РЕГУЛЯТОР ФАЗЫ ПЕРЕХОДНОГО ПРОЦЕССА В ЦЕПЯХ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПУСКОВЫХ И СТАРТОВЫХ ТОКОВ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ

Полезная модель относится к области метрологии электрических характеристик устройств электротехники при их включении/выключении в цепях переменного тока.
ы
Любой электроприбор, приводимый в рабочее состояние подключением к источнику электроэнергии, неизбежно вызывает возникновение переходных процессов в момент коммутации в цепи, которую он сформировал своим подключением. Это связано и с реакцией источника электроэнергии на такое подключение (он всегда содержит комплексные составляющие своей внутренней цепи), и с переходными процессами в элементах схемы электроприбора. Природа указанных процессов лежит в области резонансных явлений в обозначенных цепях при появлении переднего (или, соответственно, заднего - при выключении) фронта импульса поданного напряжения питания, временне параметры которого (форма, крутизна, длительность) существенно отличаются от длительной непрерывной последовательности периодов синусоидального напряжения (напряжения любой формы) стационарного режима питания с частотой 1(400 Гц и амплитудой 12÷600В. Одним из самых значительных проявлений резонансных переходных процессов в цепях нелинейных устройств, которыми являются, в частности, светильники на основе светодиодов или газоразрядных ламп, является значительное увеличение потребляемого тока в течение первых периодов синусоиды питающего напряжения. Однако цепи питания устройств электротехники, особенно если они собраны в группы, как правило, имеют достаточно ограниченный выделенный диапазон потребляемой мощности, обеспечиваемой данной сетью. Таким образом, в моменты коммутации, такие сети испытывают значительные перегрузки по току, но благодаря малому времени действия такой перегрузки, необратимых последствий в корректно рассчитанных сетях не происходит. Последнее обстоятельство также обязано рациональному применению устройств защитной автоматики, которые имеют свои характеристики срабатывания и реакции на перегрузки, от которых и призваны защищать цепи.
Таким образом, знание реальных параметров переходных процессов (т.н. пусковых или стартовых токов) потребителей крайне важно для необходимой корректности проектирования сети питания, в которую, в т.ч. входят и подводящие кабели, и устройства коммутации, и защитная автоматика. Стоит, однако, отметить, что ни в каких нормативно-правовых актах по отношению к светотехнической продукции данные параметры не нормируются, как не существует и утвержденных или общепринятых методик измерений их характеристик.
С учетом вышесказанного, задача, решаемая при создании заявленной полезной модели, состоит в обеспечении возможности измерения параметров пусковых и стартовых токов, а также иных параметров переходных процессов, возникающих в цепях при коммутации электрической нагрузки любого характера с учетом фазы напряжения переменного тока в момент включения/выключения. Технический результат, достигаемый при решении такой задачи, состоит в повышении точности измерений и достоверности оценки параметров переходных процессов пусковых и стартовых токов относительно момента включения.
Для достижения поставленного результата предлагается регулятор фазы переходного процесса в сетях переменного напряжения, содержащий последовательно соединенные блок формирования импульсов переменной длительности, снабженный компаратором напряжения с изменяемым уровнем опорного напряжения, блок деления частоты напряжения питающей сети и блок исполнительного устройства коммутации.
В качестве коммутирующего нагрузку элемента выступает полупроводниковый элемент, комбинированный коммутирующий элемент или система элементов. Кроме того, формирование импульсной последовательности для привязки фронтов сформированных импульсов к точке фронта синусоиды (любой формы сигнала) исходного напряжения может происходить от различных источников, например, от вспомогательного генератора или другой фазы питающего напряжения, а регулировка фазы осуществляться в пределах более чем один период синусоиды (последовательности с любой формой) питающего напряжения.
