Устройство коррекции формы кривой напряжения

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в устройствах регулирования напряжения генераторов переменного тока автономных источников электрической энергии. Технический результат - уменьшение степени несинусоидальности кривой напряжения. Устройство коррекции формы кривой напряжения содержит вольтодобавочный трансформатор (1), первый выпрямитель (2) однофазный однополупериодный, второй выпрямитель (3) однофазный мостовой, формирователь-ограничитель (4), фильтр (5) низких частот, первый (6) и второй (36) аналого-цифровые преобразователи (АЦП), первый (7), второй (8) и третий (9) формирователи коротких импульсов, логический элемент НЕ (10), логический элемент ИЛИ (11), RS-триггер (12), элемент задержки (13), первый (14), второй (15) и третий (16) регистры памяти, числовой компаратор (17), суммирующий счетчик (18), генератор (19) стабильных импульсов, вычитатель (20), цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) (21), трехмерный блок памяти (22), первый(23), второй (24), третий (25), четвертый (26), пятый (27), шестой (28), седьмой (29) и восьмой (30) электронные ключи, нагрузка (31), шины источника (32) и коммутатор (33), образованный электронными ключами (23…30). К шинам (32) подключен генератор (34) переменного тока с системой (35) регулирования возбуждения. Устройство с высокой точностью обеспечивает компенсацию искажения кривой переменного напряжения. 2 ил.

 

Изобретение относится к электрическим машинам, а именно к устройствам регулирования напряжения генераторов переменного тока автономных источников электрической энергии.

Известны системы регулирования возбуждения и корректоры напряжения генераторов переменного тока /1,2/.

Недостатком этих устройств является невозможность сохранения синусоидальной формы кривой напряжения при работе на нелинейную нагрузку, вызывающую высшие гармонические составляющие.

Известны пассивные и активные фильтры /3/, подавляющие высшие гармонические составляющие и улучшающие форму кривой напряжения в сети генераторов переменного тока автономных источников электрической энергии.

Недостатком таких схем является недостаточная эффективность, обусловленная неидеальностью реальных фильтров, у которых частота среза не совпадает с частотой задерживания, и нестабильностью частоты автономных источников электрической энергии.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство, содержащее генератор переменного напряжения с системой регулирования возбуждения, в цепь которого последовательно включены переменная нелинейная нагрузка и вторичная обмотка вольтодобавочного трансформатора, первичная обмотка которого подключена через коммутатор к конденсатору /4/.

Недостатком устройства является невысокая точность приближения кривой напряжения к синусоиде в условиях нестабильности частоты генератора переменного тока.

Цель изобретения - уменьшение степени несинусоидальности кривой напряжения.

