Устройство для измерения мощности потерь при коммутации тиристора Советский патент 1983 года по МПК G01R31/26 

Изобретение относится к области электроизмерений, более конкретно к устройствам для определения параметров полупроводниковых приборов, преназначено для измерения мощности и энергии потерь, вьщеляю11(ейся на тиристоре при его коммутации.

По основному авт. св. № 960673 известно устройство, содержащее испытательный контур с клеммами для подключения испытуемого прибора, к первой и второй из которьлх подсоединены выходы генератора тока управления, к второй и третьей - вход датчика напряжения, а в цепь испытательного контура и второй клеммы включены входы датчика тока, выходы датчиков напряжения и тока через согласующие узлы каналрв измерения напряжения и тока соединены с соответствующими блоками выборкихранения, управляющие входы которых подключены к выходу формирователя импульсов хранения, а их выходы через аналоговый переключатель к последовательно соединенным аналого-цифровому преобразователю, вычислительному блоку и блоку вывода информации, схему управления, подключенную своим выходом к управляю г,мм входам аналогового переключателя и аналого-цифрового преобразователя, который соединен выходом Конец преобразования с входом вычислительного блока, узлы запуска и синхронизации, блок управления в.боркой и хранением. Блок управления выборкой и хранением выполнен в виде счетчу ка числа измерений, распределительного блока, схемы объединения, деъжфратора тактов, счетчика числа тактов, схемы совпадений, кварцевого генератора, схемы выделения последнего такта и схемы выделения первого импульса, причем счетчик числа измерений входом установки нуля соединен с выходом узла запуска счетным входом с выходом уз,ла синхронизации, к которому подключены также управляющие входы распределительного блока и схемы выделения первого импульса, а выходы счетчика числа измерений через распре- делительный блок, один из выходов которого соединен с узлом синхронизации, подключены к входам деишЛратора тактов, к которым подключены также выходы счетчика числа тактов и соединенные с ними параллельно входы схемы выделения последнего такта, выход которой подключен к одному из входов схемы совпадения соединенной другим входом с выходом кварцевого генератора и вторым входом схемы выделения первого импульса, а выходом - со счетным входом счетчика числа тактов, вход установки нуля которого подключен к выходу схемы выделения первого импульса, соединенного с входами генера- тора тока управления и-схемы управления, выходы дешифратора тактов подключены через схему объединения к входу формирователя импульсов хранения 1 .

Недостатком этого устройства является ограниченный диапазон измеряемых сигналов напряжения, и сравнительно низкая точность при измерении мгновенных значений напряжения малой величины. При включении тиристора напряжение на нем изменяется во времени от нескольких киловольт до двух-трех вольт, поэтому устройство выборки-хранения, аналоговый переключатель и аналогоцифровой преобразователь обрабатывают сигналы, изменяющиеся примерно в тысячу раз. Поскольку максимальная величина напряжения, с которым работают эти узлы, ограничена их допустимым входным напряжением, то при обработке мгновенных значений напряжения, соответствующих окончанию переходного процесса, ошибка измерений сигналов малой величины может быть весьма существенной. В частности, если преобразование мгновенных значений аналогового сигнала в двоичный код осуществляется аналогС-цифровым преобразователем с 12разрядннм выходным кодом (что составляет 2 4096 градаций), то при преобразовании входного сигнала, который меньше максимального значения в 1000 раз, ошибка преобразования, рапная одной градации, составляет 25%. Увеличение числа разрядов аналого-цифрового преобразователя, больше 12, hак известно, является технически сложной .задачей и резко снижает быстродействие установки, так как такие аналого-цифровые преобразователи имеют очень большое время преобразования. Расширение инамического диапазона устройств выборки-хранения до величины 60 дВ также достаточно сложно, особенно когда учитывать требуемое быстроействие .

Цель изобретения - расширение иапа-зона измерений и повышение точности измерений.

