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

__________ Глава 2__________

ЭЛЕКТРОННЫЕ РЕГУЛЯТОРЫ. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

2.1.Способы управления электронными регуляторами

Электронные регуляторы (ЭР) являются одним из наиболее распро­ страненных видов электронных устройств промышленной автоматики. Они предназначены для регулирования действующего и среднего значения переменного и постоянного напряжения на нагрузке или мощ­ ности нагрузки. Как элементы системы автоматического управления (см. рис. В.1) они преобразуют в упорядоченный поток энергии те сигналы, которые вырабатываются логической информационной частью САУ на основании информации о состоянии объекта. Сами электрон­ ные регуляторы могут быть как разомкнутой, так и замкнутой систе­ мой автоматического регулирования по своему выходному параметру — напряжению, току или мощности. Это иллюстрируется структурной схемой ЭР (рис. 1.4), где канал обратной связи служит для измерения выходной величины ЭР (напряжения, мощности) и предотвращения ее отклонения от требуемой, определяемой сигналом управления Х у (ре­ жим стабилизации) или изменения ее по требуемому закону (вывод на режим, программное управление). Такая структура ЭР позволяет исключить из основного контура управления отработку быстроизменяющихся возмущений, связанных непосредственно с изменением под­ водимых к объекту управления напряжения, тока или мощности. В на­ стоящее время наиболее широкое применение получили электронные регуляторы переменного напряжения. Эти регуляторы подключаются непосредственно к промышленной сети переменного напряжения, на­ пример, для регулирования скорости однофазного двигателя постоян­ ного тока, причем в этих схемах могут использоваться как не полностью, так и полностью управляемые (запираемые) ключи. Согласно структур­ ной схеме (см. рис. 1.4.) электронные регуляторы представляют собой сочетание силовой части в виде ИО и схемы управления. Основные свой­ ства этих ЭР определяются способами управления ИО, которые реа­ лизуются схемой управления. Благодаря ключевым характеристикам тиристоров регулирование мощности или напряжения на нагрузке осуществляется за счет дискретного изменения его формы или ампли­ туды. Поэтому все способы управления можно разделить на четыре основные группы:

изменением формы напряжения на нагрузке в пределах каждого от­ дельного полупериода сетевого напряжения;

изменением числа полупериодов напряжения на нагрузке;

31

Р и с . 2.1

ступенчатым изменением амплитуды подключаемого напряжения без искажения его синусоидальной формы;

комбинированное управление — одновременным изменением числа полупериодов и формы напряжения или амплитуды. Классификация способов управления ЭР показана на рис. 2.1.

Основным достоинством способов управления, связанных с изменени­ ем формы напряжения на нагрузке в пределах каждого отдельного полупериода, является то, что выходная характеристика по среднему или действующему значению ЭР при непрерывном сигнале управления непрерывна. В силу этого регуляторы, реализующие эти способы уп­ равления, обладают минимальной инерционностью и запаздыванием контура управления, приводят к минимальным пульсациям напряже­ ния на нагрузке, являются наиболее высокочастотными, так как поз­ воляют регулятору работать на сетевой частоте и более высоких ча­ стотах. Однако им присущи и некоторые недостатки: высокий уровень импульсных помех в сети и радиопомех из-за больших скоростей пе­ реключения и значительных амплитуд коммутируемых токов и напря­ жений; необходимость выключения тиристоров ИО для способов с при­ нудительной коммутацией тиристоров; реактивный характер потреб­ ляемой мощности даже при чисто активной нагрузке вследствие искус­ ственно вносимого фазового сдвига тока нагрузки относительно на­ пряжения сети.

Рассмотрим ряд таких способов управления, для которых типичные искаженные формы напряжений на нагрузке изображены на рис. 2 .2 .

