РЕГУЛЯТОР ЯРКОСТИ ОГНЕЙ КАБЕЛЬНОГО КОЛЬЦА АЭРОДРОМНОЙ СВЕТОСИГНАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ Российский патент 2003 года по МПК G05F1/20 

Изобретение относится к области электротехники, а более конкретно к автоматическим системам стабилизации и регулирования переменных напряжения и тока, и предназначено для использования в электрических цепях питания огней (ламп накаливания) аэродромных светосигнальных систем, включенных по схеме последовательного питания.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к изобретению является регулятор яркости огней кабельного кольца аэродромной светосигнальной системы, который применяется в настоящее время в светосигнальных системах на аэродромах Российской Федерации (Регуляторы яркости типа СТАРТ, Руководство по эксплуатации, 2 ЛА 386. 005 РЭ, 1976 г., с. 12-17).

Известный регулятор яркости содержит силовой трансформатор, блок встречно-параллельно включенных ключей (тиристоров), блок управления, содержащий блок сравнения измеренного значения тока с эталонным и фазоимпульсный преобразователь, выходы которого соединены с управляющими электродами ключей, и датчик тока, один из входов которого включен в цепь вторичной обмотки силового трансформатора, другой вход - к кабельному кольцу, а выход - к блоку управления. Блок встречно-параллельно включенных ключей подключен к источнику сетевого питания и к одному из отводов первичной обмотки силового трансформатора.

Управление тиристорами осуществляется импульсами, поступающими с фазоимпульсного преобразователя. Через датчик тока сигнал обратной связи поступает в блок управления, где в блоке сравнения вырабатывается результирующий сигнал, который подается на фазоимпульсный преобразователь. В положительный полупериод напряжения питания до появления открывающего сигнала в цепи управления к одному из тиристоров приложено в прямом направлении полное напряжение сети. К другому тиристору приложено это же напряжение, но в обратном направлении. Напряжение на тиристорах изменяется по синусоидальному закону. При появлении управляющего сигнала в момент времени t1 один из тиристоров переключается в проводящее состояние, и через него в течение времени t1-t2 проходит ток, величина которого определяется напряжением питания и нагрузкой. Когда мгновенное значение входного напряжения приблизится к нулю и ток через тиристор станет меньше удерживающего, тиристор переключится в непроводящее состояние (момент времени t2). В следующий полупериод напряжения питания процесс повторяется, но работает уже другой тиристор.

Недостатком известного регулятора яркости является ограниченный диапазон регулирования тока (начиная только с порогового значения), что приводит к нестабильности регулируемых параметров малой величины. Кроме этого, недостатком известного регулятора яркости является перегрузка и, как следствие, преждевременное старение изоляции силового трансформатора регулятора и изолирующих трансформаторов огней кабельного кольца из-за больших искажений тока, приобретающего практически треугольную форму в связи с наличием в каждом полупериоде бестоковой паузы от начала полупериода до момента отпирания тиристора и содержащего высокую амплитуду старших гармоник, для снижения которой в регулятор приходится вводить сетевой фильтр. Кроме этого, недостатком известного регулятора является невозможность контроля технического состояния его узлов и кабельного кольца без дополнительного усложнения схемы.

Задачей настоящего изобретения является создание регулятора яркости, работающего в широком диапазоне изменения параметров кабельного кольца, в том числе при перегорании любого количества ламп накаливания огней кабельного кольца или при закорачивании любой части кабельного кольца с низким уровнем мощности гармоник тока и с сохранением необходимой точности регулирования тока, а также обеспечивающего технический контроль узлов регулятора и кабельного кольца без дополнительного усложнения схемы.

Техническим результатом настоящего изобретения является улучшение формы тока до приближающейся к синусоидальной за счет исключения бестоковой паузы путем переключения ответвлений и верхнего отвода вторичной обмотки силового трансформатора в течение полупериода. Это объясняется сложением тока, протекающего на начальном участке полупериода от одного ответвления (отвода) вторичной обмотки, и тока, протекающего на завершающем участке полупериода от другого ответвления (отвода) вторичной обмотки. При этом появляется возможность регулирования эффективного (действующего) значения тока через кабельное кольцо как за счет выбора момента времени переключения ответвлений (отвода) вторичной обмотки, так и зa счет оперативного подключения тех или иных ответвлений вторичной обмотки к кабельному кольцу, что позволяет значительно расширить диапазон регулирования тока и уменьшить зависимость регулятора яркости от параметров кабельного кольца при сохранении точности поддержания заданного значения тока в кольце и, как следствие, повысить устойчивость регулирования при непредвиденных изменениях питающей сети и нагрузки.

