Выбор параметров цепи управления дроссельных регуляторов тока

Управляемые ферромагнитные устройства — дроссели насыщения (ДН) и магнитные усилители (МУ) для регулирования параметров электрической энергии применяются давно, но с развитием силовых управляющих полупроводниковых приборов ферромагнитные регуляторы были постепенно вытеснены. Объясняется это тем, что при работе на частоте промышленной сети их основные достоинства не могут компенсировать такие недостатки, как инерционность и большая масса.

Важной проблемой в построении регуляторов напряжения и тока в ряде областей техники является комплексное решение задачи снижения их массы и габаритов. Действенным средством в решении такого комплекса задач станет введение промежуточного звена повышенной частоты и включения регулирующих органов и согласующих элементов в это звено. В результате резко уменьшается масса и габариты электромагнитных элементов, существенно повышается КПД электромагнитных элементов, что компенсирует потери на коммутацию и позволяет обеспечить высокие энергетические характеристики регулятора в целом. Введение ферромагнитных регуляторов в звено повышенной частоты позволяет не только снизить массу и габариты, но и открывает их новые положительные свойства.

В звене повышенной частоты ферромагнитный регулятор становится многофункциональным устройством и позволяет решить ряд проблем построения и обеспечения работоспособности полупроводниковой части преобразователя. В частности, он обеспечивает его защиту от перегрузок и коротких замыканий по цепи нагрузки; параллельную работу блоков; предотвращает одностороннее насыщение трансформатора звена повышенной частоты, так как в двухтактных преобразователях со звеном повышенной частоты часто возникает аварийная ситуация, вызванная односторонним насыщением сердечника силового высокочастотного трансформатора. Причиной его возникновения является любая несимметрия двух смежных полупериодов напряжения повышенной частоты. При включении в первичную цепь трансформатора такого преобразователя ферромагнитного регулятора, например, дросселя насыщения, удается с его помощью фиксировать на определенном уровне амплитуду тока одностороннего насыщения. Исследования показали, что для ограничения токов одностороннего насыщения трансформатора на приемлемом уровне (1,5«21я) достаточно в цепь подмагничивания дросселя насыщения включить линейный дроссель. Способность ограничивать ток на заданном уровне в силовых обмотках дросселя насыщения под действием сигнала в цепи управления при любых режимах работы открывает большие возможности при их использовании в качестве регуляторов переменного тока в устройствах преобразовательной техники, а также в преобразователях, у которых выходная характеристика — источник тока.

Дроссели насыщения (ДН) представляют собой управляемые устройства и относятся к достаточно обширному классу нелинейных электромагнитных устройств — магнитным усилителям (МУ). Этот класс устройств обладает следующими достоинствами:

1. простота схемы и конструкции;
2. высокая эксплуатационная надежность;
3. широкий диапазон мощностей;
4. хорошие регулировочные свойства;
5. легкость суммирования сигналов управления и смещения.

В общем случае структурно ДН отличаются от магнитных усилителей (МУ) отсутствием у первых обратной связи. В результате имеют значительно больший коэффициент усиления, они менее инерционны, потребляют меньшую мощность от источника подмагничивания, менее громоздки. Благодаря отмеченным особенностям, магнитные усилители получили широкое применение в различных областях техники. ДН распространены значительно меньше и используются в случаях, когда в нагрузке необходимо регулировать величину тока, а не напряжения. Это объясняется тем, что введение в магнитный усилитель обратных связей при улучшении практически всех параметров лишает его главного достоинства дросселя насыщения — свойства системы неизменного тока.

Как известно, свойства ДН главным образом определяются величиной полного сопротивления цепи подмагничивания, при этом активная составляющая его, как правило, близка к нулю, а необходимую величину сопротивления устанавливают индуктивностью L_y .

Два крайних значения величины индуктивности дросселя в цепи управления — нуль и бесконечность L_y — обуславливают два крайних режима работы ДН: режим свободного намагничивания при нуле и вынужденного при бесконечной индуктивности дросселя. Включение дросселя 0 <L_y< ∞ обеспечивает работу ДН в промежуточном режиме. Режим работы ДН определяет форму кривой выходного тока в статическом режиме, а также величину бросков тока IНв динамике (внезапное короткое замыкание на выходе, включение на разряженную емкость фильтра и др.).

При величине L_y-> ∞, что соответствует режиму вынужденного намагничивания, форма выходного тока ДН приближается к прямоугольной, а ДН приобретает свойства источника тока как в статических, так и в динамических режимах.

