Методические указания для лекционых занятий

СИЛОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

М.П.Дунаев

Укрупненная группа направлений и специальностей

140000 – Энергетика, энергетическое машиностроение и электротехника

Направление подготовки:

140400 – Электроэнергетика и электротехника

Профиль:

140400.62 – Электропривод и автоматика

Квалификация (степень):

Бакалавр

Иркутск

2012 г.

М.П.Дунаев. Силовая электроника: Конспект лекций. – Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2012. – 57 с.

Рассмотрен принцип действия, схемы и характеристики преобразователей постоянного и переменного тока, отмечены их достоинства и недостатки, обозначены области применения.

Конспект лекций подготовлен на кафедре электропривода и электротранспорта ИрГТУ и предназначен для бакалавров направления 140400 «Электроэнергетика и электротехника»

ОСНОВНАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. М.П.Дунаев. Силовая электроника. Методические указания для лабораторных занятий. – Иркутск, Изд-во ИрГТУ, 2012. 46 с. ЭИ.

2. М.П.Дунаев. Силовая электроника. Методические указания для практических занятий. – Иркутск, Изд-во ИрГТУ, 2012. 23 с. ЭИ.М.П.Дунаев.

3. М.П.Дунаев. Силовая электроника. Методические указания для самостоятельной работы. – Иркутск, Изд-во ИрГТУ, 2012. 6 с. ЭИ.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА

4. Онищенко Г.Б. Электрический привод. М.: Академия, 2008.

5. Терехов В.М., Осипов О.И. Системы управления электроприводов. М.: Академия, 2005.

Содержание

Стр.

Лекция №1…………………………………………………………………..4

Лекция №2………………………………………………………………….14

Лекция №3………………………………………………………………….21

Лекция №4………………………………………………………………….25

Лекция №5………………………………………………………………….28

Лекция №6………………………………………………………………….40

ВВЕДЕНИЕ

Преобразовательная техника - это обширная область инженерного знания, описывающая устройство преобразователей, их работу и характеристики. Преобразователи в автоматизированном электроприводе (АЭП) - это устройства, выполняющие функцию силового управления электрическими машинами.

Все преобразователи в АЭП можно условно разделить на две большие группы: преобразователи постоянного тока и преобразователи переменного тока. Первая группа преобразователей предназначена для регулирования постоянного тока и напряжения в нагрузке, вторая - для регулирования переменного тока и напряжения. К основным типам преобразователей постоянного тока можно отнести управляемый выпрямитель (УВ), широтно-импульсный преобразователь (ШИП) и частотно-импульсный преобразователь (ЧИП). К основным типам преобразователей переменного тока следует отнести тиристорный регулятор напряжения (ТРН) и преобразователь частоты (ПЧ).

1. УПРАВЛЯЕМЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ

1.1. Принцип действия

Регулирование выходного напряжения УВ достигается управлением моментом открывания тиристоров преобразователя. В большинстве УВ используется импульсно-фазовый способ управления. Сущность его заключается в том, что на управляющий электрод (УЭ) тиристора периодически с частотой питания анодного напряжения подается электрический импульс, который может меняться по фазе по отношению к анодному напряжению.Тем самым изменяется момент открывания тиристора. Угол a, отсчитываемый от момента естественного открывания тиристора (когда потенциал анода становится больше потенциала катода) до

момента подачи управляющего импульса, называется углом регулирования (управления) тиристора.

Рассмотрим принцип регулирования напряжения на примере включения тиристора по однофазной однополупериодной схеме выпрямления (рис.1.1).

Рис.1.1.

Управляющие импульсы образуются с помощью системы импульсно-фазового управления (СИФУ), служащего для изменения угла регулирования a. Допустим, что на УЭ тиристора VS1 от СИФУ подан импульс в момент времени t1. Этот импульс открывает тиристор и к нагрузке Zн скачком будет приложено напряжение, которое буден изменяться по кривой Uн. В момент времени t2 напряжение Uн становится равным нулю и тиристор закрывается, т.к. к нему приложено напряжение отрицательной полуволны. На интервале t2 - t3 ток через нагрузку не протекает. В момент t3 на УЭ тиристора подается следующий импульс управления с СИФУ и работа схемы повторяется. На рис.1.2 показан график зависимости Uн от угла открывания тиристора a. Максимальное напряжение Uнo получается при полностью открытом тиристоре, когда угол a=0 (естественное открывание относительно синусоиды напряжения питания).

