УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОТЕНЦИАЛЬНОГО РАЗДЕЛЕНИЯ ЦЕПЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА
DEVICE FOR POTENTIAL SEPARATION OF DC CIRCUITS

Изобретение относится к области аналоговой вычислительной техники и может использоваться в системах управления при автоматизации технологических процессов.
Известно устройство для потенциального разделения цепей постоянного тока (УПР), содержащее модулятор, демодулятор, разделительный трансформатор, выходной сглаживающий фильтр, генератор несущих колебаний для управления ключами модулятора и демодулятора (Терехов В.М. Элементы автоматизированного электропривода. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 225 с.).
Известное устройство характеризуется низкой точностью работы, так как относится к классу разомкнутых УПР, где дрейф параметров любого из функциональных элементов схемы вызывает значительную ошибку преобразования входного сигнала.
Известно УПР, содержащее интегратор, релейные элементы, оптоэлектронные ключи, фильтр (SU №1141424 G06G 7/12. заявл. 17.03.83, опубл. 23.02.85, Бюл. №7).
Недостатком данного УПР является низкое быстродействие, ограниченное временем переключения оптоэлектронных пар, и необходимость в дополнительном источнике электропитания входного интегрирующего каскада, что снижает показатели надежности УПР в целом.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является УПР, содержащее амплитудный модулятор, сумматор, интегратор, релейный элемент, делитель частоты, блок логической функции «Равнозначность», входную и выходную клеммы (Гафиятуллин Р.Х., Цытович Л.И., Цытович П.Л. Развертывающий преобразователь с потенциальным разделением цепей постоянного тока // Приборы и техника эксперимента. - М.: РАН. 1997. - №3. - С.85-88).
Устройство-прототип относится к классу интегрирующих развертывающих преобразователей с частотно-широтно-импульсной модуляцией и реализует принцип развертывающего преобразования с противофазно примыкающими циклами (Цытович Л.И. Развертывающие преобразователи для систем управления вентильными электроприводами и технологической автоматики. Дис… докт. техн. наук. Челябинск: ЧГТУ, 1996. - 464 с.)
Недостатком УПР-прототипа является низкая точность работы в области «больших» сигналов, когда при частотно-широтно-импульсной модуляции частота несущих автоколебаний значительно уменьшается. Это вызывает режим насыщения разделительного трансформатора амплитудного модулятора и переход УПР в состояние инфранизкочастотных колебаний с одновременным снижением коэффициента передачи по отношению к входному сигналу. Кроме того, при питании отдельных элементов схемы от источников, подключенных к сети 50 Гц, могут существенно возрасти массогабаритные показатели УПР.
В основу изобретения положена техническая задача, заключающаяся в повышении точности работы устройства для потенциального разделения цепей постоянного тока и снижении его массогабаритных показателей.
Предлагаемое устройство для потенциального разделения цепей постоянного тока содержит источник входного сигнала, амплитудный модулятор, выход которого соединен с первым входом сумматора, выход которого подключен к входу интегратора, выход интегратора соединен с входом релейного элемента, выход которого подключен к первому входу блока логической функции «Равнозначность», ко второму входу сумматора и к входу делителя частоты, выход которого соединен со вторым входом блока логической функции «Равнозначность» и с первым входом амплитудного модулятора, выход блока логической функции «Равнозначность» соединен с выходной клеммой устройства и характеризуется тем, что в него введены усилитель-ограничитель, выпрямитель (демодулятор) и разделительный трансформатор, причем вход усилителя-ограничителя подключен к источнику входного сигнала, а выход соединен со вторым входов амплитудного модулятора, вход разделительного трансформатора подключен к выходу делителя частоты, а выход подключен к входу выпрямителя (демодулятора), выход которого соединен с клеммой напряжения питания усилителя-ограничителя.
Техническим результатом предлагаемого устройства является его повышенная точность в работе и сниженные массогабаритные показатели.
