CC BY
90
УДК 62-83:681.51
Многозонный частотно-широтно-импульсный регулятор переменного напряжения
О. Г. Брылина,
Южно-Уральский государственный университет,
доцент кафедры электропривода и автоматизации промышленных установок, кандидат технических наук
Л. И. Цытович,
Южно-Уральский государственный университет, доктор технических наук, профессор,
заведующий кафедрой электропривода и автоматизации промышленных установок М. М. Дудкин,
Южно-Уральский государственный университет,
доцент кафедры электропривода и автоматизации промышленных установок, кандидат технических наук
Рассматривается многозонный частотно-широтно-импульсный регулятор однофазного переменного напряжения с интегрирующим адаптивным каналом синхронизации и простой схемой формирования «пакета» синусоидального напряжения с целым числом периодов напряжения сети. Приведены структурная схема и временные диаграммы работы многозонного развертывающего преобразователя и регулятора переменного напряжения. Дан анализ динамических характеристик канала синхронизации и приведены рекомендации по выбору его параметров.
Ключевые слова: регулятор переменного напряжения, многозонная частотно-широтно-импульсная модуляция, развертывающий преобразователь, D-триггер, термоэлектронагреватель, устройство синхронизации.
Для технологических объектов с параллельными каналами управления, в частности для систем терморегулирования, перспективен метод многозонной модуляции [1], когда весь диапазон выходной координаты системы разбивается на несколько поддиапазонов (модуляционных зон) с плавным регулированием в пределах одной зоны и дискретным регулированием в остальных поддиапазонах. В большинстве случаев многозонное управление обеспечивает повышенную точность регулирования и минимизацию энергетических затрат на технологическом объекте. В этом плане весьма эффективна частотно-широтно-импульсная модуляция (ЧШИМ) [2], при которой система имеет высокую помехоустойчивость, возможность автоматического резервирования каналов управления и простоту аппаратурного построения [3].
Ниже рассматривается многозонный интегрирующий регулятор переменного напряжения (РН) с ЧШИМ [4], обладающий простотой технической реализации и повышенной помехоустойчивостью в условиях нестационарных параметров системы энергопитания.
РН (рис. 1) содержит многозонный интегрирующий развертывающий преобразователь МРП, устройство синхронизации РН с напряжением сети (рис. 2), динамический D-триггер, силовые ключи Кл.1 - Кл.3 и распределённую по числу модуляционных зон нагрузку RН.
В состав МРП [5, 6] (рис. 1) входят сумматоры Е1, Е2, интегратор И с постоянной времени ТИ и группа релейных элементов РЭ1 - РЭп, причём в общем случае п>3 - нечётное число.
Релейные элементы имеют симметричную относительно нулевого уровня неинвертирующую петлю гистерезиса и пороги переключения, удовлетворяющие условию |±Ь1|<|±Ь2|<...<|±ЬП|, где индекс при Ь соответствует порядковому номеру РЭ. В дальнейшем считаем, что выходной сигнал всех релейных элементов меняется дискретно в пределах ±Л/п.
Для рассмотрения принципа действия МРП ограничимся случаем п=3. Здесь и далее полагаем, что коэффициент передачи МРП со стороны информационного входа равен единице, а изменение уровня входного сигнала совпадает с началом очередного цикла развёртывающего преобразования.
При включении МРП и нулевом входном сигнале Хвх релейные элементы РЭ1 - РЭ3 устанавливаются произвольным образом, например, в состояние +А/3 (рис. 3 в - д). Под действием сигнала развертки Уи(£) с выхода И (рис. 3 б) происходит последовательное переключение в положение -А/3 блоков РЭ1, РЭ2 (рис. 3 в, г, моменты времени ^2), после чего меняется направление развёртывающего преобразования, и сигнал Уи^) нарастает в положительном направлении.
НЯЯВЕШИИ
МРП
Вход
1И£.
