Развитие принципов построения высоковольтных цифро-аналоговых преобразователей
Рассмотрена работа генератора для воссоздания сложных сигналов многофазной электрической сети. Предложен новый принцип коммутации опорных напряжений высоковольтного цифро-аналогового преобразователя для воспроизведения переменного напряжения. Описан принцип действия устройства, приведены структурные...
Gespeichert in:
| Datum: | 2014 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут електродинаміки НАН України
2014
|
| Schriftenreihe: | Технічна електродинаміка |
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/121888 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Развитие принципов построения высоковольтных цифро-аналоговых преобразователей / С.Г. Таранов, Ю.Ф. Тесик, О.Л. Карасинский, Р.Н. Мороз // Технічна електродинаміка. — 2014. — № 4. — С. 64-66. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-121888 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1218882017-06-22T03:02:42Z Развитие принципов построения высоковольтных цифро-аналоговых преобразователей Таранов, С.Г. Тесик, Ю.Ф. Карасинский, О.Л. Мороз, Р.Н. Електроенергетичні комплекси, системи та керування ними Рассмотрена работа генератора для воссоздания сложных сигналов многофазной электрической сети. Предложен новый принцип коммутации опорных напряжений высоковольтного цифро-аналогового преобразователя для воспроизведения переменного напряжения. Описан принцип действия устройства, приведены структурные схемы, формулы и графики, отображающие процессы в соответствующих цепях. Розглянуто роботу генератора для відтворення складних сигналів багатофазної електричної мережі. Запропоновано новий принцип комутації опорних напруг цифро-аналогового перетворювача для формування змінної напруги. Описано принцип дії пристрою, приведені структурні схеми, формули і графіки, що відображають процеси у відповідних ланцюгах. The work of the generator for reproduce a wide range of parameters of the voltages network is considered. A new principle of switching reference voltages of high-voltage DAC is proposed. The principle of action of the device, the structural scheme, formulas and graphs depicting the processes in the respective circuits are given. 2014 Article Развитие принципов построения высоковольтных цифро-аналоговых преобразователей / С.Г. Таранов, Ю.Ф. Тесик, О.Л. Карасинский, Р.Н. Мороз // Технічна електродинаміка. — 2014. — № 4. — С. 64-66. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. 1607-7970 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/121888 621.317 ru Технічна електродинаміка Інститут електродинаміки НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Електроенергетичні комплекси, системи та керування ними Електроенергетичні комплекси, системи та керування ними |
| spellingShingle |
Електроенергетичні комплекси, системи та керування ними Електроенергетичні комплекси, системи та керування ними Таранов, С.Г. Тесик, Ю.Ф. Карасинский, О.Л. Мороз, Р.Н. Развитие принципов построения высоковольтных цифро-аналоговых преобразователей Технічна електродинаміка |
| description |
Рассмотрена работа генератора для воссоздания сложных сигналов многофазной электрической сети. Предложен новый принцип коммутации опорных напряжений высоковольтного цифро-аналогового преобразователя для воспроизведения переменного напряжения. Описан принцип действия устройства, приведены структурные схемы, формулы и графики, отображающие процессы в соответствующих цепях. |
| format |
Article |
| author |
Таранов, С.Г. Тесик, Ю.Ф. Карасинский, О.Л. Мороз, Р.Н. |
| author_facet |
Таранов, С.Г. Тесик, Ю.Ф. Карасинский, О.Л. Мороз, Р.Н. |
| author_sort |
Таранов, С.Г. |
| title |
Развитие принципов построения высоковольтных цифро-аналоговых преобразователей |
| title_short |
Развитие принципов построения высоковольтных цифро-аналоговых преобразователей |
