CC BY
13
ИЗВЕСТИЯ
ТОМСКОГО ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТ,!
им. С. М. КИРОВА
Том 285
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ И КЛАССИФИКАЦИЯ ИМПУЛЬСНО-УПРАВЛЯЕМЫХ ФЕРРОМАГНИТНЫХ РЕГУЛЯТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ И ТОКА
В. П. ОБРУСНИК
(Представлена научно-техническим семинаром НИИ АЭМ)
Машинные усилители, дроссели насыщения и подмагничиваемые трансформаторы являются широко известными ферромагнитными регулятора-ми напряжения и тока. Простота устройства и изготовления, дешевизна ,и высокая эксплуатационная надежность обеспечили им в свое время быстрое внедрение в технические устройства самого различного назначения. За короткий промежуток времен-и создана теория процессов ферромагнитных регуляторов (ФМР), разработаны методы их проектирования, организован серийный вььпуск как самих регуляторов, так и систем на их основе.
Однако появление тиристорных и транзисторных ключей, обладающих одинаковыми с магнитными ключами регулировочными свойствами при намного большем быстродействии и меньших весо-габаритных показателях, резко сузило практическое применение ФМР в области силовой техники. Многие специалисты считают эти регуляторы неперспективными и не конкуренткоспосо&шми с вентильными устройствами.
Не разделяя крайних суждений о ФМР, следует все же признать, что значительная часть нареканий в их адрес справедлива, если иметь в виду ферромагнитные регуляторы с непрерывным управлением.
!В сравнительной оценке с вентильными регуляторами больше всего проигрывают магнитные усилители с самой асыщени ем, признанные в свое время лучшими среди ФМР других типов. Они не имеют здесь никаких дополнительных преимуществ, обладая большим весом и инерционностью. Неконкурентно-способность ФМР с самонасыщением по отношению к вентильным регуляторам очевидна даже при высокой частоте питающего напряжения, когда вес, габариты и инерционность тех и других становятся соизмеримыми. ФМР с самонасыщением имеют в силовой цепи неуправляемые вентили и достаточно последние сделать управляемыми, что не ухудшит весо-габаритные показатели системы, сохранит ей те же регулировочные свойства и не потребует существенного усложнения схемы управления, как станет очевидной ненужность ферромагнитной части. Вывод здесь напрашивается один — ФМР, работающие в режиме самонасыщения всегда хуже по удельно-зкономи-ческим показателям, чем вентильные регуляторы (тиристорные или транзисторные) [9].
Однако сделанное заключение будет неверным для ФМР, не имеющих положительных обратных связей (внутренних и внешних) по току нагрузки. Эти регуляторы на (30—40)% тяжелее ФМР с самонасыщением и обладают малым коэффициентом усиления по мощности (не
более 100), ко будучи прекрасными регуляторами тока, они получают преимущества, несвойственные вентильным устройствам. Центральными из этих преимуществ являются: самозащита от перегрузок и токов короткого замыкания, естественная стабилизация тока нагрузки, отсутствие вентилей в силовой цепи при нагрузках переменного тока.
-Перечисленные свойства для ряда электрических систем являются решающими (особенно в энергетических установках очень большой мощности), поэтому ферромагнитные регуляторы дроссельного типа применяются и будут применяться во многих электротехнических установках, несмотря на свои проигрышные показатели по инерционности, весу, габаритам и чувствительности к управляющему сигналу. При существенном улучшении этих показателей возможности практического применения ФМР еще более расширятся, чего можно достичь и даже обеспечить ферромагнитным регуляторам принципиально новые свойства, если управление их магнитными элементами осуществлять дискретно.
При дискретном управлении ФМР управляющее воздействие, приводящее к изменению магнитного состояния сердечников и соответственно к регулированию электрических параметров выходной цепи, должно быть не непрерывным, а импульсным, дозированным в определенные промежутки времени.
Все известные способы импульсного управления магнитными элементами основаны на том, что те или иные цепи этих элементов «замы-каются-размыкаются» с какой-то частотой и скважностью коммутации. Разработаны и исследуются дискретно-управляемые ФМР, у которых осуществляется:
а) коммутация цепи подмагничивания от источника напряжения постоянного тока [12];
б) коммутация цепей токовых обратных связей (чаще всего по току гармоник) [5];
¡в) одновременная коммутация цепей источника подмагничивания и обратных связей;
г) коммутация обмоток переменного тока [4, 6, 13, 21].
