ДАТЧИК НУЛЕВОГО ТОКА
ZERO CURRENT SENSOR

Устройство относится к силовой преобразовательной технике и может использоваться для управления реверсивными тиристорными преобразователями с раздельным управлением.
Датчики нулевого тока (ДНТ) применяются в реверсивных тиристорных преобразователях (ТП) с раздельным управлением, входят в состав логических переключающих устройств и предназначены для формирования разрешающего логического сигнала («0» или «1») на переключение групп силовых вентилей «Вперед» и «Назад» и управления переключателями характеристик.
Я
Известен датчик нулевого тока компараторного типа (Чернов Е.А., Кузьмин В.П. Комплектные электроприводы станков с ЧПУ. Справочное пособие. - Горький: Волго-Вятское книжное издательство, 1989. - 320 с). Гистерезисная характеристика формируется цепью положительной обратной связи операционного усилителя с помощью резисторов. На инвертирующий вход усилителя подается сигнал смещения от потенциометра, через резистор и стабилитрон, и сигнал, пропорциональный току якоря I электродвигателя. Для преобразования биполярного выходного сигнала усилителя служит транзисторный каскад на резисторах, диоде и транзисторе. Формирование фронтов выходных импульсов ДНТ и его согласование с последующими логическими схемами управления вентильного преобразователя осуществляется с помощью инвертора.
2
1
В случае, когда входной сигнал ДНТ превышает порог включения b, усилитель находится в «отрицательном» состоянии и на выходе инвертора формируется сигнал логического «0», запрещающий подачу импульсов управления на неработающую группу силовых вентилей ТП. При входном сигнале, меньшем порога выключения b, усилитель переключается в противоположное состояние, и на выходе ДНТ появляется сигнал логической «1», при котором разрешается включение ранее не функционирующей группы силовых тиристоров ТП.
Недостатком известного ДНТ является его низкая помехоустойчивость к импульсным помехам, что характерно для компараторных устройств в целом. Включение дополнительных фильтров на информационном входе ДНТ зачастую не приводит к желаемому результату, т.к. импульсные помехи могут проникать на вход компаратора через дополнительные паразитные емкостные или индуктивные связи в каналах передачи данных, что приводит к его ложным переключениям.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является развертывающий преобразователь (РП) (SU №1451729 от 15.01.89, бюл. №2).
В состав устройства входят сумматоры, интеграторы, релейные элементы, делители частоты, пропорционально-дифференцирующие звенья, демодуляторы, ключи, источники электропитания.
Известный РП представляет собой трехкратно резервируемую систему с параметрическим диагностированием, которое основано на контроле за фактом существования в каналах РП режима устойчивых автоколебаний. При его срыве дается команда на включение резервного канала регулирования.
Данный РП может работать в качестве датчика нулевого тока, однако при этом он будет обладать недостаточно высокой точностью из-за задержки выхода операционного усилителя интегратора из режима насыщения.
В основу изобретения положена техническая задача, заключающаяся в повышении точности работы датчика нулевого тока.
Указанная задача решается тем, что в датчик нулевого тока, содержащий последовательно включенные источник сигнала управления, первый четырехполюсник, сумматор, интегратор, первый релейный элемент, выход которого через второй четырехполюсник подключен ко второму входу сумматора, последовательно включенные пропорционально-дифференцирующее звено, демодулятор, согласно изобретению последовательно с демодулятором включены сглаживающий фильтр, второй релейный элемент, выход которого подключен к выходной клемме, и введено нелинейное звено с зоной нечувствительности, вход которого подключен к выходу интегратора, а выход соединен с третьим входом сумматора, при этом вход пропорционально-дифференцирующего звена соединен с выходом первого релейного элемента.
Поставленная техническая задача достигается за счет введения нелинейного звена с зоной нечувствительности, предотвращающего режим насыщения операционного усилителя интегратора и подключения входа пропорционально-дифференцирующего звена к выходу первого релейного элемента, что исключает необходимость в делителе частоты и повышает динамическую точность работы устройства.