| title_full |
Развитие принципов построения высоковольтных цифро-аналоговых преобразователей |
| title_fullStr |
Развитие принципов построения высоковольтных цифро-аналоговых преобразователей |
| title_full_unstemmed |
Развитие принципов построения высоковольтных цифро-аналоговых преобразователей |
| title_sort |
развитие принципов построения высоковольтных цифро-аналоговых преобразователей |
| publisher |
Інститут електродинаміки НАН України |
| publishDate |
2014 |
| topic_facet |
Електроенергетичні комплекси, системи та керування ними |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/121888 |
| citation_txt |
Развитие принципов построения высоковольтных цифро-аналоговых преобразователей / С.Г. Таранов, Ю.Ф. Тесик, О.Л. Карасинский, Р.Н. Мороз // Технічна електродинаміка. — 2014. — № 4. — С. 64-66. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
| series |
Технічна електродинаміка |
| work_keys_str_mv |
AT taranovsg razvitieprincipovpostroeniâvysokovolʹtnyhcifroanalogovyhpreobrazovatelej AT tesikûf razvitieprincipovpostroeniâvysokovolʹtnyhcifroanalogovyhpreobrazovatelej AT karasinskijol razvitieprincipovpostroeniâvysokovolʹtnyhcifroanalogovyhpreobrazovatelej AT morozrn razvitieprincipovpostroeniâvysokovolʹtnyhcifroanalogovyhpreobrazovatelej |
| first_indexed |
2025-07-08T20:44:22Z |
| last_indexed |
2025-07-08T20:44:22Z |
| _version_ |
1837112978182242304 |
| fulltext |
64 ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2014. № 4
УДК 621.317
РАЗВИТИЕ ПРИНЦИПОВ ПОСТРОЕНИЯ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ
ЦИФРО-АНАЛОГОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
С.Г.Таранов, член-корр. НАН Украины, Ю.Ф.Тесик, докт.техн.наук, О.Л.Карасинский, канд.техн.наук,
Р.Н.Мороз
Институт электродинамики НАН Украины,
пр. Победы, 56, Киев-57, 03680, Украина.
e-mail: moroz320@yandex.ru
Рассмотрена работа генератора для воссоздания сложных сигналов многофазной электрической сети. Пред-
ложен новый принцип коммутации опорных напряжений высоковольтного цифро-аналогового преобразовате-
ля для воспроизведения переменного напряжения. Описан принцип действия устройства, приведены струк-
турные схемы, формулы и графики, отображающие процессы в соответствующих цепях. Библ. 4, рис. 4.
Ключевые слова: воспроизведение, метрологическое обеспечение, электроэнергия, усилители мощности, высо-
ковольтное цифро-аналоговое преобразование.
Развитие электроэнергетики, рост объемов производства и цен на электроэнергию сопровождается не-
избежным увеличением уровня контроля энергопотребления. Другими словами, растет оснащенность электро-
энергетики средствами измерения (СИ) параметров электроэнергии. Существуют несколько групп СИ, которые
подвергаются периодической поверке и аттестации. Это счетчики электроэнергии, приборы для измерения по-
казателей качества электричества, щитовые приборы и ряд других. Для создания метрологических установок,
проводящих поверку и аттестацию, необходим автоматизированный генератор-калибратор (ГК), предназначен-
ный для воспроизведения широкого ряда параметров режима сети. Общая структурная схема включения ГК и
СИ при поверке представлена на рис. 1, где: БУ – блок управления и обработки данных, СИ№1 - СИ№k – СИ от
1 до k-го, ЭСИ – эталонное средство измерений.
На выходе ГК формируются фазные напря-
жения U1, U2, U3, токи I1, I2, I3 и подаются на СИ №1 -
№k, эталонное СИ. Включение четырехпроводное с
нейтралью N. Блок управления посылает команды
ГК, считывает показания поверяемых и эталонного
приборов, вычисляет погрешность измерения. Для
проведения поверки СИ №1−№k эталонным СИ, дан-
ная схема позволяет получить «фантомную» актив-
ную мощность 3-х фазной сети
3332221113 coscoscos ϕϕϕ IUIUIUP ф ++= ,
где φ1-3 – углы фазового сдвига между соответст-
вующим фазным напряжением и током.
