Устройство для ограничения переменного напряжения

 

Использование: в системах электропитания переменным током различных электротехнических устройств, например осветительных приборов. Сущность изобретения: устройство содержит первичный преобразователь напряжения, умножитель 3 частоты, функциональный преобразователь 4, формирователь 5 импульсов, преобразователь 6 напряжения в частоту, элемент НЕ (7), шесть элементов 2И (8 - 11, 14 и 15), два реверсивных счетчика 12 и 13, два импульсных усилителя 16 и 17 и два тиристора 19 и 20. Устройство позволяет повысить точность регулирования выходного напряжения при изменениях частоты входного напряжения. Регулирование напряжения на нагрузке 18 осуществляется с помощью фазового управления встречно-параллельными тиристорами 19 и 20, угол включения которых не зависит от изменений частоты входного напряжения. 2 ил.

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для использования в системах электропитания переменным током различных электротехнических устройств, например осветительных приборов.

Цель изобретения - повышение точности ограничения напряжения при изменениях частоты питающей электрической сети.

На фиг. 1 показана функциональная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - временные диаграммы его работы.

Устройство для ограничения переменного напряжения содержит выводы 1 для подключения питающей электрической сети, первичный преобразователь 2 напряжения, умножитель 3 частоты, функциональный преобразователь 4, выполняющий нелинейное преобразование выходного сигнала U_п.н. первичного преобразователя напряжения в соответствии с выражением U_ф.п.= К_ф.п.| U_п.н.| , где К_ф.п - коэффициент передачи функционального преобразователя, при реализации алгоритма ограничения средневыпрямленного значения переменного напряжения, или U_ф.п.= К_ф.п. U²_п.н., при реализации алгоритма ограничения действующего значения переменного напряжения, формирователь 5 импульсов, преобразователь 6 напряжения в частоту, элемент НЕ 7, первый 8, второй 9, третий 10, четвертый 11, пятый 14 и шестой 15 элементы 2И, первый 12 и второй 13 реверсивныe счетчики, первый 16 и второй 17 импульсные усилители, нагрузку 18, первый 19 и второй 20 тиристоры.

В устройстве для ограничения переменного напряжения два тиристора 19 и 20 включены встречно-параллельно между соответствующими входными и выходными шинами, вход первичного преобразователя 2 напряжения подключен к питающей электрической сети, а выход соединен с объединенными входами умножителя 3 частоты, функционального преобразователя 4 и формирователя 5 импульсов, выход которого подключен к объединенным вторым входам второго 9, третьего 10 и пятого 14 элементов 2И, R-входу второго реверсивного счетчика 13 и входу элемента НЕ 7, выход которого соединен с объединенными вторыми входами первого 8, четвертого 11 и шестого 15 элементов 2И и R-входу первого реверсивного счетчика 12, суммирующий и вычитающий входы которого подключены к выходам соответственно первого 8 и второго 9 элементов 2И, а инверсный выход n-го разряда соединен с первым входом пятого элемента 2И 14, выход которого через первый импульсный усилитель 16 подключен к управляющему входу первого тиристора 19, информационный вход преобразователя 6 напряжения в частоту соединен с выходом функционального преобразователя 4, синхронизирующий вход подключен к выходу умножителя 3 частоты, а выход подключен к объединенным первым входам первого 8, второго 9, третьего 10 и четвертого 10 элементов 2И, суммирующий и вычитающий входы второго реверсивного счетчика 13 соединены с выходами третьего 10 и четвертого 11 элементов 2И, а инверсный выход n-го разряда подключен к первому входу шестого элемента 2И 15, выход которого через второй импульсный усилитель 17 соединен с управляющим электродом второго тиристора 20.

На временных диаграммах (фиг. 2), поясняющих принцип действия устройства для ограничения переменного напряжения при активной нагрузке 18, обозначено: N₁₂ и N₁₃ - сигналы, отражающие состояния первого 12 и второго 13 реверсивных счетчиков; U₁₂ и U₁₃ - сигналы на инверсных выходах n-ых разрядов первого 12 и второго 13 реверсивных счетчиков, выходные сигналы остальных элементов устройства обозначены символом U с индексом, соответствующим номеру элемента на функциональной схеме (фиг. 1).

Устройство для ограничения переменного напряжения работает следующим образом.

Напряжение U₁ питающей электрической сети поступает на вход первичного преобразователя 2 напряжения, а с его выхода - на объединенные входы умножителя 3 частоты, функционального преобразователя 4 и формирователя 5 импульсов. На выходе умножителя 3 частоты формируются импульсы, следующие с высокой частотой, пропорциональной частоте сети f: f₃= K_3f, где К₃ - коэффициент передачи умножителя 3 частоты.

Сигнал на выходе функционального преобразователя 4 определяется выбранным значением ограничиваемого напряжения (средневыпрямленным или действующим). На фиг. 2 приведены диаграммы для случая ограничения действующего значения напряжения, при этом U₄= F(U₂)= K₂K₄U₁², (1) где K₂ - коэффициент передачи первичного преобразователя напряжения.

