РЕГУЛИРУЕМЫЙ ОМИЧЕСКИЙ НАГРЕВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
REGULATED ALTERNATIVE CURRENT RESISTIVE HEATER

1. Предлагаемое устройство предназначено для регулирования нагрева. Оно включается между сетью переменного напряжения (alternate current, ас) и омическим нагревателем и обеспечивает плавное регулирование мощности, выделяющейся в нем.
Известны устройства, применяемые для плавного регулирования омических нагревателей, питаемых электрической сетью переменного тока. В них используются пары встречно-параллельно соединенных тиристоров, вводимых в рассечку между сетью и омическим нагревателем. Изменение мощности осуществляется в них плавным сдвигом моментов включения тиристоров [1], стр.135-138. Такие устройства производятся многими предприятиями (серия устройств РНТТ на токи от 100 до 1000 А, [2]).
Омические нагреватели с ними имеют целый ряд достоинств, как то:
- плавное регулирование мощности на сетевой частоте, не сопровождаемое низкочастотными пульсациями (фликкером);
- большой срок службы, обусловленный отсутствием переключаемых механических контактов;
- малые потери мощности и компактность;
- невысокая стоимость.
Однако, наряду с этими достоинствами, тиристорно-регулируемые нагреватели имеют существенный дефект: плохую электромагнитную совместимость; сильные порождаемые ими искажения питающей электрической сети. Для фильтрации этих искажений и обеспечения нормальной работы электрической сети и подключенных к ней потребителей требуются дополнительные затраты, которые многократно превышают первоначальные затраты на сам тиристорный регулятор. Дополнительные системные затраты на фильтрацию при этом аннулируют по существу достоинства тиристорного регулятора.
Задача, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, заключается в том, чтобы сохранить достоинства тиристорно-регулируемых нагревателей и одновременно снять проблему электромагнитной совместимости. При использовании предложенного устройства сетевое напряжение остается высококачественным даже при соразмерных мощностях сетевого трансформатора и нагревателя (технический результат). Присоединенные потребители сети функционируют без помех. Дополнительная фильтрация сети не требуется.
2. Желаемый эффект - устранение сильных искажений сетевого напряжения - достигается тем, что вместо двухполюсников из встречно включенных полууправляемых тиристоров в предложенном устройстве в рассечку между сетью переменного тока и омическим нагревателем вводятся двухполюсники, составленные из конденсаторов переменного напряжения и шунтирующих их полностью управляемых полупроводниковых вентилей (например, insulated gate bipolar transistor - IGBT, или insulated gate commutated thyristor - IGCT). Эти вентили замыкаются в моменты перехода переменного напряжения конденсатора через нуль, не рассеивая при этом энергии и сохраняя кривую напряжения непрерывной. Выключение шунтирующих вентилей осуществляется с фазовой задержкой ранее перехода переменного тока через нуль. Выключение это возможно в силу управляемости IGBT или IGCT. Кривая напряжения при выключении также непрерывна. Регулирование мощности осуществляется изменением фазы выключения шунтирующих вентилей.
3. Ниже представлены следующие чертежи, характеризующие сущность предлагаемого технического решения - регулируемого омического нагревателя переменного тока.
На фиг.1 представлена схема регулируемого омического нагревателя переменного тока с последовательным соединением шунтирующих транзисторных ветвей.
На фиг.2 представлена схема регулируемого омического нагревателя переменного тока с параллельным соединением шунтирующих транзисторных ветвей.
На фиг.3 представлена схема замещения регулируемого омического нагревателя переменного тока.
На фиг.4. представлены результаты математического моделирования работы регулируемого омического нагревателя в режиме с наибольшими искажениями сетевого напряжения.
На фиг.5 приведены построенные по точкам характеристики регулируемого омического нагревателя в функции параметра регулирования alpha.
4. Устройство предлагаемого технического решения представлено на фиг.1-2.
