Спосіб мікропроцесорного керування напівпровідниковим перетворювачем електроенергії та пристрій для його здійснення

1. Способ м икропроцессорного управления полупроводниковым преобразователем электро энергии, включающий преобразование исходного числа N, экви вален тного сигна л у упра вления , в соответствии с выраж ением F ( N ) = IW - N , где: F(N) - результа т преобразования исходного числа, полученный выполнением операции вычи тания; Nm ex - значение числа (постоянная величина), которое при записи в таймер обеспечивает форм и рование м аксим ального угла управления при но м инальном значении напряжения питающей сети , запись в таймер полученного числа F(N), отсчет этого числа, начиная с м ом ента синхронизации с напряж ением питающей сети, путем ум еньшения его на единицу с приходом каж дого из тактовых импульсов, частота следования которых пропор циональна м одулю напряж ения питающей сети, и форм ирование по окончании отсчета числа уп равляю щи х им пульсов тиристорам и, отли чающийся тем , что значение числа Ы т определяют ы путем аналого-цифрово го преобразования ам плитуды фактического напряжения питающей сети в ци фровой код 2. Устройство для м икропроцессорного управле ния полупроводниковым преобразователем электроэнергии, содерж ащее задатчик сигналов управления, подключенный к соответс твую щим •If входам таймера, выход которого через первый форм ирователь им пульсов подключен к первом у вход у распределителя им пульсов, выходы которого через выходные каскады подключены к соответствующим управляющим входам полупроводникового преобразователя , блок связи с сетью, первый вход которого подключен к выход у первого форм ирова теля импульсов, а второй вход через согласую щий трансформ атор соединен с выводами для подключения питающей се ти, к выход у соглас ую щего трансформ атора подключен такж е вход функционального преобразо вателя м одуля напряж ения в частоту, первый выход блока связи с сетью соединен с управляющим входом таймера, а второй вы ход - со вторым входом распределителя им пульсов, выход функционального преобразователя подключен к синхровход у таймера, отличаю щееся тем , что в него введен функциональный преобразоватепь амплитуды напряж ения в цифровой код, вход к оторого подключен к выходу согласую щего трансформ атора, первый выход подключен ко входу запроса на прерывание задатчика сигналов управления, а второй выход подключен ко вход у ввода/вывода параллельного кода задатчика сигналов управления . 3 Устройс тво по п. 2, о тли чаю щееся тем, что функциональный преобразователь амплитуды напряж ения в цифровой код выполнен в виде дифференциатора, выделителя м одуля, компаратора, второго и третьего форм ирователей им пульсов, логического элем ента и аналого-цифро вого преобразователя , причем входы дифференциатора и выделителя м одуля объединены и являются входом функционального преобразовате ля, выход дифференциатора через компаратор подключен к прям ом у вход у второго форм ирова теля импульсов и к инверсном у входу третьего форм ирователя им пульсов, выходы которых через логический элемент подключены ко входу за пуска аналого-цифрового преобразователя , аналоговый вход которого подключен к выходу выде лителя модуля, выход конца преобразований ана лого-цифрового преобразователя является первым выходом функционального преобразователя , вторым выходом которого является цифровой вы ход аналого-цифрового преобразователя . СМ О со см < э 29431 Изобретение относится к электротехнике и м ожет быть использовано для управления полуп роводниковым и преобразователям и электроэнергии Сущность пробпем ы состоит в том , что напряжение U c питающей электросети нестабильно . Его отклонение Ъ\)с от ном инального значения регламентировано [1] в пределах ±10% и вычисляется по форм уле и*фі = UdctHі Udmaxn . (7) где UdmaxH - максим альное значение выпрямленного напряжения (а = 0) при номинальном значении напряжения питающей сети UdmaxM - 100% , = 2 UniH /Л; и тн - ам плитудное значение ном инального напряжения питающей сети, а где и с ф - факти ческое значение действую щего напряжения; U CM - номинальное значение действующего напряж ения Указанные отк лонения напряж ения электросетей оказывают неблагоприятное влияние на характеристики полупроводниковых преобразователей Известен способ, реализуем ый цифровым устройством для управления вентильным преобразователем , заключающийся в загрузке в программ ируем ый таймер числа, соответствую щего временной задержке