Изобретение поясняется следующими чертежами:
Фиг.1 - структурная схема предлагаемого ДНТ;
Фиг.2а, б, в, г, д, е - временные диаграммы предлагаемого ДНТ;
Фиг.3а, б, в, г, д - временные диаграммы предлагаемого ДНТ.
В состав ДНТ (фиг.1) входят последовательно включенные источник сигнала управления 1, первый четырехполюсник 2, сумматор 3, интегратор 4, первый релейный элемент 5, пропорционально-дифференцирующее звено 6, демодулятор 7, сглаживающий фильтр 8, второй релейный элемент 9, «выход» датчика нулевого тока 10. Также ДНТ содержит нелинейное звено 11, вход которого подключен к выходу интегратора 4, а выход - к третьему входу сумматора 3, второй четырехполюсник 12, вход которого подключен к выходу первого релейного элемента 5, а выход - ко второму входу сумматора 3.
Звенья ДНТ реализуют следующие характеристики.
и
и
1
2
1
2
Сумматор 3 имеет единичный коэффициент передачи по каждому из входов. Интегратор 4 выполнен на операционном усилителе с передаточной функцией W(p)=l/Tp, где Т - постоянная времени интегрирования. Знак выходного напряжения интегратора 4 инвертирован по отношению к его входному воздействию. Максимальное выходное напряжение интегратора 4 соответствует величине ±A. Релейный элемент 5 имеет симметричную относительно «нуля» неинвертирующую петлю гистерезиса с порогами переключения ±b. Выходной сигнал релейного элемента 5 изменяется дискретно в пределах ±A. Пропорционально-дифференцирующее звено 6 реализует передаточную функцию вида W(p)=Тр/(Тр+1), где Т, Т - постоянные времени. Демодулятор 7 выполнен с единичным коэффициентом передачи и осуществляет выпрямление переменного сигнала с выхода блока 6. Фильтр 8 - апериодический первого порядка имеет постоянную времени Т и предназначен для сглаживания пульсаций выходного сигнала демодулятора 7. Второй релейный элемент имеет безгистерезисную характеристику с порогом включения +Δ. Нелинейное звено 11 обладает зоной нечувствительности ±c, при превышении которой его выходной сигнал «неограниченно» возрастает. Четырехполюсники 2, 12 являются резистивными и определяют коэффициент пропорционального усиления канала, содержащего звенья 3, 4, 5. Принцип работы устройства следующий.
вх
Д
п
вх
д
п
п
Звенья 2, 3, 4, 5, 12 в совокупности образуют автоколебательную систему с частотно-широтно-импульсной модуляцией. Амплитуда выходного пилообразного напряжения интегратора 4 ограничивается величиной порогов переключения ±b релейного элемента 5, а среднее значение выходных импульсов пропорционально величине входного сигнала. Режим автоколебаний сохраняется в случае, когда входной сигнал на клемме 1 удовлетворяет условию |X|<(X=|А/К|), где:X - амплитуда сигнала на клемме 1; ±X - допустимая величина входного сигнала, при котором система работает в режиме устойчивых автоколебаний; ±A - амплитуда выходных импульсов релейного элемента 5; К - коэффициент пропорционального усиления, определяемый соотношением параметров звеньев 2, 12 (в предлагаемом устройстве К≥300). Таким образом, блоки 2, 3, 4, 5, 12 по существу представляют собой усилитель постоянного тока с высоким значением коэффициента передачи.
вх
д
вх
H
Клемма 1 подключается к выходу датчика тока в цепи нагрузки ТП. Как только напряжение на клемме 1 достигает величины |X|>X (фиг.2а, сигнал X принят положительным), интегратор переходит в состояние «насыщения» -Y=-А (фиг.2б), при котором автоколебательный процесс срывается и система оказывается в статическом положении. В результате выходное напряжение блоков 6, 7, 8, 9 равно нулю (фиг.2 г-е). Тем самым ДНТ формирует команду запрета на включение второй группы силовых тиристоров ТП.