32

В соответствии с классификацией (рис. 2 . 1) эти способы разделены на две группы: импульсные и релей­ ные (с вольтодобавкой). Импульс­ ные способы предусматривают из­ менение формы напряжения в тече­ ние полупериода сетевого напряже­ ния между огибающей последнего и

В свою очередь импульсные спосо­ бы можно разделить на способы с односторонней (рис. 2 .2 , а, б), двух­ сторонней (рис. 2 .2 , в, г, д) и мно­ гократной (рис. 2 .2 , е) коммутация­ ми в течение полупериода.

Импупьсные способы с односто­ ронней коммутацией подразделяются

ление с опережающей фазой тока (рис. 2 .2 , б) р > 0 , причем а и 0 — соответственно углы включения и выключения тиристоров ИО. В пер­ вом случае активная нагрузка при­ обретает индуктивный, а во вто­

ром — емкостной характер, что сказывается на эффективности исполь­ зования электроэнергии системой регулятор— нагрузка.

Способ управления с а > 0 (фазовое управление) получил распро­ странение благодаря хорошим параметрам регулировочной характе­ ристики и относительной простоте технической реализации. Однако он имеет тот недостаток, что при управлении энергоемкими объектами

'вследствие искусственно вносимого индуктивного характера нагруз­ ки, т. е. отставания угла фазового сдвига основной гармоники тока в нагрузке относительно фазы напряжения, возникает большая реактив­ ная составляющая мощности индуктивного характера, уменьшающая коэффициент мощности регулятора.

Способ управления с р > 0 вносит реактивную составляющую с емкостным характером нагрузки и может использоваться для частич­ ной компенсации индуктивного характера потребителей электроэнер­ гии. Однако при технической реализации этого способа ЭР нуждаются в узлах принудительного выключения тиристоров (что технически до­ статочно сложно, в особенности для низкоомной нагрузки), что сопря­ жено с дополнительным расходом энергии в коммутирующих цепях, и приводит к снижению к. п. д. ЭР.

Широко используются способы управления с двухсторонней ком­ мутацией тиристоров, в особенности с симметричным управлением (рис. 2 .2 , в) а = р, позволяющим уменьшить искусственно вносимую

реактивную составляющую нагрузки при сохранении положительных качеств способов управления с а > 0 и [ 5 > 0 .

Импульсные способы с многократным подключением нагрузки к сети в течение полупериода питающего напряжения (рис. 2 .2 , ё) под­ разделяются на широтно-импульсные (ШИУ) и частотно-импульсные (ЧИУ). Для ШИУ частота подключения нагрузки к сети постоянна и кратна частоте питающей сети, а время подключения (скважность им­ пульсов напряжения или тока) изменяется в зависимости от сигнала Ху. При ЧИУ время подключения нагрузки неизменно, а частота под­ ключения зависит от значения сигнала Х у. Способы с многократной коммутацией широко используются для управления объектами с ин­ дукционным высокочастотным нагревом, а также для преобразования частоты. Они также применяются для широтно-импульсного регулиро­ вания постоянного напряжения.

С точки зрения согласования частот сетевого напряжения и комму­ тации тиристоров ИО все рассмотренные импульсные способы управле­ ния ЭР подразделяются на синхронные и асинхронные. Первые харак­ теризуются синхронностью моментов включения и выключения тири­ сторов с моментами перехода через нуль напряжений (токов) питающей сети. При асинхронном управлении отсутствует синхронизация момен­ тов коммутации тиристоров с сетевым напряжением, а отсчет углов коммутации а или р производится. от моментов их предыдущего фор­ мирования в соответствии с значением регулируемого выходного па­ раметра регулятора или его изменением за время, истекшее с момента предыдущей коммутации.

Импульсные способы управления с искусственной однократной (двухсторонней) коммутацией могут быть и условно-синхронными, т. е. синхронизация осуществляется посредством задания значений угла включения а = 0 или а = а 0 = const на основании анодного напряже­ ния каждого тиристора, а изменение угла выключения достигается введением в закон регулирования суммарного (интегрального) значе­ ния выходного параметра регулятора (тока, напряжения) за определен­ ное время его работы.

