CC BY
9
УДК 621.391.019.51
ПОВЫШЕНИЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ДАТЧИКОВ НЕСИММЕТРИИ НАПРЯЖЕНИЙ АВТОНОМНЫХ ИСТОЧНИКОВ
ПИТАНИЯ
Р.Ф. БУЛАТОВ, В.Е. БЫСТРИЦКИЙ
Ульяновский государственный технический университет
Предложено формирование сигналов, несущих информацию о несимметрии напряжений, на основе попарного сравнения контролируемых напряжений между собой. Одновременно осуществляется корректирование фазовых сдвигов между сравниваемыми напряжениями с целью уменьшения переменных составляющих в выходных сигналах датчиков. Приводится принципиальная схема разработанного устройства.
Ключевые слова: автономный источник питания, симметрирующее устройство, датчик несимметрии напряжений, попарное сравнение сигналов.
Эксплуатация автономных источников питания (АИП) сопровождается, как известно, случайным характером распределения несимметричных нагрузок по фазам. Устранение возникающей при этом несимметрии напряжений наиболее эффективно достигается в результате использования симметрирующих устройств (СУ), функционирующих на основе принципа автоматического управления. Отметим, что применительно к АИП весьма перспективным оказывается выполнение указанных устройств в соответствии со способами построения [1, 2], согласно которым о несимметрии напряжений судят по величинам их модулей.
В настоящей статье рассматриваются вопросы проектирования устройств, выявляющих таким образом появление несимметрии напряжений и преобразующих информацию о ней в форму, удобную для осуществления управления исполнительными элементами СУ. К этим устройствам (в дальнейшем их будем называть датчиками несимметрии напряжений), в силу того что они являются составными элементами системы автоматического регулирования, предъявляются жёсткие требования в отношении чувствительности к изменению контролируемого параметра и быстродействия. Кроме того, датчики несимметрии должны отличаться простотой схемного решения и обладать высокой надёжностью. Проанализируем, каким образом удовлетворяются указанные требования в известных датчиках несимметрии.
Анализ научно-технической литературы, посвящённой проблеме регулирования напряжения переменного тока, показывает, что большинство интересующих датчиков собраны по обычным схемам сравнения двух напряжений: регулируемого (или пропорционального ему) и эталонного. Регулируемое напряжение перед сравнением с эталонным, задаваемым обычно с помощью стабилитронов, подвергается предварительному преобразованию (трансформации, выпрямлению, сглаживанию). Причём рекомендуется осуществлять лишь частичное сглаживание выпрямленного напряжения, а оставшуюся переменную составляющую использовать для обеспечения режима усиления класса Б последующих усилительных каскадов (работа усилителей в указанном режиме наиболее экономична). Одновременно наличие фильтра с невысокой постоянной времени благоприятно сказывается на быстродействии датчика, а следовательно, и всей системы симметрирования в целом.
© Р.Ф. Булатов, В.Е. Быстрицкий Проблемы энергетики, 2010, № 11-12
Однако рассмотренный принцип построения датчиков несимметрии обладает и недостатками. Главный из них заключается в невозможности обеспечения высокой чувствительности датчиков к изменению степени несимметрии напряжений, требуемой для некоторых симметрирующих устройств. Для подтверждения этого проанализируем пути повышения чувствительности известных датчиков и возможности их практической реализации.
С этой целью запишем уравнение, в соответствии с которым формируются выходные сигналы датчика для трёхфазного (i=1, 2, 3) симметрирующего устройства. Указанное уравнение имеет вид
^ (t) = иэ1 (t) - Kxi-KBi-K ф1иР1 (t), (1)
где дi (t) - выходные сигналы датчика; Uэj (t) - эталонные напряжения задания системы симметрирования (с достаточной для практических расчётов точностью можно считать: Uэ^(t) = Uэ^ = Uэ ); Up>i(t) - контролируемые напряжения источника; KTi Kb/ Kф¿ - коэффициенты передач звеньев датчика,
осуществляющих трансформацию, выпрямление и сглаживание контролируемых напряжений источника.