заданного угла управления , непосредственной синхронизации программ ируе м ого таймера с напряж ением питающей сети за счет форм ирования на его управляющем входе фронта импульса напряж ения , соответствую щего уровню логи ческой единицы в м ом ент перехода напряж ения питающей сети через нуль , и отс че те после этого загруж аем ого в таймер числа путем его ум еньшения на единицу с приходом к аждого импульса от генератора синхронизации [2]. При реализации известного способа цифровым ус тройством програм м ируем ый таймер (ПТ) выполняет функции фазосмещающего устройства (ФСУ) Зави симость угла управления а от числа N, загр уж аемого в ПТ, при этом будет им еть вид = N Т™ Пс где ІІтф - ам плитудное значение фактического напряжения питающей сети Регулировочная характеристика в этом случае будет иметь вид U V= U 4 ( C O S N ' I K + 1 ) /2 , (6) здесь (1) где Тти - период следования тактовых импульсов на выходе генератора синхронизации ; tic - угловая частота напряж ения питающей сети. Зависимость (1) называется фазовой характеристикой ФСУ. Она им еет линейный харак тер и приведена на фиг. 1 (кривая 1) в относительных единицах Ar = Ni \ (2) здесь Ai- = a ,(N)/n; (3) N r = N /N m« i (4) а м аксимальное значение числа N, в данном случае, будет определяться выраж ением tWi = Тс / 2 Т и , где Тс период напряжения питающей сети . При работе полупроводникового преобразователя (однофазный м остовой полууправляем ый выпрям итель ) на акти в но-индуктивную нагрузку, среднее значение выпрям ленного напряж ения будет описываться выражением итф [cos (N Т™ Не )+ 1] In , (5) U% = Uc* / UCH (8) Выражение (6) свидетельствует о нелинейности регулировочной характеристики и ее зависим ости от напряж ения питающей сети Таким образом , при изм енениях напряжения питающей сети буде т изм еняться и регулировочная харак теристика полупроводникового преобразователя . Сказанное выше подтверж дает расчет регулиро вочной характеристики, выполненный для трех значений 0*с, равных 0,9; 1,0,1,1, Графики полученных зависимостей приведены на фиг 1 (сем ейство кривых 2) Недостатком известного способа, реализованного цифровым устройством , является то. что он не обеспечивает линейности регулировочной характеристики полупроводникового преобразователя и ее инвариантности к изменениям напря ж ения питающей сети, что согласно [3] затрудняет использование данного способа в замкнутых систем ах авторегулирования . Наиболее близким техническим решением является выбранный в качестве прототипа способ прям ого м икропроцессорного управления ти ристорным преобразователем [4]. В соответствии с этим способом 8 ПТ осуществляют запись некоторого числа и, начиная с м ом ента перехода нап ряж ения питающей сети через нуль , производят отсчет этого числа путем ум еньшения его на еди ницу с приходом к аж дого из тактовых импульсов, частота следования которых пропорциональна м одулю напряж ения питающей сети, по окончании отсчета числа производят формирование уп равляющих импульсов тиристорами. Причем число до записи в ПТ преобразуют в соответствии с выраж ением: где Мтакнг - м аксим альное значение числа N, определяемое исходя из номинального значения напряж ения питающей сети 2 UmM /л дії; (Ю) AU - парам етр функционального преобразователя, обеспечивающего изм енение частоты тактовых импульсов пропорционально м одулю напряжения питающей сети . Известное устройство, выбранное в качестве прототипа, содерж ит микроЭВМ с ПТ, управляющий вход которого подключен к первом у вы ход у блока связи с сетью, а выход черег форм ирователь им пульсов - к первом у входу распределителя импульсов и к первом у входу блока связи 29431 с сетью, второй вход которого и вход функционального преобразователя предназначены для подключения к шинам напряжения питающей сети, второй выход блока связи с сетью подключен ко второму входу распределителя импульсов, выход функционального преобразователя подключен ко входу синхронизации ПТ, а выходы распределителя импульсов через выходные каскады подключены к управляющим электродам соответствующи х тиристоров [4] Фазовая характеристика ФСУ, реализованного на ПТ, при таком способе управления и с учетом возможных изменений напряжения питающей се ти будет иметь вид + N п: AU/Uтф), (11) a2(N) = arccos (ї - 2U или в относительных единицах •'*• AV» - arccosp -2(1 -N\,2/U'c ], - л здесь ; ' (12) (13) (14) Результаты расчета данной фазовой характеристики выполнены для трех значений U%, равных 0,9, 1,0, 1,1 и представлены на