Как регулировать мощность переменного тока
Решил как-то отец собрать для дачи некое устройство, в котором, по его заверению, можно будет варить сыр. Устройство сие вид имело могучий и представляло из себя железный короб, подозрительно напоминающий старую стиральную машинку. Внутрь короба (все также добротно!) были вмонтированы три тэна по 1700 Ватт каждый. В общем сыра должно было хватить на небольшой посёлок.
Изделие (внешне выглядящее как что-то из безумного макса), должно быть весьма технологичным и поддерживать заданную температуру в максимально узких пределах. Для этого рядом появилась ещё одна коробка с симисторами, к которым подключались ТЭНы и схема, выдающая высокий уровень при переходе синусоиды через ноль. А у меня появился интересный проект.
Итак нам нужно выходить на заданную температуру и поддерживать её, с этим должен справляться алгоритм ПИД регулятора. Глубоко вдаваться в его работу не буду, скажу лишь что он получает на вход текущую ошибку, а на выходе выдает какое-то число в заданных пределах. У меня таким числом будет мощность выдаваемая на ТЭН, хотя в принципе, это может быть любой инерционный процесс, например обороты двигателя. Что важно для ПИД регулятора, это чтобы выходная величина производила воздействие линейно. Поэтому попробуем разобраться в способах регулировки мощности и их линейности.
Как вообще регулируется мощность?
Мощность — это произведение силы тока на напряжение. Если представить это произведение графически, то для постоянного тока, это будет площадь прямоугольника со сторонами равными напряжению и току
Так как при постоянном сопротивлении и напряжении ток тоже будет постоянным, то заменим ось тока на ось времени. Сопротивление я беру постоянным для объяснения принципа регулирования.
Тогда при заданном напряжении (12 В) и сопротивлении в 12 Ом, по закону Ома: I=U/R, получаем ток равный 1 А, и соответственно мощность за единицу времени будет равна 12 Вт. При другом сопротивлении мощность, естественно тоже изменится.
Теперь, если мы хотим регулировать мощность за единицу времени, нам нужно как-то изменять площадь фигуры за единицу времени. Самым чистым способом будет просто изменять напряжение, тогда и мощность будет пропорционально изменяться. Но контроллер, как и любые цифровые устройства, не умеет плавно изменять напряжение на ножках, он может либо «поднимать» их до высокого уровня, либо «опускать» до низкого уровня. Этот недостаток он компенсирует скоростью, даже самый дохленький современный МК может работать на частотах в миллионы тактов в секунду. Чтобы регулировать мощность, контроллер будет очень быстро «дрыгать» ножкой, тем самым изменяя результирующая площадь импульса за единицу времени.
На этом принципе устроена широтно-импульсная модуляция, она же ШИМ. Изменяя время (ширину) импульса за период мы изменяем выдаваемую мощность. На рисунке выше, показано два периода ШИМа. Каждый период имеет отношение площади импульса к площади всего периода 0.5, те половину времени периода контроллер выдает высокий уровень сигнала, другую половину низкий. Отношение времени высокого уровня сигнала к времени низкого называется скважностью. Красная линия на графике отражает результирующую мощность за единицу времени, по ней видно что при скважности 0.5 мощность также упала на половину (с 12 до 6 Вт). Хорошая новость состоит в том, что, ШИМ в контроллерах реализован аппаратно. Так что для регулирования чего-то достаточно его запустить и, по необходимости, изменять скважность.
Для постоянного тока, режим ШИМа оптимален, причем чем более инерционный прибор мы к нему подключаем, тем меньшую частоту ШИМа можно использовать. Для большого ТЭНа достаточно чуть ли не одного герца, а вот для светодиодов лучше использовать частоту побольше. Кстати частота ШИМа в подсветке экрана ноутбука, зачастую оказывается чуть ли не решающим фактором при покупке, так как, при слишком низкой частоте, глаза будут быстро уставать.
Если попробовать провернуть трюк с ШИМом для переменного напряжения, мы увидим что все сломалось и мощность перестала регулироваться линейно
одинаковые промежутки времени стали давать нам разную площадь, а значит разную мощность. Однако, если разбить полученные отрезки на на ещё более мелкие, то процентное соотношение ширины импульса к ширине кусочка будет выравниваться.
Если мы возьмем равный процент выдаваемой мощности от каждого кусочка, в результате мы получим такой же процент, от мощности всей волны, а на выходе мы получим линейный регулятор мощности для переменного тока. Причем чем большую частоту будет иметь ШИМа, тем на большее количество кусочков он разобьет синусоиду, а значит мы получим большую линейность.
