RU2043649C1 - Регулятор напряжения для осветительных приборов - Google Patents

Abstract

Использование: изобретение относится к электротехнике, предназначено для использования в системах электропитания осветительных приборов и позволяет повысить точность регулирования напряжения на нагрузке. Регулирование напряжения на нагрузке осуществляется с помощью фазового управления встречно-параллельными тиристорами. Сущность изобретения: формирование импульсов управления для каждого тиристора осуществляется в рабочем для соответствующего тиристора полупериода напряжения в зависимости от интеграла от квадрата разности напряжения сети и заданного опорного значения напряжения, измереннго в течение нерабочего полупериода напряжения таким образом, что обеспечивается поддержание заданного действующего значения напряжения на нагрузке. При включении устройства регулятор обеспечивает плавное увеличение напряжения на нагрузке. 3 ил.

Description

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для использования в системах электропитания переменным током осветительных приборов, в частности, ламп накаливания.

Известны регуляторы напряжения для осветительных приборов, содержащие два встречно-параллельно включенных тиристора, соединенных последовательно с нагрузкой питающей электрической сети, два импульсных усилителя, выходы которых подключены к управляющим электродам первого и второго тиристоров, первичный преобразователь напряжения, вход которого подключен к выходным выводам устройства, а выход подключен к вычитающему входу элемента сравнения, суммирующий вход которого подключен к задающему устройству, а выход через блок фазового управления соединен с входами первого и второго импульсных усилителей [1] В известных регуляторах напряжения при изменении напряжения питающей электрической сети или тока нагрузки осуществляется регулирование выходного напряжения путем изменения угла включения тиристоров в зависимости от разности заданного значения напряжения и измеренного. Недостатками известных регуляторов напряжения для осветительных приборов являются низкая точность, обусловленная влиянием изменений частоты питающей сети и малой чувствительностью регулятора, а также низкое быстродействие, т.к. время регулирования составляет несколько периодов сети.

Из известных устройств наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является регулятор напряжения для осветительных приборов, содержащий два встречно-параллельно включенных тиристора, соединенных последовательно с нагрузкой и питающей электрической сети, два импульсных усилителя, выводы которых подключены к управляющим электродам первого и второго тиристоров, первичный преобразователь напряжения, подключенный входом к выводам для подключения сети, интегратор, компаратор, апериодический фильтр, переключатель и источник опорного напряжения [2] Недостатком этого устройства является низкая точность регулирования, для повышения которой в него введены пороговый элемент, квадратор, элемент НЕ, два элемента сравнения, сумматор, делитель напряжения, два управляемых ключа, второй компаратор и второй интегратор, первый и второй интеграторы выполнены со сбросом, их информационные входы подключены к выходам соответственно сумматора и второго элемента сравнения, а выходы соединены с первыми входами соответственно первого и второго компараторов, вторые входы которых объединены и подключены к шине нулевого потенциала, а выходы подключены к первым входам соответственно первого и второго элементов И, выходы которых подключены к входам соответственно первого и второго импульсных усилителей, второй вход первого элемента И объединен с управляющими входами второго управляемого ключа и второго интегратора и соединен с выходом порогового элемента, второй вход второго элемента И объединен с управляющими входами первого управляемого ключа и первого интегратора и подключен через элемент НЕ к выходу порогового элемента, вход которого объединен с входом квадратора и подключен к выходу первичного преобразователя напряжения, информационные входы первого и второго управляемых ключей объединены и подключены к выходу первого элемента сравнения, а выходы подключены соответственно к первому входу сумматора и суммирующему входу второго элемента сравнения, вычитающий вход которого объединен с вторым входом сумматора и через делитель напряжения подключен к выходу квадратора, вычитающий вход первого элемента сравнения подключен к выходу квадратора, а суммирующий вход соединен с выходом апериодического фильтра, вход которого через переключатель соединен с выходом источника опорного напряжения.

На фиг.1 приведена функциональная схема регулятора напряжения для осветительных приборов; на фиг.2 временные диаграммы, поясняющие принцип работы устройства в установившемся режиме; на фиг.3 диаграммы процессов при включении устройства. На временных диаграммах выходные сигналы элементов устройства обозначены символом U с индексом, соответствующим номеру элемента на функциональной схеме.