Подключение нагрузки к фазам источника вызывает отклонения его
напряжений Upi(t) от первоначальных уровней Up(t), что математически
выражается следующим образом:
Upi (t) = U0pi (t) ±AUpj (t), (2)
где AUpi (t) - приращения контролируемых напряжений, вызванные подключением нагрузки.
При этом происходят соответствующие отклонения выходных сигналов
датчика ^(t) от первоначальных значений дО :
дi (t) = дО ± Адi (t), (3)
где Адi(t) - приращения выходных сигналов датчика, вызванные подключением нагрузки.
Запишем уравнение (1), с учётом выражений (2) и (3), для равновесного состояния:
дО = иэ - KTiKBiKф^ (4)
и уравнение для приращений:
Ад i (t) = -KTi KBi K А Upi (t). (5)
Отметим, что выражение (5), определяющее зависимость отклонений выходных сигналов датчика Адt(t) от отклонений контролируемых напряжений
AUpi (t), характеризует, по сути, чувствительность датчика к изменению этого параметра. Учитывая, что коэффициенты передачи выпрямителей K Bi для выбранной схемы выпрямления постоянны, а коэффициенты передачи фильтров Kфi• при этом так же имеют фиксированные значения, устанавливаем
взаимосвязь повышения чувствительности датчиков непосредственно с необходимостью увеличения коэффициентов передачи трансформаторов К^,.
Анализируя выражение (4) и принимая во внимание, что дО есть, по сути, статистическая ошибка регулирования, которая в высококачественных статистических системах стремится к нулю (в астатических системах дО = 0),
можно установить следующую важную зависимость:
иЭ = КТгКБгКФ,иР , иэ
или Ктг- =---. (6)
КБ|К Ф|'и Р
Выражение (6) указывает на то, что, с другой стороны, возможность увеличения чувствительности датчика непосредственно связана с необходимостью повышения величины эталонного напряжения иэ .
Следует отметить, что в качестве источников эталонного напряжения в автономных источниках питания, работающих в широких диапазонах температур окружающей среды, целесообразно использование кремниевых стабилитронов. Данные стабилитроны отличаются высокой стабильностью характеристик, но в то же время имеют невысокие значения напряжения стабилизации. Повышение же уровня эталонного напряжения за счёт последовательного включения нескольких стабилитронов нежелательно ввиду усложнения устройства. Таким образом, существующая возможность повышения чувствительности известных датчиков несимметрии напряжений является применительно к АИП технически неприемлемой.
В этой связи в Ульяновском государственном техническом университете был предложен другой путь построения высокочувствительных датчиков несимметрии напряжений трёхфазных источников, сущность которого сводится к следующему. Известно, что автономные источники питания (электромашинные генераторы, статические преобразователи и др.) обычно всегда имеют выходное напряжение, стабилизируемое с весьма высокой степенью точности в результате функционирования так называемого общего регулятора напряжения (в электромашинных генераторах, например, таким регулятором является регулятор возбуждения). Поэтому представляется целесообразным использовать это напряжение в качестве эталонного сигнала, а выходные сигналы датчика формировать путём попарного сравнения контролируемых напряжений источника между собой [2]. Очевидно, что выражение, определяющее в данном 'случае предельную величину для коэффициентов передачи измерительных трансформаторов датчика, примет вид
Кт, 5 КОрниэ0 , (7)
КБ|К Ф|'и Р
где К0рН - коэффициент передачи общего регулятора напряжения.
Анализируя выражение (7), нетрудно усмотреть возможность существенного увеличения коэффициентов передачи, Kт¿, а следовательно, и
существенного (приблизительно в Корн Раз) повышения чувствительности устройства к изменению степени несимметрии напряжений источника.
