ЧАСТОТНО-ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНЫЙ РЕГУЛЯТОР ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ С СИММЕТРИРОВАННОЙ НАГРУЗКОЙ
FREQUENCY-WIDTH-PULSE CONTROLLER OF AC VOLTAGE WITH BALANCED 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.
Недостатком известного технического решения является его низкие энергетические показатели, так как здесь в режиме переключений работает только один релейный элемент, а остальные - находятся в статическом состоянии. В результате релейный элемент, работающий в автоколебательном режиме, оказывается перегруженным по потерям на переключение.
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 из-за неравномерного распределения потерь между релейными элементами. Это препятствует применению МРП в мощных регуляторах переменного напряжения (РН).
Наиболее близким к предлагаемому устройству является многозонный регулятор напряжения (патент SU №2408969, МПК H02M 5/293, заявл. 23.12.09, опубл. 10.01.11, бюл. №1), содержащий последовательно включенные источник сигнала задания - входная клемма, 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 C-входом динамического D-триггера, D-вход динамического D-триггера соединен с выходом первого компаратора, а выход динамического D-триггера подключен к управляющему входу первого силового ключа.
Недостатком устройства-прототипа при работе в составе РН большой мощности (более 100 кВт) является его низкие энергетические показатели, так как здесь отсутствует возможность равномерного распределения тока нагрузки между фазами напряжения сети. Кроме того, режим частотно-широтно-импульсного (ЧШИ) регулирования напряжения на нагрузке возможен только в одной фазе.
В основу изобретения положена техническая задача, заключающаяся в повышении энергетических показателей регулятора напряжения путем выравнивания тока нагрузки между фазами, а также за счет включения силовых ключей во всех фазах при нулевом токе нагрузке.
Поставленная техническая задача достигается за счет того, что частотно-широтно-импульсный регулятор переменного напряжения с симметрированной 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 A, B, C подключенные, соответственно через первый, второй и третий силовые ключи к трехфазной нагрузке с нулевым выводом, причем шина фазы A подключена также к входу четвертого компаратора, выход которого подключен к C-входу первого динамического D-триггера, согласно изобретению выходы первого, второго и третьего релейных элементов подключены к соответствующим входам сумматора, введены пятый и шестой компараторы, а также второй, третий, четвертый и пятый динамические D-триггеры, при этом входы пятого и шестого компараторов подключены к шинам фаз B и C соответственно, выход пятого компаратора соединен с C-входами второго и четвертого динамического D-триггера, а выход шестого компаратора соединен с C-входами третьего и пятого динамического D-триггера, D-вход второго и третьего динамического D-триггера подключен к выходу второго и третьего компараторов соответственно, D-вход четвертого динамического D-триггера подключен к выходу первого динамического D-триггера, D-вход пятого динамического D-триггера подключен к выходу четвертого динамического D-триггера, дополнительно введены в фазу A четвертый и пятый силовые ключи, в фазу B шестой и седьмой силовые ключи, в фазу C восьмой и девятый силовые ключи, 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 A, выход шестого, второго и седьмого силового ключа соответственно подключен к первой, второй и третьей цепи нагрузки фазы B, выход восьмого, девятого и третьего силового ключа соответственно подключен к первой, второй и третьей цепи нагрузки фазы C, выход первого динамического D-триггера подключен к управляющему входу первого 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, выход четвертого динамического D-триггера подключен к управляющему входу шестого силового ключа, выход пятого динамического D-триггера подключен к управляющему входу восьмого силового ключа, также введены датчики тока фаз A, B, C выходы которых подключены к соответствующим входам сумматора.
Техническим результатом предлагаемого устройства являются его повышенные энергетические показатели, обеспечиваемые за счет того, что в результате предлагаемого структурного решения фазные токи нагрузки в PH равны между собой, а включение силовых ключей происходит при переходе напряжения (тока) соответствующей фазы сети через нулевое значение.
Отличительной особенностью заявленного решения является то, что в частотно-широтно-импульсный регулятор переменного напряжения дополнительно введены второй, третий, четвертый и пятый динамические D-триггеры, пятый и шестой компараторы 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 пяти динамических D-триггеров. Причем выход первого, четвертого и пятого силового ключа соответственно подключен к первой, второй и третей цепи нагрузки фазы A, выход шестого, второго и седьмого силового ключа соответственно подключен к первой, второй и третей цепи нагрузки фазы B, выход восьмого, девятого и третьего силового ключа соответственно подключен к первой, второй и третей цепи нагрузки фазы C, выход первого динамического D-триггера подключен к управляющему входу первого 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, выход четвертого динамического D-триггера подключен к управляющему входу шестого силового ключа, и выход пятого динамического D-триггера подключен к управляющему входу восьмого силового ключа, также введены датчики тока фаз A, B, C выходы которых подключены к соответствующим входам сумматора.
