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

Продолжение табл 2.1

ствующее значение тока в каждой части нагрузки за время Тс. При ана­ лизе этих схем основное внимание уделяется характеристикам ИО, оп­ ределяющим уровень вносимых в сеть искажений, простоту управле­ ния и подключения нагрузки, степень генерирования высокочастот­ ных помех при коммутациях тиристоров, а для трехфазных схем — дополнительно характеристикам, оценивающим симметричность то­ ков нагрузки на сеть и ток нулевого провода.

Схемы 1— 10 относятся к ИО без звеньев постоянного тока, схемы' И и 12 содержат ЗГ1Т. Симметрия нагрузки на сеть трехфазиых и од­ нофазных включенных по трехфазной схеме исполнительных органов без ЗПТ зависит как от режима управления тиристорными ключами разных фаз, так и от соотношения полных сопротивлении каждой фазы. Обычно с целью снижения уровня мощности несимметрии на­ грузки разных фаз выбираются одинаковыми, а схемы управления про­ ектируются с учетом обеспечения максимальной симметрии управле­ ния тиристорами разных фаз. В схемах с ЗПТ нагрузка фаз общая, поэтому симметрии таких схем добиваются только с помощью симмет­ ричного управления тиристорными ключами.

С точки зрения простоты управления тиристорами наиболее при­ емлемы однофазные и многофазные схемы 5,6 с нулевым проводом,

41

а также схемы 10 и 11. В этих ИО тиристоры различных фаз коммути­ руются независимо один от другого и в каждый момент времени может включаться один из них. Дополнительно в схемах 6 и 11 тиристоры (в случае применения симисторов) могут иметь общий теплоотвод, а схе­ ма управления— общую шину управления. Остальные ИО не допу­ скают независимой коммутации тиристоров и для нормальной работы необходимо одновременно включать два тиристора, расположенные в разных фазах.

Поскольку рассматриваемые схемы ИО предназначены для коммута­ ции больших значений токов, протекающих по частям нагрузки, целе­ сообразно использовать ИО, обеспечивающие минимальное число со­ единительных проводов между тиристорами и нагрузкой. При этом уменьшаются высокочастотные помехи-и потери в соединениях и эко­ номятся электротехнические материалы. Такому условию наиболее

нагрузкой, схемы 11 и 12 с ЗПТ, к которым нагрузка подключается двумя проводами.

ь Наличие нулевого провода существенно снижает упомянутые выше достоинства схем 5,6 и 11, поскольку по его контуру протекают неизбежные при импульсных способах управления импульсные токи несимметрии (для схем 5 ,6 ) и весь ток нагрузки (для схем 11). Нулевой провод токоподводящей цепи предназначен для симметрирования,

.многофазного потребителя, и сечение его не рассчитано на работу с то­ ками, соизмеримыми с токами нагрузки фаз. Поэтому в его контуре возникают импульсные перегрузки, приводящие к дополнительным потерям электроэнергии, а сам нулевой провод становится источником импульсных помех. При, этом ухудшаются условия работы других приемников электроэнергии, в частности устройств контроля, управле­ ния, регистрации. Поэтому схемы ИО с нулевым проводом, особенно схемы вида 1 1 , применяют для управления нагрузкой небольшой номи­ нальной мощности — не более 1...2 кВт.

Для удобства анализа рассматриваемые многофазные схемы ИО по их основным энергетическим характеристикам подразделяют на три груп­ пы, связанные с особенностями коммутации тиристоров:

схемы с независимой коммутацией (вида 5 ,6 с нулевым проводом и вида 10);

схемы с зависимой коммутацией без звена постоянного тока (5 , 6 без нулевого провода и 7, 8 , 9); .

схемы с зависимой коммутацией и звеном постоянного тока.

