RU2042177C1

RU2042177C1 - Apparatus for controlling alternative current electric power

Info

Publication number: RU2042177C1
Application number: RU93028613A
Authority: RU
Inventors: В.П. Курочкин; И.А. Бабанов
Original assignee: Курочкин Владимир Петрович
Priority date: 1993-06-08
Filing date: 1993-06-08
Publication date: 1995-08-20

Abstract

FIELD: electrical engineering. SUBSTANCE: apparatus includes connected in series a load and a thyristor actuating member, joined through a switching-on unit to an output of a comparator. First input of the comparator is connected to a setter and to double-input analog signal multiplier. The apparatus also has a root mean square value converter. A triangle voltage generator includes an analog inverting integrator, an operational amplifier and an electronic single-pole two-direction switch-over. Due to using of these new members and connections the apparatus has enlarged functional possibilities. EFFECT: enlarged functional possibilities of the apparatus. 1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в различных электронагревательных устройствах с резистивными нагревательными элементами. The invention relates to electrical engineering and can be used in various electric heating devices with resistive heating elements.

Известно устройство для регулирования мощности, содержащее трансформатор, первичная обмотка которого подключена к выводам для подключения сети, а вторичная обмотка через выпрямительный мост к входу первого формирователя импульсов, выход которого через первый вход логического элемента И-НЕ соединен со счетным входом счетчика, одновибратор, схему запуска, выход которой соединен с входами управления тиристоров, включенных между выводами для подключения сети и выходными выводами, блок задания кода, второй формирователь импульсов и элемент задержки, причем R-вход счетчика соединен с прямым выходом одновибратора, инверсный выход которого соединен с входом схемы запуска, через второй формирователь импульсов с входом записи счетчика и через элемент задержки с вторым входом логического элемента И-НЕ, информационные входы счетчика соединены с выходом блока задания кода, а выход счетчика с входом одновибратора [1]
Недостатком известного устройства является зависимость мощности от изменения напряжения силовой сети, так как параметры регулирования длительности включенного и выключенного состояния тиристоров не зависят от величины сетевого напряжения.A device for regulating power is known, which contains a transformer, the primary winding of which is connected to the terminals for connecting the network, and the secondary winding through the rectifier bridge to the input of the first pulse shaper, the output of which through the first input of the AND gate is connected to the counter input of the counter, a single-shot circuit the launch, the output of which is connected to the thyristor control inputs connected between the terminals for connecting the network and the output terminals, a code setting unit, a second pulse shaper and an element t of delay, and the R-input of the counter is connected to the direct output of a single-shot, the inverse output of which is connected to the input of the trigger circuit, through the second pulse shaper with the input of the counter recording and through the delay element with the second input of the AND gate, the information inputs of the counter are connected to the output code setting unit, and the output of the counter with the input of a single vibrator [1]
A disadvantage of the known device is the dependence of power on changes in the voltage of the power network, since the parameters for controlling the duration of the on and off state of the thyristors do not depend on the magnitude of the mains voltage.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является выбранное в качестве прототипа устройство для регулирования электрической мощности переменного тока, содержащее последовательно соединенные нагрузку, выводы для подключения сети, выводы для подключения нагрузки и тиристорный исполнительный орган, подключенный входом управления через блок включения к выходу компаратора, первый вход которого подключен к задатчику, и двухвходовый умножитель аналогичных сигналов [2]
Недостатком известного устройства является ограничение функциональных возможностей, то есть необходимо согласовывать входные цепи измерительного преобразователя мгновенной мощности с нагрузкой при использовании устройства в различных нагревательных устройствах с существенно отличающимися сопротивлениями нагревательных элементов, необходимо подбирать измерительные шунты по току. Другим недостатком устройства является обязательное использование силового согласующего трансформатора для обеспечения гальванической развязки входных цепей измерительного преобразователя мгновенной мощности от силовой цепи, что неоправданно усложняет устройство в случае допустимости подключения нагрузки непосредственно к силовой цепи.The closest in technical essence to the claimed device is a device selected for prototype control of alternating current electric power, comprising a load connected in series, terminals for connecting a network, terminals for connecting a load, and a thyristor actuator connected by a control input through an enable unit to the output of the comparator, the first input of which is connected to the master, and a two-input multiplier of similar signals [2]
A disadvantage of the known device is the limitation of functionality, that is, it is necessary to coordinate the input circuit of the instantaneous power measuring transducer with the load when using the device in various heating devices with significantly different resistance of the heating elements, it is necessary to select current shunts. Another disadvantage of the device is the mandatory use of a power matching transformer to ensure galvanic isolation of the input circuits of the instantaneous power measuring transducer from the power circuit, which unreasonably complicates the device if it is permissible to connect the load directly to the power circuit.

