СПОСОБ ГРУППОВОГО УПРАВЛЕНИЯ ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНЫМИ РЕГУЛЯТОРАМИ НАПРЯЖЕНИЯ
METHOD FOR GROUP CONTROL OF WIDTH-PULSE VOLTAGE CONTROLLERS

Изобретение относится к области электротехники, в частности к преобразовательной технике, и может быть использовано для управления работой группы импульсных регуляторов напряжения, осуществляющих регулирование напряжения на нагрузках потребителей путем широтно-импульсной модуляции протекающих в них токов.
Известен способ группового управления импульсными регуляторами напряжения, имеющими индивидуальные нагрузки, подключенные к единому источнику питания, общий период широтно-импульсной модуляции, независимое изменение длительности импульса, на время действия которого регулятор подключает нагрузку к источнику питания, при котором регуляторы делят на две одинаковые по сумме потребляемых их нагрузками токов группы и подключают к источнику питания сначала нагрузки одной группы в порядке возрастания потребляемых токов, а затем нагрузки другой группы в порядке убывания токов, причем начало импульса каждого регулятора совмещают с окончанием импульса предыдущего регулятора [1].
Недостатком способа управления импульсными регуляторами напряжения являются невысокие значения коэффициента мощности группы.
Наиболее близким по сущности к заявляемому способу является способ группового управления импульсными регуляторами напряжения, имеющими индивидуальные нагрузки, подключенные к единому источнику питания, общий период широтно-импульсной модуляции, независимое изменение длительности импульса, на время действия которого регулятор подключает нагрузку к источнику питания, при котором импульсы регуляторов располагают в порядке убывания потребляемых токов нагрузок, выделяют последовательности импульсов, суммарная длительность импульсов каждой из которых, возможно кроме последней, не меньше периода широтно-импульсной модуляции, формируют длительности последовательностей, кроме возможно последней, равными периоду широтно-импульсной модуляции путем введения в каждую из них вместо двух завершающих последовательность реальных импульса тока нагрузок трех эквивалентных импульсов тока фиктивных нагрузок со своими регуляторами таким образом, что существует интервал одновременного включенного состояния двух регуляторов, разделяют полученные реальные и эквивалентные импульсы регуляторов на две одинаковые по сумме потребляемого тока группы и включают вначале регуляторы первой группы в порядке возрастания потребляемых токов, а затем регуляторы второй группы - в порядке убывания потребляемых токов, причем начало импульса каждого регулятора совмещают с окончанием импульса предыдущего регулятора [2].
Если для наглядности представить, что изменение тока импульсов имеет непрерывный линейный характер, то результирующий ток групп будет иметь форму треугольника. При равенстве сумм длительностей импульсов регуляторов, образующих группы, треугольник будет равнобедренным. Когда суммы длительностей импульсов регуляторов групп равны периоду широтно-импульсной модуляции, то вследствие перекрытия токов этих групп на периоде модуляции происходит их наложение друг на друга так, что результирующий ток на периоде модуляции в идеализированном случае будет иметь постоянное значение. При этом коэффициент мощности группы имеет максимально возможное значение.
В случае, когда суммы длительностей импульсов регуляторов групп равны и отличаются от периода широтно-импульсной модуляции, идеализированный результирующий ток групп на периоде широтно-импульсной модуляции не будет постоянным, что приведет к некоторому уменьшению результирующего коэффициента мощности групп.
Изменение длительности импульсов регуляторов в процессе регулирования напряжения ведет к нарушению равенства сумм длительностей импульсов групп, вследствие чего в идеальном случае треугольник потребляемого тока групп станет неравнобедренным, а колебание результирующего тока на периоде широтно-импульсной модуляции будет происходить в большей степени, что определяет дальнейшее снижение коэффициента мощности.
Следовательно, недостатком известного способа управления является зависимость суммарной длительности импульсов группы от длительности импульсов, входящих в нее регуляторов, что в общем случае не обеспечивает равенства суммарных длительностей импульсов групп периоду широтно-импульсной модуляции на всем диапазоне изменения длительности импульсов регуляторов и, как следствие, высоких значений результирующего коэффициента мощности.
Кроме того, в известном способе два завершающих каждую последовательность реальных импульса тока нагрузок заменяют тремя эквивалентными импульсами тока фиктивных нагрузок со своими регуляторами таким образом, что существует интервал времени одновременного включения двух регуляторов. Однако известный способ не определяет действий в случае, когда длительность импульса регулятора, завершающего последовательность, превосходит дополнение суммы длительностей импульсов последовательности без учета длительностей двух и более последних импульсов последовательности до периода широтно-импульсной модуляции.
