Регулятор электрической мощности переменного тока(его варианты)

/ (72) Автор изобретения

П. И. Кравец

Р"

Киевский ордена Ленина политехническй%"-ицчтитут им. 50-летия Великой Октябрьской социалистическо еволюции (7I ) Заявитель (54) РЕГУЛЯТОР ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МОЩНОСТИ

ПЕРЕМЕННОГО ТОКА (ЕГО ВАРИАНТЫ) д

Изобретение относится к электротех/ нике и может быть использовано в качестве высокоточного исполнительного устройства в системах автоматического регулирования, например, температурных режимов электротехнического оборудования.

Известен регулятор электрической мс щности -переменного тока, содержащий силовую цепь из последовательно соединенных тиристорных ключей и нагрузки, и управляющее устройство, включающее датчик регулируемой величины, усредняющий фильтр, компаратор и формирователь синхронизирующих импульсов, развертывающего опорного сигнала и запускающих импульсов (1). .Недостатком таких регуляторов является значительная инерционность, обусловленная наличием усредняющего фильтра и, как следствие, невысокая статическая и динамическая точность

Наиболее близким техническим реве" нием к изобретению является регулятор мощности переменного тока, содержащий блок тиристоров, включенный в силовую цепь между входной и выходной клеммами, измерительный преобразователь мгновенной мощности, один вход кото" рого подключен к выходу датчика тока, а другой - к выходу датчика напряжения, включенных в силовую цепь, пос.ледовательно соединенные первый интег" ратор и вычитатель, к другому входу которого подключен задатчик, формирователь синхронизирующих импульсов, входом соединенный с входными клемма= ми, а выходом через формирователь синхронизирующего опорного сигнала под" ключенный к одному из входов компаратора, выход которого через формирователь запускающих импульсов подключен к управляющему входу блока тиристоров 52).

В таком регуляторе точность поддер,жания заданного значения зависит от

3 98369 точностных показателей усредняющего фильтра (интегрирующей цепи), причем точность увеличивается с увеличением постоянной времени фильтра. Однако, увеличение статической точности связано с ухудшением динамической точно" сти регулятора, так как сигнал обратной связи .с увеличением постоянной фильтра не может передавать быстрые изменения мощности. Кроме того, при 10 скачкообразном .изменении задания ре. гулирования в регуляторе наблюдаются ( переходные процессы, длительность которых и величина пе ерегулирования также определяются постоянной времени 15 фильтра.

Целью изобретения является увеличение точности и улучшение качества регулирования мощности.

Поставленная цель достигается тем, что в регулятор электрической мощности переменного тока введены второй интегратор, два аналоговых ключа и блок управления, причем первый аналоговый ключ включен между выходом измеритель- уз

1 ного преобразователя мгновенной мощности и входом первого интегратора, второй аналоговый ключ подключен к входу второго интегратора и выходу вычитателя, а выход второго интегра- зв тора соединен с вторым входом компаратора, причем вход блока управления подключен к выходу формирователя синхрониэирующих импульсов, а выходык управляющим входам ключей и первого интегратора.

По второму варианту в устройство дополнительно введены последовательйо соединенные аналоговыми ключ, второй интегратор и сумматор, выход ко- 4 торого подключен к второму входу компаратора, второй вход сумматора соединен с выходом.задатчика, а вход аналогового ключа подключен к выходу вычитателя, и блок управления, входы которого соединены с выходом формирователя синхрониэирующих импульсов и выходом компаратора, а первый, второй и третий выходы подключены соотвотственно к управляющему входу первого интегратора, к управляющему входу аналогового ключа и к стробирующему входу задатчика.

На фиг. 1 представлена функциональная схема регулятора мощности по пер- 55 вому варианту; на фиг. 2 - то же, по второму варианту.; на фиг. 3 - времен ные диаграммы работы регулятора по

0 -4 первому варианту; на фиг. 4 - то же, по второму варианту.