0
При уменьшении в момент времени t входного сигнала на клемме 1 до нуля (фиг.2а) интегратор 4 выходит из «насыщения» (фиг.2б) и через определенный промежуток времени в системе вновь возникает режим автоколебаний, когда на выходе релейного элемента 5 формируется поток импульсов со средним нулевым значением (фиг.2б). Параметры блока 6 выбираются таким образом, чтобы частота выходных импульсов релейного элемента 5 соответствовала бы пропорциональному участку его частотной характеристики. В этом случае выходной сигнал блока 6 поступает на вход демодулятора 7 практически с минимальными искажениями (фиг.2г). С помощью блока 7 импульсы выпрямляются и дополнительно сглаживаются фильтром 8 (фиг.2д). Как только сигнал на выходе звена 8 превышает величину А, релейный элемент 9 переключается в состояние «1», разрешая тем самым переключение на другую группу силовых вентилей ТП.
01
н
При изменении знака сигнала на клемме 1 (фиг.2а, момент времени t) интегратор 4 переходит в положение +Y, автоколебания прекращаются и релейный элемент 9 вновь переключается в состояние «0» (фиг.2б-е).
Недостатком данного технического решения является то, что выход интегратора 4 из состояния «насыщения» происходит с задержкой «τ» (фиг.2б), определяемой временем рассасывания носителей в транзисторных каскадах операционного усилителя. При этом τ зависит от величины сигнала ошибки на входе интегратора 4, температуры окружающей среды, а также изменяется с течением времени. Данный фактор вносит значительную ошибку в работу ДНТ, т.к. «τ» может достигать величины единиц миллисекунд, что соизмеримо с величиной бестоковой паузы в ТП, исчисляемой 4-7 мс.
н
Для исключения данного фактора и повышения точности работы ДНТ в схему введено нелинейное звено 11. Его пороговый уровень соответствует значению |±с|<|±Y|. При этом устройство работает следующим образом.
д
н
При увеличении входного сигнала на клемме 1 выше уровня ±X(фиг.3а) выходное напряжение интегратора 4 стремится к величине ±Y. Однако, как только сигнал на выходе интегратора 4 достигает соответствующего из порогов ±с (фиг.3б), происходит включение звена 11, что влечет за собой ограничение сигнала ошибки интегратора 4 и ограничение его выходного напряжения на уровне порогов срабатывания звена 11. Тем самым исключается режим «насыщения» транзисторов операционного усилителя интегратора 4 и влияние времени «τ» на работу ДНТ (фиг.3в-е), т.е. повышается точность работы устройства. Учитывая также тот фактор, что при входе ДНТ в режим устойчивых автоколебаний на выходе релейного элемента 5 формируются импульсы со средним нулевым значением, из схемы исключен делитель частоты, который присутствует в устройстве-прототипе. При этом вход звена 6 подключен непосредственно к выходу релейного элемента 5. В результате повышается динамическая точность работы устройства, т.к. частота выходных импульсов релейного элемента 5 сдвинута вправо по оси частот частотной характеристики пропорционально-дифференцирующего звена 6.
Таким образом, предложенный ДНТ отличается повышенной точностью и помехоустойчивостью. В предложенном устройстве (фиг.1) импульсная помеха для того, чтобы принудительно переключить релейный элемент 5, должна преодолеть канал интегрирования 4, что, с практической точки зрения, маловероятно. Исключение фактора «τ» обеспечивает независимость режимов работы ДНТ от температуры и времени.
Промышленная применимость.
Рассмотренное устройство предполагается использовать в реверсивном тиристорном преобразователе с раздельным управлением в системе управления электроприводами калибровочного стана цеха №2 ОАО «Челябинский трубопрокатный завод».