УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ

Полезная модель относится к устройствам управления технологическими установками, электропитание которых осуществляется переменным однофазным напряжением, при этом на нагрузку подается низковольтное напряжение (десятки вольт), а рабочие токи нагрузки составляют единицы или десятки килоампер. К таковым устройствам относятся, например, установки теплофизических и механических испытаний высокотемпературных композитных материалов, электропечи электрошлакового переплава, электропечи насыщения углерод-углеродных композитных материалов и. т.д.
Системы регулирования электропитания данных технологических установок обязательно включают силовой трансформатор, датчик выходного тока, нагрузку, переключатель ступеней напряжения, блок управления и регулятор (см. патент РФ 2052509 C1, опубл. 20.01.1996., патент РФ 2233341 C1, опубл. 27.07. 2004.).
Недостатком указанных устройств является отсутствие тиристорного переключателя, что исключает возможность плавного регулирования напряжения на нагрузке. Это сказывается на надежности и производительности технологической установки. Кроме того, затрудняется техническая реализация заданных режимов работы технологических установок.
Известно устройство управления режимом работы технологической установки, представленное в патенте РФ 2337979 C1, опубл. 10.11.2008., которое в части построения системы электропитания и техническому результату является наиболее близким к заявляемой полезной модели.
Данное устройство содержит такие общие с заявляемой конструкцией существенные признаки, как силовой трансформатор, нагрузку, датчик выходного тока, тиристорный переключатель, блок импульсного управления тиристорным переключателем, блок анализа контролируемого параметра, блок управления и инвертор напряжения.
Выводы вторичной обмотки силового трансформатора соединены непосредственно с первым входом нагрузки и через датчик выходного тока с ее вторым входом. Тиристорный переключатель установлен на первичной обмотке трансформатора и связан с блоком импульсного управления. При этом на первый вход блока импульсного управления подано напряжение сети, а второй вход соединен с первым выходом блока анализа контролируемого параметра.
блока импульсного управления подано напряжение сети, а второй вход соединен с первым выходом блока анализа контролируемого параметра.
Первый вход блока анализа контролируемого параметра подключен к датчику выходного тока, который дополнительно связан с первым входом блока управления. Второй и третий входы блока управления подключены к выводам вторичной обмотки трансформатора и нагрузке, а четвертым входом и первым выходом блок управления подключен ко второму выходу и третьему входу блока импульсного управления тиристорным переключателем соответственно.
Блок управления осуществляет такие функции управления тиристорным переключателем, как разрешение или запрет подачи импульсов управления на блок импульсного управления тиристорным переключателем, фазовое регулирование импульсов управления тиристорами переключателя и формирование последних.
В состав блока анализа контролируемого параметра известного устройства входят следующие общие с заявляемой полезной моделью признаки, а именно: первый двухполупериодный выпрямитель и пороговый элемент. Устройство электропитания технологической установки может дополнительно включать амплитудный детектор.
Известное устройство предназначено для электрошлакового переплава, и режим работы нагрузки состоит из двух частей, поэтому в его состав входит второй блок анализа контролируемого параметра.
Недостатком данного устройства можно считать следующее. Указанная технологическая установка предназначена для работы в очень длительных циклах, которые могут превышать несколько десятков суток. При таком режиме работы возможно появление в сети питания технологической установки следов от сопутствующего оборудования, которые могут вызвать появление постоянной составляющей в питающем напряжении. К появлению постоянной составляющей также могут приводить искажения в синхронизирующем напряжении, отказы в тиристорном переключателе, в блоке управления тиристорным переключателем, что приводит к выходу из строя силового трансформатора.
Технической задачей, которая решается предлагаемой полезной моделью, является создание комплексной системы контроля устройства, в которой в процессе сравнения выходного и входного токов силового трансформатора обеспечивается своевременное отключение тиристорного переключателя.
Для осуществления поставленной задачи усовершенствуется известное устройство электропитания технологической установки, содержащее силовой трансформатор, выводы вторичной обмотки которого соединены непосредственно с первым входом нагрузки, а через датчик выходного тока с ее вторым входом.
В известное устройство также входит тиристорный переключатель с блоком импульсного управления на первичной обмотке трансформатора. При этом на первый вход блока импульсного управления подано напряжение сети, а второй вход связан с первым выходом блока анализа контролируемого параметра, первый вход которого подключен к датчику выходного тока. Датчик выходного тока дополнительно соединен с первым входом блока управления, второй и третий входы которого подключены к выводам вторичной обмотки трансформатора и нагрузке. Четвертым входом и первым выходом блок управления подключен ко второму выходу и третьему входу блока импульсного управления тиристорным переключателем соответственно. При этом блок управления выполнен с возможностью осуществления разрешения или запрета подачи импульсов управления на блок импульсного управления тиристорным переключателем, фазового регулирования импульсов управления тиристорами переключателя и формирования последних.