.РЭ2Г
П1
I
рЭЗ^М
........Ы1
П3
Сеть
хгС)
УС
и
"1кл.
^ _, Выход 1
Выход 2
Кл.3
1 Кл.2 Выход 3 -
Рис. 1. Структурная схема многозонного интегрирующего регулятора переменного напряжения
Выход УС
Хг«
а) 0 Ь.
Выход УС
Рис. 2. Структурная схема устройства синхронизации
Начиная с момента времени выполнения условия У^^Ь^ МРП входит в режим устойчивых автоколебаний, когда амплитуда сигнала развертки Уи(£) ограничена зоной неоднозначности РЭ1, а РЭ2, РЭ3 находятся в статических и противоположных по знаку выходных сигналов Ур2(^, Ур3(^ состояниях (рис. 3 г, д). Выходная координата УВЫХ(^ МРП формируется за счёт переключений РЭ1 (рис. 3 в) в первой модуляционной зоне, ограниченной пределами ±А/3(рис. 3 е).
При отсутствии Хвх (рис. 3 а, t<t0) среднее значение У0 импульсов Увых№ равно нулю. Наличие входной координаты Хвх<(А/3) (рис. 3 а, t0<t<t0*) влечёт за собой изменение частоты и скважности импульсов, так как в интервале t1 (рис. 3 в) развёртка Уи(^ (рис. 3 б) изменяется под действием разности сигналов, подаваемых на сумматор Е1 (рис. 3 а, е), а в интервале t2-dУи(t)/dt зависит от суммы этих воздействий. В результате среднее значение выходных импульсов МРП У0=Хвх (рис. 3 е).
Предположим, что в момент времени сигнал Хвх увеличился дискретно до величины (А/3)<Хвх<А (рис. 3 а). Это нарушает условия существования режима автоколебаний в первой модуляционной зоне, и МРП переходит на этап переориентации состояний РЭ2, РЭ3, который заканчивается в момент времени когда РЭ3 переключается в положение - А/3 (рис. 3 д). Координата УВЫХ(^ достигает
Рис. 3. Временные диаграммы сигналов многозонного интегрирующего развертывающего преобразователя
уровня - А (рис. 3 е), и МРП переходит во вторую модуляционную зону, где в интервалах t1, ^ (рис. 3 в) скорость формирования развертывающей функции Уи(^ (рис. 3 б) также определяется разностью или суммой сигналов, воздействующих на сумматор Е1. При этом сигнал У0 включает постоянную составляющую - А/3 первой и среднее значение импульсного потока УВЫХ^) второй модуляционных зон (рис. 3 е). Переход МРП из одной модуляционной зоны в другую для малых приращений координаты Хвх сопровождается переходом системы через характерные точки с нулевым значением частоты несущих колебаний (режим частотно-нулевого сопряжения модуляционных зон).
Повторители П1 - П3, включённые на выходе РЭ1 - РЭ3 соответственно, предназначены для преобразования биполярных выходных импульсов релейных элементов в однополярный сигнал, что необходимо для стыковки МРП с элементами цифровой электроники.
Временные диаграммы сигналов на выходе МРП показаны на рис. 4.
Модуляционная и амплитудная характеристики МРП для случая нечётного числа РЭ представлены в табл. 1 и показывают, что:
• МРП в каждой модуляционной зоне представляет собой систему с частотно-широтно-импульсной модуляцией, когда с ростом Хвх частота выходных импульсов уменьшается и на границе раздела модуляционных зон становится равной нулю;
Х
ВХ
К
Н
щбташзди
Рис. 4. Временные диаграммы сигналов МРП
• во всем диапазоне изменения входного воздействия Хвх амплитудная характеристика МРП является линейной, что объясняется замкнутым характером структуры МРП и наличием интегратора И в прямом канале регулирования.
Рассмотрим работу РН при нулевом уровне входного сигнала.