Указанный технический результат достигается тем, что регулятор яркости огней кабельного кольца аэродромной светосигнальной системы, содержащий силовой трансформатор, блок встречно-параллельно включенных ключей, блок управления, содержащий фазоимпульсный преобразователь, выходы которого соединены с управляющими электродами ключей, и блок сравнения измеренного значения тока с эталонным, и датчик тока, вход которого включен в цепь вторичной обмотки силового трансформатора, снабжен датчиком фазы сетевого напряжения и по крайней мере одним дополнительным блоком встречно-параллельно включенных ключей, при этом вторичная обмотка трансформатора выполнена по крайней мере с одним ответвлением, один из блоков ключей соединен с отводом конца вторичной обмотки, каждый из остальных блоков ключей подключен к соответствующему ответвлению, а все вместе соединены между собой, причем в блок управления введены квадратов, интегратор, блок памяти с эталонными значениями токов и блок определения номеров ключей и фаз их включения, при этом вход квадратура подключен к выходу датчика тока, выход квадратура соединен с одним из входов интегратора, другой вход интегратора подключен к выходу датчика фазы, а выход интегратора соединен с одним ив входов блока сравнения, причем другой вход блока сравнения соединен с блоком памяти, выход блока сравнения соединен с входом блока определения, выход блока определения соединен с одним из входов фазоимпульсного преобразователя, а другой вход фазоимпульсного преобразователя подключен к выходу датчика фазы.

Кроме этого, блок памяти с эталонными значениями токов, блок сравнения измеренного значения тока с эталонным и блок определения номеров ключей и фаз их включения выполнены в виде цифрового процессора.

Кроме этого, вторичная обмотка силового трансформатора выполнена с числом витков, при котором ток, созданный в кабельном кольце напряжением между отводами начала и конца вторичной обмотки, составляет величину большую, чем величина тока, соответствующая максимальной ступени яркости огней кабельного кольца.

Кроме этого, точка нижнего ответвления вторичной обмотки силового трансформатора выбрана так, что ток, созданный в кабельном кольце напряжением между упомянутым ответвлением и отводом начала вторичной обмотки, составляет величину меньшую, чем величина тока, соответствующая минимальной ступени яркости огней кабельного кольца.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена функциональная схема регулятора яркости, на фиг.2 показана функциональная схема регулятора яркости с цифровым процессором, а на фиг.3 - формы кривых напряжений и токов в различных точках схемы регулятора яркости.

Регулятор яркости огней кабельного кольца содержит силовой трансформатор 1, три блока 2, 3, 4 встречно-параллельно включенных тиристоров 5, 6, 7, 8, 9, 10, блок 11 управления, датчик 12 тока и датчик 13 фазы сетевого напряжения, который может быть выполнен, например, в виде понижающего трансформатора или оптрона. Первичная обмотка 14 силового трансформатора 1 имеет отводы 15, 16, а его вторичная обмотка 17 выполнена с отводами 18, 19 и с двумя ответвлениями 20, 21. Точка ответвления 20 вторичной обмотки 17 силового трансформатора 1 выбрана так, что ток, созданный в кабельном кольце 22 напряжением между ответвлением 20 и отводом 18 вторичной обмотки 17, составляет величину меньшую, чем величина тока, соответствующая минимальной ступени яркости огней кабельного кольца 22. Вторичная обмотка 17 выполнена с числом витков, при котором ток, созданный в кабельном кольце 22 напряжением между отводами 18 и 19, составляет величину большую, чем величина тока, соответствующая максимальной ступени яркости кабельного кольца 22. Блок 11 управления содержит квадратор 23, интегратор 24, блок 25 памяти с эталонными значениями токов, блок 26 сравнения измеренного значения тока с эталонным, блок 27 определения номеров тиристоров и фаз (моментов) их включения и фазоимпульсный преобразователь 28. Вход датчика 13 фазы сетевого напряжения подключен к источнику сетевого питания, а его выход соединен с одним из входов фазоимпульсного преобразователем 28 и с одним из входов интегратора 24.

