МНОГОЗОННЫЙ ЧАСТОТНО-ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНЫЙ РЕГУЛЯТОР ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ
MULTIZONE FREQUENCY-PULSE-DURATION ALTERNATING VOLTAGE CONTROLLER

Изобретение относится к силовой преобразовательной технике и может использоваться в регуляторах температуры с автоматически резервированием каналом управления.
Известна система управления с автоматическим резервированием (SU №1294152, G05B 9/03, Н05K 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. - С.81-85).
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-импульсный (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 частотно-широтно-импульсный регулятор переменного напряжения (PH) (патент SU №2408969, МПК Н02М 5/293, заявл. 23.12.2009, опубл. 10.01.2011, Бюл. №1), содержащий последовательно включенные источник сигнала задания, первый сумматор и 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 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 D-триггер 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 в режим релейного регулирования. Однако при этом снижается точность и диапазон регулирования.
В основу изобретения положена техническая задача, заключающаяся в повышении надежности работы РН при отказах релейных элементов в МРП.
Многозонный частотно-широтно-импульсный регулятор переменного напряжения, содержит последовательно включенные источник сигнала задания (входная клемма), первый сумматор, интегратор, выход которого соединен с входом первого и второго, и третьего релейных элементов, выходы которых подключены к соответствующим входам второго сумматора, выход которого соединен со вторым входом первого сумматора, также содержащий первый, второй и третий компараторы, входы которых подключены к выходам первого, второго и третьего релейного элемента соответственно, первый D-триггер, D-вход которого соединен с выходом первого компаратора, выход первого D-триггера подключен к управляющему входу первого силового ключа, шины фаз А, В, С, подключенные соответственно через первый, второй и третий силовые ключи к соответствующим входам трехфазной нагрузки с нулевым выводом, причем шина фазы А подключена также к входу четвертого компаратора, выход которого подключен к С-входу первого D-триггера, и характеризуется тем, что в него введены второй и третий D-триггеры, а также пятый и шестой компараторы, при этом входы пятого и шестого компараторов подключены к шинам фаз В и С соответственно, а выходы - соединены с С-входами второго и третьего D-триггеров соответственно, D-вход второго и третьего D-триггера подключен к выходу второго и третьего компараторов соответственно, выход второго и третьего D-триггера подключен к управляющему входу второго и третьего силового ключа соответственно.
Техническим результатом предлагаемого устройства является его повышенная надежность, достигаемая за счет того, что при отказе какого-либо релейного элемента и переход соответствующего D-триггера в статическое состояние режим ЧШИМ возникает в другой фазе напряжения сети и соответствующем D-триггере этой фазы. Изобретение поясняется чертежами, где на:
Фиг.1 - дана функциональная схема предлагаемого устройства;
Фиг.2 - приведены временные диаграммы сигналов МРП;
Фиг.3 - даны модуляционная и амплитудная характеристики МРП;
Фиг.4, 5 - приведены временные диаграммы сигналов РН;
Фиг.6 - представлены характеристики основных элементов РН;
В состав устройства (фиг.1) входят последовательно включенные источник сигнала задания 1, первый сумматор 2, интегратор 3, выход которого соединен с входом первого 4 и второго 5, и третьего 6 релейных элементов. Выходы релейных элементов 4-6 подключены к соответствующим входам второго сумматора 7, выход которого соединен со вторым входом первого сумматора 2. Входы первого 8, второго 9 и третьего 10 компараторов подключены к выходам первого 4, второго 5 и третьего 6 релейного элемента соответственно. Выходы компараторов 8, 9 и 10 подключены к D-входам первого 11, второго 12 и третьего 13 D-триггера соответственно. С-входы D-триггеров 11, 12 и 13 подключены к выходам четвертого 14, пятого 15 и шестого 16 компаратора соответственно. Входы компараторов 14, 15, 16 подключены к шинам фаз А, В, С соответственно. Шины фаз А, В, С-клеммы 17, 18 и 19 подключены соответственно через первый 20, второй 21 и третий 22 силовой ключ к соответствующим входам трехфазной нагрузки 23 с нулевым выводом - клеммы 24, 25 и 26.
Элементы РН имеют следующие характеристики (фиг.6).
Сумматоры 2 и 7 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/Tp, где T - постоянная времени. Его выходной сигнал нарастает линейно при скачке входного воздействия со знаком, противоположным знаку входного сигнала (фиг.6а).
Релейные элементы 4-6 имеют симметричную петлю гистерезиса и пороги переключения, удовлетворяющие условию
1
2
3
|±b|<|±b|<|±b|,
i
где ±b - пороги переключения соответствующего из релейных элементов 4-6. Выходной сигнал каждого из релейных элементов 4-6 меняется дискретно в пределах ±А/3 (фиг.6б).
