Импульсное фазосдвигающее устройство

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик

741465 (61 ) Допол интел ьное к а вт. с вид- ву

{22) Заявлено 09. 12.75 (21) 2302423/18-21 (5l)Nl. Кл. с присоединением заявки РЙH 03 К 17/22

Гооударстеенный комитет

СССР (23) Приоритет

Опубликовано 15.06.80. Бюллетень .% 22 по делам изобретений и открытий (53) УДК621.373

{ 088.8) Дата опубликования описания 16.06.80 (72) Автор изобретения

Ю. H. Боголюбов (71) Заявитель (54.) ИМПУЛЬСНОЕ ФАЗОСДВИГАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО!

Изобретение относится к импульсной технике и предназначено для стабилизации и регулирования скорости вращения тиристорного электропривода. Устройство может быть использовано также для регулирования других объектов, снабженных частотно-импульсным датчиком регулируемого параметра, Известны импульсные фазосдвигаюшие устройства (ФСУ), состоящие из одновиб10 ратора, запускаемого входными импульсами, фильтра, выдающего постоянную сос» тавляюшую напряжения, пропорционального частоте, усилителя и фазосдвигающего уст» ройства, управляемого уровнем напряжения

re

Однако. такие фазосдвигаюшие устройства обладают низким быстродействием.

Из известных устройств наиболее близким по технической сущности является импульсное фазосдвигаюшее устройство (ФСУ), состоящее из одновибратора, преобразователя длительности пауз между импульсами одновибратора в амплитуду им»

2 пульсов, порогового элемента, транзисторного ключевого элемента с нагрузкой в цепи второй базы, первая база которого ! через резистор подключена к источнику синхронизируюшего напряжения Qj .

Недостатком такого устройства является то, что вследствие того, что напряжение управления ФСУ получают фильтрацией импульсного напряжения одновибратора, в контур системы автоматического регулирования вводится фильтр-звено, нарушающее устойчивость и усложняющее стабилизацию, Постоянная времени фильтра должна быть относительно большой, так как при недостаточной фильтрации переменная составляющая наприкения на входе ФСУ, управляемого уровнем напряжения, вызывает фпуктуацию фазы на выходе ФСУ и, как следствие, появление динамических моментов и колебаний скорости электропривода.

Флуктуация фазы на выходе ФСУ для прецизионных тиристорных электроприводов должны быть в пределах нескольких градусов. з 7414

Пель изобрет ения — повьпиение стабильности работы фаэосдвигающего устройства, Указанная цель достигается тем, что в иллпульсное фаэосдвигаюшее у стройство, состояшее из одновибратора, выход кото5 рого подключен хо входам двух силлметричных каналов, каждый из которых содержит входной время-амплитудный преобразователь, пороговый элемент, BbIxэд которого является выходом устройстве, а также . 10 ключевой элемент, управляюший вход которого подключен к одному полюсу соответствуюшего источника синхронизируюшего напряжения, сигнальный вход ключевого элемента подключен к положительной шине источнике питания, а его выход соединен со вторым пблюсом соответствуюшего источника синхронизируюшего напряжения и через резистор со входом порогового элеллента в этом канале, в каждом из 20 двух симметричных каналов дополнительно введены второй ключевой элемент, второй . одновибратор, транзистор, резистор, конденсатор, диод, причем база дополнительного транзистора соединена с выходом 25 время-амплитудного преобразователя, коллектор — через дополнительный резистор соединен с положительной шиной источника питания, а эмиттер объединен с одной обкладкой дополнительного конденсатора, 30 входом дополнительного ключевого элемента, и через дополнительный диод соединен со входом порогового элемента, вторая обкладка вышеуказанного конденсатора соединена с обшей шиной, к которой подклю- 35 чен также выход дополнительного ключевого элемента, вход которого соединен с вы» ходом дополнительного конденсатора, управляюший вход которого подключен к выходу ключевого элементе. 40

На фиг. 1 приведена структурная электрическая схема устройства, на фиг. 2временные диаграммы, поясняюшие принцип его работы.

