Импульсное фазосдвигающее устройство Советский патент 1980 года по МПК H03K17/22 

Изобретение относится к импульсной технике и предназначено для стабилизации и регулирования скорости вращения тирис- торного электропривода. Устройство може быть использовано также для регулирования других объектов, снабженных частотно-импульсным датчиком регулируемого параметра. Известны импульсные фазосдвигающие устройства (ФСУ), состоящие из одновибратора, запускаемого входными импульсами, фильтра, выдающего постоянную составляющую напряжения, пропорционального частоте, усилителя и фазосдвигающего yci ойства, управляемого уровнем напряжения Г Однако- такие фазосдвигающие устройства обладают низким быстродействием. Из известных устройств наиболее близким по технической сущности является импульсное фазосдвигающее устройство (ФСУ), состоящее из одновибратора, преобразователя длительности пауз между им пульсами одновибратора в амплитуду импульсов, порогового элемента, транзисторного ключевого элемента с нагрузкой в цепи второй базы, первая база которого через резистор подключена к источнику синхронизирующего напряжения . Недостатком такого устройства является то, что вследствие того, что напряжение управления ФСУ получают фильтрацией импульсного напряжения одновибратора, в контур системы автоматического регулирования вводится фильтр-звено, нарушающее устойчивость и усложняющее стабилизацию. Постоянная времени фильтра должна быть относительно больщой, так как при недостаточной фильтрации переменная составляющая напряжения на входе ФСУ, управляемого уровнем напряжения, вызывает флуктуацию фазы на выходе ФСУ и, как следствие, появление динамических моментов и колебаний скорости электропривода. Флуктуация фазы на выходе ФСУ для прецизионных тиристорных электроприводов должны быть в пределах нескольких градусов. 374 Цель изобретения - повышение стабильности работы фазосдБнгаюшего устройства. Указанная цель достигается тем, что в импульсное фазосдвигпющее устройство, состоящее из одновибраторй, выход которого подключен ко входам двух симметричных конапов, каждый из которых содержит входной время-амплитудный преобразователь, пороговый элемент, выход которого является вькоцом устройства, а также ключевой элемент, управляющий вход которого подключен к одному полюсу соответствующего источника синхронизирующего напряжения, сигнальный вход ключевого элемента подключен к положительной ши- не источника питания, а его выход соединен со вторым полюсом соответствующе- го источника синхронизирующего напр5гжения и через резистор со входом порогового элемента в этом канале, в каждом из двух симметричных каналов дополнительно введены второй ключевой элемент, второй одновибратор, транзистору резистор, конденсатор, диод, причем база дополнительного транзистора соединена с выходом время-амплитудного преобразователя, коллектор - через дополнительный резистор соединен с положительной щиной источника питания, а эмиттер объединен с одной обкладкой дополнительного конденсатора, входом дополнительного ключевого элемен та, и через дополнительный диод соединен со входом порогового элемента, вторая обкладка вышеуказанного конденсатора сое динена с общей щиной, к которой подклдочен также выход дополнительного ключевого элемента, вход которого соединен с выходом дополнительного конденсатора, управляющий вход которого подключен к выходу ключевого элемента. На фиг. 1 приведена структурная электрическая схема устройства; на фиг, 2 - временные диаграммы, поясняющие принцип его работы. Импульсное фазосдвигающее устройство состоит из одновибратора 1, на вход которого подаются импульсы, частота следования которых регулируется, а выход этого одновибратора подключен ко входам двух симметричных каналов, каждый из ко торых содержит входной время-амплитудный преобразователь 2-1 и 2-2, выполненный на резисторе 3, конденсаторе 4 и транзисторе 5, резистор 6, конденсатор 7 транзистор 8, диод 9, пороговый элемент Ю, резистор 11, ключевые элементы 12 и 13 и одновибратор 14, шину 15 источника синхронизирующего напряжения. 5 Принцип действия ФСУ поясняется временными диаграммами. Импульсы, постуающие на вход устройства (фиг. 2а), запускают одновибрптор 1, на выходе которого вырабатываются сигналы прямоугольной формы (фиг. 2б). Одновибратор 1 должен иметь время восстановления относительно малое по сравнению с интервалом времени между импульсами одновибратора. Импульсы одновибратора 1 отпирают транзистор 5, через который разряжается конденсатор 4, В промежутке между импульсами одновибратора транзистор 5 закрыт и конденсатор 4 заряжается от источника питания через резистор 3. Ма конденсаторе 4 вырабатываются импульсы, амплитуда которых зависит от длительности пауз между импульсами одновибратора, т.