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

Устройство относится к области силовой преобразовательной техники и может использоваться, например, в регуляторах температуры с «пакетным» частотно-широтно-импульсным регулированием переменного напряжения.
Известно устройство для импульсно-фазового управления вентильным преобразователем (SU №873374, заявл. 02.11.78; опубл. 15.06.81), содержащее сумматоры, интеграторы, релейные элементы, формирователи импульсов управления, силовые вентильные каскады.
Недостатком устройства применительно, например, к регуляторам переменного напряжения является фазовый режим работы силовых ключей, что отрицательно сказывается на энергетических показателях не только самого регулятора напряжения, но и энергосистемы в целом.
При незначительных схемных изменениях известный вентильный преобразователь может быть переведен в режим широтно (ШИМ) - или частотно-широтно-импульсного (ЧШИМ) регулирования выходного переменного напряжения, когда выходная координата представляет собой «пакет» синусоидального сигнала, разделенного «нулевыми» паузами. Длительность «пакетов» и пауз определяется величиной сигнала управления. При этом длительность «пакета» и паузы должна соответствовать целому числу периодов напряжения сети, что нереализуемо в рамках известного технического решения в силу его схемотехнических особенностей.
Наиболее близким к предлагаемому регулятору напряжения является устройство для импульсно-фазового управления преобразователем (SU №851729, заявл. 22.05.79; опубл. 27.03.81), содержащее сумматоры, амплитудные модуляторы, интеграторы, усилители постоянного тока, формирователи импульсов, релейные элементы, силовые ключи, преобразователь «частота - аналог».
Устройство-прототип также характеризуется низкими энергетическими показателями при работе в качестве регулятора переменного напряжения с «пакетным» регулированием по причине невозможности для режима ЧШИМ обеспечить целое число периодов на активном интервале регулирования. В результате на нагрузке появляется постоянная составляющая, которая вызывает увеличение потребления тока со стороны силового трансформатора энергосистемы, что снизит ее энергоэффективность.
Технической задачей изобретения является повышение энергетических показателей частотно-широтно-импульсного регулятора переменного напряжения, а именно снижение потребления тока регулятором.
Предлагаемый регулятор содержит источники напряжений фаз А, В, С, подключенные к нагрузке, соединенной по схеме «звезда» с нулевым выводом, через нормально открытые первый, второй и третий ключевые элементы соответственно, последовательно включенные источник сигнала задания - входная клемма, сумматор, интегратор, релейный элемент и первый компаратор, причем выход релейного элемента соединен со вторым входом сумматора, также содержащий второй, третий и четвертый компараторы, подключенные к источникам напряжений фаз А, В, С соответственно, и характеризуется тем, что в него введены первый, второй и третий D-триггеры, причем D-вход первого D-триггера подключен к выходу первого компаратора, С-вход первого D-триггера соединен с выходом второго компаратора, а выход первого D-триггера подключен к управляющему входу первого ключевого элемента, выход третьего и четвертого компараторов подключены к С-входу второго и третьего D-триггеров соответственно, D-вход второго D-триггера подключен к выходу первого D-триггера, D-вход третьего D-триггера подключен к выходу второго D-триггера, выход второго и третьего D-триггеров подключены к управляющему входу второго и третьего ключевых элементов соответственно.
Техническим результатом предлагаемого регулятора напряжения являются его повышенные энергетические показатели, связанные, прежде всего, с уменьшением потребления тока со стороны силового трансформатора энергосистемы.
Поставленная техническая задача достигается за счет введения трех динамических D-триггеров, обеспечивающих формирование на нагрузке «пакетов» синусоидального напряжения с целым числом периодов напряжения сети.
Изобретение поясняется чертежами, где
на фиг.1 дана функциональная схема предлагаемого регулятора;
на фиг.2 приведены временные диаграммы сигналов предлагаемого регулятора;
на фиг.3 даны диаграммы сигналов предлагаемого регулятора, полученные на модели в пакете «Matlab+Simulink»;
на фиг.4 приведены временные диаграммы и аналитические соотношения к сравнительному анализу характеристик известных и предлагаемого регулятора напряжения;
на фиг.5 представлена структура и диаграммы сигналов однофазного несинхронизированного регулятора напряжения к пояснению недостатков известных регуляторов.