Регулятор напряжения для осветительных приборов содержит выводы 1 для подключения питающей электрической сети, первичный преобразователь напряжения 2, пороговый элемент 3, квадратор 4, элемент НЕ 5, два элемента сравнения 6 и 13, делитель напряжения 7, апериодический фильтр 8, два управляемых ключа 9 и 10, переключатель 11, сумматор 12, два интегратора со сбросом 14 и 15, источник опорного напряжения 16, два компаратора 17, 18, первый элемент, два И 19 элемента И 21 и 22, два тиристора 24 и 25 и нагрузку 23. При этом первичный преобразователь напряжения 2 подключен к выводам 1 для подключения к питающей электрической сети, выход первичного преобразователя напряжения 2 подключен ко входам квадратора 4 и элемента 3, выход которого подключен к управляющим входам ключа 10 и действует сигнал, равный опорному напряжению U₈ U₀. Этот сигнал поступает на суммирующий вход первого элемента сравнения 6. Напряжение электрической сети.

U U_мsin ω t, где U_м и ω амплитуда и частота, поступает через первичный преобразователь напряжения 2 на объединенные входы квадратора 4 и порогового элемента 3. На выходе порогового элемента 3 формируется последовательность прямоугольных импульсов
U₃=

где U_e напряжение, соответствующее уровню логической единицы.

Сигнал на выходе квадратора
U₄ K₂ ²K₄U² K₂ ²K₄U_м ²sin² ωt, где К₂ коэффициент передачи первичного преобразователя напряжения 2;
К₄ коэффициент передачи квадратора.

Напряжение с выхода квадратора 4 поступает на вход делителя напряжения 7, на выходе которого формируется сигнал
U₇ 0,5U₄ 0,5K₂ ²K₄U_м ²sin² ωt.

На выходе элемента НЕ 5 формируется последовательность импульсов
U₅=

Сигналы U₃ с выхода порогового элемента 3 и U₅ с выхода элемента НЕ 5 управляют ключами соответственно 10 и 9 и интеграторами соответственно 15 и 14. При U₅ U_e первый управляемый ключ 9 находится в замкнутом состоянии, а при U₅ 0 в разомкнутом. При U₃ Ue второй управляемый ключ 10 разомкнут, а при U₃ 0 разомкнут. Установка первого 14 и второго 15 интеграторов в состояния U₁₄ 0; U₁₅ 0 осуществляется передними фронтами импульсов U₅ и U₃ соответственно.

Сигнал с выхода первого элемента сравнения 6, равный разности
U₆ U₀-K₂ ²K₄U_м ²sin² ω t, поступает на объединенные входы первого 9 и второго 10 управляемых ключей. Дальнейшие преобразования сигналов осуществляются по двум параллельным каналам. Первый канал образован последовательно соединенными управляемыми ключом 9, сумматором 12, первым интегратором 14, первым компаратором 17, первым элементом И 19, первым импульсным усилителем 21 и обеспечивает управление первым тиристором 24. Второй канал образован вторым управляемым ключом 10, элементом сравнения 13, вторым интегратором 15, вторым компаратором 18, вторым элементом И 20, вторым импульсным усилителем 22 и обеспечивает управление вторым тиристором 25. Работа каждого из каналов происходит в два такта одинаковой длительности, равных половине периода питающей сети. Рассмотрим работу первого канала. В момент времени t 0 первый интегратор 14 установлен в состояние U₁₄ 0. При 0 < t ≅T/2 сигнал U₅ Ue и первый управляемый ключ 9 замкнут. При этом выходное напряжение сумматора 12
U₁₂ U₉-U₇ U₀-K₂ ²U_м ² sin²ωt+0,5K₂ ²K₄U_м ²sin² ω t
U₀-0,5K₂ ²K₄U_м ²sin² ω t.

Напряжение U₁₂ поступает на вход первого интегратора 14, выходной сигнал которого изменяется по закону
U₁₄= K₁₄

(U_o-0,5K $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2}}{\text{2}}$ K₄U $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2}}{\text{м}}$ sin²ωt)dt где К₁₄ коэффициент передачи первого интегратора 14.

