Контакторы и регуляторы переменного напряжения

Электронные контакторы и регуляторы подразделяют: по числу фаз (одно-и трехфазные); по способу коммутации вентилей (с естественной и искусст­венной принудительной коммутацией); по способу управления (с фазовым и широтно-импульсным, низкочастотным и высокочастотным регулированием). Основным элементом устройств является электронный ключ в виде симисто-ра (встречно-параллельно включенных тиристоров или транзисторов и систе­мы управления ими). Естественная коммутация вентилей осуществляется напряжением питающей сети, искусственная — с помощью полностью управ­ляемых тиристоров и транзисторов или с применением узла принудительной коммутации. Фазовый способ управления реализуется путем подачи на управ­ляющие электроды встречновключенных вентилей сдвинутых на половину периода питающей сети (при симметричном управлении) управляющих им­пульсов и последующего изменения их фазы. При низкочастотном широтно-импульсном управлении регулирование осуществляется путем чередования ряда периодов с открытым и закрытым электронным ключом. При высокоча­стотном широтно-импульсном управлении электронный ключ многократно переключается в течение периода напряжения питающей сети, формируя на нагрузке с помощью регулировочного трансформатора добавку или отбавку к напряжению сети.

Рассмотрим работу контакторов и регуляторов с фазовым управлением. Пусть они используются для управления процессами пуска, останова, регули­рования режима работы потребителей, обеспечивая энергосберегающий эф­фект, уменьшение установленной мощности и оптимизацию режимов работы электрооборудования, повышая надежность и производительность технологи­ческих агрегатов. Чаще это относят к некомпенсированным активно-индук­тивным потребителям, которые после пуска остаются потребителями реактив­ной мощности, увеличивая потери и снижая качество электроэнергии, уменьшая пропускную способность по активной мощности.

Поэтому интерес представляют системы, содержащие источник синусои­дального напряжения, тиристорный регулятор, статическую или динамичес­кую активно-индуктивную нагрузку и конденсаторную батарею как устройст­во искусственной коммутации тиристоров регулятора или как компенсирую­щее устройство нагрузки. Схема одного из вариантов таких систем электро­снабжения представлена на рис. 6.2.

В качестве примера рассмотрим результаты исследования схемы в случае статической нагрузки, замещенной последовательным соединением активно-

6.2. Устройства без преобразования частоты

v/⁴ и

Рис. 6.2. Принципиальная схема ^

системы электроснабжения

го г_н и индуктивного х_н сопротивлений. Напряжение на конденсаторной бата­рее в любом полупериоде питающего напряжения и = Ј/_msin& описывается дифференциальным уравнением

dS² где

du.

+28—^-+v²u_c =v²U_m sin$,
d& ^c» '

(6.1)

5=r_H/2x_H; v=_A/x_c/x_H. Принимая за базисные величины

г/.

(6.2)

J2jr²+(x„-x_c)² V2xJ(l-v²)² + 45² 1 <4

*.-^"A------------------------------ ■-----------

с учетом связи ' = —-jtt ^{b относите}льной форме в л-м полупериоде на-пряжения сети получим

«„. = Л/(Э) + Л₁₍₁.ехр[*,(3 - (л - 1)71)] + Л₂„.ехр[Л:₂(Э - (п - 1)л)]; (6.3)

/„. = JVOj+4-Va-v²)²+45²{M._n*exp[A₁(d-(«-l)n)]^₂^*exp^₂(e-(«-l)K)]}_>

где Л/(Э„):

V2v²

Va-v²)²+45²

1-v²

cos[$- arctg—— - (л - 1)тс)];

2o

(6.4)

У +45^z

^<».) =

V2v²

Va-v²)²

1-v²

sin[$- arctg-------- (n - 1)я)];

Глава 6. Энергосберегающая энергетическая электроника

*_1>2=-8±V6²-v².