и =-
2 ЬХ
(2г, -1 к1 -хвх
УС (рис. 2) формирует импульсы «1» в течение «положительной» полуволны напряжения сети ХГ(^ (рис. 5 а, б). Ключи Кл.1 - Кл.3 переходят в замкнутое состояние под действием сигнала положительной полярности на их управляющем входе. Состояние
выхода динамического D-триггера задаётся сигналом РЭ1 (П1) (рис. 5 в, г). Переключение D-триггера осуществляется по переднему фронту импульса с выхода УС (рис. 5 б, ж). При Хвх=0 РЭ1 находится в режиме частотно-широтно-импульсной модуляции, а РЭ2 и РЭ1 в статических и противоположных по знаку выходного сигнала состояниях (рис. 5 в - е). В результате на выходе 1 РН (рис. 1) присутствует «пакет», включающий целое число периодов напряжения сети (рис. 5 ж), на выходе 2 - непрерывный поток периодов сигнала ХГ(^, а на выходе 3 - нулевое значение напряжения ХГ(^, так как П3 находится в состоянии «0».
Выключение Кл. 1 происходит (рис. 5 ж) в момент времени t01, когда передний фронт импульса с выхода УС (рис. 5 б) совпадает с нулевым уровнем сигнала на D-входе триггера (рис. 5 г). Ключ Кл. 1 вновь перейдёт в замкнутое состояние, когда передний фронт выходного сигнала УС совпадет с «0» на D-входе (рис. 5 б, г, ж, момент времени ^2).
Таким образом, в зависимости от уровня сигнала на входе МРП в статическом состоянии «включено» (или «выключено») будут находиться Кл. 2 и Кл. 3, а в режиме ЧШИМ - ключ Кл. 1. Наличие D-триггера обеспечивает на выходе 1 РН формирование целого числа периодов напряжения сети, причём без приме-
Таблица 1
Временные диаграммы сигналов МРП
Временные диаграммы сигналов МРП
Модуляционная зона
Модуляционная ^=/(Хвх) и амплитудная УоД=/(Хвх) характеристики МРП
Допустимый диапазон изменения входного сигнала МРП
^1=1
и =
2ЪТ
и =-
2ЬХ .
п1 -Хш ' 2 п'+Хвх ¥т=(-\)А(2у-\)п' =-Хш
0 < X < п
Z2=2
и =-
2Ь,Т
3 и'
гт=(-
- У ' У
Лвх в:
1)Д1 + 2уК' =
2Ь,Т
-п
~Хт
п' < Хт < Ъп
ПАРАМЕТРЫ
нормированное значение порогов переключения ±Ь1;
Хвх = |Л'ВХ / А| - нормированная величина входного сигнала ХвхМРП; п - количество релейных элементов, причем п>3 - нечётное число; Zi=1,2,3... - порядковый номер модуляционной зоны;
- скважность выходных импульсов УВЫХ(^ МРП; ±А - амплитуда выходных импульсов УВЫХ№ МРП; ТИ - постоянная времени интегратора И.
Ъ
НЯЯМИИИ
А
Сеть
^ААДЛАЛАЛ/
Выход УС Выход РЭ1
— Выход И —_______
12-
Выход П1
Выход РЭ2
Выход РЭ3
Выход й-триггера «Выход 1» РН
V Л Л Л Л Л
«Выход 2» РН
ЛЛЛАЛЛЛЛД/-
«Выход 3» РН
а) 0
б) 0
в) 0 -Ь
г) 0
д) 0
е) 0
ж) 0
з) 0
и) 0
Рис. 5. Временные диаграммы сигналов частотно-широтно-импульсного регулятора переменного напряжения
нения специальных вычислительных алгоритмов, которые для частотно-широтно-импульсной модуляции зачастую оказываются достаточно сложными.
На практике собственная частота автоколебаний МРП выбирается в пределах 1-10 Гц.