Цель изобретения достигается тем, что устройство коррекции формы кривой напряжения, содержащее генератор переменного напряжения с системой регулирования возбуждения, в цепь которого последовательно включены переменная нелинейная нагрузка и вторичная обмотка вольтодобавочного трансформатора, первичная обмотка которого подключена к выходу коммутатора, снабжено первым выпрямителем однофазным однополупериодным, вторым выпрямителем однофазным мостовым, формирователем-ограничителем, фильтром низких частот, первым и вторым аналого-цифровыми преобразователями (АЦП), первым, вторым и третьим формирователями коротких импульсов, логическими элементами НЕ и ИЛИ, RS-триггером, элементом задержки, первым, вторым и третьим регистрами памяти, числовым компаратором, суммирующим счетчиком, генератором стабильных импульсов, вычитателем, цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП), трехмерным блоком памяти, с первого по восьмой электронными ключами, которые образуют коммутатор, причем входы первого и второго выпрямителей подключены к зажимам нагрузки, а выход второго выпрямителя непосредственно связан с входом второго АЦП и через фильтр низких частот - с входом первого АЦП, разряды выхода которого соединены с соответствующими разрядами информационного входа третьего регистра памяти и первого входа числового компаратора, причем выход второго АЦП подключен к входу вычитаемого вычитателя, информационный выход которого подключен к входу ЦАП, а вход уменьшаемого соединен с выходом блока памяти, вход первой координаты которого связан с выходом суммирующего счетчика и входом второго регистра памяти, вход второй координаты - с выходом второго регистра памяти, а вход третьей координаты - с выходом первого регистра памяти, вход которого соединен с выходом третьего регистра памяти и вторым входом числового компаратора, выход БОЛЬШЕ которого через третий формирователь коротких импульсов подключен к входу записи третьего регистра памяти, сбросовый вход которого соединен со сбросовым входом суммирующего счетчика, связанного счетным входом с выходом генератора стабильных импульсов, и выходом элемента задержки, вход которого связан с входами записи первого и второго регистров памяти и выходом элемента ИЛИ, первый вход которого через первый формирователь коротких импульсов подключен к выходу формирователя-ограничителя, соединенному с входом элемента НЕ, выход которого через второй формирователь коротких импульсов связан с вторым входом элемента ИЛИ и сбросовым входом RS-триггера, единичный вход которого подключен к выходу первого формирователя коротких импульсов, прямой выход - к управляющим электродам пятого и шестого электронных ключей, а инверсный выход - к управляющим электродам седьмого и восьмого электронных ключей, при этом выход последнего объединен с выходом пятого электронного ключа и соединен с первым зажимом первичной обмотки трансформатора, второй зажим которой подключен к выходам шестого и седьмого электронных ключей, вход последнего из которых объединен с входом пятого электронного ключа и подключен к объединенному выходу первого и третьего электронных ключей, причем входы третьего и второго электронного ключа подключены к выходу ЦАП, входы первого и четвертого электронного ключа - к зажиму МАССА, а управляющие электроды первого и второго электронного ключа соединены с выходом признака положительной разности вычитателя, выход признака отрицательной разности которого соединен с управляющими электродами третьего и четвертого ключа, кроме того, выходы второго и четвертого электронного ключа объединены и подключены к входам шестого и восьмого электронного ключа.

Первый выпрямитель, формирователь-ограничитель, первый формирователь коротких импульсов, элемент ИЛИ, элемент задержки, генератор стабильных импульсов, суммирующий счетчик, второй регистр памяти и их связи обеспечивают формирование кода периода переменного напряжения. Второй выпрямитель, первый АЦП, первый и третий регистры памяти, числовой компаратор, третий формирователь коротких импульсов и их связи формируют код амплитуды переменного напряжения. Второй АЦП формирует коды мгновенных значений напряжения. Блок памяти с учетом амплитуды и периода выдает коды мгновенных значений эталонного синусоидального напряжения. Вычитатель и ЦАП вырабатывают напряжение, соответствующее отклонению напряжения на нагрузке от идеального синусоидального напряжения. Коммутатор и RS-триггер задают направление коррекции в зависимости от знака отклонения напряжения полупериода (положительного или отрицательного).

На фиг. 1 представлена схема устройства коррекции кривой напряжения, на фиг. 2 - эпюры сигналов на основных элементах схемы.

Схема содержит вольтодобавочный трансформатор 1, первый выпрямитель 2 однофазный однополупериодный, второй выпрямитель 3 однофазный мостовой, формирователь-ограничитель 4, фильтр 5 низких частот, аналого-цифровой преобразователи (АЦП) 6, первый 7, второй 8 и третий 9 формирователь коротких импульсов, логический элемент НЕ 10, логический элемент ИЛИ 11, RS-триггер 12, элемент задержки 13, первый 14, второй 15 и третий 16 регистры памяти, числовой компаратор 17, суммирующий счетчик 18, генератор 19 стабильных импульсов, вычитатель 20, цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) 21, трехмерный блок памяти 22, первый 23, второй 24, третий 25, четвертый 26, пятый 27, шестой 28, седьмой 29 и восьмой 30 электронные ключи, нагрузка 31, шины источника 32 и коммутатор 33, образованный электронными ключами 23…30. К шинам 32 подключен генератор 34 переменного тока с системой 35 регулирования возбуждения. Второй АЦП 36 непосредственно подключен к второму выпрямителю 3.

Схема работает следующим образом. При появлении положительной полуволны напряжения u(t) на нагрузке 31 она проходит через выпрямитель 2 и поступает на вход ограничителя-формирователя 4. На выходе ограничителя-формирователя 4 появляется прямоугольный импульс, длительность которого равна полупериоду напряжения u(t) на нагрузке 31 и напряжения u_C(t) на шинах источника 32. По фронту этого импульса формирователь 7 выдает короткий импульс, который проходит через логический элемент ИЛИ 11 и элемент задержки 13. Импульсом с выхода элемента задержки 13 обнуляются регистр памяти 16 и счетчик 18, подготавливая схему к измерению амплитуды и полупериода напряжения источника u(t).