Поставленная цель достигается тем, чТо в устройство для измерения мощности потерь при коммутации иристора, содержащее испытательный контур с клеммами для подклюения испытуемого прибора, к первой и второй из которых подсоединены ыходы генератора тока управления второй и третьей - входы датчика напряжения, а в цепь испытательного онтура и второй клеммы включены ходы датчика тока, выходы датчиов напряжения и тока через согласующие узлы каналов измерения напряжения и тока соединены с соответствующими блоками выборки-хранения, управляющие входы которых подключены к выходу формирователя импульсов хранения,а их выходы через аналоговый перек.ючатель к последовательно соединенным аналого-цифровому преобразователю, вычислительному блоку и блоку вывода информации, схему управления, подключенную своим выходом к управляющим входам аналогового переключателя и аналого-цифрового преобразователя, который соединен выходом Конец преобразования с входом вычислительного блока, узлы запуска и синхронизации, блок управления выборкой и хранением, который выполнен в виде счетчика числа чз.мерений, распределительного блока схемы объединения, дешифратора такгов, счетчика числа тактов, схемы совпадений, кварцевого генератора, .::хемы вьщеления последнего такта и .-хемы выделения первого импульса лричем счетчик числа измерений входом установки нуля соединен с выходом узла запуска, счетным входом о выходом узла синхронизации, к котрому подключены также управляющие аходы распределительного блока и схемы вьщеления первого импульса, а выходы счетчика числа измерений через распределительный блок, один из выходов которого соединен с узлом синхронизации, подключенык входам дешифратора тактов, к которыг. подключены также выходы счетчика числа тактов и соединенные с ними параллельно входы схемы вьщеления последнего такта, выход которой подключен к одному из входов схемы совпадения соединенной другим в.ходом с выходом кварцевого генератора и вторым вход схемы выделения первого импульса, а выходом - с счетным входом счетчика числа тактов, вход установки нул которого подключен к выходу схемы выделения первого импульса, соединенного с входами генератора тока управления, и схемы управления, выходы деишфратора тактов подключены через схему объединения к входу формирователя импульсов хранения, введны регистр сдвига, блок проверки на ноль разрядов двоичного кода и вторая схема совпадений, причем регистр сдвига включен между выходами аналого-цифрового преобразователя и входами вычислительного блока, входы блока проверки на ноль разрядов двоичного кода присоединены параллельно к информационным входам ргистра сдвига, соединенного счетным входом с В1т1ходом Конец преобразования аналого-цифрового преобразователя, а управляющим входом - с певым выходом блока проверки ял ноль разрядов двоичного кода, который подключен вторым своим выходом к управляющему входу согласующего узла канала измерения напряжения, третьим выходом - к первому входу второй схемы совпадений, соединенной вторым своим входом и выходом соответственно с выходом узла синхронизации и счетным входом счетчика числа измерений, а тактирующий вход блока проверки на. ноль разрядов двоичного кода подключен к управляюгдему входу аналого-цифрового преобразователя.

На чертеже .представлена блок-схма предлагаемого устройства.

