УСТРОЙСТВО КОРРЕКЦИИ ФОРМЫ КРИВОЙ НАПРЯЖЕНИЯ
DEVICE FOR CORRECTION OF SHAPE OF VOLTAGE CURVE

Изобретение относится к электрическим машинам, а именно к устройствам регулирования напряжения генераторов переменного тока автономных источников электрической энергии.
Известны системы регулирования возбуждения и корректоры напряжения генераторов переменного тока /1,2/.
Недостатком этих устройств является невозможность сохранения синусоидальной формы кривой напряжения при работе на нелинейную нагрузку, вызывающую высшие гармонические составляющие.
Известны пассивные и активные фильтры /3/, подавляющие высшие гармонические составляющие и улучшающие форму кривой напряжения в сети генераторов переменного тока автономных источников электрической энергии.
Недостатком таких схем является недостаточная эффективность, обусловленная неидеальностью реальных фильтров, у которых частота среза не совпадает с частотой задерживания, и нестабильностью частоты автономных источников электрической энергии.
Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство, содержащее генератор переменного напряжения с системой регулирования возбуждения, в цепь которого последовательно включены переменная нелинейная нагрузка и вторичная обмотка вольтодобавочного трансформатора, первичная обмотка которого подключена через коммутатор к конденсатору /4/.
Недостатком устройства является невысокая точность приближения кривой напряжения к синусоиде в условиях нестабильности частоты генератора переменного тока.
Цель изобретения - уменьшение степени несинусоидальности кривой напряжения.
Цель изобретения достигается тем, что устройство коррекции формы кривой напряжения, содержащее генератор переменного напряжения с системой регулирования возбуждения, в цепь которого последовательно включены переменная нелинейная нагрузка и вторичная обмотка вольтодобавочного трансформатора, первичная обмотка которого подключена к выходу коммутатора, снабжено первым выпрямителем однофазным однополупериодным, вторым выпрямителем однофазным мостовым, формирователем-ограничителем, фильтром низких частот, первым и вторым аналого-цифровыми преобразователями (АЦП), первым, вторым и третьим формирователями коротких импульсов, логическими элементами НЕ и ИЛИ, RS-триггером, элементом задержки, первым, вторым и третьим регистрами памяти, числовым компаратором, суммирующим счетчиком, генератором стабильных импульсов, вычитателем, цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП), трехмерным блоком памяти, с первого по восьмой электронными ключами, которые образуют коммутатор, причем входы первого и второго выпрямителей подключены к зажимам нагрузки, а выход второго выпрямителя непосредственно связан с входом второго АЦП и через фильтр низких частот - с входом первого АЦП, разряды выхода которого соединены с соответствующими разрядами информационного входа третьего регистра памяти и первого входа числового компаратора, причем выход второго АЦП подключен к входу вычитаемого вычитателя, информационный выход которого подключен к входу ЦАП, а вход уменьшаемого соединен с выходом блока памяти, вход первой координаты которого связан с выходом суммирующего счетчика и входом второго регистра памяти, вход второй координаты - с выходом второго регистра памяти, а вход третьей координаты - с выходом первого регистра памяти, вход которого соединен с выходом третьего регистра памяти и вторым входом числового компаратора, выход БОЛЬШЕ которого через третий формирователь коротких импульсов подключен к входу записи третьего регистра памяти, сбросовый вход которого соединен со сбросовым входом суммирующего счетчика, связанного счетным входом с выходом генератора стабильных импульсов, и выходом элемента задержки, вход которого связан с входами записи первого и второго регистров памяти и выходом элемента ИЛИ, первый вход которого через первый формирователь коротких импульсов подключен к выходу формирователя-ограничителя, соединенному с входом элемента НЕ, выход которого через второй формирователь коротких импульсов связан с вторым входом элемента ИЛИ и сбросовым входом RS-триггера, единичный вход которого подключен к выходу первого формирователя коротких импульсов, прямой выход - к управляющим электродам пятого и шестого электронных ключей, а инверсный выход - к управляющим электродам седьмого и восьмого электронных ключей, при этом выход последнего объединен с выходом пятого электронного ключа и соединен с первым зажимом первичной обмотки трансформатора, второй зажим которой подключен к выходам шестого и седьмого электронных ключей, вход последнего из которых объединен с входом пятого электронного ключа и подключен к объединенному выходу первого и третьего электронных ключей, причем входы третьего и второго электронного ключа подключены к выходу ЦАП, входы первого и четвертого электронного ключа - к зажиму МАССА, а управляющие электроды первого и второго электронного ключа соединены с выходом признака положительной разности вычитателя, выход признака отрицательной разности которого соединен с управляющими электродами третьего и четвертого ключа, кроме того, выходы второго и четвертого электронного ключа объединены и подключены к входам шестого и восьмого электронного ключа.
