Цифровое устройство для коммутации симистора Советский патент 1983 года по МПК H02M1/08 

Изобретение относится к электротехнике , в частности к следящим системам с цифровым представлением информации, и может быть использовано для управления технологическими процессами в вакуумной технике, в блоках управления оптических квантовых генераторов, в системах позиционирования с возбужденным состоянием исполнительного органа при быстротекущих электронных процессах и при расширенной информативности о фазовых сдвигах в системах прецезионного позиционирования.

Известны устройства для коммутации тиристоров (симисторов). Общепринятым способом коммутации является управление по вертикальному способу, которое заключается в том, что синхронно с питающим напряжением переменного тока, в цепь которого последовательно с нагрузйгой включен тиристор (симисюр, возбуждают генератор пилообразного напряжения, заряжающий емкость. Если стабилизирован ток заряда, напряжение на емкости возрастает линейно. При определенном уровне этого напряжения обеспечивают формирование (например на операционном усилителе), которым поджигают т.иристор ( симистор) в широтной области полупериода синусоидального напряжения.

Если на управляющий вход генератора пилообразного напряжения подано напряжение управления,. которое к моменту начала формирования пи- . лы заря5йает емкость до некоторого уровня, то момент срабатывания формирователем смещается в широтном диапазоне полупериода синусоиды упомянутого напряжения.

Указанный способ характеризуется недостаточной точностью коммутации, которая связана с качеством стабилизации тока, заряжающего емкость, и с наличием самой емкости, которая имеет токи утечки, изменяет ТКЕ (температурный коэффициент) и т.д. Схемы такого рода из-за наличия емкости трудно поддаются микроминиатюризации.

Известно устройство, которое содержит фильтр, подключенный через генератор тактовой частоты, счетчик т,екущего значения кода фазового сдвига, ключ, счетчик импульсов и дешифратор к входу триггера управления, выходом подключенного к входу ключа, а управляющий вход через блок сравнения - к выходам регистра записи кода фазового сдвига и счетчиков текущего значения кода фазового сдвига, выходы которого через генератор тактовой частоты и нуль-орган подключены к выходу фильтра, а также элементы И, ИЛИ, л

дополнительные ключи, триггеры и |Счетчик временного интервала.

ч

В указанном устройстве формирование выходного импульса, задержанного на время, соответствующее коду фазового сдвига, осуществляется с помощью регистра-записи кода фазового сдвига, блока сравнения и двоичного счетчика текущего значения кода фазового сдвига, а распределение импульсов на тиристоры осуществляется с помощью ключа., триггера управления ключем, системы распределения импульсов, дешифратора 1.

Однако устройство для коммутации симистора, управляемого двухполярными импульсами тока при соответствующей полярности.на аноде-катоде затрудняет возможность согласования с цифровой информацией и не обеспечивает точность позиционирования системы, где устройство используетс

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является устройство ДЛЯимпульсно фазового управления, содержащее блок синхронизации, вход которого предназначен для подключения через резистивный делитель к питающей сети, а выход к соответствующим входам преобразователя кода числа в уровень напряжения, выполненный в виде временног распределителя, включакяцего в себя счетчик с дешифратором и RS-триггеры, подключенные к входам элемента ИЛИ и выходом дешифратора, выходы которого подключены к входам блока сравнения, генератор заполняющих . импульсов, выход которого подключен к соответствующему входу указанного преобразователя, задатчик тока нагрузки Г 2.

Однако в связи с тем, что устройство для импульсно-фазового управления с сопряженной ЭВМ работает в реальном масштабе времени, для ряда быстротекущих процессов с обратными связями его быстродействие недостаточно из-за длинных линий связи, которые можно упразднить если . осуществлять логические операции преобразования в одном автономном блоке. Это снизит переходное волновое сопротивление, емкость монтажа и т.д. При этом быстродействие может быть улучшено дополнительно, если увеличить ток поджига тиристоров (симистора), что согласно диаграг-1м находится в нелинейной функциональной зависимости с увеличением быстродействия на порядок при предельных значениях тока поджига в сравнении с минимальными токами.

Цель изобретения - увеличение быстродействия и упрощение устройства.

