книги / Электроника и микросхемотехника. Ч. 2 Электронные устройства промышленной автоматики

но единице, вычитает эту единицу и на входе формирователя F появ­ ляется сигнал, переключающий распределитель RG в следующее со­ стояние и поступающий на тактовые входы накапливающих сумматоров SMJ и SM2. Однако ни на одном из выходов схем совпадения И1, И2 л ИЗ сигнал не появляется, так как в счетчике СТ2 записан нуль, а следовательно, прямой выход D -триггера Т находится в нулевом со­ стоянии, запирая эти схемы И. Таким образом, в первый период регу­ лирования, равный одному полупериоду сетевого напряжения, им­

SM1 и SM2. Сигнал формирователя F поступает на тактовые входы этих сумматоров, при этом выполняются операции сложения: в SM1

В счетчик СТ2 записывается единица. Единица также с параллельных выходов SM2 через схему ИЛИ поступает на информационный вход триггера Т.

Второй тактовый импульс Ts вычитает из формирователя F запи­ санную ранее единицу, и появляющийся на его выходе сигнал посту­ пает на распределитель RG, переключая его в следующее состояние, и опрокидывает триггер Т в единичное состояние. При этом открывается схема И2 и на управляющие входы тиристоров VS2 и VS3 поступает сигнал управления, подключая напряжение к нагрузкам RH? и /?„з.

Сигнал с выхода схемы И2 через схему ИЛИ поступает также на вход счетчика СТ2, содержимое которого равно 1. Счетчик СТ2 обнуляется, и сигнал, появляющийся на его выходе, опрокидывает триггер Т в нуль, запирая схемы И1, Й2 и ИЗ.

Итак, во втором такте управления в нагрузку поступает импульс

мощности, что и соответствует коэффициенту деления k = X*yIN* = 1. Этим же сигналом формирователя F, поступающим на тактовые входы сумматоров SM1 и SM2, в них формируются числа 6 -Ь 2 =

Третий и четвертый синхроимпульсы, поступая на вход формировате­ ля F, уменьшают его содержимое до нуля. Но так как в счетчике СТ2 записан нуль, триггер Т находится в нулевом состоянии, схемы И за­ перты и за время, равное двум полупериодам сетевого напряжения, импульсы мощности в нагрузку не поступают.

Как видно из табл. 4.3, за пять интервалов, максимальный из ко­ торых равен двум полупериодам сетевого напряжения, в нагрузку про­ пускается три полу периода сетевого, напряжения из семи, а в сумма­ торах SM1 и SM2 записаны нули, т. е. погрешности предыдущих так­ тов полностью отрабатываются.

Продолжив табл. 4.3, можно определить, что из следующих семи полупериодов сетевого напряжения в нагрузку пройдут три. Таким образом, из 14 полупериодов сетевого напряжения, составляющих

17J

период регулирования Тр, в нагрузку пройдет 6, что и соответствует исходному заданию.

Отметим основную особенность схемы. Так как остаток, состоящий нз {п — 1) младших разрядов л-разрядного двоичного слова Х у, не

может превышать 2я — 1, то сумма этого остатка с данным двоичным

словом не может превышать (2n+I — I) + (2й — 1) = 2,l+1 + 2" — 2. Выделение разрядов старше степени (п — 1) эквивалентно делению

числа на 2". Поэтому старшие разряды (п-й) и (п + 1)-й суммы числа с предыдущим остатком, являющиеся уставкой для счетчика СТ2 и формирователя F, не могут превышать

2"+’ -f 2П— з

= 3 ( 1 - - ^ ) < 3 .

2”

Таким образом, максимальная уставка равна ближайшему меньше­ му целому числу, т. е. двум. Следовательно, независимо от дискрет­ ности регулирования 1/N в регуляторе этого типа задержка изменения сигнала управления Х у составляет не более двух полупериодов сете­ вого напряжения.

