ТРЕХФАЗНЫЙ РЕГУЛЯТОР ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ С ЗАЩИТОЙ
THREE-PHASE CONTROLLER OF AC VOLTAGE WITH PROTECTION

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.
При незначительных схемных изменениях известный МРП может быть использован в составе регулятора переменного напряжения, когда выходы релейных элементов МРП подключены напрямую к информационным входам силовых ключей фаз А, В, С. Выходная координата регулятора переменного напряжения представляет собой «пакет» синусоидального сигнала, разделенного «нулевыми» паузами. Длительность «пакетов» и пауз определяется величиной сигнала управления. При этом длительности «пакета» и паузы должна соответствовать целому числу периодов напряжения сети, что нереализуемо в рамках известного технического решения в силу его схемотехнических особенностей.
Известен МРП (SU №1183988, G06ПG/12 заявл. 27.04.84, опубл. 07.10.85, бюл. №37), содержащий сумматоры, интегратор, релейные элементы, входную и выходную клеммы.
Устройство относится к классу автоколебательный частотно-широтно-импульсных систем (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 не позволяет получить «пакет» из целого числа периодов напряжения сети на выходе блока силовых ключей.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является многозонный регулятор переменного напряжения (патент SU №2408969, МПК Н06М 5/293, заявл. 23.12.09, опубл. 10.01.11, бюл. №1), содержащий последовательно включенные источник сигнала задания, первый сумматор, 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 выходам соответствующих релейных элементов, три силовых ключа, 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 силового ключа соответственно, четвертый компаратор и динамический D-триггер, причем вход четвертого компаратора подключен к информационному входу первого силового ключа, 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 силового ключа.
Недостатком устройства-прототипа является отсутствие возможности диагностирования силовых ключей при возникновении в них катастрофических отказов.
В основу изобретения положена техническая задача, заключающаяся в повышении надежности регулятора переменного напряжения путем диагностирования отказов в силовых ключах.
Указанная техническая задача решается за счет того, что в трехфазный регулятор переменного напряжения с защитой, 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-входу первого динамического D-триггера, отличающийся тем, что введены пятый и шестой компараторы, а также второй и третий динамические D-триггеры, при этом входы пятого и шестого компараторов подключены к шинам фаз В и С соответственно, выходы пятого и шестого компараторов соединены с С-входами второго и третьего динамического D-триггера соответственно, дополнительно введены седьмой, восьмой и девятый компараторы, выходы которых подключены к входам сумматора, а их входы подключены к выходам первого, второго и третьего динамических D-триггеров соответственно, также дополнительно введены в фазу А четвертый и пятый силовые ключи, в фазу В шестой и седьмой силовые ключи, в фазу С восьмой и девятый силовые ключи, а нагрузка в каждой фазе представляет собой параллельное соединение трех резисторов, причем силовой выход первого, четвертого и пятого силового ключа соответственно подключен к первому, второму и третьему резистору фазы А, силовой выход шестого, второго и седьмого силового ключа соответственно подключен к первому, второму и третьему резистору фазы В, силовой выход восьмого, девятого и третьего силового ключа соответственно подключен к первому, второму и третьему резистору фазы С, выход первого динамического D-триггера подключен к управляющему входу первого, шестого и восьмого силового ключа, выход второго динамического D-триггера подключен к управляющему входу четвертого, второго и девятого силового ключа, выход третьего динамического D-триггера подключен к управляющему входу пятого, седьмого и третьего силового ключа, также введены девять датчиков проводимости, причем входы первого, четвертого и пятого датчика проводимости подключены к информационным выходам первого, четвертого и пятого силового ключа соответственно фазы А, входы шестого, второго и седьмого датчика проводимости подключены к информационным выходам шестого, второго и седьмого силового ключа соответственно фазы В, входы восьмого, девятого и третьего датчика проводимости подключены к информационным выходам восьмого, девятого и третьего силового ключа соответственно фазы С, дополнительно введено арифметическо-логическое устройство, которое имеет вход сброса соединенный с внешней клеммой «Сброс» и по три входа группы «а», «b» и «с», на первый, второй и третий вход группы «а» сигналы подключены соответственно с выходов первого, шестого и восьмого датчика проводимости, на первый, второй и третий вход группы «b» сигналы поступают соответственно с выходов четвертого, второго и девятого датчика проводимости, на первый, второй и третий вход группы «с» сигналы поступают соответственно с выходов пятого, седьмого и третьего датчиков проводимости, первый основной выход арифметическо-логичикого устройства подключен к первому селектору длительности импульсов, выход которого подключен к R-входам первого, второго и третьего динамического D-триггера и на выходную клемму устройства «Выход аварийного отключения», второй дополнительный выход арифметическо-логического устройства подключен через второй селектор длительности импульсов на выходную клемму устройства «Дублирующий выход защиты».
