Устройство для управления регулятором напряжения

,1 Е ИЗОБРЕТЕН ОПИС ИДЕТ ЕПЬСТВУ ВТОРСНОМ сти ованныхтроник Е ГУГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ ССС ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫ(71) Научно-исследовательский интут автоматики и электромеханики прТомском институте автоматизирсистем управления и радиоэлек(54) УСТРОЙСТВО Д 1 Я УПРАВЛЕНИЯ РЛЯТОРОМ НАПРЯЖЕНИЯ(57) Изобретение относится к электртехнике и может быть использовано1 ри управлении регуляторами напряже ния. Цель изобретения - повьпчениеточности регулирования выходногонапряженияУстройство содержит иблоков 5.1 - 5.п управления, к которым подкличены аналого-цифровойпреобразователь 6 и задающий генератор 7. Блоки управления вкличавтзадатчик 8 управления, компаратор 9,блокируищий узел 10, циАровой модулятор 14 длительности импульсов. Засчет введения в блоки 5.1-5.п управления преобразователей кодов 11 и 12и использования делителя 15 частотыиз спектра выходного напряжения исключены массивы комбинационных гармоник, так как частота импульсной составлявшей непрерывно изменяется.6 ил.Тираж 665 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113085, Москва, Ж, Раушская наб., д.4/5Изобретение относится к электротехнике, в частности к преобразовательной технике регулировании и стабилизации постоянных и переменных напряжений).11 ель изобретения - повышение точности регулирования выходного напряжения.На фиг.1 приведена структурная схема устройства для управления регулятором напряжения; на Аиг.2 - временные диаграммы работы узлов устройства для управления регулятором напряжения; на фиг,3 - схемы задатчика 15 управления, циАрового компаратора и блокирующего узла; на Аиг.4 - принципиальная схема преобразователя кодов и счетчика с переменным коэААициентом счета; на Аиг.5 - преобразова тель кодов и модулятор длительности импульсов; на фиг,6 - граАик Аункциональной связи среднего напряжения за период с длительностьв импульсов и частотой их следования на каждое из .1 енение состояния в нести разрядах аналого-циАрового преобразователя (АЦП), начиная с младших.Устройство для управления регулятором напряжения (Лиг.1) содержит и 30 параллельно включенных инверторных ячеек на полностьи управляемых кличах 1-п, выходы которых соединены с первичными обмотками высокочастотных трансформаторов 2,1-2.п, вторичные обмотки которых подклгены к и последовательно соединенным ьынрямительным мостам 3.13,п, подклвченным к нагрузке 4, и блоков 51-5.п управления, А 11 П и задавщий генератор 7, каж дый блок управления содержит эадатчик 8 управления, соединенный с входом циАрового компаратора 9, вход которого соединен с одним иэ входон блокирующего узла 10, другой вход ко торого соединен с инАормационным входом циАрового компаратора и с выходом АЦП 6, а выход блокирующего узла соединен с обьединенными входами преобразователей 11 и 12 кодов, причем вы ход первого преобразователя 11 кода подключен к инАормационным входам счетчика 13 с переменным коэфАициентом счета, а выход второго преобразователя 12 кода - к выходам управле 55 ния длительностью импульсов пиАрового модулятора 14 длительности импульсов, причем другой вход счетчика 13 с переменным коэААициентом счета подклвчен к выходу задаищего генератора7, вход управления частотой следования импульсов модулятора длительностисоединен с выходом счетчика с переменным коэААициентом счета, тактирувщийвход - с выходом делителя 15 частоты,а выход циАрового модулятора длительности импульсов соединен с входамиузлов 16 и 17 разделения и усиления,выходы которых предназначены для подклнчения к управляищим входам кличей1 инверторных ячеек 1 - п.Преобразователи кодов, служащиедля преобразования поступавшего дво"ично-десятичного кода в двоично-десятичный код по заданным программам,выполняится, как правило, на запоминаищих устройствах и элементах запоминавщих устройств, например на микросхемах К 573 РР, К 558 РР и т,д.Задатчик управления может бытьвыполнен на простейших элементах логики И, ИЛИ, НЕ или на основе программных перекличателей типа ПП.