Пристрій здійснення керування шляхом широтно-імпульсної модуляції

Реферат: Пристрій для керування за способом широтно-імпульсної модуляції включає трансформатор з первинною та вторинною обмотками, вторинна обмотка на додаток до кінцевих виводів має щонайменше ніж два відводи всередині, при цьому до кожного відводу приєднано керований комутаційний електричний елемент, також кожний керований комутаційний електричний елемент приєднано до кінцевого відводу вторинної обмотки, електричне навантаження приєднано одним виводом до кінцевого виводу вторинної обмотки трансформатора, а другим виводом до керованих комутаційних електричних елементів. Всі керовані комутаційні електричні елементи приєднані до одного контролера, який має первинний вхід для першого сигналу керування. UA 83609 U (33) Код держави-учасниці DE UA 83609 U UA 83609 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до пристрою для керування за допомогою широтно-імпульсної модуляції, переважно для застосування у теплоенергетиці, а саме з трансформаторами, що призначені для виробництва електричної напруги та мають первинну та вторинну обмотки. При цьому вторинна обмотка має кінцеві виводи та не менше ніж два відводи усередині. Керований комутаційний електричний елемент приєднано до кожного відводу. Один з полюсів електричного навантаження приєднано до керованого комутаційного електричного елемента, а другий полюс приєднано до кінцевого виводу вторинної обмотки. З технічної точки зору існує багато добре відомих пристроїв для керування за допомогою широтно-імпульсної модуляції, наприклад, вимикач плавного пуску (димер) для керування напругою, і відповідно яскравістю лампи розжарення. Більше того, так звані контролери широтно-імпульсної модуляції широко використовуються при керуванні експлуатаційними характеристиками, у тому числі і в теплотехніці. Ці пристрої виробляються під багатьма комерційними назвами, наприклад Thyrovar (AEG), Sirius (Siemens), Reotron (REO), Optron, Eurotherm, Thermocon, Tematec, Dietz, і т.д. Для рішення деяких спеціальних технічних завдань з керування електричними колами використовуються багатотиристорні пристрої, які також відомі під назвою регулятори напруги (voltage sequence control) та зазвичай складаються з від двох до шести модулів, які керуються окремими комутаторами та генерують імпульси для керування тиристорами. Напруга в таких контролерах має фазну модуляцію (phase gate), тому зміни частоти напруги не відбувається. Такі пристрої мають переваги, типові для фазної модуляції, і дозволяють знизити вплив ефектів реакції мережі. Комутатори цього типу поставляються на ринок з 1970 років. Додаткові елементи керування приєднані до пристрою широтно-імпульсної модуляції за допомогою шини або за допомогою багатократного з'єднання між собою. Це призводить до значного підвищення вартості виробництва виробу за рахунок застосування з'єднань окремих керуючих елементів, а також за рахунок витрат на перевірку роботи пристрою. Корисна модель запроваджує пристрій керування широтно-імпульсною модуляцією, який дозволяє зменшити вартість виробництва та перевірки працездатності. Відповідно до суті корисної моделі, запропоновано схемо-технічне рішення з широтноімпульсною модуляцією, у якому всі керовані елементи комутації з'єднані з загальним комутаційним пристроєм, на вхід якого подається сигнал керування. На відміну від інших складних пристроїв, електричні елементи комутації приєднані до загального кабелю керування за допомогою власного контролера. Такий контролер генерує сигнал керування для всіх електричних комутаційних елементів на основі заданого на вході значення. Для цього контролер отримує первинний сигнал керування, який відповідає заданому значенню струму, що проходить через електричне навантаження або відповідає електричній напрузі, яка має бути подана на електричне навантаження. Керовані комутаційні електричні елементи вибираються контролером. Керування здійснюється за допомогою сигналу керування, який генерується контролером. В процесі керування один, або максимум два керованих комутаційних електричних елементи активуються