Блок анализа контролируемого параметра известного устройства включает двухполупериодный выпрямитель и пороговый элемент, В устройстве электропитания имеются также инвертор напряжения, и может присутствовать амплитудный детектор.
Отличие заявляемой полезной модели состоит в том, что устройство электропитания технологической установки дополнительно содержит датчик входного тока, подключенный к тиристорному переключателю и первичной обмотке трансформатора. А блок анализа контролируемого параметра содержит также логический элемент ИЛИ, элемент памяти, интегратор, суммирующий усилитель и масштабирующий усилитель.
При этом выход логического элемента ИЛИ является первым выходом блока анализа контролируемого параметра. Первый вход суммирующего усилителя подключен к масштабирующему усилителю, вход которого связан со вторым выходом датчика входного тока и образует второй вход блока анализа. Второй вход суммирующего усилителя подключен к установленному в блоке анализа инвертору напряжения, вход которого связан с датчиком выходного тока, и является первым входом блока анализа.
Выход суммирующего усилителя подключен к первому двухполупериодному выпрямителю, выход которого связан с интегратором, который через пороговый элемент соединен с элементом памяти. В свою очередь элемент памяти связан с первым входом логического элемента ИЛИ, второй вход которого подключен ко второму выходу блока управления и образует третий вход блока анализа контролируемого параметра.
Для обеспечения стабильной работы устройства при глубоком регулировании входного напряжения на силовом трансформаторе путем импульсно-фазового управления тиристорами устройство может содержать также связанные между собой последовательно датчик входного напряжения и второй двухполупериодный выпрямитель, который через амплитудный детектор подключен к четвертому входу блока анализа контролируемого параметра, соединенному со вторым входом интегратора. Входы датчика входного напряжения подключены параллельно первичной обмотки трансформатора.
Таким образом, благодаря новым элементам и связям, в устройстве организована комплексная система защиты электропитания, которая обеспечивает ее срабатывание только на явления, от которых защищают устройство.
На чертеже приведена структурная схема предлагаемого устройства.
Данное устройство содержит силовой трансформатор 1, нагрузку 2, тиристорный переключатель 3, датчик выходного тока 4, блок 5 импульсного управления тиристорным переключателем, блок 6 анализа контролируемого параметра и блок управления 7. Выводы вторичной обмотки силового трансформатора 1 соединены непосредственно с первым входом нагрузки 2 и через датчик 4 выходного тока с ее вторым входом.
Тиристорный переключатель 3 установлен на первичной обмотке трансформатора 1 и связан с блоком 5 импульсного управления. При этом на первый вход блока импульсного управления 5 подано напряжение сети, а второй вход соединен с первым выходом блока 6 анализа контролируемого параметра, первый вход которого подключен к датчику выходного тока 4, который дополнительно связан с первым входом блока управления 7. Второй и третий входы блока управления 7 подключены к выводам вторичной обмотки трансформатора 1 и нагрузке 2, а четвертым входом блок управления 7 подключен ко второму выходу блока 5 импульсного управления тиристорным переключателем.
Блок управления 7 выполняет такие функции по регулированию тиристорного переключателя 3, как разрешение или запрет подачи импульсов управления на блок импульсного управления 5 тиристорным переключателем, фазовое регулирование импульсов управления тиристорами переключателя 3 и формирование последних.
Устройство дополнительно содержит датчик входного тока 8, подключенный к тиристорному переключателю 3 и первичной обмотке трансформатора 1. Блок анализа контролируемого параметра 6 включает масштабирующий усилитель 9, суммирующий усилитель 10, инвертор напряжения 11, первый двухполупериодный выпрямитель 12, интегратор 13, пороговый элемент 14, элемент памяти 15 и логический элемент ИЛИ 16.
При этом выход логического элемента ИЛИ 16 является первым выходом блока 6 анализа контролируемого параметра. Первый вход суммирующего усилителя 10 подключен к масштабирующему усилителю 9, который обеспечивает равенство сигналов с выходов блока 9 сигналу с выхода датчика выходного тока 4 по амплитуде. Вход масштабирующего усилителя 9 связан со вторым выходом датчика входного тока 8 и образует второй вход блока 6 анализа. Второй вход суммирующего усилителя 10 подключен к инвертору напряжения 11, вход которого связан с датчиком выходного тока 4, и является первым входом блока 6 анализа. Выход суммирующего усилителя 10 подключен к первому двухполупериодному выпрямителю 12, выход которого связан с интегратором 13, который через пороговый элемент 14 соединен с элементом памяти 15. Элемент памяти 15 соединен с первым входом логического элемента ИЛИ 16, второй вход которого подключен ко второму выходу блока 7 управления и образует третий вход блока 6 анализа контролируемого параметра.
Второй выход блока 5 импульсного управления тиристорным переключателем 3 связан с четвертым входом блока управления 7. Постоянная времени интегратора 13 выбрана так, чтобы изменения выходного сигнала интегратора 13 по величине не приводили к срабатыванию порогового элемента 14 при самых длительных переходных процессах в электропитании технологической установки.