Регулируемый омический нагреватель переменного тока состоит из двухполюсника 1 (регулирующего элемента), подключенного последовательно между фазой питающей сети 2 и омическим нагревателем 3. Двухполюсник 1 образован подключенными параллельно конденсатором (конденсаторной батареей) 4 переменного напряжения и встречно-параллельными вентильными цепями, выполненными из полностью управляемых вентилей.
На фиг.1 шунтирующие конденсатор 4 встречно-параллельные вентильные цепи образованы встречно-последовательным соединением двух транзисторов (например, IGBT) 5 и 6, зашунтированных обратными диодами 7 и 8. Эмиттеры транзисторов 5 и 6 объединены, а коллекторы присоединены к конденсатору 4. Управление мощностью нагревателя 3 осуществляется при помощи системы управления 9, в которую поступают сигналы управления и сигналы от датчиков (напряжения, тока), обобщенно обозначенные 10. К питающей сети могут быть подключены другие потребители 11 при помощи коммутационных аппаратов 12.
На фиг.2 одна из двух шунтирующих конденсатор 4 встречно-параллельных вентильных цепей образована транзистором 13 с отсекающим диодом 14, другая - транзистором 15 с отсекающим диодом 16.
Вместо транзисторов в предлагаемом устройстве могут быть применены любые другие полностью управляемые вентили (т.е. вентили, способные и замыкаться, и размыкаться по сигналу управления), например IGCT (insulated gate commutated thyristor). При применении IGCT, обладающих обратной блокирующей способностью в схеме, представленной на фиг.2, отсекающие диоды 14 и 16 становятся ненужными. Разумеется также, что при необходимости обеспечения работы при высоких напряжениях в предлагаемом устройстве могут использоваться последовательно соединенные IGBT или IGCT.
5. Ниже представлены пояснения работы предлагаемого устройства.
Конфигурация из конденсатора и шунтирующих его управляемых вентилей описана и проанализирована в [3], стр.216-234. Такой двухполюсник действует по основным гармоникам тока и напряжения как регулируемая емкость, которая изменяема от установленной емкости С конденсатора 4 (вентили не замыкаются) в сторону увеличения вплоть до бесконечно большой величины (вентили постоянно замкнуты). При промежуточных длительностях интервалов замыкания вентилей осуществляются промежуточные значения эквивалентной емкости.
Двухполюсники «конденсатор-шунтирующие транзисторы» дуальны к двухполюсникам «реактор-сериесные тиристоры», т.е. все свойства одного из них получаются из свойств другого заменой в следующей совокупности парных категорий:
напряжение↔ток,
сопротивление↔проводимость,
индуктивность↔емкость,
источник э.д.с.↔источник тока,
шунтовая схема↔сериесная схема.
Регулируемые тиристорами реакторы являются элементами шунтирующего типа, и они давно и широко применяются в электрических сетях для регулирования реактивной мощности. Дуальные двухполюсники - регулируемые транзисторами конденсаторы - являются элементами сериесного типа. Их применение в электрических сетях ограничено, поскольку сети (на уровне распределительных и потребительских сетей) являются по преимуществу источниками напряжения.
В предлагаемом устройстве затруднения применения регулируемых с помощью переключений транзисторов емкостей снимаются синэнергетическим эффектом взаимодействия элементов:
2
- конденсатор 4 устройства обеспечивает непрерывность напряжения омического сопротивления нагревателя 3 и непрерывность напряжения сетевых вводов и тем самым обеспечивает пониженный уровень высших гармоник. Для электромагнитной совместимости особенно важна достигаемая за счет непрерывности высокая скорость убывания высших гармоник с увеличением их порядка n. Как известно, в асимптотике эта скорость убывания для непрерывных переменных является квадратичной ~1/n;
- омическое сопротивление нагревателя 3 демпфирует колебательный контур, образуемый реактансом короткого замыкания сети 2 и конденсатором 4 устройства и тем самым предотвращает возникновение переходных колебаний при переключениях транзисторов.