Импульсное фазосдвигаюшее устройство 45 состоит иэ одновибратора 1, на вход которого подаются импульсы, частота следования которых регулируется, е выход этого одновибратора подключен ко входам двух симллетричных каналов, каждый из ко- 0 торых содержит входной время-амплитудный преобразователь 2-1 и 2-2, выполненный HB резисторе 3, конденсаторе 4 и транзисторе 5, резистор 6, конденсатор 7, транзистор 8, диод 9, пороговый элемент

10, резистор 11, ключевые элементы 12 и 13 и одновибратор 14, шину 15 источника синхронизируюшего напряжения.

65 4

Принцип действия ФСУ поясняется временными диаграммами. Импульсы, поступаюшие на вход устройстве (фиг. 2а), запускают одновибратор 1, на выходе которого вырабатываются сигналы прямоугольной формы (фиг. 2б). Одновибратор 1 должен иметь время восстановления относительно малое по сравнению с интервалом времени между импульса лл и одновибра тора.

Импульсы одновибратора 1 отпирают транзистор 5, через который разряжается конденсатор 4, В промежутке между импульсами одновибратора транзистор 5 закрыт и конденсатор 4 заряжается от источника питания через резистор 3. На конденсаторе 4 вырабатываются импульсы, амплитуда которых зависит от длительности пауз между импульсами одновибратора, т,е. зависит от отклонения периода следования входных импульсов от длительности импульсов одновибратора 1 (фиг. 2в). На фиг, 2г показано напряжение, синфазное с напряжением питающей сети, Частота следования входных импульсов должна более чем в два раза превышать частоту питающей сети. При этом условии за полупериод питаюшей сети будет выработано не менее одного импульса на конденсаторе 4. Напряжение конденсатора 4 повторяется эмиттерным повторителем на транзисторе g, Конденсатор 7 заряжается сначала до напряжения, близкого к амплитуде напряжения на конденсаторе 4 (фиг. 2д, участок кривой от нуля до горизонтальной части графика). После этого транзистор 8 запирается, так как эмиттерный переход транзистора 8 смешен в обратном направлении.

В подготовительный полупериод питаюшей сети ключевой элемент 12 заперт. Напряжением конденсатора 7 заперт и диод .9, включенный в обратном направлении.

Ключевой элемент 13 заперт, так как на его базу не поступает отпираюший импульс с одновибратора 14. Таким образом, в этот промежуток времени все цепи, подключенные к конденсатору, заперты и напряжение на нем удерживается практически постоянным — горизонтальный участок на фиг. 2д. Следовательно, к концу подготовительного полупериода питающей сети напряжение на конденсаторе 7 близко к амплитуде импульсов, вырабатываемых на конденсаторе 4. В управляюший полу- . период питаюшей сети ключевой элемент

12 открывается полуволной переменного напряжения, поданного ца его базу. При этом от источника питания иротекает ток через ключевой элемент 12, резистор 11