.Поставленная цель достигается тем, что цифровое устройство для коммутации симистора снабжено инвертором, инвертором полярности, эле-, ментом 2 НЛИ-НЕ,шестью диодами, а блок сравнения включает два компаратора с подключенными на их выходе управляемыми ключами, выходы которых объединены и предназначены для подключения к управляющему электроду симистора, причем вход . инвертора полярности подключен к средней точке резистивного делителя и через первый диод к управляющему входу первого управляемого ключа и первому входу элемента 2 ИЛН-НЕ, выход инвертора через второй диод подключен к управляющему входу второго управляемого ключа и к второму входу элемента 2 ИЛИ-НЕ, выход которого через третий диод подключен к инвертирующему входу первого компаратора и через инвертор и четвертый диод к прямому йходу второго компаратора, выход задатчика тока нагрузки через пятый диод подключен к инвертирующему входу первого компаратора и через шестой диод к неинвертирующему входу второго компаратора, а выход преобразователя кода подключен к объединенным неинвертирующему входу первого компаратора и инвертирующему входу второго компаратора.

Такая структура схемы позволяет использовать для коммутации симистора цифровую информацию расширенных фазовых ра ссогласований при расширенной информативности. Это увеличивает точность позиционирования. Кроме того, оптимальная отсечка тока управления после поджига симистора увеличивает надежность его работы.

На фиг. 1 изображена функциональная схема устройства; .2 - диаграммы, поясняющие его работу, на фиг. 3 - структура преобразователя кодовой комбинации чисел в уровень напряжения.

На фиг. 2 обозначены: А- диаграмма на выходе преобразователя кодовой комбинации чисел при уставке задатчика на потенциал (+ Lgg)

5 - диаграмма переменного напряжения питания частотой f, где X диапазон изменения угла поджига симистора при возникновении фазового рассогласования в одну сторону (-utf,} и V диапазон функционально зависимым от скррости изменения

-1 dV

фазового рассогласования ( д ); В и Г - диаграммы состояний компараторов в соответствии с диаграммой .А. Устройство для цифровой коммутации симистора содержит (,фиг. ij генератор 1 заполняющих импульсов.

счетчик 2 формирования номинального поджига симистора, преобразователи 3-5 кодовой комбинации чисел в уровень напряжения, компараторы б, и 7, элемент 2 ИЛИ-НЕ 8, диодные матрицы 9 и 10, задатчик 11 тока нагрузки, инвертор 12, управляемые ключи 13и 14, резистор 15 управляющего электрода симистора 16, элемент .1ИЛИ 17, нагрузку 18, резистивный дели;тель включающий резисторы 19 и 20, детектор 21 нуля, инвертор 22 полярности питающего напряжения переменного тока, диодную матрицу 23 с диодами 24 и 25, при этом каждый преобразователь кодовой комбинации чисел в уровень напряжения (фиг.. 3) включает дешифратор 26, триггеры 27,27 и подключенный к выходам триггеров многовходовый элемент ИЛИ 17.

. Детектор 21 нуля служит для формирования строб-импульса при переходе питающего переменного напряжения через нуль (фиг. 2, S) , Этим импульсом производится сброс счетчика 2 формирования номинального

поджига, а также установка триггеров преобразователя 3 в исходное состояние в начале каждого полупериода.

Генератор 1 заполняющих импульсов

обеспечивает заполнение счетчика 2 формирования номинального поджига .после каждого сброса этого счетчика по Р-входу.

Преобразователи 3-5 служат для

преобразования кодовой комбинации чисел на триггерах счетчиков ( на фиг. 1 изобраясен только счетчик 2 номинального поджига), в ступенчато возрастающий уровень напряжения

(фиг.2, А) , который сравнивается на компараторах б и 7 с уровнем ( напряжения задатчика 11 . тока нагрузки 18. Ксжотаратор б обеспечивает коммутацию симистора 16

-через открытый только в положительные полупериоды (фиг. 2 Б и Г) управляенаай ключ 13, а компаратор 7 - отрицательными импульсами через открытый только в отрицательные полупериоды (фиг. 2 Б и В), управ. ляемый ключ 14, элемент 2 ИЛИ-НЕ 8 при коммутации симистора 16 по ка-, налу обратной связи, включающего диоднуЬ) матрицу 23 и инвертор 22

полярности, формирует 1 - импульс,

возвращающий компараторы б и 7

в исходное состояние. Этим обеспечивается отсечка управляющего тока симистора 16 при его поджиге.

Устройство для цифровой коммутации симистора работает следующим образом..