Функциональная схема регулятора по первому варианту (фиг. 1) содержит входные клеммы 1 и подключенную к ней силовую цепь, состоящую из последовательно соединенных блока силовых тиристоров 2 и нагрузки 3, подключенной к выходным клеммам, устройство управления силовыми тиристорами, включающее последовательно соединенные измерительный преобразователь 4 мгновенной мощности, токовая измерительная цепь которого посредством датчика тока на измерительном трансформаторе 5 тока подключена к силовой цепи, а измерительная цепь напряжения подключена к выходу датчика напряжения, подключенного параллельно нагрузке, первый аналоговый ключ 6, интегратор 7, вычитатель 8, второй аналоговый ключ

9, второй интегратор 10, компаратор

11, формирователь 12 запускающих импульсов, выход которого подключен к управляющему входу. блока силовых тиристоров 2, задатчик 13, выход которого соединен с вторым входом вычитателя 8, последовательно соединенные формирователь 14 синхронизирующих импульсов и формирователь 15 синхронизирующего опорного сигнала, выход которого подключен к второму входу компаратора 11, а вход формирователя

14 синхрониэирующих импульсов соединен с входными клеммами 1, блок 16 управления, вход которого подключен к выходу формирователя 14 синхронизирующих импульсов, а выходы первый, второй и третии соответственно подключены к управляющему входу первого ключа 6, к управляющему, входу второго ключа 9, к управляющему входу первого интегратора 7.

Устройство управления силовыми тирис орами регулятора мощности по второму варианту (фиг. 2) содержит последовательно соединенные измерительный преобразователь 4 мгновенной мощности, первый интегратор 7, вычитатель 8> аналоговый ключ 9, сумматор. 17, компаратор И и формирователь 12 запускающих импульсов, выход которого под- = ключен к управляЮщему входу блока силовых тиристоров 2, последовательно соединенные формирователь 14 синхронизирующих импульсов и формирователь

15 опорного сигнала, выход которого соединен С вторым входом компаратора

9836

11, задатчик 13, выход которого соединен с вторыми входами вычитателя 8 и сумматора 17, и блок 16 управления, входы которого подключены к выходу формирователя синхроимпульсов и к вы- 5 ходу компаратора, а первый, второй и третий выходы соединены соответственно с управляющим входом первого интегратора 7, с управляющим входом аналогового ключа 9, со стробирующим вхо- дом задатчика 13.

Блок управления ключами для первого регулятора (фиг. 1) содержит счетный триггер 18 и двухвходовой логический элемент И 19, входы которого под- >5 ключены один к счетному входу триггера, а второй - к инверсному выходу триггера.

Блоком силовых тиристоров может служить симметричный силовой тиристор 20 или два встречно-параллельно включенных тиристора.

В качестве измерительного преобразователя мгновенной мощности используется измерительный преобразователь 25 мощности на датчике Холла, например

ИПИ типа П024, определенным образом доработанный для увеличения точности.

Интеграторы 7 и 10, вычитатель 8 и компаратор 11 выполнены на основе 50 операционных усилителей. Интегрирующая емкость интеграторов может закорачиваться ключом для возврата интегратора в исходное состояние.

Формирователь 15 синхронизирующего35 опорного сигнала выполняет функцию генератора спадающего пилообразного напряжения, синхронизированного сетью. формирователь l2 запускающих импульсов выполнен как транзисторный импуль40 сный усилитель с трансформаторным выходом; Аналоговыми, ключами могут служить MOll-ключи серий 1КТ431, 1КТ682 и другие.

Стробирующее устройство задатчика во втором варианте регулятора при произвольном изменении аналогового сигна.ла задания выполнено на основе устроиства "хранения-выборки" аналоговых сигналов. Если же задатчик выполнен

50 таким образом, что изменение сигнала задания происходит в определенные моменты, то приведенное. стробирующее устройство может отсутствовать, однако моменты изменения сигнала задания должны стробироваться импульсом с вы-, 55 хода 20 блока управления.

Принцип работы регулятора мощности основан на фазовом методе управления

90 6 силовыми тиристорами с естественным выключением их. Момент включения тиристоров в полупериоде питающей сети определяется соотношением опорного развертывающего сигнала и интеграла от ошибки между заданным значением и сигналом обратной связи, усредненным за полупериод питающей сети, в первом варианте регулятора, и соотношением опорного сигнала и сигналов задания и интеграла от ошибки между заданным значением и сигналом обратной связи, усредненным за полупериод питающей сети во втором варианте регу,лятора.