Рис.1.2.

Изменяя угол a, можно регулировать среднее значение выпрямленного напряжения. Аналогично протекают процессы открывания и закрывания тиристоров и в каждой фазе многофазных тиристорных преобразователей, например, в трехфазной мостовой. Выпрямленные напряжение и ток содержат постоянную и переменную составляющие. Наличие пульсаций (переменной составляющей) ухудшает условия коммутации двигателей постоянного тока и увеличивает потери в них. Поэтому на выходе УВ устанавливается индуктивный фильтр, включаемый последовательно с якорем двигателя (нагрузкой). Этот фильтр обладает большим реактивным сопротивлением для переменной составляющей выпрямленного тока, которая значительно уменьшается. Падение напряжения от этой составляющей на активном сопротивлении фильтра незначительно. Другим средством уменьшения пульсаций является использование многофазных схем выпрямления.

1.2. Основные силовые схемы УВ

Количественные показатели работы силовой схемы характеризуются следующими коэффициентами:

1) коэффициентом схемы К_сх=U_d/U₂,

где U₂ - напряжение вторичной обмотки трансформатора,

U_d - среднее значение выпрямленного напряжения;

2) коэффициентом пульсаций К_п=Uпmax/Umax=1 - cos(180/p),

где Uпmax - максимальная амплитуда пульсаций,

Umax - амплитуда выпрямленного напряжения,

p – число пульсаций за период (p=2 для однофазной мостовой схемы, p=3 для трехфазной нулевой схемы, p=6 для трехфазной мостовой схемы);

3) коэффициентом использования трансформатора К_и=S_т/P_d,

3)где S_т - полная мощность трансформатора,

3)P_d - выпрямленная мощность в нагрузке.

3)Отметим следующие соотношения для расчета тока и напряжения тиристора, используемые при выборе тиристоров:

1) средний ток через тиристор I_vs= k_зап* I_d/(n* К_о),

где К_о - коэффициент, учитывающий способ охлаждения тиристора (Ко=1 при водяном охлаждении, К_о=0,3 при естественном воздушном охлаждении, К_о=0,3...0,6 при принудительном воздушном охлаждении);

I_d - средний выпрямленный ток, k_зап – коэффициент запаса, учитывающий превышение тока, k_зап =1,25…2,0;

n - число тактов выпрямления схемы, n=2 (однофазная), n=3 (трехфазная);

2) максимальное напряжение тиристора,

U_{обр.макс.} = k_зап ×××U_2н

где k_зап – коэффициент запаса, учитывающий превышение напряжения, k_зап =1,25…2,0;

m – число фаз.

1.2.1. Однофазная мостовая схема

Схема и диаграмма выпрямленного напряжения показаны на рис.1.3. На схеме обозначены: TV1 – согласующий силовой трансформатор, VS1 - VS4 - тиристоры силовой схемы, L1 - сглаживающий дроссель, Zн - нагрузка.

Импульсы управления подаются синхронно попарно на тиристоры VS1,VS4 и со сдвигом 180^o на тиристоры VS2,VS3.

Схема имеет следующие количественные показатели:

Ксх=0,9, Кп=1,0, Ки=1,1.

Основные расчетные соотношения в схеме:

Uvs=Кзап*U2*Ö2, Ivs= Кзап*Id/(2* Ко).

Достоинства схемы:

- небольшое число тиристоров,

-малое число каналов управления тиристорами,

- небольшие габариты и вес.

Недостатки схемы:

- неравномерная загрузка трехфазной сети и ограниченная вследствие этого установленная мощность схемы (Pd<10 кВт),

- высокий коэффициент пульсаций.

Применение схемы: электропривод малой мощности, бытовые электроприборы.

1.2.2. Трехфазная нулевая схема

Схема и диаграмма выпрямленного напряжения показаны на рис.1.4. На схеме обозначены: TV1 – согласующий силовой трансформатор, VS1 - VS3 - тиристоры силовой схемы, L1 - сглаживающий дроссель, Zн - нагрузка. Импульсы управления подаются на тиристоры VS1,VS2,VS3 со сдвигом 120^o.

