МНОГОЗОННЫЙ ИНТЕГРИРУЮЩИЙ РЕГУЛЯТОР ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ С АВТОМАТИЧЕСКИМ РЕЗЕРВИРОВАНИЕМ КАНАЛОВ РЕГУЛИРОВАНИЯ
MULTIPOINT INTEGRATING AC VOLTAGE CONTROLLER WITH AUTOMATIC CONTROL CHANNEL BACKUP

Изобретение относится к силовой преобразовательной технике и может использоваться в регуляторах температуры с автоматическим резервированием каналов управления.
Известна система управления с автоматическим резервированием (SU №1294152, G05B 9/03, Н05К 10/100, заявл. 02.08.85, опубл. 07.02.87, бюл. №5), содержащая интегрирующие развертывающие преобразователи, блоки диагностирования, датчики обратных связей, ключевой коммутатор, исполнительный механизм. Недостатком устройства является его недостаточно высокая надежность, вызванная отсутствием средств диагностирования ключевых коммутаторов.
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. - С81-85).
Недостатком известного технического решения является невозможность его работы при нулевых по выходу отказах релейных элементов, что может быть связано, например, с аварийным отключением источника электропитания. Таким образом, устройство характеризуется недостаточно высокой надежностью при отказе источника электропитания.
Известен МРП (SU №1183988, МПК 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 обладает ограниченными функциональными возможностями и низкой кратностью резервирования при его использовании для управления силовыми преобразователями.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является многозонный регулятор переменного напряжения (РН) (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 является его низкая надежность при отказе релейных элементов МРП. Так, при выходе из строя первого релейного элемента динамический D-триггер, подключенный к его выходу через компаратор, оказывается в статическом положении, и режим частотно-широтно-импульсной модуляции в РН срывается. В итоге, система частично или полностью теряет свою работоспособность. Ее частичное сохранение возможно лишь при наличии контура обратной связи, когда возможен переход РН из режима автоколебаний в режим релейного регулирования. Однако при этом снижается точность и диапазон регулирования.
В основу изобретения положена техническая задача, заключающаяся в обеспечении возможности саморезервирования (автоматического резервирования) и повышении надежности работы заявленного устройства при отказах его активных компонентов.
Указанная техническая задача решается тем, что многозонный интегрирующий регулятор переменного напряжения с автоматическим резервированием каналов регулирования, содержащий последовательно включенные источник сигнала управления - входная клемма, первый 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, второго и третьего компараторов соединен с D-входом первого, второго и третьего динамических D-триггеров соответственно, шины фаз А, В, С, подключенные к соответствующим входам трехфазной нагрузки с нулевым выводом через первый, второй и третий силовой ключ соответственно, управляющие входы которых соединены с выходом соответственно первого, второго и третьего динамического D-триггера, также содержащий второй сумматор, выход которого соединен со вторым входом первого сумматора, четвертый, пятый и шестой компараторы, входы которых соединены с шинами фаз А, В, С соответственно, выход четвертого, пятого и шестого компаратора подключен к С-входу первого, второго и третьего динамического D-триггера соответственно, и характеризуется тем, что в него введены седьмой, восьмой и девятый компараторы, выходы которых соединены с соответствующими входами второго сумматора, а вход седьмого, восьмого и девятого компаратора подключен к выходам первого, второго и третьего динамического D-триггера соответственно.
Техническим результатом предлагаемого устройства является его автоматическая возможности саморезервирования и, как следствие, повышенная надежность устройства, достигаемая за счет того, что при отказе какого-либо элемента, входящего в его замкнутый контур, работоспособность системы восстанавливается за счет автоматического ввода в режим автоколебаний одного из параллельных каналов регулирования.