Одновременно напряжение u(t) с нагрузки 31 поступает на вход второго выпрямителя 3 и на его выходе появляется пульсирующее напряжение |u(t)|. Из его состава исключаются высшие гармонические составляющие фильтром 5, и на вход первого АЦП 6 поступает гладкая положительная полуволна напряжения u(t). На выходе АЦП 6 появляется код K_U мгновенного напряжения u(t), который поступает на первый вход компаратора 17 и связан с напряжением u(t) выражением

где ΔU₆ - шаг квантования АЦП 6 и 36.

Так как на втором входе компаратора 17 присутствует нулевой код, поступивший с выхода регистра 16, то появляется сигнал на выходе БОЛЬШЕ компаратора 17, который поступает на вход формирователя 9. С выхода формирователя 9 короткий импульс поступает на вход записи регистра 16, в который записывается код мгновенного значения напряжения u(t). По мере возрастания напряжения u(t) увеличивается код K_U на выходе АЦП 6 и на первом входе компаратора 17. Код на первом входе компаратора 17 становится больше кода на его втором входе. Вновь появляется сигнал на выходе БОЛЬШЕ компаратора 17 и импульсом с выхода формирователя 9 в регистр 16 записывается очередной код мгновенного значения напряжения u(t). Этот процесс перезаписи кода мгновенного значения напряжения u(t) происходит до момента записи в регистр 16 кода K_Um амплитудного значения напряжения u(t), который поступает на разряды информационного входа регистрам 14 и связан с амплитудой U_m напряжения u(t)выражением

Одновременно с появлением положительной полуволны напряжения u(t) после обнуления счетчика 18 он начинает подсчет числа импульсов стабильной частоты, поступающих с выхода генератора 19. На выходе счетчика 18 формируется код К_Т полупериода напряжения u(t), который связан с периодом T напряжения u(t) выражением

где Т_Э - период следования стабильных импульсов с выхода генератора 19.

По окончании положительной полуволны и приходом отрицательной полуволны напряжения u(t) исчезает сигнал на выходе формирователя 4 и появляется сигнал на выходе логического элемента НЕ 10. По фронту этого сигнала появляется короткий импульс на выходе формирователя 8. Этот импульс проходит через логический элемент ИЛИ 11 и поступает на входы записи регистров памяти 14 и 15. При этом в регистр 14 записывается код K_Um амплитудного значения, а в регистр с выхода счетчика 15 код К_Т полупериода напряжения u(t) 18, поступающие соответственно на первый и второй входы адреса блока памяти 22. После записи кодов амплитуды и полупериода в регистры 14 и 15 регистр 15 и счетчик 18 обнуляются импульсом с выхода элемента задержки 13 и начинается процесс формирования очередных кодов амплитуды и полупериода. Вместе с тем по ранее полученным кодам осуществляется коррекция кривой напряжения, для чего на третий вход адреса блока памяти 22 с выхода счетчика 18 подается возрастающий код К_t текущего времени t, которое связано с кодом выражением

В ячейках блока памяти 22 записаны коды К_UC мгновенных значений эталонного напряжения u_Э(t) с идеально синусоидальной формой, которые связаны выражением

В зависимости от текущего времени, амплитуды и периода напряжения u(t) на выходе блока памяти 22 появляется соответствующий код К_UC эталонного напряжения, который поступает на вход уменьшаемого вычитателя 20. На его входе вычитаемого присутствует код K_U текущего напряжения на нагрузке, который формируется на выходе второго АЦП 36, связан с напряжением u(t) выражением (1). На выходе вычитателя 20 появляется код K_Д разности или отклонения мгновенного значения напряжения нагрузки от эталонного напряжения

Этот код K_Д поступает на вход ЦАП 21, и на его выходе появляется напряжение

где ΔU₂₁ - шаг квантования ЦАП 21

K_ВД - коэффициент трансформации вольтодобавочного трансформатора 1

U_Д - напряжение на вторичной обмотке трансформатора 1.