На фиг.2 приняты следунщие обозначения: 18 - входной управляющий сигнал; 9 - 21 - пороговые напряжения,соответствующие заданным значениямзадатчиков управления; 22 и 23 -диаграммы выходных напряжений соответственно со счетчиков с переменнымкоэААициентом счета первого и второгоканалов управления; 24 и 25 - диаграммынапряжений с выхода цифровых модуляторов длительности первого и второго каналов управления соответственно; 26 и 27 -диаграммы напряжений неуправляемогоблока развязки и усиления первого канала; 28 - диаграмма напряжений наобмотках выходных трансАорматоров неуправляемых блоков развязки и усиления; 29 - диаграмма напряжений на обмотках трансформаторов управляемыхблоков развязки и усиления; 30 - диаграмма напряжения на первичной обмотке высокочастотного трансФорматорапервого инвертора; 31 - диаграмма напряжения на выходе выпрямительногомоста первого канала; 32 - 34 - диаграммы напряжений на нагрузке приработе соответственно первого, второго и третьего каналов преобразователя на примере линейно нарастаищеговходного сигнала 18; 34 а - среднеезначение мгновенного напряжения нанагрузке,Задатчик 35 управления (Аиг,3)представлен упрощенным вариантомдля первой эоны регулирования, когдавыходы задатчика имитируют уровеньлогического "0", Два логических элемента ИСЮПОЧАИР 1 ЕЕ И 31 И 36, одни извходов которых соединены с выходомАЦ 11 6, а другие - с вьжодом задатчика, выходы подключены к входам логического элемента И 1 И 37, представляют собой один из вариантов цифровогокомпаратора 38, выход которого соединен с одним из входов логическихэлементов И 31 И, образующих блокирующий узел 39, другие входы которогосоединены с соответствующими выходами 15АЦП 6.Преобразователь кодов (фиг4),выполненный, например, на двух элементах 40 и 41 постоянно запоминающих устройств (ПЗУ), подключен шестью 20адресными входами к выходам блокирующего узла 39, выходы младших шестиразрядов ПЗУ соединены с индюрмацнонными входами счетчиков 42 и 43, выходы которых в составе младших нести 25разрядов подключены к элементу И-НЕ44, вьжод которого соединен с однимиз входов триггера 45 и элемента ИНЕ 46, другой вход которого подсоединен к выходу задающего генератора 7, 30к которому подключен счетный входсчетчика 42, выход перевыполнениякоторого соединен со счетным входомсчетчика 43, входы записи счетчиков42 и 43 соединены с инверсным выходом триггера 45, на вычитающие входысчетчиков 42 н 43 и входы сброса поданы уровни напряжений логической"1" и логического "0" соответственно,На фиг.5 представлен вариант преобразователя кодов, выполненный наэлементах ПЗУ 47 и 48, подключенныйвходными шестью адресными входами квыводам блокирующего узла 39, выходыпреобразователя в составе нести младших разрядов соединены с индюрмационными входами счетчиков 49 и 50,выходы которых в составе тех же нестиразрядов подключены к элементу ИЛИНЕ 51, выход которого связан с однимиэ входов триггера 52, другой входкоторого подключен к выходу элемента44, одному из входов ИСЮР)ЧАО 11 ЕЕ КПИ53, входам записи счетчиков 49 и 50,а выход триггера 52 подключен к вхо 55дам сброса счетчиков 49 и 50 и одномуиз входов элемента ИСКЛИЧАИЩЕЕ ИЛИ,другой вход которого связан с вьжодомэлемента 44, делитель 8 частоты(фиг,1) подключен к вычитающему входу счетчика 49, выход сигнала переноса которого связан с вычитающим входом счетчика 50.На Фиг.6 показан в виде графиков один иэ примеров линейной связи среднего значения выходного напряжения (11, ) регулятора напряжения и п-порядкового номера изменения шестиразрядного кода АЦП при возрастании входного сигнала от нуля с соответствующим изменением длительности выходных импульсов и частоты их следования (т, ,).Работу устройства для управления регулятором напряжения (фиг.1) рассмотрим на примере, когда на информационный вход блоков управления поступает с А 1 П 1 прямой код.