Устройство для измерения мощности потерь при коммутации тиристора Советский патент 1982 года по МПК G01R31/26 

Изобретение относится к электронной и электротехнической промышленности и может быть использовано для измерения мощности и энергии потерь, выделяющейся на тиристоре при его коммутации. Известно устройство дл1й измерения мощности потерь при коммутации тиристоров, содержащее умножитель, входной логарифмирующий усилитель, входной линейный дифференциальный усилитель, ячейки нормировки тока, источники тока и выходной усилитель. Работа устройства основана на аналоговом перемножении тока через испытуемый прибор и напряжения на нем по способу умножения с нормиро кой стоков 11 . Недостатками данного устройства являются небольшой динамический ди пазон перемножаемых сигналов, невысокая точность измерений и необход мость подбора характеристик транзис торов, входящих в состав устройств Наиболее близким техническим решением к изобретению является уст ройство для измерения мощности потерь при коммутации тиристора, содержащее иcпыtaтeльный контур с клеммами для подключения испытуемого прибора, к которым подсоединены генератор тока управления, датчики тока и напряжем ния, соединенные через согласующие узла с соотетствующими блоками выборки и хранения, управляющие входы которых подключены к входу формировав теля импульсов хранения, а их выходы через аналоговый пер клоча те ль К последовательно соединенным аналог го-цифровому преобразователю, вычислительному блоку и блоку вывода информации, схему управления, подключенную к управляющим входам аналогового переключателя и аналого-цифрового преобразователя, узлы запуска и синхронизации, а также блок управления выборкой и хранением, состоящий из генераторов импульсов пилообразной формы, смещающих импульсов и ступенчатых импульсов, кото рые из импульсов тока управления и импульсов, поступающих из вычислительного блока, формируют импульсы управления работой блоков выборки и хранения. Момент времени, в который происходит дискретная выборка изменяющихся значений тока через испытуемый прибор и напряжения на нем . и их последующее запоминание, определяете совпадением значений напря жений импульсов пилообразной формы и ступенчатых импульсов и сдвигаетс от импульса к импульсу относительно начала импульса тока управления с з данным шагом С 2. Недостатком этого устройства является ера вни тельно не высокая точность измерений, обусловленная пост роением блока управления выборкой и хранением и связанного с ним нестабильностью сдвига от импульса к и пульсу переднего фронта импульса, вырабатываемого формирователем импульсов хранения. Передний фронт Этого импульса формируется на выход схемы сравнения в момент совпадения по величине поступающих на ее входы сигналов от генераторов пилообразного и ступенчато нарастающего напряжений. Выходной уровень генератора ступенчато нарастающего напряжения должен изменяться от такта к та ту на постоянную величину, тогда при неизменности скорости нарастания пилообразного импульса и стабильности его начальной точки обеспечиаается сдвиг переднего фронта импульса хранения на постоянную величину. Однако известно, что обеспе чить высокую точность поддержания уровней напряжения, стабильность скорости нарастания пилорбразного н пряжения и его линейность,высокую точность сравнения и малый временной и амплитудный дрейф в аналоговых устройствах, работающих с высоким быстродействием, очень сложно. Кроме того, такие устройства сложны по структуре и требуют высокой точности настройки узлов и блоков схемы. Целью изобретения является повыш ние точности измерения за счет улу шения стабильности сдвига от такта к такту измерений (выборки) переднего фронта импульса хранения относительно начала импульса тока управления , который подается на испытуемый прибор. Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для измерения мощности потерь при коммутации тиристора, содержащем испытательный контур с клеммами для подключения испытуемого прибора, к которым подсоединены генератор тока управления, датчики тока и напряжения, соединенные через согласующие узлы с соответствующими блоками выборки и хранения, управляющие входы которых подключены к выходу формирователя импульсов хранения, а их выходы через аналоговый переключатель - к последовательно соединенным аналого-циф ровому преобразователю, вычислительному .блоку и блоку вывода информации, схему управления, подключенную к управляющим входам аналогового переключателя и аналого-цифрового преобразователя, узлы запуска и синхронизации, а также блок управления выбЪркой и хранением, последний блок выполнен состоящим из счетчика числа измерений, распределительного блока, схемы объединения, дешифратора тактов, схемы выделения последнего такта,счетчика числа, тактов, .из схемы совпадения кварцевого генератора и схемы выделения первого импульса, причем счетный вход счетчика числа измерений соединен с выходом узла запуска, его вход установки нуля .