Изобретение поясняется чертежами, где на:
Фиг.1 - дана функциональная схема предлагаемого устройства;
Фиг.2 - приведена функциональная схема датчика тока;
Фиг.3, а-д - представлены характеристики основных элементов регулятора напряжения;
Фиг.4, а-е - приведены временные диаграммы сигналов для упрощенной функциональной схемы регулятора напряжения;
Фиг.5, а-н - даны 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 2 и к входам первого 7, второго 8 и третьего 9 компараторов соответственно. D-входы первого, второго и третьего динамических D-триггеров 10, 11 и 12 соединены с выходом первого 7, второго 8 и третьего 9 компаратора соответственно. D-вход четвертого динамического D-триггера 13 подключен к выходу первого динамического D-триггера 10, а D-вход пятого динамического D-триггера 14 подключен к выходу четвертого динамического D-триггера 13. C-входы динамических D-триггеров 10, 11 и 12 подключены к выходам четвертого 15, пятого 16 и шестого 17 компаратора соответственно, а C-входы четвертого и пятого динамического D-триггера 13 и 14 подключены к выходам пятого 16 и шестого 17 компаратора соответственно. Входы компараторов 15, 16 и 17 соединены с шинами фаз A, B, C соответственно. Шины фаз A, B, C - клеммы 18, 19, 20 подключены через первый 21-1, второй 22-2 и третий 23-3 силовые ключи к трехфазной нагрузке с нулевым выводом 24. В каждую фазу дополнительно введены еще по два силовых ключа, так в фазу A введен четвертый 21-2 и пятый 21-3 силовой ключ, в фазу В шестой 22-1 и седьмой 22-3 силовой ключ и в фазу C веден восьмой 23-1 и девятый 23-2 силовые ключи. При этом нагрузка 24 в каждой фазе представляет собой параллельное соединение трех цепей. Клемма 25 предназначена для измерения тока в нулевом проводе. Выходы динамических D-триггеров 10, 11 и 12 подключены к управляющим входам силовых ключей 21-1, 21-2 и 21-3 соответственно, подключенных к фазе A. Выходы динамических D-триггеров 13, 11 и 12 подключены к управляющим входам силовых ключей 22-1, 22-2 и 22-3 соответственно, подключенных к фазе B. Выходы динамических D-триггеров 14, 11 и 12 подключены к управляющим входам силовых ключей 23-1, 23-2 и 23-3 соответственно, подключенных к фазе C. Датчики тока 26, 27, 28 фаз A, B, C соответственно, имеют аналоговый выход, подключенный к соответствующим входам сумматора 2.
В состав датчиков тока 26, 27, 28 входят (фиг.2) трансформатор тока 29, демодулятор (выпрямитель) 30 и сглаживающий фильтр 31.
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/Tp, где T - постоянная времени интегрирования. Его выходной сигнал нарастает линейно при скачке входного воздействия со знаком, противоположным знаку входного сигнала (фиг.3а).
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.3б).
Компараторы 7, 8, 9 имеют неинвертирующую характеристику q нулевым значением порогов переключения и предназначены для преобразования биполярного сигнала в однополярные импульсы (фиг.3в). Их таблица истинности имеет вид
Вход
Выход
А/n
1
-А/n
0
где ±А - максимальное значение выходного сигнала сумматора 2.
Компараторы 15, 16, 17 имеют аналогичную характеристику и выполняют функцию узлов синхронизации PH с сетью, переключаясь в состояние «1» при положительной полуволне фазного напряжения (фиг.3г).
D-триггеры 10, 11, 12, 13 и 14 являются динамическими и переключаются по переднему фронту импульса на C-входе в состояние, которое имеет их D-вход (фиг.3д).
Силовые ключи 21-1, 21-2, 21-3, 22-1, 22-2, 22-3, 23-1, 23-2, 23-3 нормально разомкнутые. Их переход в замкнутое положение происходит при сигнале логической «1» на управляющем входе.
Нагрузка 24 является активной, где каждый из резисторов имеет значение 3R.
Датчики тока 26, 27, 28 (фиг.2) являются линейными и реализуют контур обратной связи регулятора переменного напряжения по току нагрузки:
На диаграммах сигналов PH (фиг.4) приняты следующие обозначения:
вх
Х - входной сигнал (клемма 1);
и
Y(t) - выходной сигнал интегратора 3;
PЭ1
PЭ2
PЭ3
Y(t), 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 PH следующий.
вх
01
02
и
При включении PH и нулевом входном сигнале X 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.4б) происходит последовательное переключение в положение -А/3 релейных элементов 4 и 5 (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 входит в режим устойчивых автоколебаний, при котором амплитуда сигнала развертки на выходе интегратора 3 ограничена зоной неоднозначности первого релейного элемента 4, имеющего минимальное значение b порогов переключения. При этом релейные элементы 5 и 6 находятся в статических и противоположных по знаку выходных сигналов состояниях.
вх
0
В случае X=0 (фиг.4a, t<t) среднее значение сигналов на выходе релейных элементов 4, 5, 6 также равно нулю.
вх
0
0*
1
2
Наличие сигнала X<(А/3) (фиг.4a, t<t<t) влечет за собой изменение частоты и скважности 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 первого релейного элемента 4 (фиг.4в).