Осуществление сильного параметрического демпфирования переходных колебаний легко подтверждается при рассмотрении простой схемы замещения фиг.3. На схеме обозначено:
17 - коммутируемая ветвь двухполюсника 1,
18 - сигнал задания мощности Pz нагревателя 3,
19 и 20 - датчики напряжения сети 2 и конденсатора 4 соответственно.
На схеме (фиг.3) указаны типичные относительные значения параметров элементов. Нормирование выполнено по номинальной мощности нагревателя 3, поэтому его омическое сопротивление R≈1. Емкость конденсатора 4 (конденсаторной батареи) определяется по задаваемой нижней границе зоны регулирования мощности Pz нагревателя 3; например, если задано Pz min≈18%, то установленная проводимость конденсатора 4:
yО≈45%.
Трансформаторы классов напряжений 10/0.4, 10/0.69, 6/0.4, 6/0.69 имеют типичный реактанс короткого замыкания 4.5%. Таким образом, в худшем случае, когда мощность трансформатора равна мощности нагревателя (прочие нагрузки ничтожны), параметр xs достигает значения
xs≈4.5%.
Таким образом волновое сопротивление равно
1/2
ρ=(xs/yO)≈0.316.
Это намного меньше омического сопротивления R, так что ожидаемые переходные процессы будут апериодичны.
6. Работа регулируемого омического нагревателя иллюстрируется осциллограммами, полученными на математической модели (фиг.4). Графики даны в относительных единицах. При нормировке за единицу взяты:
- круговая частота - ω=1,
- амплитуда фазного напряжения сети - Vsm=1,
- номинальная амплитуда фазного тока - Ism=1.
На фиг.4 (верхний рисунок) на графиках даны:
isa - потребляемый фазный ток,
vea - напряжение конденсатора,
vsa - фазная э.д.с. сети,
ven - напряжение смещения нейтрали,
vab - линейное напряжение сетевых шин,
isal - первая гармоника потребляемого тока.
В оглавлении фиг.4 приведены параметры схемы замещения (фиг.3) и параметры режима. Графики сняты при угле управления
alpha=20.0°,
при котором искажения сетевого напряжения достигают максимума
iskv≈1.859%.
Этот максимум совсем невелик; вносимые регулируемым омическим нагревателем искажения намного меньше предельных значений, допустимых по стандарту на качество напряжения сетей ГОСТ Р 54149.
Для справки в оглавлении даны также эффективное значение искажающей части потребляемого тока
efiski≈5.294%
и амплитуды наиболее интенсивных гармоник тока с номерами 5, 7
hisa 5≈6.879%,
hisa 7≈2.423%.
Искажения тока стандартом не регламентируются; достаточно того, что токи эти не искажают недопустимым образом сетевое напряжение.
На фиг.4 (средний и нижний рисунки) даны спектры сетевого напряжения spvab(f) и потребляемого тока spisa(f). Спектры даны в двух масштабах, чтобы были различимы как уровни низших из высших гармоник, так и уровни более высокочастотных гармоник, вплоть до 39-й. Спектры даны в процентах. Ожидаемым образом наибольшую величину имеет 5-я гармоника
spvab(5)≈1.423%.
Далее гармоники достаточно быстро убывают; для 29-й гармоники
spbab(29)≈0.142%,
На фиг.5 приведены построенные по точкам характеристики регулируемого омического нагревателя. Характеристики даны в функции параметра управления alpha, изменяемого в диапазоне
0≤alpha≤90°.
При нулевом значении alpha транзисторы не замыкаются вовсе. Проводит только конденсатор. При этом достигается минимальная мощность. При принятой в примере проводимости конденсатора минимальная мощность
min P=P(0)≅17.4%.
С увеличением alpha мощность монотонно нарастает, достигая номинальной величины при alpha =90°:
Р(90°)=100%.
Кроме P(alpha) на фиг.5 даны еще два графика
efis(alpha) - потребляемый сетевой ток, эффективное значение, %
Vemx(alpha) - амплитуда напряжения конденсатора, %.
Потребляемый ток efis во всем диапазоне работы не превышает номинального.