Упрощенная структурная схема ГК представлена на рис. 2. В состав генератора входят: модуль управ-
ления (МУ) (может содержать в себе процессор, постоянно запоминающее устройство (ПЗУ), порт подключе-
ния к компьютеру (ПК), органы управления − клавиатура, дисплей кнопки, переключатели и т.д., цифроанало-
говые преобразователи (ЦАП), усилители напряжения (УН) и тока (УТ), блок питания (БП). Принцип работы
следующий. Модуль управления по программе с компью-
тера или блока управления генерирует цифровой код, ко-
торый последовательно во времени поступает на входы
ЦАП. На выходе ЦАП образуются аналоговые сигналы
низкого уровня. Генерирование сигналов для воссоздания
напряжений и токов электросети происходит на основе
цифроаналогового преобразования или прямого цифрового
синтеза (DDS – Direct Digital Synthesis) [4]. Далее сигнал
усиливается усилителями напряжения или тока до требуе-
мого уровня. Выходные сигналы подаются на нагрузку
прямо или через трансформаторы. Усилители работают в
режиме АВ, B или D с широтно-импульсной модуляцией
(ШИМ). Блок питания формирует необходимые напряже-
ния питания. Многофазность генератора обеспечивается
соответствующим количеством ЦАП и усилителей напря-
жения и тока. В общем случае сигналы генератора описываются следующими зависимостями:
© Таранов С.Г., Тесик Ю.Ф., Карасинский О.Л., Мороз Р.Н., 2014
Рис. 1
Рис. 2
ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2014. № 4 65
∑
=
+=
max
1
)sin()(
K
k
UAkAkA tkUtu ψω , ∑
=
+=
max
1
)sin()(
K
k
UAkAkA tkIti ψω ,
∑
=
+=
max
1
)sin()(
K
k
UBkBkB tkUtu ψω , ∑
=
+=
max
1
)sin()(
K
k
UBkBkB tkIti ψω ,
∑
=
+=
max
1
)sin()(
K
k
UCkCkC tkUtu ψω , ∑
=
+=
max
1
)sin()(
K
k
UCkCkC tkIti ψω ,
где uA(t), uB(t), uC(t), uA(t), uB(t), uC(t) – мгновенные значения выходных сигналов, UAk,UBk, UCk, IAk, IBk, ICk, ΨUAk,
ΨUBk, ΨUCk, ΨIAk, ΨIBk, ΨICk – амплитуды и начальные углы сдвига фаз k-х гармоник фазных напряжений и токов,
Kmax – наибольший номер задаваемой гармоники, ω = 2πf1, где f1– частота 1-й гармоники [1].
Основное преимущество данного типа генератора ─ использование цифрового метода для моделиро-
вания трехфазной сети, так как создать универсальный генератор сложных форм выходных сигналов средства-
ми аналоговой техники затруднительно.
К недостаткам можно отнести получение на выходе ЦАП сигнала низкого уровня, который может под-
вергаться электромагнитным наводкам, что будет приводить к искажениям. Также выход ЦАП необходимо
корректно согласовать с входом выходного усилителя. Выходные усилители напряжения класса АВ, B строятся
по очень сложной схеме, так как должны обеспечивать высокую стабильность усиления сигнала с низким уров-
нем искажений и долговременной стабильностью. Они характеризуються нелинейностью сигнала, имеют низ-
кий КПД (около 78%), повышенный нагрев выходных транзисторов, значительные габариты, плохо работают с
нелинейной нагрузкой, которая вызывает рост искажений. Усилители с ШИМ, хотя и характеризуются высоким
КПД (около 90%), но имеют более высокий уровень искажений (более 0,7%), который растет с уменьшением
выходного сигнала, так как уровень несущей остается неизменным. Они отличаются более низкой временной
стабильностью и точностью поддержания выходного сигнала, узким динамическим и частотным диапазонами.
Кроме того, у них сложная схема драйвера высоковольтного выходного каскада, они требуют применения
фильтра, что повышает выходной импеданс. Не обеспечивают стабильный уровень искажений при работе с
нелинейной нагрузкой.