Отличительной особенностью заявленного решения является то, что в регулятор напряжения введены седьмой, восьмой и девятый компараторы, выходы которых соединены с соответствующими входами второго сумматора, а входы седьмого, восьмого и девятого компараторов подключены к выходам первого, второго и третьего динамических D-триггеров соответственно. В результате все элементы устройства оказываются охваченными общей обратной связью, с помощью которой система осуществляет автоматический поиск работоспособного канала регулирования и включение его в работу.
Изобретение поясняется чертежами, где на:
фиг.1 - дана функциональная схема предлагаемого устройства;
фиг.2 - приведены характеристики основных элементов предлагаемого устройства;
фиг.3 - приведена структура МРП;
фиг.4 - даны временные диаграммы сигналов МРП;
фиг.5, 6 - приведены временные диаграммы сигналов предлагаемого устройства;
фиг.7, 8 - представлены временные диаграммы сигналов предлагаемого устройства при его моделировании в пакете «Matlab+Simulink».
В состав устройства (фиг.1) входят последовательно включенные источник сигнала управления 1, первый сумматор 2, интегратор 3, выход которого соединен с входом первого 4, второго 5 и третьего 6 релейных элементов. Выходы релейных элементов 4, 5 и 6 подключены к входам первого 7, второго 8 и третьего 9 компаратора соответственно. Выходы компараторов 7, 8 и 9 соединены с D-входами первого 10, второго 11 и третьего 12 динамических D-триггеров 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, В, С соответственно. Выходы D-триггеров 10, 11 и 12 соответственно подключены к входам седьмого 16, восьмого 17 и девятого 18 компаратора, а также соединены с управляющими входами силовых ключей 19, 20 и 21 соответственно. Выходы седьмого 16, восьмого 17 и девятого 18 компараторов соединены с соответствующими входами второго сумматора 22, выход которого соединен со вторым входом первого сумматора 2. Шины фаз А, В, С - клеммы 23, 24 и 25 подключены соответственно через первый 19, второй 20 и третий 21 силовой ключ к соответствующим входам трехфазной нагрузки с нулевым выводом 26 - клеммы 27, 28, 29 соответственно.
Элементы многозонного интегрирующего регулятора переменного напряжения с автоматическим резервированием каналов регулирования имеют следующие характеристики.
Сумматоры 2 и 22 выполнены 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.2а).
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.2б).
Компараторы первой группы 7, 8 9 имеют неинвертирующую характеристику с нулевым значением порогов переключения, предназначены для преобразования биполярного входного сигнала в однополярные импульсы (фиг.2в) и выполняют функции повторителей с таблицей истинности
Вход
Выход
А/n
1
-А/n
0
где ±А - максимальное значение выходного сигнала сумматора 22 МРП.
Компараторы второй группы 13, 14, 15 имеют аналогичную первой группе компараторов 7, 8, 9 характеристику и переключаются в состояние «1» при положительной полуволне фазного напряжения (фиг.2д).
Компараторы третьей группы 16, 17, 18 являются безгистерезисными с порогом переключения «+С» (фиг.2г) и предназначены для преобразования однополярных импульсов в биполярные.
D-триггеры 10, 11, 12 являются динамическими и переключаются по переднему фронту импульса на С-входе в состояние, которое имеет D-вход (фиг.2е).
Силовые ключи 19, 20, 21 переходят в замкнутое положение при сигнале «1» на их управляющем входе.
Нагрузка 26 в дальнейшем считается активной.
На диаграммах сигналов МРП (фиг.3, фиг.4) приняты следующие обозначения:
вх
Х - входной сигнал (входная клемма 1);
и
Y(t) - выходной сигнал интегратора 3;
Pl
P2
P3
Y, Y(t), Y(t) - выходные сигналы релейных элементов 4, 5, 6 соответственно;
вых
Y(t) - выходной сигнал сумматора 22;
c
Y - среднее значение выходных импульсов сумматора 22.
Принцип работы многозонного интегрирующего регулятора переменного напряжения с автоматическим резервированием каналов регулирования следующий.
