Способ управления широтно-импульсным регулятором переменного напряжения и устройство для его осуществления
METHOD FOR CONTROLLING AN ALTERNATING VOLTAGE PULSE-WIDTH REGULATOR AND A DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к электротехнике, а именно к производству, преобразованию и распределению электрической энергии, и может быть использовано для регулирования температуры различных объектов, содержащих электрические нагревательные элементы, в частности в промышленности переработки термопластичных, полимерно-композитных материалов, резинотехнических и других полимерных материалов для многоканального регулирования температуры зон обогрева экструдеров, автоклавов, сушильных камер, вакуумформовочных и литьевых машин.
При производстве деталей из термопластичных материалов, например, полимерно-композитных материалов в автоклавах, заготовка проходит несколько стадий карбонизации и графитизации, подвергаясь нагреву до заданной температуры при помощи термонагревательных элементов (ТЭН). Для обеспечения оптимального температурного поля, мощность, подводимая к каждому ТЭНу, должна регулироваться в широких пределах при помощи терморегуляторов. Последние, как правило, выполняются на основе полупроводниковых силовых ключей с определенной системой управления.
Из технической литературы (например, Гельман М.В. Тиристорные регуляторы переменного напряжения / М.В. Гельман, С.П. Лохов. - М.: Энергия, 1975. - 104 с.; Поскробко А.А., Братолюбов В.В. Бесконтактные коммутирующие и регулирующие полупроводниковые устройства на переменном токе. - М.: Энергия, 1978. - 192 с.) известны два базовых способа регулирования мощности нагрузки: фазоимпульсное и широтно-импульсное управление силовыми ключами с естественной коммутацией.
Фазоимпульсное управление тиристорным регулятором заключается в изменении во времени момента включения тиристорного ключа относительно момента перехода питающего напряжения через нуль. Недостатками этого способа являются:
- ток, подаваемый в нагрузку, может скачком изменяться от нуля до максимума в зависимости от прикладываемого в данный момент времени напряжения, что уменьшает надежность работы нагрузки;
- все регуляторы с фазоимпульсным регулированием являются источниками промышленных помех.
Данных недостатков лишен широтно-импульсный способ управления регулятором переменного напряжения, заключающийся в подключении и отключении нагрузки в течение целого числа периодов питающего напряжения. Он имеет различные вариации по алгоритму формирования количества интервалов подключения и отключения нагрузки. Так, известен способ управления (например, описанный в а.с. №1001429, МПК Н02Р 13/16), в котором с целью расширения функциональных возможностей регулятора, устанавливают интервалы отключенного состояния нагрузки, неизменными и равными периоду питающего напряжения во всем диапазоне регулирования, а интервал подключенного состояния нагрузки составляет определенное количество периодов питающего напряжения, пропорциональное заданному уровню напряжения на нагрузке, а период импульсного регулирования на каждом интервале регулирования устанавливают не более 20 мс.
Однако этот способ имеет существенный недостаток. При многоканальном регулировании мощности переменного напряжения невозможно одновременное регулирование мощности сразу всех каналов.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ управления широтно-импульсным регулятором переменного напряжения и устройство для его осуществления, описанные в выбранном в качестве прототипа, патенте №2228538 РФ (RU 2228538 С2, В.В. Постнов, Н.П. Сабельников, И.В. Грязнов, Р.А. Шарапов, А.Г. Витковский, М.И. Хабибуллин; Федеральное государственное унитарное предприятие «Производственное объединение «Завод им. Серго» - подача заявки: 2002-02-19, публикация патента: 10.05.2004).
В нем управление мощностью инерционных нагрузок обеспечивают подключением нагрузки в течение целого числа полупериодов питающего напряжения во всем диапазоне регулирования, причем количество полупериодов подключенного состояния нагрузки каждого канала многоканального регулятора пропорционально уровню мощности на нагрузке, интервал отключенного состояния нагрузки устанавливают одинаковым для всех каналов и регулируемым в диапазоне регулирования, а интервал подключенного состояния нагрузки каждого канала регулирования составляет не менее 10 периодов импульсного регулирования, причем период импульсного регулирования устанавливают не менее 20 мс.
Недостатком такого устройства является формирование существенных колебаний напряжения сети (например, когда мощность электрических нагревательных элементов соизмерима с установленной мощностью питающего трансформатора), что негативно влияет на работу параллельно работающего силового электрооборудования и систем управления.
Изобретение направлено на повышение электромагнитной совместимости широтно-импульсного регулятора мощности электрических нагревательных элементов промышленных установок.
Указанный технический результат достигается за счет формирования определенной последовательности широтно-импульсного и фазоимпульсного управления, позволяющей повысить электромагнитную совместимость регулятора путем сглаживания колебаний напряжения сети и, тем самым, обеспечить снижение потерь электроэнергии в параллельно подключенных асинхронных двигателях и увеличение их срока службы.
На фиг. 1 представлена структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ управления.
На фиг. 2 представлена временная диаграмма, поясняющая базовый способ управления широтно-импульсным многоканальным регулятором переменного напряжения при интервале отключенного состояния нагрузки для всех каналов, равном 5 периодам (m=5Т) генератора импульсного регулирования.
