CC BY
45
2.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Wilson, W.R. High current arc erosion of electric contacts materials / W.R. Wilson // Trans. AIEE. -1955. - Vol. 74. - PP. 657-663. Braunovic, M. Electrical contacts: fundamentals, applications and technology / M. Braunovic, N.K. Myshkin, V.V. Konchits. - New York : CRC Press. -2007. - P. 646.
3. Порудоминский, В. В. Устройства переключения трансформаторов под нагрузкой / В. В. Порудоминский. - М. : Энергия, 1974. - 288 с.
4. Соединители и коммутационные устройства / [Бон-даренко И. Б., Гатчик Ю. А., Иванова Н. Ю., Шил-кин Д. А.]. - Спб. : СПбГУ ИТМО, 2007. - 151 с.
5. Липштейн, Р. А. Трансформаторное масло / Р. А. Липштейн, М. И. Шахнович. - М. : Энергоато-миздат, 1983. - 296 с.
Стаття надiйшла до редакцИ 10.02.2011.
Пiсля доробки 22.03.2011.
Волкова О. Г.
Дослвдження мехатзму утворення поверхневих пл1вок на контактах маслонаповнених комутацш-них пристроКв
У датй cmammi досл1джено процес утворення поверхневих пл1вок на розривних контактах комутацшних пристрогв. Показано мехатзм процесу утворення продукmiв забруднення у трансформаторнм маmi та дина-мжа утворення гх осаду на контакттй cиcmемi.
Ключов1 слова: контактор, трансформаторна олiя, контакти, електрична дуга.
Volkova O.G.
Investigation of formation inachanisiii of surface film on contacts of oil-filled switching devices
Surface films formation on contacts of switching devices is investigated. The mechanism of contamination products formation in transformer oil and dynamics of their precipitation on the contact system is described.
Keywords: contactor, transformer oil, contacts, electric arc.
УДК 621.316.53:621.382.233
А. В. Близняков канд. техн. наук, В. Л. Миронченко канд. техн. наук
Запорожский национальный технический университет
АНАЛИЗ И СИНТЕЗ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ РЕГУЛЯТОРА
ДЛЯ ТЕМНИТЕЛЕЙ СВЕТА
Выполнен анализ и синтез системы управления регулятора напряжения для темнителей света на запираемых тиристорах. Представлен пример схемной реализации системы управления.
Ключевые слова: анализ, синтез, регулятор напряжения, система управления, запираемые тиристоры, управляющий импульс.
Тиристорные регуляторы напряжения находят широкое применение в качестве регуляторов освещения жилых и производственных помещений [1], а также в качестве регуляторов освещения в театрах, в том числе и для темнителей света [2]. При этом регуляторы для темнителей света имеют преимущественно ручное управление. Следует отметить, что регуляторы, построенные на обычных тиристорах, отпираемых в произвольный момент времени и запираемых в нуле питающего напряжения, характеризуются относительно низким (порядка 0,5...0,8) коэффициентом мощности [1].
Его повышения можно добиться за счет регулятора с коэффициентом мощности емкостного характера. Наибольший эффект при этом достигается в том случае, если система управления регулятора обеспечивает включение тиристоров в нуле питающего напряжения, а запирание - в произвольный момент времени относительно полуволны питающего напряжения в зависимости от требуемой мощности.
Целью данного исследования является синтез системы управления регулятора для темнителей света, силовой элементной базой которого являются запираемые
© А. В. Близняков, В. Л. Миронченко, 2011
тиристоры [3-5]. Основной его отличительной особенностью является оптимизированный алгоритм работы.
В работах [6-8] рассмотрены функциональные схемы систем фазового управления запираемыми тиристорами. Однако анализ представленных схем показал, что они синтезированы без проведения минимизации логической цепочки алгоритма работы системы управления. Поэтому разработанные схемы содержат излишние звенья, что в конечном итоге привело к их усложнению и снижению надежности в эксплуатации. В последнее время разрабатываются системы управления тиристорами различных видов с использованием программируемых контроллеров и микропроцессоров [9, 10].