фиг 2 (семейство кривых 1). При работе полупроводникового преобразователя (однофазный мостовой полууправляемый выпрямитель) на активно-индуктивную нагрузку среднее значение выпрямленного напряжения будет определяться выражением: (15) Регулировочная характеристика в этом случае будет иметь вид где (16) Расчеты ре гулирово чной характеристики по выражению (16) для различных значений U*c приведены на фиг 2 (семейство кривы х 2) Недостатком известного способа, реализованного известным устройством, является то, что при их использовании удается добиться лишь линейности регулировочной характеристики полупроводникового преобразователя, но не исключить влияния на нее изменения напряжения питающей сети. Кроме того, величина отклонения напряжения на выходе полупроводникового преобразователя при изменении напряжения питающей сети находится в существенной зависимости от числа N. Сказанное выше можно подтвердить следую* щим образом. Пусть напряжение питающей сети увеличилось на 10%, т. е стало максимально возможным в соответствии с [1J, тогда напряжение на выходе преобразователя в соответствии с (15) можно представить в виде: ax) = (0.2 4Ї U m) /Л + N Ш. При номинальном напряжении питающей сети выходное напряжение преобразователя найдем по выражению Отклонение напряжения на выходе полупроводникового преобразователя в этом случае можно определить как График зависимости отклонения выходного напряжения полупроводникового преобразователя, рассчитанный по выражению (17). приведен на фиг 3 Из графика видно, что уже при N*H2 ~ =0,5 увеличение напряжения питающей сети на 10% вызывает отклонение выходного напряжения преобразователя на 20%, а при уменьшении N значение этого отклонения стремительно возрастает Таким образом, использование известного способа, реализованного известным устройством, для управления полупроводниковыми преобразователями, преобразующими электроэнергию электрических сетей общего назначения, становится практически невозможным. Задачей предлагаемого изобретения является улучшение регулировочной характеристики полупроводникового преобразователя путем обеспечения ее инвариантности по отношению к изменениям напряжения питающей сети Поставленная задача решается при помощи то го, что в способе микропроцессорного управления полупроводниковым преобразователем электроэнергии, включающем запись в таймер числа, предварительно преобразованного по выражению , ч F (N) *= f-W - N , где Nmax - максимальное значение числа, которое может быть записано в таймер, отсчет этого числа, начиная с момента синхронизации с напряжением питающей сети, п утем уменьшения его на единицу с приходом каждого из тактовых импульсов, частота следования которых пропорциональна модулю напряжения питающей сети, и формирование, по окончании отсчета числа, управляющих импульсов тиристорами, согласно изобретению, число Nm*x определяют равным числу, полученному в результа те преобразования амплитуды напряжения питающей сети в цифровой код. Поставленная задача решается также при помощи того, что в устройство для микропроцессорного управления полупроводниковым преобразователем электроэнергии, содержащее задатчик сигналов управления, подключенный к соответствующим входам таймера, выход которого через первый формирователь импульсов подключен к первому входу распределителя импульсов, вы ходы которого через выходные каскады подключены к соответствующим управляющим входам полупроводникового преобразователя, блок связи с сетью, первый вход которого подк 29431 лючен к выходу первого формирователя импульсов, а второй вход через согласующий трансформатор соединен с выводами для подключения питающей сети , к вы ходу согласующего трансформатора подключен также вход функционального преобразователя модуля напряжения в частоту, первый выход блока связи с сетью соединен с управляющим входом таймера, а второй выход - со вторым входом распределителя импульсов, выход функционального преобразователя подключен к синхровходу таймера, согласно изобретению, введен функциональный преобразовате ль амплитуды напряжения в цифр овой код, вход которого подключен к выходу согласующего трансформатора, первый выход подключен ко входу запроса на прерывание задатчика сигналов управления, а второй выход подключен ко входу ввода/вывода параллельного кода задатчика сигналов управления Кроме того,поставленная задача решается при помощи того , что функциональный преобразователь амплитуды напряжения в код выполнен в виде ди фференциатора, выделителя модуля , компаратора, второго и третьего формирователей импульсов, логического элемента и аналогоцифрового преобразователя, причем входы дифференциатора и выдели теля модуля объединены и являются входом функционального преобразователя, выход ди фференциатора через компаратор подключен к прямому входу второго формирователя импульсов и к инверсному входу , третьего формирователя импульсов, вы ходы которых через логический элемент подключены ко входам запуска аналого-цифрового преобразователя, аналоговый вход которого подключен к выходу выделителя модуля, вы ход конца преобразований аналого-цифрового преобразователя является первым выходом аналого-цифрового преобразователя, вторым вы ходом которого является цифровой вы ход аналого-цифрового преобразователя. Именно определение при помощи введенного функционального преобразователя числа, соответствующего амплитуде питающего напряжения, позволяет согласно способу производить предварительное преобразование числа N, исходя из фактического значения напряжения, а не из номинального, это и обеспечивает решение поставленной задачи, т. е. улучшает регулировочную характеристику полупроводникового преобразователя. Таким образом, можно сделать вывод, что заявляемые изобретения связаны между собой единым изобретательским замыслом Предложенные способ и устройство обеспечивают инвариантность выходного напряжения полупроводникового преобразователя к изменениям напряжения питающей сети во всем диапазоне изменения управляющего сигнала При изучении других известны х технических решений в данной области техники признаки, отличающие заявляемые решения от прототипов, не были выявлены На фиг 1-4 приведены характеристики аналога, прото типа и заявляемого устройства На фиг 5 приведена функциональная схема заявляемого устройства На фи г 6 , 7 , 8 приведены примеры реализации блока связи с сетью, функционального преобразователя и распределителя импульсов На фиг 9 и 10 приведены временные диаграммы работы устройства На фи г 11 приведена блок-схема алгоритма работы устройства Система для микропроцессорного управления полупроводниковым преобразователем электроэнергии (фиг 5) содержит задэтчик 1 сигналов управления, программируемый таймер 2, имеющий с задатчиком 1 общую шинн ую организацию за счет шины адреса АВ, подключаемой к АО, А1 и CS входам, шины управления СВ, подключаемой к ROw WR входам , и шины данны х DB, подключаемой к DO - D7 вхо дам, управляющий GATE-вход таймера 2 подключен к первому выходу блока 3 связи с сетью, выход OUT таймера 2 через первый формировате ль 4 импульсо в подключен к первым входам блока 3 связи с сетью и распределителя 5 импульсов, второй вхо д блока 3 связи с се тью, з также вхо ды функциональных преобразователей б - модуля напряжения в частоту и 7 - амплитуды напряжения в код через согласующий трансформатор 8 соединены с вы водами для по дключения питающей се ти, второй вы ход блока 3 связи с сетью подключен ко второму входу распределителя 5 импульсов, синхровход CLK таймера 2 подключен к вы ходу функционального преобразователя 6, первый и второй вы ходы распределителя 5 импульсов через выходные каскады 9 и 10 подключены к соответствующим управляющим электродам полупроводникового преобразователя 11, первый выход преобразователя 7 подключен ко входу запроса на прерывание задатчика 1, второй вы ход преобразователя 7 подключен ко входу ввода/вывода параллельного кода задатчика 1, функциональный преобразователь 7 амплитуды напряжения в код выполнен в виде ди фференциатора 12 и выделителя 13 модуля, входы которых я вляются входами преоб разова теля 7, выхо д ди фференциа тора 12 через компаратор 14 подключен к прямому входу формирователя 15 и к инверсному входу формирователя 16, вы ходы формирова телей 15 и 16 через ло гический элемент ИЛИ17 подключены ко входу запуска аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 18, аналоговый вход которого подключен к выходу выделителя 13 модуля, вы ход конец преобразо ваний (го товность данн ы х) АЦП 18 я вляе тся пер вым вы хо дом прео бразователя 7, вторым вы ходом которого является цифровой выход АЦП 18. Блок 3 связи с сетью (фи г 6 ) выполнен в виде компаратора 19 , вход которо го я вляется вторым входом блока 3, а вы хо д компаратора 19 является вторым вы ходом блока 3, и, кроме того, подключен ко входу инвер тора 20. О - входу О-триггера 21 и к первому входу логи ческого элемента И22, второй вход ко торо го подключен к ин вер сном у выходу D-тригтера 21, прямой выход D-триггера 