Техническим результатом заявляемого изобретения является увеличение коэффициента мощности группы импульсных регуляторов напряжения и устранение неопределенности действий в известном способе.
Этот технический результат достигается тем, что в способе группового управления импульсными регуляторами напряжения, имеющими индивидуальные нагрузки, подключенные к единому источнику питания, общий период широтно-импульсной модуляции, независимое изменение длительности импульса, на время действия которого регулятор подключает нагрузку к источнику питания и при котором импульсы регуляторов располагают в порядке убывания потребляемых токов нагрузок, выделяют последовательности импульсов регуляторов, суммарная относительная длительность импульсов каждой из которых, возможно кроме последней, удовлетворяет условию
формируют из импульсов реальных регуляторов, завершающих каждую последовательность, эквивалентные импульсы фиктивных регуляторов и подключают к источнику питания нагрузки реальных и эквивалентных фиктивных регуляторов так, что совмещают момент начала импульса каждого регулятора с моментом окончания импульса предыдущего регулятора, в соответствии с изобретением из завершающих каждую последовательность импульсов реальных регуляторов, кроме последней последовательности, для которых справедливо условие
формируют эквивалентные импульсы фиктивных регуляторов с параметрами, определяемыми в соответствии с формулами
i
i
i
ЭK(l,i)
ЭК(2,i)
ЭК(1,i),
ЭК(2,i)
,…,
где р - количество последовательностей; m - количество импульсов реальных регуляторов в i-й последовательности; , ,…,,, соответственно токи и относительные длительности импульсов реальных регуляторов i-й последовательности; q - количество импульсов реальных регуляторов, завершающих i-ю последовательность, из которых формируют q+l импульсов эквивалентных фиктивных регуляторов; I, I,…,  γγ - соответственно токи нагрузок и относительные длительности импульсов эквивалентных фиктивных регуляторов, с образованием интервалов одновременного включенного состояния двух реальных регуляторов, и нагрузки реальных и эквивалентных фиктивных регуляторов последовательностей импульсов с нечетными номерами включают в порядке возрастания потребляемых ими токов, а нагрузки реальных и эквивалентных фиктивных регуляторов последовательностей импульсов с четными номерами - в порядке убывания их токов.
Отличия позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна». Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях при изучении данной и смежной областей техники и, следовательно, обеспечивают заявленному техническому решению соответствие критерию «изобретательский уровень».
1
n
1
2
3
4
5
Заявляемый способ группового управления импульсными регуляторами напряжения иллюстрируется чертежами. На фиг.1 приведена структурная схема системы управления, реализующей предлагаемый способ. Система управления содержит группу регуляторов 1, каждый из которых со своей последовательно соединенной нагрузкой 2 подключен к выводам источника питания 3. Группа регуляторов имеет общее устройство управления 4, выполняющее вычислительные и логические операции по определению порядка работы реальных регуляторов. Оно содержит блок формирования кода 5, определяющего порядок следования импульсов регуляторов по убыванию амплитуды токов нагрузок, блок определения последовательностей импульсов регуляторов 6, блок формирования длительностей эквивалентных импульсов фиктивных регуляторов 7, блок 8 формирования сигналов τ,…,τ,,…,, определяющих соответственно моменты начала и длительности реальных импульсов регуляторов, блок формирования синхронизирующих импульсов 9 и распределитель синхронизирующих импульсов 10. Работа регуляторов 1 и общего устройства управления 4 синхронизирована напряжением источника питания 3. На фиг.2 и 3 приведены временные диаграммы токов нагрузок группы из четырех регуляторов и общего потребляемого ими тока соответственно для известного и предлагаемого способов. На фиг.4 и 5 приведены временные диаграммы импульсов токов нагрузок группы из пяти регуляторов и общего потребляемого ими тока соответственно для известного и предлагаемого способов. На фиг.3 и 5 также приведены диаграммы сигналов на выходах τ, τ, τ, τ, τ блока 8, определяющих моменты начала импульсов реальных регуляторов.