Схема имеет следующие количественные показатели:

Ксх=1,17, Кп=0,5, Ки=1,35.

Основные расчетные соотношения в схеме:

Uvs= Кзап*U2*Ö6, Ivs= Кзап*Id/(3* Ко).

Достоинства схемы (по сравнению с однофазной мостовой):

- меньшее число тиристоров,

- ниже коэффициент пульсаций,

- небольшие габариты и вес,

- равномерная загрузка трехфазной сети и поэтому большая мощность схемы (Pd<50 кВт).

Недостатки схемы:

- завышенная мощность силового трансформатора вследствие подмагничивания его вторичной обмотки выпрямленным током,

- большее число каналов управления тиристорами.

Применение схемы: электропривод малой и средней мощности, в частности, электроприводы подач металлорежущих станков, а также преобразователи различных технологических установок.

1.2.3. Трехфазная мостовая схема

Схема и диаграмма выпрямленного напряжения (угол a=0) показаны на рис.1.5. На схеме обозначены: TV1 – согласующий силовой трансформатор, VS1 - VS6 - тиристоры силовой схемы, L1 - сглаживающий дроссель, Zн - нагрузка. Импульсы управления подаются попарно на тиристоры VS1-VS2, VS2-VS3, VS3-VS4, VS4-VS5, VS5-VS6, VS6-VS1 со сдвигом 60^o.

Схема имеет следующие количественные показатели:

Ксх=2,34, Кп=0,13, Ки=1,05.

Основные расчетные соотношения в схеме:

Uvs= Кзап*U2*Ö6, Ivs= Кзап*Id/(3* Ко).

Достоинства схемы (по сравнению с трехфазной нулевой):

- наивысшая мощность схемы (до 3000 кВт),

- низкий коэффициент пульсаций,

- наилучший коэффициент использования силового трансформатора.

Недостатки схемы:

- большее число силовых тиристоров,

- больше габариты и вес.

Применение схемы:

- электропривод любой мощности, в частности, электроприводы главного движения металлорежущих станков;

- преобразователи различных технологических установок.

1.3. Системы управления УВ

Для управления тиристорными преобразователями наиболее часто применяются системы импульсно-фазового управления (СИФУ), осуществляющие вертикальный способ управления тиристорами. СИФУ позволяют изменять угол регулирования a в пределах от 0 до 180^о, обеспечивая тем самым изменение выходного напряжения от 0 до номинального значения.

К СИФУ предьявляются следующие требования:

- должна быть обеспечена линейная зависимость угла отпирания тиристора от напряжения управления a=f(Uу),

- амплитуда импульса должна быть достаточной для надежного отпирания тиристора (обычно Iу>1 А),

- импульс управления должен быть узким, с крутым передним фронтом, продолжительностью больше, чем время включения тиристора.

Для выполнения своих функций СИФУ должна содержать как минимум четыре узла: узел синхронизации (УС), фазосдвигающее устройство (ФСУ), усилитель-формирователь импульсов управления (УФИУ) тиристора и устройство гальванической развязки (ГР).

УС и ФСУ должны обеспечить управление углом a.

УФИУ должны обеспечивать надежное включение тиристоров в заданные моменты времени.

ГР необходима для разделения высокого потенциала силовой части тиристорного преобразователя и низкого потенциала системы управления, а также для согласования выходного сопротивления УФИУ с входным сопротивлением тиристора.

Для надежного включения тиристора практикуют серию из двух и более импульсов управления. Продолжительность серии - не менее 60^о.

К настоящему времени разработано большое количество СИФУ, удовлетворяющее самым разнообразным требованиям. Классификацию СИФУ можно провести по следующим признакам:

- по способу отсчета угла a,

- по типу синхронизации,

- по виду развертываемого сигнала,

- по форме преобразования информации.

По способу отсчета угла a СИФУ делятся на одноканальные и многоканальные. В многоканальных СИФУ отсчет углов для каждого тиристора производится в собственном канале, в одноканальных - одном канале для всех тиристоров. Одноканальное построение СИФУ позволяет исключить различие параметров элементов цепей, задающих выдержку времени, из числа источников аппаратурной погрешности углов a.