При переходе синусоиды питающего напряжения частотой (фиг. 1) через

нуль детектор 21 нуля вырабатывает

строб-импульс, которым счетчик 2 формирования номинальяого поджига обнулен, а также триггеры преобразователя 3 кодовой комбинации чисел в уровень напряжения. С окончанием

строб-импульса счетчик 2 заполняется импульсами генератора 1, а упомянутый преобразователь 3 вырабатывает ступенчато возрастающий уровень (фиг. 2, А) . Пусть два других преобразователя 4 и 5 с групповыми числовыми входами X и У обеспечивают нулевуюинформацию. На сравнивающие входы компараторов б и 7 поступаю т уровни напряжений: ступенчато возрастающий (фиг. 2, А) и постоянный уровень напряжения (.+ U,,} с выхода задатчика 11. В исходном состоянии компаратор 6 находится в минус-состоянии (фиг. 2,Г) , так как напряжение (.-(- и 2(5) приложено к его инвертирующему входу, а ступенчато возрастающее напряжение ( + ,p ) до момента, когда (+ U{--r n)станет равным (+ прилояено к неинвертирующему входу. , После достижения равенства (+ U(s-fvjf, + ) компаратор 6 переходит в плюс-состояние (фиг. 2, Г),

обеспечивая коммутацию сймистора 16 через управляемый ключ 13, находящийся в открытом состоянии, и ограничительный резистор 15 при полярности напряжения на электродах сймистора, соответствуюи;ей возможности его поджига плюс-импульсом. Одновременно со срабатываниями компаратора б в -каждый полупериод питающего напряжения (фиг. 2, 5) срабатывает компаратор 7, переходящий в минус-состояние.

Поджиг сймистора минус-импульсом может происходить только в отрицательные полупериоды при-открытом состоянии управляемого ключа 14. Синхронное открывание ключей 13 и 14 в соответствии с полярностью на электродах сймистора 16 обеспечивается цепью, состоящей из резистора 19, инвертора 22 полярности и диодной матрицы 23. При плюс-поярности на аноде сймистора провоящий диод 24 диодной матрицы 23 обеспечивает плюсовый импульс на управляющий вход ключа 13, подготавливая возможность его открьшания положительным и myльcoм от срабатывания компаратора 6. В тот же полуериод диод 25 матрицы 23, подклюенный к выходу инвертора 22 полярности, закрыт отрицательным импульом в результате инвертирования оложительного импульса в течение всего полупериода, что обеспечивает закрытое состояние 14. После коммутации сймистора 16 в точке М .фиг, 2 А и Б) его внутреннее соротивление приближенно может быть .

принято равным нулю, т.е. анод сймистора эквипотенциален шийе общий

На обоих выходах диодной мат

рицы 23 возникает О потенциал, ( инвертор 22 полярности инвертирует только полярный импульс, но не О потенциал). На выходе элемента 2 ИЛН-НЕ 8 возникает 1 - потенциал, который через диодную матрицу 10 поступает на инвертирующий вход компаратора 6, обеспечивая его переход в минус-состояние (фиг. 2,Г) . Навыходе инвертора 12 1 - потенциал преобразуется в О - потенцйал, который через развязывающую диодную матрицу 10 поступает на плюс-вход компаратора-7, обеспечивая его переход в исходное полюс-состояние (фиг. 2,5).

Таким образом, компараторы 6 и 7 вырабатывают короткие импульсы, длительность которых достаточна для поджига сймистора, причем обеспечивается оптимальная отсечка управляющего тока.

Поджиг сймистора отрицательным импульсом управления осуществляется при открытом ключе 14 и закрытом ключе 13 в отрицательный полупериод питающего напряжения частотой f (фиг. 2,5) аналогично рассмотренному циклу коммутаций в положительный полупериод.

Широтное положение точки М коммутации сймистора (фиг. 2, Г) при выбранной частоте генератора заполняющих импульсов и емкости счетчика 2 формирования номинального поджига определяются уровнем напржения ( К)на выходе задатчика 11, т.е. задатчиком определена номинальная фаза сймистора 16 и ток в нагрузке 18.

Рассмотрим работу устройства при поступлении на цифровые X, У-входы (фиг. 1, 3) информации со счетчиков расширения фазы и скорости изменения Фазы (не изображены), посредством которых осуществляется прецизионное позиционирование параметра при действии возмущающих факторов. Введем сокращенные наименвания Х-счетчик и У-счетчик.

Пусть Х-счетчик заполняется информацией фазового рассогласования, обеспечивая кодовую комбинацию чиceirv преобразующуюся в дешифраторе 26 (фиг. 3) в числовую последовательность 0,1,... И- По мере заполнения Х-счетчика срабатывают триггеры 27-27у, слева направо (фиг. 3) Поскольку потенциал питания ка -щого последующего триггера больше предыдущего Uj,-7 ,...7U Hi выходе многовходового элемента ИЛИ 28 будет ступенчато возрастающий потенциал ( ступенчато уменьшающийся

если последовательность U Uy,,.,.U UoПри объединении шин выхода двух преобразователей на общей объединенной шине происходит арифметическое суммирование ( вычитание) уровней, что смещает точку М (фиг, 2, Д) в широтном диапазоне полупериода си-нусоиды (фиг. 2, f) , изменяя потенциал на соответствующих входах сравнения компараторов 6 и 7.

