Устройство для управления электрической мощностью

Союз Советски аСоцмаектнчесиизРесттублии О П И С А Н И Е (и)936834ИЗОБРЕТЕН ИЯ К ПАЕНФУ(31) 880945 (3 З) США 3 вауаарствйпэя яаюитат СИР ав аиам. язебретеннй . я открмтМДата опубликования описания 15,06,82(72) Автор изобретения ИностранепАллан Тит-Синг Чоу (США) Иностранная фирмафЕ.И, Дюпон де Немур ннд Компани"(США)(54) устРОЙстВО для упРАВления электРическОЙ мощностьюИзобретение относится к устройствамдля управления электрической мощностью и может быть использовано в преобразовательной технике.Известны устройства для управления а электрической мощностью, в которых мошность, подаваемая в нагрузку, регулируется посредством контролирования напряжения Ь 3 и 2 .Наиболее близким к изобретению явля- О ется устройство для управления алектрк; ческой мошностью, подаваемой от источника переменного тока в нагрузку в соот ветствии с сигналом онибки, включающее детектор перехода сигнала переменного 5 тока через нуль и управляющий узел, входы которого связаны с узлом форкирования ошибки и детектором перехода через нуль.В атом устройстве схема возведенияЗ) в квадрат напряжения генерирует сигнал управления, пропорциональный среднему значению квадрата напряжения, и пропорпиональный регулятор сравнивает управляющий сигнал с сигналом ошибки, таким М образом регулируя мощность, подаваемую в нагрузку 2.Однако устройство работает только от среднего значения квадрата напряжения ,и по атой причине оно до некоторой степе ни ограничено в степени точности, которая может быть получена.Целью изобретения является повышение точности регулирования мощности, подавае. мой в нагрузку.Цель достигается тем, что устройство для управления алектрнческой мошностью, подаваемой от источника переменного тока в нагрузку в соответствии с сигналом ошибки, ввпочвюшее детектор перехода сигнала переменного тока через нуль и управляюший узел, выходы которого связаны с узлам формирования ошибки и детектором перехода через нуль, прн этом управляюший узел содержит устройствоизмерения напряжения, при лтобой форме тока вычислитель непрерывного вычисления интеграла квадрата напряжения каждой половины периода и устройство сравнения вычислительного сигнала с сигналом936834 3ошибки, причем выход устройства сравнения является выходом управляющего узла.На фиг. 1 изображена блок-схемаобобщенного вида регулятора, устройства для управления электрической мощностью, сконструированного согласно этому изобретению, фиг, 2 - частично блок,частично принципиальная схема регулятора (устройства для управления электри-,ческой мощностью ), изображающая подробную трансляторную часть блок-схемы,изображенной на фиг, 1, Фиг. 3 - диаграмма формы сигнала, на которой изображенграфик зависимости мощности, подаваемой в нагрузку, от рабочего периода, что бы описать способ, которым мощность регулируется как функция времени срабатывания переключателя,, На фиг. 1 изображена схема регулирования мощности, в которой мощность отисточника напряжения переменного тока 1(линейное напряжение) подается в нагрузку 2, которая изображена в качестверезестивного нагревательного элемента,Этот элемент может быть расположен впечи 3, например, аналитического прибора. Хотя мошноСть показана как подаваемая на редистивную нагрузку, однако онаможет быть также подана на другие типынагрузок, включающих электродвигатели и Зоим подобные. Схема также содержит датчик 4, такой как термопара образца, которая расположена в печи 3 для измерения температуры печи и является же-.лательной переменной,В случае термопары 4 предусмотрен эталонный спай 5, так что напряжение, пропорциональное разности температур между спаем образца и эталонным спаем, передается через резистор 6 на суммируют шее соединение 7, К суммирующему соединению подводится сигнал заданного значения или опорный сигнал, полученный от устройства 8 заданного значения. Этот опорный сигнал может быть фиксированно- фгго значения или с запрограммированным значением, предназначенным для получения заданного значения или опорного сиг нала, который изменяется таким образом, что желательно изменять регу. ируемые характеристики, Этот опорный сигнал проходит через резистор 9 на суммирующее соединение 7, Сигнал суммы прикладываеъ ся через усилитель 10 к устройству для управления электрической мощностью, поступающей в нагрузку 11, Устройство 11, которое также может быть регулятсьром, вырабатывает пусковой Сигнал наапряжения, который пропускают для управления соответствующим переключающимток прибором, таким как триак 12, темсамым изменяя рабочий период сигналапеременного тока 1, который приложенк резистору нагрузки 2. Изменением рабочего периода можно изменять мощность,подаваемую в нагрузку. Регулятор 11(в известных устройствах) обычно вклю.