Первый выпрямитель, формирователь-ограничитель, первый формирователь коротких импульсов, элемент ИЛИ, элемент задержки, генератор стабильных импульсов, суммирующий счетчик, второй регистр памяти и их связи обеспечивают формирование кода периода переменного напряжения. Второй выпрямитель, первый АЦП, первый и третий регистры памяти, числовой компаратор, третий формирователь коротких импульсов и их связи формируют код амплитуды переменного напряжения. Второй АЦП формирует коды мгновенных значений напряжения. Блок памяти с учетом амплитуды и периода выдает коды мгновенных значений эталонного синусоидального напряжения. Вычитатель и ЦАП вырабатывают напряжение, соответствующее отклонению напряжения на нагрузке от идеального синусоидального напряжения. Коммутатор и RS-триггер задают направление коррекции в зависимости от знака отклонения напряжения полупериода (положительного или отрицательного).
На фиг. 1 представлена схема устройства коррекции кривой напряжения, на фиг. 2 - эпюры сигналов на основных элементах схемы.
Схема содержит вольтодобавочный трансформатор 1, первый выпрямитель 2 однофазный однополупериодный, второй выпрямитель 3 однофазный мостовой, формирователь-ограничитель 4, фильтр 5 низких частот, аналого-цифровой преобразователи (АЦП) 6, первый 7, второй 8 и третий 9 формирователь коротких импульсов, логический элемент НЕ 10, логический элемент ИЛИ 11, RS-триггер 12, элемент задержки 13, первый 14, второй 15 и третий 16 регистры памяти, числовой компаратор 17, суммирующий счетчик 18, генератор 19 стабильных импульсов, вычитатель 20, цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) 21, трехмерный блок памяти 22, первый 23, второй 24, третий 25, четвертый 26, пятый 27, шестой 28, седьмой 29 и восьмой 30 электронные ключи, нагрузка 31, шины источника 32 и коммутатор 33, образованный электронными ключами 23…30. К шинам 32 подключен генератор 34 переменного тока с системой 35 регулирования возбуждения. Второй АЦП 36 непосредственно подключен к второму выпрямителю 3.
C
Схема работает следующим образом. При появлении положительной полуволны напряжения u(t) на нагрузке 31 она проходит через выпрямитель 2 и поступает на вход ограничителя-формирователя 4. На выходе ограничителя-формирователя 4 появляется прямоугольный импульс, длительность которого равна полупериоду напряжения u(t) на нагрузке 31 и напряжения u(t) на шинах источника 32. По фронту этого импульса формирователь 7 выдает короткий импульс, который проходит через логический элемент ИЛИ 11 и элемент задержки 13. Импульсом с выхода элемента задержки 13 обнуляются регистр памяти 16 и счетчик 18, подготавливая схему к измерению амплитуды и полупериода напряжения источника u(t).
U
Одновременно напряжение u(t) с нагрузки 31 поступает на вход второго выпрямителя 3 и на его выходе появляется пульсирующее напряжение |u(t)|. Из его состава исключаются высшие гармонические составляющие фильтром 5, и на вход первого АЦП 6 поступает гладкая положительная полуволна напряжения u(t). На выходе АЦП 6 появляется код K мгновенного напряжения u(t), который поступает на первый вход компаратора 17 и связан с напряжением u(t) выражением
6
где ΔU - шаг квантования АЦП 6 и 36.