Мгновенное значение напряжения u₂₁(t) с выхода ЦАП 21, поступает на коммутатор 33, построенный на электронных ключах 23…30, который задает направление коррекции напряжения, путем изменения полярности напряжения u₂₁(t), следующим образом.

Если напряжение u(t) имеет положительные мгновенные значения (положительная полуволна) и они меньше мгновенных значений эталонного напряжения u_Э(t) (интервал времени t₁-t₂, фиг. 2), то появляется сигнал Х12⁽¹⁾ на прямом выходе триггера 12, который поступает на управляющие электроды ключей 27 и 28, открывая их. Поскольку при превышении эталонного напряжения u_Э(t) над напряжением нагрузки u(t) разность кодов на выходе вычитателя 20 положительна, то присутствует сигнал Х20⁽¹⁾ на прямом выходе признака знака вычитателя 20, который поступает на управляющие электроды ключей 23 и 24, открывая их. Через открытые ключи 23, 24, 27 и 28 к первичной обмотке трансформатора 1 подается напряжение с выхода ЦАП 21 в прямой полярности. В результате на вторичной обмотке трансформатора 1 появляется напряжение u_Д(t), которое складывается с напряжением на нагрузке u(t), и мгновенное значение сетевого напряжения u_C(t) возрастает, приближаясь к эталонному напряжению u_Э(t). Аналогично протекает процесс на интервалах времени t₃-t₄ и t₅-t₆ (фиг. 2).

Если при положительных мгновенных значениях напряжения u(t) оно оказывается больше мгновенных значений эталонного напряжения u_Э(t) (интервал времени t₂-t₃, фиг. 2), то электронные ключи 27 и 28 остаются открытыми за счет сигнала Х12⁽¹⁾ с прямого выхода триггера 12. Однако код разности мгновенных значений напряжений u(t) и u_Э(t) на выходе вычитателя 20 приобретает отрицательное значение, и появляется сигнал Х20⁽²⁾ на инверсном выходе признака знака вычитателя 20, который поступает на управляющие электроды ключей 25 и 26, открывая их. Одновременно оказываются открытыми электронные ключи 25, 26, 27 и 28, через которые на первичную обмотку трансформатора 1 подается напряжение с выхода ЦАП 21 с обратной полярностью. На вторичной обмотке трансформатора 1 появляется напряжение u_Д(t), которое вычитается из напряжения u(t), поддерживая мгновенное значение сетевого напряжения u_C(t) на уровне эталонного u_Э(t) напряжения.

Если напряжение u(t) имеет отрицательные мгновенные значения (отрицательная полуволна, интервал времени t₆-t₉, фиг. 2), то появляется сигнал Х12⁽²⁾ на инверсном выходе триггера 12, который поступает на управляющие электроды электронных ключей 29 и 30 и открывает их. При отклонении мгновенного значения напряжения u(t) в меньшую сторону (интервал времени t₆-t₇, фиг. 2) относительно эталонного напряжения u(t) код K_UC на первом входе вычитателя 20 больше кода K_U на его втором входе, поэтому присутствует сигнал Х20⁽¹⁾ на прямом выходе признака знака вычитателя 20, которым открываются электронные ключи 23 и 24. Через открытые ключи 23, 24, 29 и 30 напряжение с выхода ЦАП 21 поступает на первичную обмотку трансформатора 1. При этом на вторичной обмотке трансформатора 1 появляется напряжение u_Д(t), совпадающее по фазе с напряжением u(t), что приводит к коррекции кривой напряжения u_C(t) в нужном направлении.

Если при отрицательных мгновенных значениях напряжения u(t) оно отклоняется в большую сторону от эталонного (интервал времени t₇-t₈, фиг. 2), то открываются ключи 25, 26, 29 и 30, которые обеспечивают уменьшение (по абсолютной величине) мгновенных значениях напряжения u_C(t) до эталонного напряжения.

Таким образом, в любой момент времени на вторичной обмотке трансформатора 1 появляется напряжение u_Д(t), которое корректирует мгновенное значение напряжения сети u_C(t), приближая его форму к идеальной синусоиде u_Э(t)

Погрешность коррекции кривой напряжения зависит от разрядности N цифровых элементов, входящих в схему устройства. При N=10 погрешность не превышает 0,001.

