книги / Стабилизаторы напряжения с переключаемыми регулирующими элементами
..pdfа Т2 имеет повышенный уровень выходного напряжения, при провалах первичного напряжения может возникнуть режим, когда на РЭ СН
появится избыточное напряжение при максимальном токе, потребляемом нагрузкой. Однако в силу кратковременности указанного режима и теп ловой инерционности регулирующих транзисторов СН такой режим не
приводит к тепловым перегрузкам элементов, а среднее значение потерь в СН практически не отличается от установившегося (длительного)
режима.
Кратковременность нестационарных режимов позволяет существен но снизить расчетную мощность Т2 по сравнению с той мощностью,
которую должен был бы обеспечивать этот трансформатор в длитель ном режиме.
С целью сведения к минимуму потерь в СН при длительном режи ме уставка УУ по контролируемому напряжению берется максимально,
приближенной к отрицательному отклонению питающего напряжения в длительном режиме работы.
Меньшие потери в СН позволяют соответственно уменьшить его га баритные размеры. В. то же время применение Т2 и К вызывает -уве
личение габаритных размеров ИВЭП в целом. Однако это увеличение весьма незначительно, что определяется двумя факторами. Во-первых, кратковременный режим работы Т2 позволяет выбирать его па мощ
ность меньше номинальной, т. е. уменьшить его габаритные размеры. Во-вторых, как правило, в САВТ имеется достаточно большое количе ство СН, для которых достаточно иметь единственный коммутатор и
один добавочный трансформатор, что позволяет реализовать эти устрой ства в существенно меньших габаритных размерах.
Поскольку переключение трансформаторов не вносит искажения в форму выпрямленного напряжения, для сглаживания его пульсаций
нет необходимости применять громоздкие индуктивно-емкостные фильт ры Фс■Сам же коммутатор, выполняемый на полупроводниковых при
борах (тиристорах, транзисторах), обеспечивает быстродействующую коммутацию напряжения практически без нарушения динамических ка честв СН.
В книге рассматриваются три типа ИВЭП с ПРЭ: регуляторы переменного тока— предварительные СН (гл, 1), СН с ПРЭ (гл. 2) и стабилизированные преобразователи с ПРЭ (гл. 3).
ИВ^П первого типа предназначены для совместного использования с СН, рассчитываемыми на минимальные по амплитуде, но длительные во времени отклонения напряжения питающей сети. Эти ИВЭП пред ставляют собой предварительный стабилизатор переменного тока со ступенчатым переключением выходного напряжения. Уровни переклю чаемых напряжений должны удовлетворять следующему соотношению. Обозначим отношение напряжения более высокого уровня U2, обеспе
чивающего компенсацию отрицательного отклонения первичного напря жения на значение Д, к номинальному первичному напряжению
а = £/а/С/и п . |
(19) |
Тогда исходя из того, что при отклонениях первичного напряжения |
|
«а А напряжение С/2 должно быть равным [/ип до его |
изменения, |
можно определить а из соотношения |
|
а —^ип/^ип( 1— А) = I/O — А)* |
(20) |
Обычно такие структуры имеют не более двух-трех дискретных сту |
|
пеней регулирования. В целом такая структура позволяет |
строить СН |
с малым уровнем потерь в ПРЭ при значительных колебаниях напря жения источника питания.
Ко второму типу отнесены СН, в которых имеются два или более ПРЭ, каждый из которых подключей к одному из промежуточных источников питания постоянного тока. При этом соотношение напряже ния источников более высокого уровня и номинального (низкого) уров ня определяется также выражением (20).
К третьему типу отнесены стабилизированные преобразователи с дискретным изменением выходного напряжения постоянного тока. Эта
.группа ИВЭГТ с ПРЭ обеспечивает амплитудное регулирование выход ного напряжения постоянного тока путем подключения к основному напряжению ячеек, являющихся источниками питания с разными уров нями напряжения. Комбинированное подключение последних позволяет получить достаточно высокую стабильность выходного напряжения. С этой целью количество дискретных ячеек берется значительно больше, "чем в предыдущих случаях, и определяется необходимой степенью ста билизации напряжения постоянного тока. Уровни выходных напряжений ячеек соотносятся между собой как 1 :2 4 : 8 : . . .