Ферромагнитные устройства, управляемые по пункту «а», являются регуляторами тока, имеющими в разомкнутых системах внешние характеристики, аналогичные кривым на рис. За. Устройства,управляемые по пунктам «б» или «в», являются регуляторами напряжения с внешними характеристиками, обладающими токоограничением (рис. 3,6), а создание постоянной составляющей индукции чиетокоммутационяым способом по пункту «г» дает регуляторы напряжения с внешними характеристиками без токоограничения на рис. 3,в.
Естественно, что в замкнутых системах автоматического регулирования все группы дискретно-управляемых ферромагнитных устройств » могут выполнять любые функции, в том числе функции регуляторов-стабилизаторов напряжения, тока или мощности. При классификации удобно их свойства устанавливать для разомкнутых систем и подразделять на два класса:
а) импульсно-подмапничиваемые ферромагнитные регуляторы — ПП ФМР, у которых регулирование выходных величия осуществляется за счет коммутации цепей подматничивания постоянным током;
б) импульсяо-коммутируемые ферромагнитные регуляторы — ИК ФМР, у которых выходные величины регулируются только за счет коммутации обмоток переменного тока.
Каждый из двух классов импульено-управляемых ФМР обладает разными свойствами, дает разные регулировочные и внешние характеристики, а поэтому имеет самостоятельное назначение. Для импульсного управления магнитными элементами требуется высокое быстродейст-
вие. Лучше, когда процессы коммутации происходят безынерционно, поэтому эффективная реализация этих способов стала возможной с появлением полупроводниковых ключей (транзисторных ,и тиристорных).
2 д
Рис. !.
На рис. 1, а, б, в, г показаны типовые варианты принципиального использования ИП ФМР. Картина изменения во времени основных величин этих регуляторов в установившихся режимах при активно-индуктивной нагрузке иллюстрируется (рис. 1, д), Схемы построены на простейших магнитных элементах —, дросселе насыщения (ДН), рис. 1, а, и лучшем варианте его исполнения — дросселе насыщения с совмещением обмоток переменного и постоянного тока (ДНС), рис. 1, б, в, г. Подключение здесь согласующих трансформаторов (автотрансформаторов) или их конструктивное объединение с дроссельными элементами, что дает устройства типа ТРПШ, АТРПШ, ТРОН и т. д. [1], а та1кже трехфазное исполнение схем ИП ФМР не окажется на существе излагаемых ниже рассуждений.
В схемах на рис. 1, а, б импульсное управление ФМР осуществляется за счет коммутации цепи источника напряжения постоянного тока. Здесь характерно -наличие вентиля В, шунтирующего цепь подмягничи-вания, и наличие быстродействующего ключа К (транзисторного или тиристорного), включенного последовательно с источником нерегулируемого напряжения постоянного тока и0. Вентиль В выполняет две функции: защищает ключ К от перенапряжений при «¡размыкании» и осу-
ществляет положительную обратную связь по току гармоник. Впервые импульсное подмагничилание ФМР опробовано на усилителях с самонасыщением при использовании силовых полупроводниковых ШИМов [2, 20]. Здесь достигался единственный эффект — полупроводниковому регулятору, управляющему таком 1у, обеспечивался наивыгоднейший режим — ключевой. Однако применение ШИМов для управления ферромагнитными элементами без положительных обратных связей по току нагрузки приводило к явлениям противоречивым. Ключи работали в одной и той же системе или очень хорошо, обеспечивая нужные ФМР характеристики и большие коэффициенты усиления, или не давали никакого дополнительного эффекта по сравнению с непрерывным управлением.
Исследования показали [9, 14], что причиной всему являются токи гармоник цепей гюдмагничивания, амплитуда и фаза которых существенно зависит от многих факторов. Если неправильно сориентировать импульс выходного напряжения ШИМа по отношению к мгновенному значению тока переменной составляющей цепи подмагничнвания магнитного элемента (сравните на рис. 1 д позиции А и Б), то через ключ будет протекать очень большой ток 1У, что приведет к резкому уменьшению коэффициента усиления полупроводникового регулятора-ключа и к его тепловой перегрузке. Зависимости коэффициента усиления ФМР от тока нагрузки (в относительных единицах) и от фазы расположения
¿ Li J U _.
Хрэ
2000
К'оэ
ОЛ 0,8 ',2 /,6 2,0 2Л 2,8
о го 4-0 со ьо
Рис. 2. Зависимость действующего значения коэффициента усиленна ИП ФМР: а) от действующего тока нагрузки при постоянных уставках амплитуды управляющего импульса напряжения (фаза и ширил-!, импульса не меняется); величины 1(](;|1д и 11Г.Д выражены в долях от номинальных значений; б) от угла сдвига подмагничивающето импульса относительно начала полупериода сетевого напряжения.