По типу синхронизации различают синхронные и асинхронные СИФУ. В синхронных СИФУ определение требуемого момента включения тиристора производится путем отсчета временного интервала от нуля синусоиды напряжения питающей сети, а в асинхронных - от момента предыдущего включения тиристора. В асинхронных СИФУ синхронизация с сетью служит только для ограничения углов a. Вследствие принципа своего действия асинхронные СИФУ могут быть только одноканальными, а синхронные - одно- и многоканальными.

По виду развертываемого сигнала СИФУ делятся на СИФУ вертикального действия (вертикальные) и СИФУ интегрирующего действия (интегрирующие), в которых развертывается соответственно опорный и управляющий сигналы.

Обобщенная схема ФСУ СИФУ в аналоговом варианте показана на рис.1.6.

ФСУ СИФУ с линейной разверткой служит интегратор И и компаратор К, вырабатывающий командный сигнал Ua на включение тиристора в момент равенства алгебраической суммы сигналов Uи и Uу (Uоп) на его входе. Возврат интегратора в исходное состояние осуществляется в момент подачи импульса синхронизации УС (замыкание ключа УС). При равенстве Uи и Uу К изменяет свое состояние на противоположное, что является сигналом тиристору. В вертикальных СИФУ угол a обычно пропорционален напряжению управления Uу. Если же на вход И подать сигнал управления Uу, то его выходное напряжение Uи будет зависеть от закона изменения Uу(t). На вход К в этом случае поступает сигнал Uоп. СИФУ, построенная по такому принципу, называется интегрирующей, а угол a зависит от среднего значения напряжения управления за интервал от 0 до a. Такая СИФУ будет иметь запаздывание, однако никогда не потеряет управляемости при dUу/dt > dUоп/dt.

Последнее однако же происходит в вертикальной СИФУ и является ее недостатком.

По форме преобразования информации СИФУ подразделяют на аналоговые и цифровые. Цифровое исполнение СИФУ по сравнению с аналоговым определяет более высокую технологичность изделия: практически отсутствуют подстройка и наладка при вводе в эксплуатацию, дрейф сигналов, а также обеспечивается высокая повторяемость режимов.

Функциональная схема одного канала СИФУ и диаграммы работы его элементов показаны соответственно на рис.1.7 и рис.1.8.

На схеме обозначены:

ИСН - источник синхронизирующего напряжения, обычно выполняется в виде понижающего маломощного трансформатора или (реже) в виде резистивного делителя напряжения.

ГПН - генератор периодического напряжения, как правило, линейно нарастающего ("пилообразного"), реже косинусоидального.

К - компаратор (нуль-орган). Здесь сравниваются два напряжения - с выхода ГПН и напряжение управления. На выходе компаратора вырабатывается угол регулирования a.

УФ - усилитель-формирователь импульсов управления, формирует необходимые параметры импульса управления тиристором: амплитуду, длительность и форму.

ГР - гальваническая развязка, обеспечивающая разделение высокого потенциала силовой цепи и низкого потенциала системы управления. Обычно выполняется на импульсном трансформаторе или оптроне.

1.4. Статические характеристики УВ

Регулировочная характеристика УВ, отражающая зависимость Uн=Uнo*cosa, показана на рис.1.2. Выходные характеристики УВ показаны на рис.1.9 и имеют две явновыраженные зоны: зону непрерывных токов (знт), где характеристики идут параллельно и обладают значительной жесткостью, и зону прерывистых токов (зпт), где характеристики расположены веерообразно с различной степенью жесткости. Предпочтительной зоной работы УВ является зона непрерывных токов, поэтому стараются уменьшить величину зоны прерывистых токов за счет включения в цепь нагрузки добавочной индуктивности или скорректировать характеристики УВ в этой зоне специальными звеньями системы управления.

1.5. Динамические характеристики УВ

Передаточную функцию УВ можно записать в следующем виде

-рT

W(p)=Uвых(p)/Uу(p)=K*е /(Tу*p + 1),

где К - коэффициент усиления УВ, определяемый по регулировочной характеристике, Tу - малая постоянная времени системы управления УВ, T - время запаздывания прохождения сигналов в УВ, связанное с неполной управляемостью тиристоров.