Для обеспечения выбора необходимого сочетания подключаемых ячеек, суммарное напряжение которых должно компенсировать то или иное изменение питающего напряжения, обычно используются цифровые методы управления.
В качестве таких ячеек могут использоваться как промежуточные источники постоянного тока (например, выпрямители), так и высоко
частотные преобразователи напряжения. При этом применение послед них позволяет строить ИВЭП с- бестрансформаторным входом с пита нием как от сети постоянного, так и от сети переменного тока.
Все перечисленные структуры имеют значительно лучшие энергети ческие характеристики, чем обычные СН. Благодаря малым потерям в ИВЭП с ПРЭ при значительных колебаниях первичного питающего напряжения можно создавать СН с улучшенными массогабаритными и •энергетическими характеристиками, близкими к характеристикам импульсных ИВЭП.
Кроме того, отсутствие громоздких реактивных элементов, обяза тельных для импульсных ИВЭП, позволяет реализовать СН с ПРЭ
в виде интегральных микросхем, аналогичных ныне используемым ми кросхемам типа К142ЕН-1-6 [9].
Глава первая РЕГУЛЯТОРЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
С ПЕРЕКЛЮЧАЕМЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ
1. СТРУКТУРНЫЕ СХЕМЫ РЕГУЛЯТОРОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА С ПРЭ
Как правило, первичным источником питания. САВТ явля ются промышленная сеть переменного тока либо специа лизированные источники повышенной частоты — 400 или 1000 Гц. Для получения необходимых уровней напряже ния постоянного тока используются СН. При этом коле бания сети переменного тока, как это было показано во введении, накладывают определенный отпечаток на харак теристики СН из-за значительных перепадов напряжения на РЭ.
Одним из путей уменьшения перепадов напряжения на РЭ может служить применение включенных на входе СН предварительных стабилизаторов (предстабилизаторов), представляющих собой трансформатор (автотрансформа тор) с несколькими отводами, которые коммутируются бесконтактными ключами. Момент включения того или ино го ключа зависит от уровня питающего напряжения, что обеспечивает минимальный диапазон изменения напряже ния на РЭ. Предстабилизаторы такого типа ниже будут на зываться компенсаторами отклонений напряжения сети (КОН).
Рассмотрим типовые схемы силовой части-КОН. Для построения КОН целесообразно использовать полупровод никовые ключи на тиристорах, подключенные (рис. 6) к
обмоткам автотрансформатора [11, 13, 14].
Всхеме рис. 6,а в качестве ключей используются ячей
ки из включенных встречно-параллельно тиристоров.
Вдлительном режиме работы, когда колебания напря жения питающей сети незначительны, питающее напря
жение и ш подается через тиристорный ключ К5з, VS+
непосредственно на нагрузку. Таким образом, автотранс форматор работает в режиме холостого хода (тиристоры KSi, VS2 закрыты), а
^ = и т - и . . |
(21) |
кл |
|
Рис. |
6. |
Типовые схемы |
силовой |
Пасти КОН |
|
где £/'кл — остаточное напряжение |
на |
тиристорном ключе |
FS3, VS4.
При значительных отрицательных отклонениях напря
жения 1/ш |
открывается ключ VSi» |
а ключ У5з, KS4 |
||
закрывается. |
В этом случае к нагрузке |
прикладывается |
||
напряжение |
и н^=иип- ^ и 2 — U \ |
Исходя из (20) |
напря |
|
жение , U2 в длительном режиме |
работы |
должно |
опреде |
ляться из соотношения |
|
|
£/, = |
Ут Д /(1 -А ). |
(22) |
Отсюда максимальное напряжение на закрытых тири |
||
сторах V-Si, VS2 при закрытых тиристорах |
VS3, VS4 |
|
К > |
и ш Н 1 ~ Ц - |
(23) |
Работа схемы рис. 6,6 аналогична работе предыдущей
схемы. Здесь тиристорные ключи установлены до авто трансформатора; в нормальном (длительном) режиме от крыт ключ FSi, PS2, а. ПРИ провалах питающего напря жения-клю ч KS4. Максимальное напряжение на ти
ристорах не превышает значения £/ип. Из сравнения этих
схем следует сделать вывод, что для построения силовой части коммутатора более предпочтительна схема рис. 6,6.