1
2
n
1
2
n
1
n
1
n
Предлагаемый способ группового управления импульсными регуляторами реализуется следующим образом. На каждом периоде модуляции регуляторы 1 измеряют токи нагрузок I,I,…,I, определяют длительности импульсов λ,λ,…,λ, необходимые для регулирования напряжения на нагрузках, и передают информацию о них соответственно в блок формирования кода 5, задающего порядок следования импульсов регуляторов, и блок определения последовательностей импульсов регуляторов 6 устройства управления 4. На выходах блока 5 формируется код, определяющий порядок следования импульсов регуляторов на периоде широтно-импульсной модуляции по убыванию величины тока нагрузок, который поступает в блок определения последовательностей импульсов регуляторов 6 и блок формирования длительностей эквивалентных импульсов фиктивных регуляторов 7. Блок определения последовательностей импульсов регуляторов 6 на своих выходах формирует сигналы о выделяемых последовательностях импульсов регуляторов, каждая из которых, кроме быть может последней, удовлетворяет условию (1), которые поступают в блок формирования длительностей эквивалентных импульсов фиктивных регуляторов 7 и в блок 8 формирования сигналов, определяющих соответственно моменты начала и длительности реальных импульсов регуляторов. Блок 7 формирования длительностей эквивалентных импульсов фиктивных регуляторов в соответствии с (1') и (2) вычисляет токи и длительности эквивалентных импульсов фиктивных регуляторов, информация о которых поступает в блок 8. Блок 8 на своих выходах τ,…,τ, ,…, формирует сигналы о моментах начала и о длительностях реальных импульсов регуляторов из условий, чтобы реальные и эквивалентные фиктивные регуляторы последовательностей импульсов с нечетными номерами включались в порядке возрастания токов их нагрузок, а реальные и эквивалентные фиктивные регуляторы последовательностей импульсов с четными номерами - в порядке убывания токов их нагрузок и совмещения начала импульса каждого регулятора с моментом окончания импульса предыдущего регулятора. Сигналы с выходов τ,…,τ, ,…, блока 8 поступают на регуляторы 1.
Если суммарная длительность импульсов регуляторов завершающей последовательности меньше периода модуляции, то она формируется равной периоду импульсной модуляции за счет введения эквивалентного импульса фиктивного регулятора с током нагрузки, равным нулю, и длительностью, дополняющей суммарное время включенного состояния всех реальных регуляторов, входящих в завершающую последовательность, до периода широтно-импульсной модуляции.
В связи с тем, что эквивалентные фиктивные нагрузки и регуляторы образуются из реальных нагрузок и регуляторов, полученный порядок подключения реальных и эквивалентных фиктивных нагрузок реализуется путем соответствующих подключений к источнику питания только имеющихся реальных нагрузок согласно найденным параметрам работы эквивалентных фиктивных регуляторов и их нагрузок. При этом перекрытие токов нагрузок последовательностей происходит таким образом, что имеет место незначительное колебание результирующего тока на периоде модуляции. В итоге график результирующего тока оказывается относительно выровненным, что обеспечивает высокое значение результирующего коэффициента мощности группы установок
Рассмотрим два примера, иллюстрирующие преимущество предлагаемого способа.
1
2
3
4
1
2
3
4
Пример 1. Пусть дана группа из четырех регуляторов, имеющих нагрузки со следующими токами: I=1,0 kA; I=0,7 kA; I=0,5 kA; I - 0,4 kA и относительные длительности импульсов: γ=0,3; γ=0,5; γ=0,35; γ=0,4.
4
1
2
Как следует из данных, импульсы регуляторов уже распределены в порядке убывания значений токов их нагрузок. Первую последовательность образуют импульсы первого, второго и третьего регуляторов, их суммарная относительная длительность составляет . Во вторую последовательность, являющуюся завершающей, входит импульс четвертого регулятора, относительная длительность которого γ=0,4<1. Таким образом, m=3 и m=1.
1
Определяем параметры эквивалентных импульсов фиктивных регуляторов (каждого со своей эквивалентной нагрузкой) первой последовательности, для которой q=2,
M
На фиг.2 в функции относительного времени , где Т - период широтно-импульсной модуляции, в соответствии с известным способом приведены временные диаграммы токов нагрузок реальных регуляторов и результирующего тока при разделении их реальных и эквивалентных фиктивных нагрузок на две одинаковые по потребляемым токам группы и подключении к источнику питания сначала нагрузок одной группы в порядке возрастания токов нагрузок реальных и эквивалентных фиктивных регуляторов, а затем нагрузок другой группы, но в порядке убывания токов нагрузок реальных и эквивалентных фиктивных регуляторов. При этом коэффициент мощности группы равен
Согласно предлагаемому способу управления обе последовательности состоят из тех же реальных и эквивалентных импульсов регуляторов, что и в известном способе. Однако реальные и эквивалентные фиктивные регуляторы первой последовательности подключают нагрузки в порядке возрастания потребляемых токов, а реальные и эквивалентные фиктивные регуляторы второй последовательности - в порядке убывания токов. На фиг.3 приведены временные диаграммы токов нагрузок реальных регуляторов и результирующего тока при их включении согласно предлагаемому способу. Коэффициент мощности группы в этом случае равен
Очевидно, что применение предлагаемого способа группового управления обеспечивает увеличение значения коэффициента мощности группы на  по сравнению с известным способом.
