителей с таблицей истинности
Вход
Выход
А/n
1
-А/n
0
где ±А - максимальное значение выходного сигнала сумматора 2.
Компараторы второй группы 13, 14, 15 имеют характеристику, аналогичную компараторам первой группы 7, 8, 9, и переключаются в состояние «1» при положительной полуволне фазного напряжения (фиг.3г).
D-триггеры 10, 11, 12 являются динамическими и переключаются по переднему фронту импульса на С-входе в состояние, которое имеет D-вход (фиг.3д).
Силовые ключи 19-1, 19-2, 19-3, 20-1, 20-2, 20-3, 21-1, 21-2, 21-3 нормально разомкнутые, переходят в замкнутое положение при сигнале логической «1» на их управляющем входе.
Нагрузка 22 является активной, где каждый из резисторов имеет значение 3R.
Датчики тока 24, 25, 26 (фиг.2) являются линейными и реализуют контур обратной связи регулятора переменного напряжения по току нагрузки.
На диаграммах сигналов (фиг.4), построенных для упрощенной функциональной схемы частотно-широтно-импульсного регулятора переменного напряжения с распределенной нагрузкой, приняты следующие обозначения:
вх
Х - входной сигнал (клемма 1);
и
Y(t) - выходной сигнал интегратора 3;
р1
р2
р3
Y, Y(t), Y(t) - выходные сигналы релейных элементов (РЭ) 4, 5, 6 соответственно;
вых
Y(t) - суммарный сигнал на выходе РЭ 4, 5 и 6;
0
Y - среднее значение суммарного сигнала на выходе РЭ 4, 5, 6.
Принцип работы частотно-широтно-импульсного регулятора переменного напряжения с распределенной нагрузкой следующий.
вх
1
2
01
02
и
При включении регулятора переменного напряжения с распределенной нагрузкой и нулевом входном сигнале Х на клемме 1 релейные элементы 4, 5, 6 устанавливаются произвольным образом, например, в состояние +А/3 (фиг.4в, г, д). Под действием сигнала развертки с выхода интегратора 3 (фиг.4 б) происходит последовательное переключение в положение -А/3 двух релейных элементов 4 и 5 (т.к. релейные элементы 4 и 5 обладают наименьшими порогами переключения b и b соответственно) (фиг.4в, г, моменты времени t, t), после чего меняется направление развертывающего преобразования, и выходной сигнал Y(t) на выходе интегратора 3 нарастает в положительном направлении.
1
Таким образом, частотно-широтно-импульсный регулятор переменного напряжения с распределенной нагрузкой входит в режим устойчивых автоколебаний, когда амплитуда сигнала развертки на выходе интегратора 3 ограничена зоной неоднозначности первого релейного элемента 4 (с минимальными порогами переключения b), а релейные элементы 5 и 6 находятся в статических и противоположных по знаку выходных сигналов состояниях.
вх
0
При отсутствии сигнала Х (фиг.4a, t<t) на клемме 1 суммарное среднее значение сигналов на выходе релейных элементов 4, 5, 6 равно нулю.
вх
1
2
Наличие сигнала задания на клемме 1 Х(А/3) (фиг.4a,  влечет за собой изменение частоты и скважности импульсов выходных импульсов релейного элемента 4, так как в одном из интервалов преобразования t (фиг.4в) развертка на выходе интегратора 3 изменяется под действием разности сигналов, подаваемых на сумматор 2, а в другом интервале преобразования t - зависит от суммы этих воздействий. В результате изменяется скважность выходных импульсов релейного элемента 4 (фиг.4в).
ВХ
ВХ
Если входной сигнал X увеличился дискретно до величины (А/3)<Х<А (фиг.4а), то частотно-широтно-импульсный регулятор переменного напряжения с распределенной нагрузкой переходит на этап переориентации состояний двух релейных элементов 5 и 6, который заканчивается, когда третий релейный элемент 6 переключается в положение -А/3 (фиг.4д). Суммарный выходной сигнал релейных элементов 4, 5, 6 достигает уровня -А (фиг.4е), и частотно-широтно-импульсный регулятор переменного напряжения с распределенной нагрузкой переходит во вторую модуляционную зону, где скорость формирования сигнала развертки на выходе интегратора 3 также определяется разностью или суммой сигналов, воздействующих на сумматор 2.