Для первого регулятора в момент перехода напряжения U питающей сети че1 рез нуль формирователь 14 синхроимпульсов формирует импульс, который запускает формирователь опорного сигнала и переключает счетный триггер 18 в блоке 16 управления ключами. Допустим, триггер 18 установился в нулевое состояние, при этом ключ 6 разомкнут, а ключ 9 замкнут. Интегратор 10 интег. рирует сигнал ошибки, снимаемый с выхода вычитателя 8 и представляющий собой разность величины задания Ц и проинтегрированного значения мгновенной мощности U>, переданной в нагрузку в предыдущем полупериоде. В мо" мент равенства сигнала интегратора 10

0 о и опорного сигнала 0, снимаемОro с формирователя 15, компаратор фор-, мирует импульс, который запускает блок силовых тиристоров 2, обеспечивая подачу импульса мощности в нагрузку. Выключаются силовые тиристоры в момент спада тока нагрузки до нулевого значения.

Следующий синхроимпульс переключает триггер 18, запускает формирователь 15 опорного сигнала и обнуляет интегратор 7. После переключения триггера 18 ключ 6 замыкается, .а ключ 9 размыкается. Сигнал, записанный в интеграторе 10, запоминается, -а интегратор 7 готов к интегрированию сигна" па мгновенной мощности, снимаемого с измерительного преобразователя 4 мгновенной мощности. В момент равенства опорного сигнала U<< и сигнала с интег" ратора 10 0„0 комйаратор 11 снова выдает сигнал на запуск блока силовых тиристоров 2, формируя новый импульс мощности. Мгновенные значения импульса мощности измеряются и складыва отся в интеграторе 7.Последующим синхро7 983690 8 импульсом блок 16 управления переклю- ющей сети, состоит чается, ключ 6 размыкается, а ключ 9 измерительного и фо замыкается. При этом сигнал в интег- рующего сигнала, ра раторе 7 запоминается для формирова- питающей сети. В из ния ошибки, а интегратор 20 интегри- 5 цикле (ключ 6 замкн

Ъ рует ее, формируя новый регулирующий нут) проводится изм сигнал. Временные диаграммы работы со- значений импульса м ставных элементов этого регулятора щих в нагрузку, и ф приведены на фиг. 3. ла о среднем значен

Для второго регулятора синхроим- 10 са за полупериод, т,. пульс U 4 запускает формирователь 15 зависимость опорного развертывающего сигнала и .й формирователь импульсов стабильной длительности в блоке 16 управления.

c - -перйод

Во вРемЯ сУществованиЯ импУльса ста- 5 ;() U(t) „ м„„ов бильной длительности на выходе 21 ключ 9 замкнут, интегратор 10 интег- В подцикле форми

Рирует сигнал Разности с выхоДа вычи щего сигнала (ключ тателЯ 8, пРедставлЯющего собой Раз- 9 замкнут) разность ность сигналов задания и обратной свя-20 мп J1bca MouLHocTH p импульса мощности эи, полученного усреднением за полу4 пеРиоД сигнала, пропорционального течение Т /2 интегр мгновенной мощности, переданной в нагрузку в предшествующем полупериоде питающей сети.

По окончании импульса на выходе 21 .g Tc ключ 9 размыкается, интегратор 10 пре- 0 =, 1 Щ вращается в ячейку памяти, в которой, о Ъ содержится корректирующий сигнал сумматором 17, представляющий собой сум- зо нал обРатной свЯзи му сигнала задания и корректирующего we оДного полупери сигнала 0 . Одновременно по оконча- а второй полупериод

ЛО I нии импульса U узел задержки в бло- фоРмиРованиЯ Регули

2Л ке 16 управления формирует импульс на инерционность регуля выходе 22 на обнуление интегратора 7. Р-- д му ер од 35

В момент равенства опорного развер" в отличие от известн тывающего и регулирующего сигналов имеющего инерционнос компаратор 11 формирует сигнал, кото- тающей сети, что поз рый запускает блок силовых тиристоров гаемом регуляторе в