управляющих импульсов но отношению к началам полупериодов питающего напряжения сети показаны соответственно на рис. 2, а и 2, б (здесь амплитуда и относительная длительность импульса у приняты постоянными). Как видно, при одних и тех же параметрах управляющего импульса величина коэффициента усиления ФМР находится в сильной зависимости от фазы расположения импульса и от нагрузки, что объясняется влиянием указанных факторов на величину тока iy, протекающего через ключ от источника Uo (см. позиции А и Б на рис: 1, д).
С целью стабилизации коэффициента усиления ключа К предложен способ импульсного управления дроссельными магнитными элементами [12], при котором управляющий импулыс напряжения подается в цепь подмагничивания при минимуме протекающего по ней тока (см. на рис. 1, д позицию А). Оптимальная частота следования управляющих импульсов кратна частоте основной гармоники тока подмагничи-
вания: для однофазных и групповых трехфазных ФМР — 1и = 21 сети, для трехфазных — = & сети.
Установлено [14, 15], что если соблюдать указанные выше правила, то при среднем значении напряжения импульса, равном среднему значению управляющего напряжения непрерывного характера, все статические и динамические характеристики будут идентичны как для дискретного, так и для непрерывного принципов управления. При этом:
— дроссельные ФМР сохраняют свои характеристики регуляторов тока, обладающие естественными свойствами стабилизации тока нагрузки, защиты от перегрузок и коротких замыканий (см. на рис. 3, а внешние характеристики импульсно-подмагничиваемого ДНС на маг-нитопроводах из стали Э320, снятые опытно в относительных единицах);
— коэффициент усиления по мощности увеличивается в 20—25 раз и более;
— габаритная мощность ШИМа уменьшается в 10—20 раз;
— общий к. п. д. системы повышается на (2—3)%, что очень важно для мощных регуляторов напряжения и тока;
— импульсное подмапничивакие по [12] позволяет создать на основе ФМР с совмещенными обмотками регуляторы напряжения и тока нового типа, которые по технико-экономическим показателям превосходят все известные ферромагнитные устройства, а в ряде случаев они оказываются лучше тиристорных и транзисторных регуляторов.
Последнее преимущество является центральным. Ферромагнитные устройства с совмещенными обмотками, будучи самыми простыми и экономичными по исполнению и не требующими дополнительных обмоток управления, не могли найти при непрерывном управлении широкого применения. Обладая низкими коэффициентами усиления, они еще требовали включения в цепь постоянного тока дроссельных фильтров или низковольтных и сильноточных источников напряжения, по весу и габаритам превосходящих сам регулятор. Импульсное подмагничивание по [12] снимает названные недостатки.
На основе импульсно-подмагничиваемых ферромагнитных устройств разработан ряд автоматических установок, успешно эксплуатируемых на практике. В их числе можно назвать: однофазные стабилизаторы напряжения переменного тока мощностью (200—1000) ВА [17]; источники питания для ванн электролитного нагрева мощностью 150 кВт [18] ■к 75 кВт [13], автоматизированные зарядные агрегаты [19] и др.
Проведен большой объем теоретических исследований режимов работы, характеристик и параметров импульсно-подмагничиваемых ФМР. Разработаны методики анализа и синтеза процессов и характеристик [14, 15], предложена методика проектирования систем ИП ФМР, оптимальных по технико-экономическим показателям [8, 9], разработаны для них простые схемы тиристорных и транзисторных ключей [7, 16]. Наиболее эффективно использовать ИП ФМР в качестве регуляторов напряжения и тока, мощностью 1 — 150 кВт.
Существенным недостатком импульсно-подмагничиваемых ФМР является большая инерционность для переходных процессов при возмущениях со стороны цепи управления. Их длительность такая же, как и у обычных дросселей насыщения. Можно избавиться от этого недостатка, если вентиль обратной связи ФМР по току гармоник сделать управляемым. Варианты такого дискретного управления обратной связью показаны на рис. 1 в, г.
Схема на рис. 1 в обладает при ¡а=сопз1 быстродействием в один полупериод, но требует дополнительной обмотки управления, а главное — содержит линейный дроссель в цепи управления, габариты и вес которого относительно велики.