Схемы ФСУ для управления регуляторами с ШИУ — Н Ч сущест­ венно проще, так как в них нет необходимости распределять импульсы мощности в течение периода регулирования Тр по какому-либо опти­ мальному закону. При ШИУ — НЧ все импульсы управления в коли­

схожи с генераторами пачки импульсов, принцип которых рассмотрен выше (рис. 4.13,6). Пример схемы ФСУ для ШИУ — НЧ и временные диаграммы ее работы показаны на рис. 4.15. В этой схеме тактовые синхроимпульсы Ts суммируются в счетчике СТ и одновременно через схему совпадения И, открытую единичным сигналом с выхода триггера Т, проходят на выход схемы, формируя последовательность управляю­ щих импульсов F (yTJ. В момент равенства числа накопленных в СТ импульсов числу Х у схема сравнения срабатывает, сбрасывая триггер Т в нуль, и схема И закрывается. Такое состояние схемы сохраняется до тех пор, пока счетчик СТ не переполнится, формируя период регу­ лирования Тр. Тогда импульсом переполнения триггер Т опять уста­ навливается в 1, начиная новый период формирования слова F [jTs].

172

Длительность периода регулирования Гр, определяемая числом N, может быть равна 2", а может быть и отлична от этого числа. Следует

только помнить, что при N Ф 2" счетчик СТ следует выбирать с есте­ ственным счетом, чтобы в начале каждого интервала 7^-его работа на­ чиналась с нулевого состояния.

Применение в ФСУ последовательного типа обратной связи с пре­ образованием сетевого напряжения в частоту импульсов позволяет ©существенно уменьшить зависимость выходного напряжения регуля­ торов от колебаний напряжения сети, практически не усложняя схемы. Пример схемы такого ФСУ с коррекцией второго рода приведен на рис. 4.16. В этой схеме ПНЧ заменяет генератор пачки импульсов, фор­ мируя в течение каждого полупериода сетевого напряжения число им­ пульсов, соответствующее величине сетевого напряжения. Рассмотрим работу устройства с момента, когда /?5-триггер Т находится в нулевом состоянии, а в вычитающем счетчике СТ записан код периода регули­ рования N. В этот момент приходит очередной тактовый импульс Т, с выхода генератора синхроимпульсов G. Этот импульс служит только для синхронизации работы ИО с началом полупериода сетевого напря­ жения, включение которого определяется, как отмечалось выше, толь­ ко состоянием триггера Т, т. е. выполняет роль импульсного элемента ИЭ2 (рис. 2.5).

В начале каждого полупериода сетевого напряжения ПНЧ начи­ нает формировать на своем выходе импульсы, число и частота которых определяются величиной сетевого напряжения и сигналом управления Х у. При нулевом управляющем сигнале (Х у = 0) сумма напряжений, на выходе аналогового сумматора равна нулю и на выходе ПНЧ им­ пульсы отсутствуют. Состояние счетчика СТ не изменяется, и импульсы на управление тиристорами ИО не проходят. Параметры схемы подби­ раются так, что при максимальном сигнале управления и номинальном сетевом напряжении число импульсов, генерируемых ПНЧ в течение полупериода сетевого напряжения, равно величине кода периода ре­ гулирования N на входных шинах счетчика. Поэтому в конце каждого полупериода сетевого напряжения счетчик СТ2 устанавливается в ну­ левое состояние импульсами с выхода ПНЧ. При этом в триггер Т им-

173

пульсом заема с выхода схемы ИЛИ — НЕ записывается единица, приводящая к формированию очередным синхроимпульсом импульсов запуска тиристоров ИО, и этим же импульсом в счетчик СТ опять за ­ писывается код числа N.

Любое изменение сигнала управления приводит к изменению на­ пряжения на выходе сумматора, а значит, и к изменению числа импульсов на выходе ПНЧ. Например, при Х у = 0,5Хутах, N = 100 и номинальном сетевом напряжении на выходе ПНЧ каждый полупериод формируется 50 импульсов. Поэтому после первого полупериода из счетчика СТ, в котором вначале было записано число N = 100, вы­ читается 50 импульсов. Триггер Т не изменяет своего состояния, и сиг­ нал на выход не проходит. После второго полупериода СТ2 обнуляется, фиксируя сигнал на управление тиристором, и далее цикл повторяется. Таким образом, к нагрузке пропускается половина импульсов сетевого напряжения, что соответствует заданной величине сигнала Х у.