Переходная функция УВ изображена на рис.1.10.

По экспериментально определенной переходной функции можно найти все параметры передаточной функции УВ.

Достоинства УВ:

1. Высокий КПД (до 98-99%).

2. Высокая удельная мощность.

3. Естественное закрывание тиристоров.

4. Относительная простота и надежность.

Недостатки УВ:

1. Ухудшение гармонического состава питающей сети.

2. Уменьшение коэффициента мощности при увеличении угла регулирования.

3. Ограничения по быстродействию.

Область применения УВ:

1. Управляемый электропривод постоянного тока.

2. Электротехнологические установки.

3. Зарядные устройства.

2. ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ (ШИП) ПОСТОЯННОГО ТОКА

2.1. Принцип действия

Принцип регулирования выходного напряжения ШИП основан на периодическом замыкании и размыкании ключа К (см. рис.2.1). При этом в "классическом" ШИП период коммутации Т ключа К остается постоянным, а изменяется продолжительность подачи напряжения питания Uп.

Количественно работу ШИП удобно описывать, используя понятие скважности g:

g = tи/T = tи/(tи+tп),

где tи - продолжительность подачи Uп (ключ замкнут),

tп - продолжительность паузы (ключ разомкнут).

Скважность в ШИП может изменяться от 0 до 1.

2.2. Способы коммутации тиристоров в ШИП

Основную трудность при работе силовой схемы ШИП представляет запирание (коммутация) тиристоров. Существует два основных способа коммутации силовых тиристоров:

- конденсаторная коммутация (рис.2.2), когда работающий тиристор VS1 запирается встречным током предварительно заряженного конденсатора С1. Для надежного запирания тиристора должно выполняться условие Uc1>Uп. Такой способ коммутации применяется наиболее часто, т.к. устройство коммутации получается достаточно компактным и работает практически без потерь энергии.

-

трансформаторная коммутация (рис.2.3), когда работающий тиристор VS1 запирается приложенным обратным напряжением коммутации Uк, кото­рое вырабатывает узел коммутации на трансформаторе TV1. Здесь также должно выполняться условие Uк>Uп. Данный способ коммутации применяется реже вследствие повышенных потерь (т.к. в цепь основного тока тиристора включена обмотка трансформатора), но считается более надежным.

2.3. Силовые схемы ШИП

2.3.1. Последовательный ШИП с резонансной коммутацией и добавочным сопротивлением

Схема ШИП показана на рис.2.4. На схеме обозначены:

VS1 - силовой (рабочий) тиристор,

VS2 - коммутирующий (вспомогательный) тиристор,

L1,C1 - резонансная коммутирующая цепочка,

VD1,VD2 - диоды обратного тока (обратные диоды), служащие для возврата избыточной реактивной мощности к источнику питания Uп,

VD3 - диод реактивной мощности, служащий для замыкания тока нагрузки во время паузы работы ШИП,

Rд - добавочное сопротивление, обеспечивающее требуемую полярность коммутирующему конденсатору С1,

Zн - нагрузка.

Схема работает следующим образом. Импульсом управления включается рабочий тиристор VS1 и к нагрузке Z1 прикладывается напряжение источника питания Uп. Через включенный тиристор VS1, коммутирующий дроссель L1 и добавочное сопротивление Rд конденсатор С1 заряжается в указанной полярности. Для закрытия тиристора VS1 импульсом управления включается коммутирующий тиристор VS2, при этом конденсатор С1 разряжается и встречным током запирает тиристор VS1, а после перезаряда конденсатора в обратную полярность запирается и тиристор VS2. Резонансная коммутирующая цепочка C1,L1 обеспечивает условие Uc1>Uп.

Достоинства схемы:

- простота алгоритма управления (не имеет значения, на какой из тиристоров придет первый импульс управления при включении схемы),

- надежность в работе.

Недостатки схемы:

снижение КПД из-за наличия в схеме добавочного сопротивления Rд,

- ограничение быстродействия (частоты работы) ШИП вследствие сравнительно медленного заряда С1.

2.3.2. Последовательный ШИП с резонансной коммутацией и повышенным КПД

Схема данного ШИП показана на рис.2.5, где функции элементов аналогичны элементам схемы рис.2.4. Исключение составляет коммутирующий диод VD1, определяющий нужную полярность конденсатора С1.

