3.3.2 Уравнение регулятора напряжения на магнитных усилителях.
Как уже отмечалось, основными элементами рассматриваемого регулятора являются: выпрямительное устройство, измерительный орган, магнитные усилители и стабилизирующий трансформатор.
Выпрямительное устройство и измерительный орган по своим динамическим характеристикам можно отнести к пропорциональным звеньям. Тогда в малых отклонениях их можно представить следующим уравнением:
где uио — приращение напряжения на выходе измерительного органа;
kи — коэффициент усиления измерительного органа и блока питания;
u =Uср — приращение среднего линейного напряжения синхронного генератора.
М агнитные усилители по своим характеристикам соответствуют апериодическому звену. Так как на вход магнитного усилителя первого каскада усиления УМ1 кроме напряжения рассогласованияUср контролируемого измерительным органом, подводится напряжение от вторичной обмотки стабилизирующего трансформатора Т1, а в случае параллельной работы генераторов — и от измерителя рассогласования их реактивной мощности, то уравнение усилителя УМ1 для малых отклонений имеет вид
где Тум1 — постоянная времени магнитного усилителя УМ1;
kу1 , kуос , kуур — коэффициенты усиления первого каскада усиления соответственно по сигналам от измерительного органа иио обратной .связи иос и измерителя реактивной мощности иур.
Знак минус, стоящий перед правой частью уравнения (3.5), показывает, что с увеличением сигналов иос, иос и иур величина выходного напряжения ивых1 усилителя УМ1 уменьшается.
Магнитный усилитель УМ2 второго каскада усиления представляют уравнением
где Тум2 — постоянная времени магнитного усилителя УМ2;
kу2 — коэффициент усиления второго каскада усиления.
Рабочие обмотки магнитного усилителя УМ2 через выпрямительный мост В1 включены в цепь питания обмотки возбуждения возбудителя бесконтактного генератора.
Опыт моделирования процессов в системах электроснабжения с регуляторами напряжения на магнитных усилителях показывает, что с достаточной степенью точности два последовательно включенных магнитных усилителя можно заменить одним — эквивалентным апериодическим звеном, передаточная функция которого равна:
- коэффициент усиления эквивалентного усилителя;
- постоянная времени эквивалентного усилителя.
3.4. Блок регулирования напряжения брн-7м
3.4.1 Назначение. Состав. Электрическая схема.
Блок регулирования напряжения БРН-7М предназначен для стабилизации напряжения генератора постоянного тока с повышенной точностью 28,5 ±0,5В.
Напряжение регулируется по замкнутому циклу (см. рис. 3.4.1). Любое изменение напряжения воспринимается измерительным органом (БИОН), в котором вырабатывается сигнал, пропорциональный величине изменения напряжения. Сигнал с БИОН подается в блок предварительного усиления (ВУП), а затем поступает на вход усилителя мощности (БУМ), усиливается силовой частью (СЧ) и подается на исполнительней орган-обмотку возбуждения генератора (ОВГ). Тем самым напряжение генератора приводится к номинальному значению.
Рис.3.4.1. Структурная схема БРН – 7М
Усилитель мощности БУМ работает в режиме широтно-импульсной модуляции (ШИМ) и выполнен на транзисторах с использованием положительной токовой обратной связи, что уменьшает потери в мощности в схеме управления. В качестве модулятора ширины импульсов используется магнитный усилитель. В оконечном каскаде усилителя мощности (СЧ) использованы
транзисторы, включенные параллельно для разгрузки по току и трансформатор, осуществляющей положительную обратную связь.
Для улучшения качества переходных процессов в регуляторе применена обратная связь. В статическом режиме обратная связь работает как гибкая положительная, в переходных режимах, как жесткая отрицательная.
Регулятор напряжения по принципу работы относится к регуляторам напряжения дискретного действия. Это обеспечивается включением в цепь ОВГ транзистора (VТ6), работающего в ключевом режиме (см. прил. 1). При открытом состоянииVТ6 обмотка возбуждения питается от генератора. При этом происходит нарастание тока в ОВГ. При закрытом состоянии ток уменьшается, но не до нуля, за счет наведения в ОВГ ЭДС самоиндукции, обеспечиваемой значительной индуктивностью обмотки возбуждения.
Режим непрерывного тока в ОЗГ обеспечивается включением параллельно ОВГ цепочки с диодом VД12. При закрытомVТ6 за счет ЭДС самоиндукции в ОВГ поддерживается ток.
Таким образом, изменяя длительность открытого состояния транзистора VТ6 можно изменить среднее значение тока за период, и, следовательно, изменять напряжение генератора.
Электрическая схема ЗРН-7М приведена в приложении 1. Основными элементами схемы ВРН являются:
- измерительный орган БИОН;
- предварительный усилитель БУП;
- усилитель мощности БУМ-1М (широтно-импульсный модулятор ШИМ);
- силовая часть СЧ.
Измерительный орган БИОН (блок намерения отклонения напряжения) представляет собой нелинейный электрический мост, к которому приложено напряжение генератора. Плечи моста:R1,R2,R3– резисторы, УД1 - стабилитрон. Характеристика измерительного органа приведена на рис. 3.4.2. Параметры измерительного органа подобраны так, что равновесие моста (равенство потенциалов φаи φб) наступает при напряжении генератора, меньшем номинального значения, В нормальных режимах работы генератора потенциал φббольше потенциала φаи ток в диагонали моста при увеличении напряжения увеличивается, при уменьшении напряжения генератора - уменьшается.