При включении питающего напряжения и отсутствии управляющего напряжения П (напряжение 18, фиг.2) задающий генератор 7 формирует импульсы заданной частоты. На выходе АЦП 6 действует и-разрядный двоичный код, соответствующий нулевому уровню 11 . Этот код поступает на иидюрмаци 3 нные входы цифрового компаратора 9 и блокирующего узла 10. Задатчик 8 управления задает двоично-десятичным кодом верхнюю границу эоны, отведенной для каждого канала управления, причем границы эон (в кодах) определяются количеством зон и их разбиением. На выходе цифрового компаратора код, соответствующий низкому уровню напряжения, сохраняется до момента достижения входным сигналом границы эоны работы первого канала управления и далее остается на высоком уровне. Такой алгоритм работы позволяет пропускать на выход блокирующего узла ш-разрядный изменяющийся код в соответствии с входным сигналом (в пределах зоны), поступающий от АЦП. В случае выхода иэ границы зоны на выходе цифрового компаратора 9 и соответственно на выходе блокирующего узла 1 О устанавливается неизменный код в виде высокого напряжения в используемых разрядах. При нулевом управляющем сигнале на выходе блокирующего узла 10 устанавливаются коды, проходящие без изменения через преобразователи 11 и 12 кодов, задающие начальную частоту работы счетчика 13 с переменным коэффициентом счета н вызывающие появление на его выходепоследовательности очень малых по длительности импульсов 23. Импульсы 23 проходят через модулятор 14 длительности практически без изменений и преобразуются в блоке 16 развязки и усиления в парафаэные напряжения 26 и 27, при этом на выходном трансформаторе блока 16 действует разнополярное напряжение 28, являющееся 10 управляющим для ключей анодной группы инверторной ячейки 1. Аналогично и в блоке 17 развязки и усиления напряжение 24 преобразуется в разно- полярное напряжение 29, поступающее на управляющие входы ключей катодной группы инверторной ячейки 1, Положительные полуволны напряжений 28 и 29 соответствуют замкнутому состоянию первых ключей, а отрицательные - 20 вторьгх.Аналогично и для ячеек других иннерторов. В режиме 11 = О фазы напряжений 28 и 29 совпадают, так какО. Выходное напряжение инвер торных ячеек, также как и напряжение выпрямительных мостов всех каналов, равно нулю, напряжение на выходе регулятора отсутствует.30При возрастании входного управляющего сигнала 18 (фиг.2) выще нуля ,интервал времени О с С с С ) вступает в работу первый канал управления. На выходах блокирующего узла 1 О изменяющийся код соответствует кодам с АЦП, он же поступает на преобразователи 11 и 12 кодов. Каждому входному коду, поступающему на преобразователь кодов, ему противопоставляется на вы ходе запрограммированный в ПЗУ код, Преобразователь 11 кода нагружен на входы счетчика 13 с переменным коэффициентом счета, а преобразователь 12 кода - на входы цифрового модуля тора 4 длительности. В результате по заданной программе меняется частота следования импульсов и их длительность. Это позволяет повысить точность преобразования напряжения, обеспечить неизменным коэффициент . передачи регулятора и, как следствие, получить линейную регулировочную ха" рактеристику преобразователя.Используя частотно-ниротно-импульс55 сную модуляцию при преобразовании входного сигнала для сохранения информационных свойств такого преобразователя, можно испольэовать связь переменных параметров со среднимзначением за периодссгде Бамплитуда напряжения прямоугольных импульсов;С иГдлительность импульса и частота следования соответственно.При наличии двух переменных величин (Си г") линейное преобразованиевходного сигнала можно обеспечитьпри условии, что произведение этихдвух параметров (С О и Г) изменяетсятакже по линейному закону (в частности, при линейном изменениии Гсреднее значение напряжения изменяется в функции, приближающейся к квадратичной). Таким образом, необходимо,чтобы частота следования импульсови их длительность изменялись по вполне определенному закону (фиг.6), Задачу коррекции кодов АЦП по требуемому закону обеспечивают преобразователи 11 и 12 кодов,Следовательно, изменяющиеся коды на входах счетчика 13 с переменным счетом, поступающие с преобразователя 11 кодов, формируют выходные сигналы счетчика с заданной частотой, которые, в свою очередь, поступают на вход модулятора 14 длительности. На информационных входах модулятора длительности с преобразователя 2 кодов действуют коды, формирующиеся в модуляторе длительности импульса по заданному закону. Это приводит к изменению фазы напряжения 29 пропорционально длительности импульсов 24. Напряжения 28 и 29 определяют соответствующие циклы замыкания ключей анодной и катодной групп ячейки.