Изменение напряжения сети в схеме эквивалентно изменению вход­ ного сигнала, но с противоположным знаком. Например, увеличение напряжения сети приводит соответственно к уменьшению управляюще­ го сигнала и наоборот. Так, увеличение напряжения сети в рассмотрен­ ном выше примере на 10 % эквивалентно уменьшению частоты ПНЧ, т. е. на его выходе формируется меньшее число импульсов. А это, в свою очередь, приводит к уменьшению числа импульсов, подключаемых к нагрузке. При уменьшении напряжения сети частота следования импульсов увеличивается, обеспечивая тем самым компенсацию сете­ вого напряжения.

Аналогичный принцип компенсации изменений сетевого напряже­ ния можно использовать и в последовательных ФСУ с динамическим определением коэффициента деления частоты тактовых импульсов Ts (рис. 4.17). Рассмотрим работу этой схемы с момента, когда триггер Т и делитель на счетчике СТ2 обнулен. На выходе ИЛИ — НЕ, фиксирую­ щей обнуленное состояние счетчика СТ2, единица и схема И2 открыта для прохождения очередного тактового импульса Ts. Этот импульс проходит на управление тиристорным ключом и одновременно уста­ навливает в единичное состояние триггер Т , при этом схема совпа­ дения И1 открывается и импульсы,с выхода ПНЧ через нее поступают на вход счетчика СТ1, также работающего в режиме делителя частоты,

174

где их число делится на величину Х т Число импульсов на выходе ПНЧ, как и в предыдущей схеме, за полупериод сетевого напряжения при его номинальной величине равно числу N. Таким образом, число им­ пульсов на выходе СТ2 за полупериод сетевого напряжения равно це­ лой части числа N/X y. Дробный остаток учитывается в следующих операциях деления. Это число импульсов поступает на счетный вход счетчика СТ2, программируя его коэффициент деления, подобно то­ му как программируется коэффициент деления в счетчике СТ1 чис­

но число, не меньшее 1. Это приводит к переключению схемы ИЛИ — НЕ и появлению на ее выходе сигнала логического 0. Входы S и R триггера Т инвертируются (5 = 0 , / ? = 1), и в момент прихода следую­ щего тактового импульса Ts триггер опрокидывается, запирая схему

восстановления состояния триггера Т.

Тактовые импульсы поступают на вход счетчика СТ2 и каждый из них вычитает единицу из записанного после цикла программирования в СТ2 числа [N/Xy], где скобки означают целую часть числа. Когда на вход поступит [N/Xy] тактовых импульсов, СТ2 обнуляется, на выходе схемы ИЛИ — НЕ появляется единица, которая, во-первых, открывает схему И2 и, во-вторых, готовит к переключению триггер Т. Далее с приходом очередного синхроимпульса цикл работы повторяется. Таким образом, импульсы на выходе схемы появляются с частотой fcXyIN, т. е. частота следования импульсов мощности на нагрузке прямо пропорциональна величине сигнала управления Х у. Так как остаток от деления N/Xy учитывается в последующих циклах, то пер­ воначальная информация не теряется.

Если напряжение сети увеличивается, то число импульсов с выхо­

рами уменьшается, что компенсирует увеличение напряжения сети. Рассмотрим пример. Пусть N = 8, Х у = 3 (см. рис. 4.17, б, в). Рас­ смотрим начало цикла управления с обнуленного состояния счетчика СТ2. При этом логические сигналы на входах триггера UR = 0, Us = = 1, сигнал на прямом выходе триггера равен нулю, схема И1 запер­

та, схема И2 — открыта.