Рис. 3.4.2. Характеристика БИОН
Предварительный усилитель БУПвыполнен по схеме дифференциального усилителя посеянного тока на транзисторахVT1 иVТ2. ТранзисторVT3 играет роль источника постоянного тока благодаря тому, что потенциал на его базе поддерживается постоянным с помощью стабилитронаVД2. Нагрузкой БУП является обмотка управленияWyмагнитного усилителя УМ БУМ-1М.
Усилитель мощности БУМ-1Мпредставляет собой широтно-импульсный модулятор ШИМ, в состав которого входят преобразователь напряжения ПН (генератор Ройера), выполненный по схеме мультивибратора с трансформаторной связью, модулятор длительности импульсов МДИ и формирователь запирающих импульсов ФЗИ.
Преобразователь напряжения ПН генерирует знакопеременное напряжение прямоугольной формы с частотой 500. 550 Гц.
Модулятор длительности импульсов МДИ представляет собой магнитный усилитель УМ, управляющий состоянием транзистора VT4.
Формирователь запирающих импульсов ФЗИ включает в свой состав трансформатор Т2, дифференциальную цепочку (конденсатор С2, выпрямитель VД8VД11 и резисторR9), источник напряжения смещения (конденсатор С1) и транзисторVТ5.
Временные диаграммы работы широтно-импульсного модулятора приведены на рис. 3.4.3.
Рис. 3.4.3. Временные диаграммы ШИМ
За счет знакопеременного напряжения, приложенного к рабочим обмоткам Wр магнитного усилителя, происходит циклическое перемагничивание его сердечников. До тех пор, пока сердечники находятся в ненасыщенном состоянии, ЭДС самоиндукции, наводимая в рабочих обмотках велика, и ток в них практически равен нулю. Падение напряжения на резистореR7 мало, и транзисторVT4 закрыт (i4=0). С момента насыщения сердечников УМ и до конца очередного полупериода напряжение питанияVn, все напряжение оказывается приложенным к резисторуR7, и транзисторVT4 открывается. Время насыщения сердечниковtн, а следовательно и длительность τиоткрытого состояния транзистораVТ4, определяется величиной тока управленияIyв обмоткеWу магнитного усилителя УМ: чем больше ток управления, тем больше времяtннасыщения сердечников, тем меньше длительность τи.
Транзистор VТ5 формирователя запирающих импульсов закрыт
(i5=0) в течение всего полупериода приложенного напряжения за счет падения напряжения на конденсаторе С1. При смене полярности напряжения питанияVп конденсатор С2 быстро перезаряжается и по дифференцирующей цепочке С2 -VД8…VД11 -R19 протекает импульс тока, достаточный для открытия транзистораVТ5. Таким образом, транзисторVТ5 открывается на короткий промежуток времени в конце очередного полупериода.
Силовая часть СЧпредставляет собой транзисторный ключ, выполненный на транзистореVТ6, охваченный положительной обратной связью с помощью многообмоточного трансформатораT1.
Принцип ее работы заключается в следующем: до тех пор, пока транзистор VТ4 широтно-импульсного модулятора закрыт, транзисторVT6 также закрыт, сердечник трансформатора Т1 не насыщен.
В момент открытия VТ4 через обмоткуW2 трансформатора Т1 и переход база-эмиттерVТ6 начинает протекать ток. Проводимость транзистора несколько увеличивается и по нему начинает протекать ток. Коллекторный ток, проходя по обмоткеW1, создает МДС, под действием которой сердечник трансформатора начинает намагничиваться. При этом во всех обмотках Т1 наводятся ЭДС.
ЭДС наводимая в обмотке W2, обуславливает увеличение базового
тока транзистора VТ6, а, следовательно, и увеличение его коллекторного тока. Это в свою очередь, приводит к повышению скорости перемагничивания сердечника трансформатора, увеличение ЭДС в обмотках и т.д.
Таким образом, происходит лавинообразный процесс отпирания транзистора VТ6 и перевод его в насыщенное состояние. В таком состоянии силовая часть может находиться до тех пор, пока сердечник трансформатораT1 полностью не насытится или не последует импульс на запирание транзистораVТ6. Время, за которое происходит полное насыщение сердечника Т1, составляет 3. 4 периода Т следования импульсов управления. Таким образом, при отказах регулятора напряжения, связанных со срывом автоколебаний мультивибратора преобразователя ПН или исчезновением импульсов управления транзисторомVT6, происходит автоматическое отключение обмотки возбуждения генератора.
В процессе нормальной работы регулятора в конце каждого полупериода напряжения Vп кратковременно открывается транзистор
VT5 ФЗИ. При этом за счет ЭДС наводимой в обмоткеW3 трансформатор Т1, создается импульс тока на запирание транзистораVT6 СЧ. Ток коллектораVT6 при этом несколько уменьшается, но ток в ОВГ мгновенно измениться не может, т.к. обмотка обладает большой индуктивностью. За счет ЭДС самоиндукции ток в ней будет поддерживаться по короткозамкнутой цепи: обмотка дополнительных полюсов ОДП-корпус-обмоткаW4T1-диодVД12. Этим током сердечник трансформатора Т1 начинает перемагничиваться, и ЭДС во всех его обмотках изменит знак на противоположный, в результате чего транзисторVT6 мгновенно закрывается.
Таким образом, напряжение Uвприкладываемое к ОВГ, имеет импульсный характер (см. рис. 3.4.3.), а ток возбужденияiвпульсирует относительно некоторого среднего значения. Среднее значение напряжения возбужденияIви, следовательно, среднее значение тока возбужденияIвтем больше, чем больше длительность τтимпульсов напряжения.