Релейно-импульсный регулятор напряжения генераторов постоянного тока

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО

ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА

1965

Том 139

РЕЛЕЙНО-ИМПУЛЬСНЫЙ РЕГУЛЯТОР НАПРЯЖЕНИЯ ГЕНЕРАТОРОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА

А. И. ЗАЙЦЕВ, С. А. КИТАЕВА

Надежность работы современной радиотехнической и электроннойг аппаратуры, электрические показатели, устройств во многом определяются постоянством питающих напряжений. Поэтому важное место в автоматизации производственных процессов отводится созданию регуляторов напряжения генераторов постоянного и переменного тока.

Важнейшими показателями регуляторов, напряжения являются точность поддержания напряжения, быстродействие, диапазон регулирования, надежность в работе. Улучшение этих показателей — актуальная задача электротехники.

За последнее время опубликовано ряд работ по созданию различных вариантов регуляторов напряжения с применением полупроводниковых приборов, работающих в импульсном режиме [1—5].

Однако вопросы теоретического исследования систем возбуждения1 генераторов при помощи импульсных полупроводниковых элементов-освещены еще недостаточно полно. Системы возбуждения, содержащие полупроводниковые элементы, имеют свои особенности и требуют теоретического исследования.

В данной статье предлагается вариант регулятора напряжения генератора постоянного тока на полупроводниковых элементах, использующих принцип импульсного регулирования током возбуждения. Схема регулятора представлена на рис. 1.

Измерительный орган регулятора выполнен на основе блокинг-генератора и измерительного моста. Блокинг-генератор имеет два входа и содержит обмотки положительной и отрицательной обратной связи. На один из входов через диод Д7 подается стабилизированный сигнал с кремниевого стабилитрона, на второй вход—через диод Д8—поступает сигнал, пропорциональный напряжению на якоре генератора. Блокинг-генератор не генерирует, если входные сигналы на диодах Д7 и Д8 равны по величине. Для усиления сигналов измерительного устройства применены предварительные каскады усиления на триодах ПТ4 и ПТ3. Каскад усиления на триоде ПТ4 выполнен с трансформаторным входом. Оконечный каскад усиления содержит силовой триод ПТ1 и трансформатор обратной связи ТОС1. Нагрузкой триода ПТ1 служит обмотка возбуждения генератора. Питание обмотки возбуждения осуществляется через триод ПТЬ обмотку Юр трансформатора обратной связи. Непре-

рывность тока нагрузки обеспечивается вентилем Д2 и обмоткой возврата Х0В трансформатора ТОС1. Триод ПТ1 управляется триодом ПТ> и обмоткой обратной связи ш0с . Все триоды в схеме работают в ключевом режиме.

Рис. 1.

Работа регулятора происходит следующим образом. После подачи напряжения питания на оконечный каскад усилителя и измерительный орган на вход измерительного блокинг-генератора через диод Дв подается сигнал, вызывающий генерацию последнего. Высокочастотные импульсы блокинг-генератора трасформируются через трансформатор Тр в цепь базы предварительного усилителя ПТ1 и усиленные усилителем ПТ5 поступают на вход управляющего триода ПТ2 оконечного усилителя. Триод ПТ2 открывается, что соответствует открытому состоянию силового триода ПТь По обмотке возбуждения протекает ток, оконечный каскад усилителя работает с большим коэффициентом заполнения, генератор возбуждается. Как только напряжение генератора достигает напряжения уставки (уставка изменяется с помощью сопротивления Рлз), открывается диод Д8 и блокинг-генератор срывает генерацию. В результате триод ПТ2 закрывается, уменьшается коэффициент заполнения триода ПТь уменьшается ток возбуждения генератора и снижается напряжение на якоре генератора. Снижение напряжения на якоре генератора приводит к уменьшению сигнала на диоде Дз измерительного устройства, появляется сигнал рассогласования, запирается диод Д* и открывается Д7, блокинг-генератор начинает генерировать. При этом управляющий триод открывается, что приводит к увеличению коэффициента заполнения триода ПТь В результате увеличивается ток возбуждения генератора, и напряжение генератора восстанавливается до заданной величины.

В описанном варианте регулятора напряжения применена система импульсного регулирования тока возбуждения, когда обмотка возбуждения питается от источника с постоянным напряжением через периодически открывающийся и закрывающийся полупроводниковый ключ. Упрощенная схема питания обмотки возбуждения представлена на рис. 2.

При рассмотрении процессов, связанных с установлением тока возбуждения, приняты допущения:

1) диод, шунтирующий обмотку возбуждения, идеальный;

2) потери в стали, обусловленные пульсирующим током, малы ввиду незначительных пульсаций;

3) реакции якоря отсутствуют;

4) индуктивность обмотки возбуждения постоянна при изменении тока возбуждения;

5) активным сопротивлением и индуктивностью обмоток хюр и гяь трансформатора ТОС1 пренебрегаем ввиду их малости;

6) величиной сопротивления смещения пренебрегаем, так как

На обмотку возбуждения поступают прямоугольные импульсы напряжения с амплитудой их периодом повторения Т\ и Т2 и скважностью 7! и "у2• Различная скважность импульсов обусловлена импульсным режимом работы управляющего триода ПТ2, на который подаются прямоугольные импульсы с периодом повторения Т и скважностью 7. В период, когда триод ПТ2 открыт, оконечный каскад генерирует импульсы со скважностью 71 и периодом Ть когда ПТ2 закрыт— импульсы скважности 72 и периода Т2. Скважность импульсов 7! и 72г период повторения и Т2 определяются параметрами оконечного каскада усилителя [5].