Устройство содержит испытательный контур 1, к выходным зажимам которого через датчик 2 тока подключены клеммы для подсоединения силовых выводов испытуемого прибора (тиристора) 3 и датчик 4 напря)ения, К клеммам для подключения управляющих выводов испытуемого прибо 3 подсоединены выходные зажиг.&1 генератора 5 тока управления. Выходы датчиков 2 и 4 тока и напряжения соединены с входами сохласующих узл 6 и 7 каналов измерения напря ;;ения и тока, выходы которых подключены к входам блоков .8 и 9 выборки-хранения, управляющими входами связанных с выходом формирователя 10 импусов хранения. Выходы блоков 8 и 9 вборки-хранения через аналоговый переключатель 11 связаны с входом аналого-цифрового преобразователя 12 (АЦП), а выходы АЦП 12 подключены к входам блока 13 проверки на ноль разрядов двоичного кода и через регистр 14 сдвига к входам вычислительного блока 15 связанного с блоком 16 вывода информации. Выход Конец преобразования АЦП 12 соединен со счетным входом регистра 14 сдвига и с входом вычислительного блока 15. Выход узла 17 синхронизации соединен с входом распределитЬльного блока 18, одним из входов схемы 19 вьщеления первого импульса и одним из входов второй схемы 20 совпадений, другой вход которой соединен .с третьим выходом блока 13 проверки на ноль разрядов двоичного кода, второй выход которого подключен к управляющим входам согласующего узла 7 канала измерения напряжения, а первый выход - с управляющим входом регистра 14 сдвига. Выход второй схемы 20 совпадений связан со счетным входом счетчика 21 числа измерений,вход установки в нуль которого подключен к выходу узла 22 запуска, а врл1ходы к входам распределительного блока 18, выходы последнего соединены с одной группой входов деи ифратора 23 тактов, вторая группа входов -которюго подключена к выходам счетчика 24 числа тактов и к входам схемы 25 выделения последнего такта. Выход схемы 25 выделения после него такта связан с одним из входов. .первой схемы 26 совпадений, в рой вход которой соединен с выходом кварцевого генератора 27 и вто рым входом схемы 19 выделения первого импульса, а выход - со счетным входом счетчика 24 числа тактов. Выход схемы 19 выделения перв го импульса соединен с входом генератора 5 тока управления, с входом установки в нуль счетчика 24 числа тактов и с входом схемы 28 у равления аналоговым переключателем 11 и АЦП 12. Выходы дешифратора 23 тактов связаны с входами схемы 29 объединения, выход которой подключен к входу формирователя 10 импул сов хранения. Вход установки узла 17 синхронизации соединен с послед ним выходом распределительного бло ка 18. Устройство работает следующим о разом. К испытуемому прибору 3 с испытательного контура 1 прикладывается напряжение, величина которого определяется условиями испытаний. При появлении запускающего импульс на входе генератора 5 тока управлений, последний формирует импульс тока управления заданной формы и амплитуды через управляющий переход испытуемого прибора 3. При это тиристор 3 включается, напряжение на нем спадает от значения, равного приложенному перед включением, до нескольких вольт, а через прибор проходит импульс анодного тока, скорость нарастания которого, амплитуда и длительность определяются параметрами испытательного контура 1. Мощность потер при коммутации определяется как произведение мгновенных значений анодного тока и напряжения на испы туемом тиристоре 3 в каждый момент времени. С выходов датчиков 2 и 4 тока и напряжения через согласующие узлы 6 и 7 на входы блоков 8 и 9 выборки-хранения поступают изм няющиеся во времени уровни напряже ния, пропорциональные соответствен но току через испытуемый прибор 3 напряжению на нем. На управляющие входы блока 8 и 9 выборки-хранения поступает импульс с выхода формирователя 10 имйульса хранения. Процесс включения испытуемого прибора происходит периодически, например, с частотой 50 Гц. С кажд следующим включением испытуемого тиристора 3 передний фронт импульс хранения сдвигается относительно начала импульса тока управления на величину KAt, где К - количество сделанных включений, а At - шаг дискретизации, т.е. время между двумя соседними точками входного сигнала тока либо напряжения), которые будут измерены устройством. До прихода импульса хранения на выходах блоков 8 и 9 выборки-хранения напряжения в каждый момент времени равно напряжению на входе блока. С приходом пе реднего (фронта импульса хранения напряжения на выходе блоков 8 и 9 перестает изменяться и до прихода заднего фронта импульса хранения остается постоянным и равным значению напряжения на входе блока в момент прихода переднего фронта импульса хранения. Поскольку передний фронт импульса хранения с каждым следующим включением испытуемого тиристора 3 сдвигается относительно начала импульса тока управления на величину Ut, то на выходах блоков 8 и 9 выборки-хранения последовательно появляются уровни напряжений, пропорциональные соответственно мгновенным значениям тока и напряжения на тиристоре 3 в моменты времени О, 1 fct, 2ut, 3&t,... и т.д. до М&1,где N число точек измерения, заданное до начала испытаний. Аналоговый переключатель 11 по очереди подключает вход АЦП 12 к выходам блоков 8 и 9 выборки-хранения. АЦП 12, с приходом импульса запуска от схемы 28 управления преобразовывает уровни напряжения, которые поступают на его вход, в цифровой код, поступающий на инфор141ационные входы регистра 14 сдвига и входа блока 13 провер- i ки на ноль разрядов двоичного кода. Последний производит анализ старших разрядов выходного кода АЦП. Дальнейшую работу установки рассмотрим вначале при преобразовании аналоговых величин достаточно большой величины. При этом в стар1Л1Х разрядах выходного кода АЦП 12 присутствуют уровни логической Iu Сигнал с выхода 28 управления, поступающий на управляющий вход блока 13 проверки на ноль разрядов, служит для определения принадлелсности данного кода на выходе АЦП 12 к данным о мгновенных значениях тока, либо к данным о мгновенных :.значениях напряжения. Если в старших разрядах выходного кода АЦП 12 при анализе данных напряжения присутствуют уровни логической 1, то на первом и втором выходах блока 13 проверки на ноль разрядов появляется нулевой код, при котором изменения коэффициента передачи в согласующем узле 7 не происходит, выходной код передаётся в вычислительный блок 15 через регистр 14 сдвига без сдвига информации в последнем. Двоичный код принимается в память вычислительного блока 16 при появлении на выходе АЦП 12 сигнала Конец преобразования который также служит тактирующим при записи информации в регистр 14 сднига. После записи в вычислительный блок 15 пары двоичных чисел, соответствующих мгновенным значениям тока и напряжения в данный момент времени, они перемножаются и подаются в память вычислительного блока 15. Затем при подаче следующего импульса тока управления процесс измерения повторяется для следующей точки, измерения, т.е. следующего момента времени.