Техническим результатом предлагаемого устройства является его повышенная надежность и возможность автоматического диагностирования катастрофических отказов силовых ключей.
Отличительной особенностью заявленного решения является то, что в трехфазный регулятор переменного напряжения дополнительно введены второй и третий динамические D-триггеры, с пятого по девятый компараторы, девять датчиков проводимости, арифметического-логическое устройство (АЛУ), два селектора длительности импульсов, клемма «Сброс», клемма «Выход аварийного отключения» и клемма «Дублирующий выход защиты». При этом нагрузка в каждой фазе представляет собой параллельное соединение трех резисторов, один из выводов которых соединен с шиной нулевого потенциала, а второй вывод подключен к шине соответствующей фазы напряжения сети с помощью соответствующего из трех силовых ключей, управление силовыми ключами осуществляется от трех D-триггеров. Причем силовой выход первого, четвертого и пятого силового ключа подключен к первому, второму и третьему резистору нагрузки фазы А, а информационные выходы этих же силовых ключей через первый, четвертый и пятый датчик проводимости соответственно подключены на входы АЛУ. Силовой выход шестого, второго и седьмого силового ключа соответственно подключен к первому, второму и третьему резистору нагрузки фазы В, а информационные выходы этих же силовых ключей через шестой, второй и седьмой датчик проводимости соответственно подключены на входы АЛУ. Силовой выход восьмого, девятого и третьего силового ключа соответственно подключен к первой, второй и третьей цепи нагрузки фазы С, а информационные выходы этих же силовых ключей через восьмой, девятый и третий датчик проводимости соответственно подключены на входы АЛУ. Изобретение поясняется чертежами:
Фиг.1 - функциональная схема предлагаемого устройства;
Фиг.2а-ж - характеристики основных элементов регулятора напряжения;
Фиг.3 - временные диаграммы сигналов регулятора напряжения;
Фиг.4 - таблица состояния ключей, поясняющая работу АЛУ и РН;
Фиг.5 - функциональная схема АЛУ.
В состав устройства (фиг.1) входят последовательно включенные входная клемма 1, сумматор 2, интегратор 3, релейные элементы 4, 5, 6, компараторы 7, 8, 9 и компараторы 10, 11, 12, выходы последних подключены к С-входам первого 16, второго 17 и третьего 18 динамически-D-триггеров, а D-входы динамических D-триггеров 16, 17, 18 подключены к выходам первого 7, второго 8 и третьего 9 компараторов соответственно. Выходы динамических D-триггеров 16, 17, 18 подключены к входам седьмого 13, восьмого 14 и девятого 15 компараторов соответственно. Выходы седьмого 13, восьмого 14 и девятого 15 компараторов подключены к входам сумматора 2. Входы компараторов 10, 11 и 12 соединены с шинами фаз А, В, С соответственно. Шины фаз А, В, С - клеммы 19, 20, 21 подключены через первый 22-1, второй 22-2 и третий 22-3 силовые ключи к трехфазной нагрузке с нулевым выводом 23. В каждую фазу дополнительно введены еще по два силовых ключа, так в фазу А введен четвертый 22-4 и пятый 22-5 силовой ключ, в фазу В введен шестой 22-6 и седьмой 22-7 силовой ключ, в фазу С восьмой 22-8 и девятый 22-9 силовой ключ. При этом нагрузка 23 в каждой фазе представляет собой параллельное соединение трех резисторов. Выход первого динамического D-триггера 16 подключен к управляющим входам силовых ключей 22-1, 22-6 и 22-8. Выход второго динамического D-триггера 17 подключен к управляющим входам силовых ключей 22-4, 22-2 и 22-9. Выход третьего динамического D-триггера 18 подключен к управляющим входам силовых ключей 22-5, 22-7 и 22-3. Входы девяти датчиков проводимости 24-1…24-9 подключены к информационным выходам соответствующих силовых ключей 22-1…22-9. Выходы датчиков проводимости 24-1, 24-6 и 24-8 подключены на входы группы «а» АЛУ 25. Выходы датчиков проводимости 24-4, 24-2 и 24-9 подключены на входы группы «b» АЛУ 25. Выходы датчиков проводимости 24-5, 24-7 и 24-3 подключены на входы группы «с» АЛУ. Соответствующий вход АЛУ подключен к клемме «сброс» 26, первый основной выход АЛУ подключен к первому селектору длительности импульсов 27, выход которого подключен к R-входам первого 16, второго 17 и третьего 18 динамического D-триггера и на выходную клемму устройства «Выход аварийного отключения» 28. Второй дополнительный выход АЛУ подключен через второй селектор длительности импульсов 29 на дополнительную клемму «Дублирующий выход защиты» 30.
