Импульсное фазосдвигающее устройство

ОП ИСАНИЕИЗОБРЕТЕН ИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветскихСоциалистическихРеспублик и 741465(5 )М. Кл,с присоединением заявки РЙН 03 К 17/22 Гооударстевнный комитет СССР(23) Приоритет Опубликовано 15,06.80, Бюллетень,% 22 по делам изобретений и открытийДата опубликования описания 16.06.80(54) ИМПУЛЬСНОЕ фАЗОСДВИГАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВОИзобретение относится к импульсной технике и предназначено для стабилизации и регулирования скорости вращения тиристорного электропривода. Устройство может быть использовано также для регулирования других объектов, снабженных частотно-импульсным датчиком регулируемого параметра,Известны импульсные фазосдвигающие устройства (фСУ), состоящие из одновибю ратора, запускаемого входными импульсами, фильтра, выдающего постоянную составляющую напряжения, пропорционального частоте, усилителя и фазосдвигаюшего уст ройства, управляемого уровнем напряжения 11.Однако такие фазосдвигающие устройства обладают низким быстродействием.Из известных устройств наиболее близким по технической сушности является импульсное фазосдвигаюшее устройство (фСУ), состоящее из одновибратора, преобразователя длительности пауз между импульсами одновибратора в амплитуду им 2пульсов, порогового элемента, транзисторного ключевого элемента с нагрузкой в цепи второй базы, первая база которогочерез резистор подключена к источнику синхронизируюшего напряжения ,Д,Недостатком такого устройства является то, что вследствие того, что напряжение управления фСУ получают фильтрацией импульсного напряжения одновибратора, в контур системы автоматического регулирования вводится фильтр-звено, нарушающее устойчивость и усложняющее стабилизацию. Постоянная времени фильтра должна быть относительно большой, так как при недостаточной фильтрации переменная составляюшая наприкения на входе фСУ, управляемого уровнем напряжения, вызывает фпуктуацию фазы на выходе ФСУ и, как следствие, появление динамических моментов и колебаний скорости электропривода, флуктуация фазы на выходе фСУ для прецизионных тиристорных электроприводов должны быть в пределах нескольких градусов.з 7414Пель изобретения - новьпнение стабильности работы фаэосдвигаюшего устройства,Указанная цель достигается тем, что в илюульсное фазосдвигвюшее у стройство, состояшее из одновибрвтора, выход кото 5 рого подключен ко входам двух силметричных каналов, каждый из которых содержит входной время-амплитудный преобразователь, пороговый элемент, выход которого является выходом устройства, а также 10 ключевой элемент, управляющий вход которого подключен к одному полюсу соответствующего источника синхронизируюшего напряжения, сигнальный вход ключевого элемента подключен к положительной шине источнике питания, а его выход соединен со вторым полюсом соответствуюшего источника синхронизируюшего напряжения и через резистор со входом порогового элелентв в этом канале, в каждом из 20 двух симметричных каналов дополнительно введены второй ключевой элемент, второй . одновибратор, транзистор, резистор, конденсатор, диод, причем база дополнительного транзисторе соединена с выходом 25 время-амплитудного преобразователя, коллектор - через дополнительный резистор соединен с положительной шиной источника питания, е эмиттер объединен с одной обкладкой дополнительного конденсаторе, ЗО входом дополнительного ключевого элементе, и через дополнительный диод соединен со входом порогового элемента, вторая обкладка вышеуказанного конденсатора соединена с обшей шиной, к которой подклю чен также выход дополнительного ключевого элемента, вход которого соединен с вы ходом дополнительного конденсатора, управляющий вход которого подключен к выходу ключевого элементе. 40На фиг. 1 приведена структурная электрическая схема устройства; не фиг. 2- временные диаграммы, поясняюшие принцип его работы.Импульсное фазосдвигеюшее устройство 45 состоит иэ одновибратора 1, на вход которого подаются импульсы, частота следования которых регулируется, в выход этого одновибрвтора подключен ко входамдвух симллетричных каналов, каждый из ко торых содержит входной время-амплитудный преобразователь 2-1 и 2-2, выполненный нв резисторе 3, конденсаторе 4 итранзисторе 5, резистор 6, конденсатор 7, транзистор 8, диод 9, пороговый элемент10, резистор 11, ключевые элементы 12 и 13 и одновибрвтор 14, шину 15 источника синхронизируюшего напряжения. 65 4Принцип действия фСУ поясняется временными диагрвл 1 мвмн. Импульсы, поступающие на вход устройстве (фиг. 2 а), запускают одновибрвтор 1, нв выходе которого вырабатываются сигналы прямоугольной формы (фиг. 2 б). Одновибратор 1 должен иметь время восстановления относительно малое по сравнению с интервалом времени между импульсал 1 и одновибре торе.