Способы регулирования напряжения

Регулирование напряжения с помощью полупроводниковых диодов и дополнительных аккумуляторов.При буферном режиме питания электропитающих установок для поддержания напряжения в задан­ных пределах ранее применяли противоэлементы, представляющие собой аккумуляторы упрощенной конструкции, пластины которых не имели активной массы. Различали кислотные противоэлементы, имеющие напряжение 2,9 В, и щелочные противэлементы с напря­жением 2 В.

Для регулирования напряжения противоэлементы включали навстречу основной батарее и излишки напряжения компенсирова­лись в нормальном режиме питания. В аварийном режиме противо­элементы закорачивались при снижении напряжения на батарее по мере ее разряда. Противоэлементы, как и аккумуляторы, требуют дополнительного ухода, а щелочные протвоэлементы - еще и от­дельного помещения, поэтому в настоящее время их используют очень редко.

В дальнейшем вместо противоэлементов стали применять полу­проводниковые диоды, которые включают последовательно с акку­муляторной батареей. В аварийном режиме диоды выключаются.

В зависимости от напряжения, которое нужно погасить, несколько диодов включают последовательно, а при больших токах нагрузки диоды вклю­чают еще и параллельно. Однако при значительных токах нагрузки потери на диодах возрастают (до 10% от мощности нагрузки), и этот способ регулировки становится неэкономич­ным. При больших потребляемых то­ках наиболее рационально регулиро­вать напряжение с помощью дополни­тельных аккумуляторов. В этом случае батарею разбивают на две группы - основную ОЭ и дополнительную ДЭ (рисунок 5.1). В нормальном (рабочем) режиме ОЭ подключена к нагрузке и выпрямительному устройству, а ДЭ - к выпрямителю содержания ВС, обеспечивающему ее заряд, и находится в резерве. Нагрузка питается от основного выпря­мителя ОВ через замкнутые контакты 1-2 реле контроля напряжения РКН. В аварийном режиме нагрузка получает питание от ОЭ, напряжение которой будет снижаться по мере ее разряда.

Рис. 5.1. Схема регулирования напряжения дополнительными аккумуляторами

Рис. 5.2. Схема двухполупериодного тиристорного выпрямителя (а) и кривые изменения напряжения и токов (б и в)

При уменьшении напряжения ОЭ до U_{H min} реле РКН отпустит якорь и через замкнувшиеся контакты 3-4 ДЭ подключится к нагрузке последовательно с основной группой. Благодаря этому напряжение на нагрузке будет увеличиваться ступенчато и равно: U_н = U_ОЭ + U_ДЭ. По окончании аварийного режима схема вернется в исходное положение, ДЭ отключится от ОЭ и будет заряжаться от ВС.

Недостатком рассмотренных способов регулирования является ступенчатое (скачкообразное) изменение напряжения.

Тиристорные регулируемые выпрямители.Плавное регулирование напряжения можно осуществить как по переменному току, так и в процессе преобразования переменного тока в постоянный. Регулирование по переменному току возможно с помощью транс­форматоров с подвижным магнитным шунтом, а также с помощью автотрансформаторов с короткозамкнутой обмоткой, что связано с дополнительными потерями на регулирующем элементе. Более экономичным является управление тиристорами при выпрямлении переменного тока в постоянный.

Тиристорные выпрямители подразделяют на однополупериодные, двухполупериодные и мостовые.

В двухполупериодной схеме(рисунок 5.2, а) управляющие электроды (катоды) тиристоров VS1 и VS2 присоединены к системе управления СУ выпрямителя. Эта система синхронно с выпрямляемым пере­менным напряжением формирует импульсы, фаза которых может регулироваться относительно напряжений на вторичных обмотках трансформатора u₂₁ и u₂₂ (рисунок 5.2, б). Тиристоры VS1 и VS2 открываются поочередно при поступлении на них положительных полуволн выпрямленного напряжения и импульсов управления, сдвинутых по фазе относительно этого напряжения.

Угол сдвига по фазе между выпрямляемым напряжением и импульсами управления называется углом регулирования или углом запаздывания а.

При положительной полуволне напряжения u₂₁ в интервале времени t₀ —t₁ тиристор VS1 закрыт, ток через него не протекает и напряжение на нагрузке U_Н равно нулю. В момент времени t₁ = α/ω при подаче управляющего импульса VS1откроется и через него потечет ток i_S1 (рисунок 5.2, в). Напряжение на нагрузке возрастает скачкообразно до напряжения и₂₁(t₁). За время t₁ — t₂ напряжение на нагрузке изменится так же, как и напряжение u₂₁. В момент времени t₂ = π/ω тиристор VS1 закроется (меняется полярность напряжения u₂₁). В интервале времени t₂ — t₃ положительная полу­волна напряжения u₂₂ приложена к тиристору VS2, а напряжение на нагрузке U_н = 0, так как тиристор VS2 закрыт.

