Технические науки/6. Электротехника и радиоэлектроника

Д.т.н., проф. Цытович Л.И., к.т.н., доцент Брылина О.Г.,

к.т.н., доцент Дудкин М.М., ведущий инженер Рахматулин Р.М.

Южно-Уральский государственный университет, г. Челябинск, Россия

ИНТЕГРИРУЮЩИЕ РАЗВЕРТЫВАЮЩИЕ ДАТЧИКИ НУЛЕВОГО ТОКА

Высокий уровень помех в каналах передачи информации систем управления технологическими процессами является одной из причин сбоев в работе силовой преобразовательной техники [1], в частности, реверсивных тиристорных преобразователей постоянного тока с раздельным управлением (ТП). Здесь одним из наиболее чувствительных к внешним помехам элементом системы управления ТП являются датчики нулевого тока (ДНТ), построение которых традиционно базируется на том или ином варианте схем компараторов [2]. При этом уровень фильтрации сигналов помех на входе ДНТ зачастую ограничивается требованиями к быстродействию системы управления технологическим объектом.

Одним из эффективных путей повышения помехоустойчивости систем управления ТП является применение методов интегрирующего развертывающего преобразования [3-5].

Ниже рассматриваются принципы построения интегрирующих ДНТ повышенной помехоустойчивости на базе частотно-широтно-импульсных развертывающих преобразователей (РП) с аналоговым и цифровым методами обработки выходного сигнала.

Аналоговый датчик нулевого тока

ДНТ [6] (рис.1 а) относится к классу аналоговых систем с однозонной частотно-широтно-импульсной модуляцией (ЧШИМ). В его состав входят интегрирующий РП на основе сумматора Σ, интегратора И, релейного элемента РЭ с неинвертирующей петлей гистерезиса и симметричными относительно нулевого уровня порогами переключения ±b, а также пропорциональные звенья К_ВХ и К_ОС на входе и в цепи обратной связи, определяющие величину коэффициента передачи К_П РП со стороны информационного входа.

Дальнейшее преобразование выходного сигнала РП осуществляется с помощью дифференцирующего звена Д с постоянными времени Т₁, Т₂, двухполупериодного выпрямителя (демодулятора) В, сглаживающего фильтра Ф и порогового элемента ПЭ с порогом включения D.

В исходном состоянии при входном сигнале, удовлетворяющем условию |Х_ВХ| < (), РП работает в режиме автоколебаний с ЧШИМ. Здесь: - амплитуда выходных импульсов РЭ; - допустимый уровень сигнала Х_ВХ, соответствующий линейному участку характеристики Y₀ = f(X_ВХ), где Y₀ – среднее значение выходных импульсов РЭ за период автоколебаний РП. Период автоколебаний определяется соотношением

,

где: – нормированное значение порогов переключения РЭ; – постоянная времени интегратора И; – нормированное значение входного сигнала ДНТ.

Наличие тока в цепи нагрузки ТП переводит РП в заторможенный режим, когда выходной сигнал РЭ принимает одно из статических положений (рис. 1 б, в). Для этого параметры звеньев подбираются образом, чтобы входной сигнал X_ВХ ДНТ (рис.1 б) значительно превышал бы допустимое значение . Как правило, для этого необходимо обеспечить К_П = 150… 300.

При срыве в РП автоколебательного режима выходной сигнал интегратора И достигает зоны «насыщения» операционного усилителя (ОУ) (рис. 1 в), на основе которого реализуется канал интегрирования РП. Знак координаты противоположен знаку X_ВХ (рис. 1 б, в).

По мере снижения тока нагрузки (рис. 1 б) ДНТ стремится перейти в режим автоколебаний, что происходит, когда входной сигнал становится меньше величины (рис. 1 б, в). Появление импульсов на выходе РЭ обеспечивает формирование переменного сигнала на выходе звена Д (рис. 1 д), постоянные времени которого выбираются таким образом, чтобы передать выходные импульсы РЭ на вход выпрямителя В с минимальными искажениями.

