Результат интеллектуальной деятельности: ФОРМИРОВАТЕЛЬ ТРЕХФАЗНЫХ ГАРМОНИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

Изобретение относится к радиотехнике и связи и может быть использовано при построении многофазных генераторов.

Известно устройство [1], содержащее генератор переменной частоты, три реверсивных счетчика, четыре блока постоянного запоминания, четыре цифроаналоговых преобразователя, два управляемых аттенюатора, источник опорного напряжения, два сумматора, преобразователь кодов, реализованный на базе однокристальной микроЭВМ, формирователь управляющих кодовых сигналов и четыре выходных аттенюатора.

Устройство формирует на своих выходах систему трехфазных гармонических сигналов, но обладает повышенной сложностью.

Известно устройство [2], содержащее задающий генератор, первый и второй интеграторы, первый и второй функциональные преобразователи треугольного напряжения в синусоидальное, весовой инвертирующий сумматор, источник управляющего напряжения, инвертор и управляемый формирователь сдвинутых по фазе прямоугольных импульсов, между первым выходом которого и первым входом весового инвертирующего сумматора включены последовательно соединенные первый интегратор и первый функциональный преобразователь треугольного напряжения в синусоидальное, последовательно соединенные второй интегратор и второй функциональный преобразователь треугольного напряжения в синусоидальное включены между вторым выходом управляемого формирователя сдвинутых по фазе прямоугольных импульсов и вторым входом весового инвертирующего сумматора, первый, второй и третий выходы которого соединены с соответствующими выходами устройства, при этом источник управляющего напряжения соединен со вторым входом управляемого формирователя сдвинутых по фазе прямоугольных импульсов и входом задающего генератора, к выходу которого подключен первый вход управляемого формирователя сдвинутых по фазе прямоугольных импульсов, третий вход которого соединен с выходом инвертора, выход которого подключен к источнику управляющего напряжения.

Функциональные преобразователи треугольного напряжения в синусоидальное, являясь достаточно сложными устройствами, не обеспечивают высокой спектральной чистоты формируемых квазигармонических сигналов и работают, как правило, в ограниченном диапазоне изменения амплитуд входных сигналов. Кроме того, интеграторы, работающие в системах без обратной связи, имеют тенденцию к «сползанию» выходного сигнала в область питающих напряжений из-за различных дестабилизирующих факторов (например, дрейфа нуля). Данное обстоятельство еще более усугубляет работу функциональных преобразователей треугольного напряжения в синусоидальное.

Наиболее близким устройством к заявленному изобретению по совокупности существенных признаков является, принятый за прототип, преобразователь частоты в напряжение [3], содержащий первый и второй повторители, выполненные из операционных усилителей, первый и второй резисторы, первый и второй конденсаторы, первый формирователь стробирующих импульсов, выполненный из первого компаратора и первого одновибратора, второй формирователь стробирующих импульсов, выполненный из второго компаратора и второго одновибратора, первое и второе устройства выборки-хранения, делитель, масштабирующий усилитель и инвертор, включенный между выходом первого повторителя и входом второго формирователя стробирующих импульсов, выход которого соединен со вторым входом второго устройства выборки-хранения, к выходу которого подключен второй вход делителя, первый вход которого соединен с выходом первого устройства выборки-хранения, второй вход которого соединен с выходом первого формирователя стробирующих импульсов, вход которого подключен к выходу второго повторителя, при этом первый резистор включен между входной шиной и входом первого повторителя, выход которого соединен с первым входом первого устройства выборки-хранения, второй конденсатор включен между входной шиной и входом второго повторителя, выход которого соединен с первым входом второго устройства выборки-хранения, а между выходом делителя и выходом устройства включен масштабирующий усилитель, причем первый конденсатор включен между входом первого повторителя и общей шиной, а второй резистор включен между входом второго повторителя и общей шиной.

При подаче на вход устройства гармонического сигнала с амплитудой и частотой, изменяющимися в широких пределах, на выходе устройства формируется напряжение, пропорциональное частоте входного источника, но в устройстве не формируется система трехфазных симметричных колебаний.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является расширение функциональных возможностей устройства и получение на его выходах трехфазной системы гармонических колебаний.