В схемах первой группы одновременно и независимо друг от друга могут включаться любые тиристоры (естественно, при наличии на их аноде положительного напряжения). Изменение фазовых углов а и ^ для этих схем возможно от 0° до 180°. Это объясняется тем, что к каж ­ дой части нагрузки подключено отдельно фазовое (для схем 5 , 6 ) или линейное (для схемы 10) напряжение сети. Энергия к частям нагрузки подводится импульсами напряжения синусоидальной формы с длитель­ ностью от 0 до TJ2. Форма тока в тиристорах и линейных проводах соответствует форме тока в частях нагрузки.

42

Всхемах второй группы ИО части нагрузки, включенные в различ­ ные фазы, имеют общий источник энергии — линейное напряжение. Поэтому при использовании способов управления ИУ — НЧ, когда включение тиристоров осуществляется при а = 0, {5 = 0 и минималь­ ной длительности импульса энергии, кратного TJ2, для выключения тиристоров необходимы паузы с длительностью, кратной T J 6 . Форма тока в тиристорах и линейных проводах соответствует форме тока в нагрузке.

Втретьей группе ИО при коммутации мощности используется толь­ ко один источник путем включения одного (схема 11 ) или двух (схема

12)тиристоров. Мощность в нагрузке при ИУ — НЧ выделяется в виде непрерывного или ряда отдельных кусочно-сииусоидальных импуль­

сов длительностью, кратной T J 3 для схемы 11 и T J6 — для схемы 12. При ИУ — ОЧ эти схемы представляют собой обычный управляемый выпрямитель. Напряжение на нагрузке формируется в виде импульсов кусочно-синусоидальной формы. Форма .тока в тиристорах (диодах), линейных проводах и нагрузке различна.

Исполнительные органы для релейных способов управления су­ щественно отличаются от рассмотренных для импульсного управления. Если при импульсных способах управления различное значение на­ пряжения или мощности на нагрузке достигается с помощью включе­ ния одного тиристорного ключа в разные моменты времени, то при ре­ лейном управлении необходим ряд ключей, поскольку число возмож­ ных дискретных значений выходного параметра определяется числом ключей или числом различных комбинаций этих ключей. В ИО для ре­ лейных способов управления принципиально необходим силовой трансформатор с секционированными первичной и вторичной обмот­ ками или хотя бы одной из них. Энергетические показатели широко­ диапазонных регуляторов выше при секционировании вторичной обмотки трансформаторов. Обобщенные схемы основных типов ИО ре­ лейных регуляторов с секционированной вторичной обмоткой транс­

Ult снимаемое с обмотки wt младшей секции, имеющей минимальное число витков, при замыкании ключа SAJ в момент прохождения тока через нуль, является минимальным значением дискретного изменения напряжения на нагрузке при условии, что числа витков обмоток сек­ ций (от младшей к старшей) составляют арифметическую прогрессию. Общее число секций л, состоящих из обмотки w( и реверсивного ключа

определяется диапазоном регулирования напряжения

Я = (£/ц щах — Unшт)ДЛ>

где л округлено до ближайшего большого целого числа; Unmax и Unn»n— максимальное и минимальное значения напряжения на нагрузке. Такая схема проста, но характеризуется большим числом обмоток, выводов и ключей.

43

Рис. 2.8

Значительное сокращение числа коммутируемых секций при вы­ полнении условия широкодиапазонного регулирования напряжения достигается исполнением секций таким образом, что числа их витков образуют геометрическую прогрессию со знаменателем 2 , т. е. испол­ нением их по двоичной системе счисления. Для этого каждая секция должна иметь возможность с помощью коммутируемых ключей как включаться последовательно с другими секциями, так и исключаться из набора секций (шунтироваться).