При подаче импульса от СУ в момент времени t₃ тиристор VS2 откроется и через него потечет ток i_S2. Напряжение на нагрузке возрастет до напряжения u₂₂ (t₃) и за время t₃ — t₄ будет изменяться так же, как и напряжение u₂₂.

В дальнейшем процессы будут повторяться.

Из диаграммы видно, что, изменяя угол запаздывания α, можно регулировать среднее значение выпрямленного напряжения U₀. При этом чем больше угол α, тем меньше U₀.

Для любого заданного момента времени среднее значение выпрямленного напряжения

.

Рис.5.3. Схема тиристорного выпрямителя с реактивной нагрузкой и «нулевым диодом»

Для α=0 , а при , т.е при α=0 среднее значение выпрямленного напряжения будет максимальным.

Обозначим среднее значение тока, протекающего через нагрузку I_{0, α}. Тогда среднее значение тока, протекающего через тиристор, , а его действующее значение:

.

Коэффициент формы кривой тока в тиристоре

.

Действующее значение тока в первичной обмотке трансформатора

.

При работе схемы выпрямления на емкостную нагрузку в мо­мент включения тиристора возникают большие броски тока, кото­рые могут вывести его из строя. Для их снижения на выходе выпрямителя включают дроссель L(рисунок 5.3), который вместе с кон­денсатором С образует фильтр низкой частоты (ФНЧ), уменьшаю­щий пульсации выпрямленного напряжения. При снижении напря­жения u₂₁ в первичной полуобмотке трансформатора Т э. д. с. самоиндукции дросселя препятствует снижению тока в цепи нагруз­ки. Тогда в момент времени , когда напряжение и₂₁ =0, ток тиристора за счет явления самоиндукции и обратного напряжения, приложенного к открытому тиристору VS1. При этом через нагрузку будет протекать ток, обратный прямому току ти­ристора, VS2. Тогда ток тиристора VS1 будет равен нулю не в момент времени , а в момент времени . Аналогично будет работать и тиристор VS2. Ток i_S2, протекающий через него, будет равен нулю в момент времени .

Среднее значение выпрямленного напряжения, прикладываемого к нагрузке,

.

Для изменения среднего значения выпрямленного напряжения от максимального до минимального угол α нужно изменять от 0 до π.

Для получения непрерывного (не снижающегося до нуля) вы­прямленного напряжения необходимо индуктивность дросселя по­добрать такой, чтобы тиристор каждой из полуобмоток был открыт до тех пор, пока не начнет работать вторая полуобмотка. Такое возможно, если ток дросселя к моменту открывания второго тиристора положителен и напряжение, получаемое в момент вклю­чения второй полуобмотки, больше напряжения на конденсаторе С. Угол регулирования при этом должен быть α > 32,5°. Условие непрерывности тока в дросселе и, следовательно, в нагрузке опре­деляется из соотношения . Это условие будет выполнено, если индуктивность дросселя будет выбрана больше критической или сопротивление нагрузки не превышает значения . Если индуктивность выбрана больше критической, то снижается и уровень пульсаций. Увеличение угла регулирования а при неизменной индуктивности увеличивает разность фаз между током и напряжением, что ведет к большему потреблению реактив­ной мощности из сети и снижает коэффициент мощности.

Показатели данной схемы могут быть значительно улучшены, если включить дополнительно так называемый «нулевой диод» VD, благодаря которому исключается зависимость момента закрывания тиристоров от индуктивности дросселя и сопротивления нагрузки.

При открывании тиристора VS1 через нагрузку R_н протекает ток, заряжая конденсатор С. В момент времени t₂ —π/ω (см. рисунок 5.2, б) тиристор VS1закрыт. До момента времени закрыт и тиристор VS2, так как в интервале времени t₂ — t_э к нему приложено обратное напряжение с катушки индуктивности (за счет самоиндукции), которое в интервалах времени t₀ — t₁ ; t₂ — t₃ ; t₄ — t₅ обеспечит протекание тока в нагрузке. При этом ток протекает по цепи L, R_н и VD(см. рисунок 5.3). Тогда независимо от катушки индуктивности тиристоры будут закрываться в моменты времени t₂,, t₄ и т.д. Таким образом, диод VDисключает влияние катушки индуктивности на моменты закрывания тиристоров. Они будут закрываться, когда напряжение в полуобмотках трансформатора Т снижается до нуля. Угол закрывания тиристоров равен π. Уровень переменной составляющей также снижается, кроме того, значитель­но уменьшаются реактивные потери.

Мостовые схемырегулируемых тиристорных выпрямителей по электрическим характеристикам почти совпадают с двухполупериодными, за исключением величины и формы тока во вторичной обмотке трансформатора. Следовательно, выпрямленное напряже­ние и амплитуда пульсации в мостовых схемах определяются теми же соотношениями, что и в двухполупериодных схемах.

Нагрузкой мостовой схемы с четырьмя тиристорами (рисунок 5.4, а) является резистор R_Hи фильтр, состоящий из дросселя Lи конден­сатора С. Управляющие электроды тиристоров VS1 и VS2 соединены вместе и подключены к одному выходу системы управления вырямителями СУ, а управляющие электроды тиристоров VS3 и VS4 - ко второму выходу СУ. Импульсы управления I_у1 с первого выхода СУ поступают в противофазе к импульсам I_у2 со второго выхода.

Рисунок 5.4 – Схемы регулируемых тиристорных выпрямителей

В мостовой схеме (рисунок 5.4, б) два тиристора заменены на обычные диоды VD1, VD2, выполняющие функции «нулевых». Управление тиристорами осуществляется аналогично предыдущей схеме. В схеме мостового выпрямителя (рисунок 5.4, в) на управляющие электроды тиристоров сигналы поступают с одного выхода СУ. Функцию «нулевого» диода выполняет диод VDЗ. Показатели всех трех схем почти совпадают, за исключением того, что схема (см. рисунок 5.4, в) имеет меньший диапазон регулирования, поэтому ее чаще применяют в стабилизаторах, где широкого диапазона изме­нения напряжений не требуется. Кроме того, отключение управ­ляющих импульсов в этой схеме приводит к запиранию только одного тиристора. Другой тиристор и диоды VD1 и VD2 образуют схему однофазного выпрямителя. При этом среднее напряжение на нагрузке будет равно U_2т/2.

Общей особенностью всех тиристорных выпрямителей является: потребление не только активной, но и реактивной мощности от сети переменного тока; при изменении угла регулирования от 0 до π выходное напряжение уменьшается от максимального до мини­мального (до нуля); пульсации выпрямленного напряжения увели­чиваются с ростом угла регулирования; изменение выходного на­пряжения в них достигается изменением отбора мощности от сети переменного тока и не связано с гашением ее в выпрямителе, что является основным их достоинством.

Регулирование напряжения с помощью дросселей насыщения и вольтодобавочных трансформаторов.Выпрямительные устройства ВУ, питающие стационарную аппаратуру, содержат устройства стабилизации напряжения или тока. Стабилизация выходного напря­жения или тока в них чаще всего осуществляется автоматической регулировкой переменного напряжения, подводимого ко входу.

Основным элементом выпрямительного устройства (рисунко 5.5) является силовой трансформатор ТС, понижающий сетевое напря­жение до необходимого значения. Это напряжение подается на основной выпрямитель ВО, преобразующий переменный ток в постоянный. На выходе выпрямителя ВО включается блок фильтров Ф, снижающий пульсации выпрямленного напряжения. Напряжение на выходе выпря­мительного устройства и на выходе Ф контролируется измерительной систе­мой ИС.

Рис.5.5. Упрощенная структурная схема выпрямительного устройства

При отклонении напряжения от номи­нального сигнал рассогласовывания по цепи обратной связи ОС, воздействует на регу­лирующее устройство РУ. Регулирующее ус­тройство РУ изменяет сетевое напряжение, подводимое к первичной обмотке силового трансформатора так, что напряжение на основном выходе выпрямительного устрой­ства поддерживается практически постоян­ным.

Дроссель насыщенияиспользуют в выпрямительных устройствах в качестве регулирующего элемента. Он состоит из П-образного замкнутого стального сердечника, на котором размещаются две обмотки (рисунок 5.6, а). Одна из обмоток - рабочая w_P - включается в цепь переменного тока, а вторая - обмотка управления w_У - в цепь постоянного тока.

Индуктивное сопротивление рабочей обмотки

. (5.5)

где ω - угловая частота;

w_P - число витков рабочей обмотки;

Q_ст - площадь сечения стального сердечника, см²;

l_ср-средняя длина силовой линии, см;

μ - магнитная проницаемость;

А -постоянная для данной конструкции дросселя в случае, если угловая частота ω также постоянна.

Из выражения (5.5) следует, что индуктивное сопротивление рабочей обмотки пропорционально магнитной проницаемости . Эффективная магнитная проницаемость у ферромагнитных материалов зависит от максимальной индукции в сердечнике , т. е. от степени насыщения сердечника.