Технический результат, достигаемый при осуществлении изобретения, заключается в расширении функциональных возможностей устройства путем формирования трехфазных гармонических сигналов, фазовые сдвиги между которыми составят ±120 электрических градусов и будут оставаться стабильными при изменении частоты и амплитуды входного источника в широких пределах.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в формирователь трехфазных гармонических сигналов, содержащий первый и второй резисторы, первый и второй конденсаторы, первый и второй повторители, первый и второй компараторы, первый и второй одновибраторы, первое и второе устройства выборки-хранения, делитель, масштабирующий усилитель и инвертор, при этом первый резистор включен между входной шиной и входом первого повторителя, к выходу которого подключены неинвертирующий вход первого компаратора и первый вход второго устройства выборки-хранения, первый конденсатор включен между входной шиной и входом второго повторителя, к выходу которого подключены инвертирующий вход второго компаратора и первый вход первого устройства выборки-хранения, выход которого соединен с первым входом делителя, второй вход которого подключен к выходу второго устройства выборки-хранения, вход которого соединен с выходом второго одновибратора, вход которого подключен к выходу второго компаратора, неинвертирующий вход которого соединен с общей шиной, между которой и входом первого повторителя включен первый конденсатор, а второй резистор включен между входом второго повторителя и общей шиной, с которой соединен инвертирующий вход первого компаратора, между выходом которого и вторым входом первого устройства выборки-хранения включен первый одновибратор, причем к выходу делителя подключен вход масштабирующего усилителя, дополнительно введены первый и второй управляемые фазовращатели, вторые входы которых подключены к выходу масштабирующего усилителя, при этом инвертор включен между входной шиной и первым входом первого управляемого фазовращателя, выход которого соединен со вторым выходом формирователя трехфазных гармонических сигналов, первый выход которого соединен с входной шиной и первым входом второго управляемого фазовращателя, выход которого соединен с третьим выходом формирователя трехфазных гармонических сигналов.

При этом первый и второй управляемые фазовращатели могут быть выполнены по идентичным схемам и каждый из которых содержит третий и четвертый резисторы, третий конденсатор, операционный усилитель, перемножитель и сумматор, выход которого соединен с выходом управляемого фазовращателя, второй вход которого соединен со вторым входом перемножителя, к выходу которого подключен второй вход сумматора, первый вход которого соединен с первым входом управляемого фазовращателя, при этом третий резистор включен между выходом перемножителя и инвертирующим входом операционного усилителя, неинвертирующий вход которого соединен с общей шиной, четвертый резистор включен между первым входом первого управляемого фазовращателя и инвертирующим входом операционного усилителя, выход которого соединен с первым входом перемножителя, причем третий конденсатор включен между выходом и инвертирующим входом операционного усилителя.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, позволил установить, что заявитель не обнаружил аналог, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «новизна».

Введение дополнительных элементов, а также организация новых связей между функциональными элементами, позволили расширить функциональные возможности устройства путем формировании трехфазных гармонических сигналов, фазовые сдвиги между которыми составят ±120 электрических градусов и будут оставаться стабильными при изменении частоты и амплитуды входного источника в широких пределах.

Изобретение поясняется структурной схемой формирователя трехфазных гармонических сигналов, изображенной на фиг. 1, и графиками, поясняющими принцип работы формирователя трехфазных гармонических сигналов на фиг. 2.