Рис. 1. Структурная схема (а) и временные диаграммы сигналов (б - ж) однозонного аналогового интегрирующего датчика нулевого тока

В результате демодуляции и сглаживания выходного сигнала блока Д на вход ПЭ подается постоянный сигнал (рис. 1 е), который преобразуется в напряжение логической «1» (рис. 1 ж), что соответствует нулевому уровню тока нагрузки ТП. Наличие интегратора в прямом канале ДНТ и его работа в режиме «насыщения» исключает ложные срабатывания датчика под воздействием импульсных помех, что характерно для ДНТ компараторного типа [2].

Использование в качестве информативной координаты РП переменной составляющей выходных импульсов РЭ снижает жесткость требований к дрейфовым параметрам интегратора и других элементов ДНТ, что позволяет получить достаточно стабильный характер работы датчика при коэффициентах его пропорционального усиления на уровне К_П ≤ 300 (например, при использовании ОУ типа LM6171 National Semiconductor).

Аналого-цифровой датчик нулевого тока

ДНТ на рис. 2 а отличается от предыдущей схемы способом фиксации нулевого значения входной координаты, для чего период выходных импульсов РП преобразуется в цифровой код, который сравнивается с заранее заданным значением, пропорциональным периоду автоколебаний РП при нулевом уровне входного сигнала.

Для этой цели здесь служат ключевой элемент Кл., одновибраторы ОВ1, ОВ2, генератор счетных импульсов G стабильной частоты, элемент задержки DL, счетчик СТ, регистр памяти RG, цифровой компаратор ЦК, элемент Л1 «2И», элемент «nИ-НЕ», блок Л3 функции «2ИЛИ» и источник опорного цифрового кода ИК. Интегратор И в цепи обратной связи содержит нелинейный элемент НЭ с зоной нечувствительности || < |±Y_Н|, что уменьшает время задержки выхода ОУ интегратора из режима «насыщения» при выполнении условия < .

Рис. 2. Структурная схема (а) и временные диаграммы сигналов (б – з) однозонного интегрирующего аналого-цифрового датчика нулевого тока

Ключ Кл. предназначен для преобразования биполярных выходных импульсов РЭ в однополярный сигнал (рис. 2 б, в), что необходимо для «стыковки» выхода РЭ с элементами цифровой электроники. ОВ1 формирует импульсы малой длительности синхронно с передним фронтом сигнала на выходе Кл. (рис. 2 в, г), а импульс на выходе ОВ2 появляется при достижении в счетчике заранее заданного числа N₀ > N_MIN (рис.2 д, з), когда Л2 переходит в нулевое состояние и накопление числа в СТ прекращается. Запись данных в регистр RG производится выходными импульсами ОВ1, а «обнуление» СТ осуществляется с задержкой τ, формируемой с помощью DL (рис. 2 г – е).

При уменьшении до нулевого значения период следования импульсов на выходе РЭ становиться минимальным (рис. 2 б, t₁ = t₂) и соответствует числу , которое задается источником ИК. Здесь – период счетных импульсов с выхода генератора G, причем << .

В этом случае ЦК переключается в состояние «1», фиксируя тем самым факт нулевого значения входной координаты.

Учитывая, что при t₁ ≠ t₂ соблюдается условие >, цифровой компаратор ЦК сохраняет на выходе логический «0», запрещающий реверс ТП. Периодический запуск ОВ1 (фиг. 2 г) дублирует перенос числа в RG.

Рис. 3. Временные диаграммы сигналов однозонного интегрирующего аналого-цифрового датчика нулевого тока при срыве автоколебаний в развертывающем преобразователе

Если ДНТ вновь переходит в статический режим (фиг. 3 а), то число в счетчике достигает уровня (фиг. 3 в). Под действием импульса с выхода ОВ2 (фиг. 3 в) данные переносятся в RG, а компаратор ЦК формирует сигнал логического «0» (фиг. 3 г). При этом счет прекращается, так как состояние в СТ обеспечивает статический «0» на выходе Л2, блокируя прохождение счетных импульсов через Л1 с выхода G на счетный С- вход счетчика СТ.