Во-первых, включение ключей до автотрансформатора по зволяет использовать их не только для переключения до полнительного напряжения, но и для бесконтактной ком мутации нагрузки, в том числе и самого автотрансформа тора. Во-вторых, тиристоры в схеме рис. 6,а должны вы
бираться на напряжение в 1/(1—А) раз большее, чем в схеме рис. 6,6.
Для оценки соотношения расчетных мощностей авто трансформаторов в схемах рис. 6,а, б будем полагать, что
ток и напряжение в обоих случаях одинаковы, уровни отклонений напряжения также равны, а следовательно, равны и отношения w2/w\. Для схемы рис. 6,а ток через обмотку w2 равен току нагрузки, а число витков w2 долж но определяться отношением w2/w \= h / {\—А) при номи
нальном значении напряжения £/ип. Отсюда расчетная
мощность такого трансформатора определится соотноше нием
Л»«,. = v P m ' J w , = ДУ„пЛ/(1 - А)- |
(24) |
|
Для схемы рис. 6,6 w2 определится исходя из условия |
||
снизившегося напряжения £/ИП1 = £ /ип(1— А). |
Отсюда |
|
расчетная мощность трансформатора |
|
|
Рркм= УИПЛ 0 —А) |
= A<W .• |
(25) |
Таким образом, как следует из |
(24) и (25), |
при одной |
и той же мощности нагрузки и уровнях напряжений рас четная мощность автотрансформатора по схеме рис. 6,а в
1/(1—1Д) раз больше, чем трансформатора по схеме рис. .6,6. Следовательно, массогабаритные характеристики КОН по рис. 6,а хуже, чем КОН, выполненного по схеме
рис. 6,6.
Рассмотрим еще две схемы, изображенные на рис. 6,в
и г. В отличие от двух предыдущих в этих схемах тирис торные ключи соединены последовательно и подключены
15
к обмоткам автотрансформатора через разделительные диоды VDь VD2.
Схема рис. 6,в работает следующим образом. В дли тельном режиме тиристоры У5з, IAS4 открыты и напряже
ние сети поступает на нагрузку без изменения своего уровня через разделительные диоды и тиристоры. При от рицательных отклонениях напряжения сети открываются тиристоры 1Л5>ь (тиристоры IAS3, KS4 в положительные для них полупериоды остаются открытыми). Диоды VDlt VD2 запираются напряжением U2 и к нагрузке приклады
вается напряжение, повышенное автотрансформатором. Аналогично работает и схема рис. 6,г с той лишь разни
цей, что последовательно включенные тиристорные ключи включены на входе автотрансформатора. Схемы рис. б,в и г имеют более низкий КПД, чем схемы рис. 6,а, б, по
скольку в них всегда работают два последовательно вклю ченных вентиля. При выборе типов тиристоров для этих
схем |
следует иметь в виду, что на двух тиристорах |
eVSi |
и |
максимальное напряжение в любых режимах |
ра |
боты не превышает значения £/2^Д£/Игг |
|
В ряде случаев при построении КОН возникает необ ходимость упрощения устройства управления тиристора ми. Для этого схема силовой части КОН должна строить ся так, чтобы катоды каждой пары тиристоров, управля емых от одного устройства управления, были объединены. Пример построения такого КОН приведен на рис. б,б. Здесь объединение катодов тиристоров, находящихся в разных цепях, обеспечивается за счет расщепления вольто
добавочной обмотки на две параллельные |
w2 и ш3. При |
|||||||||
|
|
|
этом |
оказываются |
объединен |
|||||
|
|
|
ными |
катоды |
тиристоров |
VSi |
||||
|
|
|
и К5з, работающих в один по- |
|||||||
|
|
|
лупериод питающего напряже |
|||||||
|
|
|
ния, и тиристоров |
VS2 и |
VS4, |
|||||
|
|
|
работающих в другой полупе- |
|||||||
|
|
|
риоД. Так же, как и в преды |
|||||||
|
|
|
дущих схемах, |
в |
длительном |
|||||
|
|
|
режиме работы |
открыты тири |
||||||
|
|
|
сторы У&ь KS2, а при кратко |
|||||||
|
|
|
временных |
провалах напряже |
||||||
|
|
|
ния — VS4, |
F«S3. |
Напряжения |
|||||
|
|
|
на обмотках |
автотрансформа |
||||||
|
|
|
тора |
определяются |
соотноше |
|||||
|
|
|
нием (22). |
|
выполненном |
па |
||||
Рис. 7. |
Силовая |
часть |
В |
КОН, |
|
|||||
схеме |
рис. 6,6, |
использование |
||||||||
трехфазного |
КОН |
|
автотрансформатора несколько хуже, чем в КОН, выпол ненном по схеме рис. 6,а, из-за того, что через каждую из
обмоток |
и W3 токи протекают только в течение одного |
полупериода питающего напряжения. |
|
Пример |
построения силовой части КОН, питающегося |
от трехфазной сети, приведен на рис. 7. Здесь для ком пенсации отклонений трехфазного напряжения использова ны два автотрансформатора, включенные в разомкнутый треугольник. Наличие двух автотрансформаторов позволя ет улучшить массогабаритные характеристики и упростить схему управления КОН без изменения его энергетических характеристик.