Импульсы одновибраторв 1 отпирают транзистор 5, через который разряжается конденсатор 4, В промежутке между импульсами одновибрвтора транзистор 5 закрыт и конденсатор 4 заряжаетсяот источника питания через резистор 3. На конденсаторе 4 вырабатываются импульсы, амплитуда которых зависит от длительности пауз между импульсами одновибратора, т,е, зависит от отклонения периода следования входных импульсов от длительности импульсов одновибрвторе 1 (фиг, 2 в). На фиг, 2 гпоказано напряжение, синфезное с нвпряжением питающей сети, Частота следования входных импульсов должна более чем в двв раза превышать частоту питающей сети. При этом условии зв полупериод питающей сети будет выработано не менее одного импульса на конденсаторе 4. Напряжение конденсатора 4 повторяется эмиттерным повторителем нв транзисторе 8, Конденсатор 7 заряжается сначала до напряжения, близкого к амплитуде напряжения на конденсаторе 4 (фиг. 2 д, участок кривой от нуля до горизонтальной части графика). После этого транзистор 8 запирается, так как эмиттерный переход транзистора 8 смещен в обратном направлении. В подготовительный полупериод питвюшей сети ключевой элемент 12 заперт. Напряжением конденсатора 7 заперт и диод .9, включенный в обратном направлении. Ключевой элемент 13 заперт, так как нв его базу не поступает отпирвюший импульсс одновибрвтора 14, Таким образом, вэтот промежуток времени все цепи, подключенные к конденсатору, заперты и напряжение на нем удерживается практически постоянным - горизонтальный участокна фиг, 2 д. Следовательно, к концу подготовительного полупериодв питаюшей сети напряжение на конденсаторе 7 близкок амплитуде импульсов, вырабатываемыхна конденсаторе 4, В управляющий полу- .период питеюшей сети ключевой элемент12 открывается полуволной переменногонапряжения, поданного нв его базу, Приэтом от источника питания протекает токчерез ключевой элемент 12, резистор 115 741465 и диод 9 и заряжает конденсатор 7 от уровня напряжения, который был ця конденсаторе в ковше подготовительного иолупериодя, Напряжение на конденсаторе 7 и входе порогового устройства 10 возрастает по экспоненцияльцому закону, Постоянная времени заряда конденсатора 7 через резистор 11 должна в несколько ряз превышать постоянную времени зарядя конденсатора 4 через резистор 3. В этом 10 случае небольшое изменение частоты следования входных импульсов приводит к существенному сдвигу фазы выходных импульсов ФСУ, что цеобходимо для эффективной стабилизации скорости в замкну той сис теме электроп риводя. В мо мент времени, когда напряжение на входе порогового элемента 10 достигает уровня его срабатывания (пунктирная линия на фиг, 2 д), на выходе ФСУ появляется импульс напря- .О жения (фиг. 2 е), передаваемый на управляющий электрод тиристора тиристорного преобразователя. По окончании полупериода управления ключевой элемент 12 запирается, напряжение нв входе порогового элемента становится меньше порога отпускания и импульс на выходе ФСУ заканчивается. При этом задним фронтом импульса запускается одновибратор 14, выходной импульс которого (фиг. 2 ж) пода- ЗО ется на базу ключевого элемента 13 и отпирает его. Конденсатор 7 разряжается через. открытый ключевой элемент 13 и устройство подготавливается к следующему периоду работы, При разряде конден сатора 7 резистор 6 ограничивает величину тока, протекающего в коллекторной цепи транзистора 5, Работа ФСУ для другой фазы преобразователя аналогична. В результате действия ФСУ угол включения 4 О тиристорного преобразователя, являющегося нагрузкой для данного ФСУ, изменяется в зависимости от отключения частоты и периоде следования входных импульсовот заданного значения, определяемого дли тельностью импульсов одновибратора, Приэтом скорость вращения электроприводастабилизируется, Если скорость вращенияэлектропривода мала, то частота следования входных импульсов ФСУ, выребатыва Оемых датчиком импульсов, мала, а периодследования велик, В этом случае паузымежду импульсами одновибрвтора великии амплитуда импульсов ца конденсаторе4 большая, напряжение на конденсаторе7 также велико. При открывании ключевого элемента 12 напряжение на входе порогового элементе 10 достигает уровня -срабатывания зя малый промежуток времени, тиристор тиристорного преобразователя вкпючяется в цячяле полупериода питяюи го напряжения, напряжение не элект,тдвигятеле приводя будет повышено, скорость вращения привода возрастает, Приповышении скорости вращения и частотывходных импульсов сдвиг фазы ФСУ противоположен. В результате действия залкнутой системы автоматического регулирования достигяется стебилизяция скорости,Скорость вращения электроприводя можетрегулироваться путем изменения длительности импульсов одновибрятора 1,Вследствие того, что формированиесигналов и разряд конденсаторов ФСУ производятся в течение каждого периоде, длительность переходного процесса ФСУ непревышает периода напряжения питающейсети,Из описания принципа действия ФСУследует, что при постоянной частоте повторения входных импульсов флуктуация фазы на выходе ФСУ может быть вызванатолько разрядом конденсатора 7 через закрытые транзистор 8, ключевой элемент13 и диод 9 на горизонтальном участкевременной диаграммы (фиг. 2). Путем выбора полупроводниковых приборов с соответствующими характеристиками флуктуация фазы может быть поцижена до требуемой величины,Произведем оценку улучшения динамических свойств ФСУ по сравнению с известным. Динамические свойства звеньев систем автоматического регулирования характеризуются амплитудными и фазовыми частотными характеристиками (АЧХ и ФЧХ).