Это было бы решением всех проблем, но в моем случае устройством коммутировавшим нагрузку был не быстрый транзистор, а симистор — медленный прибор, с максимальными рабочими частотами в пределах нескольких сотен герц, к тому же симистор можно только открыть, закроется он сам при переходе через ноль. На таких частотах управлять переменным напряжением которое имеет частоту 50 Гц, линейно не получится. Поэтому здесь нужно использовать какой-то другой подход и как раз для него, помимо симисторов, была установлена схема перехода через ноль.
В случае с симисторами лучше разбить синусоиду на куски с одинаковыми площадями и записать время каждого такого кусочка в таблицу. Тогда каждое последующее значение из таблицы будет линейно увеличивать мощность.
На графике выше полуволна синусоиды разбита на части разные по времени, но имеющие одинаковую площадь, а значит несущие в себе одинаковую мощность. Все что нам останется сделать это загрузить таблицу с временными интервалам в наш котроллер, синхронизировать какой-то из его таймеров с частотой синусоиды, для этого используется схема перехода через ноль, и просто брать из таблички нужное значение, в течении которого будет высокий уровень. Суть метода похожа на ШИМ, но немного доработанный и синхронизированный с источником переменного напряжения.
Расчёт таблицы мощности
Теперь можно перейти непосредственно к расчёту.
Изначально задача заключается в том чтобы разбить синусоиду на нужное нам количество кусочков, каждый из которых будет иметь одинаковую площадь. На этом моменте, обычно проступает холодный пот, так-как площадь под графиком это и есть геометрическое определение интеграла. Соответственно нам нужно будет взять интеграл от функции при этом определить такие пределы интегрирования, которые будут давать одинаковый результат. Затем (как будто расчёта интегралов мало!) полученные пределы нужно будет перевести во время задержки (время в течении которого будет сохранятся высокий уровень). После чего полученное время перевести в понятное для контроллера число — количество тиков таймера. Звучит страшно, а по факту сейчас разберёмся:
Во первых сама функция — как было написано выше мощность это произведение тока на напряжение, для переменного тока (без сдвига фаз), это утверждение также верно, но, так-как и ток и напряжение меняются со временем P=IU превращается в P=I*sin(t) * U*sin(t). Так как амплитуда синусоиды нас сильно не волнует, уравнение вырождается до P=sin^2(t).
Неопределённый интеграл от квадрата синуса
Теперь нужно подобрать пределы для определенных интегралов. Выберем, насколько частей мы хотим разбить нашу синусоиду: я выбрал сто, чтобы можно было регулировать мощность с шагом в 1%.
Итак мы нашли чему будет равен неопределённый интеграл и даже выбрали шаг. Теперь нужно подобрать пределы интегрирования. Смысл их подбора заключается в том, чтобы значение определенного интеграла было постоянным при их смене. Напомню, что неопределенный интеграл это формула, а определённый вполне конкретное число. Определённый интеграл считается по формуле:
То есть мы берем неопределённый интеграл, подставляем в него верхнее число, затем нижнее, и вычитаем второе из первого.
Наш неопределённый интеграл является смешанной тригонометрической функцией, а значит не имеет общего аналитического решения. Чаще всего такие функции решаются либо числовыми, либо графическими методами. Графический метода заключается в том что мы строим графики для правой и левой части уравнения их пересечение будет решением уравнения. На рисунке показано решение уравнения для 0.2
Наряду с графическим методом можно использовать численный, то есть подбор решения. Будем подставлять в неопределённый интеграл числа до тех пор пока не найдём решение). Можно использовать лист и бумажку чтобы попрактиковаться в математике, можно онлайн калькулятор, я же буду использовать Python и библиотеки numpy:
Отлично мы получили массив чисел (пределов интегрирования!), валидность этих чисел можно проверить подставив их в интеграл. В результате должна получится площадь равная выбранному шагу! Теперь, если подставить полученные числа на график мощности, должна получится следующая картина:
Если все сошлось, то можно двигаться дальше и задать получившимся числам размерность времени, потому что сейчас они в радианах. Чтобы это сделать нужно выяснить угловую скорость, для частоты сети, то есть количество радиан в секунду.
Тогда узнаем сколько сколько длится одна радиана
Теперь, значения задержек в радианах, превратим во время, умножив каждое значение на период радианы (T). Проверим ход своей мысли: действительно-ли получится время задержки, если умножить задержку, на период? Задержка имеет размерность радиан, период — секунд за радиану, мы хотим их перемножить. Тогда рад * ( сек / рад ) = сек. Мы получили время, а значит ход мыслей должен быть верным.
Для расчётов я опять предпочту python:
На этом моменте мы получили универсальную таблицу задержек, теперь необходимо конвертировать её специально под микроконтроллер.
Расчёт таймера МК и перевод таблицы
Время необходимо перевести в понятную для МК величину — количество переполнений таймера. Но сначала необходимо определится с частотой таймера: чем выше частота, тем точнее он будет отмерять время, но с другой стороны, тем меньше времени будет оставаться на выполнение остальной программы. Здесь необходимо найти золотую середину.
