УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ОСВЕЩЕНИЕМ Российский патент 1998 года по МПК H05B37/02 

Изобретение относится к устройствам управления в многофазных электрических сетях промышленной частоты. Наиболее целесообразно применение изобретения для управления уровнем освещенности в корпусах птичников.

Наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемого устройства является устройство управления освещением, известное из описания к авторскому свидетельству СССР N 690459, кл. Н 05 В 37/02, 1979. Известное устройство также содержит три канала управления фазами питания, каждый из которых имеет два тиристорных ключа, соединенных с фазой питания, два формирователя импульсов и силовой трансформатор напряжения соответствующей фазы, причем выход каждого формирователя импульсов соединен с входом управления соответствующего тиристорного ключа, анод каждого из которых соединен с катодом другого.

Недостатком этого устройства является то, что невозможно стабилизировать напряжение на нагрузке при скачках амплитуды напряжения питания и невозможен режим работы плавного включения и выключения напряжения на нагрузке.

Задача изобретения - повышение помехоустойчивости, расширение функциональных возможностей и эксплуатационной надежности.

Указанная задача решается за счет того, что в устройство для управления освещением, состоящее из трех каналов управления фазами питания, каждый из которых содержит два встречно параллельно включенных в соответствующую фазу тиристорных ключа, два формирователя импульсов и силовой трансформатор напряжения соответствующей фазы, выход каждого формирователя импульсов связан с входом управления соответствующего тиристорного ключа, введены три широтно-импульсных модулятора, задатчик длительности импульсов, выходами подключенный к управляющим входам упомянутых модуляторов, формирователь сигнала включения освещения, таймер и три формирователя сигнала прерывания при изменении частоты напряжения питания за заданные пределы, а каждый канал управления снабжен схемой синхронизации, демодулятором, триггером, компаратором, мультивибратором, интегратором, логическими схемами И и ИЛИ и инвертором и прерывающим ключом, при этом в каждом канале управления вторичная обмотка трансформатора напряжения соединена с входом схемы синхронизации, прямой выход которой подключен к входу сброса триггера и к входу интегратора, а первый и второй инверсные ее выходы соединены с запирающими входами первого и второго формирователей импульсов соответственно, выход демодулятора подключен к опорному входу компаратора, сигнальный вход которого соединен с выходом интегратора, а выход - с первым входом логической схемы И, выходом подключенной к первому входу логической схемы ИЛИ, выход которой соединен с входом инвертора, выходом подключенного к входу установки триггера, выход которого соединен с входом разрешения мультивибратора, выходами подключенного к входам усилителей мощности первого и второго формирователей импульсов, вход синхронизации каждого широтно-импульсного модулятора подключен к прямому выходу схемы синхронизации соответствующего канала управления, а выход - к входу демодулятора и второму входу логической схемы ИЛИ того же канала, вход формирователя сигнала включения освещения соединен с выходом таймера, а выход - с вторым входом логической схемы И каждого канала управления, каждый упомянутый формирователь сигнала прерывания входом подключен к прямому выходу схемы синхронизации соответствующего канала, а выходом - к входу прерывающего ключа того же канала, причем выход второго формирователя импульсов каждого канала связан с входом управления второго тиристорного ключа через упомянутый прерывающий ключ.

На фиг. 1 приведена структурная схема устройства для управления освещением; на фиг. 2 - эпюры напряжений в характерных точках схемы устройства для управления освещением.