44 0.8 1.2 1,6 2,0 2^ 28
U\
to 0.8 0,6
oA 0.2
«г - 7800
и к =0 s
L
г
о oa <0,8 ;,2 /.6 го pa г$
Рис. 3. Внешние характеристики импульсно-управляемых ФМР, выполненных на шихтованных маг-нитопроводах из стали Э-320, 0,35 мм: а) для ИП ФМР на рис. 1а, б, б) для ИП ФМР на рис. 1 в, в) для ИК ФМР на рис. 4 6. Везде инд=ин : и^ом,
1нД — 1ц : 1н ном-
Лучшим вариантом является схема двухключевого импульсного управления ФМР на рис. 1, г. Здесь ключ Кг задает на входе ДНС постоянные по амплитуде и длительности импульсы подмашичивающего напряжения, обеспечивая системе свойства, обусловленные способом управления по [12]. Ключ Ki выполняет функции регулятора в замкнутых САР, как это описано в [5]. Система на рис. 1, д имеет такие же по качеству внешние (рис. 3, б) и регулировочные характеристики, как и система на рис. 1 б, но является безынерционной и меньшей по весу и габаритам, что в ряде случаев оправдывает ее некоторое усложнение за счет ввода дополнительного блока управления ключом Кь
Разновидность импульсно-управляемых ферромагнитных регуляторов класса ИК ФМР базируется на магнитно-вентильных устройствах (МВУ), у которых обмотка переменного тока магнитного элемента (или часть ее) периодически, на некоторый промежуток времени, меньший полупериода, закорачивается (один раз за период напряжения сети) полупроводниковым ключом [7, 13, 21]. Типовое конструктивное и схемное исполнение простейшего МВУ показано на рис. 4, а, б. Существуют еще схемы МВУ с согласующими трансформаторами, которые иногда объединяются с дроссельным элементом в одну конструкцию, что дает устройства типа МПТШ [13]. Суть происходящих процессов от этого не меняется.
Возможны два основных варианта коммутации ключей МВУ — естественная и искусственная. У магнитно-вентильных устройств с е-сте-
пэ
I 1"! 1
о
'2%
Вт
Ч—г
Рис. 4.
ственной коммутацией [6, 7, 21] ключевой элемент «замыкает» витки обмотки переменного тока в один из полупернодов с задержкой по углу ак относительно начала периода напряжения сети и автоматически «размыкает» их при переходе тока нагрузки через ноль (рабочие диаграммы на рис. 4, в). Такой магнитно-вентильный регулятор по своим регулировочным свойствам и характеристикам мало чем отличается от полупроводникового еимистор'а с естественной коммутацией. Фаза всех гармоник напряжения нагрузки здесь существенно изменяется при его регулировании (¡см. иГ1 на рис. 4, в), что для ряда электроустановок считается недопустимым. ■
Более интересны МВУ с искусственной коммутацией [13]. Здесь ключ «замыкается» в начале каждого периода питающего напряжения на регулируемое время ак, длительностью не более полупериода, после чего он принудительно «размыкается» и остается в этом состоянии до
качала очередного периода (диаграммы на рис. 4, г). Такие регуляторы обеспечивают в нагрузке напряжение, все гармоники которого не имеют фазового сдвига относительно напряжения сети (см. первую гармонику иГ1 на рис. 4, г). Это весьма важно для многих нагрузок переменного тока и для построения стабилизаторов напряжения в многофазных системах.
Техническая реализация эффекта регулирования напряжения нагрузки без фазового сдвига получается на МВУ значительно проще, чем на симисторах или встречно-параллельно включенных вентилях. В известных вариантах МВУ оказываются не только проще, но в 1,5—2 раза легче и меньше по габаритам. Внешние характеристики ИК ФМР с искусственной коммутацией ключевого элемента показаны на рис. 3, в. Недостатком их является отсутствие токао граничения, что свойственно и для МВУ с естественной коммутацией, и для симистор-ных систем.
К настоящему времени проведен большой объем исследований режимов работы, параметров и характеристик МВУ, отработаны методики их расчета [10, 11]. По своим регулировочным свойствам они являются б е з ы н е р ци о нн ы ми регуляторами напряжения, обеспечивающими при искусственной коммутации ключей по [13] постоянный сдвиг основной (и любой другой) гармоники выходного напряжения. Интересно, что выходное напряжение МВУ с искусственной коммутацией содержит как нечетные, так и четные гармоники, удельный вес которых существенно зависит от угла коммутации ключевого элемента. Могут преобладать первые, вторые и третьи гармоники. Это позволяет на базе МВУ создавать безынерционные умножители частоты.
В числе конкретных электрических систем, выполненных на искусственно-коммутируемых МВУ, сейчас опробируются мощные однофазные и трехфазные стабилизаторы напряжения переменного тока [4].
Есть основания полагать, что при импульсных способах управления ферромагнитным устройствам класса ИП ФМР и ИК ФМР создаются перспективные возможности высокоэффективного практического применения.
