В данной статье излагается сравнение стабилизированных источников тока по удельной мощности элементов и по надежности работы устройства. Излагаются расчет вероятность безотказной работы предложенный стабилизаторов тока и таблице сопоставленных вариантов однофазных стабилизированных источников тока.
This article describes comparison of stabilized power sources for power density and reliability of the elements of the device. We present calculations of the probability of failure-free operation of the proposed stabilizers and current mapping table choices of single-phase stabilized current sources.
Большинство отраслей электротехники, электрофизики, электротермии нуждаются в автоматическом поддержании постоянства тока. В связи с этим появляется необходимость применения различных стабилизирующих устройств, поддерживающих в неизменном уровне тока однофазные и трехфазные нагрузки, когда одновременно изменяется сопротивление нагрузки и напряжение питающей сети.
При одинаковым режиме и условии работы стабилизированных источников тока суммарная установленная мощность элементов устройства является основным фактором выбора схемы стабилизатора, так как определяет весо-габаритные и стоимостные показатели устройства. Поэтому всегда выгодно иметь минимальную установленную мощность реактивных элементов к мощность нагрузки.
Для определения области применения оптимальных вариантов стабилизированных источников тока, необходимо их сравнивать по установленным мощностям реактивных элементов и надежности работы устройства.
В качестве сравниваемых вариантов принимаем:
а) Т — образную схему ИЕП с неуправляемым выпрямителем [1] и вольтодобавочным трансформатором, используемым для компенсации отклонения напряжения сети (рис.1);
Рис. 1. Т-образная схема ИЭП с неуправляемым выпрямителем и вольтодобавочным трансформатором
б) последовательный тиристорный регулятор с мостовым выпрямителем, сглаживающим L фильтром на выходе и компенсирующим конденсатором на входе, (рис.2);
Рис. 2. Последовательный тиристорный регулятор
в) схему однофазного феррорезонансного стабилизатора тока с неуправляемым выпрямителем на выходе, [2],(рис.3).
Рис. 3. Базовая схема феррорезонансного стабилизатора тока
Для сопоставления вариантов принимаем:
1. Отклонение напряжения питающей сети — в пределах от -20 % до +10 %;
2. Нагрузка является чисто активной и изменяется от 0 до Rкрит;
3. Элементы устройств — линейные дроссели, конденсаторы, полупроводниковые диоды, тиристоры — идеальное;
4. cosφ устройств для всех вариантов одинаковы.
Определим установленные мощности элементов сопоставляемых источников переменного тока.
Анализ работы ИЕП показал, что неизменность тока нагрузки достигается при постоянстве напряжения. В таких устройствах ток нагрузки на выходе изменяется пропорционально входному напряжению. Для компенсации отклонения входного напряжения используется вольтодобавочный трансформатор которое характеризуется проходной мощностью, передаваемой в ИЕП.
Согласно [1] для этой схемы мощность реактивных элементов превышает мощности нагрузки в два раза. При отклонении питающего напряжения в пределах +10 % ÷ -20 % собственная мощность ВДТ в зависимости от полной мощности ИЕП
(1)
Удельная мощность ИЕП с учетом ВДТ
, (2)
т. е. установленная мощность ИЕП с учетом ВДТ превышает мощность нагрузки примерно в 2,3 раза.
Тиристоры благодаря компактности, высоким КПД, малой мощности управления нашли широкое применение в качестве регуляторов переменного тока. Однако тиристорные регуляторы искажают форму кривой выходного тока, которые высшие гармоники могут доходить до 40 % от действующего значения тока первой гармоники в зависимости от угла управления тиристорами. При изменении угла управления от 00 до 1800 коэффициент мощности тиристорных устройств изменится от 1 до 0. Поэтому для увеличения cosφ и сглаживания пульсации применяются компенсирующие устройства и фильтры высших гармоник.
В схеме (Рис.2) с целью получения необходимого cosφ используется конденсаторная батарея Ск на стороне переменного тока, а для уменьшения коэффициента пульсации — сглаживающий линейный дроссель на стороне постоянного тока. Значение установленной мощности конденсаторных батареи равно реактивной мощности потребляемой из сети.
Согласно [3] для такой идеализированной схемы выпрямителя справедливо следующее соотношение:
(3)
здесь, 
— коэффициент искажения; 
— коэффициент мощности;
— активная мощность и 
— полная мощность;
— действующее значение входного тока;
— гармонический составляющий входного тока.
Угол φ1 равен углу регулирования тиристоров α (α=φ1). В соответствии с [3] при большой индуктивности сглаживающего дросселя:
(4)
(5)
Полная мощность, потребляемой из сети:
(6)
Из соотношений (5) и (6) определим величину относительной установленной мощности статических конденсаторов:
(7)
где, αmax — максимальное значение угла регулирования;
λ — диапазон изменения сопротивления нагрузки.
Согласно [3] коэффициент сглаживания сглаживающего фильтра s характеризует степень сглаживания фильтра и определяется:
(8)
где, β1; β2 — коэффициент пульсации на входе и на выходе фильтра.
Индуктивность сглаживающего фильтра определяется в зависимости от коэффициента сглаживания:
, 
(9)
где, Ld — индуктивность сглаживающего дросселя;
Rd — сопротивления нагрузки;
ωm — круговая частота основной гармоники на выходе выпрямителя;
m — фазность выпрямителя, (m=4).