Устройство содержит три канала (А, В, С), силовой трансформатор 1 напряжения соответствующей фазы, схему 2 синхронизации, демодулятор 3, интегратор 4, компаратор 5, логическую схему И 6, логическую схему ИЛИ 7, инвертор 8, триггер 9, мультивибратор 10, первый формирователь импульсов 11, второй формирователь импульсов 12, прерывающий ключ 13, широтно-импульсные модуляторы 14, 15, 16, таймер 17, задатчик 18 длительности импульсом, формирователь 19 сигнала включения освещения, формирователи 20, 21, 22, сигнала прерывания, первый тиристор VS1, второй тиристор VS2, выключатель S1 и нагрузку Rn. Вторичная обмотка трансформатора 1 соединена с входом схемы синхронизации 2. Прямой выход схемы синхронизации 2 подключен к входу сброса триггера 9 и к входу интегратора 4. Первый и второй инверсные выходы схемы синхронизации соединены с запирающими входами первого и второго формирователей импульсов 11, 12 соответственно. Выход демодулятора 3 подключен к опорному входу компаратора 5, а сигнальный вход компаратора 5 соединен с выходом интегратора 4. Выход компаратора 5 соединен с первым входом логической схемы И 6. Выход логической схемы И 6 подключен к первому входу логической схемы ИЛИ 7, выход которой соединен с входом инвертора 8. Выход инвертора 8 подключен к входу установки триггера 9, выход которого соединен с входом разрешения мультивибратора 10. Мультивибратор 10 выходами подключен к входам усилителей мощности первого и второго формирователей импульсов 11, 12. Вход синхронизации каждого широтно-импульсного модулятора 14, 15, 16 подключен к прямому выходу схемы синхронизации 2 соответствующего канала управления, а выход каждого широтно-импульсного модулятора 14, 15, 16 подключен к входу демодулятора 3 и второму входу логической схемы ИЛИ 7 того же канала. Каждый широтно-импульсный модулятор 14, 15, 16 соединен с задатчиком длительности импульсов 18, который подключен к таймеру 17. Вход формирователя сигнала включения освещения 19 соединен с выходом таймера 17, а выход - с вторым входом логической схемы И 6 каждого канала управления. Каждый формирователь сигнала прерывания 20, 21, 22 входом подключен к прямому выходу схемы синхронизации 2 соответствующего канала, а выходом - к входу прерывающего ключа 13 того же канала. Выход второго формирователя импульсов 12 каждого канала связан с входом управления второго тиристорного ключа VS2 через прерывающий ключ 13.

Устройство работает следующим образом.

Устройство содержит задатчик длительности импульсов 18, который через широтно-импульсные модуляторы 14, 15, 16 задает угол включения тиристоров каждого канала от 0 до 180^o (эпюра 27, фиг. 2).

Время включения, выключения освещения и текущее время определяются таймером 17. В моменты включения и выключения уровень освещенности плавно увеличивается и уменьшается за счет плавного изменения угла открытия тиристоров, определяемый алгоритмом работы задатчика длительности импульсов 18.

Число каналов управления равно числу используемых фаз питающей сети. Каналы идентичны и взаимозаменяемы.

В каждом канале управления отрицательные полупериоды напряжения с вторичной обмотки силового трансформатора 1 (эпюра 23), через первый и второй инверсные выходы схемы синхронизации 2, поступают на первый 11 (эпюра 24) и второй 12 (эпюра 25) формирователи импульсов, поочередно их закрывая.

В моменты приближения сетевого напряжения к нулю в схеме синхронизации 2 формируются узкие прямоугольные импульсы с частотой 100 Гц (эпюра 26), которые поступают на соответствующие входы широтно-импульсного модулятора 14, 15, 16 в начале каждого полупериода и одновременно сбрасывают триггер 9. В зависимости от заданного уровня освещенности задатчик длительности импульсов 18 совместно с широтно-импульсным модулятором 14, 15, 16 вырабатывает импульсы соответствующей длительностью, которые подаются на вход демодулятора 3 и на первый вход схемы ИЛИ 7.

Демодулятор 3 из импульсов, которые определяют угол открытия тиристоров, формирует образцовое напряжение пропорциональное длительности этих импульсов, которое поступает на опорный вход компаратора 5. Так как угол открытия тиристоров не зависит от изменения напряжения питающей сети, то уровень образцового напряжения будет определяться введенным в задатчик длительности импульсов 18 значением уровня освещенности.