В результате на первичной обмотке высокочастотного трансформатора первого канала действует напряжение 30, а на выходе выпрямительного моста 3.1 - импульсная последовательность 31, относительная длительность и частота следования импульсов которой пропорциональны управляющему входному сигналу, В момент времени, близкий к С скважность импульсов стремится к 1, а среднее значение напряжения на выходе выпрямительного моста 3.1 приближается к своему максимальному уровню.В момент времени С, на выходе циФ- рового компаратора первого канала управления устанавливается код, соотнетствуищий высокому уровни напря 5 жения, который, действуя на блокирующий узел, поддерживает на выходе неизменный код, хотя входной сигнал и код АЦ 11 продолжают возрастать. ЦиФровой модулятор 14 дпительности и счетчик 13 с переменным коэФФициентом счета Фиксируют частоту и длительность импульсов, а скважность импуль" сов становится равной 1. Выходное напряжение преобразователя представлено эпирой 32.С момента времени СС, вступает в работу второй канал блока управления, Его выходное напряжение представлено эпирой 25, а выходное напря жение ныпрямительного моста 3.2 эпирой 33. С последующим ростом входного управляющего сигнала вступают н действие все каналы, вплоть до п-го, каждый из которых работает по замкну тому циклу, На выходе регулятора действует напряжение, равное сумме напряжения 32 первого канала, напряжения 33 второго и т.д., при произвольно нарастающем входном напряжении 11. 30 Среднее значение этого напряжения 34 а по Форме повторяет напряжение управления 11, .Рассмотрим работу задатчика 8управления, циФрового компаратора 9,35блокирующего узла 10, АЦП 6,на примере работы первого канала управления, например носьмиразрядного АЦПи четырех каналов управления. При использовании такого АЦП, отражающеговходной сигнал в двоично-десятичномкоде в виде 256 уровней, каждый канал управления работает в зоне отведенных ему 64 уровней и соответствуищих им кодов АЦП. Первый каналуправления и последующие отрабатываютс помощьи кодов уровни 63-127(01111111); 127-19 (1011111); 191255 (111 1111 1),Сущность работы задатчика 35 циФрового компаратора 38 и блокирующегоузла 39 (Фиг,.З) заключается в том,что с выходов блокирующего узла снимаит изменяющийся код АЦП до моментадостижения управляющим сигналом У(Фиг.2) границы работы канала управления, в данном случае 63-го уровня.Этот уровень определяется уровнем логического О в седьмом и восьмом разрядах (а 7 = О, а = 0) (Фиг.З).В отсутствие сигйала на входах элементов ИСКЛИЧАИЩЕЕ ИЛИ 36 действуит выходные потенциалы на,уронне логического "О" и подаются на входы элемента ИЛИ 37, Логический "О" с циФроного компаратора 38 и уровень логического "Он по разрядам (а, а ) с выхода АЦП прикладываются к входам элемента ИЛИ узла 39, обеспечивая на выходах блокирующего узла уровень логического "О" во всех разрядах (а, - аб)С увеличением управляющего сигнала с код с АЦП начинает возрастать, в то же время с выхода циФрового компаратора 38 разреиаищий уровень логиЮческого "О", действующий на входы элемента блокирующего узла 39, не изменяется и позволяет про;одить на внход элемента узла 39 изменяющемуся коду с АЦП, в дальнейяем действующему через преобразователи 11 и 12 кодов (Фиг.1) на входах счетчика с переменным коэФФициентом счета и модулятора длительности импульсов.