Способ управления группой импульсных регуляторов напряжений (варианты)
Владельцы патента RU 2409829:
Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Чувашский государственный университет имени И.Н. Ульянова" (RU)
Данная группа изобретений относится к области электротехники. Техническим результатом является увеличение коэффициента мощности импульсных регуляторов напряжения. Он достигается тем, что предложены способы управления группой импульсных регуляторов напряжения, имеющих индивидуальные нагрузки, подключенные к единому источнику питания, общий период широтно-импульсной модуляции, независимое изменение длительности импульса, на время действия которого регулятор подключает нагрузку к источнику питания, при которых с помощью регуляторов на периоде модуляции подключают нагрузки к источнику питания так, что фазовые сдвиги между соседними импульсами регуляторов составляют где n - количество регуляторов в группе, при этом с помощью регуляторов нагрузки подключают к источнику питания в порядке возрастания длительности их импульсов или произведения тока нагрузки и длительности импульса регулятора. 2 н.п. ф-лы, 8 ил., 3 табл.
Изобретение относится к области электротехники, в частности к преобразовательной технике, и может быть использовано для управления работой группы импульсных регуляторов, осуществляющих регулирование напряжения на нагрузках потребителей путем широтно-импульсной модуляции протекающих в них токов.
Известны способы управления группой импульсных регуляторов напряжения, имеющих индивидуальные нагрузки, подключенные к единому источнику питания, общий период широтно-импульсной модуляции, независимое изменение длительности импульса, на время действия которого регулятор подключает нагрузку к источнику питания, с неизменными взаимными фазовыми сдвигами импульсов регуляторов [1].
Недостатком известных способов группового управления импульсными регуляторами являются низкие значения коэффициента мощности.
Наиболее близким по сущности к предлагаемому является способ управления группой регуляторов напряжения, имеющих индивидуальные нагрузки, подключенные к единому источнику питания, общий период широтно-импульсной модуляции, независимое изменение длительности импульса, на время действия которого регулятор подключает нагрузку к источнику питания, при котором регуляторы на периоде модуляции подключают нагрузки к источнику питания так, что фазовые сдвиги между соседними импульсами регуляторов составляют где n - число регуляторов в группе [2].
В известном способе управления импульсными регуляторами возможны случаи, когда потребляемый группой нагрузок ток может иметь как прерывистый, так и непрерывный характер.
Первый случай может возникнуть, когда хотя бы один из регуляторов группы имеет импульс с относительной длительностью γ меньше 
Если относительные длительности импульсов всех регуляторов удовлетворяют условию 
то на периоде модуляции они по времени действия не перекрываются. При этом коэффициент мощности определяется 
[1] и он не зависит от порядка следования импульсов регуляторов группы на периоде модуляции, то есть от фазовых сдвигов импульсов относительно друг друга. Когда импульс хотя бы одного из регуляторов имеет относительную длительность то он перекрывается с одним или несколькими другими импульсами, а длительность интервала перекрытия и, следовательно, коэффициент мощности зависят от порядка следования импульсов регуляторов группы на периоде модуляции. Таким образом, недостаток известного способа группового управления импульсными регуляторами напряжения заключается в независимости порядка следования импульсов регуляторов на периоде модуляции от их длительности, что не позволяет увеличить коэффициент мощности.
Техническим результатом заявляемого изобретения является увеличение коэффициента мощности группы импульсных регуляторов напряжения.
Этот технический результат достигается тем, что в заявляемом способе управления группой регуляторов напряжения, имеющих индивидуальные нагрузки, подключенные к единому источнику питания, общий период широтно-импульсной модуляции, независимое изменение длительности импульса, на время действия которого регулятор подключает нагрузку к источнику питания, с помощью регуляторов подключают нагрузки к источнику питания на периоде модуляции в порядке возрастания длительности их импульсов или в порядке возрастания произведения тока нагрузки и длительности импульса регулятора, при этом фазовые сдвиги между соседними импульсами регуляторов составляют 
где n - количество регуляторов в группе.
Сопоставительный анализ заявляемого технического решения с прототипом показывает, что заявляемый способ управления группой регуляторов напряжения отличается от известного тем, что на каждом периоде модуляции устанавливают порядок следования импульсов регуляторов по возрастанию длительности импульса или по возрастанию произведения тока нагрузки и длительности импульса регулятора.
Это отличие позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «Новизна». Признак, отличающий заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлен в других технических решениях при изучении данной и смежной области техники и, следовательно, обеспечивает заявленному техническому решению соответствие критерию «изобретательский уровень».