Таким образом выходное напряжение первого интегратора 14 пропорционально отклонению интеграла квадрата напряжения сети от заданного значения. В момент времени t T/2 выходной сигнал первого интегратора 14 равен
U₁₄(T/2) U_o

K $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2}}{\text{2}}$ K₄K₁₄

Первое слагаемое последнего выражения соответствует заданному значению квадрата действующего напряжения на выходе устройства, а второе слагаемое пропорционально квадрату действующего напряжения сети. Если эти значения равны, то при t T/2 выходное напряжение первого интегратора 14 U₁₄(T/2) 0, а при t T/2 это значение U₁₄(T/2) > 0, и, следовательно, при t T/2 происходит переключение первого порогового элемента 17 и формирование управляющего импульса для первого тиристора 24. Если U₁₄(T/2) > 0, что соответствует случаю, когда действующее напряжение сети меньше заданного, то включение первого тиристора 24 также происходит при t T/2, т.е. в начале полупериода.

Если действующее значение напряжения сети превышает заданное значение, то выходной сигнал первого интегратора U₁₄ достигает значения U₁₄ 0 при t t₂, а при t T/2 значение U₁₄(T/2) < 0. В интервале T/2 < t ≅ T выходной сигнал элемента НЕ 5 U₅ 0. Следовательно, первый управляемый ключ 9 разомкнут. Поэтому на выходе сумматора действует напряжение.

U₁₂ 0,5K₂ ²K₄U_м ²sin² ωt, которое поступает на вход первого интегратора 14. В результате этого выходное напряжение первого интегратора 14 увеличивается по закону
U₁₄ U_o

K $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2}}{\text{2}}$ K₄K₁₄

+ 0,5

K $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2}}{\text{2}}$ K₄K₁₄U $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2}}{\text{м}}$ sin²ωt dt
и в момент времени t t₃ достигает значения U₁₄ 0. Это приводит к переключению компаратора 17 и формированию импульса управления тиристором 24. Угол включения α первого тиристора определим из выражения (1), подставив в него U₁₄ 0. В результате получим
U_o-

K $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2}}{\text{2}}$ K₄K₁₄U $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2}}{\text{м}}$ +

K $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2}}{\text{2}}$ K₄K₁₄U $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2}}{\text{м}}$ α

K $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2}}{\text{2}}$ K₁₄U $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2}}{\text{м}}$ sin2α0
С учетом приближенного соотношения sinx ≈ x +

последнее выражение примет вид:
U_o-

K $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2}}{\text{2}}$ K₄K₁₄U $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2}}{\text{м}}$ +

K $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2}}{\text{2}}$ K₄K₁₄U $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2}}{\text{м}}$ 0 откуда
α ≈

(2)
Из полученного уравнения (2) следует, что угол включения тиристора зависит только от амплитуды входного напряжения U_м и настроечных параметров регулятора: K₂, K₄, K₁₄ и U₀ и не зависит от изменений частоты питающей электрической сети. Следовательно, по сравнению с известными устройствами аналогичного назначения предлагаемый регулятор имеет повышенную точность за счет снижения чувствительности к изменениям частоты питающей сети.

Кроме того, за счет того, что в первом полупериоде осуществляется интегрирование усиленной разности напряжения сети и опорного напряжения, то по сравнению с известным устройством, в котором интегрируется полное напряжение сети, увеличивается чувствительность регулятора.

Таким образом, в интервале (0 < t ≅T/2), т.е. в течение нерабочего для соответствующего тиристора полупериода питающего напряжения происходит измерение квадрата действующего напряжения сети и определение момента времени t₂, при котором интеграл от квадрата напряжения в интервале 0 < t ≅t₂ равен квадрату заданного действующего значения напряжения (заштрихованный участок фиг. 2). В интервале T/2 < t ≅T в зависимости от измеренного квадрата действующего значения напряжения формируется отпирающий импульс для соответствующего тиристора в момент времени t₃. В этом случае интеграл от квадрата напряжения за интервал t₃< t ≅T равен квадрату заданного действующего значения напряжения на нагрузке. При увеличении напряжения сети уменьшается значение t₂ и, следовательно, увеличивается угол включения тиристора (2). Так как включение тиристора осуществляется в течение рабочего полупериода сетевого напряжения по результатам измерения в предшествующем полупериоде, то, следовательно, максимальная задержка включения тиристора не превышает половины периода, т.е. 10 мс для общепромышленных сетей.