CES
CES
Дополнительное полезное свойство регулируемого омического нагревателя демонстрирует график амплитуды напряжения конденсатора Vemx (alpha). Во всем диапазоне работы эта амплитуда не превышает единицы в относительных единицах, т.е. не превышает амплитуды фазного напряжения. Таким образом класс напряжения транзисторов предлагаемой схемы определяется фазным сетевым напряжением в отличие от прототипа, в котором при определенных углах управления к тиристорам прикладывается не фазное, но линейное напряжение. При сетевом напряжении ~690 V в предлагаемом устройстве могут быть применены транзисторы, рассчитанные на сетевое напряжение ~400 V (т.е. транзисторы с V=1200 V вместо транзисторов с V=1700 V). Первые имеют значительно меньшие потери мощности по сравнению с более высоковольтными вторыми. Аналогично при сетевом напряжении ~400 V применяются транзисторы, рассчитанные на сетевое напряжение ~230 V, с достижением того же выигрыша по мощности потерь.
На фиг.5 (средний рисунок) дан график зависимости искажений сетевого напряжения iskv от угла управления alpha. Во всем рабочем диапазоне искажения сетевого напряжения малы; максимум при alpha=20° равен всего лишь 1.859%.
На фиг.5 (нижний рисунок) для справки даны графики токов гармоник с номерами 5,7 (hisa 5 и hisa 7, %), а также суммарного тока гармоник efiski (%). Как видно из графиков, суммарная величина efiski близка к сумме (в квадратурах) токов гармоник 5, 7. Вклад высокочастотных высших гармоник незначителен.
N
N
Приведенные выше графики построены для конкретного сочетания параметров xs, yО, однако они достаточно полно характеризуют предложенное устройство. Параметр xs (реактанс короткого замыкания) для средневольтных трансформаторов варьируется очень мало. Здесь следует ожидать в конкретных применениях скорее облегченных условий, когда мощность сетевого трансформатора S выше мощности нагревателя Р (присутствуют другие потребители). В этом случае в расчеты войдет лишь доля реактанса рассеяния трансформатора P/S·xs, и вносимые искажения будут меньше, чем в базовом примере. Некоторое утяжеление условий может возникнуть при ужесточении условий по нижней границе зоны регулирования, т.е. уменьшении заданной минимальной мощности. В этом случае придется уменьшить проводимость шунтирующей емкости, и в результате этого искажения сетевого напряжения вырастут. Однако это возрастание начинается с очень низкого уровня, и искажения остаются небольшими и вполне приемлемыми. Например, при снижении задания минимальной мощности до Pmin=8.5% конденсаторную батарею нужно сократить до ус≈0.3. Максимум искажения напряжения при этом возрастает до iskv≈2.62%, что значительно ниже стандартного допуска.
Предложенное устройство является недорогим эффективным средством регулирования омических нагревателей, снимающим проблему искажений сетевого напряжения для всего класса таких устройств.
7. Таким образом, при вышеуказанном исполнении заявляемого устройства решаются поставленные задачи:
- сохраняются вышеперечисленные достоинства тиристорно-регулируемых нагревателей;
- одновременно с этим снимается проблема электромагнитной совместимости.
8. Исходя из вышеизложенного, задача достижения заявленного технического результата, заключающегося в том, что:
- при работе предложенного устройства сетевое напряжение остается высококачественным даже при соразмерных мощностях сетевого трансформатора и нагревателя;
- присоединенные потребители сети функционируют без помех, т.е. дополнительная фильтрация сети не требуется;
эффективно решена.
Источники информации
1. Сукер К. Силовая электроника. Руководство разработчика. Москва, изд. Додэка XXI, 2007.
2. Компания «Электропроект». Регуляторы напряжения РНТТ. www.eep.rn.
3. Hingorani N.G., Gyugi L. Understanding FACTS. Concepts and Technology of flexible AC transmission Systems. IEEE Press, NY, USA. IEEE Order No PC5713.