В состав АЛУ 25 входят (фиг.5) три дешифратора 31, 32, 33 три логических элемента «6ИЛИ» 34, 35, 36, три логических элемента «2ИЛИ» 37 38, 39, логический элемент «3И-НЕ» 40 и логический элемент «3ИЛИ» 41.
Блоки трехфазного регулятора переменного напряжения имеют следующие характеристики (фиг.2).
Сумматор 2 выполнен с равными коэффициентами передачи по каждому из входов. В дальнейшем считаем, что эти коэффициенты передачи равны 1,0.
И
Интегратор 3 реализован с передаточной функцией вида W(p)=1/Тр,
И
где Т - постоянная времени. Его выходной сигнал нарастает линейно при скачке входного воздействия со знаком, противоположным знаку входного сигнала (фиг.2а).
Релейные элементы 4, 5, 6 (РЭ) 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.2б), где А - максимальный сигнал на выходе операционного усилителя, на базе которого традиционно реализуют РЭ 4, 5, 6.
Компараторы 7, 8, 9 имеют неинвертирующую характеристику с нулевым значением порогов переключения, они предназначены для преобразования биполярного входного сигнала в однополярные импульсы (фиг.2в) и выполняют функции повторителей с таблицей истинности
Вход
Выход
А/3
1
-А/3
0
где ±А - максимальное значение выходного сигнала сумматора 2.
Компараторы 10, 11, 12 имеют аналогичную характеристику компараторам 7, 8, 9 и переключаются в состояние «1» при положительной полуволне фазного напряжения (фиг.2д).
Компараторы 13, 14, 15 являются безгистерезисными с порогом переключения «+С» (фиг.2г) и предназначены для преобразования однополярных импульсов в биполярные.
D-триггеры 16, 17, 18 являются динамическими и переключаются по переднему фронту импульса на С-входе в состояние, которое имеет D-вход (фиг.2е). Под действием сигнала логической «I» на R-входе D-триггеры 16, 17, 18 принудительно переключаются и удерживаются в состояние логического «0».
Силовые ключи 22-1…22-9 переходят в замкнутое положение при сигнале логической «I» на их управляющем входе.
Датчики проводимости 24-1…24-9 переключаются в состояние логической «1», если соответствующий силовой ключ 22-1…22-9 находится в замкнутом положении, и в состояние логического «0» - если силовой ключ разомкнут.
АЛУ 25 предназначено для формирования сигнала аварийного отключения регулятора переменного напряжения с защитой при возникновении катастрофического отказа в одном или нескольких из силовых ключей 22-1…22-9.
Дешифраторы 31, 32, 33 в составе АЛУ 25 преобразуют двоичный код в десятичный.
Логические элементы «6ИЛИ» 34, 35, 36 переключаются в состояние логической «1», если хотя бы одна из шести входных логических переменных равна «1».
Логические элементы «2ИЛИ» 37, 38, 39 формирует на выходе логическую «1», если хотя бы одна из двух входных логических переменных равна «1».
Логический элемент «3И-НЕ» 40 переходит в состояние логического «1», если хотя бы одна из трех входных логических переменных равна «0».
Выходной сигнал логического элемента «3ИЛИ» 40 равен «1», когда, по крайней мере, одна входная логическая переменная равна «1».
MIN
Селекторы длительности импульсов 27 и 29 формируют на выходе сигнал логической «1», если сигнал «1» на его входе по длительности превышает заданной время t (фиг.2ж). Выходной сигнал с первого селектора длительности импульсов 27 поступает на R-входы динамических D-триггеров 16, 17, 18 осуществляя их сброс в положение «О». Селекторы длительности импульсов 27, 29 позволяют избежать ложного отключения трехфазного регулятора переменного напряжения из-за кратковременных импульсов, вызванных разбросом параметров силовых ключей 22-1…22-9, логических элементов 34…41 АЛУ 25 и датчиков проводимости 22-1…22-9.