Предлагаемый способ управления группой импульсных регуляторов напряжения иллюстрируется чертежами. На фиг.1 и фиг.2 приведены структурные схемы системы управления, реализующей предлагаемый способ при установлении порядка следования импульсов регуляторов на периоде модуляции соответственно по возрастанию длительности импульса и по возрастанию произведения тока нагрузки и длительности импульса регулятора. Система управления содержит группу регуляторов 1, каждый из которых со своей последовательно соединенной нагрузкой 2 подключен к выводам источника питания 3. Группа регуляторов имеет общее устройство управления 4, содержащее блок формирования кода 5, задающего порядок следования импульсов регуляторов, формирователь синхронизирующих импульсов 6, распределитель синхронизирующих импульсов 7 и блок 8 формирования сигналов, определяющих моменты начала импульсов регуляторов. Работа общего устройства управления 4 синхронизирована напряжением источника питания 3. На фиг.3 и фиг.4 изображены функциональные схемы соответственно блока формирования кода 5, задающего порядок следования импульсов регуляторов по возрастанию их длительности, и блока 8 формирования сигналов, определяющих моменты начала импульсов регуляторов, с распределителем синхронизирующих импульсов 7 для группы, состоящей из трех регуляторов. Блок формирования кода 5, задающего порядок следования импульсов регуляторов по возрастанию их длительности, состоит из компараторов 9, 10, 11, имеющих логические выходы и входы, на которые поступают сигналы, пропорциональные длительности импульсов регуляторов λ1, λ2, λ3, инверторов 12, 13, 14, входы которых соединены с выходами соответствующих компараторов 9, 10, 11, двухвходовых схем логического умножения 15, 16, 17, 18, 19, 20, на выходах 21, 22, 23, 24, 25, 26 которых формируется код, задающий порядок следования импульсов регуляторов по возрастанию их длительности. В состав блока 8 формирования сигналов, определяющих моменты начала импульсов регуляторов, входят двухвходовые схемы логического сложения 27, 28, 29, 33, 34, 35, 39, 40, 41, двухвходовые схемы логического умножения 30, 31, 32, 36, 37, 38, 42, 43, 44 и трехвходовые схемы логического сложения 45, 46, 47, с выходов τ1, τ2, τ3 которых импульсные сигналы, определяющие моменты начала импульсов, поступают в регуляторы 1. На фиг.5 изображена функциональная схема блока 5 формирования кода, задающего порядок следования импульсов регуляторов по возрастанию произведения тока нагрузки и длительности импульса регулятора для группы из трех регуляторов. Блок формирования кода 5, задающего порядок следования импульсов регуляторов по возрастанию произведения тока нагрузки и длительности импульса регулятора, состоит из схем арифметического умножения 51, 52, 53, на входы каждого из которых подаются сигналы, пропорциональные току нагрузки и длительности импульса соответствующего регулятора, компараторов 9, 10, 11, имеющих логические выходы и входы, соединенные с выходами схем арифметического умножения 51, 52, 53, инверторов 12, 13, 14, входы которых соединены с выходами соответствующих компараторов 9, 10, 11, двухвходовых схем логического умножения 15, 16, 17, 18, 19, 20, на выходах 21, 22, 23, 24, 25, 26 которых формируется код, задающий порядок следования импульсов регуляторов по возрастанию произведения тока нагрузки и длительности импульса регулятора. На фиг.6 приведены временные диаграммы работы общего устройства управления 4 при задании порядка следования импульсов регуляторов по возрастанию длительности импульсов. На фиг.7 показаны кривые зависимости среднестатистического коэффициента мощности от числа реализации в серии для количества импульсных регуляторов в группе n=4 и n=6. На фиг.8 показаны кривые зависимости среднестатистического коэффициента мощности от числа регуляторов в группе. Кривая 1 соответствует известному способу, а кривая 2 - предлагаемому способу при задании порядка следования импульсов регуляторов на каждом периоде модуляции по возрастанию их длительности.
Предлагаемый способ управления группой импульсных регуляторов при установлении порядка следования импульсов регуляторов на периоде модуляции по возрастанию длительности импульса реализуется следующим образом. На каждом периоде модуляции регуляторы 1 определяют длительности импульсов, необходимые для регулирования напряжения на нагрузках, и передают информацию о них в виде сигналов λ1, λ2, …, λn в блок формирования кода 5, задающего порядок следования импульсов регуляторов, устройства управления 4. В зависимости от соотношения длительностей импульсов λ1, λ2, λ3 регуляторов на выходах 21, 22, 23, 24, 25, 26 блока формирования кода 5 формируется двоичный код, определяющий порядок следования импульсов регуляторов на периоде модуляции. Для группы из трех регуляторов возможно 6 вариантов соотношений длительностей их импульсов, которые вместе с их значениями кода представлены в табл.1.