Введем следующие обозначения;Тс - период на пряже ния п и тя юшейсети;Г - период следования входных импульсов;Ц - амплитуда импульсов одновибратора (в известном);К - коэффициент усиления напряжения от выходя фильтря до входаФСУ (в известном);О в - напряжение входе ФСУ, вызывающее максимальный сдвиг фазы;дУ - амплитуда флуктуаций фазы навыходе ФСУ,Рассмотрим случай, когда коэффициент заполнения импульсов одновцбратора в прототипе равен 0,5, что может быть принято так кек при этом ограничение напряжения на выходе фильтря наступает при по74146вышении частоты следования входных импульсов в два раза и таком же повышении скорости вращения вала эпектропривода,фильтр импульсов одновибратора - однозвенный с постоянной времени Т,Амплитуда пульсаций напряжения на выходе фильтраОтносительные значения амплитудыпульсаций на входе ФСУь 0тОУт Оз 15Отношение Ос к 0 в примем равным1, что не нарушает общности выводов,При линейной характеристике ФСУЬж к ТиОтсюда постоянная фильтра при заданной фпуктации фазы на выходе ФСУ должна бытьТ = - 25Р Х аЧФаза ФЧХ фильтраф- -ои" сд и Тгде со - круговая частота ФЧХ,Предлагаемое устройство может рас- ЗОсматриваться как элемент с запаздыванием. Время запаздывания непостоянно, таккак зависит от фазы импульсов на входеФСУ по отношению к напряжению питающей сети, но не превышает 35тЯт+т )Запаздывание тиристорного преобразователя не учитывается; так как оно одинаково для известного и предлагаемого уст-. 40ройства.фаза ФЧХ звена .с запаздываниемЧф=щТ =-"озТ+тК Э 2 ксРассматриваем случай, когда периодследования составляет=,/Тогда ФЧХ для известного(и)=агс 1 д и к.с м4 Х аЧФЧХ предлагаемого устройства50Йля получения достаточной глубины обратной связи по скорости коэффициент пе 55 редачи К должен быть не менее 10, Требования к флуктуации фазы на выходе ФСУ таковы, что Мм/ьр ъ 15, Период пита 5 8ющей сети Тс = 0,02 с, При этих условиФЧ =агс 1 рО;боФ:0 02 Б и 1гфазовый сдвиг принимает значение 45 О при круговой частоте, для известного о= 6,7 1/с,а для предлагаемого устройства ш, м 63 1/с.Такйм образом, фаза достигает существенного значения при значительно более высокой частоте,. что упрощает стабилизацию системы, Применение устройства при определенных условиях существенно улучшает динамические свойства системы автоматического регулирования, что необходимо при разработке быстродействующего прецизионного электропривода,Формула изобретенияИмпульсное фаэосдвигдюшее устройство, состоящее иэ одновибратора, выход которого подключен ко входам двух симметричных каналов, каждый иэ которых содержит. входной время-амплитудный преобразователь, пороговый элемент, выход которого является выходом устройства, а также ключевой элемент, управляющий вход которого подключен к одному полюсу соответствующего источника синхронизирующего напряжения, сигнальный вход ключевого элемента подключен к положительной шине источника питания,а его выход соединен со вторым полюсом соответствующего источника синхронизирующего напряжения . и через резистор со входом порогового элемента в этом канале, о т л и ч аю щ е е с я тем, что, с целью повышения стабильности работы устройства в каждом иэ двух симметричнвх каналов дополнительно введены второй ключевой элемент, второй одновибратор, транзистор, резистор, конденсатор, диод, причем база дополнительного транзистора соединена с выходом время-амплитудного преобразователя, коллектор - через дополнительный резистор соединен с положительной шиной источника питания, а эмиттер объединен с одной обкладкой дополнительного конденсатора, входом дополнительного ключевого элемента, и через дополнительный диод соединен со входом порогового элемента, вторая обкладка вышеуказанного конденсатора соединена с общей шиной, к которой подключен также выход дополнительного ключевого элемента, вход которого соединен с выходом дополнительного конденсаС) 741465 тора, управпянхций вход которого подключен к выходу ключевого элемента, кИсточники информации,принятые во внимание при экспертизе к 10 1. Патент США Мо 3877348,л. 307-108, 1974,2. Патент США % 3514685,л. 318 313, 1970 (прототип).ПодлисноеР ГП "Патент", г, Ужгород, ул. Проектная, 4 илие 334/10 11 НИИПИ Го по делам 113035, Мо