Схема работает следующим образом. Первый импульс управления приходит на тиристор VS2 и тиристор открывается, заряжая конденсатор С1 в полярности, указанной без скобок. После окончания заряда конденсатора тиристор VS2 закрывается. Второй импульс управления открывает тиристор VS1 и к нагрузке прикладывается напряжение источника питания Uп. Одновременно через открытый тиристор VS1, диод VD1 и дроссель L1 конденсатор С1 перезаряжается по резонансному закону в полярность,

указанную в скобках. Процесс перезаряда конденсатора С1 происходит достаточно быстро, т.к. в этой цепи практически отсутствует активное сопротивление. Для запирания силового тиристора VS1 импульсом управления включается коммутирующий тиристор VS2. Конденсатор С1 встречным током запирает тиристор VS1,а после этого закрывается и тиристор VS2.

Достоинства схемы:

- более высокий КПД (по сравнению со схемой рис.10),

- высокое быстродействие (частота) ШИП.

Недостатки схемы:

- усложнение алгоритма работы схемы (первый импульс при запуске всегда должен приходить на коммутирующий тиристор).

2.4. Системы управления ШИП

Функциональная схема системы управления ШИП показана на рис.2.6, где изображены следующие функциональные элементы:

И - интегратор, вырабатывающий линейно изменяющееся напряжение,

РЭ - релейный элемент, периодически переключающий полярность входного сигнала интегратора,

ГТИ - генератор треугольных импульсов, состоящий из интегратора и релейного элемента,

К - компаратор, сравнивающий сигнал ГТИ и сигнал управления Uу,

ЛИ - логический инвертор, меняющий фазу выходного напряжения компаратора на 180 градусов,

УФ1,УФ2 - усилители-формирователи импульсов управления тиристорами по каналам управления,

ГР1,ГР2 - устройства гальванической развязки.

Диаграммы работы системы управления ШИП показаны на рис.2.7.

2.5. Статические характеристики ШИП

Регулировочная характеристика ШИП показана на рис.2.8. Аналитически характеристика описывается формулой

Uвых= g Uп.

Выходные (внешние) характеристики ШИП аналогичны характеристикам рис.1.9. Аналитически они описываются формулой

Uвых= g Uп -I*Rвн,

где I - ток преобразователя,

Rвн - внутреннее сопротивление ШИП.

Выходные характеристики имеют различный характер в зоне прерывистых и непрерывных токов. При работе ШИП предпочтение отдается зоне непрерывных токов, где характеристики параллельны одна другой и имеют достаточно высокую жесткость. Зону прерывистых токов можно уменьшить, увеличивая индуктивность выходной цепи или повышая несущую частоту ШИП (что предпочтительнее).

2.6. Динамические характеристики ШИП

Передаточная функция ШИП имеет следующий вид:

-pT

Wшип(р)=Uвых(p)/Uу(p)=К*е,

где К - коэффициент усиления ШИП, определяемый по регулировочной характеристике,

T - время запаздывания реакции силовой части ШИП на изменение сигнала управления Uу.

Переходная функция ШИП показана на рис.2.9.

По экспериментально определенной переходной функции можно найти все параметры передаточной функции ШИП.

Достоинства ШИП:

- высокая линейность статических характеристик,

- высокое быстродействие,

- коэффициент мощности не снижается при регулировании выходного напряжения.

Недостатки ШИП:

- меньший, чем у УВ, КПД вследствие двойного преобразования энергии,

- необходимость узлов искуственной коммутации тиристоров.

Область применения ШИП:

- быстродействующий электропривод станков и роботов,

- бестрансформаторные источники вторичного питания.

3. ЧАСТОТНО-ИМПУЛЬСНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ (ЧИП)

3.1. Принцип действия ЧИП

Принцип регулирования выходного напряжения ЧИП заключается в изменении выходной частоты ЧИП при постоянной длительности (ширине) импульса выходного напряжения tи, т.е. фактически изменяется длительность паузы tп (см. рис.2.1).

