Основи перетворювальної техніки

Розділ 7. Системи управління відомими вентильними перетворювачами.

Лекція № 17. Принципи фазового управління вентильними преобразо -

17.1. Функції та структура систем управління вентильними перетворювачами.

Вентильніперетворювачі складаються з силової частини і системи управління. Силова частина вентильного перетворювача, що включає в себе керовані вентилі (тиристори й потужні транзистори), може функціонувати тільки при подачі в певні моменти часу імпульсів на керуючі електроди силових вентилів. Показники системи управління визначають техніко-економічні параметри вентильних перетворювачів в тій же мірі, що і показники силової схеми.

Системи управління являють собою розвинені інформаційні пристрої, що виконують різні функції в залежності від типу перетворювача і області його застосування. Однак ці функції можуть бути зведені до узагальненого переліку, оскільки в кінцевому рахунку головним завданням роботи системи управління є формування сигналів, що забезпечують вмикання і вимикання силових вентилів. У вентильних перетворювачів з природною комутацією вимикання вентилів здійснюється за рахунок зміни полярності напруги мережі живлення і спаду струму через вентиль до нуля. Тому система управління здійснює тільки включення вентилів (одноопераційних тиристорів). У системах управління з примусовою комутацією система управління забезпечує вимикання силових вентилів в певні моменти часу: це здійснюється або шляхом впливу на керуючий електрод повністю керованого вентиля (транзистора або двухопераціонного тиристора), або шляхом включення допоміжних вентилів контуру примусової комутації одноопераційних тиристорів. Найбільшого поширення серед залежних вентильних перетворювачів (випрямлячів, залежних інверторів, регульованих перетворювачів змінної напруги, безпосередніх перетворювачів частоти) отримали перетворювачі з природною комутацією вентилів, силова частина яких виконана на однооперціонних тиристорах. Далі розглядаються системи управління з залежними вентильними перетворювачами з природною комутацією (системи імпульснофазового управління - СІФУ).

Отже, функції систем управління такими перетворювачами можуть бути зведені до формування в певні моменти часу керуючих імпульсів на певному вентилі. Це завдання може бути розділена на дві задачі:

1. Визначення моментів часу, в які повинні бути включені певні вентилі. Ці моменти часу задаються деяким управляючим сигналом, який визначає роботу вентильного перетворювача (цей сигнал називають також провідним, що задає, іноді еталонним сигналом). Керуючий сигнал визначає величину вихідного параметра перетворювача (наприклад, середнє значення вихідної напруги або струму випрямляча). Оскільки рішення першого завдання в залежних перетворювачів пов'язано з певним моментом включення вентиля, підключеного до напруги мережі живлення, то момент включення повинен бути пов'язаний з поточним значенням фази мережі живлення, тобто система управління задає кут управління - фазову затримку керуючого імпульсу на i-й вентиль щодо моменту природної комутації i-ого вентиля, тобто момент відмикання i-ого вентиля в діодному режимі, коли відмикання відбувається в момент появи позитивної напруги на аноді вентиля. Таким чином, перше завдання є завданням інформаційної та зводиться до перетворення керуючого сигналу (наприклад, струму входу) у тимчасову величину - кут управління α.

Це перетворення математично описується фазової характеристикою α = f (Uу), де

Uу - керуючий сигнал. При виконанні системи управління прагнуть до того, щоб

фазова характеристика була однозначною. Поширення набули фазові характе-

Вентильний перетворювач, що складається з силової частини і системи управління можна представити у вигляді передавальної ланки (рисунок 17.4.), На вхід якого подається керуючої сигнал, а з виходу знімається вихідний параметр.

Мал. 17.4. Еквівалентна схема випрямляча як об'єкта управління.

Дане передавальне ланка описується регулювальної характеристикою перетворювача. Якщо вихідним параметром випрямляча є напруга Ud, то регулювальна характеристика має вигляд Ud = f (Uу). При лінійної залежності Ud від Uу характеристика називається лінійної. На малюнку 17.5. представлені регулювальні характеристики вентильного перетворювача. Регулювальна характеристика описує весь перетворювач, що складається з силової частини і системи управління.

Оскільки вихідні параметри перетворювача залежать не тільки від фази керуючих імпульсів, але і від форми і величини напруги живлення, від комутаційних процесів, в вентильному перетворювачі, від роботи фільтруючих пристроїв, то регулювальна характеристика в великій мірі від електромагнітних процесів в силовій частині перетворювача.

Стабілізація регулювальної характеристики перетворювача, при впливі на перетворювач безлічі чинників, може бути здійснена тільки в вентильних перетворювачів із замкнутим контуром управління.

Найбільш важливою частиною системи управління є фазосмещающее пристрій (ФСУ), його властивості визначають найважливіші показники системи управління. Тому, системи управління поділяються залежно від принципів, покладених в основу роботи ФСУ.

17.2. Способи побудови синхронних фазосмещающіх пристроїв.