Управляющие электроды тиристоров 5, 6, 7, 8, 9, 10 соединены с выходами фазоимпульсного преобразователя 28, причем число выходов преобразователя 28 соответствует числу тиристоров блоков 2, 3, 4. Блок 4 тиристоров 9, 10 соединен с отводом 19 вторичной обмотки 17. Блок 3 тиристоров 7, 8 соединен с ответвлением 21 вторичной обмотки 17. Блок 2 тиристоров 5, 6 соединен с ответвлением 20 вторичной обмотки 17. Блоки 2, 3, 4 тиристоров 5, 6, 7, 8, 9, 10 соединены между собой и подключены к кабельному кольцу 22. Входы датчика 12 тока соединены с отводом 18 начала вторичной обмотки 17 силового трансформатора 1 и с кабельным кольцом 22, а выход датчика 12 тока подключен к входу квадратура 23. Выход квадратура 23 соединен с одним из входов интегратора 24, а выход интегратора соединен о одним из входов блока 26 сравнения измеренного значения тока с эталонным. Другой вход блока 26 сравнения соединен о блоком 25 памяти с эталонными значениями токов. Выход блока 26 сравнения измеренного значения тока с эталонным соединен с входом блока 27 определения номеров тиристоров и фаз их включения. Выход блока 27 определения номеров тиристоров и фаз их включения соединен с одним из входов фазоимпульсного преобразователя 28. Общее количество блоков тиристоров составляет величину, равную (n-1), где n - суммарное количество отводов и ответвлений вторичной обмотки силового трансформатора. В регуляторе яркости в блоках 2, 3, 4 в качестве управляющих ключей наряду с тиристорами могут быть использованы транзисторы. Блок 25 памяти с эталонными значениями токов, блок 26 сравнения измеренного значения тока с эталонным и блок 27 определения номеров ключей и фаз их включения могут быть выполнены на дискретных элементах, а также в виде цифрового процессора 29. При использовании в схеме регулятора яркости цифрового процессора интегратор и датчик фазы выполняют так, чтобы их выходные сигналы представляли собой двоичный код, пригодный для ввода в цифровой процессор.

Регулятор яркости работает следующим образом.

При подаче сетевого напряжения на отводы 15, 16 первичной обмотки 14 силового трансформатора 1 датчик 13 фазы вырабатывает пониженное напряжение, совпадающее по фазе с напряжением, возникающим на вторичной обмотке 17 силового трансформатора 1, и передает его на один из входов фазоимпульсного преобразователя 28. В момент начала первого полупериода питающего напряжения фазоимпульсный преобразователь 28 вырабатывает команду на отпирание тиристора, направление проводимости которого совпадает с направлением тока, создаваемого напряжением, и подключенного к ответвлению 20 вторичной обмотки 17, имеющему наименьшее напряжение относительно нижнего отвода 18 вторичной обмотки 17. Если полупериод напряжения положительный, вырабатывается команда на отпирание тиристора 5, а если отрицательный - на отпирание тиристора 6, при этом тиристор 5 или 6 отпирается на всю продолжительность первого полупериода питающего напряжения и автоматически запирается в конце полупериода, когда ток через тиристор становится меньше величины тока удержания.

При отпирании тиристора 5 через кабельное кольцо 22 начинает протекать ток, величина которого определяется сопротивлением кабельного кольца 22 и напряжением между ответвлением 20 и нижним отводом 18 вторичной обмотки 17. При этом датчик 12 тока вырабатывает аналоговый сигнал, пропорциональный мгновенным значениям тока, протекающего через кабельное кольцо 22. Этот сигнал подается на вход квадратура 23, который преобразует полученный сигнал в свой выходной сигнал, мгновенные значения которого пропорциональны квадратам мгновенных значений выходного сигнала датчика 12 тока. Выходной сигнал квадратура 23 подается на один их входов интегратора 24, который формирует на своем выходе сигнал, пропорциональный интегралу от выходного сигнала квадратура 23 за время от начала до конца текущего полупериода, т.е. пропорциональный квадрату эффективного значения тока, протекающего через кабельное кольцо 22.

Моменты начала и конца интегрирования определяются по выходному сигналу датчика 13 фазы, который поступает на один из входов интегратора 24. Сигнал с выхода интегратора 24 поступает на один из входов блока 26 сравнения, а на другой вход блока 26 поступает сигнал из блока 25 памяти эталонных значений тока. Поскольку величина эффективного значения тока и квадрат этой величины связаны монотонной зависимостью, то операция извлечения корня из величины выходного сигнала интегратора 24 не производится, и для регулирования используется непосредственно выходной сигнал интегратора 24, пропорциональный квадрату эффективного значения тока. При этом в блоке 25 эталонных значений тока должны храниться величины, соответствующие квадратам соответствующих эталонных значений. Блок 26 сравнения производит сравнение измеренного и эталонного эффективных значений тока и по результатам сравнения формирует выходной сигнал, пропорциональный по величине разности этих значений и соответствующий этой разности по знаку.