вх
вх
Если входной сигнал X увеличился дискретно до величины (А/3)<X<А (фиг.4а), то PH переходит на этап переориентации состояний релейных элементов 5 и 6, который заканчивается когда релейный элемент 6 переключается в положение - А/3 (фиг.4д). Суммарный выходной сигнал релейных элементов 4, 5, 6 достигает уровня - А (фиг.4е), и PH 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 PH через характерные точки с нулевым значением частоты несущих колебаний (режим частотно-нулевого сопряжения модуляционных зон).
Рассмотрим работу частотно-широтно-импульсного регулятора переменного напряжения с симметрированной 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.4в, г, д).
Компараторы 7, 8, 9 преобразуют биполярный выходной сигнал (фиг.3в) в однополярные импульсы, которые задают требуемое состояние динамических D-триггеров 10, 11, 12.
Компараторы 15, 16, 17 переключаются в состояние «1» при формировании положительной полуволны фазного напряжения соответствующей фазы (фиг.3г).
1
Динамические D-триггеры 10, 11 и 13, 12 и 14 переключаются по переднему фронту импульсов с выходов компараторов 15, 16, 17 в состояние, которое имеет их D-вход (фиг.3д). Если частота собственных автоколебаний PH намного ниже периода напряжения сети, то задержка, которую вносят динамические D-триггеры 10, 11, 12, 13 и 14 является пренебрежимо малой величиной. Это позволяет считать моменты времени переключения первого релейного элемента 4 (фиг.4в) совпадающими с переходом пилообразного сигнала развертки соответствующего порога переключения ±b.
01
02
Компараторы 15, 16 и 17 формируют импульсы «1» синхронно с «положительной» полуволной напряжения фаз A, B, C соответственно (фиг.5а, б, в, г). Релейный элемент 4 (фиг.5д) задает необходимое состояние компаратора 7 (фиг.5е) и динамического D-триггера 10 (фиг.5и), в которое он переключается по первому импульсу с выхода компаратора 15, совпадающему с сигналом «1» на выходе компаратора 7 (фиг.5е). Выключение динамического D-триггера 10 происходит также по первому импульсу компаратора 15 в пределах «нулевого» состояния компаратора 7 (фиг.5б, е, и). В результате на интервале t-t (фиг.5и) в нагрузке на выходе силового ключа 21-1 в фазе А формируется «нулевая» пауза, а «пакет» синусоид содержит целое число периодов напряжения сети.
Выходной сигнал динамического D-триггера 10 (фиг.5и) также определяет состояние динамического D-триггера 13, в которое последний переключается по первому импульсу с компаратора 16 (фиг.5в, к), т.е. при положительной полуволне в фазе B. Таким образом, сигнал на выходе силового ключа 22-1 в фазе B (фиг.5и) оказывается сдвинут на 120 эл. град, относительно выходного сигнала силового ключа 21-1 фазы А (фиг.5к).
Состояние динамического D-триггера 14 (фиг.5л) определяется выходным сигналом динамического D-триггера 13 по первому импульсу с компаратора 17 (фиг.5г), т.е. при положительной полуволне в фазе C. По аналогии с предыдущим случаем, сигнал на выходе силового ключа 23-1 в фазе С (фиг.5л) оказывается сдвинут на 120 эл. град, относительно выходного сигнала силового ключа 22-1 фазы В (фиг.5к).
Таким образом, последовательное включение силовых ключей 21-1, 22-1 и 23-1 (фиг.5и, к, л) фаз A, B и C осуществляется при нулевом значении тока их нагрузки, с целым числом периодов в «пакете». Это благоприятно сказывается на энергетических показателях PH и источника электроснабжения в целом.
Датчики тока 26, 27, 28 образуют контур отрицательной обратной связи по току нагрузки.
Таким образом, между фазами PH осуществлено «выравнивание» тока нагрузки, когда, в частности, для рассмотренного уровня входного сигнала в режиме частотно-широтно-импульсной модуляции работают силовые ключи 21-1, 22-1, 23-1 (фиг.5и), постоянно включены силовые ключи 21-2, 22-2, 23-2 (фиг.5к), а в состоянии «выключено» находятся силовые ключи 21-3, 22-3, 23-3 (фиг.5л) фазы A, B, C. При этом каждый из резисторов нагрузки 22 имеет сопротивление 3R, что применительно к устройству-прототипу эквивалентно включению в каждую из фаз сопротивления равного R. Режим «симметрии» тока нагрузки между фазами PH и целочисленность периодов в «пакете» синусоид будет соблюдаться при любых значениях сигнала управления.
В результате все фазы напряжения сети оказываются загруженными по току в разной мере, что улучшает энергетические характеристики системы в целом.
Таким образом, введение в частотно-широтно-импульсный регулятор переменного напряжения с симметрированной нагрузкой дополнительных силовых ключей и их соответствующее соединение с динамическими D-триггерами 10, 11, 12, 13 и 14 обеспечивает улучшение энергетических показателей PH.
Рассмотренный PH предполагается использовать в качестве регулятора температуры в системе управления режимами работы сушильной печи на Челябинском трубопрокатном заводе.