УСТРОЙСТВО ПЛАВНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ИНДУКТИВНОСТИ Российский патент 2006 года по МПК G05F1/20 

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники и электроэнергетики и может быть использовано в установках, где требуется применение индуктивности с плавным регулированием ее величины.

Известны многочисленные устройства для регулирования индуктивности дросселя (см., например, А.с. 1601735, Б.И. №2, 1991 г.; А.с. 748771; А.с. 752733 и др.).

Основным недостатком известных аналогов является то обстоятельство, что индуктивность в них изменяется за счет механического перемещения подвижных частей магнитопровода, что является серьезным препятствием их применения в системах автоматического управления. Более эффективным способом изменения индуктивности следует считать электрический - путем изменения сигнала управления в виде напряжения или тока. В связи с этим за прототип следует принять дроссельный магнитный усилитель (МУ), который в некоторых литературных источниках, в том числе и в учебной литературе по теоретическим основам электротехники, считается регулируемой индуктивностью (см. Розенблат М.А. Магнитные усилители. Изд. «Советское радио», 1960, стр.148-180).

Недостатками дроссельных магнитных усилителей являются их повышенные массогабаритные показатели и искажения формы тока за счет использования насыщения магнитного потока. Кроме того, дроссельные магнитные усилители обладают низким быстродействием, что также является препятствием их эффективного применения в системах автоматики.

Технический результат, получаемый от предлагаемого изобретения, состоит в преодолении указанных недостатков, то есть в уменьшении массогабаритных показателей, повышении быстродействия и улучшении формы тока.

Технический результат достигается тем, что устройство плавного регулирования индуктивности выполняется как параллельное соединение нерегулируемого дросселя и транзисторного ключа в виде последовательно и встречно соединенных транзисторов с шунтирующими диодами и системы управления ключом, состоящей из датчика тока, двух блоков определения его знака, генератора линейно изменяющегося напряжения, блока формирования импульсов и двух логических элементов совпадения.

Особенностью является то, что выход датчика тока соединяется со входами блоков определения его знака, выходы которых соединены с первыми входами элементов совпадения, вторые входы последних соединены с выходом блока формирования импульсов, а выходы элементов совпадения со входами транзисторов ключа.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что плавное изменение индуктивности осуществляется путем широтно-импульсного управления ключом переменного тока на основе транзисторов и диодов.

На чертежах представлено:

на фиг.1 - схема устройства плавного регулирования индуктивности;

на фиг.2 - расчетная схема для анализа работы устройства плавного регулирования индуктивности;

на фиг.3 - временные диаграммы напряжений и токов, поясняющие принцип и особенности регулирования индуктивности: на фиг.3,а приведены кривые тока в нагрузке при регулировании индуктивности 0<γ<1 и наличии или отсутствии фильтрующей индуктивности L_ф; на фиг.3,б - приведены кривые ЭДС источника питания е_C и токов нагрузки i_Н1 при γ=1 и i_Н2 при γ=0;

на фиг.4 - временные диаграммы, иллюстрирующие работу системы управления транзисторным ключом: на фиг.4,а показаны кривая напряжения питания е_c и сигнала U₂ с выхода датчика тока; на фиг.4,б показаны выходное напряжение генератора 8 линейно изменяющегося напряжения U₈ и сигнал управления U_у; на фиг.4,в показаны импульсы на выходе блока 7 формирования импульсов; на фиг.4,г и д показаны сигналы на выходе блоков 5 и 6 выделения знака сигнала тока нагрузки; на фиг.4,е и ж показаны импульсы управления U₉ и U₁₀ транзисторами ключа.

На фиг.1 обозначено:

1 - дроссель с постоянным значением индуктивности - нерегулируемый дроссель;

2 - датчик тока, протекающего через индуктивность и нагрузку;

3, 4 -транзисторы с шунтирующими диодами, включенные встречно-последовательно;

5, 6 - блоки определения знака тока, протекающего через индуктивность;

7 - блок формирования импульсов управления транзисторами, на первый вход которого подается напряжение генератора линейно изменяющегося напряжения, а на второй вход - напряжение управления U_у;

8 - генератор линейно изменяющегося напряжения с периодом T_п переключения транзисторов;

9, 10 - логические элементы совпадения сигналов, выполняющие функции распределителей импульсов управления на транзисторы 3, 4.