В момент достижения управляющего сигнала 63-го уровня АЦП Формируют коды (001111)и все щесть разрядов блокирующего узла повторяют уровень логической "1" (11111). В этот момент времени изменения частоты следования импульсов и их длительности обеспечивают скважность, равнуи 1. Сохранение выходных параметров перво го канала управления ь случае дальнейщего увеличения управляющего сигнала обеспечивается начиная с 64-го уровня, когда н седьмом разряде АЦП, а позднее в восьмом разряде появляется уровень логической "1". На одном из выходов логических элементов 36 постоянно присутствует уровень логической "1", поэтому на выходе элемента ИЛИ 37 также устанавливается уровень логической "1", блокируищей входы элемента узла 39. На выходе блокирующего узла во всех разрядах остается уровень логической "1" до тех пор, пока сигнал управления не изменится ниже граничного уровня, принятого для первого канала управленияСчетчик 13 с переменным коэФФици ентом счета и преобразователь 11 кодов (фиг.) представлены принципи379918 Ояльцой схемой (Аиг,4) и работавт следувщим образом.Предположим, что на ицАормационных входах счетчиков 42 и 43 логический "0"Логическая "1" с элемента 44 обуславливает логическув "1" ня вы - ходе Ц триггера 45 и, следователь но, на входе С счетчиков 4 и 43, При поступлении на счетный вход счетчика О 42 импульсов с выхода задавщего генератора на выходах счетчиков 42 и 43 появляется нестираэрядный нараставший двоичный код. При поступлении 63-го импульса на вход счетчика на выходах его нести разрядов устанавливается уровень логической "1", а на выходе элемента 44 и соответственно ця входе Б триггера 45 - перепад с "1" в "0". В то же время на входе В 20 триггера 45 устанавливается логическая "1", Триггер 45 опрокидывается и ца его выходе Ц устанавливается нулевой уровень. Он же прикладывается к входам Г счетчиков 42 и 43. Счетчик 25 производит запись сигналовдействувщих на ицАормационных входах (с выходов ПЭУ ня элементах 40 и 41), На вход "+1" счетчикадействует 64-й импульс с эадавщего генератора, а ло гцческяя "1" - с элемента 44 - на вход Я триггера 45, Одновременное воздействие логической "1" на входах элемецта 46 приводит к появлении логического "0(во время действия 64-го импульса) ца входе В триггера35 45, Триггер опрокидывается с логического "0" в "1" и свое состояние неизменит до последувщего изменения потенциала по входу Б которое про 40 изойдет вновь в случае установления ца выходе, счетчиков логической в нести разрядах. Таким образом, счетчик с переменным коэффициентом счета выделяет из последовательности импульсов задавщего генератора только те которые приводят к переполненив шести разрядов счетчиков 42 и 43, а начало счета определяется от установочного двоично-десятичного кода с элементов 40 и 41 преобразователя50 кодовЭлементы 40 и 41 выполнявт фуцкцив преобразования кодов, поступавщих с Л 11 П для обеспечения определенной функции преобразования 11 = .55ЦиАровой модулятор 14 длительности импульсов и преобразователь 12 кодов (по Ацг1) представлены в виде принципиальцой схемы (Лиг.5) ц работавт следувщим образом.Преобразователь кодов выполненный ца элементах 47 ц 48, противопоставляет входным кодам с Л 11 П коды цо определенной программе, которые действувт на ицАормаццоцные входы счетчиков 49 и 50.После прихода со счетчика с переменным коэААициентом счета импульса в виде перепада напряжения с логической "1" в логический "0" триггер 52 устанавливается в нулевое состояние (Р = 0 , Б = ц 1 ц), тем самым снимается сигнал сброса счетчиков 49 и 50 и производится запись данных по информационным входам счетчиков.