21 подключен к первому вхо ду логического элемента ИПИ23, выход которого подключен к С-входу О-триггера 21, вы ход инвертора 20 подключен к D-входу D-три ггера 24 и к первом у входу ло гического элемента И25, ко второму входу которого подключен инверсный выход D-триггера 24," прямой вы хо д D -триггера 24 по дключен к пер вом у 29431 входу логического элемента ИЛИ26, выход которого подключен к С-входу D-триггєра 24, вторые входы логических элементов ИЛИ23, ИЛИ26 объединены в общую то чк у и образ уют пер вый вход блока 3, выходы логических элементов И22 и И25 подключены ко входам элемента ИЛИ27, выход которого является первым выходом блока 3 связи с сетью. Функциональный преобразователь 6 модуля напряжения в частоту (фи г.7) выполнен в виде выделителя модуля 28, вход которого является входом преобразователя S, а выход подключен ко входу преобразователя 29 капряжение - частота, выход которого является выходом функционального преобразователя б. Распределитель 5 импульсов (фиг. 8) выполнен в виде двух логи чески х элементо в ИЗО и ЗАПРЕЇ31, первый вход логического элемента ИЗО и прямой вход логического элемента ЗАПРЄТ31 объединены в общую точк у и образуют первый вход распределителя 6, второй вход ло гического элемента ИЗО объединен в общую точк у с ин* версным входом логи ческо го элемен та ЗАПРЕТ31, и они образуют второй вход распределителя 5, выходы логических элементов ИЗО и ЗАПРЕТ31 являются соотве тственно первым и вторым выходами распределителя 5 импульсов. В качестве эадатчика 1 сигналов управления может быть использован управляющий микроконтроллер "Электроника К1-20". содержащий программируемый контроллер прерываний КР580ВН59, программируемый параллельный интерфейс КР580ВВ55 (см. Хво щ ОТ. , Волынский Н. Н. , Попов Є. А. Микропроцессоры и микроЭВМ в системах автоматического управления. -Л., 1987.С .535-536 ). Программируемый таймер 2 может быть реализован на микросхеме КР580ВИ53 (см. там же, с. 82-85). Компараторы 14 и 19 могут бы ть реализованы на микросхемах К554САЗ (см. Интегральные микросхемы: Справочник / Под ред Б. В. Тарабрина. - М., 1985с. 463-465). Логические элементы И, ИЛИ 1, НЕ, ЗАПРЕТ, D-триггеры и формирователи импульсов могут быть реализованы на микросхемах серии К155 (см. там же, с. 58-81). Вы де ли тели 13 и 28 м одуля мо гут бы ть реализованы на операционны х усили теля х (см. Фолкенберри Л. Применение операционных уси-1 лителей и линейных ИС. - М. , 1985. С. 241-243, рис. 9.6). Дифференциатор 12 может быть реализован на операционном усилителе (см. там же С.142-143. рис. 6.14). Аналого-цифровой преобразователь 18 может быть реализован, например, на микросхеме К1108ПВ1 (см. Аналоговые и цифровые интегральные микросхемы: справочное пособие / Под ред. С- В. Якубовского. - М.: Радио и связь, 1984. С. 361 - 363, рис.6.88). При использовании других АЦП в схему преобразователя 7 может быть введено устройство выборки-хранения, например микросхема КР1100СК2 (см. там же, с. 369-370, рис. 6.97), что позволит снизить динамические пофешности аналого-цифровых преобразований (см. Ти тце У. , Шенк К. Полупроводниковая схе мотехника: Справочное руководство. - М. : Мир, 1982.С.456-457). Преобразователь 29 напряжение - частота может быть выполнен на операционных усилителях (см. Применение прецизионных аналоговых микросхем / А. Г. Алексенко, Е. А. Коломбет, Г. И. Стародуб - М. , 1985. С. 134-137, рис. 3.1 , 3.2). Выходные каскады 9 и 10 могут быть реализованы по известным схемам (см. Преобразовательная техника / В. С. Руденко, В.И.Сенько, И.М.Чиженко. - Киев, 1983. С. 418 - 425, рис. 7.17, 7.18, 7-Э0). Способ микропроцессорного управления полупроводниковым преобразователем электроэнергии заключается в том. что реализацию расчетного времени запаздывания импульса управления тиристором относительно момента перехода напряжения питающей сети через нуль осуществляют при помощи программируемого таймера. Причем число N до записи в таймер предварительно преобразуют в соответствии с выражением - N , F(N) = (18) а максимальное значение числа N определяют равным числу, полученному в результате преобразования амплитуды напряжения питающей сети в цифровой код (19) ^іїихф fc ІЛпф. , где к - масштабный коэффициент, выбираемый из условия (20) к=2 С учетом (19) и (20) выражение (18) может быть переписано в виде ф (N) = /я ди - N. (21) Фазовая характеристика в этом случае будет определяться выражением (22) a* (N) = arccos (Nn ди/Цпф -1), или в относительных единицах А*ф = - arccos