Звенья 2, 3, 4, 5, 6, 7 в совокупности образуют МРП, статическая характеристика которого имеет вид, показанный на фиг.6г.
Компараторы первой группы 8, 9 и 10 имеют неинвертирующую характеристику с нулевым значением порогов переключения, предназначены для преобразования биполярного входного сигнала в однополярные импульсы (фиг.6в) и выполняют функции повторителей с таблицей истинности
Вход
Выход
А/n
1
-А/n
0
где ±А - максимальное значение выходного сигнала МРП.
Компараторы второй группы 14, 15 и 16 имеют аналогичную первой группе компараторов 8, 9 и 10 характеристику и переключаются в состояние «1» при положительной полуволне фазного напряжения (фиг.6д).
D-триггеры 11, 12, 13 являются динамическими и переключаются по переднему фронту импульса на С-входе в состояние, которое имеет D-вход (фиг.6е).
Силовые ключи 20, 21, 22 переходят в замкнутое положение при сигнале «1» на их управляющем входе.
На диаграммах сигналов МРП (фиг.2, 3) приняты следующие обозначения:
вх
X - сигнал задания (клемма 1);
и
Y(t) - выходной сигнал интегратора 3;
P1
P2
P3
Y, Y(t), Y(t) - выходные сигналы релейных элементов 4-6 соответственно;
вых
Y(t) выходной сигнал сумматора 7;
0
Y - среднее значение выходных импульсов сумматора 7;
Принцип работы РН следующий.
Коэффициент передачи МРП в дальнейшем принимается равным единице. Статическая характеристика МРП имеет линейный и инвертирующий характер (фиг.6г). Считаем также, что изменение уровня сигнала задания (клемма 1) совпадает с началом очередного цикла развертывающего преобразования.
вх
и
1
2
01
02
и
При включении МРП и нулевом сигнале задания X релейные элементы 4-6 устанавливаются произвольным образом, например, в состояние +А/3 (фиг.2в-д). Под действием сигнала развертки Y(t) с выхода интегратора 3 (фиг.2б) 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.2в, 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
P3
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 релейные элементы 5 и 6 находятся в статических и противоположных по знаку выходных сигналах Y(t), Y(t) состояниях (фиг.2г, д). Координата Y(t) на выходе сумматора 7 формируется за счет переключений первого релейного элемента 4 (фиг.2в) в первой модуляционной зоне, ограниченной пределами ±А/3 (фиг.2е).
вх
0
0
вых
вх
вых
1
и
2
и
0
вх
При отсутствии X (фиг.2а, t<t) среднее значение Y импульсов Y(t) равно нулю. Наличие сигнала задания X<(А/3) (фиг.2a, ) влечет за собой изменение частоты и скважности импульсов Y(t), так как в интервале t (фиг.2в) развертка Y(t) (фиг.2б) изменяется под действием разности сигналов, подаваемых на сумматор 2 (фиг.2а, е), а в интервале t-dY(t)/dt зависит от суммы этих воздействий. В результате Y≡Х (фиг.2е).
вх
вх
03
вых
1
2
и
0
вых
вх
Предположим, что в момент времени  сигнал X увеличился дискретно до величины (А/3)<X<А (фиг.2а). Это нарушает условия существования режима автоколебаний в первой модуляционной зоне, и МРП переходит на этап переориентации состояний релейных элементов 5 и 6, который заканчивается в момент времени t, когда релейный элемент 6 переключается в положение -А/3 (фиг.2д). Координата Y(t) достигает уровня - А (фиг.2е), и МРП переходит во вторую модуляционную зону, где в интервалах t, t (фиг.2в) скорость формирования развертывающей функции Y(t) (фиг.2б) 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 модуляционных зон (фиг.2е). Переход МРП из одной модуляционной зоны в другую для малых приращений координаты X сопровождается переходом системы через характерные точки с нулевым значением частоты несущих колебаний (режим частотно-нулевого сопряжения модуляционных зон).
Модуляционная и амплитудная характеристики МРП для общего случая нечетного числа релейных элементов представлены на фиг.3 и показывают, что:
вх
- МРП в каждой модуляционной зоне представляет собой систему с частотно-широтно-импульсной модуляцией, когда с ростом X частота выходных импульсов уменьшается и на границе раздела модуляционных зон становится равной нулю;
вх
- во всем диапазоне изменения входного воздействия X амплитудная характеристика МРП является линейной, что объясняется замкнутым характером структуры МРП и наличием интегратора 3 в прямом канале регулирования.
РН в целом работает следующим образом.