е. зависит от отклонения периода следования входнь1Х импульсов от длителыюсти импульсов одновибратора 1 (фиг. 2в). На фиг. 2г показано напряжение, синфазное с напряжением питающей сети. Частота следования входных импульсов, должна более чем в два раза превыщать частоту питающей сети. При этом условии за полупериод питающей сети будет выработано не менее одного импульса на конденсаторе 4, Напряжение конденсатора 4 повторяется эмиттер ным повторителем на транзисторе S. Конденсатор 7 заряжается сначала до напряжения, близкого к амплитуде напряжения на конденсаторе 4 (фиг. 2д, участок кривой от нуля до горизонтальной части графика). После этого транзистор 8 запирается, так как эмиттерный переход транзистора- 8 смещен в обратном направлении. В подготовительный полулериод питающей сети ключевой элемент 12 заперт. Напряжением конденсатора 7 заперт и диод .9, включенный в обратном направлении. Ключевой элемент 13 заперт, так как на его базу не поступает отпирающий импульс с одновибратора 14, Таким образом, в этот промежуток времени все цепи, подключенные к конденсатору, заперты и на пряжение на нем удерж 1тается практически постоянным - горизонтальный участок на фиг. 2д. Следовательно, к концу подготовительного полупериода питающей сети напряжение на конденсаторе 7 близко к амплитуде импульсов, вырабатываемых на конденсаторе 4. В управляющий полу- . период питающей сети ключевой элемент 12 открывается полуволной переменного напряжения, поданного на его базу. При этом от источника питания протекает ток через ключевой элемент 12, резистор 11 и диод о и заряжает конденсатор 7 от уровня напряжения, который был на конденсаторе в ко1ще нодготовителыюго но- лупериода. Напряжение на конденсаторе 7 и входе порогового устройства 19 возрас тает по экслоненциальноку закону. Посто янная времени заряда конденсатора 7 через резистор 11 должна в несколько раз превышать постоянную времени заряда конденсатора 4 через резистор 3. В этом случае небольшое изменение частоты следования входных импульсов приводит к оушестве(нюму сдвигу фазы выходных имггульсов ФСУ, что необходимо для эффективной стабилизации скорости в замкну- той системе электропривода. В момент времени, когда напряжение на входе порогового элемента 10 достигает уровня его срабатывания (пунктирная линия нафиг. 2 на выходе ФСУ появляется импульс напря жения (фиг, 2е), передаваемый на управляющий электрод тиристора тиристорного преобразователяо По окончании полупери- ода управления ключевой элемент 12 запирается, напряжение на входе порогового элемента становится меньше порога отпускания и импульс на выходе ФСУ заканчивается. При атом задним фронтом импульса запускается одновибратор 14, выходной импульс которого (фиг. 2ж) подается на базу ключевого элемента 13 и отпирает его. Конденсатор 7 разряжается через, открытый ключевой элемент 13 и устройство подготавливается к следующему периоду работы. При разряде конденсатора 7 резистор 6 ограничивает величину тока, протекающего в коллекторной цепи транзистора 5, Работа ФСУ для другой фазы преобразователя аналогична. В результате действия ФСУ угол включения тиристорного преобразователя, являющегося нагрузкой для данного ФСУ, изменяет ся в зависимости от отключения частоты и периода следования входных импульсов от заданного значения, определяемого дли тельностью импульсов одновибратора. При этом скорость вращения электропривода стабилизируется. Если скорость вращения электропривода мала, то частота следования входных импульсов ФСУ, вырабатываемых датчиком импульсов, мала, а период следования - велик. В этом случае паузы между импульсами одновибратора велики и амплитуда импульсов на конденсаторе 4 большая, напряжение на конденсаторе 7 также велико. При открывании ключевого элемента 12 напряжение на входе порогового элемента 1О достигает уровня срабптьшания за малый лро тежуток времени, тиристор тиристорного преобразоватепя включается в начале полупериода питпю(1| -о напряже 1ия, напряжение на электродвигателе приводя будет повышено, скорость вращения привода возрастает. При повышении скорости вращения и частоты входных импульсов сдвиг фазы ФСУ противоположе и В результате действия замкнутой системы автоматического регулирования достигается стабилизация скорости. Скорость вращения электропривода может регулироваться путем изкюнения длительности импульсов одновибратора 1. Вследствие того, что формирование сигналов и разряд конденсаторов ФСУ производятся в течение каждого периода, длительность переходного процесса ФСУ не превышает периода напряжения питающей сети. Из описания принципа действия ФСУ следует, что при постоянной частоте повторения входных