Алгоритм работы и, соответственно, синтез рассматриваемой системы управления осуществляются с учетом использования цифровых микросхем серии К561. При наличии в синтезируемой схеме только одного управляющего сигнала такое решение будет наиболее целесообразным. Применение программируемых контроллеров и микропроцессорных систем управления может несколько упростить конструкцию печатной платы. Однако система управления в этом случае будет на порядок дороже и не обеспечит, безусловно, положительные качества микропроцессоров и микроконтроллеров, которые обычно проявляются при наличии больших массивов входных и выходных величин.
На первом этапе синтез системы управления осуществляется методом функционального наращивания [11], на основе которого составлена функциональная схема системы управления, представленная на рис. 1. Поскольку запираемые тиристоры открываются в нуле синусоиды питающего напряжения, т. е. при угле управления а = 0°, а запираются при угле запирания
180° > в > 0°, то система управления содержит узел синхронизации СУ и фазосдвигающее устройство в цифровом исполнении, т.е. счетчик СТ и генератор тактовых импульсов в. Для защиты тиристоров от сверхтоков, в том числе коротких замыканий, схема содержит блок токовой защиты БТЗ с элементом памяти, например, ЯЕ-триггер. При этом в момент возникновения токовой перегрузки на одном из выходов триггера формируется логический нуль, что исключает формирование управляющих импульсов, подаваемых на тиристоры, в нуле питающего напряжения, а на втором выходе формируется логическая единица, которая формирует импульс на запирание тиристора. В этой связи схема содержит элемент «ИЛИ», пять комбинационных схем КС 1... КС5 в виде элементов «И», а также конечный автомат с памятью КА и выходные узлы ВУ1 и ВУ 2.
Комбинационная схема КС1 является формирователем широких импульсов длительностью 180 эл. град. и служит для запуска генератора в начале каждой полуволны питающего синусоидального напряжения и формирования узких импульсов (длительностью порядка 10-15 мкс) для обнуления счетчика. Этим достигается высокая симметрия управляющих (запирающих) импульсов тиристоров У81 и У82. Их отпирание происходит при нуле напряжения, а запирание - сигналом Ь при заполнении счетчика СТ. При перегрузке или коротком замыкании на прямом выходе Q1 триггера Т1 формируется логическая единица, которая формирует импульс на запирание тиристора, а на его инверсном выходе формируется логический нуль, который запрещает формирование импульсов на отпирание. Следует подчеркнуть, что запираемые тиристоры должны обладать симметричной характеристикой, чтобы исключить появление в сети постоянной составляющей тока.
Рис. 1. Функциональная схема синтезируемой системы управления
Таким образом, синтезируемая система управления (цифровой автомат) должна формировать следующие выходные сигналы:
- у и у3 - сигналы на отпирание и запирание тиристора У81;
- у2 и у4 - сигналы на отпирание и запирание тиристора У82.
Входными сигналами автомата являются
- х1 и х2 - сигналы, формируемые в момент нуля напряжения;
- х3 и х4 - сигналы, формируемые при заполнении счетчика,
где Х1 = ; Х2 = ^2 <21 ; Х3 = (Ь V <1 ^ ;
Х4 = (Ь V <1 )а2, (1)
где а1, а2 - выходные сигналы узла синхронизации; Ь - сигнал на выходе счетчика при его заполнении.
Синтез автомата с памятью производится с использованием канонического метода синтеза автоматов [12, 13]. Вначале составляется граф состояний синтезируемого автомата, рис. 2. При этом синтезируемый автомат имеет следующие состояния:
- с - включен и проводит ток тиристор У81;
- с2 -тиристор У81 отключен и ток нагрузки равен нулю;
- с3 - включен и проводит ток тиристор У82;
- с4 - тиристор У82 отключен и ток нагрузки равен нулю.
Очевидно, что при работе автомата должен соблюдаться вполне определенный алгоритм, т.е. смена состояний должна осуществляться в следующем порядке: с1-с2-с3-с4-с1 и т.д. Кодирование состояний автомата производится с использованием соседнего кодирования: с 1 - 00; с2 - 01; с3 - 11; с4 - 10. Требуемое число элементов памяти определяется исходя из числа состояний [12]:
Р = }°В2 N[= 2, где N - число состояний, равное 4.