ФСУ є перетворювачем сигналу U у в кут управління a. відлічуваний від моменту природного відмикання чергового вентиля. ФСУ, в який вводиться інформація про поточне значення фази живильної напруги, тобто ФСУ, робота якого синхронізована мережею живлення, називається синхронним ФСУ. Синхронні ФСУ можуть застосовуватися в замкнутих системах управління. В такому випадку на вхід ФСУ подається сигнал U = U у -U ос.

Існує ряд способів побудови синхронних ФСУ. Найбільшого поширення набули ФСУ з розгортають сигналом, які часто називають ФСУ вертикального типу. ФСУ складається з генератора розгортає (опорного) напруги (ГОН), робота якого синхронізується напругою живлення мережі, і схеми порівняння (компаратора) СС, на які надходять опорна і управляє напруги. Структурна схема вертикального ФСУ наведено на рис. 17.6.

СС фіксує рівність U оп і U у. в момент рівності перемикається СС і виробляється керуючий імпульс, який передається на керуючий електрод чергового вентиля. Фазова характеристика ФСУ залежить від вибору фор

ми опорного напруги.

Регулювальна характеристика представлена ​​на ріс.17.5. графік 3. Керуючий і вихідна напруги при цьому також пов'язані залежністю близькою до лінійної. Лінійна залежність U d = f (U у) зумовлює добрі властивості вентильного перетворювача, як елемента системи автоматичного управління.

Таким чином реалізація вертикального способу управління дозволяє домогтися лінійності регулювальних характеристик вентильного перетворювача. Другою гідністю способу є досягнення максимальної швидкодії, оскільки керуючий сигнал подається на схеми порівняння без усереднення і запізнювання.

Ріс.17.8 Схема ФСУ вертикального типу.

На малюнку 17.8 приведена принципова схема ФСУ вертикального типу. На операційному підсилювачі DA1 зібрана схема інтегратора.

При подачі на вхід постійної напруги U0 на його виході формується лінійно наростаючий опорна напруга з рівняння (17.8). дійсно:

тобто опорна напруга має косинусоидальной форму.

Початок розгортки відбувається в обох випадках при нульових початкових умовах, що забезпечується замиканням закорачівающего ключа VT, керованого напругою мережі.

На операційному підсилювачі DA2 зібрана схема порівняння.

Крім вертикального способу в ряді випадків застосовується спосіб управління, заснований на інтегруванні сигналу, званий горизонтальним способом управління.

Структурна схема пристрою наведена на ріс.17.9.

Ріс.17.9. Структурна схема ФСУ горизонтального типу.

Його робота описується рівняннями:

Схема порівняння спрацьовує в момент ωt = α. Звідси знаходимо вираз для фазової характеристики:

Знайдемо рівняння регулювальної характеристики. Для цього вираз (17.11) підставимо в рівняння (17.4):

U d = U d0 cos ç

Виберемо U 0 = U m і виконаємо наступні перетворення:

Регулювальна характеристика (крива 4), наведена на малюнку 17.5, має істотний нелінійний характер. Зазначений недолік обмежує застосування ФСУ горизонтального типу.

Другим недоліком ФСУ цього типу є низька швидкодія, пов'язане з інтеграцією керуючого сигналу через що зміни керуючого сигналу передаються на порівнює орган із запізненням.

Розглянуті ФСУ можуть формувати кути управління α в діапазоні від 0º до 180º. Однак в реальних вентильних перетворювачів діапазон зміни кутів повинен

бути обмежений: при роботі в інверторному режимі α £ α max. тобто β ³ β min. обмеження виключає инверторное перекидання перетворювача. При несиметрії живильної мережі або погрішності в роботі системи управління при малих кутах управління система управління може сформувати кут управління, дещо раніше моменту природної комутації, що може привести до пропуску включення одного з вентилів. Тому при роботі перетворювача α ³ α min. Обмеження робочого діапазону кутів управління може здійснюватися кількома способами, які ми розглянемо стосовно до систем управління вертикального типу.

1. Обмеження діапазону зміни напруги U у. Однак цей спосіб не завжди ефективний, оскільки амплітуда опорного напруги Um може бути нестабільною, особливо при формуванні напруги косинусоидальной форми.

2. Вибір відповідної форми опорного напруги, величина якого різко збільшується поблизу початку і кінця розгортки, що перешкоджає формуванню кутів управління поблизу α = 0 і α = π. Характерна форма опорного напруги наведена на ри-

Ріс.17.10 Форма опорного напруги ФСУ вертикального типу.

17.3 Асинхронні фазосмещающіе пристрою.

При реалізації асинхронного принципу управління інформація про фазу мережі живлення на ФСУ НЕ подається, але оскільки кути управління вентильного перетворювача відраховується щодо моментів природно комутації, необхідне введення замкнутого контуру управління. При цьому на ФСУ подається сигнал пропорційний вихідній напрузі або току. Асинхронні розімкнуті системи управління залежними перетворювачами непрацездатні.

Найбільшого поширення серед замкнутих асинхронних ФСУ отримали схеми, засновані на принципі інтегрального слідкування. В таких схемах керуючий імпульс виробляється в моменти часу, коли середнє значення вихідної напруги або струму на межкоммутаціонном інтервалі дорівнює середньому значенню керуючого сигналу на тому ж інтервалі, тобто: