CC BY
19
ИЗВЕСТИЯ
ТОМСКОГО ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА им. С. М. КИРОВА
Том 229 1972
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАРЯДНОГО УСТРОЙСТВА С ДРОССЕЛЯМИ НАСЫЩЕНИЯ
Ф. П. ЗВЕРЕВ, л. Б. ЦУКУБЛИН, Г. А. СИПАЙЛОВ
(11редставлена научным семинаром кафедр электрических машин и общей электротехники)
При разработке автономных систем часто возникает задача одновременного электроснабжения от одного генератора различных по характеру нагрузок, особое место среди которых занимают низкочастотные импульсные источники. Работая в циклическом режиме «заряд-разряд», эти источники создают помехи остальным потребителям, требующим стабильности напряжения.
Использование в импульсных источниках в качестве накопительного элемента емкости приводит к необходимости выбора такого зарядного устройства, которое обеспечивало бы отсутствие резких всплесков тока и провалов напряжения основного генератора в момент заряда. Подходя к решению данной проблемы с учетом того, что
1) основным источником энергии является трехфазный синхронный генератор,
2) мощность, потребляемая зарядным устройством, составляет лишь часть полной мощности генератора,
3) при заряде схема должна обеспечить отсутствие резких всплесков тока, а так же учитывая, что схема зарядного устройства должна быть максимально проста и надежна, из всего многообразия зарядных устройств в настоящей статье рассмотрена схема выпрямителя управляемого дросселями насыщения, включенными в разрыв нейтральной точки трансформатора (рис. 1). Кроме того, в управляемом режиме такая схема обеспечивает постоянство тока генератора независимо от величины нагрузки, что отвечает требованиям, перечисленным выше.
Примем для простоты анализа, что напряжение на первичной обмотке трансформатора (рис. 1) поддерживается постоянным по амплитуде, что соответствует работе его от генератора с регулятором напряжения, а характеристика намагничивания дросселей насыщения аппроксимируется двумя прямыми, т. е. индуктивное сопротивление ненасыщенного дросселя бесконечно большое (глр -^оо), а насыщенного представляется конечной величиной (2тр = /хдр +глр ). С учетом последнего допущения дроссель может проводить ток только текущий согласно с током подмагничиваиия.
Из теории работы выпрямителей, управляемых дросселями насыщения [1], известно, что регулирующее действие дросселей наблюдается лишь при токах нагрузки, равных току подмагничиваиия (hi )* а при Id </п выпрямитель работает как мостовой неуправляемый.
Здесь можно различить два режима подмагничиваиия дросселей: принудительное, когда в цепь подмагничиваиия включено большое ii:í-
дуктивное сопротивление, и свободное, когда сопротивление источника подмагничивания близко к нулю. Независимо от типа нагрузки на выходе выпрямителя в такой системе выпрямленный ток в управляемом
i-n
Рис. 1. Схема зарядного устройства
режиме (Id =/ц) полностью соответствует току подмагничивания не только по величине, но и по форме. Поэтому наибольший интерес для зарядного устройства представляет принудительное подмагничивание, обеспечивающее при заряде конденсатора практически сглаженный выпрямленный ток.
Рассматривая возможные режимы работы зарядного устройства, необходимо отметить, что за исключением точки короткого замыкания в схеме наблюдаются чередующиеся двух- и трехвентильные режимы работы выпрямителя. При принудительном подмагничивании в двухвен-тилыюм режиме в схеме оказываются насыщенными только два дросселя, соответствующие проводящим вентилям (рис. 1), и поэтому
ix = /G, iig — = ¿п? т. е. в в этом режиме — iQ = ¿lg = ^ id — in (t).
В трехвентилыюм режиме наблюдается аналогичная картина
h + h = h = hs + h5 = in (0; id (0 = in (t)
и если in (t) = /п = const, то и id (t) = Id — const.
т. е. идеально сглажен. С учетом вышеизложенного схема с дросселями насыщения (рис. 1) может быть представлена некоторой эквивалентной с неизменными анодными параметрами и полностью управляемыми вентилями, угол открытия которых (а) является переменной функцией н зависит от величины напряжения на накопительном конденсаторе. Поскольку время накопления энергии значительно (102—103 раз) превышает период изменения напряжения источника, расчет схемы можно вести по дискретным точкам, считая, что за период э. д. с. напряжение на конденсаторе остается постоянным, т. е. реальную кривую заряда заменить ступенчатой. Такой прием позволяет производить расчет в конкретный момент времени как при работе схемы на противоэ. д. с. и при идеально сглаженном выпрямленном токе.
Пользуясь методом эквивалентного генератора [2], напряжение на емкости в момент времени t\ определим
3 — 3
UC (ti) = -7 V3Em cos ос --idxф — 2idR^ (1)
4 т:
где Ет —амплитудное значение фазной э. д. с. на вторичной обмотке трансформатора; = -гт + —сумма индуктивных сопротивлений приведенного трансформатора и насыщенного дросселя; = /*т +гд— сумма активных сопротивлений приведенного трансформатора и дросселя насыщения.
Следует отметить, что при включении дросселей насыщения в первичную цепь параметры трансформатора должны быть приведены к первичной обмотке.
Учитывая, что при принудительном подмагничивании в управляемом режиме ток зарядки стабилен = =/„ , определим угол открытия вентилей
4- 'Л / £ , 3 0гФ\ /<г»
а = агссоз —у=г-^--|---Ь 2 — . (2)
ЗУЗ Ет ф хф)
Таким образом, по мере заряда конденсатора С„ угол а меняется по закону косинуса от 90" до 0° (последнее наблюдается при переходе в неуправляемый режим).
При заданном токе подмагничивания время управляемого заряда может быть определено из выражения
Тп = = СИХф ( ^ \ ^ ------ 2 ~--~) (3)
и является временем цикла зарядки накопителя.
Рассматривая трехвентильный режим схемы, можно отметить, что прп стабильном токе зарядки контур коммутации сохраняет свои параметры неизменными во все время управляемого заряда. Это позволяет сделать вывод о том, что в зоне регулирования угол коммутации вентилей остается постоянным и не зависит от величины напряжения на конденсаторе. С учетом идеальной сглаженности тока угол коммутации может быть определен выражением
у ^ агссоэ (1 — 2/п_ф V (4)
V У^т I
Наличие угла регулирования (а) и угла коммутации (7 ) обусловливается временной сдвиг фазного тока трансформатора относительно напряжения и определяют коэффициент мощности зарядного устройства
соз с^соэ ( ос + — | . (5)
2
Анализ этого выражения с учетом (2) и (4) показывает, что по мерс накопления энергии в конденсаторе коэффициент мощности меняется в широких пределах практически по линейному закону. Однако наиболее характерным для оценки зарядного устройства в целом является среднецикличсское значение коэффициента мощности. С учетом постоянства угла коммутации и времени цикла зарядки среднецикличсское значение cos(^iCp определится
¿U COS i-^+c]
cos <rlcp = -V i cos ?J (/) dt = 0.5 [ 1 + b]--^-- , (6)
7Ц J cos^
0
где
tg £ = -L- ( ~ - b 11 ir - arcsin b V ь= - (1 + 2 .
l-r-\2 ) ЗУЗEn U xj
Проведенные расчеты для реальных схем зарядных устройств в соответствии с выражением (6) показывают, что среднециклический ко-
эффициент мощности не превышает значений соБфер ^ ОД что является серьезным недостатком устройств подобного типа.
Вторым энергетическим фактором, определяющим зарядное устройство, является к. п. д. Рассматривая к. п. д. как отношение энергий накапливаемой к затрачиваемой, можно определить, что мгновенное значение к. п. д. зависит от параметров схемы и времени зарядки
\Х
W
U-
6-^1 к?
(7)
I*
где к1
фэф
l/--1 V з з-
коэффициент трехфазной мостовой схемы
по току [3].
Таким образом, по мере накопления энергии в конденсаторе к. п. д. увеличивается, достигая в конце зарядки величин, близких к единице. Среднециклическое значение к. п. д., определяемое аналогично коэффициенту мощности, может быть определено выражением
6СнрфК1 Т„
1п 1
Т,
гг < , (8)
Анализ этого выражения позволяет сделать вывод о том, что в маломощных системах ^ 103 дж) при напряжении на конденсаторе
î
Вт та
0,8160160
0,2 40 40
4 Vn ' J О
гз
О 400 800 1200 1600 2000 Q)
О Ч-00 800 1200 1600 2000 6)
Рис. 2. Энергетические характеристики зарядного устройства со стороны а) генератор,-¡;
б) зарядной цепи
порядка Ur ^(1,5—2) • 103 (в) значения среднециклического к. п. д. достигают 0,7—0,75, что существенно выше, чем в системах с токоогра-ничивающими сопротивлениями (т]мах 0,5).
Экспериментальные исследования зарядного устройства, выполненного по схеме рис. 1, подтвердили правильность сделанных выше допущений и показали, что зарядные устройства с дросселями насыщения являются достаточно эффективными при создании низкочастотных импульсных источников. На рис. 2 приведены энергетические характеристики зарядного устройства с генераторной стороны (рис. 2, а) и со стороны накопительной емкости (рис. 2, б). Как видно из рисунков, ток заряда и ток генератора достаточно стабильны, что, с одной стороны, соответствует практически линейному нарастанию напряжения на емкости, а с другой — обеспечивает равномерную токовую загрузку генератора. Среднециклические значения к. п. д. и коэффициента мощности
соответственно составили здесь: coscp ср = 0,47; ту-р = 0,72. Неизменность формы фазного тока трансформатора в зоне регулирования подтверждается стабильностью амплитуды основных гармонических составляющих (рис. 3) и свидетельствует о постоянстве угла коммутации ( т) во see время управляемого заряда.
Таким образом, проведенные аналитические и экспериментальные исследования позволяют сделать следующие основные выводы:
1. Схема с дросселями насыщения, включенными в разрыв нейтральной точки трансформатора, обеспечивает стабильность зарядного тока, который при принудительном подмагничивании может быть идеально сглажен.
2. Схема обеспечивает достаточно высокое значение среднецикли-ческого к. п. д. (rjcP =0,7—0,75), однако значения коэффициента мощности при этом не превышают 0,5.
3. Схема обеспечивает отсутствие резких всплесков тока в момент зарядки и равномерную токовую загрузку основного источника
1. Ю. Г. Т о л с т о в, Г. П. Мостков а, Ф. И. Ковалев. Трехфазные силовые полупроводниковые выпрямители. Изд. АН СССР, 1963.
2. А. В. П о с с е. Обоснование замены выпрямителя эквивалентным генератором для расчета переходных процессов. Изд-во АН СССР, «Энергетика и транспорт», 1965, № 4.
3. В. А. Зори н и др. Некоторые вопросы работы маломощного синхронного генератора на выпрямительную нагрузку. «Известия ТПИ», т. 145, 1966.
0 900 800 '2СЮ 1600 2000
Рис. 3. Зависимость относительных значений амплитуд высших гармоник фачного тока от величины напряжения па емкости
ЛИТЕРАТУРА