Выходной сигнал блока 26 сравнения поступает на вход блока 27 определения номеров тиристоров и фаз (моментов) их включения. Блок 27 определения номеров тиристоров вырабатывает выходной сигнал, в котором закодированы, например, с помощью двоичного кода номера тиристоров, подлежащих включению в следующем полупериоде сетевого напряжения, и момент времени (фаза) их переключения. Выходной сигнал блока 27 определения номеров тиристоров поступает на один из входов фазоимпульсного преобразователя 28, на другой вход которого поступает сигнал от датчика 13 фазы сетевого напряжения. Фазоимпульсный преобразователь 28 вырабатывает в течение полупериода два импульсных сигнала управления тиристорами, предназначенных для последовательного отпирания в течение следующего (отрицательного) полупериода одной из пар тиристоров (8, 10), (6, 10) или (6, 8), имеющих проводимость, соответствующую направлению протекания тока в этом полупериоде.

Выбор пары тиристоров для отпирания осуществляется следующим образом. В начале полупериода должен быть открыт тиристор, обеспечивающий величину тока через кабельное кольцо 22 меньшую, чем требуется для заданной ступени яркости огней кабельного кольца 22, но ближайшую к ней, например тиристор 8. Далее, в середине полупериода должен быть открыт тиристор, обеспечивающий величину тока через кабельное кольцо 22 большую, чем требуется для заданной ступени яркости огней кабельного кольца 22, но также ближайшую к ней, например тиристор 10. Отпирание в середине полупериода тиристора 10 вызывает автоматическое запирание тиристора 8, открытого первым, поскольку потенциал катода тиристора 10 всегда выше, чем потенциал катода тиристора 8. Момент отпирания тиристора 10 в середине отрицательного полупериода выбирается таким, чтобы величина эффективного значения тока через кабельное кольцо 22 за полупериод питающего напряжения соответствовала заданной ступени яркости кабельного кольца 22. В конце отрицательного полупериода при падении тока, протекающего через тиристор 10, ниже порога удержания тиристор 10 автоматически запирается.

В последующих полупериодах питающего напряжения процесс регулирования повторяется аналогично описанному. При этом в течение положительных полупериодов последовательно отпираются пары тиристоров (7, 9), (5, 9) или (5, 7), а в течение отрицательных полупериодов - пары тиристоров (8, 10), (6, 10) или (6, 8). Выбор конкретной пары тиристоров и момента их переключения производится на основании величины эффективного значения тока, вычисленной интегратором 24 за предыдущий полупериод. При этом, если эффективное значение тока оказалось выше заданного, момент отпирания тиристора, обеспечивающего большее значение тока через кабельное кольцо 22, выбирается более поздним. Если эффективное значение тока меньше заданного, момент отпирания тиристора, обеспечивающего большее значение тока через кабельное кольцо 22, выбирается более ранним. Информация о моментах начала полупериодов, необходимая для вычисления эффективного значения тока и формирования команд управления тиристорами, вводится в интегратор 24 и фазоимпульсный преобразователь 28 датчиком 13 фазы сетевого напряжения.

В случае использования в качестве управляющих ключей транзисторов принцип действия регулятора яркости и порядок работы его функциональных узлов остается неизменным. При таком исполнении регулятора, поскольку транзистор в отличие от тиристора является полностью управляемым, т.е. запирается при прекращении тока через управляющий электрод, выходные импульсные сигналы фазоимпульсного преобразователя 28, подаваемые на управляющие электроды транзисторов, по своей продолжительности должны соответствовать необходимой продолжительности отпертого состояния транзистора.

При работе регулятора яркости, представленного на фиг.2, сигнал с выхода интегратора 24 в виде двоичного кода поступает на вход цифрового процессора 29. Цифровой процессор 29 программно выполняет сравнение двоичного кода, полученного с выхода интегратора 24, с эталонными значениями, хранящимися в памяти цифрового процессора 29, и вырабатывает двоичный код, значение которого пропорционально разности сравниваемых значений и соответствует этой разности по знаку. На основании этого кода цифровой процессор 29 программно вырабатывает двоичный код, обозначающий номера тиристоров, подлежащих включению в последующем полупериоде, и момент времени (фазу) их переключения, и выдает этот код на вход фазоимпульсного преобразователя 28. В остальном работа регулятора яркости аналогична описанной выше.

Примерные зависимости от времени токов и напряжений в pазличных точках схемы регулятора яркости приведены на фиг.3.