Импульсы с частотой 100 Гц с прямого выхода схемы синхронизации 2 также поступают на вход интегратора 4, на выходе которого формируются импульсы пилообразной формы с частотой следования 100 Гц (эпюра 33). Импульсы пилообразной формы с интегратора 4 поступают на сигнальный вход компаратора 5, на опорный вход которого подается образцовое напряжение с выхода демодулятора 3. При уменьшении пилообразного напряжения до уровня образцового на выходе компаратора формируется уровень логической единицы, после достижении пилообразным напряжением наименьшего значения оно начинает снова возрастать и при повышении до уровня образцового на выходе компаратора формируется уровень логического нуля. Таким образом, на выходе компаратора формируются прямоугольные импульсы с частотой 100 Гц (эпюра 28), задние фронты которых жестко привязаны к передним фронтам импульсов с прямого выхода схемы синхронизации 2.

Импульсы с выхода компаратора 5 поступают на первый вход схема И 6, на второй вход которой поступает сигнал с формирователя сигнала включения освещения 19. Импульсы с компаратора 5 появятся на выходе схемы И 6 лишь тогда, когда на второй вход поступит уровень логической единицы с формирователя 19, который формируется под управлением таймера 17.

Импульсы с выхода схемы И 6 поступают на второй вход схемы ИЛИ 7 и в зависимости, от того какой импульс поступит первым на входы схемы ИЛИ 7, такой импульс будет и на выходе схемы ИЛИ 7.

Импульсы с выхода схемы ИЛИ 7 через инвертор 8 поступают на вход установки триггера 9, при этом на выходе триггера 9 устанавливается уровень логической единицы, который запускает мультивибратор 10. Мультивибратор 10 работает до появления сигнала логического нуля на выходе триггера 9. Импульсы частотой 6 кГц и длительностью 150 мкс с мультивибратора 10 (эпюра 30) поступают на вторые входы формирователей импульсов 11 и 12. Положительные импульсы усиливаются лишь тем усилителем мощности формирователей импульсов 11 и 12, где отсутствует закрывающее отрицательное напряжение со схемы синхронизации 2, поступающее на первые входы формирователей импульсов. Поэтому из встречно включенных тиристоров VS1 и VS2 включится тот, у которого в рассматриваемый полупериод напряжение на аноде по отношению к катоду положительно. В конце полупериода тиристор закроется, и в очередной полупериод сетевого напряжения откроется второй тиристор ключа.

Для стабилизации выходного напряжения на нагрузке Rn служит узел, состоящий из интегратора 4 и компаратора 5, который каждый полупериод сравнивает входное пилообразное напряжение с образцовым постоянным напряжением и при равенстве пилообразного и образцового сигналов вырабатывает управляющий импульс логической 1, длительность которого определяется амплитудой пилообразного напряжения. При уменьшении амплитуды пилообразного напряжения длительность управляющего импульса увеличивается и наоборот. Изменение амплитуды пилообразного напряжения зависит от изменения амплитуды напряжения фазы питания.

Итак, если на выходе схемы ИЛИ 7 импульс с широтно-импульсного модулятора, то угол включения тиристоров или напряжение на нагрузке Rn определяется значением уровня освещенности, введенным в задатчик длительности импульсов 18, если на выходе схемы 7 импульс с компаратора 5, то угол включения тиристоров меняется автоматически в зависимости от изменения напряжения питания, тем самым поддерживается стабильное напряжение на нагрузке.

Обычный режим работы устройства - режим стабилизации напряжения на нагрузке, амплитуда напряжения при этом определяется уровнем образцового напряжения на опорном входе компаратора 5.

Однако при увеличении напряжения питания настолько, что пилообразное напряжение выходит за порог срабатывания компаратора 5, углом включения тиристоров начинает управлять импульс с широтно-импульсного модулятора, который в режиме стабилизации поступает на вход схемы ИЛИ 7 после импульса с компаратора 5. Таким образом, при скачках питающего напряжения напряжение на нагрузке не уменьшается ниже определенного уровня, который определяется данным введенным в задатчик длительности импульсов 18.

Опыт эксплуатации устройства управления освещением показывает, что в условиях наличия сильных помех в питающей сети образуется паразитное резонансное колебание, которое срывается при разрыве управляющей цепи одного из тиристоров. Для этой цели служит прерывающий ключ 13, который включается и выключается под управлением формирователей сигнала прерывания 20, 21, 22.