Формирователь трехфазных гармонических сигналов содержит первый 1 и второй 2 резисторы, первый 3 и второй 4 конденсаторы, первый 5 и второй 6 повторители, первый 7 и второй 8 компараторы, первый 9 и второй 10 одновибраторы, первое 11 и второе 12 устройства выборки-хранения, делитель 13, масштабирующий усилитель 14, инвертор 15, первый 16 и второй управляемые фазовращатели, выходы которых соединены, соответственно, со вторым и третьим выходами формирователя трехфазных гармонических сигналов, первый выход которого соединен с входной шиной, входом инвертора 15 и первым входом второго управляемого фазовращателя, второй вход которого соединен со вторым входом первого управляемого фазовращателя 16 и выходом масштабирующего усилителя 14, вход которого подключен к выходу делителя 13, первый и второй входы которого соединены с выходами, соответственно, первого 11 и второго 12 устройств выборки-хранения, при этом первый резистор 1 включен между входной шиной и входом первого повторителя 5, к выходу которого подключены неинвертирующий вход первого компаратора 7 и первый вход второго устройства выборки-хранения 12, второй конденсатор 4 включен между входной шиной и входом второго повторителя 6, к выходу которого подключены инвертирующий вход второго компаратора 8 и первый вход первого устройства выборки-хранения 11, второй вход которого соединен с выходом первого одновибратора 9, вход которого подключен к выходу первого компаратора 7, инвертирующий вход которого соединен с общей шиной, причем второй одновибратор 10 включен между выходом второго компаратора 8 и вторым входом второго устройства выборки-хранения 12, первый конденсатор 3 включен между входом первого повторителя 5 и общей шиной, второй резистор 2 включен между входом второго повторителя 6 и общей шиной, с которой соединен неинвертирующий вход второго компаратора 8, а к выходу инвертора 15 подключен первый вход первого управляемого фазовращателя 16.

Первый 16 и второй 17 управляемые фазовращатели могут быть выполнены по идентичным схемам, каждая из которых содержит третий 18 и четвертый 19 резисторы, третий конденсатор 20, операционный усилитель 21, перемножитель 22 и сумматор 23, выход которого соединен с выходом управляемого фазовращателя 16, второй вход которого соединен со вторым входом перемножителя 22, к выходу которого подключен второй вход сумматора 23, первый вход которого соединен с первым входом управляемого фазовращателя 16, при этом третий резистор 18 включен между выходом перемножителя 22 и инвертирующим входом операционного усилителя 21, неинвертирующий вход которого соединен с общей шиной, четвертый резистор 19 включен между первым входом первого управляемого фазовращателя 16 и инвертирующим входом операционного усилителя 21, выход которого соединен с первым входом перемножителя 22, причем третий конденсатор 20 включен между выходом и инвертирующим входом операционного усилителя 21.

Формирователь трехфазных гармонических сигналов работает следующим образом.

Повторитель 5, резистор 1 и конденсатор 3 образуют первый неуправляемый фазовращатель (НФ1), а повторитель 6, резистор 2 и конденсатор 4 образуют второй неуправляемый фазовращатель (НФ2).

При подаче на входную шину (фиг. 2), то есть на вход первого и второго неуправляемых фазовращателей, гармонического сигнала

с амплитудным значением A₀ после окончания переходного процесса на выходе НФ1 также устанавливаются гармонические колебания V₁(t) с той же самой частотой ω, но с другой амплитудой А₁ и фазой φ

а на выходе НФ2 - гармонические колебания V₂(t) с амплитудой А₂ и фазой φ₂

Фазовый сдвиг φ₁(ω) между выходным V₁(t) и входным N₀(t) колебаниями определяется выражением

а фазовый сдвиг φ₂(ω) между выходным V₂(t) и входным N₀(t) колебаниями определяется выражением

Фазовый сдвиг φ₂₁(ω) между колебаниями V₂(t) и V₁(t)

Из (6) следует, что фазовый сдвиг φ₂₁(ω) между выходными колебаниями V₂(t) и V₁(t) при любых изменениях частоты ω и постоянной времени τ будет неизменным и составлять 90 электрических градусов.

Компаратор 7 и одновибратор 9 образуют первый формирователь стробирующих импульсов (ФСИ1), а компаратор 8 и одновибратор 10 образуют второй формирователь стробирующих импульсов (ФСИ2).

Формирователь ФСИ1 совместно с первым устройством выборки-хранения 11 (УВХ1) образуют первый пиковый детектор (ПД1), а формирователь ФСИ2 и второе устройство выборки-хранения 12 - второй пиковый детектор (ПД2).

Квадратурные гармонические сигналы V₁(t) и V₂(t) подаются (фиг. 2) на входы, соответственно, первого ПД1 и второго ПД2 пиковых детекторов.