Компараторы первой группы 8, 9 и 10 преобразуют выходной биполярный сигнал соответствующих релейных элементов 4-6 в однополярные импульсы, которые задают требуемое состояние выходного сигнала динамических D-триггеров 11, 12, 13. В это состояние D-триггеры 11, 12, 13 переключаются по переднему фронту импульса с выхода компараторов 14, 15, 16.
Частота выходных импульсов МРП выбирается на уровне 0,5-10 Гц (фиг.4в), что позволяет формировать на выходе РН «пакет» синусоидального напряжения фазы А с целым числом периодов и ЧШИМ. Это значительно улучшает энергетические показатели РН с ЧШИМ по сравнению с фазным регулированием (Гельман М.В., Лохов С.П. Тиристорные регуляторы переменного напряжения. - М.: Энергия, 1975. - 104 с.).
Считаем также, что в выключенном (резервном) состоянии находится нагрузка, например, фазы С (фиг.4 и, силовой ключ 22 постоянно разомкнут), во включенном статическом положении находится силовой ключ 21, а режим плавного регулирования производится с помощью силового ключа 20. Подобный режим работы РН соответствует первой модуляционной зоне в МРП, когда входной сигнал не превышает значения А/3.
01
02
Компаратор 14 формирует импульсы «1» синхронно с «положительной» полуволной напряжения фазы А (фиг.4а, б). Первый релейный элемент 4 задает необходимое состояние первого D-триггера 11, в которое он переключается по первому импульсу, совпадающему с сигналом «1» на выходе компаратора 8 (фиг.4б, г, ж). Выключение D-триггера 11 происходит по первому импульсу в пределах «нулевого» состояния компаратора 8 (фиг.4б, г, ж). В результате на интервале t-t (фиг.4ж) в нагрузке фазы А формируется «нулевая» пауза.
0
1
2
Применение режима ЧШИМ позволяет существенно улучшить энергетические показатели РН и для силовых ключей 20, 21, 22 получить неограниченный диапазон регулирования. Действительно, при широтно-импульсной модуляции (ШИМ) ,  (фиг.4в) и период T=t+t=2Т, где «Т» - в общем случае параметр схемы ШИМ или ЧШИМ, имеющий размерность времени;  - нормированная величина входного сигнала. В случае ЧШИМ , ,  (см. также таблицу на фиг.3). Тогда диапазон регулирования  для силовых ключей 20, 21, 22 при ШИМ заведомо ограничен величиной входного сигнала , так как D≠0, а для ЧШИМ  практически неограничен. Приведенные соотношения не учитывают дискретность РН, которая равна одному периоду напряжения сети, а также многозонный характер регулирования. Однако данное обстоятельство не меняет сути дела, которое сводится к повышенной точности РН с ЧШИМ и его улучшенные энергетическим показателям по сравнению с регуляторами, реализующими ШИМ.
Рассмотрим работу РН при отказе какого-либо релейного элемента МРП. Предположим, что в неуправляемое статическое состояние перешел первый релейный элемент 4 (фиг.5в). В этом случае первый D-триггер 11 также окажется в статическом состоянии «1» (фиг.5е), и силовой ключ 20 будет постоянно замкнут (фиг.5е).
В результате сканирования интегратором 3 пороговых уровней релейных элементов 4-6 (Цытович Л.И., Брылина О.Г. Многозонные интегрирующие системы управления каскадами «Вентильный преобразователь - исполнительный механизм» для объектов с параллельными каналами регулирования» // Практическая силовая электроника. - М.: Изд-во ЗАО «ММП-Ирбис», 2009. №36. - С.23-30) в режим автоколебаний перейдет блок 5 (фиг.5г), и режим ЧШИМ будет реализовываться в канале фазы В (фиг.5ж).
Дальнейшее поведение РН зависит от типа последующих отказов. Если, например, второй релейный элемент 5 перейдет в неуправляемое состояние -А/3, то автоколебательный процесс возобновиться в канале третьего релейного элемента 6, и в режиме ЧШИМ будет работать ключ 22 с третьим D-триггером 13. В том случае, когда релейные элементы 4, 5 окажутся в статическом положении +А/3, РН перестанет выполнять свои функции, так как автоколебательный режим МРП будет сорван.
Тем не менее, по сравнению с устройством-прототипом предлагаемое техническое решение имеет повышенную кратность резервирования при отказах релейных элементов МРП, что достигается за счет введения D-триггеров 12 и 13, а также компараторов 15 и 16. РН может работать также в однофазном режиме, при котором, например, термоэлектронагреватели разделены на секции, одна из которых (или группа) находится в режиме ЧШИМ, а остальные - в статическом состоянии «включено/выключено».
Рассмотренный РН будет использован в системе управления режимами сушильной камеры 120ЕК на ОАО «Челябинский трубопрокатный завод».