Устранить высшие гармони-
ки на выходах усилительных каналов
удалось благодаря разработкам зару-
бежных ученых [2] и ученых Инсти-
тута электродинамики АН Украины
[3] . Суть их сводилась к воспроизве-
дению полуволн синусоидального
напряжения при помощи диодной
схемы коммутации постоянных на-
пряжений, уровни которых подбира-
лись пропорционально уровням си-
нусоиды в соответствии с моментами
их включения. Однако оставалась
нерешенной другая часть проблемы:
высокие сопротивления диодов не
позволяли сформировать сигналы с
расширенным диапазоном в сторону
низких напряжений.
Дальнейшие исследования
показали, что существенного сниже-
ния уровня коммутируемого напряжения можно достичь путем замены диодов на транзисторы с соответст-
вующим изменением схемы коммутации. В результате появилась идея создания высоковольтного цифро-
аналогового преобразователя. Принцип работы схемы заключается в том, что выходное напряжение формиру-
ется непосредственно высоковольтным ЦАП путем подачи кодов на его входы. Основу высоковольтного пре-
образователя составляют N источников стабильного постоянного напряжения (рис. 3). Значения амплитуд каж-
дого источника подчинены бинарной логике. Каждый источник имеет амплитуду напряжения Un в 2 раза
больше амплитуды предыдущего Un=2·Un-1. Напряжение каждого источника стабильное и может быть мгно-
венно подключено в общую цепь для генерации сигнала. Входной двоичный код D с регистра (Р) преобразуется
дешифратором (Д) в унитарный позиционный код, непосредственно управляющий схемой коммутации (СК)
ключами-транзисторами T1 – Tn, которые подключают источники последовательно. Таким образом можно по-
лучить 2n уровней однополярного напряжения с разрешением U1. Диапазон амплитудных значений напряжения
Uо будет от 0 до U1·(2n-1) В. Ключи T12 – Tn2 требуются для протекания тока нагрузки IL, когда источники не
участвуют в формировании напряжения. В момент закрывания транзисторов T1 – Tn транзисторы T12 – Tn2 от-
T12
T1
СК
U1
T2
СК
U2
T3
СК
U3
Tn
СК
Un
T22
T32
ДРD
Tn2
T13
T23
T33
T43
СКМ СКМRL
IL
Uвых
UT13 UT33
UT23 UT43
Рис. 3
66 ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2014. № 4
крываются. Благодаря применению транзисторных ключей T12 – Tn2 вместо диодов [2,3], достигается повыше-
ние точности воссоздания выходного напряжения. Сформированное напряжение Uо, положительная волна си-
нусоиды, поступает на однофазный транзисторный мост T13, U23, U33, T43 (рис. 4). При помощи моста создается
двухполярное напряжение Uвых на нагрузке RL (рис. 4).
Таким образом, чтобы получить сетевое напряжение номиналом 220
В с погрешностью 0,1% необходимо 11 источников напряжения (0,25; 0,5; 1;
2; 4; 8; 16; 32; 64; 128; 256 В). Погрешность воспроизведения определяется
минимальным значением напряжения U1=0,25 В. При этом максимальная
амплитуда выходного напряжения Uвых составит 511,25 В или 361 В дейст-
вующего значения, что позволяет установить значение перенапряжения
1,47·Uвых согласно ГОСТ 13109-97 с коэффициентом искажения синусои-
дальности кривой напряжения около 0,05%.
Предложенный принцип коммутации имеет ряд достоинств. Полно-
стью исключается прямое падение напряжения свойственное диодам. Даже
диоды Шоттки, рассчитанные на высокое напряжение, имеют падение от 0,7
В. Поэтому удалось устранить ограничения точности на уровне U1 > 0,7·(N - 1) В, а также влияние нелинейного
сопротивления диодов. Цифровой код, несущий информацию, управляет непосредственно высоковольтными
транзисторами, что позволяет избежать дополнительных затрат на усилитель мощности, влияния помех и нели-
нейных искажений. Достигается высокая стабильность амплитуд и фазовых сдвигов воспроизведенных сигналов.