Цель изобретения расширение функциональных возможностей и упрощение схемы устройства для регулирования электрической мощности переменного тока. The purpose of the invention is the expansion of functionality and simplification of the circuit of the device for regulating the electrical power of alternating current.

В устройство для регулирования электрической мощности переменного тока, содержащее последовательно соединенные нагрузку, выводы для подключения сети, выводы для подключения нагрузки и тиристорный исполнительный орган, подключенный входом управления через блок включения к выходу компаратора, первый вход которого подключен к задатчику, и двухвходовый умножитель аналогичных сигналов, введен преобразователь среднеквадратичного значения, вход которого подключен к выводам для подключения сети, а выход к объединенным входам двухвходового умножителя аналогичных сигналов, выход которого соединен с входом генератора треугольного напряжения, включающего в себя аналоговый инвертирующий интегратор, операционный усилитель и электронный однополюсный переключатель на два направления, размыкающий вывод которого является входом генератора треугольного напряжения, замыкающий вывод подключен к первому входу интегратора и к общей шине, управляющий вход подключен к второму входу интегратора и к выходу операционного усилителя, а общий вывод к инвертирующему входу операционного усилителя, неинвертирующий вход которого подсоединен к выходу интегратора и к выходу генератора треугольного напряжения, который соединен с вторым входом компаратора. To a device for regulating AC electric power, containing a series-connected load, terminals for connecting a network, terminals for connecting a load, and a thyristor actuator connected by a control input to the output of a comparator, the first input of which is connected to the master, and a two-input multiplier of similar signals , a rms converter is introduced, the input of which is connected to the terminals for connecting the network, and the output to the combined inputs of the two-input o a multiplier of similar signals, the output of which is connected to the input of a triangular voltage generator, which includes an analog inverting integrator, an operational amplifier and an electronic single-pole two-way switch, the disconnecting output of which is the input of a triangular voltage generator, the closing output is connected to the first input of the integrator and to the common the bus, the control input is connected to the second input of the integrator and to the output of the operational amplifier, and the common output to the inverting input of the operating an amplifier, the non-inverting input of which is connected to the output of the integrator and to the output of the triangular voltage generator, which is connected to the second input of the comparator.

На фиг. 1 и 2 представлены функциональные схемы устройства для регулирования электрической мощности переменного тока и входящего в него генератора треугольного импульса; на фиг. 3 представлены временные диаграммы работы широтно-импульсного модулятора с управляемой амплитудой, в состав которого входит генератор треугольного напряжения, своим выходом соединенный с вторым входом компаратора. In FIG. 1 and 2 are functional diagrams of a device for controlling electric power of an alternating current and a triangular pulse generator included in it; in FIG. Figure 3 shows the timing diagrams of the work of a pulse-width modulator with a controlled amplitude, which includes a triangular voltage generator connected to the second input of the comparator by its output.