Принципиальная схема датчика несимметрии напряжений, разработанного в соответствии с вышеизложенными положениями, показана на рис. 1 [2]. Данное устройство содержит измерительные трансформаторы 21 - 23, выпрямители В - Вз и суммирующие элементы, выполненные на основе потенциометров Я1 - Яз. Выходные сигналы датчика - д3 формируются в соответствии с выражениями:
= (+иАВ ) + (-ивС )» Д2 = (+иАВ ) + (-иСА )» Д 3 = (+иСА ) + (-иАВ ) ■
1
В
с 9
Т Л ■ —■
[ ФРУ| [ | ФРУ2 ФРУ}
1 г
М1 И: Мз
Рис. 1. Принципиальная схема датчика несимметрии напряжений трёхфазного источника
Принцип формирования выходных сигналов датчика поясняется при помощи графических зависимостей, приведённых на рис. 2. Из этого рисунка видно, что разработанное устройство позволяет без дополнительных средств обеспечить экономичный режим усиления класса Б последующих усилительных каскадов. Получение указанного режима работы усилительных каскадов обеспечивается благодаря наличию в выходных сигналах датчика переменных составляющих, обусловленных несовпадением мгновенных значений выпрямленных напряжений на выходах элементов В1 - В3, нормально имеющих фазовый сдвиг 60 град. Остановимся на некоторых особенностях, возникающих при совместном функционировании усилителей класса Б с разработанным датчиком несимметрии.
Рис. 2. Графические зависимости, поясняющие формирование выходных сигналов датчика
Как известно, коэффициент передачи указанных усилителей связан обратнопропорциональной зависимостью с амплитудой переменной составляющей входного сигнала, каковым для усилителей являются выходные сигналы датчика Д1 - д3. В настоящей статье предлагается для уменьшения уровня переменной составляющей в выходных сигналах датчика перед сравнением контролируемых напряжений обеспечивать корректирование фазовых сдвигов между ними. Указанное корректирование осуществлено посредством фазорегулирующих устройств ФРУ^ - ФРУ3, установленных между фазами источника A, B, C и первичными обмотками измерительных трансформаторов T1 - T3 (рис. 1). Процесс формирования выходных сигналов датчика при различной степени интенсивности корректирования фазовых сдвигов попарно сравниваемых напряжений иллюстрируется графическими зависимостями (рис. 2). В итоге удаётся существенно уменьшить амплитуду переменной составляющей в выходных сигналах датчика, а следовательно, увеличить коэффициент передачи каскада: датчик несимметрии - усилитель класса D. Анализ количественных значений показывает, что предложенное корректирование фазовых сдвигов между попарно сравниваемыми напряжениями позволяет не менее, чем в 2 раза увеличить значение результирующего коэффициента усиления каскада: датчик несимметрии -усилитель класса D, а следовательно, и общего коэффициента в системе симметрирования напряжений трёхфазного источника.
Выводы
1. Установлено, что повышение чувствительности датчиков несимметрии напряжений к изменению контролируемого параметра в известных технических решениях ограничено величиной задающего эталонного сигнала.
2. Предложен и обоснован способ повышения чувствительности датчиков на основе использования попарного сравнения контролируемых напряжений источника, предусматривающий также предварительное корректирование фазовых сдвигов попарно сравниваемых напряжений, что позволяет уменьшить переменную составляющую в выходных сигналах датчиков.
Summary
Generation of signals containing information about voltage unbalance has been suggested basing on pair-wise comparison of controlled voltages against each other.
Simultaneously phase shift correction among the compared voltages with the purpose to decrease ac components in the pickup signals is performed. A principal diagram of the created device is given.
Key words: self-containded power supply, balancing device, voltage unbalance sensor, pair-wise comparison of signals.
Литература
1. Проектирование статических преобразователей / П.В. Голубев и др. М.: Энергия, 1974. 408 с.
2. А.с. 699609 СССР, МКИ3 H 02 J 3/26. Способ стабилизации симметрии напряжений многофазного источника переменного тока / В.Е. Быстрицкий, А.П. Инешин, В.Ф. Масягин (СССР). № 2510598/24-07; заявл. 01.08.77; опубл. 27.11.79, Бюл. №43. 4 с.: ил.
3. А.с. 936219 СССР, МКИ3 H 02 J 3/26. Датчик несимметрии / В.Е. Быстрицкий (СССР). № 2999653/24-07; заявл. 03.11.80; опубл. 15.06.82, Бюл. №22. 4 с.:
ил.
Поступила в редакцию 28 мая 2010 г.
Булатов Ренат Фаридович - инженер Ульяновского государственного технического университета.
Быстрицкий Владимир Евгеньевич - канд. техн. наук, доцент Ульяновского государственного технического университета. Тел.: 8 (8422) 43-51-71. E-mail:uaps@bk.ru.
