СПОСОБ ГРУППОВОГО УПРАВЛЕНИЯ ИМПУЛЬСНЫМИ РЕГУЛЯТОРАМИ НАПРЯЖЕНИЯ (ВАРИАНТЫ)
METHOD FOR GROUP CONTROL OF SWITCH VOLTAGE ADJUSTERS (VERSIONS)

Изобретение относится к области электротехники, в частности к преобразовательной технике, и может быть использовано для управления работой группы импульсных регуляторов напряжения, осуществляющих регулирование напряжения на нагрузках потребителей путем широтно-импульсной модуляции протекающих в них токов.
Известен способ группового управления импульсными регуляторами напряжения, имеющими индивидуальные нагрузки, подключенные к единому источнику питания, общий период широтно-импульсной модуляции, независимое изменение длительности импульса, на время действия которого регулятор подключает нагрузку к источнику питания, при котором импульсы регуляторов на периоде модуляции размещают таким образом, что фазовые сдвиги между соседними импульсами равны и составляют  где n - число регуляторов в группе [1].
Недостатками известного способа управления импульсными регуляторами напряжения являются низкие значения коэффициента мощности.
Наиболее близким по сущности к предлагаемому способу является способ группового управления импульсными регуляторами напряжения, имеющими индивидуальные нагрузки, подключенные к единому источнику питания, общий период широтно-импульсной модуляции, независимое изменение длительности импульса, на время действия которого регулятор подключает нагрузку к источнику питания, при котором регуляторы делят на две одинаковые по сумме потребляемых их нагрузками токов группы и подключают к источнику питания сначала нагрузки одной группы в порядке возрастания потребляемых токов, а затем нагрузки другой группы в порядке убывания токов так, что совмещают начало импульса каждого последующего регулятора с моментом окончания импульса предыдущего регулятора [2].
В известном способе возможны случаи, когда сумма длительностей импульсов регуляторов обеих групп не превышает длительности периода модуляции либо превышает ее.
В первом случае суммарная длительность импульсов регуляторов каждой группы не оказывает влияние на величину коэффициента мощности, поскольку импульсы регуляторов не перекрываются на периоде модуляции.
В известном способе регуляторы в группах распределены таким образом, что в первой из них ток изменяется по нарастающему закону, а во второй - по убывающему. Если для наглядности считать, что эти изменения имеют непрерывный линейный характер, то результирующий ток будет иметь форму треугольника. При равенстве сумм длительностей импульсов регуляторов групп треугольник будет равнобедренным.
Когда сумма длительностей импульсов регуляторов каждой группы равна длительности периода модуляции, вследствие перекрытия токов этих групп на периоде модуляции происходит их наложение друг на друга и результирующий ток в идеализированном случае имеет постоянное значение на периоде модуляции, которому, очевидно, соответствует максимальное значение коэффициента мощности. Аналогичная картина будет наблюдаться, если суммы длительностей импульсов регуляторов групп равны и каждая из них превышает длительность периода модуляции.
Независимое изменение длительности импульсов регуляторов в процессе регулирования напряжения ведет к нарушению равенства сумм длительностей импульсов групп, вследствие этого в идеальном случае результирующий ток нагрузок будет изменяться на периоде модуляции, что приведет к уменьшению коэффициента мощности.
Следовательно, недостатком известного способа управления является независимость состава групп регуляторов от длительности их импульсов, что не позволяет увеличить результирующий коэффициент мощности на всем диапазоне изменения длительности импульсов регуляторов.
Техническим результатом заявляемого изобретения является увеличение коэффициента мощности импульсных регуляторов напряжения.
Этот технический результат достигается тем, что в заявляемом способе группового управления импульсными регуляторами напряжения, имеющими индивидуальные нагрузки, подключенные к единому источнику питания, общий период широтно-импульсной модуляции, независимое изменение длительности импульса, на время действия которого регулятор подключает нагрузку к источнику питания, на каждом периоде модуляции регуляторы делят на две одинаковые по сумме длительностей импульсов или по сумме произведений тока нагрузки и длительности импульса регулятора группы и подключают к источнику питания сначала нагрузки одной группы в порядке возрастания потребляемых токов, а затем нагрузки другой группы в порядке убывания токов так, что совмещают начало импульса каждого последующего регулятора с моментом окончания импульса предыдущего регулятора.
Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемый способ группового управления импульсными регуляторами напряжения отличается от известного тем, что на каждом периоде модуляции регуляторы делят на две одинаковые по сумме длительностей импульсов или по сумме произведений тока нагрузки и длительности импульса регулятора группы.
Это отличие позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «Новизна». Признак, отличающий заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлен в других технических решениях при изучении данной и смежной области техники и, следовательно, обеспечивает заявленному техническому решению соответствие критерию «изобретательский уровень».