2. СТРУКТУРНЫЕ СХЕМЫ КОМПЕНСАТОРОВ ОТКЛОНЕНИЙ НАПРЯЖЕНИЯ
В предыдущем параграфе рассмотрены варианты по строения силовой части КОН, которые используются в ка честве предстабилизаторов, работающих в двух режимах— длительном, когда КОН не вносит изменений в уровень питающего напряжения (работает в пассивном режиме хо
лостого |
хода)', и в кратковременном, |
когда КОН |
обеспе |
||||||
чивает компенсацию отклонений напряжения сети. |
двумя |
||||||||
Рассмотрим работу КОН двух типов: с одной и |
|||||||||
ступенями |
компенсации отклонений |
напряжения. |
|
|
|||||
Структурная схема КОН с одной ступенью приведена |
|||||||||
на рис. 8. Здесь |
UQ, U\ — основной |
и дополнительный |
ис |
||||||
точники |
переменного |
напряжения; |
ГИ — генератор |
им |
|||||
пульсов; |
К\, Кч— ключевые элементы; Уи Уч— усилители |
||||||||
импульсов; |
И — логический |
элемент |
(инвертор); |
Р — ре |
|||||
лейный |
элемент; В — вы |
|
|
|
|
|
|||
прямитель; |
Uэт — источ |
|
|
|
|
|
|||
ник эталонного |
напряже |
|
|
|
|
|
|||
ния. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
В длительном рехсиме |
|
|
|
|
|
||||
работы |
напряжение |
ос |
|
|
|
|
|
||
новного источника Uопре |
|
|
|
|
|
||||
вышает |
минимально |
до |
|
|
|
|
|
||
пустимое |
значение. |
На |
|
|
|
|
|
||
пряжение |
на выходе |
вы |
|
|
|
|
|
||
прямителя В больше эта |
|
|
|
|
|
||||
лонного |
t/эт, |
реле |
Р |
|
|
|
|
|
|
включено и сигнал с него |
|
|
|
|
|
||||
через усилитель Уi замы |
|
|
|
|
|
||||
кает ключ |
К\. |
При |
этом |
Рис. 8. |
Структурная схема |
КОН |
|||
ключ Кч разомкнут и на- |
с одной |
ступенью компенсации |
|
2— 109
|
|
пряжение |
на нагрузке |
равно |
|||
|
|
£/„ « |
Uо. |
|
напряже |
||
|
|
При |
отклонении |
||||
|
|
ния |
U0 меньше допустимого |
||||
|
|
уровня |
реле Р переключается, |
||||
|
|
импульсы |
управления |
начина |
|||
|
|
ют поступать через |
усилитель |
||||
|
|
У2 на Ключ /(2, который замы |
|||||
|
|
кается (ключ Ki при этом ра |
|||||
|
|
зомкнут), и напряжение на на |
|||||
|
|
грузке |
у н^ и 0-\-и 1. |
|
|
||
|
|
На рис. 9 пунктирной лини |
|||||
Рис. |
9. Диаграмма напряже |
ей показано отклонение напря |
|||||
ний |
для одноступенчатого |
жения |
питания, а сплошной — |
||||
КОН |
|
напряжение на нагрузке КОН: |
|||||
|
|
||||||
|
|
Ai и Д2 ограничивают область |
|||||
|
|
изменения |
напряжения |
пита |
ния, |
соответствующую |
длительному режиму |
работы, |
|
Д5 и |
Д6— изменение |
напряжения питания |
при |
крат |
ковременных отклонениях; As — характеризует |
также на |
пряжение на выходе КОН при кратковременном увеличе нии напряжения питания.