В зависимости от значения кода, поступающего на входы элементов логического сложения 27, 28, 29, 33, 34, 35, 39, 40, 41 блока 8 на выходах τ1, τ2, τ3 элементов логического сложения 45, 46, 47 в определенном временном порядке в моменты времени 
где i=0, 1, 3, формируются короткие импульсы, являющиеся сигналами, определяющими моменты начала импульсов регуляторов, которые поступают на вход регуляторов 1. Временные диаграммы работы устройства управления 4 для группы из трех регуляторов с соотношениями длительностей импульсов λ3<λ2<λ1 приведены на фиг.4.
| Таблица 1 | ||||||
| Соотношения длительностей импульсов | Номер выхода блока формирования кода | |||||
| 21 | 22 | 23 | 24 | 25 | 26 | |
| λ1<λ2<λ3 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| λ1<λ3<λ2 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| λ2<λ1<λ3 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 |
| λ2<λ3<λ1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 |
| λ3<λ1<λ2 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 |
| λ3<λ2<λ1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 |
Предлагаемый способ управления группой импульсных регуляторов при установлении порядка следования импульсов регуляторов на периоде модуляции по возрастанию произведения длительности импульса и тока нагрузки реализуется следующим образом. На каждом периоде модуляции регуляторы 1 измеряют токи нагрузок, определяют длительности импульсов, необходимые для регулирования напряжения на нагрузках, и передают информацию о них в виде сигналов I1, I2, …, In, λ1, λ2, …, λn в блок формирования кода 5, задающего порядок следования импульсов регуляторов, устройства управления 4, где они в схемах арифметического умножения 51, 52, 53 перемножаются. В зависимости от соотношения произведений токов нагрузок I1, I2, I3 и длительностей импульсов λ1, λ2, λ3 регуляторов на выходах 21, 22, 23, 24, 25, 26 блока формирования кода 5 формируется двоичный код, определяющий порядок следования импульсов регуляторов на периоде модуляции. Для группы из трех регуляторов возможно 6 вариантов соотношений произведений токов нагрузок и длительностей импульсов регуляторов, которые вместе с их значениями кода представлены в табл.2.
| Таблица 2 | ||||||
| Соотношения произведений токов нагрузок и длительностей импульсов | Номер выхода блока формирования кода | |||||
| 21 | 22 | 23 | 24 | 25 | 26 | |
| I1λ1<I2λ2<I3λ3 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| I1λ1<I3λ3<I2λ2 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| I2λ2<I1λ1<I3λ3 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 |
| I2λ2<I3λ3<I1λ1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 |
| I3λ3<I1λ1<I2λ2 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 |
| I3λ3<I2λ2<I1λ1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 |
Для доказательства эффективности предлагаемого решения на кафедре автоматизированных электротехнологических установок и систем Чувашского государственного университета была разработана математическая (компьютерная) модель, реализующая известный и предлагаемый способы, в которой вычисление коэффициента мощности группы производится по формуле [3]:
где n - количество регуляторов в группе; Ii - ток нагрузки i-го регулятора; 
- относительная длительность импульса i-го регулятора; Ti - длительность импульса i-го регулятора; Тм - период широтно-импульсной модуляции; γik - относительная длительность интервала совместного действия импульсов i-го и k-го регуляторов.
В качестве примера, иллюстрирующего достижение технического результата предлагаемым способом, рассмотрим группу, состоящую из четырех импульсных регуляторов с нагрузками, имеющими токи, кA: Ii=1,0; I2=0,9; I3=0,8; I4=0,7. Допустим, что на некотором периоде модуляции импульсы регуляторов имеют соответственно следующие относительные длительности: γ1=0,5; γ2=0,4; γ3=0,3; γ4=0,2.
Для известного способа управления группой регуляторов порядок следования их импульсов на периоде модуляции определяется индексами токов нагрузок и не зависит от длительности импульсов. При этом фазовые сдвиги между импульсами соседних регуляторов равны и составляют 
Коэффициент мощности группы равен:
Согласно предлагаемому способу при расположении импульсов регуляторов группы на периоде модуляции по возрастанию их длительности порядок следования импульсов будет обратным по сравнению с порядком следования импульсов в известном способе, а фазовые сдвиги между импульсами соседних регуляторов, как и в известном способе, составляют 
Такими же будут порядок следования импульсов и фазовые сдвиги между соседними импульсами регуляторов при их расположении на периоде модуляции по возрастанию произведения тока нагрузки и длительности импульса регулятора, так как I1γ1=1·0,5=0,5>I2γ2=0,9·0,4=0,36>I3γ3=0,8·0,3=0,24>I4γ4=0,7·0,2=0,14.
Поэтому коэффициент мощности группы в обоих случаях:
Как видно, порядок следования импульсов регуляторов на периоде модуляции, определяемый обоими признаками предлагаемого способа, обеспечивает увеличение коэффициента мощности по сравнению с известным способом.