На рис. 2.8, б показана схема силовой части регулятора для широко­ диапазонного регулирования напряжения .с возможностью согласован­ ного включения переключаемых секций (ПС) между собой (ключи 5/4п включены, а ключи 5 Л/2 выключены) или исключения i-й секции из набора путем включения ее шунтирующего ключа S/4/г и выключе­ ния ее последовательного ключа 5Л л. Общее число переключающихся секций ПС, обеспечивающих изменение напряжения на нагрузке от С/иmin До UиШах ( min является напряжением младшей секции), опре­ деляется формулой

рис. 2 .8 , б, получается при использовании секций с числами витков, соотносящимися между собой как числа 3° : З1 : З2 : З3 : З4 = I : 3 : 9 : : 27 : 81 и т. д., т. е. составляющими геометрическую прогрессию со знаменателем 3 (рис. 2.8, в). Причем каждая из обмоток секций может

на из набора секций (ключи 5Л/з и 5/4м включены, а ключи 5/4 л и 5 /4 ,2 выключены). Однако наряду с указанным уменьшением количе­ ства секций трансформатора одновременно увеличивается в 1 ,5 раза число ключей и усложняется алгоритм управления ими. В схеме на рис. 2 .8 , г по сравнению со схемой на рис. 2 .8 , в число секций уменьша­ ется на одну, а число ключей — в два раза. Это достигается выполнени­ ем секционированных обмотокsCO средними точками при сохранении соотношения витков обмоток секций, определяемого геометриче­ ской прогрессией с основанием 3, и при соединении секций, как пока­

44

зано на рис. 2 .8 , г, причем в каждой секции может быть включен толь­ ко один ключ. Для получения напряжения Uumin, которое определяет дискретность изменения напряжения £/„, должен быть включен сред­ ний ключ 5Л/о младшей секции и первые ключи (5Л21, 5 Л31, ....

остальных секций. Напряжение £/„тах получается при включении третьих ключей (5Л13, 5Л 23, ..., 5Л„з) каждой секции, оно равно

Un шах = Uпmin (3 rt — 1).

Достоинство регуляторов этого типа — амплитудное регулирова­ ние напряжения, при котором искажения сетевого напряжения мини­ мальны, что в сочетании с ключевым режимом работы ИО обеспечи­ вает высокий к. п. д. схемы, а также возможность цифрового управле­ ния без промежуточных преобразований цифровой величины управляю­ щих сигналов в аналоговую форму. Недостатками являются наличие трансформатора достаточно сложной конструкции и большое число клю­ чей, зависящее от дискретности управления.

В мощных регуляторах и стабилизаторах, питаемых от трехфаз­ ной сети переменного напряжения, применение чисто релейного ре­ жима нецелесообразно, поскольку усложняется конструкция трансфор­ матора и значительно увеличивается число ключей. В таких схемах используют релейно-импульсные ИО на трехфазных трансформаторах с переключением отпаек. Грубое регулирование в таких регуляторах осуществляется релейно с помощью переключения отпаек (или сек­ ций) трансформатора, а точное — импульсными методами за счет вре­ менной модуляции включенного состояния ключей.

В таких ИО еще в большей степени, чем в ИО импульсных регуля­ торов, проявляется взаимное влияние различных фаз. В трехстержне­ вом трансформаторе в любой момент времени должен выполняться баланс мгновенных значений магнитных потокоз стержней или, если использовать связь производных потоков, напряжений и числа витков обмотки w, баланс мгновенных значений напряжений на один виток

При нарушении соотношения (2.3) появляется поток рассеяния, замыкающийся по воздуху, что приводит к появлению значительных уравнительных токов.

2.3.Регулировочные характеристики электронных регуляторов

Этот вид характеристик описывает свойства регуляторов в стати­ ческом режиме и характеризует линейность и дискретность регулиро­ вочной характеристики, коэффициент передачи и его зависимость от управляющего сигнала. Статическая регулировочная характеристика

45

Ху и определяется выражением

(2.4)

где дР, dUn — величина изменения мощности (напряжения) при из­ менении параметра Ху на величину дХу.

Дискретность регулировочной характеристики определяется выра­

и указывает на максимально возможное приращение мощности при изменении управляющего сигнала Ху. Величины 6 Р £ и 8 £/£ связаны либо с дискретностью параметра Ху, либо с дискретным характером передачи мощности (напряжения). И в том и в другом случаях коэф­ фициент передачи также будет дискретной величиной.