При использовании КОН необходимо учитывать, что его нагрузка' (СН) должна быть рассчитана на минималь ное напряжение сети
^ \unin ^ ^ИП ^г)*
Объясняется это следующим образом. При напряжении
V o> V m ( l - b J |
(26) |
нагрузка Н должна быть подключена непосредственно к источнику Uо (ключ К\ включен — см. рис. 8). При умень
шении напряжения питания до и 0\= и ш (\ — Д2) напря
жение на выходе выпрямителя В стало равным эталонно му U3т, произошло переключение реле Р и соответственно ключей К\, К.2- Если бы переменная составляющая вы ходного напряжения В была равна нулю, ключ- К2 остался
бы во включенном состоянии. Однако для любого выпря мителя переменная составляющая выходного напряжения не равна нулю ( U 0), так как ее уменьшение за счет
применения энергоемких сглаживающих фильтров умень шит быстродействие всего устройства, что недопустимо. Таким образом, при наличии переменной составляющей и уменьшении выходного напряжения выпрямителя до кри тического значения ключи К\ и К2 начнут переключаться
с частотой пульсаций, что может привести к появлению постоянной составляющей в токе нагрузки На выходе КОН или к короткому замыканию источника через ключи Ль ЛгДля устранения этого эффекта реле Р должно иметь
такой коэффициент возврата, при котором разность меж ду напряжениями срабатывания и отпускания должна быть не менее переменной .составляющей выходного напря жения выпрямителя В. Следовательно, относительное
значение этой разности должно выбираться из условия
А „ ^ и „ / и эт.
Из-за наличия указанной разности включение ключа Л2 должно происходить при напряжении основного источ
ника меньшем Uimy т. е. минимальное напряжение на на грузке Н
(27)
Тогда в момент времени t2 (рис. 9) UH будет опреде
ляться выражением (26).
Как было показано ранее, для реализации источника U1 обычно используют дополнительное напряжение, полу чаемое от источника U0i которое с учетом (27) должно
определяться выражением
|
^ . = £/и п ( 4 - 4 - д~)/(1-Д .)- |
|
(28) |
|||||
Тогда при Uо2= |
и ип (1 — А,) напряжение на нагрузке |
|||||||
будет равно UHmin (см. рис'. |
9). |
|
|
изменения |
||||
Как |
следует из |
(27) |
и рис. 9, в диапазоне |
|||||
tiC t< .t2 напряжение на нагрузке |
будет достигать |
мак |
||||||
симального значения |
|
|
|
|
|
|
||
|
= Um [1 - |
д; + |
(Д. - 4 |
- |
Д_)/(1 - |
д,)1. |
(29) |
|
На |
практике обычно |
j As 1< |Л е| |
|Дг| , |
вследствие |
||||
чего, как правило, |
|
|
|
|
|
|
|
В тех случаях, когда полученное из (29) значение UHmax недопустимо, может быть примененКОН с двумя
дополнительными источниками, структурная схема которо го приведена *на рис. 10. Его отличительной особенностью является наличие двух реле Pi и Р2, двух, инверторов НЕ\ и НЕ2 и двух элементов И. Принцип действия такого КОН
может быть пояснен с помощью диаграммы рис. 11, ана логичной ранее рассмотренной и изображенной на рис. 9.
2 * |
* |
19 |
Рис. 10. Структурная схема КОН с двумя ступенями коммутации
В длительном режиме работы, т. е. при напряжении питания не менее £/ип(1 — Аг)> Реле Р\ и ^2 выключены
Uii
Рис. И . Диаграммы напря жений для двухступенчатого КОН
и с инверторов НЕ\ и НЕ2 на схему Их поступают сигналы
управления, в результате че рез усилитель Ух включается ключ К\. В то же время от
сутствуют сигналы на одном из выходов И2 и на входах усилителей У2, Уз и ключи К2
иКз выключены.
Вмомент времени t = t ь ко гда напряжение источника UQ
снижается до уровня
и т < и т ( 1 - ь , - & „ ) , |
(30) |
включается реле Рх-
Совпадение сигналов при этом обеспечивается только на схеме И2, вследствие чего включается ключ К2 и на