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
Пример 2. Пусть токи нагрузок регуляторов равны I=0,35 kA; I=1,0 kA; I=0,7 kA; I=0,5 kA; I=0,4 kA, а относительные длительности импульсов γ=0,5; γ=0,3; γ=0,25; γ=0,3; γ=0,5.
2
3
4
5
1
1
1
2
2
3
3
4
4
5
5
Располагаем импульсы регуляторов в порядке убывания токов их нагрузок I>I>I>I>I, и для удобства дальнейших действий заново их перенумеруем: I=1,0 kA, γ=0,3; I=0,7 kA, γ=0,25; I=0,5 kA, γ=0,3; I=0,4 kA, γ=0,5; I=0,35 kA, γ=0,5.
1
2
Первую последовательность образуют импульсы первого, второго, третьего и четвертого регуляторов, суммарная длительность импульсов которых составляет  (m=4). Во вторую последовательность, являющуюся завершающей, входит импульс пятого регулятора (m=1).
1
Так как в формировании эквивалентных импульсов фиктивных регуляторов первой последовательности должны участвовать ее три последних импульса реальных регуляторов (q=3), то применение известного способа для его осуществления в данном случае невозможно. Согласно предлагаемому способу эквивалентные импульсы фиктивных регуляторов (каждый со своей фиктивной нагрузкой) имеют следующие параметры:
- для первой последовательности
ЭК(1,1)
2
I=I=0,7 kA; ;
ЭК(2,1)
2
4
I=I+I=0,7+0,4=1,1 kA; ;
ЭК(3,1)
3
4
ЭК(3,1)
3
I=I+I=0,5+0,4=0,9 kA; γ=γ=0,3;
ЭК(4,1)
4
I=I=0,4 kA; ;
- для второй последовательности
ЭК(1,2)
1
ЭК(1,2)
1
I=I=0,35, γ=γ=0,5;
ЭК(2,2)
ЭК(2,2)
1
I=0, γ=1-γ=1-0,5=0,5.
На фиг.4 в соответствии с известным способом приведены временные диаграммы токов нагрузок реальных регуляторов и результирующего тока при разделении импульсов реальных и эквивалентных фиктивных регуляторов на две одинаковые по потребляемым токам нагрузок группы и подключении к источнику питания сначала нагрузок реальных и эквивалентных фиктивных регуляторов первой группы в порядке возрастания их токов, а затем нагрузок реальных и эквивалентных фиктивных регуляторов другой группы, но в порядке убывания потребляемых токов. При этом коэффициент мощности равен
Согласно предлагаемому способу управления реальные и эквивалентные фиктивные регуляторы первой последовательности включаются в порядке возрастания потребляемых токов нагрузок, а реальные и эквивалентные фиктивные регуляторы второй последовательности - в порядке убывания токов. На фиг.5 приведены временные диаграммы токов нагрузок реальных регуляторов и результирующего тока при их включении согласно предлагаемому способу. Коэффициент мощности группы в этом случае равен
Предлагаемый способ группового управления обеспечивает увеличение значения коэффициента мощности группы на  по сравнению с известным способом.
При неизменной активной мощности, потребляемой нагрузками группы, увеличение коэффициента мощности регуляторов позволяет: снизить допустимую полную мощность источника питания группы нагрузок; уменьшить электрические потери на общих токоподводящих участках группы нагрузок. В целом это приводит к увеличению эффективности энергопотребления группы нагрузок.
Источники информации
1. Авторское свидетельство №337899. Способ регулирования напряжения группы регуляторов. / В.А.Лабунцов, С.Г.Обухов, В.М.Яров. Опубл. 05.05.1972, БИ №15.
2. Авторское свидетельство №1418673. Способ регулирования напряжения группы импульсных регуляторов. / Г.Г.Лазаревич, А.А.Шкода, И.В.Мурашкин, А.Ф.Синолицый, А.В.Яровой. Опубл. 23.08.1988, БИ №31.