Все разновидности способа ШИУ — ОЧ (способа фазового управле­ ния) имеют нелинейную статическую характеристику, а величина их коэффициентов передачи изменяется более чем на порядок в диапазоне изменения управляющего параметра 0,1 < Ху ^ 0,9. Статическая ре­ гулировочная характеристика способа ШИУ — ВЧ (без учета пульсаций регулируемого параметра) линейна, а коэффициент передачи равен постоянной величине (регулировочные характеристики соответствуют характеристикам классического способа ШИМ [6 , 111). Аналогично ступенчато линейны характеристики -способов релейного управления.

Дискретность статической характеристики способов ШИУ — ОЧ и ШИУ — ВЧ определяется дискретностью параметра Ху и не должна превышать допустимой погрешности регулятора. В связи с этим число уровней дискретизации N управляющего параметра Ху можно опреде­ лить по формуле

N = K п,ах/6ЭР,

где бэр — допустимая относительная погрешность задания выходного параметра ЭР; /Стах — максимальное значение коэффициента передачи.

Дискретность статической характеристики в этом случае будет равна величине 8Pt = MN.

Для низкочастотных способов управления ШИУ— НЧ, ЧСИУ— НЧ и ЧИУ — НЧ характерной является передача мощности импульсами единичной мощности Я0. При этом в ЧСИУ — НЧ и ШИУ — НЧ имеет место постоянная длительность периода регулирования Тр, а в ЧИУ — НЧ длительность этого периода — величина переменная.

Статические характеристики способов ШИУ — НЧ и ЧСИУ — НЧ линейны, коэффициенты передачи равны единице, а дискретность регу­ лировочной характеристики — величина постоянная. Величина этой дискретности ограничена, с одной стороны, минимальной длитель-

46

ностыо импульса tH, а с другой — максимальной длительностью пери­ ода регулирования Тр. Минимальная длительность импульса опреде­ ляется видом и частотой питающей сети и, например, для трехфазной сети может принимать значения Тс/6 , TJ3, TJ2 или Тс, где Гс — дли­ тельность периода питающей сети.

Максимальная длительность периода регулирования Тр ограниче­ на условием Гр Г0, где Т0 — постоянная времени объекта управле­ ния, и связанной с этим условием величиной запаздывания в отработ­ ке изменений управляющего сигнала. Поэтому соотношение Гр/Г 0 не­ обходимо выбирать таким, чтобы этим запаздыванием можно было

пренебречь, например (Гр/Гс) <: 10-2 . С учетом этого величину дис­ кретности регулировочной характеристики низкочастотных способов можно определить как

бЛ = /„/Гр,

а допустимое количество импульсов мощности пг в интервале повторе­ ния рассчитать по формуле

пг = 1/6Л-.

Таким образом, способы управления ШИУ — НЧ и ЧСИУ — НЧ обеспечивают линейную, но дискретную статическую регулировочную характеристику и постоянный коэффициент передачи. При способе управления ЧИУ — НЧ статическая регулировочная характеристика, коэффициент передачи и дискретность регулирования являются нели­ нейными функциями управляющего сигнала, поэтому эти способы используются значительно реже.

Следует еще раз отметить, что импульсные способы управления на низкой частоте сопровождаются существенным искажением формы напряжения на нагрузке, и при малых постоянных времени исполни­ тельных механизмов и объектов управления вызывают большие пуль­ сации регулируемого параметра. Поэтому низкочастотные способы управления используются преимущественно для регулирования ве­ личины мощности на нагрузке с целью преобразования ее в теплоту.

2.4.Энергетические характеристики электронных регуляторов

Энергетические показатели характеризуют эффективность исполь­ зования и потребления электрической энергии. Эффективность ис­ пользования электрической энергии оценивается коэффициентом по­ лезного действия

где Ри — полезная мощность нагрузки; Яс — потребляемая из сети активная мощность.