U
Um
m
Так как на втором входе компаратора 17 присутствует нулевой код, поступивший с выхода регистра 16, то появляется сигнал на выходе БОЛЬШЕ компаратора 17, который поступает на вход формирователя 9. С выхода формирователя 9 короткий импульс поступает на вход записи регистра 16, в который записывается код мгновенного значения напряжения u(t). По мере возрастания напряжения u(t) увеличивается код K на выходе АЦП 6 и на первом входе компаратора 17. Код на первом входе компаратора 17 становится больше кода на его втором входе. Вновь появляется сигнал на выходе БОЛЬШЕ компаратора 17 и импульсом с выхода формирователя 9 в регистр 16 записывается очередной код мгновенного значения напряжения u(t). Этот процесс перезаписи кода мгновенного значения напряжения u(t) происходит до момента записи в регистр 16 кода K амплитудного значения напряжения u(t), который поступает на разряды информационного входа регистрам 14 и связан с амплитудой U напряжения u(t)выражением
Т
Одновременно с появлением положительной полуволны напряжения u(t) после обнуления счетчика 18 он начинает подсчет числа импульсов стабильной частоты, поступающих с выхода генератора 19. На выходе счетчика 18 формируется код К полупериода напряжения u(t), который связан с периодом T напряжения u(t) выражением
Э
где Т - период следования стабильных импульсов с выхода генератора 19.
Um
Т
t
По окончании положительной полуволны и приходом отрицательной полуволны напряжения u(t) исчезает сигнал на выходе формирователя 4 и появляется сигнал на выходе логического элемента НЕ 10. По фронту этого сигнала появляется короткий импульс на выходе формирователя 8. Этот импульс проходит через логический элемент ИЛИ 11 и поступает на входы записи регистров памяти 14 и 15. При этом в регистр 14 записывается код K амплитудного значения, а в регистр с выхода счетчика 15 код К полупериода напряжения u(t) 18, поступающие соответственно на первый и второй входы адреса блока памяти 22. После записи кодов амплитуды и полупериода в регистры 14 и 15 регистр 15 и счетчик 18 обнуляются импульсом с выхода элемента задержки 13 и начинается процесс формирования очередных кодов амплитуды и полупериода. Вместе с тем по ранее полученным кодам осуществляется коррекция кривой напряжения, для чего на третий вход адреса блока памяти 22 с выхода счетчика 18 подается возрастающий код К текущего времени t, которое связано с кодом выражением
UC
Э
В ячейках блока памяти 22 записаны коды К мгновенных значений эталонного напряжения u(t) с идеально синусоидальной формой, которые связаны выражением
UC
U
Д
В зависимости от текущего времени, амплитуды и периода напряжения u(t) на выходе блока памяти 22 появляется соответствующий код К эталонного напряжения, который поступает на вход уменьшаемого вычитателя 20. На его входе вычитаемого присутствует код K текущего напряжения на нагрузке, который формируется на выходе второго АЦП 36, связан с напряжением u(t) выражением (1). На выходе вычитателя 20 появляется код K разности или отклонения мгновенного значения напряжения нагрузки от эталонного напряжения
Д
Этот код K поступает на вход ЦАП 21, и на его выходе появляется напряжение
21
где ΔU - шаг квантования ЦАП 21
ВД
K - коэффициент трансформации вольтодобавочного трансформатора 1
Д
U - напряжение на вторичной обмотке трансформатора 1.
21
21
Мгновенное значение напряжения u(t) с выхода ЦАП 21, поступает на коммутатор 33, построенный на электронных ключах 23…30, который задает направление коррекции напряжения, путем изменения полярности напряжения u(t), следующим образом.
Э
1
2
Э
Д
C
Э
3
4
5
6
(1)
(1)
Если напряжение u(t) имеет положительные мгновенные значения (положительная полуволна) и они меньше мгновенных значений эталонного напряжения u(t) (интервал времени t-t, фиг. 2), то появляется сигнал Х12 на прямом выходе триггера 12, который поступает на управляющие электроды ключей 27 и 28, открывая их. Поскольку при превышении эталонного напряжения u(t) над напряжением нагрузки u(t) разность кодов на выходе вычитателя 20 положительна, то присутствует сигнал Х20 на прямом выходе признака знака вычитателя 20, который поступает на управляющие электроды ключей 23 и 24, открывая их. Через открытые ключи 23, 24, 27 и 28 к первичной обмотке трансформатора 1 подается напряжение с выхода ЦАП 21 в прямой полярности. В результате на вторичной обмотке трансформатора 1 появляется напряжение u(t), которое складывается с напряжением на нагрузке u(t), и мгновенное значение сетевого напряжения u(t) возрастает, приближаясь к эталонному напряжению u(t). Аналогично протекает процесс на интервалах времени t-t и t-t (фиг. 2).