Для определения минимально допустимой частоты таймера, надо найти числа в массиве с минимальной разностью между ними. Разность тем меньше, чем ближе в максимуму синусоиды мы двигаемся. Тогда возьмем задержку при которой синусоида достигает единицы и число перед ним, после чего найдем их разность:
5 мс — 4.9363 мс = 0.0636 мс
Получившееся число является максимально допустимым периодом между прерываниями таймера, тогда через него найдём минимально допустимую частоту
1 / 0.0636 = 15 КГц
Значит для заданной точности в 1% будет достаточно таймера с частотой 15КГц. Частота МК составляет 16 МГц, значит между прерываниями будет 1000 тактов процессора, этого достаточно для выполнения остальной части программы, так что можно смело настраивать таймер на заданную частоту.
Для настройки таймера на определенную частоту, не кратную тактирующей используется режим таймера CTC — Clear Timer on Compare. В этом режиме таймер досчитывает до заданного числа и сбрасывается, после чего операция повторяется. Число при котором будет происходить совпадение считается по формуле
Число = Тактовая частота МК / предделитель таймера / выбранная частота
Частота выбрана, теперь нужно перевести таблицу в тики таймера. Делать я это буду опять на Python
В общем-то на этом весь расчёт окончен, остается только отзеркалить получившийся массив для второй половины полуволны и загрузить в МК. Далее по прерыванию от синхроимпульса, нужно подать низкий уровень, на ножку управления симистором, запустить таймер и считать его переполнения (совпадения, тк. у нас режим CTC). Как только количество переполнений достигнет нужного числа из таблички, подаем высокий уровень на управляющую ножку. На этом линейный регулятор мощности переменного напряжения готов!
Заключение
Надеюсь статья была понятна и её было интересно читать. В дополнение хотелось бы сказать, сигнал перехода через ноль не приходит идеально вовремя, поэтому может потребоваться дополнительная коррекция, чтобы это исправить.
Код расчетов на python
Также, если кому-то будет интересно, могу поделится исходником готового регулятора для ардуино.
Источник
Автоматическое регулирование мощности конденсаторных установок — Автоматическое регулирование по току нагрузки
Содержание материала
В результате анализа графика нагрузок промышленного предприятия может оказаться, что равномерно распределенная нагрузка между фазами резко меняется в течение дня, причем рост и снижение полной нагрузки сопровождаются соответствующими изменениями реактивной мощности. В этих условиях регулирование мощности конденсаторной установки целесообразно осуществить по току нагрузки с помощью двух токовых реле, установленных на вводе подстанции. Одно из реле включает конденсаторную установку при росте нагрузок, другое отключает ее при снижении нагрузок. Изменяя уставки тока срабатывания реле с учетом их коэффициента возврата, можно обеспечить автоматическое регулирование мощности конденсаторных установок при различных нагрузках на вводе подстанции.
Для отстройки от кратковременных понижений и повышений тока в схеме предусматриваются два реле времени типа РВП-2, действующие с выдержкой времени порядка 2—3 мин.
В качестве пускового органа могут быть использованы токовые репе: индукционные, электромагнитные, например серии РТ-80; РТ-40, РЭВ, РТВ, имеющие коэффициент возврата соответственно 0,85; 0,8; 0,7. Для более точного регулирования и уменьшения диапазона между регулируемыми нагрузками следует применять токовые реле с более высоким коэффициентом возврата. В случае неравномерности нагрузки по отдельным фазам для правильной работы схемы пусковые токовые
реле включения и отключения конденсаторной установки надо подсоединять на одну из фаз трансформаторов тока.
На рис. 30 приведена схема одноступенчатого автоматического регулирования по току нагрузки с применением двух электромагнитных токовых реле типа РТ-40, установленных на вводе подстанции с примерной программой включения и отключения конденсаторной установки.
Рис. 30. Схема одноступенчатого автоматического регулирования по току нагрузки.
При нагрузке на вводе подстанции меньше уставки тока включения 5 А конденсаторная установка остается отключенной. При увеличении нагрузки до значения тока 5 А срабатывает реле 1Т и замыканием своего контакта в цепи реле времени 1В с выдержкой времени 2—3 мин дает импульс на включение конденсаторной установки. Токовое реле 2Т, имея ток уставки 3 А, должно также сработать, однако отключение конденсаторной установки при этом не происходит, так как размыкающий контакт этого реле размыкается, а замыкающий блок-контакт автомата К в цепи 2В замыкается и тем самым подготовляется цепь для отключения конденсаторной установки. При снижении нагрузки на вводе подстанции до 3 А срабатывает реле 2Т и замыканием своего контакта в цепи 2В с выдержкой времени 2— 3 мин дает импульс на отключение конденсаторной установки.
