Форсированное переключение тока в индуктивных нагрузках с рекуперацией энергии магнитного поля

УДК «21.31

А. П. ПОПОВ А. О. ЧУГУЛЁВ

Омский государственным техническим университет

ФОРСИРОВАННОЕ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЕ ТОКА В ИНДУКТИВНЫХ

НАГРУЗКАХ С РЕКУПЕРАЦИЕЙ ЭНЕРГИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ

Рассмотрены основные способы форсирования переходных процессов при переключении тока в индуктивных нагрузках. Выполнен анализ их энергетической эффективности. Предложено устройство форсированного переключения тока, содержащее дополнительный высоковольтный источник напряжения и позволяющее осуществлять рекуперацию энергии магнитного поля.

Ключевые слова: индуктивная нагрузка, переходный процесс, рекуперация энергии.

В настоящее время к различным устройствам автоматики предъявляются высокие требования по быстродействию исполнительных устройств (электромагниты коммутаторов, магнитные элементы автоматики, СВЧ излучатели и др.). Силовые и механические характеристики этих устройств зависят от скорости нарастания магнитной энергии в индуктивной нагрузке. Поэтому часто возникает необходимость в ускорении (форсировании) данных процессов.

Рассмотрим несколько способов форсирования переходных процессов при переключении тока в индуктивных нагрузках.

Наиболее иростым является способ, заключающийся в том, что последовательно с индуктивной цепью включается дополнительное балластное сопротивление (рис. 1а), благодаря которому уменьшается постоянная времени намагничивающей цепи и, следовательно, время переходного процесса.

В качестве ключа К используется электронный ключ (транзистор). Нагрузка в таких схемах обычно шунтируется диодом для уменьшения скачков напряжения, возникающих на ключе в момент гашения магнитного поля нагрузки (следует отметить, что требования к заднему фронту часто не являются критическими).

Предположим, что в индуктивной цени ги (рис. 1а) необходимо формировать импульсы длительностью 1и, причем передний фронт импульса тока должен быть намного меньше его ширины, т.е. ^ «1и. Таккакактишюе сопротивление нагрузки обычно мало, то справедливо соотношение

и

»I

фр

где ти - собственная постоянная времени индуктивной нагрузки.

При протекании установившеюся тока в нагрузке запасается магнитная энергия:

Мгновенное значение тока во время импульса определяется следующим соотношением [ 1)

г

Рис. 1. Ба лоти о схемы коммутации тока в индуктивной нагрузке

/______=

А г* +г, +Я« ' г.+«! + *'

Если считать, что ток достигает установившегося значения за время £=/^=31,, то при заданной величине индуктивности нагрузки и заданном времени установления тока полное активное сопротивление цепи должно быть равно:

= г* + + Не =

•Ат

Если пренебречь сопротивлениями источника напряжения и самой обмотки, а также сопротивлением ключа в открытом состоянии (в силу их малых значений), то можно считать Яд. Тогда средняя мощность, потребляемая от источника постоянного напряжения при формировании импульсов тока с частотой

/= — (7 — периодследования импульсов), определится следующим образом:

/**=1 &»<' -*т- )2 **4 К»-

145

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ КСТНИК N>2 (90) 2010 ЭЛШЮПХНИХА. ЭНВ

Риг. 2. Функциональная схема форсирования переходного процесса в катушке

Рис. 3. Модель коммутатора тока в индуктивной нагрузке

Рассматривая зтовюражеігие с учетом (1), получаем:

6/ 6/ И',/(—И) *»'*/ —

Из выражения (2) сле^/уует, что повышение крутизны нарастания тока при переключении его рассматриваемым способом можно получить только путем увеличения мощности источника питания, которая рассеивается в основном па балластом сопротивлении.

Мощность источника постоянного напряжения можно снизить (не изменяя длительности фронта импульса), если тушировать балласгное сопротивление ускоряющей емкостью (рис. 16). Тогда появляется возможность уменьшить величину этого сопротивления и тем самым снизить напряжение источника питания.

Рассмотрев характер переходного процесса в данной цепи (считая время установления тока таким же, как в предыдущем случае, а также пренебрегая сопротивлениями источника напряжения, обмотки и сопротивлением ключа в открытом состоянии), можно установить, что средняя мощность, потребляемая данным переключателем тока от источника Е, с учетом того, что к моменту установления тока емкость С заряжается до напряжения питающего источника, будет онределяться выражением:

Сравнивая выражения (2) и (3), можно сделать вывод что шунтирование балластною сопротивления емкостью позволяет (при прочих равных условиях) почти в два раза снизить потери электрической мощности в случае формирования плоских импульсов тока заданной амплитуды.

Более перспективным с точки зрения минимизации потерь мощности является импульсное форсирование переходных процессов. Это обусловлено главным образом появлением полностью упра-

Рис. 4. Временные диаграммы процессов в схеме в режиме недостаточного форсирования переходного процесса

вляемых высоковольтных полупроводниковых ключей. Суть такою метода состоит в том, что в момент срабатывания рассматриваемого устройства на нагрузку подается специальный импульс напряжения (или тока), обеспечивающий необходимую крутизну нарастания тока.

При этом возникает необходимость дополнительною высоковольтною источника питания Е(и дополнительною управляемою ключа К, (рис. I в). Диод УО в схеме не позволяет току высоковольтною источника прогекать через низковольтный источник Ет

Если пренебречь сопротивлением ключа в открытом состоянии, то мгновенное значение тока в нагрузке при подключении источника форсирования определяется соотношением:

'ДО

),

где г, - постоянная времени форсирующего контура.

В момент /=<фр, то есть когда ток в нагрузке нарастает до заданной величины, ключ К, выключается. После этою момента времени характер изменения тока в нагрузке зависит как от параметров цепи основного источника питания, так и от величины тока, протекающего через нагрузку в момент запирания ключа К,.

Если выполняется условие

г + г.

то в момент размыкания ключа К2 устанавливается плоская часть импульса тока. Такой режим форсирования назовем оптимальным.

Средняя мощность, потребляемая от источников питания при оптимальном форсировании, будет равна сумме потерь электрической мощности от источника форсирования и источника Е?

К-р ~ Рср\ + ?ср7.

Рср1 определяется следующим образом:

К

С учетом того, что Е,» Е2 и га*га« г изменение тока в нагрузке от момента времени 1=0 до

Рис. 5. Временные диаграммы процессов в схеме в режиме перефорснровання

Рис. 6. Временные диаграммы процессов в схеме, соответствующие оптимальному режиму форсирования переходного процесса 0

можно считать линейным, тогда ии(1) = Е1 и

где

К

4. А*» _

А/ 1Лл

получаем:

I / й I2 р _ I _ц; г

гр1~ Т Ъ / ' “

1 пФг ‘фр

Для Р(р2 в случае соблюдения условия

справедливо выражение

т.Т

Средняя суммарная мощность будег определяться выражением:

т.Т

Таким образом, при (|юрсировании режима переключения тока в индуктивной нагрузке затраты электрической мощности определяются только активным сопротивлением индуктивной цепи и при V»**, они могут быть во много раз меньше, чем в рассмотренных выше случаях. Это видно из сравнения выражений (2), (3), (4).

Известны также способы ускорения процессов переключения тока в индуктивных нагрузках, когда для формирования ускоряющих импульсов используется повышающий импульсный трансформатор и низковольтный источник питания (рис. 1г). Основной недостаток такого способа—ограниченный диапазон применения из-за громоздкости самого импульсного трансформатора. То же самое можно сказать относительно индуктивного форсирования, когда для форсирования используется энергия магнитного поля дополнительного дросселя (рис. 1д).

Последние два способа обладают меньшей энергетической эффективностью по сравнению со схемным решением, представленным на рис. 1в, однако обладают важным достоинством, заключающимся в том, что для питания схемы используется только низковольтный источник питания.

Сочетание таких свойств в магнитных переключателях, как быстродействие и энергетическая экономичность особенно важно для систем с автономным энергообеспечением, в которых процессы коммутации повторяются с достаточно высокой частотой и имеется большое число коммутаторов.

В данной работе предлагается способ форсирования переходного процесса в индуктивной нагрузке, основанный на применении дополнительного импульсного источника достаточно высокого напряжения (рис. 1 в) с использованием рекуперации энергии магнитного поля, запасаемого в индуктивной нагрузке к моменту выключения тока. Функциональная схема такого устройства имеет вид, представленный на рис. 2 (К 1, К2 —электронные управляемые ключи. УЭ1, \ZD2- диоды, У У — устройство управления, ИП1 — низковольтный источник питания, ИП2 - высоковольтный источник питания).

В программе М1сгоСар создана модель представленного устройства (рис. 3) и рассмотрены различные режимы работы схемы: недостаточного форсирования переходного процесса, перефорсирования и оптимального режима форсирования. В модели устройства использованы следующие элементы:

1Л, — нагрузка;

У01, \Ф2 — выпрямительные диоды;

\ГП — прп транзистор средней мощности типа МШ13002;

УТ2 — рпр высоковольт* I ы й тра! иисгор тш ш 2Ы5416;

УЗ, У4 —источники тока с заданной длительностью управляющих импульсов (входят в состав УУ, см. рис. 2);

V1, У2 — соответственно низковольтный и высоковольтный источники напряжения;

Т1 - импульсный трансформатор (для гальванической развязки цепи управления транзистором УТ2).