Поставленная техническая задача достигается за счет электропитания усилителя-ограничителя выпрямленным напряжением несущей частоты автоколебаний УПР и ограничением уровня напряжения, подаваемого на вход амплитудного модулятора за счет усилителя-ограничителя, включенного между источником входного сигнала и информационным входом амплитудного модулятора. При этом в УПР устраняется режим «насыщения» разделительных трансформаторов и, как следствие, инфранизкочастотных «биений» среднего значения выходных импульсов в области «больших» сигналов. Кроме того, питание усилителя-ограничителя от разделительного трансформатора, соединенного с выходом делителя' частоты, позволяет резко снизить массогабаритные показатели устройства из-за высокого значения частоты несущих колебаний УПР.
Изобретение поясняется чертежами, где на:
фиг.1 - дана структурная схема предлагаемого устройства;
фиг.2-4 - приведены временные диаграммы сигналов и характеристики устройства.
В состав устройства (фиг.1) входят последовательно включенные источник входного сигнала - входная клемма 1, усилитель-ограничитель 2, амплитудный модулятор 3, сумматор 4, интегратор 5 и релейный элемент 6. Выход релейного элемента 6 подключен к первому входу блока логической функции «Равнозначность» 7, ко второму входу сумматора 4 и к входу делителя частоты 8. Выход делителя частоты соединен со вторым входом блока логической функции «Равнозначность» 7, с входом амплитудного модулятора 3 и с входом разделительного трансформатора 9. Выход разделительного трансформатора 9 подключен к входу выпрямителя (демодулятора) 10, выход которого соединен с клеммой напряжения питания усилителя-ограничителя 2. Выход блока логической функции «Равнозначность» 7 соединен с выходной клеммой устройства 11.
КР
Усилитель-ограничитель 2 имеет линейную характеристику с зоной насыщения ±Х. В общем случае она может быть как инвертирующей, так и неинвертирующей. Амплитудный модулятор 3 формирует на выходе переменный импульсный сигнал, амплитуда которого соответствует входному воздействию на клемме 1, а частота определяется частотой выходного напряжения делителя частоты 8. Знак выходного импульса амплитудного модулятора 3 соответствует произведению знаков сигналов с выхода усилителя-ограничителя 2 и делителя частоты 8. Амплитудный модулятор 3 реализован по трансформаторной схеме, обеспечивающей потенциальное разделения канала «вход - выход» УПР.
И
Интегратор 5 выполнен с передаточной функцией W(р)=1/Тр на основе операционного усилителя. При подаче «скачка» входного сигнала выходное напряжения интегратора 5 изменяется линейно в сторону, противоположную знаку входного воздействия.
Релейный элемент 6 имеет неинвертирующую петлю гистерезиса и симметричные относительно нулевого уровня пороги переключения ±b. Его выходное напряжение меняется дискретно в пределах ±А.
Делитель частоты 8 (счетный триггер) реализован с коэффициентом деления 2,0, а его выходные импульсы имеют амплитуду ±А.
Блок 7 выполняет логическую функцию «Равнозначность». Сигнал на его выходе имеет уровень +А при совпадении знаков входных сигналов и величину -А при несовпадении знаков этих сигналов.
В дальнейшем принимаем, что коэффициент передачи усилителя-ограничителя 2, амплитудного модулятора 3, выпрямителя (демодулятор) 10 и разделительного трансформатора 9 равен единице, импульсы на выходе релейного элемента 6, делителя частоты 8 и блока логической функции «Равнозначность» 7 меняются дискретно в пределах ±А, а сигнал на выходе усилителя-ограничителя 2 по знаку соответствует входному сигналу на клемме 1 (следует отметить, что инвертирующий или неинвертирующий характер статической характеристики усилителя-ограничителя 2 не имеет принципиального значения с точки зрения принципа работы устройства, а влияет лишь на вид статической характеристики УПР (инвертирующая или неинвертирующая характеристика «вход-выход» УПР).
Принцип работы устройства следующий.
ВХ
0
А
Р
ВЫХ
0
Устройство (фиг.1) относится к классу развертывающих интегрирующих преобразователей с противофазно примыкающими циклами развертывающего преобразования. При нулевом уровне входного сигнала Х (фиг.2a, t<t) сигнал Y(t) на выходе усилителя-ограничителя 2 и амплитудного модулятора 3 отсутствует (фиг.2б) и среднее значение импульсов Y(t), Y(t) на выходе релейного элемента 6 и блока логической функции «Равнозначность» 7 за интервал дискретизации Т равно нулю (фиг.2в, д).
