CC BY
128
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА
УДК 62-83:681.51(075.8)
РЕГУЛЯТОРЫ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ С ЧАСТОТНО-ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ
О. Г. Брылина
г. Челябинск, Южно-Уральский государственный университет
AC VOLTAGE REGULATORS WITH FREQUENCY WIDTH-PULSE MODULATION
O.G. Brylina Chelyabinsk, South Ural State University
Рассматривается принцип построения частотно-широтно-импульсных регуляторов переменного напряжения на базе многозонного интегрирующего развертывающего преобразователя. Приведены структурные схемы однофазного и трехфазных регуляторов и временные диаграммы их работы.
Ключевые слова: регулятор переменного напряжения, терморегулятор, частотно-широтно-импульсная модуляция, многозонный развертывающий преобразователь, D-триггер.
The principle of design of frequency width-pulse AC regulators on the basis of the multizone integrating sweep converter is considered in this article. Block diagrams and time characteristics of work of single-phase and three phase regulators are given.
Keywords: alternating voltage regulator, thermoregulator, frequency width-pulse modulation, multizone integrating sweep converter, D-trigger.
Частотно-широтно-импульсная модуляция
(ЧШИМ) при построении регуляторов переменного напряжения (РН), например терморегуляторов, обеспечивает повышенную точность и помехоустойчивость процесса управления, а также практически неограниченный диапазон регулирования, дискретность которого определяется одним периодом напряжения сети [1]. Однако в подобных РН возникают определенные сложности с построением систем управления, в частности цифровых, когда для переноса ЧШИМ на «язык цифры» требуется бесконечное число разрядов, что технически нереализуемо. Это зачастую приводит к ограничению потенциальных возможностей ЧШИМ и ухудшает технико-эксплуатационные показатели системы управления в целом.
Ниже рассматриваются РН с ЧШИМ [2], где отмеченный недостаток устранен за счет построения системы управления на базе многозонного интегрирующего развертывающего преобразователя (МРП) с ЧШИМ [3].
Структурная схема однофазного многозонного РН (рис. 1) содержит сумматоры Е1 и Е2, интегратор И, релейные элементы РЭ1 - РЭ3 с симметричными относительно «нуля» порогами переклю-
чения |±6[| < 11^1 < |±Ь3| , где индекс при Ь соответствует порядковому номеру РЭ и отличается от классической структуры МРП [4] наличием повторителей П1 - П3, динамического Б-триггера Б1, устройства синхронизации УС и силовых ключей переменного тока Кл.1 - Кл.3. Нагрузка Ян (например, термоэлектронагреватели) распределена по каналам регулирования (модуляционным зонам), число которых зависит от количества релейных элементов МРП [4].
Выходные сигналы РЭ1 - РЭ3 меняются дискретно в пределах ± Ап , где п - число релейных элементов МРП; ±А - максимальный выходной сигнал сумматора Е2, когда все РЭ находятся в идентичных по знаку выходного сигнала состояниях. Повторители П1 - П3 (рис. 2, г) предназначены для преобразования биполярных выходных импульсов РЭ1 - РЭ3 в однополярный сигнал с уровнями «0» или «1», что необходимо для стыковки выходов РЭ1 - РЭ3 с Б-входом динамического триггера Б1 и управляющими входами Кл.2, Кл.3.
УС формирует логическую «1» (рис. 2, б) на интервале формирования положительной полуволны напряжения сети (рис. 2, а), что обеспечи-
вает переключение Б1 в состояние Б-входа по переднему фронту сигнала на С-входе (рис. 2, ж).
Ключи Кл.1 - Кл.3 переходят в замкнутое положение при сигнале «1» на их управляющем входе (рис. 2, ж - и).
Считаем, что частота собственных автоколебаний МРП намного ниже частоты напряжения сети.
После включения РН и нулевом уровне входного сигнала ХВХ = 0 МРП работает в первой мо-
дуляционной зоне, когда РЭ1 находится в режиме автоколебаний, а РЭ2 и РЭ3 переходят в статическое положение, при котором знаки их выходных сигналов противоположны.
Предположим, что РЭ2 находится в статическом состоянии «+ А/3 », а РЭ3 - в положении «- А/3 » (рис. 2, д, е). Тогда ключ Кл.2 постоянно открыт («Выход 2», рис. 2, з), а ключ Кл.3 переходит в статическое разомкнутом положении («Выход 3», рис. 2, и).