- с выходом узла синхронизации, к которому подключены дополнительно управляющие входы распределительного блока и схемы выделения первого импульса, а выходы счетчика числа измерений через распределительный блок, один из выходов которого соединен с узлом синхронизации, подключены ко входам дешифратора тактов, к которым подключены также выходы счетчика числа тактов и соединенные с ними входы схемы выделения последнего такта, выход которой подключен к одному из входов схемы совпадения, соединеннбй 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 выде ления первого импульса, соединенного со входами генератора тока управления и схемы управления, выходы деши ратора тактов подключены через схему объединения ко входу формирователя импульса хранения. На фиг. 1 представлена блок-схема предложенного устройства; на фиг.2-временные диаграммы, поясняющие его работу. Устройство содержит (фиг. 1) испытательный контур 1, к выходным зажимам которого через дatчик 2 тока подключены клеммы для подсоединения СИЛОВЫХ выводов испытуемого прибора 3 и датчика k напряжения. К клеммам для подключения управляющих выводов испытуемого прибора 3 подк,пючены выходные зажимы генератора 5 тока управления. Выходы датчиков 2 тока и напряжения t соединены со входами согласующих узлов 6 и 7, выходы которых подключены ко входам блоков 8 9 выборки и хранения, управляющими входами связанные с выходом формирователя 10 импульса хранения. .. Выходы блоков 8 и 9 выборки и хр ;нения через аналоговый переключа- . тель 11 связаны со входом аналогоцифрового преобразователя t2 (АЦП), а выходы АЦП. 12 подключены ко вхо дам вычислительного блока 13, связанного с блоком 14 вывода информации. Выход узла 15 синхронизации соединен со входом распределительного блока 16, одним из входов схемы 17 выделения первого импульса и счетным входом счетчика 18 числа измерений, вход установки в нуль которого подключен к выходу узла 19 запуска, а выходы - ко входам распределительного блока 1б. Выходы распределительного блока 16 соединены со входами дешифратора 20 тактов, а другие входы дешифратора 20 тактов соединены с прямыми и инверсными выходами счетчика 21 числа тактов и со входами схемы 22 выделени последнего такта. Выход схемы 22 выделения последнего такта связан с одним из входов схемы 23 совпадения, второй вход которой связан с выходом кварцевого генератора 24 и вторым входом схемы 17 выделения первого импульса, а выход - со счетным входом :.. счетчика 21 числа тактов. Выход.схе мы 17 выделения первого импульса соединен со входом генератора 5 тока управления, со входом установки в нуль счетчика 21 числа тактов и со. входом схемы 25 управления аналоговым переключателем 11 и АЦП 12. Выходы дешифратора тактов связаны со входами схемы 26 объединения, вы ход которой подключен к входу формирователя 10 импульса хранение. Вход остановки узла 15 синхронизации соединен с последним выходом распределительного блока 16. Узлы 16 и 26 образуют блок 17 управления выборкой и хранения. Устройство работает следующим образом. К испытуемому прибору 3 с испытательного контура 1 прикладывается напряжение, величина которого определяется условиями испытания. При появлении запускаемого импульса на входе генератора 5 тока управления,- последний формирует импульс тока управления заданной формы- и амплитуды через управляющий переход испытуемого прибора 3. При этом тиристор 3 включается, напряжение на нем спадает от значения, равного приложенному перед включением до прямого падения напряжения в открытом состоянии (несколько вольт), а через прибор проходит импульс анодного тока, скорость нарастания которого, амплитуда и длительность определяются параметрами испытательного контура 1. Мощность потерь при коммутации есть произведение мгновенных значений анодного тока и напряжения на испытуемом тиристоре 3 в каждый момент времени., С выходов датчиков тока 2. и напряжении i чв-;-: рез согласующие .узлы 6 и 7 на входы блоков выборки и хранения 8 и 9 приходят изменяющиеся во времени уровня напряжения, пропорциональные .соответственно току через испытуемый прибор 3 и напряжению на и,спытуемом приборе 3 (временная диаграмма 28 на фиг. 2; временная диаграмма 29 ток управления испытуемого прибора).На управляюи;ие входы блоков 8 и 9 выборки и хранения поступает импульс с выхода формирователя 10 импульса хранения (временная диаграмма.-39). Процесс включения испытуемого прибора происходит периодически, например, с частотой 50. Гц. С каждым-новым включением испытуемого тиристора 3 передний фронт импульса хранения сдвигается относительно начала импульса тока управления на величину K-At, где К - количество сделанных включений, а At шаг дискретйзаиии, т.