Здесь необходимо отметить, что диапазон регулирования D=t2/(t1+t2) для силовых ключей при ЧШИМ практически неограничен (табл. 1) по сравнению с широтно-импульсной модуляцией. Это является прямым следствием того, что с ростом входного сигнала в каждой из модуляционных зон интервал t1 стремится к бесконечности, в то время как Ц в пределе уменьшается по сравнению с начальным значением при Хвх=0 в два раза.
Для повышения помехоустойчивости регулятора напряжения со стороны напряжения сети применено интегрирующее УС (рис. 2) на базе двух последовательно включённых однозонных развёртывающих преобразователя РП1, РП2, каждый из которых содержит пропорциональные звенья К1, К2, сумматор Е, интегратор И и релейный элемент РЭ с симметричной относительно «нуля» петлёй гистерезиса. Звенья К1, К2 определяют величину коэффициента передачи РП1, РП2. Выходной сигнал РЭ меняется в пределах ±А. На выходе РП2 включён инвертор Ин., назначение которого аналогичное функциям П1 - П3 в МРП.
РП1 и РП2 в совокупности образуют каскадное интегрирующее устройство синхронизации [7], работающее в режиме внешней синхронизации с частотой напряжения сети ХГ(^ [8]. РП1 синхронизирован непосредственно сигналом ХГ(^, а второй РП2 син-
хронизируется выходными импульсами У^) РП1. При условии равенства частоты напряжения сети /Г и частоты автоколебаний /0 РП1 и РП2 угол ас между сигналами ХГ(^, У^) и У^), У2(^ составляет -90 эл. град. (рис. 6), а общий фазовый сдвиг между напряжением сети и выходными импульсами каскадного УС равен ас=180 эл. град.
Рис. 6. Зависимость ас =/(/г = /г /./,,) для интегрирующего развёртьтающего преобразователя в режиме внешней синхронизации синусоидальным
сигналом при различных кратностях синхронизации Д
Здесь: АГ =|АГ-КП1/А| - нормированное значение кратности синхронизации РП1 при его коэффициенте передачи КП1 и амплитуде АГ напряжения сети ХГ(^; (/г) =/г//0 - нормированная частота сигнала ХГ(^. Для РП2 при условии равенства амплитуд выходных импульсов РП1 и РП2 АГ=КП2, причём величины КП1 и КП2 определяются параметрами звеньев К1 и К2 преобразователей РП1, РП2 соответственно.
В режиме внешней синхронизации РП1, РП2 обладают свойствами апериодического фильтра первого порядка с постоянными времени, зависящими от параметров напряжения сети [8]. Так РП1 имеет
постоянную времени ТЭ1&--ТГ-—-Кш, завися-
16 А
щую как от изменения амплитуды Ат, так и частоты /Г=Т]-1 напряжения сети ХГ(^. Второй каскад РП2 реагирует только на изменение частоты сигнала ХГ(^, так как амплитуда выходных импульсов РП1 постоянна и не зависит от колебаний напряжения сети. Поэтому постоянная времени РП2
71
равна и ~' Тт ■ КП2. В результате РП1 и РП2 в совокупности представляют собой апериодическое звено второго порядка с передаточной функцией вида W(p)=1/(1+ТЭlP) (1+Тэ2р).
Выводы
1. Теоретический анализ и экспериментальные исследования показали, что для стационарных промышленных сетей необходимо обеспечить 4,0<АГ<6,0, а для автономных энергетических установок 6,0<АГ<10,0. И в том, и в другом случае величина КП2 лежит в пределах 2,0<КП2<4,0. При этом ошибка синхронизации УС при колебаниях амплитуды напряжения сети в пределах ±50 % равна нулю, что объясняется замкнутым характером структуры РП и наличием в его прямом канале регулирования интегратора И. При
Ь
01
02
щбташзди
этом данный УС не является прерогативой рассмотренного РН и может использоваться в силовых преобразователях других типов.