Устройство для регулирования электрической мощности переменного тока (фиг. 1) содержит силовую цепь, состоящую из последовательно соединенных нагрузки 1 и тиристорного исполнительного органа 2, подключенного к выводам 3, 4 (фазному и нулевому) силовой сети, блок 5 включения тиристорного исполнительного органа 2, компаратор 6, задатчик 7, генератор 8 треугольного напряжения, двухвходовый умножитель 9 аналоговых сигналов и преобразователь 10 среднеквадратического значения. A device for regulating the electrical power of alternating current (Fig. 1) contains a power circuit consisting of a series-connected load 1 and a thyristor actuator 2 connected to the terminals 3, 4 (phase and zero) of the power network, block 5 for turning on the thyristor actuator 2, a comparator 6, a setter 7, a triangular voltage generator 8, a two-input multiplier 9 of analog signals and a rms converter 10.

Генератор 8 треугольного напряжения (фиг. 2) содержит аналоговый инвертирующий интегратор 11, операционный усилитель 12, электронный однополюсный переключатель 13 на два направления, выводы 14, 15 для подключения входного управляющего сигнала и для съема выходного сигнала. На диаграмме 16 (фиг. 3) показаны входной 18 и выходной 19 сигналы генератора 8 треугольного напряжения, а также сигнал 20 на выходе задатчика 7. На диаграмме 17 (фиг. 3) показан выходной сигнал компаратора 6, представляющий собой широтно-импульсный сигнал с периодом 21 и временем включения 22 для двух уровней входного сигнала 18 генератора 8 треугольного напряжения. The triangular voltage generator 8 (Fig. 2) contains an analog inverting integrator 11, an operational amplifier 12, an electronic single-pole switch 13 in two directions, terminals 14, 15 for connecting the input control signal and for taking the output signal. Diagram 16 (Fig. 3) shows the input 18 and output 19 signals of the triangular voltage generator 8, as well as the signal 20 at the output of the setter 7. Diagram 17 (Fig. 3) shows the output signal of the comparator 6, which is a pulse-width signal with a period of 21 and a turn-on time of 22 for two levels of the input signal 18 of the triangular voltage generator 8.

Устройство для регулирования электрической мощности переменного тока работает следующим образом. A device for regulating electrical power of alternating current operates as follows.

На нагрузку 1 через тиристорный исполнительный орган 2 подается переменное напряжение с выводов 3, 4 силовой сети в течение времени включения Т_вкл, являющегося частью периода Т работы (отрезки времени 22 и 21 соответственно на диаграмме 17). При этом средняя за период Т мощность Р_ср, выделяемая в виде теплоты на нагрузке 1, определяется выражением
P_ср= P_max

(1) где P_max мощность, рассеиваемая в нагрузке 1 при постоянном ее подключении к силовой сети. В свою очередь, максимальная мощность определяется выражением
P_max=

(2) где R_н активное сопротивление нагрузки 1;
U_c эффективное или среднеквадратическое значение напряжения силовой сети.The load 1 through the thyristor actuator 2 is supplied with alternating voltage from the terminals 3, 4 of the power network during the on time T _on , which is part of the period T of operation (

time intervals

22 and 21, respectively, in diagram 17). Moreover, the average power for the period T power P _cf , allocated in the form of heat at load 1, is determined by the expression
P _cf = P _max

(1) where P _{max is the} power dissipated in load 1 when it is constantly connected to the power network. In turn, the maximum power is determined by the expression
P _max =

(2) where R _n load resistance 1;
U _{c is the} effective or rms voltage of the power network.

Сигнал включения формируется на выходе компаратора 6 широтно-импульсного модулятора и поступает через блок 5 включения на управляющий вход тиристорного исполнительного органа 2. The enable signal is generated at the output of the pulse-width modulator comparator 6 and is fed through the enable unit 5 to the control input of the thyristor actuator 2.

