Регуляторы переменного напряжения с частотно-широтно-импульсной модуляцией

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 Σ1 и Σ2, интегратор И, релейные элементы РЭ1 – РЭ3 с симметричными относительно «нуля» порогами переклю- чения |±61| < |±Ь2| < |±Ь3\, где индекс при Ь соответствует порядковому номеру РЭ и отличается от классической структуры МРП [4] наличием повторителей П1 – П3, динамического D-триггера D1, устройства синхронизации УС и силовых ключей переменного тока Кл.1 – Кл.3. Нагрузка Rн (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 ± An , где n - число релейных элементов МРП; ± A - максимальный выходной сигнал сумматора Σ2, 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 D-входом динамического триггера D1 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-

Рис. 1. Структурная схема однофазного регулятора переменного напряжения

Рис. 2. Временные диаграммы сигналов однофазного регулятора переменного напряжения

вает переключение D1 в состояние D-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 XВХ = 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 «+ Л( 3 », а РЭ3 - в положении « – A 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).

DI

Рис. 3. Структурная схема трехфазного регулятора переменного напряжения

Амплитуда выходного пилообразного сигнала интегратора И ограничена порогами переключения ± b 1 (рис. 2, в). Скважность импульсов Y = t 1 /^ t 1 + t 2 ) (рис. 2, в) определяется величиной сигнала X_ВХ на информационном входе РН, где t ₁ , t 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 t ₀₁ (рис. 2, ж), когда передний фронт импульса с выхода УС (рис. 2, б) совпадает с нулевым уровнем сигнала на D-входе D-триггера (рис. 2, ж). Ключ Кл.1 вновь перейдет в замкнутое состояние при совпадении переднего фронта выходного сигнала УС с «1» на D-входе (рис. 2, б, ж, момент времени t ₀₂ ).

При X ВХ >  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 – A 3 . В результате Кл.2, Кл.3 разомкнуты, а в режиме ЧШИМ работает ключ Кл.1.

При X ВХ >  - 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 D-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

Z = ( n + 1 )/ 2 определяется числом релейных элементов, которое для данной структуры МРП должно удовлетворять условию n = 3, 5, 7 … – нечетное число [4]. С ростом числа Z 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 n = 3, а также наличие трех каналов синхронизации УС-А, УС-В и УС-С и дополнительных D-триггеров D2, D3. 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- тироваться к отказам релейных элементов МРП. В этом случае на величину входного сигнала накладывается ограничение XВХ| < |А/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 + | А /3| перешел РЭ1 (рис. 4, в). В этом случае триггер D1 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 – A 3 , то автоколебательный процесс возобновиться в канале РЭ3, и в режиме ЧШИМ будет работать Кл.3 с триггером D3. 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 D1 – D3 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 X ВХ <  ± А /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 R н имеет сопротивление 3 R , что применительно к предыдущей схеме (рис. 3) эквивалентно включению в каждую из фаз сопротивления, равного R .

С ростом входного сигнала и переходе МРП во вторую положительную модуляционную зону X_ВХ >  А /3 в режиме частотно-широтноимпульсной модуляции работают Кл.1-1, Кл.2-1, Кл.3-1, а все остальные ключи находятся в состоянии «выключено».

При X _ВХ >  - А / 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.

Рис. 4. Временные диаграммы сигналов РН при отказе РЭ1

Рис. 5. Структурная схема трехфазного регулятора переменного напряжения с распределенной нагрузкой