ЛИТЕРАТУРА
1. А. М. Бамдас, С. В. Шапиро. Трансформаторы, регулируемые подмагничнванием. М., «Энергия», 1965.
2. М. А. Боровиков, А. П. Инешин, В. А. С е в а с т ь я н о п. Анализ работы магнитного усилителя с самонасыщением, управляемого от широтно-нмпульсного модулятора. Известия вузов, «Электромеханика», 1969, КЬ 3.
3. Э. Г. Зав а цк ий, В. П. Обру сник, М. А. Житков. Стабилизированный трехфазный источник напряжения для питания ванн электролитного нагрева. Известия ТПИ, т. 243, 1972.
4. А. И. Зайцев, В. П. О б р у с н и к, А. В. Коб зев. Дискретно-управляемые магнитно-вентильные устройства для регуляторов-стабилизаторов напряжения и тока. Сб. «Повышение эффективности устройств преобразовательной техники». Ч. 3, Киев, «Наукова Думка», 1972.
5. Е. Г. Захарова, Н. В. Захаров. Бесконтактный быстродействующий регулятор переменного тока. Сб. «Электрический разряд в электротехнологических установках». Чебоксары, изд-во госуниверситета, 1971.
6. Б. Н. Иван чу к, Р. А. Л и п м а н, Б. Я. Р у в и н о в. Тиристориые усилители в схемах электропривода. М., «Энергия», 1966.
7. Б. Н. И в а н ч у к, Р. А. Липман, Б. Я. Р у в и н о в. Тиристорные и магнитные стабилизаторы напряжения. М., «Энергия», 1968.
В. А. В. К о б з е в. Метод анализа процессов в цепях с магнитными усилителями и подмагничиваемыми трансформаторами. Сб. «Статические преобразователи в автоматике и электроприводе». Томск, изд-во ТГУ, 1971.
Э. А. В. К о б з е в. Разработка и исследование импульсно-подгтагничивае-мых ферромагнитных устройств. Канд. диссертация, ТПИ, Томск, 1972.
10. А. В. Ко б зев, В. П. Обру сник. Теория процессов дискретно-уп-
равляемых ферромагнитных устройств, не подмагничиваемых постоянным током. Известия вузов, «Электромеханика», 1972, № 5.
11. А. В. Коб зев, В. П. Обру сник, М. Г. С а в к о в. Дискретное управление ферромагнитными устройствами без подмагничивания постоянным током. Известия ТПИ, т. 243, 1972.
12. В. П. Об рус ник, А. В. К о б з е в. Способ импульсного управления. Авт. свид. № 245842. Бюллетень изобр. № 20, 1969.
13. В. П. О б рус ник, А. В. Кобзев. Способ управления магнитно-полупроводниковым трансформатором с шунтом. Авт. свид. № 276171. Бюллетень изобр. № 23, 1970.
14. В. П. О брус ник, А. В. Кобзев. Режимы работы и характеристики подмагничиваемых трансформаторов при импульсном подмагничивакии. Доклады VI научн.-техн. конференции по вопросам автоматизации производства. Томск, изд-во ТГУ, 1969.
15. В. П. Об рус ник, А. В. Кобзев. Физические процессы в ферромагнитных подмагничиваемых устройствах при импульсном управлении. Известия ТПИ, т. 243, 1972.
16. В. П. Обру сник, А. В. Кобзев. Промежуточные усилители для подмагничиваемых регуляторов. Доклады VI научн.-техн. конференции по вопросам автоматизации производства. Томск, изд-во ТГУ, 1972.
17. В. П. О б р у с н и к, А. В. Кобзев, Г. А. X а й д у р о в а. Стабилизатор напряжения с расширенным диапазоном стабилизации. Информ. листок Томского ЦНТИ, № 31 — 72.
18. В. П. Об рус ник, А. В. Кобзев и др. Статический преобразователь напряжения мощностью 150 квт. Информ. листок Томского ЦНТИ, № 30 — 72.
19. В. П. Об рус ник, А. В. Кобзев, С. К. 3 е м а н. Автоматизированный зарядный агрегат АЗАТ-2 для зарядки автомобильных аккумуляторов. Известия ТПИ, Томск, т. 243, 1972. Информ. листок Томского ЦНТИ, № 11 — 72.
20. В. А. Севастьянов, А. П. Инешин, А. И. Есин. Промежуточный полупроводниковый усилитель класса Д для системы регулируемых электропроводов с магнитными усилителями. Известия ТПИ, Томск, т. 153, 1965.
21. И. М. Столяров. Магнитные усилители с полупроводниковыми и магнитными ключами. М., «Энергия», 1965.
5—47