одночасно, або іншими словами одночасно керуються сигналом контролера. Під активацією розуміється протікання струму через відповідний керований комутаційний електричний елемент. Щодо неактивних керованих комутаційних електричних елементів, то контролер генерує відповідний керуючий сигнал, при якому струм через такі елементи не протікає. Реалізація забезпечена за допомогою плавкого запобіжника, який включено послідовно з керованим комутаційним електричним елементом. Між відводом вторинної обмотки трансформатора та відповідним керованим комутаційним електричним елементом включено плавкий запобіжник, який захищає трансформатор у випадку короткого замикання у керованому комутаційному електричному елементі. Реалізація забезпечена за допомогою амперметра, який встановлено послідовно керованим комутаційним електричним елементом та приєднано до відповідного другого входу контролера. Наприклад, амперметр підключено між лінійним запобіжником та керованим комутаційним електричним елементом. Таким чином амперметр вимірює струм, що протікає через керований комутаційний електричний елемент. Амперметр приєднано до контролера за допомогою ліній, які відповідають другому входу кожного амперметра. Реалізація забезпечена амперметром, що приєднано послідовно з електричним навантаженням. Вихідний сигнал амперметра подається до другого входу контролера. Також амперметр може бути приєднаний, наприклад, між керованим комутаційним електричним елементом та електричним навантаженням. В цьому випадку точність амперметра 1 UA 83609 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 менша ніж при використанні амперметра для кожного керованого комутаційного електричного елемента, проте у багатьох випадках достатня. Відповідно до суті корисної моделі можливе використання індивідуальних амперметрів, оскільки контролер має інформацію щодо активованих у цей час комутаційних елементів, і виміряне значення струму може бути точно співставлень з одним елементом. Реалізація корисної моделі також забезпечена завдяки вольтметру, який приєднано паралельно до електричного навантаження. Сигнал з вольтметра надходить до третього входу контролера. Напруга на електричному навантажені вимірюється за допомогою вольтметра, який підключено паралельно до навантаження. Сигнал з вольтметра надходить на третій вхід контролера. Проста реалізація забезпечена амперметром та/або вольтметром, які підключені до первинної та вторинної обмоток, та забезпечують гальванічну розв'язку. В такому випадку значення струму та/або напруги визначається контролером, який оснащено відповідними вимірювальними пристроями. Незалежно від кількості керованих комутаційних електричних елементів, необхідно лише два вимірювальні пристрої, оскільки одночасно може бути активовано лише два керованих комутаційних електричних елементи. З'єднання між вимірювальним пристроєм та другим входом забезпечується лінійним трансформатором, причому керування мультиплексором здійснюється перемикачем, який вибирає, який з керованих комутаційних електричних елементів контролюється у цей проміжок часу. У даному випадку реалізація забезпечена за допомогою оснащення керованих комутаційних електричних елементів двома підключеними не паралельно тиристорами. У іншій конструкції керовані комутаційні електричні елементи є симісторами. Керований комутаційний електричний елемент може бути створено з двох тиристорів, підключених зустрічно або симісторів, при цьому керуючі виводи приєднані до контролера, який генерує контролюючі імпульси для тиристорів чи симісторів. Відповідно до корисної моделі, викладена процедура дозволяє здійснювати керування за способом широтно-імпульсної модуляції завдяки керуванню електричними комутаційними елементами. При цьому струм, який протікає через керований комутаційний електричний елемент вимірюється, а виміряне значення передається до третього входу контролера та використовується для керування. Додатково, пристрій для керування електричними комутаційними елементами використовує значення на першому, другому та третьому входах і здійснює керування всіма електричними комутаційними