Для более точной настройки автоматики или при наличии других типов токовых реле могут быть выполнены и другие схемы. Например, на рис. 31 приведена схема одноступенчатого автоматического регулирования по току нагрузки с включением двух токовых реле через дополнительное промежуточное реле 1П, которое регулирует очередность включения реле 1Т и 2Т в зависимости от их срабатывания по заданному току нагрузки.
Рис. 31. Схема одноступенчатого автоматического регулирования по току нагрузки.
1Т, 2Т — реле электромагнитные токовые с замыкающими контактами РТ-40/6; П. 1П — реле промежуточные РП-25.
Для осуществления многоступенчатого автоматического регулирования по току нагрузки могут быть использованы схемы одноступенчатого автоматического регулирования по току нагрузки. На рис. 32 приведена принципиальная схема многоступенчатого автоматического регулирования по току нагрузки двух конденсаторных установок с примерной программой включения и отключения, действующая аналогично схемам одноступенчатого автоматического регулирования по току нагрузки. Для конденсаторной установки № 1 принимается уставка тока включения 4 А для реле 1Т и уставка тока отключения 2 А для реле 2Т. Для конденсаторной установки № 2 принимается уставка тока включения 5 А для реле ЗТ и уставка тока отключения 3 А для реле 4Т.
При небольшой нагрузке конденсаторные установки находятся в отключенном состоянии, так как хотя реле 2Т и 4Т сработали и контакты их замкнуты, но открыты блок-контакты выключателей. При росте нагрузки и достижении тока 4 А срабатывает реле 1Т и с выдержкой времени включает конденсаторную установку № 1. При дальнейшем росте нагрузки срабатывает реле ЗТ и также с выдержкой времени включает конденсаторную установку № 2. При снижении нагрузки до ЗА срабатывает реле 4Т и с выдержкой времени отключает конденсаторную установку № 2, а при дальнейшем снижении нагрузки срабатывает реле 2Т и отключает конденсаторную установку № 1.
Рис. 32. Принципиальная схема многоступенчатого автоматического регулирования по току нагрузки несколькими конденсаторными установками напряжением 3 — 10 кВ.
Многоступенчатое автоматическое регулирование по току нагрузки может быть осуществлено для напряжения до 1000 В с помощью контакторов типа КТВ, установленных на каждой конденсаторной установке, и электромагнитных токовых реле типа РЭВ. действующих с выдержкой времени. На рис. 33 приведена принципиальная схема многоступенчатого автоматического регулирования по току нагрузки двух конденсаторных установок, подключенных к шинам подстанции через контакторы.
Одним из устройств по компенсации реактивной мощности, выполненных на полупроводниковых элементах и предназначенных для автоматического управления одноступенчатой конденсаторной установки по величине полного тока нагрузки в сетях переменного тока частотой 50 Гц и напряжением 380 В, является устройство типа ВАКО [16] (выключатель автоматический конденсаторный). Выключатель действует по принципу реле: если входной ток превышает величину выбранной уставки включения, устройство с выдержкой времени включает контактор конденсаторной установки, отключение контактора также происходит с выдержкой времени, когда входной ток становится меньше выбранной уставки отключения. Устройство ВАКО отключает конденсаторную установку с выдержкой времени или блокирует ее включение, если напряжение в сети 1,1 номинального значения и выше.
Рис. 33. Принципиальная схема многоступенчатого автоматического регулирования по току нагрузки несколькими конденсаторными установками напряжением 380 В.
Устройство ВАКО предназначено для одноступенчатого управления, однако оно может быть использовано и для многоступенчатого регулирования. При наличии на предприятии нескольких конденсаторных установок с индивидуальными устройствами ВАКО можно путем выбора различных уставок тока включения и отключения в пределах, допускаемых устройством, установить такой порядок включения и отключения конденсаторных установок, который осуществлял бы их многоступенчатое автоматическое регулирование по величине полного тока нагрузки.
Токовая цепь устройства ВАКО рассчитана на номинальный ток 5 А. Напряжение питания 220 и 380 В
переменного тока 50 Гц. Допустимое отклонение ±15% номинального напряжения. Выбор уставок тока дискретный, независимый и соответствует величинам: уставка включения 1,5; 2,0; 2,5; 3,0; 3,5; 4,0; 4,5 А, уставка отключения 1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 3,0; 3,5; 4,0 А. Потребляемая мощность цепи тока 3,0 В-А, цепи напряжения 15 В-А. Коэффициент возврата равен единице. Основная относительная погрешность уставок включения и отключения—не более ±2,5%.
Выдержка времени фиксированная и составляет не менее 75 с во всем диапазоне изменения напряжения питания и температуры. Исполнение устройства ВАКО соответствует работе при температурах от —40 до +40° С и верхнем пределе относительной влажности 98% при 20° более низких температурах без конденсации влаги.