Недетерминированный характер влияния возмущающих воздействий на нагрузки вызывает случайный характер изменения их токов и длительности импульсов регуляторов. Поэтому в разработанной компьютерной модели эти характеристики представлены как ограниченные случайные величины с заданными законами распределения плотности вероятности на заданных интервалах, которым, очевидно, будут соответствовать различные значения коэффициента мощности группы.
Для строгого доказательства эффективности предлагаемого способа в условиях недетерминированных воздействий с помощью разработанной компьютерной модели осуществлялись серии реализации, в каждой из которых токи нагрузок и длительности импульсов регуляторов представлялись случайными величинами с равномерной плотностью вероятности на заданных интервалах. Для серии вычислялся среднестатистический коэффициент мощности группы
где N - количество реализации в серии; χm - коэффициент мощности группы в m-ой реализации.
Из фиг.7 видно, что с увеличением количества реализаций в серии среднестатистический коэффициент мощности группы равномерно стремится к некоторому предельному значению. Причем, чем больше импульсных регуляторов в группе, тем быстрее происходит сходимость к предельному значению. Как показывает компьютерное моделирование, при числе реализации более 1000 расчетное среднестатистическое значение можно принять в качестве предельного значения коэффициента мощности группы с погрешностью менее 0,1%.
При исследовании кроме длительности импульса регулятора, произведения тока нагрузки и длительности импульса регулятора в качестве параметра, определяющего порядок следования импульсов регуляторов, также рассматривался ток нагрузки. Во внимание принимались следующие признаки параметров, определяющих порядок следования импульсов регуляторов: «возрастание», «убывание» их значений. В табл.3 приведены результаты компьютерного моделирования при следующих исходных данных:
- минимальное и максимальное значения токов нагрузок соответственно 0,8 кA и 1,0 кA;
- минимальная длительность импульса регулятора 0,2 Tм, максимальная - Tм;
- количество реализации в серии - 10000.
Анализ приведенных данных показывает, что наиболее эффективными являются параметры, определяющие порядок следования импульсов регуляторов группы на периоде модуляции по возрастанию длительности их импульсов и по возрастанию произведения тока нагрузки и длительности импульса регулятора (в таблице результаты для них выделены цветом заливки). При прочих равных условиях они дают статистически примерно одинаковые результаты для коэффициента мощности группы.
Из фиг.8, видно, что применение предлагаемого способа группового управления по сравнению с известным способом обеспечивает увеличение коэффициента мощности группы импульсных регуляторов в среднем на 0,5÷1,5%.
При неизменной активной мощности, потребляемой нагрузками группы, увеличение коэффициента мощности регуляторов позволяет: снизить допустимую полную мощность источника питания группы нагрузок; уменьшить электрические потери на общих токоподводящих участках группы нагрузок. В целом это приводит к увеличению эффективности энергопотребления группы нагрузок.
Источники информации
1. Колкер М.И., Полищук Я.А., Обухов С.Г., Яров В.М.. Электропечи сопротивления с широтно-импульсным управлением с применением тиристоров. - М.: Энергия, 1977.
2. Яров В.М. Источники питания электрических печей сопротивления: Учебное пособие. - Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 1982.
3. Ильгачев А.Н. Оптимальное широтно-импульсное управление электрическим режимом группы электротехнологических установок // Труды академии электротехнических наук Чувашской республики, №1-2, с.104-109, 1999 г.
1. Способ управления группой импульсных регуляторов напряжения, имеющих индивидуальные нагрузки, подключенные к единому источнику питания, общий период широтно-импульсной модуляции, независимое изменение длительности импульса, на время действия которого регулятор подключает нагрузку к источнику питания, при котором с помощью регуляторов на периоде модуляции подключают нагрузки к источнику питания так, что фазовые сдвиги между соседними импульсами регуляторов составляют 
, где n - количество регуляторов в группе, отличающийся тем, что с помощью регуляторов нагрузки подключают к источнику питания в порядке возрастания длительности их импульсов.
2. Способ управления группой импульсных регуляторов напряжения, имеющих индивидуальные нагрузки, подключенные к единому источнику питания, общий период широтно-импульсной модуляции, независимое изменение длительности импульса, на время действия которого регулятор подключает нагрузку к источнику питания, при котором с помощью регуляторов на периоде модуляции подключают нагрузки к источнику питания так, что фазовые сдвиги между соседними импульсами регуляторов составляют 
, где n - количество регуляторов в группе, отличающийся тем, что с помощью регуляторов нагрузки подключают к источнику питания в порядке возрастания произведения тока нагрузки и длительности импульса регулятора.