Временные соотношения в широтно-импульсном сигнале на выходе компаратора 6 определяются из пропорции

где U_упр сигнал 18 на выходе генератора 8 треугольного напряжения;
U₃ сигнал 20 на выходе задатчика 7, то есть

(3)
Сигнал U_упр формируется с помощью преобразователя 10 среднеквадратического значения и двухвходового умножителя 9 аналоговых сигналов в соответствии с выражением
U_упр=

, (4) где U_о опорный сигнал, необходимый для работы двухвходового умножителя аналоговых сигналов.The time relationships in the pulse-width signal at the output of the comparator 6 are determined from the proportion

where U _control signal 18 at the output of the generator 8 of a triangular voltage;
U ₃ signal 20 at the output of the setter 7, that is

(3)
The signal U _CPR is generated using the converter 10 rms values and a two-input multiplier 9 of analog signals in accordance with the expression
U _control =

, (4) where U is _the reference signal necessary for the operation of a two-input multiplier of analog signals.

Преобразователь 10 среднеквадратического значения создает на своем выходе постоянное напряжение, прямо пропорциональное среднеквадратическому значению сетевого напряжения. The converter 10 rms creates a constant voltage at its output, which is directly proportional to the rms value of the mains voltage.

Подставив выражения (2) и (3) в (1), получим:
P_ср=

·

, а с учетом выражения (4)
P_ср=

·

· U_o
или
P_ср=

(5)
Из выражения (5) следует, что средняя мощность на выходе устройства не зависит от величины и формы сетевого напряжения.Substituting expressions (2) and (3) in (1), we obtain:
P _cf =

·

, and taking into account expression (4)
P _cf =

·

U _o
or
P _cf =

(5)
From the expression (5) it follows that the average power at the output of the device does not depend on the magnitude and shape of the mains voltage.

Генератор 8 треугольного напряжения работает следующим образом. The generator 8 of the triangular voltage operates as follows.

В первый момент после включения питания конденсатор аналогового инвертирующего интегратора 11 разряжен, то есть на выводе 15 значение напряжения, близкое к нулю. На выходе усилителя 12 также фиксируется низкий потенциал, что соответствует состоянию электронного однополюсного переключателя 13. При этом на инвертирующий вход операционного усилителя 12 подано положительное напряжение с вывода 14 генератора 8 треугольного напряжения U_упр. После установления напряжения питания на выходе операционного усилителя 12 на входе аналогового инвертирующего интегратора 11 будет максимальное отрицательное напряжение U_min. Вследствие этого напряжение на выводе 15 будет нарастать в соответствии с выражением
U_iC

· T_i, (6) где R и С параметры аналогового инвертирующего интегратора 11;
U_i мгновенное напряжение на конденсаторе С;
T_i текущее время.At the first moment after turning on the power, the capacitor of the analog inverting integrator 11 is discharged, that is, at the output 15, the voltage value is close to zero. The output of the amplifier 12 also detects a low potential, which corresponds to the state of the electronic single-pole switch 13. At the same time, a positive voltage is applied to the inverting input of the operational amplifier 12 from terminal 14 of the triangular voltage generator 8 _Ucont . After establishing the supply voltage at the output of the operational amplifier 12 at the input of the analog inverting integrator 11 will be the maximum negative voltage U _min. As a result, the voltage at terminal 15 will increase in accordance with the expression
U _i C

· T _i , (6) where R and C are the parameters of the analog inverting integrator 11;
U _i instantaneous voltage across capacitor C;
T _i current time.

В момент равенства выходного напряжения 19 входному напряжению 18, то есть при U_i U_упр, происходит скачкообразное изменение напряжения на выходе операционного усилителя 12 с отрицательного значения U_min на положительное U_max. Также при этом происходит изменение состояния электронного однополюсного переключателя 13. Вследствие этого на инвертирующий вход операционного усилителя 12 подается нулевое напряжение, а на вход аналогового инвертирующего интегратора 11 максимальное положительное напряжение U_max и напряжение на выводе 15 начинает спадать до нуля. Далее процесс повторяется.At the moment of equality of the output voltage 19 to the input voltage 18, that is, when U _i U _upr , there is an abrupt change in voltage at the output of the operational amplifier 12 from a negative value U _min to a positive U _max . Also, when this happens, the state of the electronic single-pole switch 13 changes. As a result, zero voltage is applied to the inverting input of the operational amplifier 12, and the maximum positive voltage U _max and the voltage at terminal 15 starts to drop to the input of the analog inverting integrator 11. The process is then repeated.