Пояснить работу предлагаемого устройства можно с помощью расчетной схемы фиг.2, где L_д - индуктивность, R_н - активное сопротивление нагрузки; L_ф - фильтрующая индуктивность, которая определяется индуктивностями цепей источника ЭДС е_c или специально вводится для сглаживания тока нагрузки; K1 - рабочий ключ по схеме фиг.1, замыкающийся в режиме ШИМ-регулирования; К2 - вспомогательный ключ, имитирующий включение или выключение фильтрующей индуктивности L_ф.

ЭДС источника питания определяется выражением

где ω=2πf_с - угловая частота изменения величины ЭДС источника питания;

θ=ωt - угловая оценка текущего времени.

Ключ К1 коммутируется с частотой f_n,, величина которой во много раз (на несколько порядков) превышает частоту питающего напряжения f_c.

Период переключения ключа К1 T_n=1/f_n разделяется на два интервала: t_в - время замкнутого состояния и t₀ - время разомкнутого состояния

Относительная продолжительность включения γ

является регулирующим воздействием на изменение величины индуктивности L(γ)

0≤L(γ)≤L_д.

При γ=1 ключ К1 замкнут на всем периоде T_n, ток в нагрузке определяется выражением

При γ=0 ключ К1 разомкнут весь период T_n, ток в нагрузке определяется выражением

где

Кривые ЭДС e_C(θ) и токов i_H1(θ) и i_H2(θ) приведены на фиг.3,б.

При промежуточных значениях 0<γ<1 происходят следующие процессы.

В момент замыкания К1 на интервалах t_вi ток определяется выражением (5). В момент размыкания К1 характер тока нагрузки определяется решением уравнения

которое имеет вид

где А_i - постоянная интегрирования, определяемая начальными условиями на каждом интервале t_0i;

- постоянная времени.

Если для упрощения анализа свободные составляющие не учитывать, то кривая тока нагрузки i_H(γ),будет представлять последовательность импульсов, максимальные и минимальные значения которых ограничиваются кривыми токов i_H1 и i_H2, а ширина их определяется значением γ (фиг.3,а).

Можно предположить, что при включении даже незначительной индуктивности L_ф (например, на порядок меньше значения L_Д) кривая тока нагрузки приобретает практически синусоидальный вид. Определить усредненное (отфильтрованное) значение тока нагрузки можно из условия равенства амперсекундных площадей S₁ и S₂ (см. фиг.3,а) на интервалах t_вi, замыкания и t_0i размыкания ключа К1, которое приобретает вид:

Компьютерное и натурное моделирование схемы фиг.2 подтверждает возможность регулирования индуктивности с помощью ШИМ-управления ключом К1. Причем при наличии L_ф<0,1L_д ток в нагрузке оказывается практически синусоидальным, а показателем регулирования индуктивности является плавное изменение фазы ϕ(γ) тока i_н от максимального значения ϕ_max до нуля.

Реализация устройства плавного регулирования индуктивности на основе ШИМ-регулирования ключа К1 в схеме фиг.2 предлагается по схеме фиг.1, где функции ключа К1 выполняют транзисторы 3 и 4 с фильтрующими диодами, а выход датчика тока 2 соединен со входами блоков определения знака тока 5, 6, выходы которых соединены с первыми входами логических элементов совпадения сигналов 9, 10, вторые входы последних соединены с входом блока формирования импульсов управления транзисторами 7, а выходы логических элементов совпадения сигналов 9, 10 - со входом транзисторов 3, 4 с шунтирующими диодами.