чает детектор перехода через нуль и некоторые схемы для изменения моментоввремени, следующих за каждой точкойперехода, через нуль, в которые включаюттриак 12. В соответствии с изобретениемрегулятор 11 видоизменен для переключения получающих импульсов, которые имеютместо в момент времени как функция нетолько мощности, которая должна быть подана в нагрузку, но также является функцией формы сигнала линейного напряжения,Следовательно, происходит более точноерегулирование мощности, подаваемой внагрузку,Клеммы переменного тока 1 (фиг. 2)подсоединены через трансформатор 13 кдетектору 14 перехода через нуль, к пиковому детектору 15 и к схеме 16сдвига фазы на 90 . Обычный детекторо14 перехода через нуль обеспечиваетимпульсный выходной сигнал в каждыймомент времени перехода через нуль волны переменного тока. Детектор 14 можетбыть предусмотрен любым из известныхтипов с интегральными схемами или, дляэтого случая - с использованием транзисторов, Пиковый детектор 15 содержитстандартный последовательно включенныйдиод, шунтирующую конденсаторную схему.Схема сдвига фазы на 90 может бытьолюбой из обычно используемых,Выходы схем 14 - 16 подсоединенык схеме, сконструированной в соответст"вини с этим изобретением, для осуществления интегрирования напряжения переменного тока, приложенного к выходнымклеммам 1. Выходной сигнал выражаетсяформулой УуиО, где у - пиковое значение сигнала переменного тока, а Ифазовый угол, который с каждым полупейриодом меняется в пределах от О до 7.Определяют действительную мощность,подаваемую в резистивную нагрузку,(фиг. 1), так как мощность пропорционаленна квадрату напряжения в резистивной нагрузке:Р=К ЬЬВ)В=ОмиЕа:ЗАГС О б,КМ Ъ5К 92 гф"ф ЕВ 1 д.В полученной формуле угол о представляет собой угол от точки перехода через нуль до точки, при которой происходит действительное срабатывание тракта, так что результирующая формы волны, которая вырабатывается этой схемой, изображена на фиг. 3 и представлена криО вой 1 7, Согласно этой кривой, если угол срабатывания ранний, т. е. о-. О, то максимальная мощность подана в реэистивную нагрузку, тогда как по мере увеличения угла А до Ж следующей точки перехода через нуль мощность пос-, тоянно уменьшается в соответствии с 2. -образной функцией 17, Сигнал ошибки, отражающий мощность, требуемую для нагрузки, полученной от усилителя 10 (фиг. 1), подается через резистор 18 на компаратор 19 (фиг. 2), на вторую входную клемму которого подается функция 17, Таким образом, когда сигнал ошибки 20 (фиг. 3, пунктирная линия), равен -об; д 5 разной функции 17, компаратор 19 (усь ройство сравнения) подает выходной импульс на триак 12 (фиг. 1) для включения этого переключающего ток прибора, так что мощность, подаваемая в оставшееся время этого периода, имеет значение, определяемое точкой пересечения сигнала ошибки с . -образной кривой 17.Образование этой кривой требует почти синусоидального входного сигнала и35 выполняется посредством решения интеграла, изображенного выше. Для этого, получают первый член интегрируемого выражения подачей выходного сигнала пи 40 кового детектора 1 5 на схему возведения в квадрат 21, выход которой ( Кп у/2 ) подсоединен через суммирующий резистор 22 к суммирующему соединению 23 для получения второго члена45 интегрируемого выражения. Выход схемы возведения в квадрат 21 подсоединен через резистор 24 к отрицательному входу своего интегратора, который состоит из операционного усилителя 25 и конденсатора 26 обратной связи. Интегрирующий конденсатор или конденсатор 26 обратной связи интегратора зашунтирован переключающим транзистором 27, в этом случае изображенном как полевой транзистор, подсоединенный для приема выходного сигнала от детектора 14 перехода через нуль через изолирующий конденсатор 28. Таким образом,. выходной сигнал схемы 34 6интегратора обеспечивает второй член( - )(Уо /2), подаваемый через резистор 29 на суммирующее соединение 23. Для того, чтобы устранить проблемыв случае, когда сигнал ошибки превышаетамплитуду с. -образной кривой 17, им 2 тульсы от детектора 14 перехода через нультакже подводятся через резистор 30 ксуммирующему соединению 23, так что вначале каждого периода 2 -образная кривая изменена при помощи острого пика31 (фиг. 3) Это гарантирует запуск вточке перехода через нуль или близко отнее, в случае очень большого сигналаошибки, так что в нагрузке будет поданамаксимальная мощность.