Кроме того, обеспечивается высокий КПД, благодаря ключевому режиму работы высоковольтных транзисторов.
1. Карасинский О.Л., Тесик Ю.Ф. Многофазный генератор для моделирования параметров трехфазной сети
// Праці Ін-ту електродинаміки НАН України. Електротехніка. – 2001. – С. 98–104.
2. Petkovsek M., Zajec P., Nastran J., Voncina D., Multilevel bipolar high voltage pulse source - interlock dead time
reduction // EUROCON 2003. Computer as a Tool. The IEEE Region 8. – 2003. – Vol. 2. – Pp. 240 – 243
3. Тонкаль В.Е., Липковский К.А, Мельничук Л.П. Способы улучшения качества выходного напряжения ав-
тономных инверторов /Препринт-49, ИЭД АН УССР. – Киев: ИЭД АН УССР, 1972 – 93 с.
4. A Technical Tutorial on Digital Signal Synthesis Analog Devices Inc 1999. –
http://www.analog.com/static/imported-files/tutorials/450968421DDS_Tutorial_rev12-2-99.pdf
УДК 621.317
РОЗВИТОК ПРИНЦИПІВ ПОБУДОВИ ВИСОКОВОЛЬТНИХ ЦИФРО-АНАЛОГОВИХ ПЕРЕТВОРЮВАЧІВ
С.Г.Таранов, чл.-кор. НАН України, Ю.Ф.Тесик, докт.техн.наук, О.Л.Карасинский, канд.техн.наук.,
Р.М.Мороз
Інститут електродинаміки НАН України,
пр. Перемоги, 56, Київ-57, 03680, Україна. e-mail: moroz320@yandex.ru
Розглянуто роботу генератора для відтворення складних сигналів багатофазної електричної мережі. Запропо-
новано новий принцип комутації опорних напруг цифро-аналогового перетворювача для формування змінної на-
пруги. Описано принцип дії пристрою, приведені структурні схеми, формули і графіки, що відображають про-
цеси у відповідних ланцюгах. Бібл. 4, рис. 4.
Ключові слова: відтворення, метрологічне забезпечення, електроенергія, підсилювачі потужності, високовольт-
не цифро-аналогове перетворення.
USE OF NEW PRINCIPLE OF SWITCHING REFERENCE VOLTAGES OF HIGH-VOLTAGE DAC
S.G.Taranov, U.F.Tesik, O.L.Karasinskiy, R.N.Moroz
Institute of Electrodynamics National Academy of Science of Ukraine,
pr. Peremohy, 56, Kyiv-57, 03680, Ukraine. e-mail: moroz320@yandex.ru
The work of the generator for reproduce a wide range of parameters of the voltages network is considered. A new principle of
switching reference voltages of high-voltage DAC is proposed. The principle of action of the device, the structural scheme, formulas
and graphs depicting the processes in the respective circuits are given. References 4, figures 4.
Key words: reproduction, metrological provision, electricity, power amplifiers, high-voltage digital-analog conversion.
1. Karasinskii O.L., Tesik Yu.F. Multiphase generator for modeling parameters of three-phase network. // Pratsi In-
stytutu Elektrodynamiky Natsionalnoi Akademii Nauk Ukrainy. Elekrtotekhnika. − 2001. − Pp. 98−104. (Rus)
2. Petkovsek M., Zajec P., Nastran J., Voncina D., Multilevel bipolar high voltage pulse source - interlock dead time
reduction // EUROCON 2003. Computer as a Tool. The IEEE Region 8. − 2003. − Vol. 2. − Pp. 240 – 243.
3. Tonkal V.E., Lipkovskii K.A., Melnichuk L.P. Ways to improve the quality of the output voltage of the autono-
mous inverters. Preprint-49/IED AN. Kiev: AN IED USSR, 1972. − 93 p. (Rus)
4. A Technical Tutorial on Digital Signal Synthesis Analog Devices Inc 1999.
http://www.analog.com/static/imported-files/tutorials/450968421DDS_Tutorial_rev12-2-99.pdf
Надійшла 30.01.2014
Рис.4
|