Узел управления устройства для управления освещением, состоящий из таймера, задатчика длительности импульсов, широтно-импульсных модуляторов, формирователя сигнала включения освещения, формирователей сигнала прерывания также можно построить на основе однокристального микропроцессора, например, используя микропроцессор фирмы Inter AЕ89С51 cовместно с контроллером клавиатуры и дисплея КР580ВВ79.

Микропроцессор, работающий под управлением встроенной программы, задает угол включения тиристоров каждого канала от 0 до 180^o. В микропроцессор водятся через контроллер клавиатуры и дисплея необходимые данные: время включения и выключения освещения, текущее время и величина уровня освещенности. Внутренние часы микропроцессора, сформированные программным способом, синхронизируются внешним таймером, выход секундных импульсов которого соединен с входом прерывания микропроцессора. В моменты времени включения и выключения уровень освещенности плавно увеличивается и уменьшается за счет плавного изменения угла открытия тиристоров, определяемого программой микропроцессора.

Предлагаемое устройство управления освещением обладает повышенной помехоустойчивостью, расширенной функциональной способностью и эксплуатационной надежностью.

Сущность изобретения: устройство дополнительно содержит в каждом канале схему синхронизации, демодулятор, интегратор, компаратор, логическую схему И, логическую схему ИЛИ, инвертор, триггер, мультивибратор, прерывающий ключ, широтно-импульсные модуляторы, таймер, задатчик длительности импульсов, формирователь сигнала включения освещения, формирователи сигнала прерывания. Данные блоки во взаимосвязи с силовым трансформатором, первым формирователем импульсов, вторым формирователем импульсов, первым тиристором, вторым тиристором позволяют управлять уровнем освещенности и стабилизировать выходное напряжение на нагрузке в условиях помех в сети питания. Техническим результатом является повышение помехоустойчивости и эксплуатационной надежности. 2 ил.

Устройство для управления освещением, состоящее из трех каналов управления фазами питания, каждый из которых содержит два встречно параллельно включенных в соответствующую фазу тиристорных ключа, два формирователя импульсов и силовой трансформатор напряжения соответствующей фазы, выход каждого формирователя импульсов связан с входом управления соответствующего тиристорного ключа, отличающееся тем, что в него введены три широтно-импульсных модулятора, задатчик длительности импульсов, выходами подключенный к управляющим входам упомянутых модуляторов, формирователь сигнала включения освещения, таймер и три формирователя сигнала прерывания при изменении частоты напряжения питания за заданные пределы, а каждый канал управления снабжен схемой синхронизации, демодулятором, триггером, компаратором, мультивибратором, интегратором, логическими схемами И и ИЛИ, инвертором и прерывающим ключом, при этом в каждом канале управления вторичная обмотка трансформатора напряжения соединена с входом схемы синхронизации, прямой выход которой подключен к входу сброса триггера и к входу интегратора, а первый и второй инверсные ее выходы соединены с запирающими входами первого и второго формирователей импульсов соответственно, выход демодулятора подключен к опорному входу компаратора, сигнальный вход которого соединен с выходом интегратора, а выход - с первым входом логической схемы И, выходом подключенной к первому входу логической схемы ИЛИ, выход которой соединен с входом инвертора, выходом подключенного к входу установки триггера, выход которого соединен с входом разрешения мультивибратора, выходами подключенного к входам усилителей мощности первого и второго формирователей импульсов, вход синхронизации каждого широтно-импульсного модулятора подключен к прямому выходу схемы синхронизации соответствующего канала управления, а выход - к входу демодулятора и второму входу логической схемы ИЛИ того же канала, вход формирователя сигнала включения освещения соединен с выходом таймера, а выход - с вторым входом логической схемы И каждого канала управления, каждый формирователь сигнала прерывания входом подключен к прямому выходу схемы синхронизации соответствующего канала, а выходом - к входу прерывающего ключа того же канала, причем выход второго формирователя импульсов каждого канала связан с входом управления второго тиристорного ключа через упомянутый прерывающий ключ.