При исследовании ферромагнитных регуляторов на базе разнообразных дросселей насыщения, работающих на частоте промышленной сети, как правило, в качестве критерия оценки величины дополнительной индуктивности цепи управления используется L_y — относительный параметр AL_S, где в качестве базиса используется индуктивность рассеяния обмотки управления L_S ферромагнитного регулятора

L_y = AL_S

При постоянной частоте питающего напряжения и применении оптимально спроектированных ферромагнитных регуляторов правомерность выбора данного базиса не вызывает сомнения, так как это подтверждается сопоставительным анализом свойств устройств различной мощности.

Однако использование этого критерия в устройствах, где ферромагнитный регулятор введен в звено повышенной частоты, не корректно. Это обусловлено тем, что выбор частоты преобразования зависит от многих параметров, и в конечном итоге она может быть выбрана в диапазоне от сотен Гц до десятков кГц. При столь широком диапазоне частот ферромагнитные материалы для каждого определенного поддиапазона различны, конструкции и типоразмеры магнитопроводов также различны и, следовательно, выбор рабочих индуктивностей магнитопроводов сильно зависит от частоты. Все это препятствует использованию в качестве базиса для выбора индуктивности цепи управления ферромагнитного регулятора зависимый от его конструкции и материала параметр — индуктивность рассеяния обмотки управления.

В ряде случаев влияние цепи управления ферромагнитного регулятора на электромагнитные процессы может отражать такой параметр, как коэффициент модуляции тока управления

где Iµ₀ — амплитуда основной гармоники тока, I_d— среднее значение тока подмагничивания, или

где I_d min — минимальное мгновенное значение тока управления.

Но в режимах, близких к короткому замыканию, основных для регуляторов, используемых в качестве источников тока, при определенных значениях активных и индуктивных сопротивлений цепей нагрузки и управления возникают интервалы времени, когда в этих режимах k µ i = const = 1 и не отражает характера процессов в ферромагнитном регуляторе.

На основании исследований процессов в ферромагнитных регуляторах дроссельного типа (рис. 1) установлено, что ток в их цепи управления на четверти периода рабочей частоты меняется по следующему закону:

где i_y (0) — начальное значение тока в выбранном интервале; t— текущее время; r = R_н + R ;

E = U_П— U_y; L = L_y + L_н.

Рис. 1.

Из приведенного выражения видно, что наибольшее влияние на характер тока оказывает индуктивность L и сопротивление, причем каждая из этих величин содержит постоянную и варьируемую части, то есть выражение отражает как физические процессы в регуляторе, так и взаимосвязь конструктивных параметров регулятора (Lн, Rн).

Исходя из вышеизложенного, предлагается в качестве критерия оценки параметров цепи управления принять время спада тока цепи управления до нуля. Задаваясь током управления i_y = 0, получим:

Это выражение устанавливает зависимость времени спада тока в цепи управления до нуля (t₀) от параметров E, L, r, iy (0) , из которых искомой величиной при проектировании преобразователя обычно является L . Но здесь отсутствует, как правило, известная величина среднего значения тока цепи управления I_у . Поэтому необходимо определить время спада тока в цепи управления как функцию среднего значения тока этой цепи:

t₀ = f(I_уср)

Для этого рассмотрим ток цепи управления в режиме максимальной токовой нагрузки регулятора при заданных значениях среднего тока цепи управления I р и максимального тока управления i (0) этой цепи при следующих допущениях:

1. закон изменения тока за полупериод — линейный;
2. время спада и время нарастания тока управления равны между собой;
3. ток в цепи управления однополярный.

Эти допущения правомерны при условии, что индуктивность в цепи управления линейна, а активные сопротивления рабочих обмоток, обмоток управления, линейного дросселя и нагрузки малы, что соответствует режиму максимальной токовой нагрузки.

С учетом принятых допущений средний ток в цепи управления за полупериод питающего напряжения можно описать следующим уравнением:

откуда

Совместное решение полученных выражений относительно t0 дает связь среднего значения тока цепи управления и индуктивности:

Время спада тока i0 до нуля полностью характеризует параметры цепи управления при заданной частоте. Для получения критерия оценки дроссельных регуляторов, работающих при разных частотах, следует удвоенное время спада тока управления до нуля, определенное в режиме максимальной токовой нагрузки (R_н = min), соотнести с полупериодом питающего напряжения. Тогда получим относительное время изменения тока цепи управления

где

Проводя анализ полученного выражения, можно предложить следующие критерии режимов работы ферромагнитных регуляторов (рис. 2):

• если τ _y(0) < 1, то ферромагнитный регулятор работает в режиме свободного намагничивания;
• если τ _y(0) > 1, то ферромагнитный регулятор работает в режиме вынужденного намагничивания;
• если τ _y(0) = 1, то регулятор работает на границе свободного и вынужденного намагничивания.

Рис. 2.