Если через обмотку управления пропустить постоянный ток, то в сердечнике создается дополнительное постоянное магнитное поле, которое увеличивает степень насыщения сердечника. При этом изменятся магнитная проницаемость сердечника и сопротивление рабочей части обмотки. С увеличением намагничивания сердечника магнитная проницаемость сначала возрастает, а затем уменьшается (рисунок 5.6, б и в). В качестве рабочего используется участок аб (насыщение сердечника), где μ. уменьшается. Следовательно, изменяя намагничивание сердечника с помощью обмотки управления, можно регулировать сопротивление рабочей обмотки, и на ней будет изменяться падение напряжения. Обмотка управления служит своеобразным реостатом, регулирующим напряжение, подаваемое на первичную обмотку силового трансформатора.

Поскольку сопротивление дросселя в основном является реак­тивным, то потери активной мощности в нем будут незначитель­ными и к. п. д. дросселя как регулятора гораздо выше, чем обычного реостата. Положительным свойством дросселя насыщения является также возможность при помощи небольшого тока подмагничивания управлять большим током, протекающим через главную об­мотку переменного тока. Это достигается таким выбором магни­тодвижущей силы главной обмотки переменного тока чтобы на­чальное значение индукции (при действии только одного перемен­ного поля и нулевом токе подмагничивания) было выше точки насыщения сердечника дросселя (сердечник изготовляется из транс­форматорной стали).

Это означает, что даже слабый ток подмагничивания заставит резко уменьшаться μ и х_р. Следовательно, имеется возможность регулирования без затрат большой мощности в цепи подмагничи­вания.

Существует много конструктивных решений при изготовлении дросселя насыщения. Однако во всех случаях принимаются меры для того, чтобы переменная э. д. с. не возникала в обмотке управле­ния. Для этого дроссель насыщения выполняют из двух изолиро­ванных друг от друга сердечников (рисунок 5.6, г). Рабочие обмотки w_р, размещенные на разных сердечниках, создают в среднем сердечнике (составленном из двух) магнитные потоки разных направлений Ф₁ и Ф₂. Эти потоки создают равные по значению и противоположные по направлению э.д.с., которые компенсируют друг друга. В устройствах, где необходима регулировка большой мощности и не требуется быстродействие, рабочие обмотки дросселей включают параллельно. В цепях, где необходимо быстродействие, обмотки включают последовательно.

Обмотки управления (постоянного тока) объединены в одну обмотку, размещаемую на среднем сердечнике.

Рис.5.6. Схемы дросселя насыщения (а) и кривые намагничивания и магнитной проницаемости (б, в)

Рис.5.7. Схема вольтодобавочного трансформатора

Вольтодобавочные трансформаторытакже используют для регу­лировки и стабилизации напряжения. При питании выпрямитель­ного устройства от сети однофазного тока применяют два вольтодобавочных трансформатора ВДТ1 и ВДТ2 (рисунок 5.7). По конструк­ции оба трансформатора одинаковы и мало чем отличаются от обычных дросселей насыщения. На крайних стержнях двух П-образных сердечников каждого трансформатора расположены первичная w₁ и вторичная w₂ обмотки, соединенные попарно парал­лельно, а на средних стержнях размещена обмотка подмагничивания w_п. Первичные обмотки трансформаторов ВДТ1 и ВДТ2 соеди­нены последовательно и подключены к питающей сети переменного тока. Вторичные обмотки каждого ВДТ соединены встречно по отношению друг к другу и включены в разрыв провода, подклю­чаемого к первичной обмотке трансформатора ТС. Если в обмотках подмагничивания w_п ток отсутствует, то напряжение сети распреде­ляется равномерно между первичными обмотками трансформато­ров ВДТ1 и ВДТ2. Во вторичных обмотках w₂ при этом будут трансформироваться одинаковые напряжения, но встречное их включение приводит к взаимной компенсации и не изменяет напря­жения, подводимого к первичной обмотке трансформатора ТС. При появлении управляющего сигнала (сигнала рассогласования) в одной из обмоток подмагничивания w_П изменится ее индуктивное сопротивление, что приведет к неравенству напряжений во вторич­ных обмотках трансформаторов ВДТ1 и ВДТ2. Результирующее напряжение, равное их разности в зависимости от знака сигнала рассогласования в фазе (или в противофазе), будет складываться (или вычитаться) с сетевым напряжением, изменяя его значение. В конечном итоге напряжение на входе трансформатора ТС изме­няется так, что напряжение на выходе выпрямительного устройства (см. рисунок 5.5) будет поддерживаться в заданных пределах.