0
А
ВХ
ДЧ
И
При подаче входного сигнала (фиг.2а, t≥t) на выходе амплитудного модулятора 3 формируются прямоугольные импульсы Y(t) с амплитудой, равной ±X, и с частотой выходного сигнала Y(t) делителя частоты 8, ведомого автоколебательным контуром, образованным амплитудным модулятором 3, сумматором 4, интегратором 5 и релейным элементом 6 (фиг.2б-г). В интервале  (фиг.2в) темп развертки Y(t) с выхода интегратора 5 определяется разностью выходных сигналов амплитудного модулятора 3 и релейного элемента 6 и в интервале  - суммой этих сигналов. Здесь:  - нормированное значение порогов переключения релейного элемента 6;  - нормированное значение входного сигнала на входной клемме 1; ±А - амплитуда выходных импульсов релейного элемента 6 и блока логической функции «Равнозначность» 7.
11
21
11
21
22
12
12
11
21
22
11
21
После завершения цикла t+t (фиг.2в) происходит переключение делителя частоты 8 (фиг.2г) и изменение знака сигнала на выходе амплитудного модулятора 3 (фиг.2б). В результате следующий, примыкающий к t+t, цикл преобразования t+t имеет параметры t=t, t=t и ориентирован противофазно по знаку импульсов относительно предыдущего цикла t+t. При демодуляции выходного сигнала релейного элемента 6 с помощью функции «равнозначность» на выходе устройства (клемма 11) формируется частотно-широтно-импульсный сигнал с постоянной составляющей
,
ВХ
пропорциональной входному сигналу Х (фиг.2д, е), где  - период выходных импульсов блока логической функции «Равнозначность» 7. Полоса пропускания устройства при  соответствует величине .
ВХ
Рассмотрим влияние сигналов смещения «нуля» Δе амплитудного модулятора 3 и интегратора 5, которые оказывают наибольшее воздействие на уровень ошибки среднего значения выходного сигнала устройства. Считаем, что ошибка Δе является обобщенной, учитывает нестабильность характеристик амплитудного модулятора 3 и интегратора 5, прикладывается к входу сумматора 4 (фиг.1) и по знаку, например, совпадает со знаком входного воздействия Х (фиг.3а, б).
В интервалах
21
11
22
12
(фиг.3в) сигнал Δе приведет к изменению длительностей «полуциклов» развертывающего преобразования t и t. Интервалы t и t возрастут до значений
и
соответственно, где: ,  - коэффициенты передачи сигнала Δе под действием входного сигнала на выход блока логической функции «Равнозначность» 7;  - нормированное значение сигнала Δе (фиг.3г).
В итоге за интервал дискретизации
p
импульсов Y(t) (фиг.3в) их постоянная составляющая равна , а относительная ошибка преобразования устройства составит
.
ВХ
ВХ
Здесь обращает на себя внимание тот факт, что по сравнению с традиционными устройствами для потенциального разделения цепей постоянного тока, например, типа «модулятор - демодулятор» в рассматриваемом устройстве влияние сигнала Δе носит мультипликативный (зависимый от уровня Х), характер, причем ошибка работы устройства полностью отсутствует при X=0, а с ростом входного сигнала определяется величиной . Учитывая, что , дрейф «нуля» выходного сигнала устройства намного ниже, чем в типовых структурах.
Недостатком устройства данного класса является низкая точность работы в области «больших» сигналов. Причина заключается в том, что с ростом входного сигнала в автоколебательном тракте, образованном сумматором 4, интегратором 5 и релейным элементом 6 УПР уменьшается частота несущих колебаний. В результате «насыщается» разделительный трансформатор амплитудного модулятора 3 и снижается значение его коэффициента передачи, что влечет за собой переход УПР в режим низкочастотных «биений» среднего значения выходных импульсов. Рассмотрим данный режим на основе временных диаграмм сигналов, приведенных на фиг.4.