На рис. 4 — 6 представлены результаты моделирования электромагнитных процессов в схеме, соответствующие рассмотренным режимам.

Заключение. Применение современных электронных ключей с достаточно высоким пробивным напряжением может обеспечить высокую скорость переключения тока в индуктивных нагрузках при многократном снижении затрат электрической мощности, что имеет важное значение для объектов с автономным энергообеспечением.

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ КСТНИК М* 2 <90) 2010 ЭЛ6ПКЖХНИКА. ЭЮКПИКА

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК *2(90) 2010

Библиографический список

I. Бессонов, Л. А. Теоретические основы электротехники. Элоктричрскис цепи / Л А. Бессоноп. — М.: Гадорики, 2002. - 638с.

ПОПОВ Анатолий Петрович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Теоретическая и общая электротехника».

ЧУГУЛЁВ Александр Олегович, кандидат технических наук, доцент секции «Промышленная электроника» кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий».

Адрес мя переписки: e-mail: aleks-c@rambler.ru

Статья поступила в редакцию 02.03.2010 г.

Ф А.П. Попов, А. О. Чугулёв

УДК 621.313

о. А. ЛЫСЕНКО А. с. солодянкин

Омский государственный технический университет ООО «АНС-групп», г. Нижневартовск

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА: ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ НАСОС -АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ_______________________________

Предлагается способ моделирования системы асинхронный двигатель — центробежный насос (АД—ЦН), рассматривающий её поведение в динамике, который базируется на совместном рассмотрении механических, гидравлических и электрических подсистем, из которых состоит комплекс в целом. Приводятся результаты численного моделирования. Ключевые слова: моделирование, асинхронный двигатель, центробежный насос.

В статье рассматривается поведение в динамике широко распространенной системы, состоящей из асинхронноюдвигателя, центробежного насоса и применяемой в различных отраслях науки и техники.

Рассматривается также электрическая подсистема. моделирующая процессы в электрическом двигателе; механическая подсистема, моделирующая процессы электромеханического преобразователя энергии и механические потери; гидравлическая подсистема, моделирующая процессы в проточной части, и спиральном отводе центробежной машины (I ].

В качестве модели электрической используются уравнения, полученные из рассмотрения обобщенной модели асинхронной машины |2].

Обобщешіая трехфазная машина состоит из трехфазной обмотки на статоре и трехфазной обмотки на роторе. Обмотки статора и ротора подключаются к симметричным трехфазным источникам напряжения.

Система уравнений для описания асинхронной машины с короткозамкнутым ротором (йя = 0) в единой системе координат, вращающейся со скоростью (о0, будет иметь вид [2|:

d<V. „ -

—" Я***

di

dV,

= р»о>и V.

I'slI + LJn

где И,

%

А/ = к Mod х /] ) do)m _ М - А/.

dt J

і йн, , ул — напряжение, ток и по

токосцеиление статора и ротора соответс твенно. Ц, Ц, Ьт, - индуктивности статора, ротора и взаимоин-дуктивность между статором и ротором соответственно. 1*у Яц—активное сопротивление статора и ро-

тора. Л (кг/м2)—момент инерции на валу машины, учитывающий инерционность как самой машины, так и приведенной к валу инерционности рабочею механизма, шт, со0 — частота вращения ротора, и частота вращения статора. М—развиваемый момент; Мм — момент на валу машины.

Исключив из (1) /л и , получим

и5 = г7я + ия ^ + ja)0L's £ - + ІЇьРпмЛ'*

А Т„

- 1 - ЛФ» / \

0 = -А* Я/Л + — Ул + ~7Г + Л<»о ~ Рп*т Ь'ш

12)

dtu_ А/ - М..

dt

где

k,‘b,T,,.b-,r-Rs + klR„Vs=L,-£-

L„ А„ ЬК

Во вращающейся с угловой скоростью и>0 системе координате вещественной и мнимой осями х и у соответственно, пространственные вектора принимают вид: йа = + ум*, 7Х = -У'лг+М*-

ил = г/л + иэ -—Рь “ЬцРя&тФ*

А к

“л> = П*+1%ж ~~+клрпо)яр1ь аI

0 = -* А'» + - (<»о - Рпш* V*

1 / \

о=-Wsy + +К - рл т

d(on А/ - А/,,

~dt~~ J