Устройство ВАКО может быть использовано для управления как на новых, так и на действующих конденсаторных установках. На рис. 34 приведена схема одноступенчатого регулирования по полному току нагрузки с регулятором ВАКО.
При установке устройства ВАКО необходимо присоединить заземляющий провод к зажиму 28, вторичную обмотку трансформатора тока нагрузки — к зажимам 26 и 27, напряжения питания 220 В — к зажимам 25 и 24, напряжение 380 В — к зажимам 25 и 23, цепь управления выключателем — к зажимам 21 и 22, а также установить требуемые уставки: включения — при помощи переключателя «Уставки Вкл». отключения — при помощи переключателя «Уставки Откл».
Рис. 34. Схема одноступенчатого автоматического регулирования по полному току нагрузки регулятором ВАКО.
Конструкция устройства ВАКО смонтирована на пластмассовом основании, к которому крепится шасси с лицевой панелью. Для защиты от механических повреждений узлов и деталей устройство ВАКО закрывается глухим металлическим кожухом и крышкой. На лицевой панели размещены переключатели «Уставки Вкл» и «Откл», предохранитель и контрольные зажимы логического элемента. Обозначение положений переключателей соответствует уставкам тока.
Устройство ВАКО устанавливается на щитах толщиной до 30 мм и имеет как переднее, так и заднее присоединение. Масса устройства ВАКО не более 7 кг. Основные размеры: длина 255, ширина 175 и высота 235 мм. Устройство ВАКО поставляется настроенным согласно данным, указанным в паспорте.
При переводе на ручное управление контактором конденсаторной установки устройство ВАКО должно быть отключено от напряжения питания. При ручном управлении контактором конденсаторной установки допускается оставлять токовый вход присоединенным к трансформатору тока. Переключение на ручное управление контактором конденсаторной установки допускается при любом состоянии контактора, а переключение с ручного управления на автоматическое производится только при отключенном контакторе (при разряженных конденсаторах конденсаторной установки).
При заказе на устройство ВАКО следует указывать вид присоединения (передний или задний).
Источник
Автоматическое регулирование частоты и активной мощности
Содержание
- Основные требования.
- Структурная схема регулирования.
- Устройство регулирования частоты и автоматического распределения активных нагрузок типа УРЧН.
- Схемы уравнительных связей при параллельной работе синхронных генераторов.
Основные требования.
Постоянство частоты тока — основное условие нормальной работы потребителей электроэнергии.
Снижение частоты тока приводит к уменьшению частоты вращения электродвигателей электромеханизмов и к значительному понижению их производительности. Понижение частоты приводит к уменьшению к. п. д. первичных двигателей.
Повышение частоты тока сверх номинальной приводит к возрастанию мощности электродвигателей и к увеличению потребления электроэнергии судовыми механизмами; возрастает также температура нагрева, перегрев электро-двигателей.
Регулирование частоты тесно связано с распределением активной мощности между агрегатами судовой электростанции, так как восстановление частоты в электроэнергетической системе достигается путем изменения активной мощности этих агрегатов.
Устройства автоматического регулирования должны поддерживать постоянство частоты в электроэнергетической системе при экономически наивыгоднейшем распределении нагрузки между агрегатами и обеспечивать высокую надежность работы системы как в нормальных, так и в аварийных режимах.
Структурная схема регулирования.
Причиной изменения частоты вращения является нарушение баланса между суммарной мощностью, вырабатываемой генераторами, и суммарной мощностью, потребляемой приемниками.
Регулирование частоты тока осуществляется регуляторами частоты вращения первичных двигателей и регуляторами частоты тока. Первые непосредственно реагируют на изменение частоты вращения первичного двигателя, а вторые — на изменение тока генератора и его частоты.
Структурная схема системы автоматического регулирования частоты тока и распределения активной мощности (рис. 21.6) включает следующие элементы: измерительный элемент регулятора частоты вращения ИЭРЧВ, реагирующий на отклонение частоты вращения от заданного значения; исполнительный орган регулятора частоты вращения ИОРЧВ; измерительный орган частоты тока (датчик частоты) ДЧ; измерительный орган активного тока (датчик активного тока) ДАТ; усилитель У; серводвигатель СД- исполнительный орган устройства регулирования частоты тока и распределения активной мощности;. первичный двигатель ПД; генератор Г.
При нарушении установившегося режима в системе приходят в действие регуляторы частоты вращения и частоты тока.
В процессе регулирования устанавливается новое значение частоты тока, определяемое статизмом характеристик регулирования.
Регулирование частоты тока и активной мощности генераторов осуществляется воздействием на исполнительный орган регулятора частоты вращения первичного двигателя.
Для регулирования частоты вращения и частоты тока применяются регуляторы с астатической 1 и статической 2 характеристиками (рис. 21.7), выражающими зависимость угловой скорости ω и частоты f от значения активной мощности Р.