Предлагаемый способ группового управления импульсными регуляторами напряжения иллюстрируется чертежами. На фиг.1 показаны кривые зависимости среднестатистического коэффициента мощности от числа реализаций в серии для количества импульсных регуляторов в группе n=4 и n=6. На фиг.2 показаны кривые зависимости среднестатистического коэффициента мощности от числа регуляторов в группе. Кривая 1 соответствует известному способу, а кривая 2 - предлагаемому способу при делении регуляторов на две одинаковые по сумме длительностей импульсов группы на каждом периоде модуляции. На фиг.3 приведена структурная схема системы управления, реализующей предлагаемый способ. Система управления содержит группу регуляторов 1, каждый из которых со своей последовательно соединенной нагрузкой 2 подключен к выводам источника питания 3. Группа регуляторов имеет общее устройство управления 4, работа которого синхронизирована напряжением источника питания 3.
Предлагаемый способ группового управления импульсными регуляторами реализуется следующим образом. На каждом периоде модуляции регуляторы 1 определяют длительности импульсов, необходимые для регулирования напряжения на нагрузках, и передают информационные сигналы о них в устройство управления 4. На основании этой информации устройство управления 4 делит регуляторы на две одинаковые по сумме длительностей импульсов или по сумме произведений тока нагрузки и длительности импульса регулятора группы, распределяет регуляторы в одной из групп по возрастанию тока нагрузок, а в другой - по убыванию тока нагрузок, формирует сигналы моментов выдачи импульсов, которые поступают на вход регуляторов 2 так, что совмещает начало импульса каждого последующего регулятора с моментом окончания импульса предыдущего регулятора.
Для обоснования предлагаемого решения разработана математическая (компьютерная) модель, реализующая известный и предлагаемый способы, в которой вычисление результирующего коэффициента мощности производится по формуле [3]
i
i
i
м
i
м
ik
где n - количество регуляторов в группе; I - ток нагрузки i-го регулятора; γ=T/T - относительная длительность импульса i-го регулятора; T - длительность импульса i-го регулятора; T - длительность периода модуляции; γ - относительная длительность интервала совместного действия импульсов i-го и k-го регуляторов.
1
2
3
4
1
2
3
4
В качестве примера, иллюстрирующего преимущество предлагаемого способа, рассмотрим группу из четырех регуляторов, имеющих нагрузки со следующими токами, kA: I=0,25; I=1,0; I=0,5; I=0,75. Допустим, что на некотором периоде модуляции импульсы регуляторов соответственно имеют следующие относительные длительности: γ=0,5; γ=0,2; γ=0,4; γ=0,7.
i
В соответствии с известным способом управления первые два регулятора образуют первую группу, а два последующих - вторую. Суммы токов нагрузок групп равны и составляют ΣI=1,25. Результат распределения регуляторов в группах для известного способа представлен в табл.1, при этом коэффициент мощности равен
Согласно заявляемому способу управления импульсными регуляторами, при котором деление на группы осуществляется по сумме длительности импульсов, первую группу образуют регуляторы, имеющие индексы тока нагрузок и длительности импульсов, равные 2 и 3, вторую группу - регуляторы, имеющие индексы тока нагрузок и длительности импульсов, равные 1 и 4. Для них суммы относительных длительностей импульсов имеют одинаковые значения и составляют 0,9. Распределение регуляторов в группах также представлено в табл.1, коэффициент мощности в этом случае равен
Таблица 1
Группа
Известный способ
Заявляемый способ, деление на группы по сумме длительности импульсов
Заявляемый способ, деление на группы по сумме произведений длительности импульса и проводимости
I, о.е.
γ, о.е.
I, о.е.
γ, о.е.
I, о.е.
γ, о.е.
первая
0,25
0,5
0,75
0,7
0,25
0,5
1,0
0,2
1,0
0,2
0,5
0,4
1,0
0,2
вторая
0,75
0,7
0,5
0,4
0,75
0,7
0,5
0,4
0,25
0,5
i
i
i
i
Для заявляемого способа управления импульсными регуляторами, когда деление на группы осуществляется по сумме произведений тока нагрузки и длительности импульса регулятора первую группу образуют регуляторы, имеющие индексы тока нагрузок и длительности импульсов, 1, 2 и 4, вторую группу - регулятор, имеющий индекс тока нагрузки и длительности импульса, равный 3, так как для первой группы ΣI·γ=0,25·0,5+0,5·0,4+1·0,2=0,525, для второй - ΣI·γ=0,75·0,7=0,525. Распределение регуляторов в первой группе представлено в табл.1, коэффициент мощности группы равен
Очевидно, что предлагаемый способ управления в обоих случаях деления регуляторов на группы обеспечивает более высокое значение коэффициента мощности, чем в известном способе.
Недетерминированный характер влияния возмущающих воздействий на нагрузки определяет случайный характер изменения их токов и длительности импульсов регуляторов. Поэтому в разработанной компьютерной модели эти характеристики представлены как ограниченные случайные величины с заданным законом распределения плотности вероятности на заданном интервале, которым соответствуют различные значения коэффициента мощности группы.
