книги / Электроника и микросхемотехника. Ч. 2 Электронные устройства промышленной автоматики

____________________ Глава 4_________________

ЭЛЕКТРОННЫЕ РЕГУЛЯТОРЫ С НИЗКОЧАСТОТНЫМ ИМПУЛЬСНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ

4.1.Особенности электронных регуляторов

снизкочастотным импульсным управлением

Основной особенностью ЭР с НЧ управлением, как отмечалось вы­ ше, является практически полное отсутствие ВЧ составляющих иска­ жений и помех и, как следствие, минимальное влияние на слаботочную информационную аппаратуру, подключенную к той же силовой цепи, что и силовая часть ЭР. В то же время ЭР этого типа генерируют в сеть и нагрузку низкочастотные колебания, которые фильтруются значи­ тельно хуже, чем высокочастотные. Это является одной из основных причин, из-за которых этот тип регуляторов используется в основном в системах управления инерционными электротермическими объекта­ ми, которые обладают хорошими фильтрующими свойствами. Кроме того, для этих объектов несущественна форма подводимого к нагрева­ телю напряжения и его полярность, так как вся подводимая энергия превращается в теплоту. Тем не менее, так как разные способы низко­ частотного управления обеспечивают, несмотря на хорошие фильтрую­ щие качества этих ОУ, существенно различные амплитуды пульсаций регулируемого параметра, выбор схемы ИО и способа управления ЭР зависит от постоянной времени ОУ и требуемой точности управ­ ления.

Ограничение области применения ЭР с НЧ управлением областью электротермии не снижает актуальности этих регуляторов, так как более 1 0 % всей вырабатываемой в стране электроэнергии потребляется электротермическим оборудованием, причем основную часть этого оборудования составляют электропечи сопротивления, для которых величина рассеиваемой мощности не зависит от частоты и.формы под­ водимого напряжения, а определяется исключительно схемой ИО и способом управления регулятора.

В связи с тем что электротермические объекты потребляют, как правило, большую мощность, для симметричной нагрузки сети ис­ пользуют трехфазные ИО, поэтому дальнейшие выкладки будем для общности выполнять для этого типа ИО. В случае использования одно­ фазного ИО все соотношения останутся справедливыми при т — 1.

Еще раз отметим, что низкочастотные импульсные способы управ­ ления реализуются изменением числа минимальных по длительности и величине импульсов мощности в течение заданного периода регули­ рования Тр или изменением частоты этих импульсов. Минимально возможная длительность этих импульсов определяется длительностью полупериода сети TJ2, но может также содержать несколько полупе-

121

риодов (в большинстве случаев четное число для исключения постоян­ ной составляющей в нагрузке).

Для электронных регуляторов с низкочастотным управлением в основном используются широтно-импульсное (ШИУ — НЧ), числоим­ пульсное (ЧСИУ — НЧ) и комбинированное управления. При ШИУ —

стью, соответствующей значению однрго кванта. Суммарное время по­ дачи квантов (с учетом пауз между ними), т. е. период регулирования Тр — постоянно, длительность кванта кратна TJ2 (в некоторых схе­ мах ИО TJ2m) и также постоянна, а длительность пауз кратна TJ2m для m-фазной сети и не зависит от значения выходного параметра. Од­ нако при изменении числа подаваемых квантов внутри периода регули­ рования возможно появление или исчезновение дополнительных пауз с длительностью квантов энергии.

Для частотно-импульсного управления характерным является из­ менение пауз между постоянными по длительности квантами. Дискрет­ ность изменения пауз также равна TJ2m, а длительность периода регулирования определяется значением выходного параметра. Ком­ бинированное управление заключается в одновременном изменении как числа и длительности квантов, так и длительности пауз между ними при переменном периоде регулирования выходного параметра.

Регулировочные характеристики способов ШИУ — НЧ и ЧСИУ — НЧ — ступенчатого вида, с равномерной дискретизацией как по уров­ ню (в соответствии со значением кванта энергии), так и по времени (в соответствии с длительностью интервала Тр), поскольку выходной па­ раметр, как правило, это среднее значение напряжения на нагрузке за время Тр. Вследствие ступенчатости характеристик значения вы­ ходного параметра прямо пропорциональны значению Х у дискретного

т. е. определяется мощностью, рассеиваемой в нагрузке квантом энер­

собой дискретизированную гиперболу, а для комбинированного управ­ ления является комбинацией гиперболы и ступенчатой характеристи­ ки с равномерной дискретизацией. Действительно, при изменении интервала Тр в соответствии с сигналом Х у выходной параметр опре­ деляется из соотношения

122

а если интервал Тр связан с сигналом Ху пропорциональной зависи­ мостью вида

где ДГР — приращение периода регулирования на единицу изменения сигнала управления, то на основании уравнений (4.3) и (4.4) получим соотношение

которое соответствует дискретизированной гиперболической функции.