Если принять, что выходы релейных элементов 4, 5 и 6 подключены напрямую к сумматору 22, а компараторы первой группы 7, 8, 9 отключены от выходов релейных элементов 4, 5, 6. Полагаем также, что выходы компараторов третьей группы 16, 17, 18 отключены от второго сумматора 22, входы которого соединены с выходами релейных элементов 4, 5, 6. В этом случае получается классическая структура МРП (фиг.3), которая работает следующим образом.
ВХ
и
1
2
01
02
и
При включении МРП и нулевом входном сигнале Х(входная клемма 1) релейные элементы 4, 5 и 6 устанавливаются произвольным образом, например, в состояние +А/3 (фиг.4в-д). Под действием сигнала развертки Y(t) с выхода интегратора 3 (фиг.4б) 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 сигнал Y(t) на выходе интегратора 3 нарастает в положительном направлении.
и
1
и
1
P2
Р3
вых
Начиная с момента времени выполнения условия Y(t)=b, МРП входит в режим устойчивых автоколебаний, когда амплитуда сигнала развертки Y(t) ограничена зоной неоднозначности первого релейного элемента 4 (с минимальными порогами переключения b), а второй 5 и третий 6 релейные элементы находятся в статических и противоположных по знаку выходных сигналов Y(t), Y(t) состояниях (фиг.4г, д). Координата Y(t) на выходе сумматора 22 формируется за счет переключений первого релейного 4 (фиг.4в) в первой модуляционной зоне, ограниченной пределами ±А/3 (фиг.4е).
вх
0
0
вых
вх
вых
1
и
2
и
0
вх
При отсутствии Х (фиг.4a, t<t) среднее значение Y импульсов Y(t) равно нулю. Наличие входной координаты Х<(А/3) (фиг.4a, ) влечет за собой изменение частоты и скважности импульсов Y(t), так как в интервале t (фиг.4в) развертка Y(t) (фиг.4б) изменяется под действием разности сигналов, подаваемых на сумматор 2 (фиг.4а, е), а в интервале t - dY(t)/dt зависит от суммы этих воздействий. В результате Y≡Х (фиг.4е).
вх
вх
03
вых
1
2
и
0
вых
вх
Если в момент времени  сигнал Х увеличился дискретно до величины (А/3)<Х<А (фиг.4а). Это нарушает условия существования режима автоколебаний в первой модуляционной зоне, и МРП переходит на этап переориентации состояний второго и третьего релейных элементов 5 и 6, который заканчивается в момент времени t, когда релейный элемент 6 переключается в положение -А/3 (фиг.4д). Координата Y(t) достигает уровня - А (фиг.4е), и МРП переходит во вторую модуляционную зону, где в интервалах t, t (фиг.4в) скорость формирования развертывающей функции Y(t) (фиг.4б) также определяется разностью или суммой сигналов, воздействующих на сумматор 2. При этом сигнал Y включает постоянную составляющую -А/3 первой и среднее значение импульсного потока Y(t) второй модуляционной зоны (фиг.4е). Переход МРП из одной модуляционной зоны в другую для малых приращений координаты Х сопровождается переходом системы через характерные точки с нулевым значением частоты несущих колебаний (режим частотно-нулевого сопряжения модуляционных зон).
вх
вх
0
BX
МРП в каждой модуляционной зоне представляет собой систему с частотно-широтно-импульсной модуляцией, когда с ростом Хчастота выходных импульсов уменьшается и на границе раздела модуляционных зон становится равной нулю. При этом во всем диапазоне изменения входного воздействия Х амплитудная характеристика Y=f(X) МРП является линейной, что объясняется замкнутым характером структуры МРП и наличием интегратора 3 в прямом канале регулирования.