На выходе формирователя 5 импульсов действует последовательность прямоугольных импульсов U₅= где U_e= const - напряжение, соответствующее уровню логической единицы.

Выходной сигнал U₅ формирователя 5 импульсов поступает на вход элемента НЕ 7, на выходе которого действует сигнал U₇= Выходное напряжение U₄ функционального преобразователя 4 поступает на информационный вход преобразователя 6 напряжения в частоту, на синхронизирующем входе которого действуют импульсы с выхода умножителя 3 частоты. В результате этого на выходе преобразователя 6 напряжения в частоту формируются импульсы, следующие с частотой, пропорциональной входному напряжению U₄ и частоте синхронизирующих импульсов f₆= K₆U₄f₃= K₃K₆fF(U₂), где К₆ - коэффициент передачи преобразователя 6 напряжения в частоту.

Импульсы U₆ с выхода преобразователя 6 напряжения в частоту поступают на объединенные первые входы первого 8, второго 9, третьего 10 и четвертого 11 элементов 2И, на входах которых действуют импульсы с выходов формирователя 5 импульсов и элемента НЕ 7.

Дальнейшие преобразователи сигналов осуществляются по двум каналам, обеспечивающим управление двумя тиристорами 19 и 20. Первый канал образован первым 8, вторым 9 и пятым элементами 2И, первым реверсивным счетчиком 12 и импульсным усилителем 16 и выполняет управление первым тиристором 19. Второй канал образован третьим 10, четвертым 11 и шестым 15 элементами 2И, вторым реверсивным счетчиком 13 и импульсным усилителем 17 и осуществляет управление вторым тиристором 20. Работа каждого канала происходит в два такта одинаковой длительности, равной половине периода питающего напряжения, т. е. T/2.

Для первого канала началом первого такта, соответствующего нерабочему полупериоду питающего напряжения, является момент t= 0 перехода через 0 напряжения U₁ и, следовательно, передний фронт выходного импульса элемента НЕ 7. Передний фронт импульса U₇, действующий на R-входе первого реверсивного счетчика 12, устанавливает счетчик в исходное состояние, соответствующее записи в нем 0. В первом такте на втором входе второго элемента 2И 9 действует сигнал логического "0" с выхода формирователя импульсов 5, а на втором входе первого элемента 2И 8 действует сигнал логической единицы с выхода элемента НЕ 7. Поэтому импульсы U₆ с выхода частотно-импульсного преобразователя 6 поступают через первый элемент 2И 8 на суммирующий вход первого реверсивного счетчика 12, который в данном случае выполняет роль цифрового интегратора. Число, записанное в счетчике, изменяется во времени в соответствии с выражением N₁₂= U₆≈ K₃KfF(U₂)dt . (2)
В случае, если зависимость F(U₂) описывается выражением (1), формула (2) имеет вид
N₁₂≈ K²₂K₃K₄K₆f U²₁dt , т. е. число, записанное в первом реверсивном счетчике 12, пропорционально интегралу от квадрата напряжения в сети. Таким образом, с помощью первого реверсивного счетчика 12 в интервале времени 0<t ≅ T/2 осуществляется измерение квадрата действующего значения напряжения сети. В момент времени t= T/2 число, записанное в первом реверсивном счетчике 12, при U₁= U_мsin ω t, равно
N K²₂K₃K₄K₆fU_мsin²ω tdt = (3) и пропорционально квадрату действующего значения напряжения сети U_c= U_м/2.

В момент времени t= t₂ число, записанное в первом реверсивном счетчике 12, принимает значение N₁₂(t₂)= 2^n-1, которое соответствует требуемому значению квадрата действующего значения напряжения на нагрузке 18. В момент t= t₂ происходит изменение значения напряжения на инверсном выходе n-го разряда первого реверсивного счетчика 12 с уровня логической единицы до уровня логического "0". Этот сигнал поступает на первый вход пятого элемента 2И 14, на втором входе которого в интервале времени 0<t≅ T/2 действует сигнал с уровнем логического "0" с выхода формирователя 5 импульсов. Следовательно, в интервале 0<t ≅ T/2 выходной сигнал пятого элемента 2И 14 равен 0.

В интервале времени T/2<t ≅ T потенциалы на выходах формирователя 5 импульсов и элемента НЕ 7 изменяют уровни, т. е. сигнал на выходе формирователя 5 импульсов имеет уровень логической "1", а сигнал на выходе элемента НЕ - уровень логического "0". Следовательно, на втором входе первого элемента 2И 8 действует сигнал с уровнем логического "0" с выхода элемента НЕ 7, а на втором входе второго элемента НЕ 9 - сигнал с уровнем логической "1" с выхода формирователя 5 импульсов. В результате импульсы U₆ с выхода частотно-импульсного преобразователя 6 поступают на вычитающий вход первого реверсивного счетчика 12. При этом число, записанное в счетчике 12, уменьшается в соответствии с выражением
N₁₂=N -U₆≈ - K²₂K₃K₄K₆fU²₁dt .