и также существенно нелинейна, однако меньше дискретности спосо­ бов ШИУ — НЧ и ЧСИУ — НЧ, вычисленной из уравнения (4.2), и уменьшается с ростом Х у.

Применение частотного и комбинированного способов управления приводит к появлению в системе управления нелинейных звеньев, что в большинстве случаев нежелательно. Поэтому преимущественное рас­ пространение получают способы ШИУ — НЧ и ЧСИУ — НЧ с ли­ неаризуемыми регулировочными характеристиками и равномерной дискретизацией выходного параметра ЭР, а остальные способы исполь­ зуются только в особых случаях.

Характерной особенностью большинства цифровых устройств уп­ равления является постоянство периода повторения управляющих воздействий, т. е. цикла работы устройства, в течение которого на ре­ гулятор поступает сигнал управления Ху. При этом максимальное число квантов энергии в течение цикла работы должно оставаться не­ изменным, а частота циклов должна быть равна частоте повторения выходного параметра \/Т ? или меньше ее в целое число раз. Этим ус­ ловиям полностью удовлетворяют способы ШИУ — НЧ и ЧСИУ — НЧ, что является их несомненным преимуществом по сравнению с ос­ тальными способами, применяемыми в цифровых устройствах управ­ ления ЭР.

Рассмотрим основные временные соотношения, характеризующие способы низкочастотного импульсного управления с учетом особен­ ностей ИО электронных регуляторов.

Временные диаграммы для этих способов управления при различ­ ных схемах ИО показаны на рис. 4.1.

Способ широтно-импульсного низкочастотного управления с ус­ ловиями а = О, Р = -0 для всех схем ИО (табл. 2.1) достигается изме­ нением длительности подключения нагрузки или ее частей к сети в те­ чение постоянного периода регулирования Тр. Время подключения нагрузки определяется интервалом управления Тг зависящим от схемы исполнительного органа. Для схем первой группы с независи­ мой коммутацией тиристоров интервал Ту одинаков для всех фаз се­ ти и определяется из формулы

123

ис UA B UB C UCA

-п-П Л n I 1

LJ U U | I

\ 1

Q '-л г- г ЧСИУ-

Р и с . 4.1

где l\ t— число полупериодов сетевого напряжения, содержащееся в минимальном импульсе мощности, соответвтвующем одной единице

импульсов энергии, подаваемых к m-й части нагрузки, каждый длитель­ ностью T J2 ; 12 = 1,2, ...— количество интервалов Тс/2 в каждом им­ пульсе; k%i — относительная длительность паузы между t-м и (i + 1)-м

импульсами в пределах периода регулирования (с дискретностью 7 с/6);

Л = mР2l h 1 •

Первое слагаемое уравнения (4.10) характеризует общую длитель­ ность подключения нагрузки к сети, а второе — суммарное время па­ уз, разделяющих подключения отдельных частей нагрузки вследствие зависимого характера коммутаций тиристоров ИО второй группы с ус­

Значения ргт разных фаз этих схем при ШИУ — НЧ могут быть одинаковыми или отличаться на величину /2. Равенство имеет место при значениях сигнала управления Х у, пропорциональных количест­ ву квантов энергии за время 7 Р, кратных трем (см. временные диа­ граммы на рис. 4.1, б). Для остальных значений Ху соотношение меж­ ду интервалами управления разных фаз определяется фазой напряже­ ния, к которому нагрузка подключается первой в начале 7 Р, и зна­ чением Ху.

Наличие пауз для схем второй группы является обязательным, по­ скольку позволяет исключить одновременную коммутацию более чем

125

одного линейного напряжения питающей сети, что нарушило бы усло­ вия а = 0, р = 0. Приведенные соотношения для периода регулиро­ вания иллюстрируются временными диаграммами на рис. 4.1, б. Дли­ тельность каждого импульса энергии в этих схемах

При реализации способа ШИУ — НЧ в схемах третьей группы, со­ держащих звенья постоянного тока, энергия к нагрузке подводится непрерывно в течение периода регулирования, совпадающего по дли­ тельности с импульсом мощности, в соответствии с временными диа­ граммами на рис. 4.1, в, г, а значения интервала управления и перио­ да регулирования равны:

го вида, составляющих один квант сигнала управления; р,3 характери­ зует относительную длительность сигнала энергии, подводимого к на­ грузке, в отрезке времени Тс/6; ц3= 5, 7,9, ...для трехимпульсногоуп­ равляемого выпрямителя (схемы вида 11) или р3 = 4, 5, 6, ... для шестиимпульсного выпрямителя (схемы вида 12).

При числоимпульсном низкочастотном управлении с условиями а = 0, р = 0 коммутации тиристоров нагрузку (или ее части) много­ кратно подключают к сети в течение интервала Тр = Ту = const. Время каждого подключения Т„ постоянно и определяется уравнением (4.12) для схем первой и второй групп и уравнениями (4.13) для схем третьей группы. Число подключений изменяется пропорционально сигналу управления Ху, причем моменты коммутации тиристоров рас­ пределяются по периоду регулирования в соответствии с выбранной функцией распределения коммутаций, реализуемой формирователем сигнала управления (рис. 4.1).