На фиг. 3 представлены временные диаграммы регулируемой мощности Р и фазного напряжения Uф, поясняющие предлагаемый способ управления широтно-импульсным регулятором переменного напряжения для варианта одного канала при интервале отключенного состояния нагрузки m=5Т, при 3 интервалах включенного состояния нагрузки (k=3Т) и 2 интервалах фазоимпульсного регулирования (p=2Т).
На фиг. 4 представлены диаграммы имитационного моделирования напряжения и тока ТЭН, а также параллельно включенного с ним асинхронного двигателя при m=2Т, k=8Т, p=0Т.
На фиг. 5 представлены диаграммы имитационного моделирования напряжения и тока ТЭН, а также параллельно включенного с ним асинхронного двигателя при m=5Т, k=3Т, p=2Т.
В качестве примера, интервал подключенного состояния нагрузки выбран равным 10 периодам импульсного регулирования, причем для каждого канала регулирования количество периодов импульсного регулирования может быть различно и выбрано от 0 до 10. Интервал отключенного состояния нагрузки одинаков для всех каналов и регулируется в широких пределах, например, от 9 до 0, а интервал фазоимпульсного регулирования может варьироваться от 2 до 4.
Обозначения на схеме: генератор импульсного регулирования 1, формирователь интервалов отключенного состояния нагрузки на n каналов 2, задатчик интервала отключенного состояния нагрузки на n каналов 3, формирователь интервалов подключенного состояния нагрузки 4, многоканальный селектор подключенного состояния нагрузки 5, многоканальный силовой ключ 6, многоканальная нагрузка 7, табло индикации режима многоканальной нагрузки 8, блок импульсно-фазового управления 9, логический элемент «И» 10, элемент формирования сигнала по заднему фронту 11, блок задания параметров импульсно-фазового управления силовыми ключами 12 (фиг. 1).
Устройство работает следующим образом.
При нормальном качестве электроэнергии в системе электроснабжения (отклонения напряжения питания Uc не превышают нормированные ±10% номинального значения), на втором входе логического элемента «И» 10 отсутствует сигнал Up, соответственно - отсутствуют сигналы на его выходе и на выходе блока импульсно-фазового управления 9. Генератор импульсного регулирования 1 вырабатывает импульсы напряжения с периодом следования импульсов не менее 20 мс, не синхронизированные с фазой питающей сети и амплитудой, достаточной для работы электронной схемы, которые подаются на формирователь интервалов отключенного состояния нагрузки на n каналов 2 и формирователь интервалов подключенного состояния нагрузки 4. Сигнал с выхода задатчика интервала отключенного состояния нагрузки 3 подается на другой вход формирователя интервалов отключенного состояния нагрузки на n каналов 2. При помощи задатчика производится выбор интервалов отключенного состояния нагрузки для всех n каналов. Формирователь интервалов отключенного состояния нагрузки на n каналов 2 вырабатывает импульс, длительность которого при помощи задатчика интервала отключенного состояния нагрузки на n каналов 3 может быть выбрана в пределах от 0 до m. Этот импульс подается на вход формирователя интервалов подключенного состояния нагрузки 4 и в интервале отключенного состояния нагрузки блокирует выработку интервалов подключенного состояния нагрузки. Далее формирователь интервалов 4 вырабатывает интервалы подключенного состояния нагрузки, которые подаются на n-канальный селектор подключенного состояния нагрузки 5. При помощи n-канального селектора для каждого канала производится выбор одного из интервалов в диапазоне от 0 до k интервалов, которые подаются на n-канальный силовой ключ 6 (фиг. 2). С выхода n-канального силового ключа 6 в момент времени, когда напряжение переходит через нуль, сигнал подается в многоканальную нагрузку 7 и на табло индикации режима многоканальной нагрузки 8.
При отсутствии нормального качества электроэнергии в системе электроснабжения (отклонения напряжения питания Uc превышают нормированные ±10% номинального значения), на второй вход логического элемента «И» 10 от оператора (ручной режим) или от средств автоматики (автоматический режим) приходит разрешающий сигнал Up в виде логической единицы. Блоки 1-6 системы управления регулятора напряжения реализуют широтно-импульсное управления мощностью всех каналов аналогично выше описанному. При этом после каждого интервала подключенного состояния нагрузки с помощью силовых ключей 6, с выходом элемента 11 поступает сигнал на вход логического элемента «И», на его выходе появляется разрешающий сигнал запуска блока импульсно-фазового управления 9, на второй и третий входы которого поступают сигналы синхронизации с фазой питающей сети Uc и от блока 12 задания параметров (количество полных периодов и фазовые углы) импульсно-фазового управления. Благодаря чему реализуется дополнительное (после основного интервала включенного состояния нагрузки) фазовое включение силовых ключей 6 в течение дополнительного «пакета» из 2-4 периодов питающего напряжения во всем диапазоне регулирования, обеспечивающее ступенчатое снижении электрической мощности Р, передаваемой на нагрузку 7 (фиг. 3). Для этого блок 12 формирует задание фазовых углов открытия силовых ключей 6 с нарастающим уровнем. Например, с минимальным искажением формы напряжения, целесообразно, при использовании четырех полных периодов импульсно-фазового управления, формировать фазовые углы в диапазоне 15-60, 120-165 градусов (на фиг. 3, для примера, показана реализация дополнительного «пакета» из двух периодов p=2Т, с фазовыми углами α=60 и α=120 градусов). При помощи табло индикации режима многоканальной нагрузки 8 производится контроль за работой всего устройства в целом, а также за состоянием каждой из нагрузок в отдельности.