Компаратор 7 формирует из сигнала V₁(t) сигнал K₁(t) прямоугольной формы (фиг. 2), а компаратор 8 формирует из сигнала V₂(t) сигнал прямоугольной формы K₂(t).

Одновибраторы 9 и 10 формируют узкие импульсы T₁ и Т₂, поступающие на вторые входы, соответственно, первого 11 и второго 12 устройств выборки-хранения.

Поскольку время прихода импульсов T₁ и Т₂ на входы устройств выборки-хранения 11 и 12 всегда совпадает с максимальными (экстремальными) значениями соответствующих сигналов V₂(t) и V₁(t), поступающими на первые входы устройств выборки-хранения 11 и 12, а длительность управляющих импульсов T₁ и Т₂ чрезвычайно мала, то постоянные напряжения E₁ и Е₂, формируемые на выходах устройств выборки-хранения 11 и 12, будут в точности равны пиковым (амплитудным) значениям А₁ и А₂ сигналов V₁(t) и V₂(t), то есть Е₁=А₁ и Е₂=А₂.

Для нахождения амплитудных значений А₁ и А₂ сигналов V₁(t) и V₂(t), а также напряжения E_F на выходе делителя 13 воспользуемся операторным методом. Найдем передаточные функции H₁(s) и H₂(s), соответственно, первого и второго фазовращателей.

Передаточная функция

где τ₁ - постоянная времени первого неуправляемого фазовращателя 1; s - комплексная переменная.

Передаточная функция

где τ₂ - постоянная времени второго неуправляемого фазовращателя.

Передаточная функция Н₁(s) соответствует инерционному (апериодическому) звену первого порядка, а передаточная функция Н₂(s) - реальному дифференцирующему звену.

При τ₁=τ₂=τ передаточная функция

а передаточная функция

Подставив значение комплексной переменной s=jω в уравнения (6) и (7), найдем комплексные частотные функции первого H₁(jω) и второго H₂(jω) неуправляемых фазовращателей

Коэффициент передачи первого неуправляемого фазовращателя (модуль комплексной частотной функции), определяющий изменение амплитуды А₁ сигнала V₁(t) от частоты ω=2πƒ

Коэффициент передачи второго неуправляемого фазовращателя

На выходе делителя 13 формируется сигнал

Таким образом, как следует из (15), на выходе делителя формируется напряжение E_F, пропорциональное частоте входного сигнала, которое с помощью масштабирующего усилителя 17 преобразуется в управляющее напряжение E_y, поступающее на вторые входы управляемых фазовращателей 16 и 17.

Очевидно, что коэффициент пропорциональности K_ƒ будет определяться величиной коэффициента передачи масштабирующего усилителя 17, то есть K_ƒ=E_Y0/E_F0, где E_Y0 и E_F0 - значения напряжений, которые соответствуют номинальному значению частоты ƒ₀ входного сигнала N₀(t).

Получение системы трехфазных гармонических сигналов, синхронизированных с входным источником во всем рабочем диапазоне частот, происходит в предлагаемом формирователе следующим образом.

Управляемые фазовращатели 16 и 17 выполнены по идентичным схемам, но их параметры выбираются из условий получения требуемых фазовых сдвигов на втором Ψ₂=120° и третьем Ψ₃=-120° выходах, соответственно, для сигналов N₂(t) и N₃(t).

Операционный усилитель 21, два резистора 18 и 19, а также конденсатор 20 образуют инвертирующий интегратор, выходной сигнал которого

где k₁(s)=1/(R₁C·s)=1/(T₁s) и k₂(s)=1/(R₂C·s)=l/(T₂s) - коэффициенты передачи интегратора, соответственно, по первому и второму входам; С - величина емкости конденсатора 20; R₁ и R₂ - значения сопротивлений соответствующих резисторов 19 и 18; Т₁ и Т₂ - постоянные времени.

Сигнал V₄(s) на выходе перемножителя 22

где m - масштабный коэффициент перемножителя 22;

E_y - управляющее напряжение.

