CC BY
22
ИЗВЕСТИЯ
ТОМСКОГО ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА вмени С. М. КИРОВА
Том 265
1973
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ РЕГУЛЯТОР НАПРЯЖЕНИЯ ГЕНЕРАТОРА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
Б. В. ЛУКУТИН, А. Б. ЦУКУБЛИН
(Представлена научным семинаром кафедр электрических машин и общей электротехники)
В связи с расширением области применения тиристорных преобразователей и созданием на их основе машинно-вентильных комплексов, возникает проблема создания быстродействующих регуляторов напряжения, работающих при несинусоидальной форме кривой напряжения генератора. Для генераторов переменного тока принципиальным является вопрос — по какому значению напряжения осуществлять регулирование: по амплитудному, среднему или действующему. В зависимости от решения этого вопроса выбирается схема чувствительного элемента. Следует отметить, что при синусоидальной форме кривой можно добиться достаточной стабильности переменного напряжения путем регулирования по любому из его значений [1, 2].
На практике часто требуется получать стабильное действующее значение несинусоидального напряжения синхронного генератора в широком диапазоне изменения нагрузки и частоты. В этом случае чувствительный элемент должен реагировать на действующее значение несинусоидального переменного напряжения:
Из этого выражения следует, что датчик действующего значения должен быть решающим устройством, выполняющим последовательно операции возведения в квадрат текущего значения напряжения, интег-рироъания и извлечения квадратного корня. То есть датчик действующего значения получается довольно сложным, ненадежным и не обеспечивающим высокую точность измерения. Значительный интерес в этой связи представляют методы измерения действующего значения, использующие эффект теплового воздействия. Из них наиболее простым и точным является применение в качестве датчика действующего значения лампочки накаливания, преобразующей напряжение генератора в световой поток, который регистрируется фотоприемником. Фотоприемником могут быть фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и др. Лампочка накаливания представляет собой универсальный управляемый источник света для широкого класса оптронных пар. Она позволяет легко получать высокие уровни освещенности на рабочей площади фотоприемника, что снижает требования к его чувствительности и коэффициенту усиления [3].
В настоящей статье описан регулятор напряжения генератора переменного тока, в котором в качестве датчика действующего значения
применена оптронная пара: лампочка накаливания — фоторезистор, включенная в мостовую схему (рис. 1а). Напряжение ис* пропорциональное напряжению генератора, снимается с диагонали моста (рис. 1а), к другой диагонали которого прикладывается напряжение питания Ьт0. В плечо моста включен фоторезистор Гф, который работает
Рис. 1. Датчик действующего значения: а — схема; б — зависимость сопротивления фоторезистора от напряжения на лампочке накаливания
в режиме управляемого сопротивления. Зависимость сопротивления фоторезистора от напряжения на лампочке накаливания представлена на рис. 1 б. Напряжение генератора и соответственно на лампочке накаливания меняется в узком диапазоне от Umin до 'Umax, поэтому рабочий участок зависимости Гф = Цил) можно аппроксимировать прямой с соответствующим коэффициентом наклона. Тогда в соответствии с рис. 1.
U,
и0Гф
U(Jn
Гз
[ф
Г1 -г Г2
где
ГФ
Н- (Umax -U,) tg а; г" - г'
Ur
Ur
-Тпах ^тт
Следовательно, изменение напряжения моста Д1]с за счет измене ния напряжения лампочки дил определится выражением
и,.(гн + Аил1оо) ЦрГ1
A Up
Гз + Гн + A^tga
Г1 + Го
(1)
Выражение (1) показывает, что величина Дис может быть значительной, а отношение напряжений Ьтс разбалансированного и сбалансированного моста может достигать очень больших величин. Следовательно, чувствительность регулятора может быть достаточно высокой.