Первый тактовый импульс Ts пройдет через схему И2 на управле­ ние тиристорным ключом, а также установит триггер Т в единицу, от­ крывая по одному входу схему И1 и тем самым разрешая по второму входу вычитание импульсов Uf из содержимого счетчика СТ1, т. е. разрешает выполнение операции деления N на Х у. После первых трех импульсов Uf счетчик СТ1 обнулится и сигнал Ugi с выхода его схемы ИЛИ — НЕ пройдет на запись единицы в счетчик СТ2 и запись числа

176

приводит к записи второй единицы в СТ2. И, наконец, оставшиеся до конца-полупериода два импульса Uf вычитаются из содержимого счет­

чика СТ1, оставив в нем единицу. Действительно, так как NlXy = j =

о

= 2 у , то в течение полупериода в реверсивный счетчик СТ2 запишется

число 2, а в счетчике СТ1 останется число Х0Ст = 1.

Второй тактовый импульс Ts не проходит на управление тиристора­ ми, так как схема И2 заперта нулевым потенциалом с выхода схемы ИЛИ — НЕ, а переключает триггер Т согласно информации на его входах R и S, запирая тем самым схему совпадения И1.

Третий тактовый импульс Ts передним фронтом вычитает из счет­ чика СТ2 оставшуюся в нем единицу. При этом схема И2 открывается

ипропускает импульс запуска на управление тиристорами. Кроме то­ го, этот же импульс приводит к опрокидыванию триггера Т в соответ­ ствии с новыми значениями сигналов на входах R и S. Схема И1 от­ крывается и повторяется операция деления N/Xy, но с учетом остат­ ка от предыдущего цикла, так как в счетчике СТ1 оставалась единица, то после первого же импульса с выхода ПНЧ он обнуляется

ивыдает единицу в реверсивный счетчик СТ2.

Таким образом, последовательность управляющих импульсов на выходе схемы И2, а значит и число импульсов мощности на нагрузке, распределено по закону ...10100100...

В общем виде остаток в счетчике СТ1 на каждом шаге определяется из выражения

счетчик СТ2 программируется цифрой 3, то теперь следующий им­ пульс мощности появится через два пропуска. По аналогии с преды­ дущим последовательность импульсов мощности на нагрузке будет иметь вид ...1001001000... и т. д., т. е. с ростом напряжения сети час­ тота выходных импульсов уменьшается, что компенсирует увеличение напряжения сети.

4.9.ФСУ для группы синхронно работающих регуляторов

снизкочастотным импульсным управлением

Принцип импульсного регулирования характерен тем, что нагруз­ ка периодически полностью отключается или подключается к сети. Это приводит к колебаниям сетевого напряжения и, как показано выше, к снижению коэффициента мощности. В основном такие регуляторы

177

работают не как отдельные единицы оборудования, а в составе техноло­ гических линий, участков или цехов. Подобными регуляторами осна­ щается достаточно большое количество оборудования, что приводит к необходимости анализа их одновременной работы.

При групповом включении регуляторов напряжения с ИУ — НЧ, когда каждый из них работает независимо, вследствие неодновременности их включений происходит выравнивание общего тока и повыше­ ние результирующего коэффициента мощности. При активной на­ грузке пассивный ток каждого из регуляторов представлен только составляющей искажений, поэтому после определения значений резуль­ тирующего тока искажений / ис.сум нахождение результирующего ко­ эффициента мощности не представит трудностей [3]. Если не наклады­ вать каких-либо ограничений на номинальный ток каждого регулято­ ра и способ ИУ — НЧ, то ток искажений каждого регулятора имеет неопределенный спектр гармоник, некратных частоте сети.

Результирующее действие значений гармоник разных частот опре­ деляется корнем квадратным из суммы квадратов их действующих зна­ чений. Аналогично определяется наиболее вероятное значение резуль­ тирующего тока одинаковых частот в предположении, что включения и отключения различных регуляторов независимы друг от друга. Соот­ ветственно результирующий ток искажений определяется по формуле

Если токи полного включения регуляторов одинаковы, то при ра­ боте на постоянную нагрузку R K:

км = •

Если режимы работы всех регуляторов полностью совпадают, тан как Г = ylt то

Таким образом, при увеличении числа параллельно работающих регуляторов, даже в случае их независимой работы, коэффициент мощности увеличивается, поскольку включенные и выключенные со­ стояния группы регуляторов усредняются, обеспечивая более равно­ мерную загрузку сети, причем этот эффект достигается при достаточно большом числе параллельно работающих регуляторов (рис. 4.18, с, где цифрами указано число регуляторов).