Принцип работы трехфазного регулятора переменного напряжения следующий.
И
1
Если частота собственных автоколебаний трехфазного регулятора переменного напряжения намного ниже периода напряжения сети, то задержка, которую вносят динамические D-триггеры 16, 17, 18 является пренебрежимо малой и можно принять, что переключение первого релейного элемента 4, компаратора 7, динамического D-триггера 16 и компаратора 13 происходит синхронно с моментом времени выполнения условия Y(t)=|b|, т.е. когда выходной сигнал интегратора 3 достигает порога переключения первого РЭ 4.
Компараторы 7, 8, 9, динамические D-триггеры 16, 17, 18 и компараторы 13, 14, 15 через сумматор 2 вместе с интегратором 3 и релейными элементами 4, 5, 6 в совокупности образуют замкнутый контур регулирования и представляют собой систему с частотно- широтно-импульсной модуляцией.
BX
1
При X=0 первый РЭ 4, имеющий минимальное значение порогов переключения ±b, оказывается в режиме автоколебаний (фиг.3в), а состояние двух других релейных элементов 5, 6 в зависимости от первоначальной ориентации их выходного сигнала равно, например, +А/3 и -А/3 соответственно (фиг.3д, е). Выходные сигналы РЭ 4, 5, 6 с помощью компараторов 7, 8 и 9 преобразуются в однополярный сигнал (фиг.3г), что необходимо для преобразования биполярных импульсов в однополярные и стыковки РЭ 4, 5, 6 с динамическими D-триггерами 16, 17, 18. Кроме того, компараторы 7, 8 и 9, воздействующие на D-вход, задают требуемое состояние динамических D-триггеров 16, 17, 18.
Компараторы 10, 11, 12 переключаются в состояние «1» при формировании положительной полуволны фазного напряжения фаз А, В, С соответственно (фиг.3а, б).
Динамические D-триггеры 16, 17, 18 переключаются по переднему фронту импульсов с выходов компараторов 10, 11, 12 в состояние, которое имеет их D-вход.
01
02
В частности, компаратор 10 формирует импульсы «1» синхронно с «положительной» полуволной напряжения фазы А (фиг.3а, б). Первый РЭ 4 задает необходимое состояние компаратора 7 и первого динамического D-триггера 16, в которое он переключается по первому импульсу, совпадающему с сигналом «1» на выходе компаратора первой группы 7 (фиг.3б, г, ж). Выключение первого динамического D-триггера 16 происходит по первому импульсу компаратора 10 в пределах «нулевого» состояния компаратора 7 (фиг.3б, г, ж). В результате на интервале t-t (фиг.3ж) на одном из резисторов R нагрузки 23 в каждой фазе формируется «нулевая» пауза.
Таким образом, в режиме частотно-широтно-импульсной модуляции работают силовые ключи 22-1, 22-6 и 22-8 (фиг.3ж), постоянно включены силовые ключи 22-4, 22-2 и 22-9 (фиг.3з), а в состоянии «выключено» находятся силовые ключи 22-5, 22-7, 22-3 (фиг.3и).
BX
BX
BX
BX
BX
BX
При другом входном сигнале, например, при X=A все релейные элементы 4, 5, 6 переключаются в состояние -А/3, компенсируя, таким образом, входной сигнал с клеммы 1, а все силовые ключи 22-1…22-9 выключаются. В диапазоне входного сигнала A/3<X<A (вторая положительная модуляционная зона) первый РЭ 4 находится в режиме ЧШИМ переключений включено/выключено, а второй и третий РЭ 5 и 6 в статическом состоянии -А/3, при этом соответствующие первому РЭ 4 силовые ключи 22-1, 22-6, 22-8 работают в импульсном режиме включено/выключено (1/0), а остальные силовые ключи 22-4, 22-5, 22-2, 22-7, 22-9, 22-3 постоянно разомкнуты. В диапазоне входного сигнала -A/3<X<A/3 (первая модуляционная зона, по аналогии со случаем X=0) первый РЭ 4 также остается в режиме автоколебаний и соответствующие ему силовые ключи 22-1, 22-6, 22-8 находятся в режиме переключений (1/0). При этом второй 5 и третий 6 РЭ работают в статических и противоположных по знаку состояниях, например, +А/3 и -А/3, что обеспечивает статический режим работы соответствующих силовых ключей. В частности, силовые ключи 22-4, 22-2, 22-9 могут быть замкнуты, а силовые ключи 22-5, 22-7, 22-3 разомкнуты. При изменении входного сигнала в диапазоне -A<X<-A/3 (вторая «отрицательная» модуляционная зона) РЭ 5 и 6 переключаются в статическое состояние А/3, поэтому соответствующие им силовые ключи 22-4, 22-5, 22-2, 22-7, 22-9, 22-3 оказываются замкнутыми. РЭ 4 по-прежнему остается в режиме автоколебаний, что обеспечивает режим ЧШИМ переключений силовых ключей 22-1, 22-6, 22-8. Наконец, при X=-A все релейные элементы 4, 5, 6 оказываются в состояние A/3, и все силовые ключи 22-1…22-9 включаются.