В состав предлагаемого регулятора переменного напряжения (фиг.1) входят последовательно включенные источник сигнала задания - клемма 1, сумматор 2, интегратор 3, релейный элемент 3 и первый компаратор 5. Выход релейного элемента 4 соединен со вторым входом сумматора 2. Входы второго 6 и третьего 7, и четвертого 8 компараторов подключены к источникам напряжения фаз А, В, С соответственно. Выходы компараторов 6, 7 и 8 подключены к С-входам первого 9, второго 10 и третьего 11 D-триггеров соответственно. D-вход первого D-триггера 9 подключен к выходу первого компаратора 5. D-вход второго D-триггера 10 подключен к выходу первого D-триггера 9, а D-вход третьего D-триггера 11 подключен к выходу второго D-триггера 10. Выходы D-триггеров 9, 10 и 11 подключены соответственно к управляющему входу первого 12, второго 13 и третьего 14 ключевых элементов. Источники напряжения фаз А, В, С - клеммы 15, 16 и 17, подключены соответственно через первый 12, второй 13 и третий 14 силовые ключи к соответствующим входам трехфазной нагрузки 18, соединенной по схеме «звезда» с нулевым выводом - клеммы 19, 20 и 21.
Элементы регулятора напряжения имеют следующие характеристики. Сумматор 2 выполнен с единичным коэффициентом передачи по каждому из входов.
и
и
Интегратор 3 реализует передаточную функцию 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.
Релейный элемент (РЭ) 4 имеет симметричную относительно нулевого уровня неинвертирующую петлю гистерезиса и пороги переключения ±b.
Компараторы 5, 6, 7, 8 имеют неинвертирующую характеристику с нулевым значением порогов переключения и предназначены для преобразования биполярного входного сигнала в однополярные импульсы.
D-триггеры 9, 10, 11 являются динамическими и переключаются в состояние D-входа по переднему фронту импульса на С-входе.
Ключи 12, 13, 14 замыкаются при положительном знаке сигнала на их управляющих входах.
Принцип работы предлагаемого регулятора следующий.
Компараторы 6, 7, 8 формируют сигнал «I» синхронно с переходом соответствующего фазного напряжения через нулевой уровень (фиг.2а-г). Блоки 2, 3, 4 в совокупности образуют автоколебательную систему с ЧШИМ, когда один из интервалов развертывающего преобразования определяется разностью сигнала задания - с входной клеммы 1 и выходного сигнала релейного элемента 4, а второй интервал зависит от суммы этих сигналов. Закон изменения интервалов преобразования и периода автоколебаний на выходе РЭ 4 соответствует приведенным в таблице на фиг.4, б соотношениям для ЧШИМ. Выходной сигнал интегратора 3 имеет пилообразную форму, и ограничен по амплитуде порогами переключения РЭ±b (фиг.2, д).
Компаратор 5 преобразует биполярные выходные импульсы РЭ 4 (фиг.2, д) в однополярный сигнал (фиг.2, е).
По переднему фронту выходных импульсов компараторов 6, 7, 8 (фиг.2, б-г) происходит переключение динамических D-триггеров 9, 10, 11 (фиг.2, ж-и) в состояние, которое имеет их D-вход (фиг.2, е, ж-и). При этом последовательно замыкаются ключи 12, 13, 14, обеспечивая на нагрузке 18 «пакеты» синусоидального напряжения с целым числом периодов напряжения сети, последовательно сдвинутые относительно друг друга (фиг.2, ж-и). Выключение ключей 12, 13, 14 также происходит последовательно (фиг.2, ж-и) под действием выходных импульсов компараторов 6, 7, 8 (фиг.2, б-г) на интервале времени, когда релейный элемент 4 переключается в «отрицательное» состояние (фиг.2, д, е). Интервал паузы между «пакетами» также соответствует целому числу периодов напряжения сети.