Способы управления с многократной коммутацией, как правило, являются асинхронными или условно-синхронными. Для способов с дву­ сторонней коммутацией может применяться синхронизация комбини­ рованного типа: как с сетевым напряжением относительно моментов его максимума, т. е. с углами а0 = 90°, 270°, ... (рис. 2.2, в), так и с действующим значением выходного параметра для обеспечения сим­ метричного управления (а = (3) регулятором. При широтно-импульс­ ном регулировании постоянного напряжения управление, естествен­ но, асинхронное.

В зависимости от соотношения частоты изменения мгновенного значения выходного параметра ЭР (например, первой гармоники тока нагрузки) /н и частоты сети/с = 2 я/Т 0 рассмотренные способы с одно-и двухсторонней коммутацией относятся к способам управления на ос­ новной (сетевой) частоте (ИУ — ОЧ), так как для них f„ = /с, а способы с многократной коммутацией — к высокочастотным (ИУ — ВЧ), посколь­ ку при этом управлении /„ > /с. При релейном и релейно-импульсном

34

управлениях напряжение на нагрузке может изменяться в течение каждого полупериода сетевого напряжения между несколькими уров­ нями, отличными от нуля и задаваемыми при помощи так называемых схем ИО с вольтодобавкой, т. е. ИО, содержащих тиристорные ключи и трансформаторы, обмотки которых выполняются секциями или с от­ пайками.

Достоинством релейного управления является существенно мень­ ший уровень помех и искажений сетевого напряжения при относительно лучших энергетических характеристиках. Включение тиристоров при релейном управлении осуществляется в моменты перехода напряже­ ния через нуль, а выключение — при изменении полярности напряже­ ния, поэтому высокочастотные помехи практически отсутствуют и нет необходимости в цепях запирания тиристоров. Наличие силовых трансформаторов с отводами (отпайками) и относительно большое ко­ личество дополнительных силовых ключей в ИО, включаемых последо­ вательно в каждый отвод (отпайку) трансформатора, являются недо­ статками релейного способа управления. Разновидности релейных спо­ собов управления аналогичны рассмотренным вариантам импульсных способов.

Способы управления регуляторами переменного напряжения за счет изменения числа полупериодов подключаемого к нагрузке напря­ жения сети составляют большую группу. Минимальной единицей из­ менения выходного параметра является один или несколько полуперио­ дов напряжения сети или часть полупериода, сформированная в соот­ ветствии с любым из рассмотренных способов управления. Способы управления здесь можно разделить на два вида: импульсные и комбини­ рованные.

При импульсных способах управления выходной параметр кван­ туется по двум уровням: один из них нулевой, а второй соответствует прямому подключению нагрузки к сети (рис. 2.3). Эти способы подраз­ деляются на широтно-импульсные (ШИУ), время импульсные (ВИУ) и кодоимпульсные (КИУ). Если под импульсом понимать единовремен­ ную посылку энергии с. постоянными параметрами, то при ШИУ из­ меняется длительность посылки импульсов, а частота их следования постоянна (рис. 2.3, б). При ВИУ изменяется интервал времени между импульсами, длительность которых постоянна (рис. 2.3, а). При КИУ изменяется распределение в соответствии с сигналом управления числа импульсов внутри постоянного или регулируемого интервала времени, называемого периодом регулирования выходного параметра ЭР (рис. 2.3, в).

При кодоимпульсном управлении нагрузку многократно подклю­ чают к сети в течение периода регулирования Тр с постоя иной длитель­ ностью каждого включения Тв. Число подключений соответствует зна­ чению сигнала управления Х у, поэтому способы КИУ называют также числоимпульсным управлением (ЧСИУ). Одной из основных характе­ ристик ЧСИУ является закон распределения подключений нагрузки по интервалу Тр, изменением которого можно улучшать энергетиче­ ские характеристики регулятора и повышать качество управления его выходным параметром.

Возможны и комбинированные способы импульсного управления. Так, при частотно-широтно-импульсном управлении одновременно из­ меняются число и частота следования импульсов, при частотно-им-

'пульсном — длительность интервала Тр и число наилучшим образом распределенных по этому интервалу импульсов. Эти способы позволяют корректировать энергетические характеристики ЭР и обеспечивают тре­ буемое качество управления при минимуме высокочастотных помех. При этом в ряде случаев могут реализовываться необходимые сложные зависимости между сигналом управления и выходным параметром

регулятора.