Отличие предложенного многозонного интегрирующего регулятора переменного напряжения с автоматическим резервированием каналов регулирования (фиг.1) от классической схемы МРП (фиг.3) заключается в том, что компараторы 7, 8, 9, 13, 14, 15 и D-триггеры 10, 11, 12 за счет введения компараторов 16, 17, 18 и подключения сумматора 22 к выходам компараторов 16, 17, 18 оказываются «внутри» замкнутого контура регулирования МРП, что позволяет повысить надежность работы предложенного устройства при отказах большего числа компонентов, чем это допускается схемой на фиг.3.
ВХ
И
1
Рассмотрим работу многозонного интегрирующего регулятора переменного напряжения с автоматическим резервированием каналов регулирования в целом. Считаем, что Х=0. Полагаем также, что переключение блоков 4, 7, 10, 16 происходит синхронно с моментом времени выполнения условия |Y(t)|=|b|.
При таких условиях в режиме автоколебаний будет находиться первый релейный элемент 4, имеющий минимальное значение порогов переключения (фиг.5в), а состояние релейных элементов 5 и 6 в зависимости от первоначальной ориентации равно, например, +А/3 и - А/3 соответственно (фиг.5д, е).
Компараторы первой группы 7, 8, 9 преобразуют биполярный входной сигнал (фиг.5в) в однополярные импульсы (фиг.5г), которые задают требуемое состояние динамических D-триггеров 10, 11, 12.
Компараторы второй группы 13, 14, 15 переключаются в состояние «1» при формировании положительной полуволны фазного напряжения (фиг.5а, б).
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. В результате в режиме частотно-широтно-импульсной модуляции работает силовой ключ 19 (фиг.5ж), постоянно включен силовой ключ 20 (фиг.5з), а в состоянии «горячего» резерва находится силовой ключ 21 (фиг.5и).
01
02
В частности, компаратор второй группы 13 формирует импульсы «1» синхронно с «положительной» полуволной напряжения фазы А (фиг.5а, б). Первый релейный элемент 4 задает необходимое состояние компаратора первой группы 7 и первого D-триггера 10, в которое он переключается по первому импульсу, совпадающему с сигналом «1» на выходе компаратора первой группы 7 (фиг.5б, г, ж). Выключение D-триггера 10 происходит по первому импульсу в пределах «нулевого» состояния компаратора 7 (фиг.5б, г, ж). В результате на интервале t-t (фиг.5ж) в нагрузке фазы А формируется «нулевая» пауза.
0
1
2
Применение режима ЧШИМ позволяет существенно улучшить энергетические показатели предложенного регулятора и для силовых ключей 19, 20, 21 получить неограниченный диапазон регулирования. Действительно, при широтно-импульсной модуляции (ШИМ) ,  (фиг.5в) и период Т=t+t=2Т, где «Т» - в общем случае параметр схемы ШИМ или ЧШИМ, имеющий размерность времени;  - нормированная величина входного сигнала. В случае ЧШИМ , , . Тогда диапазон регулирования  для силовых ключей 19, 20, 21 при ШИМ заведомо имеет конечную величину, ограниченную входным сигналом , так как диапазон «D» не может быть равным нулю, а для ЧШИМ  практически неограничен.
Рассмотрим работу предложенного устройства при отказе первого релейного элемента 4 (фиг.6), когда он переходит в неуправляемое состояние +А/3 (фиг.6в). В этом случае первый динамический D-триггер 10 оказывается в статическом состоянии «1», и силовой ключ 19 (фаза А) замыкается (фиг.6ж).
2
Тогда режим автоколебаний возникает в тракте второго релейного элемента 5, имеющего пороги переключения ±b (фиг.6г), и в состояние «включено/выключено» переходит силовой ключ 20 (фаза В) (фиг.6з). Силовой ключ 21 (фаза С) сохраняет свое статическое «нулевое» положение (фиг.6и).