Третий член интегрирующего выраже ",ния подается подсоединением выходногосигнала схемы 16 сдвига фазы на 90вместе с напряжением переменного токак входам умножителя 32. Выходным сигналом этой схемы является член(+ УК /4 6 Юсй. Этот выходной сигналчерез резистор 33 подводится к суммирующему соединению 23. Это суммирующее соединение подсоединено к усилителю 34, другой выход которого эаземленчерез резистор 35. Выход усилителя подсоединен ко входу через регулируемыйрезистор 36 для определения значениякоэффициента усиления, который равенотношению значений сопротивления 36и 35. Таким образом, просуммированныйвыходной сигнал, представляющий мгновен кую мощность, поданную в нагрузку, взависимости от срабатывания при определенном угле, т. е.образной кривой17. Этот выходной сигнал или " -образная кривая подается через резистор 37на первый вход комларатора 19 (устройства сравнения), который вырабатываетвыходной импульс, когда амлитуда Е-образной кривой равна амплитуде сигналаошибки, приложенного ко второму входу компаратора. Таким образом, совокупность устройств 15 и 16 составляет устройство 38 измерения напряжения при любой форме тока, а совокупность устройство и элементов 21 " 30 и 32 - 36 представляет вычислитель интеграла 39.Когда выполняется сравнение, выход,ной импульсный сигнал прнклааывается к триаку 12, который осуществляет пропускание сигнала в надлежащий момент времени во время кажцого полупериоца входного сигнала переменного тока.Таким образом, предлагаемое устройство имеет возможность учитывать откло 7 9368нения линейного напряжения и даже обеспечения точную выходную мощность внагрузке посредством регулирования уГласрабатывания переключающего прибора.Это делает устройство особенно полез.ф-.ным для тОчнОГО регулирования наГревателя камер термического анализа, например устройство обеспечивает атоматическую компенсацию изменения напряжениятак что Можно управлять динамическим, 10диапазоном семикратного линейного напряжения питания.В альтернативном исполнении изобретения регулятор 11 (фиг. 1) можетбыть в форме микрокомпьютера, соединенного с постоянной памятью (РОМ),в памяти, которой хранится таблица поисказначений синуса синхронно с сигналом.переменного тока. В устройстве использу,ют пиковый детектор для подачи пиково 4.20го напряжения на микрокомпьютер. Функция МЯИ 2. 6 ъ может интегрироватьсяпоследовательным приближением. Такимспособом образуется та же 2. -образная кривая, которая может быть подана 2 Зна комларатор 19 для регулирования точки срабатывания триака.В изобретении можно использовать,микрокомпьютер для вычисления последовательности, представляющей функцию 30991 И О, так что вычисляется интер.вал в реальном масштабе времени синхронно с формой волны. Этот выходнойсигнал, который находится в зависимостиот 7 -образной кривой 17, также мо-жет быть подан на компаратор 19 длярегулирования угла срабатывания,Предлагаемое изобретение имеет преммущество в получении точного регулирования, которое меняется как функция авйствительного линейного напряжения и ,обеспечивает очень точно отрегулированную величину мощности в нагрузке в соответствии с сигналом ошибки.формула изобретенияУстройство для управления электрической мошностью,поааваемой от источникапеременного тока в нагрузку в соответствии с сигналом ошибки, включающеедетектор перехода сигнала переменноготока через нуль и управляющий узел, выходы которого связаны с узлом формирования ошибки и детектором переходачерез нуль, о т л и ч а ю щ е е с я тем,что, с целью повышения точности, управляющий узел содержит устройство измерения напряжения при любой форме тока,вычислитель непрерывного вычисления интеграла кВадрата напряжения каждой поло.4вины периода и устройство сравнения вычислительного сигнала с сигналом ошиб ".ки, причем выход устройства сравненияявляется выходом управляющего узла.Источники информации,принятые во внимание при экспертизеРуденко В.С, и др. Преобразовательная техника. Киев, Внша школа,1978,гл, 2, 6 2.112. Патент США % 3553428,кл. Н 02 М, 1978,Составитель Ю. Андреевактор М, Недолуженко Техред М,Рейвес Корректор М,демчнк Заказ одпнсно 4/5 л ППП "Патент", г, Ужгород, ул. Проектная 4290/80 Тира ВНИИПИ Государстве по делам изобрете 113035, Москва, Ж721ого комй и отк5,Рауш ета ССрытий ская на