5 7»1465 и диод 9 и заряжает конденсатор 7 от уровня напряжения, который был на конденсаторе в ко»ше подготовительного иолупериода. Няпря>кение на конденсаторе 7 и BKoge порогового устройства 1 » возрастает Ilo экспоненцияльнол»у закону, Постоянная времени заряда конденсатора 7 через резистор 11 должна в несколько ряз превышать постоянную времени заряда конденсатора 4 через резистор 3. В этом»0 случае небольшое изменение частоты следования входных импульсов приводит к сушественному сдвигу фазы выходных импульсов ФСУ, что необходимо для эффективной стабилизации скорости в замкнутой системе электроприводя. В момент времени, когда напряжение на входе порогового элемента 10 достигает уровня его срабатывания (пунктирная линия на фиг. 2д), на выходе ФСУ появляется импульс напря- 0 жения (фиг. 2е), передавяемый на управляющий электрод тиристора тиристорного преобразователя. По окончании полупериода управления ключевой элемент 12 запирается, напряжение на входе порогового элемента становится меньше порога отпускания и импульс на выходе ФСУ заканчивается. При этом задним фронтом импульса запускается одновибратор 14, выходной импульс которого (фиг. 2ж) подается на базу ключевого элемента 13 и отпирает его. Конденсатор 7 разряжается через. открытый ключевой элемент 13 и устройство подготавливается к следующему периоду работы. При разряде конден- 35 сатора 7 резистор 6 ограничивает величину тока, протекающего в коллекторной цепи транзистора 5. Работа ФСУ для другой фазы преобразователя аналогична. В результате действия ФСУ угол включения 40 тиристорного преобразователя, являющегося нагрузкой для данного ФСУ, изменяется в зависимости от отключения частоты и периода следования входных импульсов от заданного значения, определяемого дли- 5 тельностью импульсов одновибратора. При этом скорость вращения электропривода стабилизируется. Если скорость вращения электропривода мала, то частота следования входных импульсов ФСУ, вырабатыва- 5о емых датчиком импульсов, мала, а период следования « велик, В этом случае паузы между импульсами одновибратора велики и амплитуда импульсов на конденсаторе

4 большая, напряжение на конденсаторе

7 также велико. При открывании ключевого элемента 12 напряжение на входе порогового элемента 10 достигает уровня срабатывания зя малый 1»рол»ежуток времени, тиристор тиристорного преобразователя вк »очяется в начале полупериодя пита юн гo напряжения, напряжение ня элект,>сдвигателе привода будет повышено, скорость вращения привода возрастает. При повышении скорости вращения и частоты входных импульсов сдвиг фазы ФСУ противоположе»». B результате действия замкнутой системы автоматического регулирования достигается стабилизация скорости.

Скорость вращения электроприводя может регулироваться путем изменения длительности импульсов одновибрятора 1.

Вследствие того, что формирование сигналов и разряд конденсаторов ФСУ производятся в течение каждого периода, длительность переходного процесса ФСУ не превышает периода напряжения питающей сети, Из описания принципа действия ФСУ следует, что при постоянной частоте повторения входных импульсов флуктуация фазы ня выходе ФСУ может быть вызвана только разрядом конденсатора 7 через закрытые транзистор 8, ключевой элемент

13 и диод 9 на горизонтальном участке временной диаграммы (фиг. 2). Путем выбора полупроводниковых приборов с соответствующими характеристиками флуктуация фазы может быть понижена до требуемой величины.

Произведем оценку улучшения динамических свойств ФСУ по сравнению с известным. Динамические свойства звеньев систем автоматического регулирования характеризуются амплитудными и фазовыми частотными характеристиками (АЧХ и

ФЧХ) .

Введем следующие обозначения: — период напряжения питающей сети;

Г»» — период следования входных импульсов;

lJ — амплитуда импульсов одновибраOl тора (в из вест пол» );

К вЂ” коэффициент усиления напряжения от выходя фильтря до входа

ФСУ (в известном);

0в напряжение входе ФСУ, вызывающее максимальный сдвиг фазы; 1{» — амплитуда флуктуаций фазы на выходе ФСУ.

Рассмотрим случай, когда коэффициент заполнения импульсов одновибратора в прототипе равен 0,5, что может быть принято, TBK как при этом ограничение напряжения на выходе фильтра наступает при по74146 ф (р)= — и .т вышении частоты следования входных импульсов в два разе и таком же повышении скорости вращения вала электропривода, Фильтр импульсов одновибраторе - однозвенный с постоянной времени Т, Амплитуда пульсаций напряжения на выходе. фильтра

Относительные значения амплитуды пульсаций на входе ФСУ

AUS Ь T÷ Uñ

0 Г . ар Ìe, Отношение U к 0 в примем равным

1, что не нарушает обшности выводов, При линейной характеристике ФСУ ж K Tu

Отсюда постоянная фильтра при заданной флуктации фазы на выходе ФСУ должна быть

КТ

° и м

25 Р Х2 аЧ

Фаза ФЧХ фильтра ф- -ои"с д mТ где м - круговая частота ФЧХ.