елементами. При цьому одночасно активується не більше двох керованих комутаційних електричних елементів. Керування комутаційними електричними елементами здійснюється на основі значення на вході, яке відповідає струму, який має протікати через електричне навантаження, або напрузі, яка має бути подана на електричне навантаження. Струм, що протікає через керований комутаційний електричний елемент вимірюється, та передається до контролера як друге значення на вході. Як третє значення на вході використовується напруга. Керування контролером здійснюється за сигналом на першому вході, яке відповідає заданому значенню. При цьому контролер використовує виміряне значення струму та виміряне значення напруги для розрахунку характеристик керуючих імпульсів широтно-імпульсної модуляції. Запропоноване рішення роз'яснено на прикладах. Відповідні креслення: Фіг. 1 приклад відомого пристрою для керування за методом широтно-імпульсної модуляції; Фіг. 2 запропонований у корисній моделі пристрій для керування за способом широтноімпульсної модуляції; Фіг. 3 запропонований у корисній моделі пристрій для керування за способом широтноімпульсної модуляції. Аналіз електричного пристрою, зображеного на фіг. 1 показує недоліки існуючої технології, оскільки при цьому одночасно використовується один або два керованих комутаційних електричних елементи. Відповідно, не менше ніж два контролери перебувають у заблокованому стані (якщо, наприклад, пристрій складається з чотирьох контролерів). Зазвичай, контролери 2, які керують комутаційними електричними елементами 3, наприклад тиристорами або симісторами, в свою чергу контролюються загальним модулем керування 9, наприклад ПЛК (програмованим логічним контролером). Запропоноване у корисній моделі рішення, у відповідності до фіг. 2 використовує тільки модуль керування 9 (ПЛК) та контролер 2 для всіх комутаційних електричних елементів 3 2 UA 83609 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 системи широтно-імпульсної модуляції 1. Модуль керування 9 (SPS) тільки передає на контролер 2 задане значення контрольованого електричного параметра. З іншої сторони, при традиційній технології значення контрольованого параметра має бути сформовано для контролера 2, якій в свою чергу керує комутаційним електричним елементом 3. (фіг. 1). Використовуючи контролер 2, можна вибрати та керувати тільки відповідним комутаційним електричним елементом 3. Оскільки контролер 2 вибирає та контролює відповідний комутаційний електричний елемент 3 автоматично, жодної комунікації між керуючим модулем 9 та контролером 2 не потрібно. Система не вимагає наявності додаткових елементів керування чи датчиків, оскільки вся інформація необхідна для контролера 2, наприклад параметри керування комутаційним електричним елементом 3, значення сили струму та напруги відомі. Оскільки існує можливість одночасного керування обома силовими модулями, керування реалізовано з використанням трьох виводів. Таким чином загальна кількість з'єднань відповідає кількості виводів, необхідній для керування комутаційним елементом помноженому на кількість комутаційних елементів та з доданою кількістю з'єднань з для внутрішніх блокувань. На фіг. 1, зображено пристрій керування за способом широтно-імпульсної модуляції 1, до якого підключено шість окремих контролерів 2. Кожен контролер 2 приєднано до одного керованого комутаційного електричного елемента, який складається з двох зустрічно включених тиристорів 3. Тиристори керуються за допомогою сигналів від відповідного контролера 2. Додатково, кожен з контролерів 2 приєднано до відповідного пристрою для вимірювання струму 4 з використанням другого входу. Запобіжник 5 включено між тиристором та відповідним відводом 16 обмотки трансформатора 11. Ці елементи схеми складають модуль 6. Загалом пристрій складається з шістьох таких модулів 6, причому кожен з контролерів 2 має три додаткових входи для приєднання загального пристрою для виміру напруги (вольтметру) 7, а також для приєднання пристроїв вимірювання струму (амперметрів) 4, які визначають струм та напругу на електричному навантажені 