Для доказательства эффективности предлагаемого способа с помощью разработанной компьютерной модели осуществлялись серии реализаций. В каждой из реализаций токи нагрузок и длительности импульсов регуляторов задавались случайными значениями с равномерной плотностью вероятности на заданных интервалах. Для серии вычислялся среднестатистический результирующий коэффициент мощности группы
m
где N - количество реализаций в серии; χ - коэффициент мощности группы в m-ой реализации.
Из фиг.1 видно, что с увеличением количества реализаций в серии среднестатистический коэффициент мощности группы равномерно стремится к некоторому предельному значению. Причем, чем больше импульсных регуляторов в группе, тем быстрее происходит сходимость к предельному значению. Как показывает анализ, при числе реализаций более 1000 расчетное среднестатистическое значение можно принять в качестве предельного значения с погрешностью менее 0,1%.
В табл.2 приведены результаты компьютерного моделирования для различных параметров деления регуляторов на группы, параметров и признаков их распределения в группах при следующих исходных данных:
- минимальное и максимальное значения тока нагрузок соответственно 0,5 кА и 1,0 кА;
м
м
- минимальная длительность импульса 0,2 T, максимальная 0,87 T,;
- количество реализаций в серии 10000.
Анализ данных показывает, что наиболее эффективными параметрами деления регуляторов на две группы являются сумма длительностей импульсов и сумма произведений тока нагрузки и длительности импульса (в табл.2 результаты для них, наряду с результатами для известного способа, выделены цветом заливки). Во всех выделенных случаях распределение регуляторов в первой группе осуществляется по возрастанию тока нагрузок, а во второй - по убыванию тока нагрузок. Для n≥6, при прочих равных условиях, все три способа дают статистически примерно одинаковые значения результирующего коэффициента мощности.
Таблица 2
Параметр деления на группы, параметр и признаки распределения в группах
Количество регуляторов в группе, n
3
4
6
I; 1-I, возрастание; 2-I, убывание
0,9567
0,9773
0,9927
I; 1-I, убывание; 2-I, возрастание
0,9379
0,9640
0,9834
I; 1-γ, возрастание; 2-γ, убывание
0,9464
0,9710
0,9862
I; 1-γ, убывание; 2-γ, возрастание
0,9465
0,9722
0,9864
I; 1-I·γ, возрастание; 2-I·γ, убывание
0,9488
0,9714
0,9882
I; 1-I·γ, убывание; 2-I·γ, возрастание
0,9484
0,9688
0,9846
γ; 1-I, возрастание; 2-I, убывание
0,9628
0,9817
0,9927
γ; 1-I, убывание; 2-I, возрастание
0,9442
0,9666
0,9844
γ; 1-γ, возрастание; 2-γ, убывание
0,9528
0,9721
0,9867
γ; 1-γ, убывание; 2-γ, возрастание
0,9538
0,9733
0,9871
γ; 1-I·γ, возрастание; 2-I·γ, убывание
0,9577
0,9757
0,9879
γ; 1-I·γ, убывание; 2-I·γ, возрастание
0,9490
0,9703
0,9856
I·γ; 1-I, возрастание; 2-I, убывание
0,9601
0,9814
0,9920
I·γ; 1-γ, убывание; 2-γ, возрастание
0,9403
0,9649
0,9846
I·γ; 1-γ, возрастание; 2-γ, убывание
0,9480
0,9715
0,9873
I·γ; 1-γ, убывание, 2-γ, возрастание
0,9536
0,9716
0,9866
I·γ; 1-I·γ, возрастание; 2-I·γ, убывание
0,9522
0,9749
0,9887
I·γ; 1-I·γ, убывание; 2-I·γ, возрастание
0,9478
0,9691
0,9857
Из фиг.2, видно, что применение предлагаемого способа группового управления позволяет увеличить среднестатистическое значение коэффициента мощности по сравнению с известным способом. Например, для группы из трех регуляторов это увеличение составляет 0,8%.
При неизменной активной мощности, потребляемой нагрузками группы, увеличение коэффициента мощности регуляторов позволяет: снизить допустимую полную мощность источника питания группы нагрузок; уменьшить электрические потери на общих токоподводящих участках группы нагрузок. В целом это приводит к увеличению эффективности энергопотребления группы нагрузок.
Источники информации
1. Колкер М.И., Полищук Я.А., Обухов С.Г., Яров В.М. Электропечи сопротивления с широтно-импульсным управлением с применением тиристоров. - М.: Энергия, 1977.
2. Яров В.М. Источники питания электрических печей сопротивления: Учебное пособие. - Чебоксары: Изд-во Чуваш., ун-та, 1982.
3. Ильгачев А.Н. Оптимальное широтно-импульсное управление электрическим режимом группы электротехнологических установок // Труды академии электротехнических наук Чувашской республики, № 1-2, с.104-109, 1999 г.