2
21
22
В реальной системе выходной сигнал интегратора 3 (фиг.6г) может превышать пороговый уровень релейного элемента, находящегося в режиме автоколебаний (в данном случае ±b), на величины |Δb|≠|Δb|, что вызвано задержкой, вносимой соответствующим из динамических D-триггеров 10, 11, 12. Однако эта задержка соответствует одному периоду напряжения сети и при частоте собственных автоколебаний МРП, исчисляемой долями или единицами герц, может не учитываться.
Дальнейшее поведение многозонного интегрирующего регулятора переменного напряжения с автоматическим резервированием каналов регулирования при отказе его элементов зависит от характера этих отказов. Например, если произойдет «нулевой» отказ второго релейного элемента 5 (неуправляемое состояние - А/3), то режим автоколебаний сохраниться в тракте третьего релейного элемента 6, и система сохранит свою работоспособность. При «единичном» отказе второго релейного элемента 5 (состояние +А/3) система окажется неисправной.
Аналогичная ситуация будет и при отказах других элементов предложенного устройства. Например, в неисправное «нулевое» или «единичное» состояние может перейти не релейный элемент 4, а какой-либо из блоков 7, 10, 16. Их отказы эквивалентны отказам релейного элемента 4, так как они совместно с первым релейным элементом 4 по сути дела представляют собой последовательное включение ключевых элементов, и отказ любого из них эквивалентен отказу всей «цепочки» этих блоков. Более того, компаратор 13 также может рассматриваться как элемент, входящий в каскад блоков 4, 7, 10, 16, так как при его отказе блокируется весь канал регулирования и происходит переход системы на резервную группу элементов. Такие же процессы происходят и при отказе одного из компараторов 14 или 15. В этом случае блокируется один из каналов 5, 8, 11, 17 или 6, 9, 12, 18.
В рассмотренном многозонном интегрирующем регуляторе переменного напряжения с автоматическим резервированием каналов регулирования для повышения его надежности интегратор 3 может быть выполнен путем включения нескольких параллельно работающих интеграторов. Следует также учитывать, что нерезервируемым остается сумматор 22, который целесообразно выполнять на базе пассивного R-сумматора с достаточным запасом по эксплуатационным характеристикам. Сумматор 2 в реальных схемах является виртуальным (суммирующая точка операционного усилителя интегратора), поэтому резервирования не требует.
Таким образом, за счет введения компараторов 16, 17, 18 и включения сумматора 22 на выходе предложенного устройства подавляющее количество элементов регулятора напряжения оказывается в «зоне» действия эффекта саморезервирования, что приводит к повышению надежности работы устройства в целом.
На фиг.7 и фиг.8 приведены результаты моделирования предложенного устройства, выполненного в пакете «Matlab+Simulink».
При «нулевом» отказе первого релейного элемента 4 (фиг.7б) автоколебательный режим переходит на второй релейный элемент 5, и в режиме переключений находится силовой ключ 20. Длительность «пакета» синусоидального напряжения на клемме 28 увеличивается, однако относительная продолжительность этого «пакета» сохраняется неизменной и соответствует исправному состоянию многозонного интегрирующего регулятора переменного напряжения с автоматическим резервированием каналов регулирования (фиг.7а).
На фиг.8 в качестве дополнительного примера показаны диаграммы сигналов многозонного интегрирующего регулятора переменного напряжения с автоматическим резервированием каналов регулирования при неисправном состоянии динамического D-триггера 11. В этом случае в выключенное положение переходит силовой ключ 20 (клемма 28), в статическое открытое - силовой ключ 21 (клемма 29), а в режим «включено/выключено» - силовой ключ 19 (клемма 27).
Таким образом, введение в схему многозонного интегрирующего регулятора переменного напряжения с автоматическим резервированием каналов регулирования компараторов третьей группы 16, 17, 18 позволяет повысить надежность работы системы в целом.
Рассмотренное устройство предполагается использовать в системе автоматизации сушильной камеры 150ЕКР электроцеха ОАО «Челябинский трубопрокатный завод».