Время спада Т_сп из выражения (6) равно
T_сп=

RC (7)
Аналогично получается время нарастания Т_нр.The decay time T _SP from the expression (6) is equal to
T _cn =

RC (7)
Similarly, the rise time T _nr .

T_нр=

RC (8)
Период работы генератора 8 треугольного напряжения равен
Т Т_сп + Т_нр или
T U_упрRC

+

(9)
В данном генераторе 8 треугольного напряжения период 21 и амплитуда колебаний треугольного напряжения 19 прямо пропорциональны управляющему напряжению 18. Это обеспечивает совместно с преобразователем 10 среднеквадратического значения и двухвходовым умножителем 9 аналоговых сигналов нужное изменение скважности импульсов или периода колебаний 21.T _nr =

RC (8)
The period of operation of the generator 8 triangular voltage is
T T _cn + T _nr or
TU _control RC

+

(nine)
In this triangular voltage generator 8, the period 21 and the amplitude of the triangular voltage oscillations 19 are directly proportional to the control voltage 18. This provides, together with the rms value converter 10 and the two-input multiplier 9 of analog signals, the desired change in the duty cycle of the pulses or the oscillation period 21.

Например, при увеличении управляющего напряжения 18 период 21 также увеличивается при неизменном времени включения 22. Следовательно, средняя мощность остается неизменной в соответствии с выражением (5). For example, with an increase in control voltage 18, period 21 also increases with constant turn-on time 22. Therefore, the average power remains unchanged in accordance with expression (5).

Параметры U₃ и U₀ в выражении (5) являются постоянными для данного устройства. Регулируемая мощность Р_ср зависит только от сопротивления нагрузки R_н, которое может быть выбрано любым без изменения параметров самого устройства. Это обеспечивает возможность использования данного устройства с различными нагревательными элементами, допускающими непосредственное подключение к силовой сети. При этом тиристорный исполнительный орган 2 должен обеспечить безаварийную коммутацию выбранного нагревательного элемента.The parameters U ₃ and U ₀ in the expression (5) are constant for this device. Adjustable power P _cf depends only on the load resistance R _n, which can be selected by anyone without changing the parameters of the device itself. This makes it possible to use this device with various heating elements that allow direct connection to the power network. In this case, the thyristor actuator 2 must ensure trouble-free switching of the selected heating element.

Область применения устройства расширяется, и исключается необходимость использования измерительных шунтов и измерительных средств. The scope of the device is expanding, and the need for the use of measuring shunts and measuring tools is eliminated.

Предлагаемое устройство может быть использовано для ведения прецизионных термотехнологических процессов с использованием систем автоматического управления. The proposed device can be used for precision thermotechnological processes using automatic control systems.

Claims

DEVICE FOR REGULATING AC ELECTRIC POWER, containing a series-connected load, terminals for connecting a network, terminals for connecting a load, and a thyristor actuator connected by a control input to the output of the comparator, the first input of which is connected to the master, and a two-input analog signal multiplier, characterized in that a root-mean-square value converter is inserted into it, the input of which is connected to the terminals for connecting the network, and the output to the input inputs of a two-input analog signal multiplier, the output of which is connected to the input of a triangular voltage generator, which includes an analog inverting integrator, an operational amplifier and an electronic single-pole two-way switch, the disconnecting output of which is an input of a triangular voltage generator, the closing output is connected to the first input of the integrator and to the common bus, the control input is connected to the second input of the integrator and to the output of the operational amplifier, and the general output to the inverter the input input of the operational amplifier, the non-inverting input of which is connected to the outputs of the integrator and the triangular voltage generator, which is connected to the second input of the comparator.