(2)
В качестве элементов памяти в данном случае целесообразно использование двух КЗ-триггеров (один корпус микросхемы К561ТМ2).
На основании полученных данных составляется совмещенная таблица переходов и выходов автомата, табл.1 и, соответственно, булевы выражения для выходных сигналов:
У1 = х1<2 <3; У2 = х2 22<э; У3 = х3 22 <3; У4 = х4<2<3 .
(3)
(4)
(5)
(6)
Функции возбуждения могут быть получены на основе следующих соображений. Например, чтобы
переключить триггер Т3 из состояния 23 в состояние <3, необходимо подать сигнал на 8-вход этого триггера, т. е. 5*3 = х2, а для того, чтобы переключить его из
состояния <3 в состояние <3 , необходимо подать в соответствии с выражением (3) на его Я-вход сигнал х1, т. е. = х1 и т. д. Таким образом,
= х4 , ^2 = х3 , 53 = х2 , Я3 = х1.
(7)
Комбинационная схема КС1 может быть реализована с помощью двух элементов «И-НЕ», аналогично КС2... КС5. Элемент «ИЛИ» (см. рис. 1) реализуется на
элементах «И-НЕ»; Ь V <1 = Ь ■ 2\-
На рис. 3 показана схема конечного автомата, а на рис. 4 - полная принципиальная схема регулятора. Анализ работы синтезированного автомата иллюстрируется временными диаграммами, рис. 5. При включении питания с помощью пусковой схемы Я7-С2 (см. рис. 4) триггеры устанавливаются в состояния
<1 = 1; <2 = 1; <3 = 1, а счетчики обнуляются. С приходом сигнала х1 (а1) отпирается тиристор У81, а с приходом сигнала х3 тиристор У81 запирается. Далее
Таблица 1 - Совмещенная таблица переходов и выходов автомата
Рис. 2. Граф состояний синтезируемого автомата
с <2<3 х1 х2 х3 х4
с1 00 00 00 01/у3 0
с2 01 01 11/у2 01 01
с3 11 11 11 11 10/у4
с4 10 00/у1 10 10 10
Рис. 3. Структурная схема конечного автомата
с приходом сигнала Х2 О) отпирается тиристорУ82,
а с приходом сигнала х4 он запирается. Таким образом, проведенный анализ показывает, что переходы, указанные в словесном описании, выполняются.
В научно-техническом плане новым в данной схеме (см. рис. 4) является применение схемы выходного узла, построенного на маломощных тиристорах, запирание которых осуществляется приложением к цепи управления обратного напряжения при разряде накопительных конденсаторов [8]. Данный узел построен на маломощных тиристорах У83, У84 (У85, У86) и накопительных конденсаторах С7 (С8), диодах УО18 (УО19) и резисторах И24, И26 (И29, Ю1). При разряде конденсатора С7 (С8) к цепи управления тиристора прикладывается обратное напряжение, и он запирается.
При подаче питания с помощью пусковой схемы С2-Я7 обнуляется счетчик и триггеры устанавливаются в положение Ql = 1; Q2 = 1; Qз = 1. С приходом управляющего импульса Х1 = кратковременным
импульсом = у1 ^ отпирается тиристор У86 и ток
заряда конденсатора С8 формирует управляющий импульс на отпирание тиристора У81. При заполнении
Рис. 4. Принципиальная схема регулятора на запираемых тиристорах
*г t
*4
1 _ 1 _
1 1 1
1 1
1 1 1 " 1
- 1 1 I
1 1 1 1 1 ' 1
1 1 1 1 1— 1 —
1 г * г г -
/П 1 1 1 ! k^i -
VJ
Рис. 5. Временные диаграммы работы синтезируемого устройства
счетчика СТ (два последовательно соединенных счетчика-дешифратора К561ИЕ8 общей емкостью N = 100)
формируется импульс х3, переключающий триггер Т2 в состояние ^ = 1 • Кратковременным импульсом
= уз( отпирается тиристор У85, и конденсатор С8
разряжается по цепи С8-У85-УЭ19-К27 - обмотка трансформатора Т2 - С8. При этом во вторичной цепи Т2 формируется импульс обратной полярности, запирающий тиристор УЗ 1. Отпирание и запирание тиристора У82 происходит аналогично. Применение такой схемы выходного узла позволяет гальванически развязать цепи управления от токовой цепи. Расчет емкости накопительных конденсаторов С7 (С8) может быть произведен на основе рекомендаций [13].
Для защиты тиристоров от пробоя при запирании может быть применена демпфирующая цепь Я12, У08, С5 (Я13, У09, С6) (см. рис. 4). Ее применение позволяет облегчить процесс запирания тиристора, поскольку обеспечивается временной сдвиг между спадом тока в цепи и нарастанием напряжения на тиристоре. Отсутствие указанной цепи, как правило, приводит к потере свойств запираемого тиристора. Защита тиристоров от внешних перенапряжений осуществляется с помощью варистора ЯИ (см. рис. 4).
Многократные исследования подтвердили надежность запираемых тиристоров при наличии демпфирующей цепи [15].
Выводы
1. Проведенные исследования, а также теоретические предпосылки позволяют установить, что применение регулятора на запираемых тиристорах повышает общий коэффициент мощности потребителей, работающих параллельно с регулятором.
2. Анализ работы системы управления по временным диаграммам показывает, что перечисленные выше условия в отношении алгоритма ее работы выполняются.
3. Применение схемы выходного узла на маломощных тиристорах с коммутирующим конденсатором обеспечивает надежное отпирание и запирание тиристоров, что подтверждено многократными исследованиями на лабораторной установке [15]. При этом создается гальваническая развязка между цепью управления и силовой цепью.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Шкап, Л. Ц. Театральные регуляторы напряжения / Л. Ц. Шкап, В. А. Забродин - М. : Энергия, 1998. - 88 с.
2. Кунгс, Я. А. Автоматизация управления электрическим освещением / Кунгс Я. А. - М. : Энерго-атомиздат, 1989. - 112 с.
3. Запираемые тиристоры: Быстродействующие диоды: [каталог ABB Semiconductors AG]. - [Москва, 1999]. - 174 с.
4. Супронович, Г. Улучшение коэффициента мощности преобразовательных установок / Супронович Г. [перев. с польск.]. - М. : Энергоатомиздат, 1985. -136 с.
5. Сокол, Е. И. Повышение коэффициента мощности бестрансформаторного трехфазного тиристорно-го преобразователя напряжения с комбинированным управлением / Е. И. Сокол, И. П. Архиереев, А. В. Кипенский, Е. И. Король // Техш чна електродинамта. - Кшв, 2001. - тем. випуск «Си-лова електрошка та енергоефективтсть», ч. 2.
6. Переверзев, А. В. Электротехнические характеристики формирователя импульсов управления для запираемого тиристора / А. В. Переверзев,
A. Г. Алексеев, О. В. Василенко // Електротехшка та електроенергетика. - 2003. - № 1. - С. 24-28.
7. Булатов, О. Г. Формирователи импульсов управления двухоперационными тиристорами / О. Г. Була -тов, О. В. Жеглов // Электротехника. - 1996. - № 1. -С. 44-50.
8. Миронченко, В. Л. Анализ и синтез системы управления регулятора на запираемых тиристорах /
B. Л. Миронченко, А. В. Близняков // Електротехшка та електроенергетика. - 2003. - № 1. - С. 79-81.
9. Король, Е. И. Тиристорный преобразователь мощности с цифровым управлением для регулирова-
ния температуры нагревательной губки станка. / Е. И. Король // Вюник Нацюнального техшчного ушверситету «ХП1» : зб1рник наукових праць. -Харюв : НТУ «ХП1», 2002 - тем. випуск Мшропро-цесорш системи 1мпульсного управлшня.