Чтобы время срабатывания тиристорного переключателя 3 меньше зависело от угла регулирования, устройство может содержать также датчик входного напряжения 17, второй двухполупериодный выпрямитель 18 и амплитудный детектор 19, связанные между собой последовательно, при этом выход детектора 19 подключен к четвертому входу блока 6 анализа контролируемого параметра, который соединен со вторым входом интегратора 13, а входы датчика 17 входного напряжения подключены параллельно первичной обмотке трансформатора 1.
Устройство работает следующим образом.
Различают два основных режима: рабочий и нештатный. В рабочем режиме электрические параметры на нагрузке 2 задаются блоком управления 7, который определяет фазу формирования импульсов в блоке 5 импульсного управления тиристорами переключателя 3. Это определяет входное и, соответственно, выходное напряжение трансформатора 1. При этом обеспечивается заданный технологический режим на нагрузке 2.
Токи первичной и вторичной обмоток трансформатора 1 по форме одинаковые, а различаются только по амплитуде. Масштабирующий усилитель 9 выравнивает по амплитуде сигнал на его выходе с сигналом на выходе инвертора напряжения 11, на который поступает сигнал с датчика выходного тока 4. Сигналы с выходов блоков 9 и 11 подаются на входы суммирующего усилителя 10.
В рабочем режиме устройства на выходе суммирующего усилителя 10 сигнал равен нулю. Он поступает через двухполупериодный выпрямитель 12 на инверсный вход интегратора 13, на прямой вход которого подается заданный положительный сигнал. Интегратор 13 изначально сориентирован заданным положительным сигналом на прямом входе. Это обеспечивает нулевой сигнал на выходе интегратора 13.
Через блоки 14 и 15 данный нулевой сигнал далее поступает на вход логического элемента ИЛИ 16. Описанный выше режим работы является штатным, поэтому подается команда о подаче импульсов управления на тиристоры тиристорного переключателя 3.
В течение рабочего режима устройства возможно возникновение переходных процессов, которые вызываются возмущениями по сети, нагрузке или заданиями для блока управления 7. Во время переходного процесса происходит изменение фазы, формирование импульсов управления тиристорами тиристорного переключателя 3 и между токами первичной и вторичной обмоток силового трансформатора 1 возникает рассогласование, что вызывает появление сигнала на выходе суммирующего усилителя 10, который через двухполупериодный выпрямитель 12 подается на инверсный вход интегратора 13. Постоянная времени интегратора 13 выбрана таким образом, чтобы изменения выходного сигнала интегратора 13 по величине не приводили к срабатыванию порогового элемента 14 при самых длительных переходных процессах в устройстве электропитания технологической установки.
Нестабильный режим работы данного устройства электропитания характеризуется различными нештатными ситуациями, которые могут быть вызваны следующим. Искажениями сети от работы внешних силовых устройств, т.к. наша установка является однофазным мощным потребителем, как правило, подключенным к трехфазной сети, или отказами силовой схемы или схемы управления, а также искажениями в цепях синхронизации формирования импульсов управления тиристорами тиристорного переключателя 3. Это приводит к разным по форме сигналам на датчиках первичного и вторичного токов силового трансформатора 1 и, соответственно, разности сигналов на выходе блоков 9 и 11. Появляется также разностный сигнал на выходе суммирующего усилителя 10, который через двухполупериодный выпрямитель 12 подается на инверсный вход интегратора 13.
Так как описанный выше режим не определен по времени, сигнал на выходе интегратора 13 может возрасти до уставки порогового элемента 14 и через него и элемент памяти 15 поступает на логический элемент ИЛИ 16. Далее с помощью данного сигнала могут сниматься импульсы управления тиристорным переключателем 3 блоком 5.
Тиристорный переключатель 3 по технологическим требованиям работает при глубоком диапазоне регулирования напряжения на нагрузке 2 от нуля до максимального значения. И если не корректировать время работы интегратора 13, в процессе работы в устройстве электропитания может возникнуть большая разница во времени срабатывания порогового элемента 14 при полностью открытом или полностью закрытом тиристорном переключателе 3.
Это приведет к тому, что, когда тиристорный переключатель 3 полностью открыт, он будет срабатывать в тридцать - сорок раз медленнее. Чтобы время срабатывания меньше завысило от угла регулирования тиристорного переключателя 3, как указывалось выше, вводится связь между значением напряжения на первичной обмотке трансформатора 1, с прямым входом интегратора 13 через блоки 17, 18, 19. Это осуществляется с помощью изменения напряжения на первичной обмотке трансформатора 1, которое фиксируется датчиком 17. В этом случае выравнивается время срабатывания порогового элемента 14 и обеспечивается более стабильная работа устройства электропитания технологической установки в целом.
Возмущения рабочего режима, которые возникают в процессе работы и при переходных режимах, устройство отрабатывает, но пропускает, когда постоянная составляющая в первичном токе присутствует, но она ограничена во времени и ниже уставки срабатывания порогового элемента 14.