КР
ВХ
КР
0
ВХ
КР
Предположим, что критической амплитудой входного сигнала, при которой наступает «насыщение» магнитопровода трансформатора амплитудного модулятора 3, является величина Х (фиг.4а). При выполнении условия Х≥Х (фиг.4a, t≥t) частота выходных импульсов релейного элемента 6 и УПР в целом резко снижается, что соответственно влечет за собой уменьшение частоты выходного сигнала делителя частоты 8 до величины  (фиг.4б, в, область «А»). При этом из-за «насыщения» трансформатора амплитудного модулятора 3 падает его коэффициент передачи, что влечет за собой снижение уровня сигнала, поступающего на вход сумматора 4. Тогда частота несущих колебаний УПР вновь возрастает (фиг.4б, в, области «В», «С», ). Повышение частоты несущих автоколебаний выводит разделительный трансформатор амплитудного модулятора 3 из состояния «насыщения», что восстанавливает его коэффициент передачи. Это в свою очередь вновь вызывает снижение частоты автоколебаний УПР (фиг.4б, в, области «D», «Е») и спад коэффициента передачи прямого канала преобразования УПР. В дальнейшем процесс периодически повторяется, носит инфранизкочастотный характер (фиг.4г), определяемый постоянной времени разделительного трансформатора, и приводит к результирующему снижению коэффициента усиления УПР в области «больших» сигналов Х≥Х (фиг.4д).
ВХ
КР
ХВ
КР
0
Очевидно, что для устранения отмеченного недостатка достаточно ограничить величину сигнала на входе амплитудного модулятора 3 на уровне Х<Х, что в предлагаемом устройстве реализуется с помощью усилителя-ограничителя 2, имеющего, например, статическую характеристику, показанную на фиг.4е, где Δ - бесконечно малая величина. Если Х на клемме 1 превышает допустимое значение, то выходной сигнал усилителя-ограничителя 2 не выходит за критический уровень Х, исключая тем самым переход УПР в режим низкочастотных биений координаты Y.
Для питания усилителя-ограничителя 2 можно было бы использовать автономный источник напряжения, гальванически отделенный от источника электропитания УПР. Однако подобное техническое решение является неприемлемым в рамках данного устройства по следующим причинам. При использовании автономного источника электропитания частота пульсаций его выходного сигнала независимо от коэффициента стабилизации стабилизатора является величиной постоянной и определяется частотой напряжения сети. Частота же автоколебаний УПР «плавает» в зависимости от уровня преобразуемого сигнала. В этих условиях возможно «наложение» двух частот со стороны автоколебательного тракта УПР и автономного источника питания усилителя-ограничителя 2, что приведет к появлению дополнительных низкочастотных гармоник в выходном сигнале УПР при выделении среднего значения его выходных импульсов.
Устранения данного потенциального недостатка УПР можно достичь в случае выравнивания частоты несущих автоколебаний с частотой пульсаций источника электропитания усилителя-ограничителя 2. С этой целью выход трансформатора 9 подключен к выходу делителя частоты 8. Это позволяет получить на вторичной стороне разделительного трансформатора 9 переменный сигнал с частотой автоколебаний УПР. В результате на выходе выпрямителя (демодулятора) 10 формируется постоянное напряжение электропитания усилителя-ограничителя 2 с зависимой от уровня входного сигнала УПР частотой пульсаций. Тем самым исключается работа УПР с формированием дополнительных низкочастотных гармоник из-за «наложения» двух некратных друг другу частот. Кроме того, учитывая высокое значение частоты автоколебаний УПР (десятки кГц), резко сокращаются массогабаритные показатели разделительного трансформатора 9 по сравнению со случаем, когда питание усилителя-ограничителя 2 производилось бы по традиционной схеме от источника, подключенного к напряжению сети 50 Гц.
Таким образом, предлагаемое техническое решение отличается от известного повышенной точностью работы в области «больших» сигналов и пониженными массогабаритными показателями.
Рассмотренное устройство предполагается использовать в системе управления комплексом электроприводов участка отделки труб большого диаметра цеха №6 ОАО ЧТПЗ для передачи на управляющую ЦВМ сигналов, характеризующих состояние силовых преобразователей, исполнительных электродвигателей и технологических механизмов. Предполагаемый экономический эффект от внедрения всего комплекса оборудования - 120-180 тыс. руб. в год.