Для граничных условий

"сп*(^а_я) = "с„-₁*(0_ян); '„*«*„) = 0; („,(6_л) = 0,

где а„ — угол управления тиристоров в я-м полупериоде напряжения; Э_п__{, 9„ — углы выключения тиристора в (я - 1)-м и я-м полупериодах напряже­ния), получаем следующие соотношения, определяющие постоянные интег­рирования и угол выключения тиристоров в я-м полупериоде:

^А^*⁼ --------- п —р;—тттп;------ ^{; (6}-⁶⁾

(^,-/c₂)exp(^a„)

А

[M(aJ ₊ u_c,,_„(e_n_,)]^ + iV(a„) ₍₆₇₎

2 л*

(к\ -^)exp(^a„)

k_lA_u^xp(k_]e„) + k₂A_2n,cxp(k₂Q,,)+ N(QJ = 0. (6.8)

Для определения значений А_ы„ А_2п. и 9_Л примем начальное значение на­пряжения на конденсаторной батарее и правила управления тиристорами ре­гулятора. Определив постоянные интегрирования и углы выключения тирис­торов на всех полупериодах напряжения во время переходного процесса, рассчитаем мгновенные значения напряжения на батарее и тока нагрузки. Да­лее установим напряжения на активном и индуктивном сопротивлениях на­грузки, а также на тиристорном ключе.

Цифровая модель схемы (см. рис. 6.2), построенная с использованием при­веденных соотношений, позволяет исследовать режимы мягкого пуска, мягко­го останова и произвольного управления нагрузкой. Модель позволяет в уста­новившихся режимах работы при заданных углах управления тиристорами (a„ = const) проводить полный спектральный анализ токов и напряжений на элементах электроснабжения, а также расчет энергетических показателей в точках подключения синусоидального напряжения и нагрузки, при v = 0 мож­но проанализировать случай с некомпенсированной нагрузкой. На рис. 6.3 приведены временные диаграммы токов и напряжений для этого частного случая. Ток нагрузки в виде суммы свободной и вынужденной составляющих при работе как прямого, так и обратного тиристоров появляется с задержкой на угол управления по отношению к моменту перехода напряжения питающей сети через нулевое значение. Прекращение положительной и отрицательной полуволн тока за счет расхода запасенной в индуктивности нагрузки энергии магнитного поля происходит при угле выключения соответствующего тирис­тора, превышающем 180 эл. град. Величину угла выключения можно устанав­ливать по кривым рис. 6.4. Несинусоидальные ток и напряжение на нагрузке

6.2. Устройства без преобразования частоты

£4; Л

1,0 0,5 0 -0,5 Н -1,0

£-1.5

				б
		Угол управления	-т----	----------- 1--------- 1------ '
'----------- 1--------- 1----------- 1	Угол выключения

120 180 240

Электрические градусы

Рис. 6.3. Временные диаграммы тока и напряжений СЭС при угле управления 90 эл. град, и уг­ле сдвига фаз нагрузки 60 эл. град.:

а — напряжение сети и ток нагрузки (1 — напряжение сети; 2 — ток нагрузки; 3, 4 — вынужден­ная (3) и свободная (4) составляющая тока); б — напряжение на регуляторе; в — напряжение на нагрузке

становятся синусоидальными лишь при уменьшении угла управления до угла сдвига фаз нагрузки, т. е. при полностью открытом регуляторе. При дальней­шем уменьшении угла управления (зона левее ограничительной линии на рис. 6.4) регулирующий эффект исчезает.

Регулировочные характеристики в виде зависимостей действующего значе­ния напряжения на нагрузке от угла управления и угла сдвига фаз (рис. 6.5) иллюстрируют возможность глубокого, плавного и практически безынерцион­ного управления электрическим режимом потребителя. Однако процесс регу­лирования сопровождается ухудшением коэффициента формы (рис. 6.6) и по­явлением нечетных высших гармоник как в напряжении (рис. 6.7, а), так и в токе нагрузки (рис. 6.7, б). Из-за наличия в нагрузке индуктивности уровень высших гармоник (1—13) в токе ниже, чем в напряжении. Несимметричное

Глава 6. Энергосберегающая энергетическая электроника

Рис.6.4. Зависимости угла выключения тиристоров от 20 40 60 80 юо 120 140 160 180 угла управления и угла сдви-

га фаз (ф_сдф) нагрузки

Угол управления, эл. град.

э
е-
ч
m
„
§
X
9"
л
а
ч
о

		/\
		/ \
	/	Ч 80
Ограничительная /
линия		V70^4
/ /		60^s
/ / /
/ / /
/ / /
Фсдф =
/ / /

Фсдф - 90 / бо

Угол сдвига фаз нагрузки

30 60 90 120 150 180 Угол управления, эл. град.

Л

S

о 5

* Й

5 о-s 5

■е-

m о

1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0

30 60 90 120 150 180 Угол управления, эл. град.

Рис. 6.5. Регулировочные характеристики СЭС Рис. 6.6. Зависимости коэффициента формы

напряжения от угла управления

0,25

X ³ ° 5

0,20

0,15

К

0,10

0,05

о 60 80 100 120 140 160 180 Угол управления, эл. град. б

	1-\
	з\\
//"\^5	и Ч
1гЪ\ \	-J^JA

60 80 100 120 140 160 180 Угол управления, эл. град. а

Рис. 6.7. Спектр напряжения (а) и тока (б) при угле сдвига фаз, равном 60 эл. град.

6.2. Устройства без преобразования частоты

60 80 100 120 140 160 180 Угол управления, эл. град.

"Т^-

60 80 100 120 140 160 180 Угол управления, эл. град.

Рис. 6.8. Мощности на входе СЭС:

1 — полная; 2 — реактивная; 3 — активная;

4 — искаженная

Рис. 6.9. Энергетические показатели СЭС: 1 — коэффициент искажения; 2 — коэффициент сдвига; 3 — коэффициент мощности

управление тиристорами приводит к появлению и четных гармоник. Процесс управления сопряжен и с ухудшением энергетических характеристик (рис. 6.8 и 6.9).

Следует подчеркнуть, что преодоление отрицательных явлений, связанных с потреблением нагрузкой реактивной мощности, становится возможным в компенсированной системе электроснабжения. Этот факт на рис. 6.10 иллю­стрируется временными диаграммами токов и напряжений мягкого пуска компенсированной реактивной нагрузки при линейном законе управления, х_И = 60 Ом, г_и = 100 Ом и х_с = 100 Ом, а также зависимостями углов управле­ния и выключения тиристоров от числа полупериодов напряжения сети, при­веденными на рис. 6.11.

Проанализировав приведенные рисунки, можно сделать следующие выводы:

1) система управления электронным ключом в случае компенсированной реактивной нагрузки должна обеспечивать движение управляющих импульсов тиристоров как в положительной, так и отрицательной областях;

2) отрицательные значения углов управления становятся возможными в ре­зультате того, что смена знака напряжения на тиристорах с отрицательного на положительный происходит ранее точки смены знака напряжения питающей сети за счет искусственной коммутации, обеспечиваемой напряжением на конденсаторной батарее;

3) величина угла выключения тиристоров, в отличие от активно-индуктив­ной нагрузки, может быть меньше 180 электрических градусов;

4) после пуска нагрузки в установившемся режиме ток питающей сети, равный току нагрузки, сдвигается в сторону опережения, что приводит к сни­жению потребления или к генерированию реактивной мощности в питающую сеть;

5) напряжение на конденсаторной батарее во время пуска возрастает мо­нотонно и во время переходного процесса может приводить к некоторому уве-

230 Глава 6. Энергосберегающая энергетическая электроника

U_C;I»

0 360 720 1080 1440 1800

---

Дата добавления: 2015-07-17