Импульсами с делителя частоты, действувщими на вычитавщий вход счетчика 49, изменявтся выходные коды счетчиков 49 и 50 в сторону их уменьшения от записанного, Поспедувщий сигнал после обнуления шести разрядов счетчика приводит к появленив во всех разрядах логической и на выходе элементз 51 действует уровень логического 0 а на входе М элемента 52 - логическая "1", Происходит опрокидывание триггера 52 и на его выходе появляется логическая "1", являвщаяся сбросовым сигналом счетчиков, Состояние триггера 52 изменится в момент появления сигнала с элемента 44. Выходной сигнал формируется элементом 53. С момента рассмотрения ца обоих входах элемента ИСКЛВЧАИЩЕЕ ИЛИ 53 изменение уровней напряжений с логической "1" в "0" не изменит нулевого состояния на выходе элемента 53. В момент окончания импульса со счетчика с переменным коэффициентом счета (выход элемента 44) действует уровень логической а с выхода триггера 52 " логический "0". На выходе элемента 53 Аормируется сигнал (перепад с "0" в "1"), продолжавщийся до момента опрокидывания триггера 52. Длительность выходного импульса определяется количеством импульсов с делителя частоты, действувщих на вычитавщих входах счетчиков 49 и 50 практически до момента их обнуления.Для снижения динамических потерь в кличах инверторных ячеек необходимо информационные входы цифрового компаратора и блокирувщего узла каждого канала блока управления соединитьс выходами обратного кодл АП 11, При этом регулировлние осуществляется одновременным увеличением частоты следования импульсов и длительности5 пауз (при снижении 1)Поскольку нл низких уровнях вкходйого напряжения снижается и мощность, увеличение частоты сопровождается ростом динамических потерь. Кроме того, 1 уменьщл ется до уровня, при котором внжодное напряжение изменяется в пределах одной эоны, повыщение частоты при снижении 11 приводит к повыщении точности регулирования за счет роста количества информационных точек.Если управляющий сигнал изменяется по гармоническому закону, то и нл выходе преобразователя будет действовать пульсирующее напряжение той же 20 частоты.Таким образом, предлагаемое устрой ство для управления регулятором напряжения позволяет исключить из спектра выходного напряжения массивы ком бинационных гармоник, так как частота импульсной составляющей непрерывно изменяется. Это значительно облегчает фильтрации выходного напряжения простыми ЬС-фильтрами и позволяет созда- З 0 вать замкнутые системы регулирования с требуемыми коэффициентами усиления. Кроме того, значительно (в 10-40 раз по отдельным гармоникам) снижаются амплитуды, ближлйщие к основной гармонике. Формула изобретения40Устройство для управления регулятором напряжения, состоящим из и параллельно включенных инверторных ячеек на полностьи управляемых ключевых элементах, выходы каждой из которых 45 через соответствующий высокочастотный трансформатор подключен к входу соответствующего выпрямителя, при этом выходы всех п выпрямителей соединены последовательно, содержащее задающийгенератор, лнллого-цифровой преобразователь и и блоков управления, каждый из которых содержит задлтчик управления, цифровой компаратор, который своим управляющим входом подключен к злдлтчику управления, л выходом - к измерительному входу блокирующего узла, информационный вход объединен с информационным входом цифрового компараторл и подключен к выходуобщего для всех блоков управленияаналого-цифрового преобразователя,цифровой модулятор длительности импульсов - с входом управления длительностью импульсов тактовымвходом и входом управления частотойследования импульсов, который подключен к выходу счетчика с переменнымкоэффициентом счета, счетный входкоторого подклвчен к общему для всехканалов выходу задаищего генератора,выход цифрового модулятора длительности подключен к входам двух противофазных узлов разделения и усиления,выходы которых предназначены дляподключения к управляющим входам ключевых элементов, о т л и ч а и щ ее с я тем, что, с цельи повьпченияточности регулирования выходного напряжения, в него введены делительчастоты и в каждый блок управленияпо два преобразователя кодов, входделителя частоты подключен к выходузадающего генератора, его выход подключен к тактовым входам цифровыхмодуляторов длительности импульсовкаждого блока управления, входы преобразователей кодов объединены иподключены к выходу блокирующего узла, причем выходы первого преобразователя кодов подключены к информационным входам счетчика с переменнымкоэффициентом счета, а выходы второгопреобразователя кодов - к входу управления длительностью импульсовцифрового модулятора длительностиимпульсов.