Принципиальная схема регулятора изображена на рис. 2. Напряжение с диагонали моста подается на вход змиттерного повторителя, собранного на транзисторах Ть Т2. Для увеличения входного сопротивления повторителя применена схема на составном триоде. С выхода эмиттерного повторителя напряжение разбаланса поступает в базовую цепь транзистора Тз. Сюда же поступают положительные импульсы пилообразной формы с генератора пилообразного напряжения (ГПЫ), собранного на транзисторе Т8. ГПН запускается мультивибратором, собранным на транзисторах Т6з Т7. Эти напряжения сравниваются на сопротивлении р6. Транзистор Т3 закрывается, как только напряжение пилы
Рис. 2. Принципиальная схема регулятора напряжения
станет равным напряжению разбаланса моста и открывается как только напряжение разбаланса превысит напряжение пилы. Таким образом, транзистор Тз работает как типичный релейный элемент, преобразуя л л а в н о - и з м е н я го щи йе я сигнал, поступающий с эмиттерного повторителя, в серию импульсов, коэффициент заполнения которых Кзи пропорционален величине этого сигнала. Коэффициент заполнения определяется выражением:
к и
«•и
т
где и
время прохождения импульса тока в коллекторе транзистора Т3;
Т — период рабочей частоты ГПН.
Соотношение между изменением величины сигнала разбаланса моста и соответствующим изменением длительности имдульса показано на рис. 3. Рассмотрим случай, когда в результате изменения нагрузки
Рис. 3
генератора его выходное напряжение изменилось, значит изменилось и напряжение разбаланса моста с величины иС1 до ис2. Следовательно, изменится и величина коэффициента заполнения Кзи- Изменение длительности импульса пр.и изменении напряжения генератора определяется как
или
где
А — 412 >
где 1П1— длительность импульса, соответствующая первоначальному напряжению генератора;
Д1И = А ис (-~тг- + 1
íg р ^ т Цщ
ит .
О « Г
ит'—амплитуда импульсов ГПН;
1Р—рабочий ход пилы;
—период восстановления исходного состояния ГПН.
Обычно 1Р:МВ
^ I
Поэтому длительность импульса тока в коллекторной нагрузке линейно зависит от величины приращения сигнала ДиС) и тогда новое значение Каи определится как
К --¿-(Дис ^
зи ~ т ^ '
где А1)с определяется выражением (1).
Таким образом, чувствительность регулятора определяется величиной Дис и углом р, и для уменьшения погрешности необходимо повышать ДЬТС. что вполне осуществимо для мостовой схемы, и уменьшать амплитуду пилы ию.
Коэффициент заполнения, соответствующий номинальному значению регулируемого напряжения, устанавливается при помощи потенциометра Г2. Цепочка положительной обратной связи С1—Г7 обеспечивает четкие фронты при -перебросе усилителя. Смещение Е3 обеспечива-вает надежное и быстрое закрывание мощного транзистора Т5. С выхода усилителя мощности импульсы поступают в обмотку возбуждения электрической машины, где демодулируются при помощи шунтирующего диода Дг. Ток в обмотке возбуждения, при достаточно большой постоянной времени, практически не имеет пульсаций, а его величина определяется выражением
Е г
• К-
ЮВГ _ *ЧЗИ »
овг
где Гонг — сопротивление обмотки возбуждения генератора.
Диод Д1 служит для снятия перенапряжений с транзистора Т5, а сопротивление г12 шунтирует его, облегчая режим работы силового транзистора.
Выполненный по приведенной схеме образец регулятора обеспечивал точность регулирования напряжения генератора ±2% при изменении нагрузки генератора от нуля до номинальной и двукратном изменении скорости вращения генератора. В качестве нагрузки генератора использовался полупроводниковый выпрямитель.
Для оптронной пары лампочка накаливания — фоторезистор использовались фотосопротивления типа СФ-2-5 и лампочки накаливания
типа СМ-36. Сопротивление фоторезистора на рабочем участке составляло 20—30 ком.
В настоящей статье описан регулятор напряжения, обеспечивающий стабилизацию действующего значения несинусоидального напряжения на выходе генератора с точностью ±2% в широком диапазоне изменений нагрузки и скорости вращения генератора. Регулятор отличается достаточной простотой, надежностью, хорошими весо-габаритны-ми показателями.
ЛИТЕРАТУРА
1. В. П. Б у н а к о в, Р. Г. Гас паров. Полупроводниковые регуляторы напряжения и частоты электрических машин. Изд-во «Энергия», 1965.
2. Э. А. Лодочников, Е. Г. О р л о в. К расчету импульсной системы регулирования электрических машин с неявно выраженным модулятором ширины импульсов. «Электричество», 1972, № 8.
3. С. В. Свечников. Элементы опто-электроники. М., изд-во «Энергия», 1971.