Эффективность потребления электрической энергии определяется соотношениями между уровнями полной мощности 5, потребляемой из сети, и уровнями ее составляющих — активной Р„, реактивной Г р, мощности искажений Р„с и несимметрии Р„ес. Наличие большого

47

числа составляющих полной мощности определяется тем, что регуля­ тор с ключевыми ИО является существенно нелинейным звеном. В за­ висимости от способа управления и схемы ИО та или иная составляю­ щая полной мощности может отсутствовать, за исключением активной

составляющей.

Активная мощность Рн равна среднему значению мгновенной мощ­ ности в нагрузке за время Тр и определяет количество электрической энергии, необратимо преобразующейся в нагрузке в тепловую энергию или другие ее виды. Активная мощность характеризует уровень полез­ ной работы и работы, расходуемой на потери в регуляторе.

Реактивная мощность Рр (или мощность сдвига) обусловлена фа­ зовым сдвигом основной гармоники тока нагрузки и напряжения пи­ тающей сети. Реактивная составляющая тока нагрузки, появляющаяся вследствие сдвига основной гармоники тока относительно напряжения сети, не участвует в передаче полезной энергии в нагрузку, поскольку среднее значение мгновенной реактивной мощности равно нулю. В то же время, протекая по контуру источник энергии — кабель — регу­ лятор — нагрузка, эта составляющая ,тока создает дополнительные потери электроэнергии.

Мощность искажений Рпс обусловлена гармониками тока, не совпадающими по частоте с основной гармоникой, т. е. частотой сети, и вызывает дополнительные потери электроэнергии.

Мощность несимметрии Р11ес учитывает потери энергии, связанные с неравномерным во времени распределением токов по фазам многофаз­ ной сети. Поскольку потери энергии изменяются по квадратичной за­ висимости, то увеличение этого значения цри симметричной нагрузке приводит к резкому увеличению суммарных потерь энергии.

Полная мощность S определяется расчетными значениями токов на­ грузки и напряжений фаз сети; она всегда больше фактически передава­ емой к нагрузке активной мощности из-за существования составляю­

Заменяя токи в линейных проводах их гармоническими составля­

48

Положим, что частота питающего напряжения /с = (1/7с) =

совпадает с частотой l-й гармоники токов в уравнении (2.8). Тогда все гармоники линейных токов с номерами k > I отнесем к высокочастот­ ным, а гармоники с номерами k <С / — к низкочастотным составляю­ щим этих токов.

гармоники и фазным напряжением С/фэквивалентного симметричного источника электроэнергии, выполненного по схеме звезды.

Первое слагаемое представляет собой квадрат активной мощности,

49

Эффективность потребления электрической энергии оценивается коэффициентом мощности:

Первый дробный сомножйтель (2.17) представляет собой коэффи­ циент сдвига kc, характеризующий соотношение между активной и реактивной мощностями. В регуляторах с симметричной нагрузкой он равен косинусу угла сдвига основной гармоники тока относительно напряжения соответствующей фазы

Второй дробный сомножитель (2.17) — коэффициент искажений kHCрегулятора, определяемый при симметричной нагрузке на сеть от­ ношением действующего значения основной гармоники тока к его дей­ ствующему значению и соответствующий уровню искажения формы потребления из сети токов

У р \ + р

При синусоидальной форме токов линейных проводов knz = 1. Третий дробный сомножитель (2.17) называется коэффициентом

несимметрии и характеризует степень несимметричности нагрузки на фазы питающего напряжения

V Pl + Pl + Pjc

(2. 20)

V PI + PI + PI + PI„

При симметричной нагрузке фаз регулятора мощность несимметрии равна нулю и коэффициент несимметрии равен единице. В регуляторах, питающихся от симметричных источников синусоидального напряже­ ния, мощность и коэффициент несимметрии определяются несимметрией ИО или режимов управления.

Поскольку большинство трехфазных нагрузок имеет симметричный характер, в дальнейшем для упрощения выкладок целесообразно рас-

50