8. Також, на фіг. 1 показано пристрій керування 9 у вигляді ПЛК, який призначено для керування шістьма контролерами 2 та пристрій для здійснення вимірів 10, який приєднано до пристрою керування 9. Трансформатор 11 виробляє напругу. Необхідну для живлення електричного навантаження 8, трансформатор має первинну обмотку 13 та вторинну обмотку 14, яка оснащена декількома відводами 16. На Фіг. 1 показані відводи 16 для напруги 50 В, 100 В, 150 В, 200 В, 250 В та 300 В, при цьому кожному відводу 16 відповідає один з модулів 6. Функціонування комутуючих пристроїв показано на фіг. 1. В цьому прикладі описано цикл регулювання, при якому модуль В та А змінюються на С та В. Припускається, що модуль 6 А, який помічено літерою А та який має кут керування 110°, та модуль 6 В який помічено літерою В, працюють у так званому повному режимі, при якому струм починає проходити при перетинанні напругою на відводі "250 В" нульової відмітки, та продовжує проходити протягом всього позитивного півперіоду. На частині D наведено графік протікання струму через електричне навантаження протягом першого позитивного півперіоду. Нульова точка контролюється налаштуваннями модуля 6 В. Частини D та Е також демонструють криву напруги при синусоїдальних коливаннях. На кресленні показані синусоїдальні коливання з амплітудою 300 В, що відповідає напрузі на відповідному відводі 16 та синусоїдальні коливання з амплітудою 250 В, що відповідає напрузі на іншому відводі 16. Струм, який протікає через відповідний модуль 6 показано на кресленні у вигляді чорного півперіоду. У точці 110°, відбувається переключення з модулю 6 В на модуль 6 А (дивись частину Е) і протікання струму позитивного півперіоду закінчується при переході графіком напруги нульової точки при 180°. Під час негативного півперіоді протікання струму аналогічне показаному вище, при цьому у негативному півперіоді при перетинанні напругою нульової точки керування здійснюється модулем 6 В. При досягненні кута 110° під час негативного півперіоду відбувається переключення на модуль 6 А, який продовжує роботу доки не буде досягнуто кінець негативного півперіоду. Значення кута, необхідне для здійснення керування передається на контролери 2 передається модулем керування 9 ПЛК через шину даних, наприклад pro-bus. Струм вимірюється в окремих модулях 6. Додатково, загальний струм визначається за допомогою підсумовуючого трансформатора струмів 12, який підключено до модулю визначення діючої величини струму (вимірювач) 10. 3 UA 83609 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 З модуля визначення діючої величини струму 10, значення надходить на пристрій керування 9. Це значення відповідає нормальному (фактичному) струму в електричному колі. Це виміряне значення порівнюється з визначеним заданим значенням, яке генерується керуючим обладнанням (не показано). Відбувається розрахунок кутів для контролера 2 та передача до нього відповідного сигналу керування. Додаткові електричні кола (не показані) блокують імпульси керування таким чином, щоб сигнал з контролера 2 до модуля 6 В був заблокований при досягненні кута 180°. Це запобігає вмиканню контролера 2 під час негативного півперіоду. Контролер 2 являє собою стандартний блок керування для робочих кутів 0°-180°. Коло постійного струму амперметра 4 і відповідного контролер 2 необхідно для швидкого завдання обмеження струму, оскільки пристрій керування 9 не може самостійно виконувати таку функція внаслідок обмеженої швидкості перетворення. Пристрій керування 9 перевіряє стан під'єднаного контролеру 2 та оцінює його стан та повідомлення про несправності. Якщо струм або напруга на електричному навантажені 8 мають бути зменшені, наприклад внаслідок зависокої температури, кут керування контролера 2 для відповідного модуля 6 А збільшується, наприклад з 110 до 160 градусів. Це збільшення можливе тільки до досягнення кута 180° для тиристора 3, оскільки при досягненні цього кута робочий цикл зникає і струм через тиристор більше не проходить. При куті керування 180°, комутаційний елемент 2 вимикається. Проте залишається у працездатному стані. Тепер струм