Основные преимущества аналого-цифрового ДНТ сводятся к следующему. Он является системой с двойным интегрированием, что повышает степень помехоустойчивости ДНТ как к внешним, так и внутренним помехам (первый канал интегрирования – интегратор И, второй «интегратор» - счетчик СТ). Повышенная точность ДНТ обусловлена цифровым алгоритмом фиксации значения , что позволяет увеличить быстродействие процесса обнаружения «нулевого тока» в контролируемой цепи. Сохранение статического состояния счетной схемы в периоды срыва автоколебательного процесса во входном контуре датчика уменьшает вероятность самопроизвольного перехода цифрового компаратора 17 в состояние «1» под действием внешних помех, а также снижает уровень внутренних помех в ДНТ от РП, который тот генерирует, например, через каналы источника электропитания, работая в режиме автоколебаний. Кроме того, дискретно-цифровая часть ДНТ, в которую целесообразно включить также РЭ (рис. 2 а), достаточно просто реализуется на программируемом контроллере ПК. Интегрирующий канал ДНТ в большинстве практических случаев целесообразно выполнять на аналоговой основе, так как цифровое интегрирование не приводит к повышению точности ДНТ, а лишь неоправданно увеличивает объем программной части устройства.

Литература:

1. Осипов, О.И. Промышленные помехи и способы их подавления в вентильных электроприводах постоянного тока / О.И. Осипов, Ю.С. Усынин. – М.: Энергия, 1979. – 80 с.

2. Чернов Е.А., Кузьмин В.П. Комплектные электроприводы станков с ЧПУ. Справочное пособие.- Горький: Волго-Вятское книжное издательство, 1989.-320 с.

3. Цытович, Л.И. Реверсивный тиристорный преобразователь для систем управления с питанием от сети с нестационарными параметрами / Л.И. Цытович, Р.М. Рахматулин, М.М. Дудкин, А.В. Качалов // Практическая силовая электроника. – М.: Изд-во ЗАО «ММП-Ирбис», 2009. – № 2 (34). – С. 35–41.

4. Качалов, А.В. Интегрирующие устройства синхронизации для систем импульсно-фазового управления вентильными преобразователями / А.В. Качалов, Л.И. Цытович, М.М. Дудкин // Практическая силовая электроника. – М.: Изд-во ЗАО «ММП-Ирбис», 2010. – № 1 (37). – С. 42–51.

5. Цытович, Л.И. Интегрирующие развертывающие преобразователи с повышенной температурной стабильностью характеристик / Л.И. Цытович, М.М, Дудкин, А.В. Качалов, О.Г. Терещина, Н.А. Логинова. // Приборы и системы. – 2010. – № 10.

6. RU 2390906 Российская Федерация, МПК⁷ Н 02 М 1/08, G 06 G 7/12. Датчик нулевого тока / Л.И. Цытович, М.М. Дудкин, А.В. Качалов, Р.М. Рахматулин. – № 2009114056/09; заявл. 13.04.09; опубл. 27.05.10, Бюл. № 15. – 8 с.

Цытович Леонид Игнатьевич – заведующий кафедрой электропривода (ЭПА) Южно-Уральского государственного университета (ЮУрГУ), доктор техн. наук, профессор, тел./факс 8 (351) 2 – 67 – 93 – 85, E – mail: tsli@susu.ac.ru

Брылина Олеся Геннадьевна - доцент кафедры ЭПА ЮУрГУ, канд. техн. наук, тел. 8 (351) 2 67 – 93 – 21, E – mail: teolge@mail.ru

Дудкин Максим Михайлович – доцент кафедры ЭПА ЮУрГУ, канд. техн. наук, тел. 8 (351) 2 67 – 93 – 21.

Рахматулин Раис Мухибович – ведущий инженер кафедры ЭПА ЮУрГУ, тел. 8 (351) 2 67 – 93 – 21.

АННОТАЦИЯ

Рассматриваются принципы построения датчиков нулевого тока (ДНТ) на основе интегрирующих развертывающих преобразователей с однозонной частотно-широтно-импульсной модуляцией, предназначенных, в частности, для систем управления реверсивными тиристорными преобразователями с раздельным управлением.

Приведены структуры аналогового и аналого-цифрового ДНТ, их временные диаграммы сигналов.