Период повторения Т и их скважность 7 определяются параметрами переключения измерительного органа и зависят от свойств самой системы.

Диаграмма напряжения на обмотке возбуждения генератора представлена на рис. 3.

Рассмотрим процессы установления тока в обмотке возбуждения генератора. Ввиду того, что на обмотку возбуждения поступают импульсы напряжения различной длительности с разным периодом повторения, процесс установления тока рассматривается для 2-х интервалов времени— для интервала времени, когда на обмотке возбуждения поступают импульса с 7! и Т^ и когда на обмотке возбуждения импульсы со скважностью 72 и периодом повторения Т2.

Процессы установления тока возбуждения в интервалах времени яТ < I < Т (п + т) и Т(я + -[)</<Т(я 4- 1), где п — целое число, подробно описаны в [6].

На основании выражений, приведенных в [6], можно определить максимальное и минимальное значение тока, коэффициент пульсации тока, полный размах пульсаций тока.

Максимальное значение тока /тах при работе регулятора определяется как

гс« Я.

и

птг

Рис. 2.

(1 — е~Щ и

тах /-. а \ г>

(I —

где

Т„ — постоянная времени обмотки возбуждения. Полный размах пульсаций тока возбуждения

М =

Ц_ [ ц-е-М.

Я "1 ЩХ-е^)

В этом уравнении

и

Я

е-м-ъ).

II Т„

К2 — число интервалов импульсов со скважностью О— напряжение питания оконечного усилителя. Минимальное значение тока в обмотке возбуждения

¿гшп ¿'шах

_ и_ (1-е-Щ (1-е Ц -- [1 — е--.^-т*)] |1 - ] *'«>] (\-e~b) ~ (1

Коэффициент пульсаций определяется как отношение максимального установившегося тока к минимальному значению

У. --

При незначительном размахе пульсаций тока А1 процесс установления тока в обмотке возбуждения достаточно полно характеризуется непрерывной кривой — гладкой составляющей, проведенной через точки, соответствующие среднему значению тока на каждом интервале времени Т.

Среднее установившееся значение тока

/ср = /"мТ-1-'Т2

где у! и ~/2— скважность импульсов, вырабатываемых оконечным каскадом усилителя;

7 — скважность импульсов, поступающих на управляющий триод оконечного каскада усилителя.

Таким образом, среднее установившееся значение тока прямо пропорционально скважности импульсов оконечного каскада усилителя я продолжительности импульсов, поступающих на оконечный каскад.

¿8 к

Тг

» 4

, 1 1гпах  1>т1п

п

¿¿об

* 1*400%

г\

Рис. 3. Осциллограммы тока возбуждения и напряжения на обмотке возбуждения при 1н = 100%.

Экспериментальному исследованию подвергся регулятор напряжения для генератора постоянного тока преобразователя типа ППН-27.

Основные параметры схемы указаны на схеме, приведенной на рис. 1. Все экспериментальные исследования регулятора проводились в установившемся тепловом режиме. При исследованиях определялась точность регулирования цри изменении нагрузки от 0 до 100%, величина коэффициента пульсаций тока возбуждения, быстродействие регулятора.

Характер изменения тока возбуждения, напряжения на обмотке возбуждения иллюстрируется приведенными осциллограммами на рис. 3.

По уравнениям (1, 3, 4, 5) определены коэффициенты пульсации тока возбуждения, величина среднего установившегося тока при раз^ личной величине нагрузки. Результаты расчетных и экспериментальных данных приведены в табл. 1.

Таблица 1

Режим работы регулят. 71 К, У. ^ср (а) Расхожд. эксп. и расч.

пп /2 1 расч. экс п. расч. эксп. %

7* /ср

1 Холостой 0,04 0,015 0,5 0,1 0,65 2 1,13 М7 4,0 3,8 2,35 5,55

ход

2 Нагрузка 100% 0,035 0,02 0,6 0,1 0,7 3 1,22 1,21 4,5 4,6 0,82 3,85

Выводы

1. Разработанная схема регулятора напряжения позволяет получить точность поддержания напряжения при изменении нагрузки от 0 до 100%+ 1%;

2. Наибольшее время переходного процесса при сбросе и набросе нагрузки не более 0,1 сек.

3. Предложенная схема регулятора может быть использована как ..для генераторов постоянного тока, так и для генераторов переменного тока.

4. Сопоставление экспериментальных данных с расчетными по выведенным уравнениям дает малое расхождение.

ЛИТЕРАТУРА

1. В. С. Кулебакин, В. Д. Нагорский, Ю. Е. Воскресенский. Полупроводники в автоматике. Изд. АН СССР, 1963.

2. Применение управляемых полупроводниковых вентилей в промышленности. Материалы семинара, сб. 1, М., Изд. «Энергия». 1964.

3. Г. М. Веденеев. Полупроводниковые регуляторы и стабилизаторы в импульсном режиме, Электричество, 9, 1964.

4. А. А. 3 д р о к, М. Н. Фесенко. О применении кристаллических триодов в схемах регулирования напряжения, ВЭП, № 9, 1959.

5. Р. А. Л и п м а н, М. В. О л ь ш в а н г. Магнитно-полупроводниковый усилитель. Автоматика и телемеханика, т. XXI, № 7, 1960.

6. А. П. Зайцев. Разработка и исследование некоторых импульсных устройств .для управления эл. машинами. Диссертация, ТПИ, 1964.