проходить тільки через комутаційний елемент 3, керування яким здійснюється через комутаційний елемент 2 модуля 6В. В такому випадку досягається максимальний рівень і додаткові гармоніки не створюються. Якщо напруга на електричному навантажені 8 має бути зменшена, пристрій керування 9 блокує через контролер 2 модуль 6 А, а модуль 6 С включається у роботу. Струм починає текти через модуль 6 С під час позитивного півперіоду напруги. Під час цього позитивного півперіоду модуль 6 В працює відповідно до заданого кута керування. Для забезпечення керування трьома комунікаційними елементами 2 та запровадження циклу керування необхідна наявність незалежних каналів пристрою керування 9. Цей пристрій має забезпечити багатократне повторення керуючих дій у відповідності до циклу керування. Відповідна послідовність, описана у корисній моделі показана на фіг. 2. При розгляді цього пристрою приймаються такі самі попередні умови, а саме те, що модуль 6 А, який відмічено літерою А має кут керування 110°, а модуль 6 В, відмічений літерою В працює в так званому повному циклі, при котрому струм від відводу обмотки "250 В" починає проходити з початком позитивного півперіоду напруги, при перетині нульової відмітки. Це призводить до протікання струму з початком позитивного півперіоду, відразу після перетину нульової відмітки, контролюється модулем 6 В, як показано на частині D. В точці, яка відповідає куту 110° відбувається переключення з модуля 6 В на модуль 6 А, як показано на діаграмі (частина Е). Цьому процесу відповідає закінчення протікання струму позитивного півперіоду. При початку негативного півперіоду, яке відповідає куту 180°, відбувається перехід напруги через нульову відмітку. При цьому, аналогічно до описаного вище процесу відбувається протікання струму, який контролюється модулем 6 В. При досягненні кута керування 110° на негативному півперіоді відбувається переключення на модуль 6 А і струм переривається до моменту закінчення негативного півперіоду. У запропонованому пристрої, який є предметом корисної моделі, для всіх керованих комутаційних електричних елементів 3 використовується загальний контролер 2. У наведеному прикладі керований комутаційний електричний елемент 3 реалізовано у вигляді тиристорів. Пристрій керування 9 передає на контролер 2 тільки задане значення параметра, що регулюється. Контролер 2 оцінює значення, які вимірюються амперметром 4 та вольтметром 7, визначає кут керування для відповідного модуля 6 та генерує керуючи сигнали для тиристорів. Таким чином, контролер 2 приєднано до пристрою керування 9 через перший вхід 17, та другі входи від 18.1 до 18.6 через відповідні амперметри. Також до третього входу 19 приєднано вольтметр 7. У прикладі, наведеному на фіг. 2, амперметр 4 та вольтметр 7 показані як відповідні датчики, які заміряють параметри на електричному навантажені 8, при цьому струм та напруга вимірюються контролером 2 з використанням не показаних на схемі компонентів. Оскільки одночасно можуть працювати не більше ніж два модулі 6, то використовується тільки два результати вимірювання відповідних амперметрів 4. Тому, для вимірювання струму контролера 2 необхідно тільки два датчики. Другий вихід контролера 2, з 18.1 до 18.6 призначено для приєднання амперметрів 4, які приєднані до двох внутрішніх датчиків через відповідний мультиплексор (не показано). Ці датчики відносяться до модулю 6. 4 UA 83609 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Параметри на виході вимірюються амперметрами 4 модулів 6 А та В. У наведеній конструкції підсумовуючий трансформатор струмів 12, а також модуль акумулювання значень 10 можуть бути виключені. За допомогою вимірювального пристрою, який обладнано вбудованим датчиком відбувається вимірювання струму через активний (у цей момент часу) модуль 6. Під активним модулем розуміється модуль. Тиристори якого контролюються у цей момент часу. Вимірювальний пристрій має в своєму складі аналогово-цифровий перетворювач для перетворення аналогових значень у цифровий вигляд. Нелінійність характеристик комутаційних елементів (тиристорів, симісторів) порівнюється