При регулировании по астатической характеристике частота в системе остается постоянной независимо от величины нагрузки. Регулирование по статической характеристике дает возможность получить заданное распределение активной нагрузки между генераторами, но при этом с увеличением нагрузки частота уменьшается.
Коэффициент статизма характеристики регулирования определяется по формулам:
где ωx.x, fx.x— угловая скорость и частота при холостом ходе;
ωном , fном — угловая скорость и частота при номинальной активной нагрузке генератора.
Регуляторы частоты вращения характеризуются также степенью неравномерности
где nх.х — частота вращения при холостом ходе;
nном— частота вращения при номинальной нагрузке;
nср — частота вращения при половинной нагрузке.
Основной способ регулирования частоты вращения — по мгновенному отклонению регулируемого параметра. На этом принципе основаны центробежные регуляторы частоты вращения, широко используемые в судовых электроэнергетических системах.
Устройство регулирования частоты и автоматического распределения активных нагрузок типа УРЧН.
На каждой из генераторных секций ГЭРЩ (рис. 21.8) установлены: датчик активного тока ДАТ и усилитель У; кроме того, на секции генератора Г1 установлен прибор регулирования частоты ПРЧ.
Каждый из датчиков активного тока ДАТ измеряет активную составляющую нагрузки своего генератора. Датчики активного тока через блокирующие контакты генераторных выключателей соединены по дифференциальной схеме. Разностный ток их выходов протекает по обмоткам управления всех магнитных усилителей устройства. Выбор балластного агрегата (т. е. агрегата, регулировочная характеристика которого в процессе распределения остается фиксированной) осуществляется путем выключения питания усилителя выбранного агрегата. Выход каждого усилителя включен на обмотку управления двигателя регулятора частям вращения агрегата.
Устройство типа УРЧН, включенное в систему, работает следующим образом. При равенстве значений активных нагрузок генераторов выходные токи датчиков активного тока равны, ток в цепи дифференциальной связи между датчиками отсутствует, напряжения на выходах усилителей равны нулю и двигатели регуляторов частоты вращения не работают.
При рассогласовании значений активных нагрузок агрегатов в цепи дифференциальной связи протекает ток, определяемый значением разности выходных токов датчиков ДАТ; на выходах усилителей появляется напряжение, полярность которого определяется направлением тока в обмотке управления усилителя У. Включенные к выходам усилителей серводвигатели СД в зависимости от полярности сигналов воздействуют на настройки регуляторов частоты вращения РЧВ, которые соответственно перемещают регулировочные характеристики регуляторов частоты вращения агрегатов в сторону уменьшения величины рассогласования активных нагрузок, чем достигается пропорциональное распределение активной мощности между генераторами.
Схемы уравнительных связей при параллельной работе синхронных генераторов.
Уравнительные связи применяются для равномерного распределения реактивных нагрузок между параллельно работающими синхронными генераторами, имеющими автоматическую систему регулирования напряжения.
Уравнительные связи осуществляют на постоянном и на переменном токе.
Принцип осуществления уравнительных связей на постоянном токе является единым для всех систем регулирования. В этом случае силовые выпрямители параллельно работающих генераторов по существу в свою очередь работают параллельно на общие шины, от которых при одинаковом напряжении питаются обмотки возбуждения генераторов. Если генераторы разной мощности, то в обмотку возбуждения генератора меньшей мощности включается соответствующий уравнительный резистор.
Схемы уравнительных связей на переменном токе для различных систем регулирования имеют специфические особенности.
Литература
Судовой механик: Справочник. Том 3 — Фока А.А. (2016)
Источник
Устройство регулятора мощности своими руками
Устройства, позволяющие управлять работой электрических приборов, подстраивая их под оптимальные характеристики для пользователя, прочно вошли в обиход. Одним из таких приспособлений является регулятор мощности. Применение таких регуляторов востребовано при использовании электронагревательных и осветительных приборов и в устройствах с двигателями. Схемотехника регуляторов разнообразна, поэтому порой бывает затруднительно подобрать себе оптимальный вариант.
Простейший регулятор энергии
Первые разработки устройств, изменяющие подводимую к нагрузке мощность, были основаны на законе Ома: электрическая мощность равняется произведению тока на напряжение или произведению сопротивления на ток в квадрате. На этом принципе и сконструирован прибор, получивший название — реостат. Он располагается как последовательно, так и параллельно подключённой нагрузке. Изменяя его сопротивление, регулируется и мощность.
Ток, поступая на реостат, разделяется между ним и нагрузкой. При последовательном включении контролируются сила тока и напряжение, а при параллельном — только значение разности потенциалов. В зависимости от материала, из которого изготовлено сопротивление, реостаты могут быть:
- металлическими;
- жидкостными;
- угольными;
- керамическими.