Диаграммы сигналов регулятора напряжения, полученные в результате его моделирования в пакете «Matlab+Simulink», приведены на фиг.3 и дополнительных пояснений не требуют.
Таким образом, введение в систему регулирования D-триггеров 9, 10, 11 обеспечивает повышение энергетических показателей регулятора напряжения с ЧШИМ.
Сравним предлагаемый регулятор (фиг.1) с устройством-прототипом.
1
2
1
2
0
Считаем, что «пакет» синусоидального напряжения соответствует интервалу t, а пауза - t широтно- или частотно-широтно-импульсного сигнала (фиг.4а). При этом закон изменения интервалов дискретизации t, t и периода Т при ШИМ и ЧШИМ приведены на фиг.4, б.
0
На фиг.5, а приведена схема одиночного тиристорного ключа 2 с нагрузкой 3, управляемого от ЧШИМ 1. Считаем, что при положительном импульсе на выходе ЧШИМ 1 (фиг.5, в) ключ 2 переходит в замкнутое состояние. Тогда на нагрузке 3 формируется «пакет» синусоидального напряжения (фиг.5, г). Однако из-за несогласованности частот напряжения сети (фиг.5, б) и модулятора 1 (фиг.5, в) на нагрузке 3 может сформироваться «пакет» из нецелочисленного числа периодов напряжения сети (фиг.5, г, здесь в качестве примера показано 4,5 периода напряжения сети). Следующий «пакет» может содержать на начальном этапе лишь часть полупериода напряжения сети, например, тиристор откроется при угле 90 эл. град. (фиг.5, г). В результате на нагрузке 3 появится постоянная составляющая Y (фиг.5, г), которая вызовет увеличение потребления тока со стороны силового трансформатора энергосистемы, что снизит ее энергоэффективность.
Отмеченный недостаток достаточно просто устраняется в цифровых ШИМ с дискретным приращением «пакета» на один период напряжения сети по мере роста сигнала управления. Однако ШИМ имеет ограниченный диапазон регулирования «D» (фиг.4, б).
1
В этом плане перспективна ЧШИМ, где диапазон регулирования при росте сигнала управления практически неограничен (фиг.4, б). Однако цифровая реализация подобного закона модуляции требует бесконечно большого числа разрядов счетной схемы, так как интервал t при , близком к 1,0, стремится к бесконечности (фиг.4, б). Согласовать же частоту сети с частотой ЧШИМ в аналоговых схемах не представляется возможным ввиду существенной нелинейной зависимости выходной частоты ЧШИМ от сигнала управления.
Таким образом, известное техническое решение при работе в качестве регулятора переменного напряжения характеризуется низкими энергетическими показателями.
Сравнение предлагаемого регулятора (фиг.1) с устройством-прототипом по составу функциональных блоков позволяет сделать следующие выводы:
1. Блоки 4, 10, 13 (устройство-прототип) эквивалентны блокам 2, 3, 4 в предлагаемом регуляторе.
2. Релейные элементы 21, 22, 23 в известном устройстве соответствуют компараторам 6, 7, 8 рассмотренного ЧШИМ-регулятора.
3. Блок 19 в устройстве-прототипе соответствует ключам 12, 13, 14 предлагаемого регулятора.
4. Блок 5 (фиг.1) не является отличительным признаком предлагаемого регулятора, так как он выполняет стандартную функция преобразования биполярных импульсов в однополярный сигнал для стыковки выхода РЭ 4 с элементами цифровой электроники (D-триггеры 9, 10, 11).
5. Отличительным признаком предлагаемого регулятора является наличие D-триггеров 8-11 и связей между ними.
Заявленный регулятор предполагается использовать в электроцехе ОАО «Челябинский трубопрокатный завод» для автоматизации режимов работы термонагревательных сушильных камер.