2. Рассмотренный РН предназначен в основном для однофазных регуляторов температуры повышенной точности и экономичности, когда в режиме «включено/выключено» находятся не все термонагревательные элементы, а только их составная часть. При работе с трёхфазной сетью необходимо соответствующее разделение нагревателей по группам и фазам с целью обеспечения равномер-
ной загрузки всех трёх фаз напряжения сети одновременно. Проведенные исследования показали, что предлагаемый РН характеризуется повышенной точностью работы за счет своей структуры и формирования в цепи нагрузки «пакета» синусоидального напряжения, состоящего из целого числа периодов напряжения сети. Устройство предполагается использовать в регуляторах температуры технологической линии гидротермального синтеза кристаллов пьезокварца на Южно-Уральском заводе «Кристалл».
Литература
1. А.с. 1336039 СССР, G06G7/12. Многозонный развёртывающий преобразователь / Л. И. Цытович. -№ 4058307/24; заявл. 19.02.86; опубл. 03.04.87. Бюл. № 25.
2. Гельман М. В., Лохов С. П. Тиристорные регуляторы переменного напряжения. - М.: Энергия, 1975. - 104 с.
3. Терещина О. Г. Электроприводы с параллельными каналами регулирования на основе многозонных интегрирующих развёртывающих преобразователей: Дисс. к.т.н. - Челябинск: ЮУрГУ, 2007. - 235 с.
4. Пат. 2408969 Российская Федерация. МПК Н02М 5/293. Многозонный частотно-широтно-импульсный регулятор переменного напряжения / Л. И. Цытович, О. Г. Брылина, М. М. Дудкин, А. В. Качалов -2009148024/07; заявл. 23.12.2009, опубл. 10.01.2011. Бюл. № 1. - 11 с.
5. Цытович Л. И., Брылина О. Г. Многозонные интегрирующие системы управления каскадами «вентильный преобразователь - исполнительный механизм» для объектов с параллельными каналами регулирования // Практическая силовая электроника. - 2009. - № 36. - С. 23-30.
6. Цытович Л. И., Брылина О. Г. Системы управления электроприводами с параллельными каналами регулирования на основе многозонного интегрирующего развёртывающего преобразователя // Известия высших учебных заведений «Проблемы энергетики». - Казань. - 2010. - № 1-2. - С. 84-93.
7. Пат. 2400910. Российская Федерация. МПК 7 Н 02 М 1/08. Устройство синхронизации / Л. И. Цытович, М. М. Дудкин, А. В. Качалов, Р. М. Рахматулин. - № 2009113408/09; заявл. 09.04.09; опубл. 27.09.10. Бюл. № 27. - 8 с.
8. Качалов А. В., Цытович Л. И., Дудкин М. М. Интегрирующие устройства синхронизации для систем импульсно-фазового управления вентильными преобразователями // Практическая силовая электроника. -2010. - № 1 (37). - С. 42-51.
Multi-zone frequency-pulse-width regulator alternating voltage
О. G. Brylina,
South Ural State University, associate professor of Department of Electric drive and automation of industrial installations, Ph.D. in technical science
L. I. Tsitovich,
South Ural State University, Head of Department of the Electric drive and automation of industrial installations, D.T.S., professor
М. М. Dudkin,
South Ural State University, associate professor of Department of electric and automation of industrial plants, Ph.D. in technical science
The multi-zone frequency-width-puls regulator of a single-phase alternating voltage with the integrating adaptive channel of synchronisation and the simple scheme of formation of «package» of sinusoidal voltage with an integer of the periods of pressure of a network are considered in this article. The block diagram and time characteristics of work of the multizone sweep converter and regulator of alternating voltage are given. The analysis of dynamic characteristics of the channel of synchronisation is given and recommendations for choice his parameters are resulted.
Keywords: alternating voltage regulator, multi-zone frequency-width-pulse modulation, sweep converter, D-trigger, ther-moelectroheater, synchronisation device.
НЯЯВЕШИИ