10. Сокол, Е. И., Электропривод постоянного тока с микропроцессорной прогнозирующей системой управления / Е. И. Сокол, А. В. Кипенский, А. А. Лашин, Н. Н. Орехова // Вкник Нацюнального техшчного ушверситету «ХП1» : зб1рник наукових праць. - Харк1в : НТУ «ХП1», 2002 - тем. випуск Шкропроцесорш системи 1мпульсного управл1ння.
11. Полковский, И. М. Схемотехника микроэлектронной аппаратуры / И. М. Полковский, В. П. Стыць-ко, Ю. Е. Руцберг. - М. : Радио и связь, 1981. - 320 с.
12. Прикладная теория цифровых автоматов/ [под ред. К. Г. Самофалова]. - К. : Вища школа, 1987. - 375 с.
13. Новиков, Ю. В. Основы цифровой схемотехники: Базовые элементы и схемы. Методы проектирования / Ю. В. Новиков. - М. : Мир, 2001. - 379 с.
14. Грехов, И. В. Тиристоры, выключаемые током управления / И. В. Грехов, И. А. Линийчук. - Л. : Энер-гоиздат, 1982. - 96 с.
15. Сравнительный анализ ключевых схем на транзисторах и запираемых тиристорах / В. П. Безручко, До-Чинь, В. Л. Миронченко [ и др.] // Известия вузов. Электромеханика. - 1989 - № 11 - С. 111-113.
Стаття надiйшла до редакцп 15.02.2011.
Пiсля доробки 22.03.2011.
Близняков О. В., Миронченко В. Л.
Аналiз та синтез системи керування регулятора для затемнювачiв свггла
Виконано aHa.ni.3 i синтез системи керування регулятора напруги для затемнювачiв ceimna на запираних тиристорах. Надано приклад схемног реaлiзaцii системи керування.
Ключов1 слова: aнaлiз, синтез, регулятор напруги, система керування, зaпирaнi тиристори, керуючий мпульс.
Bliznyakov О. V., Mironchenko V. L.
Analysis and synthesis of regulator control system for dimmers
Analysis and synthesis of the gate-controlled thyristor-based voltage regulator control system for dimmers has been performed. Example of a control system circuit is represented.
Key words: analysis, synthesis, voltage regulator, control system, gate-controlled thyristors, control pulse.
УДК 681.5.013
С. О. Бур'ян, В. Ю. Ворощенко, С. В. Король, О. Ю. Савич, С. А. См1рнов
Нацюнальний техшчний ушверситет Украши «Кшвський полггехшчний шститут»
АВТОМАТИЗАЦ1Я ФОРМУВАННЯ ТРАСКТОР1Й ПРИ ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНОМУ ДОСЛ1ДЖЕНН1 ЕЛЕКТРОМЕХАН1ЧНИХ СИСТЕМ
У статт1 запропоновано пристрш для автоматизаци формування траекторш при експериментальному досл1джент електромехатчних систем. Траекторп формуються за допомогою лог1чного програмованого контролера, що тдключений до промислового перетворювача частоти. Представленорезультати дослгджень для р1зних титв траекторш.
Ключов1 слова: лоачний програмований контролер, автоматизащя, траектор1я руху, синтез.
Вступ. Експерименгальш дослщження електромехатчних систем часто складаються з велико! шлькосп серш теспв, яю виконуються для р1зного типу задаючих 1 збурюючих дш. Для анал1зу 1 систематизацл отрима-них експериментальних даних уа тести з одним типом заданих траекторш повинш мати щентичш характерш далянки (розгш, гальмування, накидання момента). От-
римання однотипних експериментальних даних при дослвдженш електромехатчних систем в режим1 вщпра-цювання стутнчастих л1фтових траекторш або траекторш з реверсом можливе т1льки при використанш програмованого задавального пристрою. Для цього можуть використовуватися спещальш пристро!: персональний комп 'ютер з платою, що реал1зуе дискретш входи/вихо-
© С. О. Бур'ян, В. Ю. Ворощенко, С. В. Король, О. Ю. Савич, С. А. CMipHOB, 2011