BX
В результате не зависимо от величины входного сигнала X, все фазы напряжения сети оказываются загруженными по току в равной мере, что улучшает энергетические характеристики и надежность системы в целом.
21
22
В реальной системе выходной сигнал интегратора 3 (фиг.4г) превышает пороговый уровень релейного элемента 4, находящегося в режиме автоколебаний на малую, по сравнению с длительностью «пакета» синусоид, величину |Δb|=|Δb|, что вызвано задержкой, вносимой соответствующим из динамических D-триггеров 16, 17, 18. Однако эта задержка соответствует одному периоду напряжения сети и при частоте собственных автоколебаний регулятора переменного напряжения с защитой, исчисляемой долями или единицами герц, может не учитываться.
Рассмотрим процесс диагностирования состояния силовых ключей трехфазного регулятора переменного напряжения с защитой.
0
1
2
0
2
Примем, что датчики проводимости 24-1, 24-6, 24-8, подключенные к силовому переходу ключей 22-1, 22-6, 22-8, формируют разряды Q, Q и Q двоичного кода группы «а» (фиг.4), где Q - младший, a Q - старший разряды. Выходные сигналы датчиков проводимости 24-1, 24-6, 24-8 поступают на первый дешифратор 30 АЛУ 25.
0
1
2
Силовые ключи 22-4, 22-2, 22-9 и подключенные к ним датчики проводимости 24-4, 24-2, 24-9 формируют разряды Q, Q и Q группы «b». Выходные сигналы датчиков проводимости 24-4, 24-2, 24-9 поступают на второй дешифратор 31 АЛУ 25 (фиг.4).
0
1
2
Силовые ключи 22-5, 22-7, 22-3 и датчики проводимости 24-5, 24-7, 24-3 участвуют в формировании сигналов Q, Q и О группы «с» (фиг.4). Выходные сигналы датчиков проводимости 24-5, 24-7, 24-3 поступают на третий дешифратор 32 АЛУ 25.
При исправном состоянии силовых ключей 22-1…22-9 регулятора переменного напряжения в каждой группе «а», «b» или «с» будет формироваться двоичная последовательность (000)(000)(000) или (111)(111)(111), что соответствует десятичному числу 0 или 7 (первые две строки в кодовой таблице на фиг.4). Таким образом, исправное состояние силового ключа регулятора напряжения характеризуется двумя десятичными числами: 0 и 7. Любое отклонение от этой числовой последовательности свидетельствует о сбое в работе силовых ключей, что может явиться результатом как выхода из строя непосредственно силового ключа, так и элементов его управления. В этом случае на одном из входов элементов 37, 38, 39 присутствует "1", которая обеспечивает "0" на выходе логического элемента 40 АЛУ 25.
При возникновении отказа в каком-либо из силовых ключей десятичная последовательность 0 или 7 заменяется одним из чисел ряда 1, 2, 3, 4, 5, 6 (фиг.4, строки №3…8). В результате логические элементы 37, 38, 39 переходят в "0", обеспечивая сигнал "1" аварийного отключения регулятора переменного напряжения на выходе логического элемента 40. Одновременно хотя бы один из логических элементов 34, 35, 36 переходит в "1", формируя на выходе логического элемента 41 дублирующий сигнал аварийного отключения регулятора переменного напряжения, например, за счет силового автоматического выключателя.
Таким образом, рассмотренный трехфазный регулятор переменного напряжения обладает повышенной надежностью, благодаря возможности диагностирования состояния его силовых ключей.