Мощность, поступающая в нагрузку, .Длительность перехоД измеряется датчиком 4 и усредняется возникаюЩих при из"е в интеграторе 7, формируя при этом или возмущающих возд сигнал обратной связи. С приходом но- го Раздельное Дискр вого синхроимпульса цикл работы pery- ние-сигнало PerywP лятора повторяется. Временные диаграм- свЯз позволЯет искл . 45 мы работы регулятора приведены на Рование в преДлагаем фиг. 4. иэбежно возникающее

Стробирующий импульс на выходе 20 дания регулирования блока 16 управления формируетсят на- Ройстве. чиная с момента появления синхроим- Действительно, пр пульса и заканчивается s момент сра- изменении сигнала за

50 батывания компаратора 11. В этот пе- обратной связи из-за риод задатчик 13 может изменить зада- НосТН не в состоянии ющий сигнал, т. е. схема стробирова- нить свое значение, ния повторяет изменение задающего сиг- возникновению ошибки которая в свою очере!

Таким образом, для первого регулятора цикл работы, равный периоду питаиз двух подциклов: рмирования регуливных полупериодам мерительном под" ут, ключ 9 разомкерение мгновенных ощности, поступаюормирование сигнаии мощности импулье. реализуется 1

i () u(t) a t,, питающей сети; нные значения тока яжения. рования регулирую6 разомкнут, ключ среднего значения

<< (t) и заданной интегрируется в атором 10, формигнал, т. е. обесия функциональной ср» Л торе мощности сигформируется в течеода питающей сети, используется для рующего сигнала, тора можно считать у питающей сети, ого устройства, ть И-периодов пиволяет в предла-.

И раз уменьшить ных процессов, нении задающих ействий. Кроме тоетное формироваования и обратной ючить перерегулиом регуляторе, непри изменении зав известном усти скачкообразном дания 0„ сигнал своей инерционмгновенно измеа это приводит к регулирования, дь вызывает такое увеличение мощности, чтобы за минимально возможное время компенсировать возникшую ошибку. В регуляторе

983690 вследствие того, что обратная связь фактически замыкается лишь в определенные моменты времени, интегратор 10, который в подцикле формирования регулирующего сигнала, имея коэффициент 5 передачи равный единице, изменяет свое состояние на величину ошибки, обеспечивая в измерительном полупериоде регулирующий сигнал, при котором среднее значение мощности за полупериод соответствует заданному. Таким образом, при любых возмущениях по заданию регулятор обеспечивает переход к новому значению регулирования за один период питающей сети без перере- <5 гулирования.

8о втором варианте регулятора сигнал обратной связи и регулирующий сигнал формируются s течение одного полупериода питающей сети, т. е. инерционность регулятора равна полупериоду питающей сети.

При изменении задающего сигнала, которое может происходить в моменты р5 существования стробирующего импульса (во время отсутствия стробирующего импульса изменения задающего сигнала не передаются на выход задатчика и задание регулирования в этот момент равно Зв заданию в момент окончания стробирующего импульса), регулятор формирует, импульс мощности по заданию, существующий в момент срабатывания компаратора (или в момент. окончания стро- 35 бирующего.импульса). По окончании импульса мощности, когда в первом интеграторе сформирован сигнал обратной связи, происходит сравнение сигнала задания и сигнала обратной связи, и по разности этих сигналов формируется вторым интегратором корректирующий сигнал, который учитывает возможные несоответствия между задающим сигналом и фактической мощностью, передан- ной в нагрузку импульсом. При коэффициенте передачи корректирующего интегратора равном единице, это несоответствие отработано при формировании очередного импульса мощности. 10

Регулятор может работать и без стробирования задатчика. Однако ввиду того, что возмущение по заданию может произойти в любой момент времени, например в тот момент, когда уже мощность поступает в нагрузку, изменение задания оказывает влияние на корректирующий интегратор и в регуляторе в этом случае наблюдается перерегулирование и Затягивание переход" ного процесса, значения величин которого определяются коэффициентом передачи корректирующего интегратора К.

При К=1 переходной процесс заканчивается за два полупериода питающей сети, а величина перерегуяирования равна возникшему рассогласованию. При уменьшении коэффициента передачи величина перерегулирования падает, а длительность переходного процесса возрастает. Уменьшить величину перерегу.лирования и длительность переходного процесса можно ограничением .выходного сигнала корректирующего интегратора.