В момент времени t= t₃ число, записанное в первом реверсивном счетчике 12, принимает значение N₁₂(t₃)= 2^n-1 - 1, пропорциональное квадрату требуемого значения напряжения на нагрузке 18. В этот момент потенциал на инверсном выходе n-го разряда первого реверсивного счетчика 12 изменяет значение от уровня логического "0" до уровня логической "1". Этот сигнал поступает на первый вход пятого элемента 2И 14, на втором входе которого действует сигнал U₅= U_e. Следовательно, в интервале времени t₃<t ≅ T на выходе пятого элемента 2И 14 действует сигнал с уровнем логической "1", который через первый импульсный усилитель 16 поступает в управляющий электрод первого тиристора 16 и вызывает его отпирание.

Таким образом, в интервале времени 0<t ≅ T/2, т. е. в течение нерабочего для первого тиристора 19 полупериода питающего напряжения, происходит измерение требуемого значения напряжения, например, квадрата действующего значения (или средневыпрямленного значения в зависимости от функции F(U₂)) и определение момента времени t₂, при котором интеграл от этого значения напряжения за интервал 0<t ≅ t₂ равен требуемому значению с точностью до постоянного множителя
a= .

В интервале времени T/2<t ≅ T в зависимости от измеренного за первый полупериод значения напряжения (например, квадрата действующего значения напряжения) формируется отпирающий импульс для первого тиристора 19 в момент времени t= t₃. В этом случае интеграл от регулируемого значения напряжения (например квадрата напряжения) за интервал 0<t ≅ t₂ с точностью до постоянного множителя а равен такому же интегралу за интервал t₃<t ≅ T. При большой разрядности первого реверсивного счетчика 12, например n= 10-12, значение a ≈ 1, a τ₁ ≈ τ₂ . При увеличении напряжения сети уменьшается значение t₂ и, следовательно, увеличивается угол включения первого тиристора
α= . (4)
Изменение частоты питающей сети за счет синхронизации преобразователя 6 напряжения в частоту выходными импульсами умножителя 3 частоты не приводит, как это следует из уравнения (3), к изменению измеряемого значения напряжения. Следовательно, угол включения тиристора (4) инвариантен по отношению к изменениям частоты питающей электрической сети. Таким образом, в устройстве обеспечивается повышение точности ограничения переменного напряжения при изменениях частоты питающей сети.

Формирование импульсов управления для второго тиристора 20 осуществляется также в два такта одинаковой длительности, но сдвинутых на половину периода относительно тактов формирования импульсов управления для первого тиристора 19.

Другими важными достоинствами предлагаемого устройства являются высокое быстродействие, так как время регулирования не превышает половины периода питающего напряжения; высокая помехоустойчивость, что обусловлено цифровым интегрированием преобразованного функциональным преобразователем напряжения сети.

Использование предлагаемого устройства позволит улучшить качество электроэнергии, увеличить надежность и срок службы электротехнических устройств. (56) Авторское свидетельство СССР N 1117604, кл. G 05 F 1/44, 1983.

Кунгс Я. А. и Твардовский Л. М. Автоматизация управления и регулирования напряжения в осветительных установках. М. : Энергия, 1979, с. 39, рис. 22.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОГРАНИЧЕНИЯ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ, содержащее два тиристора, включенных встречно параллельно между соответствующими входными и выходными выводами, первичный преобразователь напряжения и формирователь импульсов, отличающееся тем, что в него введены умножитель частоты, функциональный преобразователь, преобразователь напряжения в частоту, элемент НЕ, шесть элементов 2И, первый и второй реверсивные счетчики, первый и второй импульсные усилители, причем суммирующие входы первого и второго реверсивных счетчиков подключены к выходам соответственно первого и третьего элементов 2И, вычитающие входы соединены с выходами соответственно второго и четвертого элементов 2И, R-входы подключены к выходам соответственно элемента НЕ и формирователя импульсов, а инверсные выходы n-х разрядов соединены с первыми входами соответственно пятого и шестого элементов 2И, выходы которых подключены к входам соответственно первого и второго импульсных усилителей, выходы которых соединены с управляющими электродами соответственно первого и второго тиристоров, первые входы первого, второго, третьего и четвертого элементов 2И объединены и подключены к выходу преобразователя напряжения в частоту, информационный вход которого соединен с выходом функционального преобразователя, а синхронизирующий вход подключен к выходу умножителя частоты, вторые входы первого, четвертого и шестого элементов 2И объединены и подключены к выходу элемента НЕ, вторые входы второго, третьего и пятого элементов 2И объединены и подключены к выходу формирователя импульсов, вход которого объединен с входами умножителя частоты и функционального преобразователя и соединен с выходом первичного преобразователя, входом подключенного к входным выводам, при этом функциональный преобразователь выполнен обеспечивающим нелинейное преобразование выходного сигнала U_nн первичного преобразователя напряжения в соответствии с выражением
U_ф.n = K_ф.n / U_n.н,
где K_ф.n - коэффициент передачи функционального преобразователя,
при реализации алгоритма ограничения средневыпрямленного значения переменного напряжения или
U_ф.п.= K_ф.п.·U²_п.н
при реализации алгоритма ограничения действующего значения переменного напряжения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2