Формирование импульса управления для второго тиристора 25 происходит аналогично, но в интервале 0 < t ≅T/2.

На фиг.3 приведены диаграммы работы регулятора напряжения при включении, поясняющие ограничение переходного тока при активной нагрузке.

В выключенном состоянии устройства коммутирующий элемент переключателя 11 находится в положении "б", сигналы на выходах и входах апериодического фильтра 8 равны 0. Это соответствует установке регулятора, равной 0. Включение регулятора производится переключателем 11. После переключения коммутирующего элемента переключателя 11 в положение "а" к входу апериодического фильтра 8 подключается опорное напряжение U_o. В результате этого происходит увеличение выходного напряжения апериодического фильтра 8 по закону.

U₈ U_o(1-e^-t/To), где Т_о постоянная времени апериодического фильтра 8.

Напряжение U₈ с выхода апериодического фильтра 8 поступает на суммирующий вход первого элемента 6 и задает значение напряжения на нагрузке.

В результате в переходном режиме углы включения изменяются от απ в начале процесса до установившегося значения, соответствующего заданному действующему значению напряжения на нагрузке, например, α= 0 при равенстве действующего значения напряжения питающей сети заданному значению. Таким образом, при включении устройства происходит плавное увеличение напряжения на нагрузке, благодаря чему ограничиваются переходные токи, увеличивается надежность и срок службы электрооборудования. Постоянная времени Т_о апериодического фильтра выбирается в зависимости от параметров нагрузки. Для электрических ламп накаливания она составляет несколько периодов сети.

Таким образом, предлагаемый регулятор напряжения для осветительных приборов позволяет повысить точность регулирования напряжения.

Использование предлагаемого регулятора напряжения для осветительных приборов в электрических системах позволит увеличить надежность и срок службы ламп и улучшить качество электроэнергии.

Claims (1)

1. РЕГУЛЯТОР НАПРЯЖЕНИЯ ДЛЯ ОСВЕТИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ, содержащий два встречно-параллельно включенных тиристоров, включенных между выводами для подключения нагрузки и выводами для подключения сети, два импульсных усилителя, выводы которых подключены к управляющим электродам первого и второго тиристоров, первичный преобразователь напряжения, подключенный входом к выводам для подключения сети, интегратор, компаратор, апериодический фильтр, переключатель и источник опорного напряжения, отличающийся тем, что в него введены пороговый элемент, квадратор, элемент НЕ, два элемента сравнения, сумматор, делитель напряжения, два управляемых ключа, второй компаратор и второй интегратор, первый и второй интеграторы выполнены со сбросом, их информационные входы подключены к выходам соответственно сумматора и второго элемента сравнения, а выходы соединены с первыми входами соответственно первого и второго компараторов, вторые входы которых объединены и подключены к шине нулевого потенциала, а выходы подключены к первым входам соответственно первого и второго элементов И, выходы которых подключены к входам соответственно первого и второго импульсных усилителей, второй вход первого элемента И объединен с управляющими входами второго управляемого ключа и второго интегратора и соединен с выходом порогового элемента, второй вход второго элемента И объединен с управляющими входами первого управляемого ключа и первого интегратора и подключен через элемент НЕ к выходу порогового элемента, вход которого объединен с входом квадратора и подключен к выходу первичного преобразователя напряжения, информационные входы первого и второго управляемых ключей объединены и подключены к выходу первого элемента сравнения, а выходы подключены соответственно к первому входу сумматора и суммирующему входу второго элемента сравнения, вычитающий вход которого объединен с вторым входом сумматора и через делитель напряжения подключен к выходу квадратора, вычитающий вход первого элемента сравнения подключен к выходу квадратора, а суммирующий вход соединен с выходом апериодического фильтра, вход которого через переключатель соединен с выходом источника опорного напряжения.

Images