з використанням спеціального алгоритму. Модуль керування 9 передає для контролера 2 тільки задане значення, у той час як керування модулями 6 виконується логікою контролера 2 автоматично. Тому, на модуль керування можуть передаватися декілька повідомлень щодо стану чи несправностей що виникли. Також, слід прийняти до уваги час затримки у роботі модуля керування, який, наприклад, може складати 100 мс. У запропонованому пристрої відсутня необхідність у електричних колах блокування та у колах визначення частоту напруги у мережі (20 мс). На фіг. 3 показана інша можливість реалізації пристрою керування за допомогою широтноімпульсної модуляції. Він відрізняється від пристрою, наведеної на фіг. 2, тим, що у цьому пристрої струм не вимірюється за допомогою амперметрів 4 у кожному модулі 6, а вимірюється з використанням одного амперметра 4. Це реалізовано у електричному колі навантаження 8, тобто між керованим комутаційним електричним елементом 3 та навантаженням 8. Вимірювання струму у такий спосіб стає можливим завдяки тому, що контролер 2 керує комутаційними елементами 3 і тому має інформацію щодо того, який з комутаційних елементів активовано у цей час. Таким чином, виміряний у зазначений проміжок часу струм може бути віднесений до комутаційного елемента 3, який було активовано у той самий час. Перелік використаних термінів 1 Керування способом широтно-імпульсної модуляції 2 Контролер 3 Керовані комутаційні електричні елементи - (Тиристори/Симістори) 4 Амперметр 5 Запобіжник 6 Модуль 7 Вольтметр 8 Електричне навантаження 9 Модуль керування 10 Пристрій для здійснення вимірів (вимірювач) 11 Трансформатор 12 Підсумовуючий трансформатор струмів 13 Первинна обмотка 14 Вторинна обмотка 15 Кінцевий вивід вторинної обмотки 16 Відвід вторинної обмотки 17 Перший вхід 18 Другий вхід 19 Третій вхід ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 50 55 1. Пристрій для керування за способом широтно-імпульсної модуляції, що має у своєму складі трансформатор з первинною та вторинною обмотками, який призначено для генерування напруги, вторинна обмотка на додаток до кінцевих виводів має щонайменше ніж два відводи всередині, при цьому до кожного відводу приєднано керований комутаційний електричний елемент, також кожний керований комутаційний електричний елемент приєднано до кінцевого відводу вторинної обмотки, електричне навантаження приєднано одним виводом до кінцевого виводу вторинної обмотки трансформатора, а другим виводом до керованих комутаційних електричних елементів, який відрізняється тим, що всі керовані комутаційні електричні елементи (3) приєднані до одного контролера (2), який має первинний вхід для першого сигналу керування (17). 5 UA 83609 U 5 10 15 2. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що має запобіжник (5), який включено послідовно з кожним керованим комутаційним електричним елементом (3). 3. Пристрій за пп. 1 та 2, який відрізняється тим, що має амперметр (4), який включено послідовно з кожним керованими комутаційними електричними елементами (3), і відповідні елементи приєднані до входу амперметра (4), напруга подається до відповідного другого входу (18) контролера (2). 4. Пристрій за пп. 1 та 2, який відрізняється тим, що має амперметр (4), який підключено послідовно з електричним навантаженням (8), і відповідні елементи приєднані до входу амперметра (4), напруга подається до відповідного другого входу (18) контролера (2). 5. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що має вольтметр (7), який приєднано паралельно до електричного навантаження (8), і відповідні елементи приєднані до входу вольтметра (7), напруга подається до третього входу (19) контролера (2). 6. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що має керовані комутаційні електричні елементи (3), які складаються з двох включених зустрічно тиристорів. 7. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що має керовані комутаційні електричні елементи (3), які побудовані на базі елементів симісторів. 6 UA 83609 U 7 UA 83609 U 8 UA 83609 U 9 UA 83609 U Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 10