В зависимости от закона чередования и знаков полуволн напряже­ ния на нагрузке импульсные способы подразделяются на способы со знакочередующимися (рис. 2.4, в) и произвольными (рис. 2.4, г) полу­ волнами. В первом случае постоянная составляющая тока в силовой цепи исключена, во втором она может присутствовать. По длительности каждого импульса можно выделить способы с многополупериодным (рис. 2.4, а, д), двухполупериодным (рис. 2.4, б) и однополупер йодным (рис. 2.4, в, г) управлениями. При

т,

Представим структурную схему ЭР с импульсным управлением согласно рис. 2.5 в виде двух последовательно соединенных импульсных элементов ИЭ1 и ИЭ2 и блока перемножения БУ [3]. Элемент ИЭ1 пре­ образует сигнал управления Х у в последовательность сигналов вклю­ чения и выключения тиристоров ИО, количественно характеризуемых частотой Д, и продолжительностью включения t„. При ограничении мо­ ментов включения и выключения тиристоров соответственно углами а и р исполнительный орган будет выполнять команды ИЭ1 с времен­ ным сдвигом, вносимым элементом ИЭ2. Частота следования сигналов кратна двойной частоте сети 2 Д., а фаза зависит от характера нагруз­ ки и способа управления. Если ограничения на углы а и р не наклады­ ваются, то элемент ИЭ2 не нужен. Такое представление ЭР позволяет классифицировать способы управления ими по соотношению частоты сигналов управления с частотой питающей сети.

В зависимости от соотношения фаз и частот переключения импульс­ ных элементов импульсные способы управления подразделяются на синхронные и асинхронные. При синхронном управлении частота сле­ дования сигналов ИЭ2 равна 2/с, при асинхронном — частоты переключе­ ния ИЭ1 и ИЭ2 могут быть различными, но кратными (однократное синфазное управление) или дополнительно могут совпадать моменты возникновения кратных импульсов (многократное синфазное управле­ ние). По отношению частоты изменения выходного параметра к часто­ те /с рассмотренные способы являются низкочастотными (ИУ — НЧ), так как Д, < / с.

Способы ИУ — НЧ находят все более широкое применение в тех объектах управления, для которых, прежде всего, важно количество подводимой энергии, а форма ее не имеет принципиального значения, т. е. объекты с хорошими инерционными свойствами. Наиболее распро­ страненным классом таких объектов является электротермическое оборудование. Способы ИУ — НЧ, как и релейные, отличаются малым уровнем высокочастотных помех (вследствие коммутации тиристоров при условии а = 0 и р = 0 ) и возможностью синхронной работы не­ скольких ЭР одновременно с взаимной компенсацией искажающих воздействия ЭР на питающую сеть. При этом ИО для реализации этих способов очень просты и не требуют специальных трансформаторов. При использовании способов ИУ — НЧ в тиристорных регуляторах воз­ можно объединение функций регулятора выходного напряжения и трансформатора действующего напряжения сети (за счет увеличения интервала между отдельными импульсами энергии). При этом исчезает необходимость в силовых согласующих трансформаторах для некото­ рых электроустановок, например электропечей сопротивления. Наря­ ду с этим способы ИУ-НЧ обеспечивают для широкого класса техноло­ гических процессов высокое качество регулирования различных технологических параметров (например, температуры, давления, мощ­ ности).

Комбинированные (релейно-импульсные) способы управления пре­ дусматривают одновременное использование импульсного и релейно­ го управлений. Функциональная схема релейно-импульсного регуля­ тора (рис. 2.6) содержит схему управления (СУ), состоящую из релей­

37

ного блока переключателей (БП), блока импульсной модуляции (БИМ) и ИО. При подаче на СУ задающего воздействия Ху, соответст­ вующего требуемому значению коэффициента передачи л у, БП обес­ печивает коммутацию ключей, обусловливающую ближайшее меньшее значение коэффициента передачи Кп:

и выделяет сигнал ху, соответствующий отклонению 7(у от Кп. Откло­ нение ху поступает на БИМ, который более точно регулирует напря­ жение между двумя уровнями (2 .1).