При совместном решении (16) и (17) найдем выражение для передаточной функции

где K_Ф=Т₂/Т₁=R₂/R₁ - коэффициент передачи управляемого фильтра;

T_Y=Т₂/(mE_Y) - управляемая постоянная времени.

Таким образом, передаточная функция (18) описывает классический фильтр нижних частот (ФНЧ) первого порядка с управляемой постоянной времени.

На первый вход сумматора 23, который является инвертирующим, подается сигнал V₄(s), а на второй вход - сигнал V₀(s). В результате суммирования сигналов на выходе сумматора 23 формируется сигнал

где k₃ и k₄ - коэффициенты передачи сумматора 23, соответственно, по первому и второму входам.

Совместное решение (18) и (19) дает возможность найти передаточную функцию управляемого фазовращателя, образованного ФНЧ и инвертирующим сумматором 23

Анализ выражения (20) показывает, что при k₄=1 и K_Ф·k₃=2 передаточная функция W₂(s) управляемого фазовращателя принимает вид

классического всепропускающего (фазового) фильтра первого порядка.

Для реализации (21) удобно принять R₁=R₂, тогда K_Ф=1. В этом случае коэффициент передачи сумматора 23 по первому входу должен быть равным двум, то есть k₃=2.

Подставив значение комплексной переменной s=jω в уравнение (21), найдем комплексную частотную функцию фазового фильтра

Модуль КЧФ не зависит от частоты и равен единице

а аргумент

Для получения симметричной системы трехфазных колебаний во всем диапазоне рабочих частот от ƒ_min до ƒ_max необходимо обеспечить для сигнала N₂(t) стабильный фазовый сдвиг ψ₂₂(ω)=+120°, а для сигнала N₃(t) - фазовый сдвиг ψ₂₃(ω)=-120°.

Необходимую величину фазового сдвига ψ₂₂(ω) можно получить следующим образом:

Первая составляющая фазового сдвига (25), равная минус 180 электрических градусов, обеспечивается с помощью инвертора 15, а вторая - с помощью фазового фильтра.

После подстановки значения ψ₂₂(ω)=-π/3 в (24) и в результате элементарных преобразований получим

где Т_У1 - управляемая постоянная времени первого фазовращателя 16.

Значение , поэтому перепишем формулу (26)

Из (27) следует, что для обеспечения стабильных фазовых сдвигов во всем диапазоне рабочих частот необходимо, чтобы управляющее напряжение Е_У изменялось пропорционально частоте ƒ входного сигнала Ν₀(t)

где K_ƒ - коэффициент пропорциональности.

Значение постоянной времени Т₂₂ выбирается из условия

Для получения фазового сдвига ψ₂₃(ω)=-120° сигнала N₀(t) необходимо выполнить следующее условие

где T_У2 - управляемая постоянная времени второго фазовращателя 17.

С учетом того, что запишем выражение для вычисления постоянной времени Т₂₃ для второго управляемого фазовращателя 17

Отношение постоянных времени Т₂₃/Т₂₂=3, поэтому для получения симметричной системы трехфазных гармонических колебаний постоянная времени Т₂₃ должна быть в три раза больше постоянной времени Т₂₂.

Предлагаемое устройство позволяет формировать симметричную трехфазную систему трехфазных гармонических сигналов (фиг. 2), фазовые сдвиги между которыми составят ±120 электрических градусов и будут оставаться стабильными при изменении частоты и амплитуды входного источника в широких пределах.

Источники информации

1. А.с. СССР №1603523, H03B 27/00. Минц М.Я и др. Цифровой формирователь трехфазных синусоидальных сигналов, заявл. 08.12.1988, опубл. 30.10.1990. Бюл. №40.

2. А.с. СССР №938358, H03B 27/00. Мануковский Ю.М., Сизов А.С. Перестраиваемый формирователь сдвинутых по фазе гармонических колебаний, заявл. 14.02.1980, опубл. 23.06.1982. Бюл. №23.

3. Патент РФ №130161, H02M 9/06. Дубровин B.C., Зюзин A.M. Преобразователь частоты в напряжение, заявл. 07.09.2012, опубл. 10.07.2013. Бюл. №19 (прототип).