Предлагаемое устройство может рас- З0 сматриваться как элемент с запаздыванием. Время запаздывания непостоянно, так как зависит от фазы импульсов на входе

ФСУ по отношению к напряжению питающей сети, но не превышает 35 т — (т„ч.т )

Запаздывание тиристорного преобразователя не учитывается,. так как оно одинаково для известного и предлагаемого уст-. 40 ройства.

Фаза ФЧХ звена .с запаздыванием

Ч =ш =-О (+

2 мс)

Рассматриваем случай, когда период следования составляет 1 = "1 /4

Тогда ФЧХ для известного ((и)=агс1д ш к- с М

4 4,2 е(ФЧХ предлагаемого устройства

Йля получения достаточной глубины обратной связи ло скорости коэффициент пе- 55 редачи К должен быть не менее 10,Требования к флуктуации фазы на выходе ФСУ таковы, что Мм/hV ъ 15, Период лита5 8 юшей сети Тс = 0,02 с, При этих услови Ч =он с1р0,45и

Ф =00 2Би> г

Фазовый сдвиг принимает значение 45О при круговой частоте, для известного - „= 6,7 1/с,а для предлагаемого устройства ш, м63 ° 1/с.

Такйм образом, фаза достигает сушественного значения при значительно более высокой частоте,. что упрощает стабилизацию системы. Применение устройства при определенных условиях сушественно улучшает динамические свойства системы автоматического регулирования, что необходимо при разработке быстродействуюшего прецизионного электролривода.

Формула изобретения

Импульсное фаэосдвигеюшее устройство„ состояшее иэ одновибратора, выход которого подключен ко входам двух симметричных каналов, каждый иэ которых содержит. входной время-амплитудный преобразователь, пороговый элемент, выход которого является выходом устройства, а также ключевой элемент, управляюший вход которого подключен к одному полюсу соответствуюшего источника синхронизируюшего напряжения, сигнальный вход ключевого элемента подключен к положительной шине источника питания,а его выход соединен со вторым полюсом соответствуюшего источника синхронизируюшего напряжения . и через резистор со входом порогового элемента в этом канале, о т л и ч аю ш е е с я тем, что, с целью повышения стабильности работы устройства в каждом иэ двух симметричнв х каналов дополнительно введены второй ключевой элемент, второй одновибратор, транзистор, резистор, конденсатор, диод, причем база дополнительного транзистора соединена с выходом время-амплитудного преобразователя, коллектор — через дополнительный резистор соединен с положительной шиной источника питания, а эмиттер объединен с.одной обкладкой дополнительного конденсатора, входом дополнительного ключевого. элемента, и через дополнительный диод соединен со входом порогового элемента, вторая обкладка вышеуказанного конденсатора соединена с обшей шиной, к которой . подключен также выход дополнительного ключевого элемента, вход которого соединен с выходом дополнительного конденса10

l. Патент США ¹ 3877348, л. 307-108, 1974.

2. Патент США N. 3514685, л. 318 313, 1970 (прототип).

С) 741465 тора, управпяюпий вход которого подключен к выходу ключевого элемента, к

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе к

741465

Составитель М. Назаров

Редактор П. Макаревич Техред Л. Теслюк

Корректор Н. Григорук

Филиал ПГ1П "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Заказ 3334/10 Тираж 995 Подлисное

11НИИПИ Государственного комитета СССР! по делам изобретений и открытий

113035, Москва, >KW5, Раушская наб„д. 4/5