Согласно закону сохранения энергии, забранная электрическая энергия не может просто исчезнуть, поэтому в резисторах мощность преобразуется в теплоту, и при большом её значении должна от них отводиться. Для обеспечения отвода используется охлаждение, которое выполняется с помощью обдува или погружением реостата в масло.
Реостат — довольно универсальное приспособление. Единственный, но существенный его минус — это выделение тепла, что не позволяет выполнить устройство с небольшими размерами при необходимости пропускать через него мощность большой величины. Управляя силой тока и напряжения, реостат часто используется в маломощных линиях бытовых приборов. Например, в аудиоаппаратуре для регулировки громкости. Выполнить такой регулятор тока своими руками совсем несложно, в большей мере это касается проволочного реостата.
Для его изготовления понадобится константовая или нихромовая проволока, которая наматывается на оправку. Регулирование электрической мощности происходит путём изменения длины проволоки.
Виды современных устройств
Развитие полупроводниковой техники позволило осуществить управление мощностью, используя радиоэлементы с коэффициентом полезного действия от восьмидесяти процентов. Это дало возможность их комфортно применить в сети с напряжением 220 вольт, не требуя при этом больших систем охлаждения. А появление интегральных микросхем и вовсе позволило достичь миниатюрных размеров всего регулятора в целом.
На сегодняшний момент производство выпускает следующие типы приборов:
- Фазовые. Используются для управления яркости свечения ламп накаливания или галогенных ламп. Другое их название — диммеры.
- Тиристорные. В основе работы лежит использование задержки включения тиристорного ключа на полупериоде переменного тока.
- Симисторные. Мощность регулируется вследствие изменения количества полупериодов напряжения, которые действуют на нагрузку.
- Регулятор хода. Позволяет плавно изменять электрическую мощность, подаваемую на электродвигатель.
При этом регулировка происходит независимо от формы входного сигнала. По своему виду расположения приборы управления разделяются на портативные и стационарные. Они могут выполняться как в независимом корпусе, так и интегрироваться в аппаратуру. К основным параметрам, характеризующим регуляторы электрической энергии, относят:
- плавность регулировки;
- рабочую и пиковую подводимую мощность;
- диапазон входного рабочего сигнала;
- КПД.
Таким образом, современный регулятор электрической мощности представляет собой электронную схему, использование которой позволяет контролировать количество энергии, пропускаемой через него.
Тиристорный прибор управления
Принцип действия такого прибора не отличается особой сложностью. В основном тиристорный преобразователь используется для управления устройствами малой мощности. Типовая схема тиристорного регулятора мощности состоит непосредственно из самого тиристора, биполярных транзисторов и резисторов, устанавливающих их рабочую точку, и конденсатора.
Транзисторы, работая в ключевом режиме, формируют импульсный сигнал. Как только значение напряжения на конденсаторе сравнивается с рабочим, транзисторы открываются. Сигнал подаётся на управляющий вывод тиристора, открывая и его. Конденсатор разряжается и ключ запирается. Так повторяется в цикле. Чем больше задержка, тем в нагрузку поступает меньше мощности.
Преимущества такого типа регулятора в том, что он не требует настройки, а недостаток в чрезмерном нагреве. Для борьбы с перегревом тиристора используется активная или пассивная система охлаждения.
Используется такого типа регулятор для преобразования мощности, подающейся как к бытовым приборам (паяльник, электронагреватель, спиральная лампа), так и к промышленным (плавный запуск мощных силовых установок). Схемы включения могут быть однофазными и трёхфазными. Наиболее применяемые: ку202н, ВТ151, 10RIA40M.
Симисторный преобразователь мощности
Симистор — полупроводниковый прибор, предназначенный для использования в цепи переменного тока. Отличительной чертой прибора является то, что его выводы не имеют разделения на анод и катод. В отличие от тиристора, пропускающего ток только в одну сторону, симистор проводит ток в обоих направлениях. Именно поэтому он используется в сетях переменного тока.
Важное отличие симисторных схем от тиристорных состоит в том, что нет необходимости в выпрямительном устройстве. Принцип действия основан на фазном управлении, то есть на изменении момента открытия симистора относительно перехода переменного напряжения через ноль. Такое устройство позволяет управлять нагревателями, лампами накаливания, оборотами электродвигателя. Сигнал на выходе симистора имеет пилообразную форму с управляемой длительностью импульса.
Самостоятельное изготовление такого вида приборов проще, чем тиристорного. Широкую популярность получили симисторы средней мощности типа: BT137–600E, MAC97A6, MCR 22−6. Схема регулятора мощности на симисторе с использованием таких элементов отличается простотой изготовления и отсутствия необходимости в настройке.