Работа устройства фиг.1 осуществляется следующим образом. В исходном состоянии, когда U_у=0, импульсов управления транзисторами нет, несмотря на то, что генератор линейно изменяющегося напряжения 8 вырабатывает опорное пилообразное напряжение, изменяющееся с частотой f_n=1/T_n. Дело в том, что импульсы управления формируются в начале каждого периода до точки пересечения напряжения управления с опорным U₈, вырабатываемым генератором линейно изменяющегося напряжения (см. фиг.4,б и в). Поэтому при U_у=0 импульсы управления транзисторами 3 и 4 не формируются и как следствие они оказываются закрытыми. В то же время устройство по схеме фиг.1 готово к работе: по дросселю 1 и датчику тока 2 протекает ток i_H, определяющийся источником питания и нагрузкой, выходной сигнал датчика тока U₂ (см. фиг.4,а) подается на блоки 5 и 6 определения знака тока, протекающего через индуктивность; в свою очередь выходные сигналы блоков 5 и 6 (см. фиг.4, г и д) поданы на логические элементы 9 и 10 совпадения, на выходе которых сигналов нет, так как нет импульсов управления U₇ на их вторых входах. При появлении сигнала управления U_y>0 появляются импульсы U₇ на выходе формирователя импульсов 7, как следствие, появляются импульсы U₉ и U₁₀ (см. фиг.4,е и ж) управления транзисторами 3 и 4 и имеет место описанное выше ШИМ-регулирование ключом, шунтирующим дроссель 1, и появляется эффект регулирования индуктивности.

Для реализации заявленного устройства требуются только элементы, давно известные, широко применяемые, выпускаемые предприятиями электротехнический и электронной промышленности и доступные пользователям. В связи с этим устройство удовлетворяет требованиям практической осуществимости.

Регулируемые индуктивности нужны для решения многих важных прикладных задач электротехники и электроэнергетики.

Например, регулируемые индуктивности могут позволить обеспечить симметрирование выходных напряжений многофазных источников питания при несимметричной нагрузке; обеспечить равномерное распределение нагрузки у параллельно работающих электромашинных источников питания; обеспечивать компенсацию емкостных токов при включении линии электропередачи и т.п.

Таким образом, применение предлагаемого изобретения позволит решить многие важные задачи электротехники и электроэнергетики.

Следовательно, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного устройства следующей совокупности условий:

- средство, воплощающее заявленное устройство при его осуществлении, предназначено для использования в устройствах симметрирования напряжений многофазных источников питания при несимметричной нагрузке или при обеспечении правильного распределения нагрузок при параллельной работе электромашинных источников питания и т.п.;

- для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте изложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов;

- средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «промышленная применимость».

Изобретение относится к электротехнике и электроэнергетике и может быть использовано в установках, где требуется применение индуктивности с плавным изменением ее величины. Выполнено в виде нерегулируемого дросселя с параллельно подключенным транзисторным ключом и системы управления им, состоящей из датчика тока, двух блоков определения его знака, двух логических элементов совпадения, блока формирования импульсов управления транзисторами и генератора линейно изменяющегося напряжения. Выход датчика тока соединен со входами блоков определения его знака, выходы которых соединены с первыми входами элементов совпадения, а их вторые входы соединены с выходом блока формирования импульсов, выходы элементов совпадения соединены со входами транзисторов ключа, к первому входу формирователя импульсов подключен генератор линейно изменяющегося напряжения, а на второй его вход подается напряжение управления ключом. Техническим результатом изобретения являются снижение массогабаритных показателей регулируемой индуктивности, повышение быстродействия и улучшение формы тока. 4 ил.

Устройство плавного регулирования индуктивности, состоящее из нерегулируемого дросселя с параллельно подключенным транзисторным ключом в виде последовательно-встречно соединенных транзисторов с шунтирующими диодами и системы управления ключом, состоящей из датчика тока, соединенного последовательно с регулируемой индуктивностью, двух блоков определения знака тока, генератора линейно изменяющегося напряжения, блока формирования импульсов управления транзисторами и двух логических элементов совпадения, отличающееся тем, что выход датчика тока соединен со входами блоков определения его знака, выходы которых соединены с первыми входами логических элементов совпадения, а их вторые входы соединены с выходом блока формирования импульсов управления транзисторами, причем выходы логических элементов совпадения соединены со входами транзисторов ключа, к первому входу формирователя импульсов управления транзисторами подключен генератор линейно изменяющегося напряжения, а на второй его вход подается напряжение управления ключом.