178

В то же время при параллельной несинхронной (независимой) ра­ боте очень большого числа регуляторов с определенной вероятностью могут возникать процессы одновременных включений и отключений всех регуляторов, что приводит к большим импульсным низко­ частотным ударным нагрузкам на сеть и может стать серьезным пре­ пятствием для применения регуляторов с ИУ — НЧ, если они явля­ ются основной нагрузкой сети. Так, при ШИУ — НЧ с одинаковым для всех регуляторов Гр и у вероятность одновременного включения Гвкл и отключения Роткл всех регуляторов равна [3]:

среднем каждые 100 с будут происходить одновременные включения и отключения всех регуляторов и возникать значительные колебания напряжения.

Существенно повысить результирующий коэффициент мощности группы импульсных регуляторов с ИУ — НЧ и исключить ударную нагрузку на сеть можно введением определенности (синхронизации) в ранее независимый (вероятностный) процесс параллельной их ра­ боты. При этом изменение глубины регулирования каждого регулято­ ра остается независимым от остальных.

Результирующий коэффициент мощности группы регуляторов с синхронизированным управлением показан на рис. 4.18, б. Из этого рисунка видно, что с увеличением числа регуляторов в группе даже при малой глубине регулирования можно получить коэффициент мощ­ ности, близкий к единице, что невозможно при несинхронном управ­ лении.

Задача синхронизации группы регуляторов решается формирова­ телями сигнала управления, которые в случае синхронной работы взаи­ мосвязаны и имеют общие для группы регуляторов узлы.

Наиболее просто реализация таких ФСУ осуществляется для им­ пульсных регуляторов ШИУ — НЧ, которые имеют одинаковые на­ грузки и работают с одинаковыми и постоянными периодами регули­ рования Тр, но с произвольными значениями сигнала управления.

179

В таких ФСУ моменты окончания последнего кванта энергии для /-го ЭР согласовываются с моментами начала первого кванта (/ + 1)-го ЭР и так далее в порядке очередности, который либо задается в начале работы, либо формируется в- процессе управления. Временные диа­ граммы, иллюстрирующие синхронную работу четырех ЭР с взаимной зависимостью моментов начала и окончания периодов регулирования Гр, изображены на рис. 4.19, а. Из рисунка следует, что при измене­ нии сигнала управления хотя бы одного регулятора суммарная карти­ на подключаемых квантов энергии сдвигается по интервалу Г р в одну или другую сторону, однако потребление энергии от сети остается непрерывным с периодом повторения Гр. Если суммарная длитель­ ность всех интервалов коммутации превышает Гр, то оставшаяся часть квантов, подключаемых каким-либо регулятором, размещается в на­ чале периода повторения. Следовательно, при рассмотренном порядке синхронизации ЭР с ШИУ — НЧ уровень суммарной мощности иска­ жений не превышает искажений, вносимых одним регулятором.

Устройство М-канального синхронного управления, реализующее описанный способ синхронизации, показано на рис. 4.19, б. Оно со­ стоит из М (по числу регуляторов в группе) каналов, каждый из кото­ рых включает в себя управляемый генератор пачки импульсов, за­ пускаемый с выхода предыдущего канала. Первый канал запускается импульсами периода регулирования Тр. Рассмотрим работу схемы. Пусть в исходном состоянии во всех вычитающих счетчиках СТ нули, на выходах схем ИЛИ также нули и все схемы И заперты.

С приходом первого импульса Тр в счетчик СТ1 записывается чис­ ло ХУ1, на выходе схемы ИЛИ1 появляется единица, отпирающая схему И1. Тактовые импульсы Ts, синхронные с моментом перехода

180