Формирование переднего фронта импульса хранения, сдвиг его от одного включения к другому на заданную ..величину, синхронизации этого фронта с импульсом запуска генератора 5 тока управления происходит слеI дующим образом.

При поступлении на вход установки нуля счетчика 21 числа измерений от узла 22 запуска все триггеры счетчика 21 устанавливаются в нуль. Если на вход блока 13 проверки на ноль разрядов двоичного кода поступило двоичное число, имеющее уровни логической 1 в старших разрядах, то на третьем выходе блока 13 появляется уровень логической 1,поступающий на один из входов второй схемы 20 совпадений. Тогда на счетный вход счетчика 21 числа измеренийс выхода второй схемы 20 совпадений начинают поступать импульсы от узла 17 синхронизации, приходящие на второй вход схемы 20 совпадений и задающие частоту включения испытуемого прибора (наиболее часто используются 1 либо 50 Гц). При поступлении каждого следующего импульса в триггерах счетчика 21 записывается код, например, двоичный, соответствующий количеству пришедших импульсов. Этот код с выходов счетчика 21 числа измерений поступает на входы распределительного блока 18 вместе с сигнало с выхода узла 17 синхрюнизации. Распределительный блок 18 может быть выполнен либо в виде дешифратора, либ в виде последовательного регистра, и формирует на одном из своих выходов, число которых равно числу измерений (точек дискретизации), уровень логической

тогда как на остальных

присутствует уровень логического О. Номер выхода, на котором формируетея 1, равен числу записанных в счетчике 21 импульсов. Напри- 60 мер, при записи двенадцати импульсов j поступивших от узла 17 синхронизации, только на двенадцатом выходе распределительного блока 18,присутствует уровень логической 1. 65