Описание иллюстрируется фиг.1, на которой показан график положения момента включения нагрузки в пике первого периода синусоиды, сформированный в результате применения заявленного устройства регулировки фазы, и соответствующий график пускового тока, фиг.2 с принципиальной блок-схемой заявленного регулятора фазы переходного процесса, а также фиг.3, показывающей работе компаратора и положение привязки фронтов сформированных импульсов к точке фронта синусоиды исходного напряжения.
Возможность достижения поставленного результата обусловлена тем, что сложность достоверной оценки параметров переходных процессов (пусковых и стартовых токов) на разных этапах времени коммутации состоит в точности установки фазы первого периода синусоиды питающего напряжения в момент включения нагрузки. Крайне важной в этом случае является возможность измерения коммутационных токов при различном положении фронта синусоиды питающего напряжения относительно момента включения потребителя, что позволяет наиболее точно измерять как максимальное значение тока и определять его форму относительно напряжения, так и рассчитывать его усредненное значение за любое количество периодов синусоиды - см. фиг.1. Отмеченная особенность заявленного устройства позволяет использовать полученные результаты для любых систем автоматики, поскольку они оказываются максимально приближенными к реальным условиям при коммутации потребителей.
0
Принципиальная блок-схема заявленного регулятора приведена на фиг.2. Регулятор содержит формирователь 1 импульсов переменной длительности из синусоидального (или любой другой формы с плавным фронтом) напряжения питающей сети посредством компаратора 2 напряжения на основе любых элементов (операционного усилителя, транзисторного каскада и пр.) с изменяемым уровнем опорного сигнала (напряжения). Схемотехника и примененные элементы формирователя импульсов составлены таким образом, что заявленный регулятор фазы может работать в цепях с частотой синусоидального напряжения питания вплоть до 1 МГц. Измерение пусковых или стартовых токов нагрузки I выполняется либо осциллографическим методом с применением низкоомного шунта с исключительно активным сопротивлением, либо специальными приборами для измерения указанных параметров любым методом (емкостным, индуктивным, с применением шунта и др.). Делитель частоты 3 сформированной импульсной последовательности осуществляет задержку включения нагрузки на любое время (в зависимости от коэффициента деления) для более точной установки длительности и фронта импульса относительно фронта синусоиды. Передний фронт задержанного на время t=f/n (где f - частота питающей сети, n - коэффициент деления) импульса открывает транзисторный ключ и посредством включения коммутирующего электромеханического реле 4, обмотка которого составляет цепь нагрузки ключа, подключает испытуемую нагрузку к сети. Указанное подключение будет всегда осуществлено в заданной оператором точке фронта синусоиды питающего напряжения с учетом постоянного времени включения контактов реле (значение которого известно и неизменно).
Работа заявленного регулятора фазы основана на формировании фронта импульса включения исполнительного устройства коммутации нагрузки посредством установки пользователем его положения относительно соответствующих участков синусоиды напряжения сети (фиг.3). В подавляющем большинстве случаев коммутации, максимальный пусковой или стартовый ток образуется при попадании пика синусоиды питающего напряжения в момент включения нагрузки, однако это не является однозначным утверждением для всех 100% циклов коммутации. В любом случае, важна высокая повторяемость реализации одной и той же точки участка синусоиды во всех случаях включения нагрузки, если ее положение не изменялось пользователем. Именно это обстоятельство является ключевым в решении задачи всей методики «включение испытуемого образца - измерение пускового (стартового) тока» предлагаемым устройством регулировки фазы переходного процесса. Указанное решение крайне важно еще и потому, что все исследуемые переходные процессы имеют свое наиболее явное проявление только при большом времени между попытками измерения (20-40 мин), и, если момент включения нагрузки по отношению к участкам синусоиды напряжения питания не будет предсказуемым, такие измерения провести крайне затруднительно в принципе. Данное утверждение в полной мере касается и измерений параметров переходных процессов при выключении нелинейных нагрузок, поскольку в этом случае также присутствует явно выраженный переходной процесс.