е. ipeMfl между двумя соседними точ ками входного сигнала (тока либр нап ряжения), которые измерены устройст вом.. До прихода импульса хранения на выходах блоков 8 и 9 выборки и хране ния напряжение в каждый момент времени равно напряжению на входе 6liOка. С приходом переднего фронта импульса хранения напряжение на выходе блокс 8 и 9 перестает изменяться и до прихода заднего фронта импульса хранения остается постоянным и равным значению напряжения на входе в момент прихода переднего фронта импульса хранения. Поскольку передний фронт импульса хранения с кажды следующим включением испытуемого, тиристора 3 сдвигается относит гльно начала импульса тока управления не величину 4kt, то на выходах блоков 8 и 9 выборки и хранения последовательно появляются уровни напряжений, пропорциональные соответственно мгно венным значениям тока и напряжения на испытуемом приборе 3 в Моменты времени О, At, 2At, .... и т.д. до N-ikt, где N - число точек, иймерения, заданное до начала испытаний (временная диаграммка 8 - сигнал на выходе блока 8). V Аналоговый переключатель 11 по очереди лодключает вход АЦП 12 к вы ходам блоков 8 и 9 выборки и хранени /АШ 1 с приходом импульса управлени .. от схемы 25 управления преобразовывагет.уровни напряжения, которые поступ пают на его вход , в цифровой код. По окончании преобразования одного числа с выхода аналого-цифрового преобразователя 12 формируется сигнал конец преобразования, по которому двоичный код поступает в память вычислительного блока 13. Затем осуществляется преобразование в двоичный код второго уровня напряжения, который пропорционален второй измеряемой в данный момент времени величине. Поступив в вычислительный блок 13, она умножается на первую величич ну и подается в память вычислительного блока 13. Затем При подаче следующего импульса тока управления процесс измерения повторяется для следующей точки измерений. После измерения мгновенных значений тока, напряжения и мощности во всех заданных точках кривой, дан93 ные Ьб этих величинах выводятся .на блок 14 вывода информации. Формирование переднего фронта импульса хранения, сдвиг его от одного включения испытуемого тиристора к другому на заданную величину, синхронизация этого фронта с импульсом запуска генератора 5 тока управления происходит следующим образом. При поступлении на вход установки в нуль счетчика 18 числа измерений импульса от узла 19 запуска все триггеры счетчика 18 устанавливаются в нуль, и на счетный вход еГо начинают поступать иМпульсы от узла 15 синхронизации, задающие частоту . включения испытуемого прибора (наиболее часто используется 1 либо 50 Гц, временная диаграмма 30). При поступлении каждого следующего импульса в Триггерах счетчика 18 запись1вается код, например двоичный, соответствующий количеству пришедщих импульсов. Этот код с выходов счетчика 18 Числа измерений поступает на входы распределительного блока 16 вместе с сигналом с выхода узла 15 синхронизации. Распределительный блок 16 может быть выполнен либо в виде дешифраг тора, либо в виде последовательного регистра и формирует на одном из своих выходов, число которых равно числу точек дискретизации (числу измерений), уровень логической единицы, тогда, как на остальных выходах присутствует уровень логического нуля. Номер выхода, на котором формиру единица. pa ве н чи слу п рошед18 числа измерений им«их в счетчик пульсов. Например, при записи десяти импульсов только на десятом выходе распределительного блока 16 присутствует уровень логической единицы (временные диаграммы для трех так тов 31-33). Импульсы с выхода узла 15 синхрО низации поступают также на один из входов схемы 17 выделения первого импульса, на второй вход которой приходит последовательность импульсов с выхода кварцевого генератора 2k, работающего в Непрерывном режиме, причем период следования этих импульсов равен интегралу между двумя точками, в которых производится измерение мощности коммутации (временная диаграмма З). На выходе схемы 17 выделения первого импульса появляется импульс, передний и задний фрон ты которого совпадают с соответствующими фронтами одного из выходных импульсов кварцевого генератора 2 и попадают по времени между фронтами импульса;пришедшего с выхода узла 15 синхронизации (временная диаграм ма 35) Импульс с выхода схемы 17 выделения первого импульса поступает на вход генератора 5 управления запуская его и определяя начало импульса тока управления испытуемого прибора 3 и на вход установки в .