Значение параметра щ для всех фаз ИО первой группы одинаково, чем достигается симметрия управления ИО регулятора. В схемах вто­ рой и третьей групп параметры \х2т и ц3 определяются на основании особенностей, аналогичных рассмотренным при ШИУ—НЧ.

Частотно-импульсное управление на низкой частоте характеризует­ ся постоянством интервалов Ту, определяемых соответственно урав­ нениями (4.7), (4.10) и (4.13), в которых Ху = 1 для схем ИО первой, второй и третьей групп, и изменением продолжительности периода регулирования Гр в соответствии с сигналом управления Ху. Послед­ нее условие достигается при реализации в СУ функциональной зави­ симости коэффициента rj, определяющего продолжительность периода Гр, от сигнала Ху. Вид функции связи Ху и г| определяется требова­ ниями к форме регулировочной характеристики регулятора, сложности схемы управления и др. Для наиболее простой пропорциональной свя­ зи периода Гр и сигнала Ху длительность этого интервала определя-

126

ется следующим образом:

и /2 выбираются одинаковыми для всех фаз соответствующих схем

Основными регулировочными характеристиками тиристорных ЭР с низкочастотным управлением являются зависимости среднего значения мощности />Ср = Рн в нагрузке (как выходного параметра регулятора), коэффициента передачи Кр по среднему значению мощности, диапазо­ на изменения и дискретности изменения параметров Рп и Кр от сигна­ ла управления Х у.

Зависимости Рп и /<р от дискретного сигнала Х у описываются дис­ кретными функциями вида (4.1) для способов ШИУ — НЧ и ЧСИУ — НЧ или вида (4.3) для ЧИУ — НЧ либо комбинированного управ­ ления.

Значение кванта энергии \V0, присутствующее в функциональных зависимостях (4.1) и (4.3), определяется из формулы (2.45), которая принимает следующий вид с учетом симметрии управления и схемы ИО регулятора:

где 1т,Лах — амплитуда т-го линейного тока ИО регулятора, завися­ щая от схем исполнительного органа и включения нагрузки.

Для схем первой группы вида 5,6 с нулевым проводом ток каждого линейного провода из-за независимости коммутации тиристоров раз­ ных фаз определяется отношением фазного напряжения к фазной час­ ти нагрузки RA, RD или RC. Поскольку при симметричности нагрузки

В схеме первой группы вида 10 при аналогичных допущениях амп­

127

поскольку при включении любого тиристора этой схемы к каждой на­ грузке подключается напряжение 1/л на время 7yd), определяемое из формулы (4.7).

Для ИО второй группы с зависимой коммутацией тиристоров в лю­ бой момент времени напряжение 11я двумя (схемы 5, 6 без нулевого провода) или одним (схемы вида 7, 8) тиристорным ключом подключа­ ется к нагрузке с общим сопротивлением 2/?ф, и линейные токи про­ текают только по двум линейным проводам, причем Ту = ТУ(2) = = /аТс/2. Поэтому искомые соотношения равны:

При реализации импульсного низкочастотного управления в схе­ ме ИО вида 9 линейные токи также протекают лишь по двум проводам, однако напряжение Un подключается к нагрузке с общим сопротивле­

В схемах исполнительных органов третьей группы нет разделения нагрузки на части и ток нагрузки является током одного (схема 11)

При определении мощности Рн в этих схемах формулы (4.1) и (2.45) не всегда справедливы, поскольку форма токов в линейных проводах и, следовательно, значение кванта W0 зависят от значений /3 и Х у, при­ чем в разной степени для различных схем ИО и способов ИУ — НЧ.

при этом из уравнения-(2.45). Импульсы тока могут состоять из ку­ сочно-синусоидальных импульсов двух видов: при условии Ху/3 = = 2 для ШИУ — НЧ и /3 = 2 для ЧСИУ — НЧ и ЧИУ — НЧ неза­ висимо от значения Ху. И, наконец, импульсы тока содержат кусочно­ синусоидальные импульсы трех видов, если при ШИУ — Н Ч выполня­

где индекс / = 1 ,2 ,3 соответствует каждому виду импульса, а моменты времени /j/ и hi определяются схемой ИО и видом импульса.

Для исполнительного органа вида 11 и импульса тока первого вида (первого в общем импульсе тока длительностью Тс (2/а + 1)/6)

128

значения моментов времени ty и /2/ равны:

Для импульсов второго вида с общим числом /3 — 2 соответствую­

и для импульса третьего вида (последнего в общем импульсе тока дли­

где / т ах определяется из формул (4.20) и (4.21), а значения определен­ ных интегралов Qlt Q2 и Q3, с учетом соотношений (4.23) — (4.26), равны:

для исполнительного органа вида 11

в уравнение (4.27) подставить соотношения (4.13), (4.20), (4.21), (4.28),