Переход системы из одной модуляционной зоны в другую для малых приращений входного сигнала сопровождается переходом частотно-широтно-импульсного регулятора переменного напряжения с распределенной нагрузкой через характерные точки с нулевым значением частоты несущих колебаний (режим частотно-нулевого сопряжения модуляционных зон).
Рассмотрим работу частотно-широтно-импульсного регулятора переменного напряжения с распределенной нагрузкой для первой модуляционной зоны, когда первый релейный элемент 4 находится в состоянии переключений, второй релейный элемент 5 имеет статическое состояние +А/3, а третий релейный элемент 6 - статическое состояние -А/3 (фиг.4 в, г, д). При этом выходной сигнал интегратора 3 ограничен порогами переключения ±b1 (фиг.4б).
Компараторы первой группы 7, 8, 9 преобразуют биполярный входной сигнал (фиг.3в) в однополярные импульсы, которые задают требуемое состояние D-триггеров 10, 11, 12.
Компараторы второй группы 13, 14, 15 переключаются в состояние «1» при формировании положительной полуволны фазного напряжения (фиг.3г).
Динамические D-триггеры 10, 11, 12 переключаются по переднему фронту импульсов с выходов компараторов второй группы 13, 14, 15 в состояние, которое имеет их D-вход (фиг.3д). Если частота собственных автоколебаний частотно-широтно-импульсного регулятора переменного напряжения с распределенной нагрузкой намного ниже периода напряжения сети, то задержка, которую вносят D-триггеры 10, 11, 12 является пренебрежимо малой. Это позволяет считать моменты времени переключения первого релейного элемента 4 (фиг.4в) совпадающими с переходом пилообразного сигнала развертки соответствующего порога переключения ±b1.
01
02
Компаратор 13 формирует импульсы «1» синхронно с «положительной» полуволной напряжения фазы А (фиг.5а, б). Релейный элемент 4 (фиг.5д) задает необходимое состояние компаратора 7 (фиг.5е) и D-триггера 10 (фиг.5и), в которое он переключается по первому импульсу, совпадающему с сигналом «1» на выходе компаратора 7 (фиг.5е). Выключение D-триггера 10 происходит по первому импульсу в пределах «нулевого» состояния компаратора 7 (фиг.5е, и). В результате на интервале t-t (фиг.5и) в нагрузке формируется «нулевая» пауза.
Датчики тока 24, 25, 26 образуют контур отрицательной обратной связи частотно-широтно-импульсного регулятора переменного напряжения по току нагрузки.
Таким образом, в режиме частотно-широтно-импульсной модуляции работают ключи 19-1, 20-1, 21-1 (фиг.5 и) фазы А, постоянно включены ключи 19-2, 20-2, 21-2 (фиг.5 к) фазы В, а в состоянии «выключено» находятся ключи 19-3, 20-3, 21-3 (фиг.5 л) фазы С. При этом каждый из резисторов нагрузки 22 имеет сопротивление 3R, что применительно к устройству-прототипу эквивалентно включению в каждую из фаз сопротивления, равного R.
В результате все фазы напряжения сети оказываются загруженными по току в равной мере, что улучшает энергетические характеристики системы в целом.
Таким образом, введение в частотно-широтно-импульсный регулятор переменного напряжения с распределенной нагрузкой дополнительных силовых ключей и их соответствующее соединение с D-триггерами 10, 11, 12 положительно влияет на энергетические характеристики регулятора напряжения.
Рассмотренный частотно-широтно-импульсный регулятор переменного напряжения с распределенной нагрузкой предполагается использовать в качестве регулятора температуры в системе управления процессом гидротермального синтеза при изготовлении радиотехнических кристаллов кварца на ОАО «Южно-Уральский завод «Кристалл».