При чисто релейном регулировании в схеме (рис. 2.6) отсутствует БИМ и СУ включает ключ, обеспечивающий ближайший к заданному уровень квантования напряжения. При этом коэффициенты передачи

а характеристика регулирования U„ = f (Ху) ступенчата. Уменьшения дискретности можно достичь только увеличением числа уровней кван­ тования коэффициента передачи ИО. При импульсном управлении БП по сигналу с БИМ выполняет переключение между двумя уровнями, один из которых нулевой, при этом качество регулирования определя­ ется показателями модулятора.

При комбинированном релейно-импульсном регулировании коэф­ фициент передачи, токи и напряжения могут быть разложены на не­ прерывную и импульсную составляющие. Непрерывная составляющая определяется коэффициентом передачи меньшего уровня. Такое раз­ ложение позволяет рассматривать многие особенности релейно-им­ пульсных ЭР на основе анализа только импульсных составляющих, которые выражаются через коммутационные функции. Комбиниро­ ванное (релейно-импульсное) управление применяется для достижения каких-либо частных технических целей. Так, совмещением операций квантования выходного напряжения по уровню и по времени можно повысить точность регулирования: грубое регулирование осуществля­ ется релейным, а точное — импульсным управлением.

В системах управления электротермоустановками с нагревом со­ противлением применяются сочетания различных способов управ­ ления, например, с одновременным изменением выходного параметра (мощности в нагревателях) в пределах каждого полупериода напряже­ ния, подключаемого к нагрузке, и числа этих полупериодов за интервал повторения. Такое управление необходимо, например, при разогреве мощных установок, нагреватели которых в холодном состоянии имеют сопротивление, в несколько раз меньшее, чем в нагретом, и при этом может произойти перегрузка сети в первые моменты времени после вклю­ чения установок. Возможны и иные сочетания способов управления.

2.2.Исполнительные органы электронных регуляторов

Исполнительные органы ЭР представляют собой сочетание одного или нескольких тиристорных либо транзисторных ключей и питающих трансформаторов, или только одних электронных ключей. Классифи-

38

кация основных тиристорных исполнительных органов приведена на рис. 2.7.

Схемы ИО могут быть трансформаторными и бестрансформаторными. Трансформаторные ИО, в свою очередь, бывают с переключением отводов и секций и используются при релейном или импульсном управлении. В последнем случае трансформатор служит только для со­ гласования напряжения питающей сети с рабочим напряжением потре­ бителя.

В зависимости от формы тока в нагрузке ИО могут содержать или не содержать в'своей структуре звенья постоянного тока (ЗПТ). При нали­ чии таких звеньев (выпрямительных элементов) ток нагрузки содержит постоянную составляющую. Если звенья постоянного тока в схеме ИО отсутствуют, постоянная составляющая тока нагрузки также отсутствует.

По числу фаз питающей сети ИО делятся на одно- и трехфазные. Трехфазные ИО могут выполняться по схеме звезды, треугольника или звезды-треугольника, причем ИО по схеме звезды могут быть с нуле­ вым проводом или без нулевого. Однофазные ИО и их характеристики для релейно-импульсного управления мощностью переменного тока подробно рассмотрены в [3,7], тиристорные ИО для одно- и трехфазных цепей — в [1 1 , 14]. Допустимые условия работы тиристоров в каче­ стве силовых коммутирующих элементов описаны в [15].

Основные схемы бестрансформаторных ИО и соотношения для наи­ более важных параметров схем приведены в табл. 2 . 1 , где (Уф и 11л — соответственно действующие значения синусоидальных фазного (для схем 1—4 , 1 1 ) и линейного (для остальных схем) напряжении; / н — дей-

39

40