Импульсы с выхода узла 17 синхронизации поступают также на один из входов схемы 19 выделения первого импульса, на второй вход которой приходит последовательность импульсов с выхода кварцевого генератора 27, работающего в непрерывном режиме. Период следования этих импульсов равен интервалу между точками, в которых производится измерение мгновенных значений тока и напряжения(интервал дискретизации). При поступлении каждого импульса от узла 17 синхронизации на выходе схемы 19 выделения первого импульса появляется одиночный импульс, передний и задний фронты которого совпадают с соответствующими фронтами одного из выходных импульсов кварцевого генератора 27 и попадают к времени между фронтами импульса, пришедшего с выхода узла 17 синхронизации. Импульс с выхода схемы 19 выделения первого импульса поступает на вход генератора 5 тока управления, запуская его и определяя начало импульса тока управления испытуемого прибора. Импульсом с выхода схемы 19 выделения первого импульса устанавливаются в нуль триггера счетчика 24 числа тактов. При этом с выхода схемы 25 вьщеления последнего такта на один из входов первой схемы 26 совпадений подается уровень логической 1 и поступающие на ее второй вход импульсы выходной частоты кварцевого генератора 27 на чинают проходить на счетный вход счечика 24 числа тактов. При записи кода, соответствующего номеру последней точки измерений, на выходе 25 выделения последнего такта формируется уровень логического О, и поступление импульсов на счетный вход счетчика 24 числа тактов прекращается до прихода следующего импульса от узла 17 синхронизации. Таким образом, при приходе каждого импульса от узла 17 синхронизации и, соответственно, изменении содержшлого счетчика 21 числа измерений на единицу в счетчике 24 числа тактов происходит последовательное изменение кодов от нулевого до наибольшего, соответствующего номеру последней точки измерений. Выходы всех триггеров счетчика 21 числа тактов поступают на одну группу входов дешифратора тактов 23, на вторую группу входов которого поступают выходы распределительного блока 18. Дешифратор тактов 23 формирует на одном из своих выходов импульс, причем для каждого импульса синхронизации будет сформирован импульс на том выходе дешифратора 23, номер которого равен числу поданных с начала цикла измерений импульсов синхронизации. При

поступлении каждого следующего импульса синхронизации ка счетчик 21 числа измерений уровень 1 появляется на следующем выходе распределительного блока 18 и импульс формируется на следующем выходе дешифратора 23 тактов. Все выходы дешифратора 23 тактов подключены к входам схемы 29 объединения, на выходе которой при каждом включении испытуемого тиристора 3 будет появляться импульс, передний фронт которого при каждом включении сдвигается относительно начала импульса управления тиристором 3 на величину t, равную периоду следования импульсов на выходе кварцевого генератора 27. Эти импульсы подаются через формирователь 10 импульсов хранения на входы блоков выборки-хранения.

Поскольку при -включении тиристора 3 падение напряжения на нем монотонно уменьшается во времени, то при последовательном преобразовании в цифровой код точек на кривой напряения в старших разрядах выходного кода АЦП 12 начнут появляться уровни огического О, При этом в работе устройства начинает участвовать блок

13проверки на нуль разрядов двоичного кодаоЕсли, например, во всех трех старших разрядах выходного кода ЦП 12 при измерении точки с номером К появятся уровни -логического О, то на втором выходе блока 13появитя управляющий сигнал например, в вие трехразрядного двоичного кода ,

по которому коэффициент передачи согласующего узла 7 увеличится вдвое. На третьем выходе блока 13 будет зафиксирован уровень логического О , который подается на вход второй схемы 20 совпадений и при появлении следующего импульса синхронизации содержимое счетчика 21 числа измерений не изменится. Поэтому сдвиг переднего фронта импульса хранения будет такой же, как и на предыдущем такте, и точка с номером К будет измерена повторно, но мгновенное значение напряжения в К-й точке, которое, запоминается устройством 9 выборки-хранения и гфе- образуется в двоичный код, будет в два раза больше. По окончании преобразования в двоичный код число записывается в регистр 14 сдвига. Чтобы вычислительный блок 15 получал всю информацию в одном масштабе, блок 13 в этом случае формирует управляющую команду на первом выходе и содержимое в регистре

14сдвига будет сдвинуто на один разряд в сторону младшего значащего разряда. Затем информация передается в вьч числительный блок 15, Измерение точки с номером К + 1 уже сразу будет вестись с коэффициентом усиления, равным 2, при этом на вход второй схемы 20 совпадений будет подан уровенЪ 1, после преобразования числа в двоичный код также произойдет сдвиг информации на один разряд.