Фазовый способ трансформации
Сам по себе диммер имеет широкую область применения. Одним из вариантов его использования является регулировка интенсивности освещения. Электрическая схема прибора чаще всего реализуется на специализированных микроконтроллерах, использующих в своей работе встроенную электронную схему понижения напряжения. Из-за этого диммеры способны плавно изменять мощность, но чувствительны к помехам.
Фазовые регуляторы мощности не стабилизируются с помощью стабилитронов, а в качестве стабилизатора используют попарно работающие тиристоры. Основа их работы лежит в изменении угла открывания ключевого тиристора, в результате чего на нагрузку поступают сигналы с отрезанной начальной частью полупериода, снижая действующую величину напряжения. К недостаткам диммеров относят высокий коэффициент пульсаций и низкий коэффициент мощности выходного сигнала.
При работе диммеров в широком спектре частот возбуждаются электромагнитные помехи. Такие излучения приводят к снижению КПД из-за появления паразитного тока в проводниках. Для борьбы с такими токами в конструкцию добавляются индуктивно-ёмкостные фильтры.
Практические примеры для повторения
Наибольшей популярностью среди радиолюбителей пользуются схемы, предназначенные для управления яркостью светильника и изменения мощности паяльника. Такие схемы просты для повторения и могут собираться без использования печатных плат простым навесным монтажом.
Схемы, выполненные самостоятельно, ничем не уступают по работоспособности заводским, так как не требуют настроек и при исправных радиодеталях сразу готовы к использованию. В случае отсутствия возможности или желания изготовить прибор своими руками с «нуля», можно приобрести наборы для самостоятельного изготовления. Такие комплекты содержат все необходимые радиоэлементы, печатную плату и схему с инструкцией по сборке.
Доминирующая схема
Такой прибор проще всего собрать на тиристоре. Работа схемы основана на способности открывания тиристора при прохождении входной синусоиды через ноль, в результате чего сигнал обрезается, и величина напряжения на нагрузке изменяется.
Схема для повторения тиристорного регулятора мощности построена на использовании тиристора VS1, в качестве которого используется КУ202Н. Это радиоэлемент изготавливается из кремния и имеет структуру p-n-p типа. Применяется в качестве симметричного переключателя сигналов средней мощности и коммутации силовых цепей на переменном токе.
При подаче напряжения 220в входной сигнал выпрямляется и поступает на конденсатор C1. Как только значение падения напряжения на C1 сравняется с величиной разности потенциалов, в точке между сопротивлениями R3 и R4 биполярные транзисторы VT1 и VT2 открываются. Уровень напряжения ограничивается стабилитроном VD1. Сигнал поступает на управляющий вывод КУ202Н, а конденсатор C1 разряжается. При возникновении сигнала на управляющем выводе тиристор отпирается. Как только конденсатор разрядится, VT1 и VT2 закрываются, соответственно запирается и тиристор. При следующем полупериоде входного сигнала всё повторяется вновь.
В качестве транзисторов используются КТ814 и КТ815. Время разряда регулируется с помощью R5 и мощность тоже. Стабилитрон используется с напряжением стабилизации от 7 до 14 вольт.
Такой регулятор возможно использовать не только как диммер, но и для управления мощностью коллекторного двигателя. Доминирующая схема может работать при токах до 10 ампер, эта величина напрямую зависит от характеристик используемого тиристора, при этом он обязательно устанавливается на радиатор.
Контроллер нагрева паяльника
Управление мощностью паяльника не только положительно сказывается на сроке его службы, предотвращая жало и внутренние его элементы от перегревания, но и позволяет выпаивать радиоэлементы, критичные к температуре устройства.
Приборы для контроля температуры паяльника выпускаются давно. Одним из его видов был отечественный прибор, выпускающийся под названием «Добавочное устройство для электропаяльника типа П223». Он позволял подключать низковольтный паяльник к сети 220В.
Проще всего выполняется регулятор для паяльника с применением симистора КУ208Г.
Силовые контакты подключаются последовательно к нагрузке. Поэтому ток, протекающий через симистор, совпадает с током нагрузки. Для управления ключевым режимом применяется динистор VS2. Конденсатор C1 заряжается через резисторы: R1 и R2. Индикация работы организовывается под средством VD1 и светодиода LED. Из-за того, что для изменения напряжения на конденсаторе требуется время, образуется сдвиг фаз между сетевым и конденсаторным напряжением. Изменяя величину сопротивления R2, регулируется величина фазового сдвига. Чем дольше конденсатор заряжается, тем меньше находится в открытом состоянии симистор, а значит и значение мощности ниже.
Такой регулятор рассчитан на подключение нагрузки с мощностью до 300 ватт. При использовании паяльника с мощностью более 100 ватт симистор следует устанавливать на радиатор. Изготовленная плата с лёгкостью помещается на текстолите размером 25х30 мм и свободно размещается во внутренней сетевой розетке.
Originally posted 2018-07-04 07:13:04.
Источник