Для этого емкость второго интегратора необходимо зашунтировать двумя ста" билитронами, включенными встречно-параллельно или последовательно. Уровень ограничения определяется возможным значением отклонений мощности от номинальной при изменении параметров питающей сети и нагрузки.

При отработке возмущений по мощно" сти оба регулятора формируют корректирующий сигнал по величине возникшей ошибки, которая отрабатывается в последующем полупериоде. Следовательно, величина возможных отклонений регулируемой мощности от заданной зависит. только от величины возникших возмущений.

Использование предлагаемых регуляторов электрической мощности, имеющих высокую статическую точность регулирования и быстродействие близкое к оптимальному, позволяет строить на их основе быстродействующие прецизионные системы автоматического регулирования, например, температуры электротермического оборудования.

Так как изменение задания регулирования не влияет на корректирующий сигнал, то при номинальных параметрах питающей сети и нагрузки переходной

55 процесс практически отсутствует, т. е. выходная мощность регулятора соответствует заданной в каждом полупериоде питающей сети. формула изобретения

1. Регулятор электрической мощности переменного тока, содержащий блок тиристоров, включенный в силовую цепь между входной и выходной клеммами, измерительный преобразователь мгновен11 983 ной мощности, один вход которого подключен к выходу датчика тока, а другой - к выходу датчика напряжения, включенных в силовую цепь, последовательно соединенные первый интегратор 3 и вычитатель, к другому входу которого подключен задатчик, формирователь синхронизирующих импульсов, входом соединенный с входными клеммами, а выходом через формирователь синхрони->0 зирующего опорного сигнала подключенный к одному иэ входов компаратора, выход которого через формирователь запускающих импульсов подключен к управляющему входу блока тиристоров, 1S отличающийся тем, что, с целью увеличения точности и улучшения качества регулирования, в него введЬны второй интегратор, два аналоговых ключа и блок управления, причем первый аналоговый ключ включен между выходом измерительного преобразователя мгновенной мощности и входом первого интегратора, второй аналоговый ключ подключен к входу второго интег->5 ратора и выходу вычитателя, а выход второго интегратора соединен с вторым входом компаратора, вход блока управления подключен к выходу формирователя синхронизирующих импульсов, а пер-30 вый, второй и третий выходы блока управления соединены соответственно с управляющим входом первого аналогового ключа, с управляющим входом второго аналогового ключа, и с управляющим33 входом первого интегратора.

2. Регулятор электрической мощности переменного тока, содержащий блок тиристоров, включенный в силовую цепь между входной и выходной клеммами, из.gp мерительный преобразователь мгновенI

690 12 .ной мощности, один вход которого подключен к выходу датчика тока, а другой - к выходу датчика напряжения, включенных в силовую цепь„ послЬдовательно соединенные первый интегратор и вычитатель, к другому входу которого подключен задатчик, формирователь синхронизирующих импульсов, входом соединенный с входными клеммами, а выходом через формирователь синхрониэирующего опорного сигнала подключенный к одному из входов компаратора, выход которого через формирователь запускающих импульсов подключен к управляющему входу блока тиристоров, отличающийся. тем, что, с целью увеличения точности и улучшения качества регулирования, в него введены последовательно соединенные аналоговый ключ, второй интегратор и сумматор, а также блок управления, причем второй вход сумматора соединен с выходом задатчика, а выход подключен к второму входу компаратора, вход аналогового ключа подключен к выходу вычитателя, входы блока управления соединены с выходом формирователя синхронизирующих импульсов и выходом компаратора соответственно, а первый, второй и третий выходы подключены соответственно к управляющему входу первого интегратора, к управляющему входу аналогового ключа и к стробирующему входу задатчика.

Источники информации,принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

N 559471,. кл. G 05 F 1/166, 1978.

2. Патент ФРГ If 2424767, кл. G 05 F 1/66, 1976.

983690

Составитель С. Чернышева

Техред Т,Маточка,: Корректор Г. Решетник

Редактор А. Шишкина

Тираж 914 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, M-35, Раушская наб., д. "/5

Заказ 9923/58

Филиал Ilnll "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4