Использование регулятора яркости в аэродромных светосигнальных системах позволит:
- обеспечить возможность автоматической настройки регулятора под параметры кабельного конкретного кольца;
- повысить точность стабилизации тока на всех ступенях яркости (среднеквадратичное значение ошибки регулирования составляет не более 0,5%);
- обеспечить плавное нарастание тока при включении огней кабельного кольца и при переключении ступеней яркости;
- предотвратить непредвиденные отключения регулятора яркости;
- уменьшить уровень гармоник в сети;
- уменьшить потери в тиристорах или транзисторах, используемых в качестве ключей.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в автоматических системах стабилизации и регулирования переменных напряжения и тока. Регулятор яркости огней кабельного кольца аэродромной светосигнальной системы содержит силовой трансформатор, вторичная обмотка которого выполнена, по крайней мере, с одним ответвлением, по крайней мере, два блока встречно-параллельно включенных ключей, блок управления, состоящий из фазоимпульсного преобразователя, выходы которого соединены с управляющими электродами ключей, блока сравнения измеренного значения тока с эталонным, квадратора, интегратора, блока памяти с эталонными значениями токов и блока определения номеров ключей и фаз их включения, датчик тока, вход которого включен в цепь вторичной обмотки силового трансформатора, и датчик фазы сетевого напряжения. Один из блоков ключей соединен с отводом конца вторичной обмотки, каждый из остальных блоков ключей подключен к соответствующему ответвлению, а все вместе соединены между собой. Вход квадратора подключен к выходу датчика тока, выход квадратора соединен с одним из входов интегратора, другой вход интегратора подключен к выходу датчика фазы, а выход интегратора соединен с одним из входов блока сравнения. Другой вход блока сравнения соединен с блоком памяти, выход блока сравнения соединен с входом блока определения, выход которого соединен с одним из входов фазоимпульсного преобразователя, а другой вход фазоимпульсного преобразователя подключен к выходу датчика фазы. Технический результат: улучшение формы тока до приближающейся к синусоидальной за счет исключения бестоковой паузы путем переключения ответвлений и верхнего отвода вторичной обмотки силового трансформатора в течение полупериода. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Регулятор яркости огней кабельного кольца аэродромной светосигнальной системы, содержащий силовой трансформатор, блоки встречно-параллельно включенных ключей, блок управления, содержащий датчик тока, вход которого включен в цепь вторичной обмотки силового трансформатора и соединен с отводом начала вторичной обмотки силового трансформатора и кабельным кольцом, и фазоимпульсный преобразователь, выходы которого соединены с управляющими электродами упомянутых ключей, отличающийся тем, что регулятор снабжен датчиком фазы сетевого напряжения, подключенным входом к источнику сетевого напряжения, а выходом - к блоку управления, при этом вторичная обмотка силового трансформатора выполнена по крайней мере с одним ответвлением, один из упомянутых блоков встречно-параллельно включенных ключей соединен с отводом конца вторичной обмотки силового трансформатора, каждый из остальных блоков встречно-параллельно включенных ключей соединен с соответствующим ответвлением вторичной обмотки силового трансформатора, а все вместе блоки встречно-параллельно включенных ключей соединены между собой и подключены к кабельному кольцу, причем в блок управления введены квадратор, интегратор, блок памяти с эталонными значениями токов, блок сравнения и блок определения номеров ключей и фаз их включения, вход квадратора соединен с выходом упомянутого датчика тока, выход квадратора соединен с одним из входов интегратора, а другой вход интегратора соединен с выходом упомянутого датчика фазы сетевого напряжения, выход интегратора соединен с одним из входов блока сравнения, а другой вход блока сравнения соединен с блоком памяти с эталонными значениями токов, выход блока сравнения соединен со входом блока определения номеров ключей и фаз их включения, выход блока определения номеров ключей и фаз их включения соединен с одним из входов фазоимпульсного преобразователя, а другой вход фазоимпульсного преобразователя соединен с выходом упомянутого датчика фазы сетевого напряжения.2. Регулятор по п.1, отличающийся тем, что блок памяти с эталонными значениями токов, блок сравнения и блок определения номеров ключей и фаз их включения выполнены в виде цифрового процессора.3. Регулятор по п.1 или 2, отличающийся тем, что вторичная обмотка силового трансформатора выполнена с числом витков, при котором ток, созданный в кабельном кольце напряжением между отводами начала и конца вторичной обмотки, составляет величину, большую, чем величина тока, соответствующая максимальной ступени яркости огней кабельного кольца.4. Регулятор по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что число витков от начала вторичной обмотки до нижнего ответвления от нее выбрано так, что ток, созданный в кабельном кольце напряжением между упомянутым ответвлением и отводом начала вторичной обмотки, составляет величину, меньшую, чем величина тока, соответствующая минимальной ступени яркости огней кабельного кольца.