HNiiiynbcoB флуктуация фазы на выходе ФСУ может быть вызвана только разрядом конденсатора 7 через закрытые транзистор 8, ключевой элемент 13 и диод 9 на горизонтальном участке временной диаграммы (фиг. 2). Путем выбора полупроводниковых приборов с соответствующими характеристиками флуктуация фазы может быть понижена до требуемой величины. Произведем оценку улучшения динамических свойств ФСУ по сравнению с известным. Динамические свойства звеньев систем автоматического регулирования характеризуются амплитудными и фазовыми частотными характеристиками (АЧХ и ФЧХ). Введем следующие обозначения: Т период напряжения питающей сети; период следования входных импульсов;и - амплитуда импульсов одновибра- тора (в известном); К - коэффициент усиления напряжения от выхода фильтра до входа ФСУ (в извест1юм); и в - напряжение входе ФСУ, вызывающее максимальный сдвиг фазы; дЦ - амплитуда флуктуации фазы на выходе ФСУ. Рассмотрим случяй, когда коэффициент аполнения импульсов оцяовибратора в проотипе равен 0,5, что может быть приняо, так как при этом ограничение напряжеия на выходе фильтра наступает при по- вышении частоты следования входных и пульсов в два раза и таком же повыше нии скорости вращения вала электро привода. Фильтр импульсов одновибратора - о нозвенный с постоянной времени . Амплитуда пульсаций напряжения на выходе фильтра .ди Относительные значения амплитуды пульсаций на входе ФСУ ди„ -т и H TcpUMs Отношение UQ к U в примем равны 1, что не нарушает общности выводов, При линейной характеристике ФСУ MB м 3 СР Отсюда постоянная фильтра при зада ной фпуктации фазы на выходе ФСУ дол на быть Т - И %i ор 31 дЧ Фаза ФЧХ фильтра l ir-OirCtgUjT где UJ - круговая частота ФЧХ. Предлагаемое устройство может рас сматриваться как элемент с запаздыва ем. Время запаздывания непостоянно, т как зависит от фазы импульсов на вхо ФСУ по отношению к напряжению питак щей сети, но не превышает ..,) Запаздывание тиристорного преобраз теля не yHHTbroaeTCfli так как оно один во для известного и предлагаемого уст ройства. Фаза ФЧХ звена с запаздыванием Ч .(т.т) Рассматриваем случай, когда перио следования составляет W Тогда ФЧХ для известного 4 -arctgu.gi.y ФЧХ предлагаемого устройства .т Для получения достаточной глубины ратной связи по скорости коэффициент редачи К должен быть не менее 10. Т бования к флуктуации фазы на выходе таковы, чтоМм/ЛЧ 15. Период п ющей сети Т, 0,О2 с„ При этих услови 4 arctgO 15cu OQCl UiJ Ч . Фазовый сдвиг принимает значение 45 при круговой частоте, для известного г 6,71/с,а для предлагаемого устройства си 63 1/с. Таким образом, фаза достигает существенного значения при значительно более высокой частоте,, что упрощает стабилизацию системы. Применение устройства при определенных условиях существенно улучшает динамические свойства системы автоматического регулирования, что необходимо при разработке быстродействующего прецизионного электропривода. Формула изоб ре тения Импульсное фазосдвигающее устройство, состоящее из одновибратора, выход которого подключен ко входам двух симметричных каналов, каждый из которых содержит. входной время-амплитудный преобразователь, пороговый элемент, выход которого является выходом устройства, а также ключевой элемент, управляющий вход которого подключен к одному полюсу соответствующего источника синхронизирующего напряжения, сигнальный вход ключевого элемента подключен к положительной ши-: не источника питания,а его выход соединен со вторым полюсом Соответствующего источника синхронизирующего напряжения и через резистор со входом порогового элемента в этом канале, отличающееся тем, что, с целью повышения стабильности работы устройства в каждом из двух симметричных каналов дополнительно введены второй ключевой элемент, второй.одновибратор, транзистор, резистор, конденсатор, диод, причем база дополнительного транзистора соединена с выходом время-амплитудного преобразователя, коллектор - через дополнительный резистор соединен с положительной шиной источника питания, а эмиттер объединен сОДНОЙ обкладкой дополнительного конденсатора, входом дополнительного ключевого элемента, и через дополнительный диод соединен со входом порогового элемента, вторая обкладка вышеуказанного конденсатора соединена с обшей шиной, к которой подключен также выход дополнительного ключевого элемента, вход которого соединен с выходом дополнительного конденса-

974146510

тора, управляющий вход которого подклю-1, Патент США № 3877348,

чен к выходу ключевого элемента,кл. ЗО7-108, 1974.

Источники информации,2. Патент США № 3514685,

принятые во внимание при экспертизекл, 318-313, 197О (прототип).

I.

-t-O-t ил

2-2

5

ОЩп

выход г

J

ю

. -1cf

пгпг-шппгп /1/1 /1 А

п

Фаг. 2 Л