с частотно-широтно-импульсной модуляцией
Рис. 1. Структурная схема однофазного регулятора переменного напряжения
Рис. 2. Временные диаграммы сигналов однофазного регулятора переменного напряжения
Преобразовательная техника
Амплитуда выходного пилообразного сигнала интегратора И ограничена порогами переключения ±Ь (рис. 2, в). Скважность импульсов
у = (/1 + /2) (рис. 2, в) определяется величиной
сигнала ХВХ на информационном входе РН, где ^, /2 - длительность выходных импульсов РЭ1 соответственно положительной и отрицательной полярности.
В результате на «Выходе 1» РН (рис. 1) присутствует «пакет» из целого числа периодов напряжения сети (рис. 2, ж), на «Выходе 2» - непрерывный поток периодов гармонического сигнала (рис. 2, з), а на «Выходе 3» - нулевое значение напряжения сети (рис. 2, и).
Выключение Кл.1 происходит в момент времени /01 (рис. 2, ж), когда передний фронт импульса с выхода УС (рис. 2, б) совпадает с нулевым уровнем сигнала на Б-входе Б-триггера (рис. 2, ж). Ключ Кл.1 вновь перейдет в замкнутое состояние при совпадении переднего фронта выходного сигнала УС с «1» на Б-входе (рис. 2, б, ж, момент времени /02).
При XВХ > А/3 МРП переходит во вторую модуляционную зону, где в установившемся режиме характер изменения сигнала на «выходе 1» будет аналогичен первой модуляционной зоне с той лишь разницей, что ключи Кл.2, Кл.3 здесь находятся в разомкнутом положении, так как выходные сигналы РЭ2 и РЭ3 равны - А/ 3 . В результате Кл.2, Кл.3 разомкнуты, а в режиме ЧШИМ работает ключ Кл.1.
При ХВХ > - А/ 3 МРП работает в третьей модуляционной зоне, где РЭ2, РЭ3 находятся в статическом состоянии + А/3 . При этом Кл.2 и Кл.3
полностью открыты, а режим плавного регулирования обеспечивается за счет переключений ключа Кл.1.
Таким образом, в зависимости от уровня сигнала на входе МРП в статическом состоянии «включено» (или «выключено») всегда находятся Кл.2, Кл.3, а в режиме ЧШИМ работает Кл.1. При этом Б-триггер обеспечивает на «Выходе 1» РН формирование целого числа периодов напряжения сети, причем без применения специальных вычислительных алгоритмов. На практике собственная частота автоколебаний МРП выбирается в пределах 1-10 Гц. Количество модуляционных зон г = (п +1)/2
определяется числом релейных элементов, которое для данной структуры МРП должно удовлетворять условию п = 3, 5, 7 ... - нечетное число [4]. С ростом числа г происходит повышение точности процесса регулирования, так как в нагрузке уменьшается «пульсирующая» составляющая регулируемой координаты, характерная для однозонных систем с ШИМ или ЧШИМ.
Структура трехфазного РН (рис. 3) всегда предполагает число п = 3, а также наличие трех каналов синхронизации УС-А, УС-В и УС-С и дополнительных Б-триггеров Б2, Б3. При этом в режиме ЧШИМ всегда работает ключ Кл.1 фазы А, а в статическом положении «включено» или «выключено» - ключи Кл.2, Кл.3 фаз В и С соответственно. Несимметричный режим нагрузки на сеть, который формирует данный РН, ограничивает область его применения регуляторами, мощность которых не превышает единиц кВт.
Вместе с тем отличительной особенностью подобной структуры, на которой следует остановиться подробнее, является ее способность адап-
Регуляторы переменного напряжения с частотно-широтно-импульсной модуляцией
тироваться к отказам релейных элементов МРП. В этом случае на величину входного сигнала накладывается ограничение \ХВХ | < |Л/3. Это означает,
что в исходном исправном состоянии РН одна из ветвей «ключ-нагрузка», например фазы С, является резервной, канал фазы А обеспечивает работу РН в состоянии ЧШИМ, а канал фазы В - статический режим «включено/выключено».
Предположим, что в неуправляемое состояние + |Л/3 перешел РЭ1 (рис. 4, в). В этом случае
триггер Б1 также окажется в статическом состоянии «1» (рис. 4, е), и силовой ключ Кл.1 будет постоянно замкнут (рис. 4, е).
В результате сканирования интегратором И пороговых уровней РЭ1 - РЭ3 [5] в режим автоколебаний перейдет РЭ2 (рис. 4, г), и режим ЧШИМ будет реализовываться в канале фазы В (рис. 4, ж).
Дальнейшее поведение РН зависит от типа последующих отказов. Если, например, РЭ2 окажется в неуправляемом состоянии -|Л/3, то автоколебательный процесс возобновиться в канале РЭ3, и в режиме ЧШИМ будет работать Кл.3 с триггером Б3. В том случае, когда РЭ1 и РЭ2 окажутся в статическом положении +А/3, РН перестанет выполнять свои функции, так как автоколебательный режим МРП будет сорван.
Очевидно, что при введении в РН контура внешней обратной связи его способность адаптироваться к единичным отказам отдельных компонентов схемы, входящих в замкнутый контур регулирования, будет распространяться также и на отказы УС, триггеров Б1 - Б3 и Кл. 1-3.
Симметрия фазных нагрузок обеспечивается в РН, структура которого показана на рис. 5. Здесь каждая из фаз напряжения сети работает в режиме многозонной ЧШИМ, что достигается за счет вве-
дения в каждую фазу группы из трех ключевых элементов Кл.1-1 - Кл.1-3, Кл.2-1 - Кл.2-3 и Кл.3-1
- Кл.3-3.
В результате, в пределах первой модуляционной зоны (при ХВХ < ±Л/3) в режиме частотно-широтно-импульсной модуляции работают Кл.1-1, Кл.2-1, Кл.3-1, управляемые каналом синхронизации фазы А, постоянно включены Кл.1-2, Кл.2-2, Кл.3-2, а в состоянии «выключено» находятся Кл.1-3, Кл.2-3, Кл.3-3. При этом каждый из резисторов нагрузки Ян имеет сопротивление 3Я, что применительно к предыдущей схеме (рис. 3) эквивалентно включению в каждую из фаз сопротивления, равного Я.
С ростом входного сигнала и переходе МРП во вторую положительную модуляционную зону ХВХ > Л/ 3 в режиме частотно-широтно -
импульсной модуляции работают Кл.1-1, Кл.2-1, Кл.3-1, а все остальные ключи находятся в состоянии «выключено».
При ХВХ > - Л/ 3 в режиме частотно-
широтно-импульсной модуляции продолжают работать Кл.1-1, Кл.2-1, Кл.3-1, а ключи Кл.1-2, Кл.2-2, Кл.3-2 и Кл.1-3, Кл.2-3, Кл.3-3 постоянно «включены».
В результате все фазы напряжения сети оказываются загруженными по току в равной мере, что улучшает энергетические характеристики регулятора напряжения в целом. Дискретность зоны плавного регулирования выходной координаты РН ограничивается одним периодом напряжения сети. В том случае, когда одна из фаз источника электроснабжения принимается в качестве резервной, в РН обеспечивается режим адаптации к отказам отдельных компонентов системы регулирования, входящих в замкнутый контур управления.
Выход 1)3, Выход 3 РН Рис. 4. Временные диаграммы сигналов РН при отказе РЭ1
Преобразовательная техника
Рис. 5. Структурная схема трехфазного регулятора переменного напряжения с распределенной нагрузкой
Литература
1. Гельман, М.В. Тиристорные регуляторы переменного напряжения /М.В. Гельман, С.П. Лохов. - М.: Энергия, 1975. - 104 с.
2. 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.
3. Терещина, О.Г. Электроприводы с параллельными каналами регулирования на основе многозонных интегрирующих развертывающих преобра-
зователей: дис. ... канд. техн. наук/О.Г. Терещина.
- Челябинск: ЮУрГУ, 2007. - 235 с.
4. А.с. 1183988 СССР, 00607/12. Развертывающий усилитель / Л.И. Цытович. -
№ 3734334/24; заявлено 27.04.84; опубл. 07.10.85, Бюл. № 37.
5. Цытович, Л.И. Многозонные интегрирующие системы управления каскадами «Вентильный преобразователь - исполнительный механизм» для объектов с параллельными каналами регулирования» / Л.И. Цытович, О.Г. Брылина // Практическая силовая электроника. - 2009. -№ 36. - С. 23-30.
Поступила в редакцию 17.02.2012 г.
Брылина (Терещина) Олеся Геннадьевна - кандидат технических наук, доцент кафедры «Электропривод и автоматика промышленных установок», Южно-Уральский государственный университет, г. Челябинск. Область научных интересов - элементы аналоговой и цифровой электроники, импульсные преобразователи информации, системы с самодиагностированием. Контактный телефон: 8-(351) 2 67-93-21, e-mail: [email protected].
Brylina (Tereshchina) Olesya Gennadevna is a Candidate of Science (Engineering), an associate professor of Electric Drive and Automation of Industrial Installations Department of South Ural State University, Chelyabinsk. Research interests: elements of analogue and digital electronics, information pulse converters, self-diagnosissystems. Telephone: 8-(351) 2 67-93-21, e-mail: [email protected].