Э
2
3
Э
Д
C
Э
(1)
(2)
Если при положительных мгновенных значениях напряжения u(t) оно оказывается больше мгновенных значений эталонного напряжения u(t) (интервал времени t-t, фиг. 2), то электронные ключи 27 и 28 остаются открытыми за счет сигнала Х12 с прямого выхода триггера 12. Однако код разности мгновенных значений напряжений u(t) и u(t) на выходе вычитателя 20 приобретает отрицательное значение, и появляется сигнал Х20 на инверсном выходе признака знака вычитателя 20, который поступает на управляющие электроды ключей 25 и 26, открывая их. Одновременно оказываются открытыми электронные ключи 25, 26, 27 и 28, через которые на первичную обмотку трансформатора 1 подается напряжение с выхода ЦАП 21 с обратной полярностью. На вторичной обмотке трансформатора 1 появляется напряжение u(t), которое вычитается из напряжения u(t), поддерживая мгновенное значение сетевого напряжения u(t) на уровне эталонного u(t) напряжения.
6
9
6
7
UC
U
Д
C
(2)
(1)
Если напряжение u(t) имеет отрицательные мгновенные значения (отрицательная полуволна, интервал времени t-t, фиг. 2), то появляется сигнал Х12 на инверсном выходе триггера 12, который поступает на управляющие электроды электронных ключей 29 и 30 и открывает их. При отклонении мгновенного значения напряжения u(t) в меньшую сторону (интервал времени t-t, фиг. 2) относительно эталонного напряжения u(t) код K на первом входе вычитателя 20 больше кода K на его втором входе, поэтому присутствует сигнал Х20 на прямом выходе признака знака вычитателя 20, которым открываются электронные ключи 23 и 24. Через открытые ключи 23, 24, 29 и 30 напряжение с выхода ЦАП 21 поступает на первичную обмотку трансформатора 1. При этом на вторичной обмотке трансформатора 1 появляется напряжение u(t), совпадающее по фазе с напряжением u(t), что приводит к коррекции кривой напряжения u(t) в нужном направлении.
7
8
C
Если при отрицательных мгновенных значениях напряжения u(t) оно отклоняется в большую сторону от эталонного (интервал времени t-t, фиг. 2), то открываются ключи 25, 26, 29 и 30, которые обеспечивают уменьшение (по абсолютной величине) мгновенных значениях напряжения u(t) до эталонного напряжения.
Д
C
Э
Таким образом, в любой момент времени на вторичной обмотке трансформатора 1 появляется напряжение u(t), которое корректирует мгновенное значение напряжения сети u(t), приближая его форму к идеальной синусоиде u(t)
Погрешность коррекции кривой напряжения зависит от разрядности N цифровых элементов, входящих в схему устройства. При N=10 погрешность не превышает 0,001.
Источники информации
1. Сугаков В.Г. Системы автоматического регулирования параметров электрической энергии судовых электростанций. Ч. 2. Автоматическое регулирование напряжения судовых источников электрической энергии: учеб. пособие / В.Г. Сугаков, О.С. Хватов. - Н. Новгород: Изд-во ФГОУ ВПО «ВГАВТ», 2011. 180 с.
2. Патент на изобретение №25233005 по заявке 2013108756 от 27.02.2013, кл. Н02Р 9/14.
3. Лачин В.И. Электроника: учеб. пособие / В.И. Лачин, Н.С. Савелов. - Изд. 7-е. - Ростов н/Д: Феникс, 2009, - с. 267-287.
4. Emadi, Аli. Uninterruptible power supplies and active filters/ Ali Emadi, Abdolhosein Nasiri, Stoyan B. Bekairov, p. cm. - (Power electronics and application series), ISBN 0-893-3035-1, TK1005/E49 2005, - pp. 80-81.