Источники информации

1. Сугаков В.Г. Системы автоматического регулирования параметров электрической энергии судовых электростанций. Ч. 2. Автоматическое регулирование напряжения судовых источников электрической энергии: учеб. пособие / В.Г. Сугаков, О.С. Хватов. - Н. Новгород: Изд-во ФГОУ ВПО «ВГАВТ», 2011. 180 с.

2. Патент на изобретение №25233005 по заявке 2013108756 от 27.02.2013, кл. Н02Р 9/14.

3. Лачин В.И. Электроника: учеб. пособие / В.И. Лачин, Н.С. Савелов. - Изд. 7-е. - Ростов н/Д: Феникс, 2009, - с. 267-287.

4. Emadi, Аli. Uninterruptible power supplies and active filters/ Ali Emadi, Abdolhosein Nasiri, Stoyan B. Bekairov, p. cm. - (Power electronics and application series), ISBN 0-893-3035-1, TK1005/E49 2005, - pp. 80-81.

Устройство коррекции формы кривой напряжения, содержащее генератор переменного напряжения с системой регулирования возбуждения, в цепь которого последовательно включены переменная нелинейная нагрузка и вторичная обмотка вольтодобавочного трансформатора, первичная обмотка которого подключена к выходу коммутатора, отличающееся тем, что с целью уменьшения степени несинусоидальности кривой напряжения снабжено первым выпрямителем однофазным однополупериодным, вторым выпрямителем однофазным мостовым, формирователем-ограничителем, фильтром низких частот, первым и вторым аналого-цифровыми преобразователями (АЦП), первым, вторым и третьим формирователями коротких импульсов, логическими элементами НЕ и ИЛИ, RS-триггером, элементом задержки, первым, вторым и третьим регистрами памяти, числовым компаратором, суммирующим счетчиком, генератором стабильных импульсов, вычитателем, цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП), трехмерным блоком памяти, с первого по восьмой электронными ключами, которые образуют коммутатор, причем входы первого и второго выпрямителей подключены к зажимам нагрузки, а выход второго выпрямителя непосредственно связан с входом второго АЦП и через фильтр низких частот - с входом первого АЦП, разряды выхода которого соединены с соответствующими разрядами информационного входа третьего регистра памяти и первого входа числового компаратора, причем выход второго АЦП подключен к входу вычитаемого вычитателя, информационный выход которого подключен к входу ЦАП, а вход уменьшаемого соединен с выходом блока памяти, вход первой координаты которого связан с выходом суммирующего счетчика и входом второго регистра памяти, вход второй координаты - с выходом второго регистра памяти, а вход третьей координаты - с выходом первого регистра памяти, вход которого соединен с выходом третьего регистра памяти и вторым входом числового компаратора, выход БОЛЬШЕ которого через третий формирователь коротких импульсов подключен к входу записи третьего регистра памяти, сбросовый вход которого соединен со сбросовым входом суммирующего счетчика, связанного счетным входом с выходом генератора стабильных импульсов, и выходом элемента задержки, вход которого связан с входами записи первого и второго регистров памяти и выходом элемента ИЛИ, первый вход которого через первый формирователь коротких импульсов подключен к выходу формирователя-ограничителя, соединенному с входом элемента НЕ, выход которого через второй формирователь коротких импульсов связан с вторым входом элемента ИЛИ и сбросовым входом RS-триггера, единичный вход которого подключен к выходу первого формирователя коротких импульсов, прямой выход - к управляющим электродам пятого и шестого электронных ключей, а инверсный выход - к управляющим электродам седьмого и восьмого электронных ключей, при этом выход последнего объединен с выходом пятого электронного ключа и соединен с первым зажимом первичной обмотки трансформатора, второй зажим которой подключен к выходам шестого и седьмого электронных ключей, вход последнего из которых объединен с входом пятого электронного ключа и подключен к объединенному выходу первого и третьего электронных ключей, причем входы третьего и второго электронного ключа подключены к выходу ЦАП, входы первого и четвертого электронного ключа - к зажиму МАССА, а управляющие электроды первого и второго электронного ключа соединены с выходом признака положительной разности вычитателя, выход признака отрицательной разности которого соединен с управляющими электродами третьего и четвертого ключа, кроме того, выходы второго и четвертого электронного ключа объединены и подключены к входам шестого и восьмого электронного ключа.