нуль счетчика 21. числа тактов. При |устанЬвке счетчика 21 числа тактов в нуль с выхода схемы 22 выделения последнего такта на один из входов схемы 23 совпадения поступает логиче ская единица, и на счетный вход счетчика 21 числа тактов начинают приходить импульсы, формируемые квар цевым генератором 2, (временная диаграмма Зб). При этом в счетчике 21 числа тактов последовательно записываются коды, соответствующие количеству поступивших в счетчик импульсов. При записи кода, соответствующего номеру последней точки измере ния , на выходе схемы 22 выделения последнего такта формируется уровень логического нуля, и поступление импульсов на счетный вход счетчика 21 числа тактов прекращается до прихода следующего импульса от узла 15 синхронизации. Таким образом, при приходе каждого следующего импульса от узла .15 синхронизации, и, соответственно, изменение содержимого счетчика 18 числа измерений на единицу в младшем разряде, в счетчике 21 числа тактов происходит последова тельное изменение кодов от нулевого до наибольшего, соответствующего номеру последней точки измерения. Выходы всех триггеров счетчика 21 числа тактов поступают на входы дешифратора 20 тактов. Выходы счетчика 21 и выходы распределительного устройства 1б объединяются элементами и дешифраторами 20 тактов. При этом в дешифраторе по очереди появится десять импульсов, причем передний фронт i-oro импульса сдвинут относительно перед него фронта импульса на выходе схемы 17 выделения первого импульса на величину К Т, где Т-период следования импульсов, на выходе схемы 2б сравнения, последовательно проходят импульсы, и передний фронт каждого из них сдвинут на величину К-At, где К - номер импульса относительно переднего фронта импульса тока управления испытуемым прибором 3 (временная диаграмма 37) , При появлении уровня логической единицы на последнем выходе распределительного блока 16, узел 15 синхронизации останавливается, и процесс формирования импульсов сдвига заканчивается до прихода следующего импульса от узла 19 запуска. Предложенное техническое решение позволяет повысить точность измерения мгновенных значений мощности по терь, выделяющейся при коммутации тиристора, за сЧет нового построения блока управления выборкой и хранением, Одним из основных параметров, оп- ределяющих точность измерения, является стабильность сдвига от такта к такту переднего фронта импульса, управляющего устройством выборки и хранения относительно начала импульса тока управления испытуемого прибора, В устройстве построения указанного блока позволило осуществить формирование импульса хранения в момент записи в счетчик числа тактов такого же кода, как и записанного к этому моменту времени в счетчик числа измерений. На каждом следующем измерении момент совпадения кодов отодвигается на время, равное периоду колебаний кварцевого генератора, а введение в устройство схемы выделения первого импульса, сигналом с выхода которой управляются и генератор управления, и счетчик числа тактов, позволило привязать моменты начала импульса тока управления, сброса сче1;чика числа тактов в нуль и совпадения кодов в двух счетчиках к фронтам импульсов кварцевого генератора. Это обеспечило сдвиг переднего.фронта импульса хранения от такта на величину периода следования импульсов кварцевого генегратора, который может поддерживаться с очень высокой степенью точности, благодаря чему с высокой точностью производятся измерения. Формула изобретения Устройство для измерения мощности потерь при коммутации тиристора,содермащее испытательный контур с клем мами для. подключения испытуемого прибора, к которым подсоединены генератор тока управления датчики тока и напряжения, соединенные через согласующий узлы о:соответст1ву1С1и1ими блоками выборки и хранения управляюи(ие входы которых подключены к выходу формирователя импульсов хранения, а их выходы через аналоговый переключатель - к последовательно соединенным аналого-цифровому прёобразовате11Ю, вычислительному блоку и блоку вывода информации, схему управ ления, подключенную к управляющим входам аналогового переключателя и айалого-цифрового пре рбразователя, узлы запуска и синхронизации блок управления выборкой и хранением, о Т ли чаю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерений, блок управления выборкой и хранением выполнен состоящим из счетчика Числа измерений, распределительного блока, схемы объединения, дешифратор тактов, схемы выделения последнего такта, счетчика числа тактов, из схемы совпадения кварцевого генератора и схемы выделения первого импульса , причем счетНый вход счетчика-числа измерений соединен с выходом узла запуска, его вход установ ки нуля - с выходом узла синхронизации, к которому подключены дополни3тельно управляющие входы распределительного блока и схемы выделения первого импульса, а выходы счетчика числа измерений через распределительный блок, один из выходов которс го соединен с узлом синхронизации, Подключены к входам дешифратора тактов, К которым подключены также выходы счётчика числа тактов и соединенные с ними 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 генератора тока управления и схемы управления , выходы дешифратора подключены через схему объединения к входу формирователя импульса хранения. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Бунаков В, Л. и др. Исследование динамических потерь в силовых переключающих схемах. Труды МЭИ, 1977, вып. 339, с. 22-27у 2.Tasuo Тап and others;. Dynamic characterrstlcs of Thyristors. IEEE Conf. RecoH ef IAS, 1972, 7-th Annu. Meet, p. .

х со

,J

960673

uCt) lit)

() i(t)

xOfA

u(t) i{t)