Для. У-счетчика преобразователь 5 обеспечивает смещение точки АЛ в противоположном направлении, так как смещает потенциал на другоп входе каждого из упомянутых компараторов..

Это содействует избирательному действию системы регулирования: при возникающей отработке фазового рассогласования в сторону уменьшения фазового сдвиг.а последний, пропорциональный числу, накопленному Х-счетчиком, изменяется в зависимости от величины вектора У (фиг. 2,. 6) : если скорость изменения фазы большая, то вектор у большой, а фаза поджига (заполнение синусоиды, фиг. 2 &) малая с упреждениемпротив перебега (и колебательности).

Если скорость изменения фазового рассогласования малая, то вектор У также сравнительно мал ( или равен нулю)- имеет место интенсивная отработка за счет большого заполнения полупериода синусоиды {фиг.25 Это увеличивает интенсивность отработки рассогласования и увеличивает вектор V при подходе системы к состоянию синфазности - номинальному поджигу. Вектор обеспечивает упреждающее заполнение, ока-зывая тормозящее влияние против перебега, выполняя роль демпфера. Таким образом, имеет место противодействие колебательности процесса регулирования с гибкой обратной свя.зью заполнения синусоиду- с учето величины фазового сдвига (Л f) и

di

с1 орости его изменения

тако

at

управление поджихОм симистора существенно увеличивает точность позиционирования, делая его прецезионным, если закон регулирования для конкретной системы выбран оптимальным. и имеется достаточно большая информативность о фазовых рассогласованиях.

Очевидно, что к шине выхода каждого из х(у)-преобразователей кодовой комбинации чисел в уровень напряжения может быть подключен ряд преобразователей, вырабатывающих ступенчато возрастающий или убывающий уровень л подключаемых либо для увеличения Х-вектора, либо для увеличения У-вектора (демпфирование) . Так осуществляется цифровое управление поджигом симистора по сложному закону, соответствующему конкретному случаю. ,

Суммирование ( вычитание ) в устройстве осуществляется на общей шине выхода преобразователей без влияния преобразователей друг на друга из-за высокого обратного сопротивления ялементов ИЛИ и по существу без явно выраженного сумматора

Цифровое управление отличается высокой линейностью и некритично к изменениям внешних условий. В сранении с управление по вертикальному способу с использованием зарядной емкости оно выгодно отличается в тех случаях, когда требуется осуществлять прецезионное позиционирование технологического процесса, и в случаях, когда игтеют место быстрые ( электронные) процессы с необходимостью отработки расширенных фазовых рассогласований. Увеличивается надежность коммутации симистора за счет отсечки тока управления..

Технико-экономические показатели предлагаемого устройства, в частности для случая регулирования тока луча электронно-лечевого испарителя материалов, состоит в улучшении качества регулирования тока луча и прецезионного испарения оптически покрытий.

ЦИФРОВОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОММУТАЦИИ СИМИСТОРА,содержащее блок синхронизации, вход которого предназначен для подключения через резистивный делитель к питающей сети, а выход подключен к соответствующим входам преобразователя кода числа в-уровень напряжения, выполненный в виде временного распределителя, включающего в себя последовательно соединенные счетчик с дешифратором и RS-триггеры, под- . ключенные к входам элемента ИЛИ и выходам дешифратора, выходы кото- . рого подключены к входзам блока сравнения, генератор заполняющих импульсов, выход которого подключен к соответствующему входу вышеуказанного преобразователя, задатчик. тока нагрузки, отличающееся тем, что, с целью увеличения быстродействия и упрощения, оно снабжено инвертором, инвертором полярности, элементом 2 ИЛИ-НЁ, шестью диодами, а блок сравнения включает два компаратора с подключенными на их выходе управляемыми ключами, выходы которых объединены и предназначены для подключения к управляющему электроду симистора, причем вход инвертора полярности подключен к средней точке резистивного делителя и через первый диод к управляющему входу первого управляющего ключа и первому входу элемента 2 ИЛИ-НЕ, выход инвертора через второй диод подключен к управляющему входу второго управляемого ключа и к второму входу элемента 2 ИЛИ-НЕ, (Л выход которого через третий диод подключен к инвертирующему входу первого компаратора и через инвертор и четвертый диод к прямому входу второго компаратора, выход задатчика тока нагрузки через пятый диод подключен к инвертирующему входу первого компаратора и через шестой диод к неинвертирующему входу 10 второго компаратора, а выход преобразователя кода подключен к объеди:О ненным неинвертирующему входу первого компаратора и инвертирующему входу .второго компаратора.