Такой способ управления широтно-импульсным регулятором переменного напряжения с применением импульсно-фазового управления позволяет, в случае, когда работа регулятора в режиме широтно-импульсной модуляции сопровождается существенными субгармоническими колебаниями напряжения, повысить его электромагнитную совместимость.
Системы электроснабжения многих промышленных предприятий (кроме вновь построенных и спроектированных с резервами по потребляемой мощности на перспективу развития) являются дефицитными, не имеющими больших запасов установленной мощности. В подобных случаях, функционирование в цехах электротермических установок с большим потреблением электроэнергии и использующих для регулирования мощности способ широтно-импульсного управления силовыми ключами, сопровождается существенными субгармоническими колебаниями сетевого напряжения. Величина отклонений напряжения от номинального значения, в основном, зависит от соотношения мощности электротермической нагрузки и мощности цехового трансформатора. Когда эти отклонения превышают нормированные (ГОСТ 32144 - 2013) ±10% от номинального напряжения, начинает проявляться негативное влияние широтно-импульсного регулятора напряжения электротермической нагрузки на другие потребители электроэнергии, запитанные от одного цехового трансформатора. Как правило, самым распространенным типом параллельно подключенных потребителей, являются асинхронные двигатели. Периодические понижения напряжения питания отрицательно влияют на развиваемый ими момент и, следовательно, на их производительность (Жежеленко И.В., Саенко Ю.Л., Показатели качества электроэнергии и их контроль на промышленных предприятиях / И.В. Жежеленко, Ю.Л. Саенко // Изд-е 3-е. М.: Энергоатомиздат, 2000 - 254 с.). Но наибольшую проблему для эффективной работы асинхронных двигателей представляют периодические повышения напряжения питания (они происходят в конце каждого интервала подключенного состояния электротермической нагрузки), реализующие эффект постоянных мини пусковых режимов. Как известно, прямой пуск асинхронного двигателя всегда сопровождается большими пусковыми токами и большими дополнительными потерями электроэнергии. В случае рассматриваемых выше субгармонических колебаний напряжения питания, эффект будет не столь значителен, но все же существенен с точки зрения вопросов снижения «пусковых» потерь в асинхронных электродвигателях и повышения их сроков службы. Эти вопросы достаточно просто решаются дискретным приращением, в конце каждого интервала подключенного состояния электротермической нагрузки, дополнительного «пакета» фазоуправляемого подключенного состояния нагрузки на 2-4 периода напряжения сети. Причем фаза углов открытия силовых ключей формируется по возрастающему принципу. Например, для «пакета» из четырех периодов - 15,60, 120,165 градусов. Данные фазовые углы формируют минимальные искажения формы тока и напряжения. При этом реализуется ступенчатое (близкое к плавному) понижение передаваемой на нагрузку мощности и, близкое к плавному, повышение напряжения питания в конце каждого интервала подключенного состояния нагрузки. Такое управление силовыми ключами приводит к существенному снижению значений фазных токов асинхронного двигателя в переходных режимах, возникающих при периодических повышениях напряжения питания.
Для количественной оценки эффекта от реализации предложенного способа управления широтно-импульсным регулятором переменного напряжения и устройства для его осуществления, на фиг. 4. 5 проведены результаты имитационного моделирования в пакете «Matlab+Simulink», для конкретного промышленного объекта по производству полимерно-композитных материалов (автоклав D-48653 фирмы SCHOLZ, содержащий два блока ТЭН, мощностью по 287 кВт, параллельно подключенный асинхронный двигатель вентилятора мощностью 45 кВт; цеховой трансформатор ТМ-630/10). Из диаграмм напряжения и тока очевидна существенная (10-15%) просадка напряжения на асинхронном двигателе (АД) при периодическом подключении ТЭН (фиг. 4). Полученные, в результате имитационного моделирования, уровни просадки напряжения хорошо коррелируются с натурными замерами в цехе производства ПКМ. Этот процесс сопровождается пульсациями фазного тока статора с 1,5-2,5 кратным перерегулированием по амплитуде, что приводит к увеличению дополнительных потерь в двигателе на 10-25%. При реализации предложенного способа управления регулятором, происходит сглаживание пульсаций напряжения питания двигателя при 1,1-1,6 кратном перерегулировании токов статора, и уменьшение дополнительных потерь электроэнергии в асинхронном двигателе до 6-15% (фиг. 5).
Предлагаемое техническое решение является промышленно-применимым, реализация планируется на Московском машиностроительном заводе «Авангард» с целью повышения эффективности работы автоклавных установок.