Если в дальнейшем в точке К+П уровень логического О вновь появится в трех старших разрядах .выходного кода АЦП, то на втором выходе блока 13 появится команда, увеличив ающаяс- коэффициент передачи согласующего узла 7 еще в 2 раза, на третьем выходе появится уровень О и К+П-я точка будет измерена еще один раз. После записи двоичного числа в ре:гистр 14 сдв-ига на первом выходе блока 13 появляется команда, по которой информация в регистре сдвигается: на два разряда в сторону младшего значащего разряда.

При дальнейшем уменьшении падени напряжения: возможно еще двукратное увеличение: коэффициента передачи согласующего узла 7. В этом случае на первом выходе блока 13 проверки на нуль разрущоБ двоичного кода будет сформирована команда, по которо число, записанное.в регистре 14 сясдвига, -сдвигается на три разряда в сторону младшего значащего разряда.

После измерения последней точки на кривых напряжения и тока на последнем выходе распределительного бло;;а 18 появляется уровень логичес1КОЙ 1, узел 17 синхронизации останавливается и процесс, .формирован импульсов сдвига заканчивается до прихода следующего импульса от узла 22 запуска.

Предлагаемое устройство позволяе повысить точность измерения мгновенных значений мощности потерь и расшрить диапазон измеряемых величин, что особенно важно при измерении мощности потерь при включении высоковольтных современных тиристоров, за счет введения в устройство блока проверки на нуль разрядов двоичного кода,регистра сдвига, второй схемы совпадений и связей между ними, что, в свою очередь, позволяет осуществлять преобразование в двоичный код мгновенных значений падения напряжения при практически любом динамическом диапазоне изменения напряжения и обеспечивает при этом требуемую точность измерений .во всем динамическом диапазоне. При этом требуемая точность измерений может быть обеспечена с помощью АЦП с сравнительно небольшим числом разрядов выходного кода. Увеличение числа разрядов АЦП, как и звестно, требует значительных технических и экономических затрат, что отрицателно сказывается на стоимости установки в целом. Введение регистра сдвиг

11 105789112

и организация связи с согласующимчто при изменении коэффициента переузлом канала напряжения позволяет,дачи согласующего узла в 2,4,8...2 кроме того, упростить задачу вводараз двоичное число можно возвратить информации в вычислительный блок,в прежний масштаб, сдвинув на И так как все числа вводятся в него вразрядов записанную в регистр сдвиодном масштабе. Это связано с т-ем, га информацию.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МОЩНОСТИ ПОТЕРЬ ПРИ КОММУТАЦИИ ТИРИСТОБА по авт. св. № 960673, о т личающееся тем, что, с целью расширения диапазона измерений и повышения точности, в него введены, регистр сдвига, блок проверки на ноль разрядов двоичного кода и вторая схема совпадений, причем регистр сдвига включен между выходами аналого-цифрового преобразователя и входами вычислительного блока, входы блока проверки на ноль разрядов двоичного кода присоединены параллельно информационным входам регистра сдвига, соединенного счетным входом с выходом Конец преобразования аналого-цифрового преобразователя, а управляклцим входом - с первым выходом блока проверки на ноль разрядов двоичного кода, который подключен вторым своим выходом к управляющему входу согласующего узла канала напряжения, третьим выходом - к .первому входу второй схемы совпадений, соединенной вторым своим входом и выходом соответственно с выходом узла синхронизации и счетным входом счетчика числа (Л измерений, а тактирующий вход блока проверки на ноль разрядов двоичного кода подключен к управляющему входу аналого-цифрового преобразователя . ел 00 со