При малой величине пульсации (Рис.2), (β≤5,7 %) справедливы следующие соотношения:
; 
(10)
где, Udo (при α=0) и Udа (при α>0) — среднее значения выпрямленного напряжения.
Пологая QdT=PTи B0=BT (приBm≤BT) приближенно можно определить типовую мощность сглаживающего дросселя:
(11)
Для случая Id=const, получим связь между диапазоном изменения сопротивления нагрузки λ и углом регулирования выпрямителя α:
(12)
Для граничного условия αmin=0 (cosαmin=1) можно переписать отношение (12) в виде:
(13)
Тогда с учетом (12) и (13) выражения (7) и (11) приводим к виду:
; м
(14)
Принцип работы ФСТ [2] показывает, что эти устройства в определенном диапазоне не критичны к изменению сопротивления нагрузки и отклонению входного напряжения. В этих устройствах установленная мощность реактивных элементов превышает мощность нагрузки в 4÷4,5 раза, когда нагрузки изменится в пределах от 0 да Rкрит. Критерием уменьшения удельной мощности ФСТ является исключение режима без нагрузки.
В таблице приведены сопоставление показателей стабилизированных источников тока.
Таблица 1
|
Вид стабилизаторов тока |
λ |
1,0 |
1,1 |
1,2 |
1,3 |
1,4 |
1,5 |
1,6 |
1,7 |
1,8 |
|
ИЕП |
|
2,3 |
2,3 |
2,3 |
2,3 |
2,3 |
2,3 |
2,3 |
2,3 |
2,3 |
|
Тиристорный преобразователь |
|
0 |
0,1476 |
0,196 |
0,226 |
0,248 |
0,264 |
0,276 |
0,287 |
0,29 |
|
|
0,481 |
0,636 |
0,733 |
0,8 |
0,85 |
0,88 |
0,916 |
0,941 |
0,966 |
|
|
|
0,481 |
0,784 |
0,929 |
1,026 |
1,098 |
1,152 |
1,192 |
1,228 |
1,256 |
|
|
ФСТ |
|
4,38 |
4,21 |
3,9 |
3,682 |
3,45 |
3,211 |
2,99 |
2,97 |
2,82 |
Надежность стабилизированных источников тока завысить от безопасности работы отдельных элементов которые требует учет надежности всех элементов устройств.
При длительности времени безотказной работы t надежность устройства состоящее из n — элементов,
(15)
где, λ — постоянная, называемая интенсивность внезанных отказов;
t — продолжительность времени безотказной работы устройства.
В реальных условиях надежность изменяется со временем неравномерно, так как условия эксплуатации, температура окружающей среды резко влияет на режим работы устройств.
Принимая данные о надежности отдельных элементов устройств при 1000 ч, [4] непрерывной работы определим надежность всего устройства.
Для ИЕП с мостовым неуправляемым выпрямителем интенсивность отказов λ для t=1000 ч.
Таблица 2
|
|
λ |
Р |
|
Реле напряжения |
0,05 |
0,944 |
|
Автотрансформатор для регулирования ВДТ |
0,002 |
|
|
ВДТ |
0,002 |
|
|
Линейный дроссель |
0,002 |
|
|
Конденсатор |
0,001 |
Таким образом, надежность ИЕП около 94,4 % в течение 1000 ч эксплуатации.
Интенсивность отказов ФСТ без неуправляемого выпрямителя:
Таблица 3
|
|
λ |
Р |
|
Ферромагнитный элемент |
0,002 |
0,944 |
|
Линейный дроссель |
0,002 |
|
|
Конденсатор |
0,002 |
|
|
Конденсатор |
0,001 |
Для тиристорного преобразователя без неуправляемого выпрямителя повреждение каждого блока вызывает отказ всего устройства. Вероятность безотказной работы при λ1=λ2=λ определяется как:
(16)
Таблица 4
|
|
λ |
Р |
|
Тиристор 1 |
1,0 |
|
|
Тиристор 2 |
1,0 |
Надежность тиристорного преобразователя без учета цепи управления ориентировочного в пределе 60,04 %.
Из сопоставления вариантов стабилизированных источников постоянного тока по надежности можно заключить, что ФСТ (Р=99,4 %) и ИЕП с ВДТ (Р=94,4 %) имеет лучшие показатели по сравнению мостовым тиристорным выпрямителем (Р=60,04 %).
Сопоставление по удельной мощности (таблица 1) показывает, что мостовой тиристорный выпрямитель имеет преимущество.
Изложенные выводы имеет общей характер и относится к однофазной схеме. Для более детального сопоставления различных вариантов стабилизированных источников тока, необходимо учесть конкретную область применения и условия их эксплуатации.
Литература:
1. Милях А. Н., Волков И. В., Системы неизменного тока на основе индуктивно-емкостных преобразователей, Наукова думка, К, 1974 г, стр. 154.
2. Кадыров Т. М., Расулов А. Н., Однофазный феррорезонансный стабилизатор тока с синусоидальной формой кривой тока. Автоматика и телемеханика, № 11, 1977 г, стр. 197–200.
3. Полупроводниковые выпрямители. Под редакции Ф. И. Ковалева и Мостковой. «Энергия», М., 1967 г., стр. 480.
4. Ривник Г. И., Преобразовательные устройства, «Энергия», М. 1967 г.