Отметим основные отличия ЧИП от ШИП:

- выходная частота ЧИП изменяется (частота ШИП постоянна),

- период выходного напряжения ЧИП изменяется (период выходного напряжения ШИП постоянен),

- длительность импульса выходного напряжения ЧИП постоянна (длительность импульса выходного напряжения ШИП изменяется).

Отметим также, что в ЧИП, как и в ШИП, регулируется среднее выходное напряжение.

3.2. Силовые схемы ЧИП

3.2.1. Однополупериодная схема ЧИП

Силовая схема данного ЧИП представлена на рис.3.1. Фактически это схема однофазного инвертора, нагрузка Zн которого включена на стороне постоянного (пульсирующего) тока. В схему включены следующие элементы:

VS1 - силовой тиристор,

C1 - коммутирующий конденсатор,

Rр – разрядное сопротивление, выбираемое из соотношения Uп/Rр≤Iудержания тиристора VS1.

Рассмотрим, как в этой схеме происходит коммутация тиристора. Основной режим работы схемы - это режим прерывистого тока в нагрузке. В этом случае имеет место естественная коммутация тиристора, т.е. тиристор закрывается, когда зарядится конденсатор С1 и ток уменьшится до нуля. После разряда конденсатора С1 тиристор включается вновь и т.д.

Достоинства схемы:

- для работы схемы требуется всего один тиристор,

- компактность за счет малого числа элементов.

Недостатки схемы:

- невысокая частота импульсов выходного напряжения,

- пониженный к.п.д. из-за потерь в разрядном сопротивлении.

3.2.2. Мостовая схема ЧИП

Силовая схема ЧИП представлена на рис.3.2. Фактически это схема однофазного мостового инвертора, нагрузка Zн которого включена на стороне постоянного (пульсирующего) тока. В схему включены следующие элементы:

VS1...VS4 - силовые тиристоры,

C1 - коммутирующий конденсатор,

L1 - коммутирующий дроссель.

Порядок включения тиристоров схемы: попарно включаются тиристоры VS1,VS4 и VS2,VS3. Затем порядок повторяется.

Рассмотрим, как в этой схеме происходит коммутация тиристоров. Основной режим работы схемы - это режим прерывистого тока в нагрузке. В этом случае имеет место естественная коммутация тиристоров,т.е. тиристоры работающей пары закрываются, когда зарядится конденсатор С1 и ток уменьшится до нуля. Отметим, что такой способ коммутации весьма надежен.

3.3. Система управления ЧИП

Функциональная схема системы управления ЧИП представлена на рис.3.3, а ее диаграммы работы – на рис.3.4. На схеме обозначены:

ЗГ - задающий генератор, вырабатывыающий прямоугольные импульсы, частота которых зависит от напряжения управления. По сути, ЗГ является частотно-импульсным модулятором.

РИ - распределитель импульсов по каналам управления. Вырабатывает прямоугольные импульсы со сдвигом 180 градусов и частотой, вдвое меньшей частоты ЗГ.

УФ1,УФ2 - усилители-формирователи импульсов управления тиристорами.

ГР1,ГР2 - устройства гальванической развязки.

3.4. Статические и динамические характеристики ЧИП

Регулировочная характеристика ЧИП подобна характеристике ШИП (рис.2.8),а выходные характеристики ЧИП аналогичны характеристикам УВ и отличаются только тем, что преимущественно располагаются в зоне прерывистых токов. Динамические характеристики ЧИП мало отличаются от характеристик ШИП рис.2.9.

Достоинства ЧИП:

- простота силовой схемы и системы управления,

- надежность коммутации силовых тиристоров,

- линейность выходных характеристик,

- высокое быстродействие.

Недостатки ЧИП:

- малая жесткость выходных характеристик,

- невысокий КПД вследствие двухкратного преобразования энергии.

Применение ЧИП:

- электротранспорт, в частности, электрокары и электромобили;

- электропривод подъемно-транспортных механизмов (т.е. там, где требуются мягкие пусковые характеристики).

4. ТИРИСТОРНЫЕ РЕГУЛЯТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ (ТРН)

4.1. Принцип действия

Принцип регулирования выходного напряжения переменного тока основан на фазовом управлении ключом К (рис.4.1), который обладает двусторонней проводимостью и может замыкаться с некоторым сдвигом (углом a) относительно нулевого перехода синусоидального напряжения питания Uc. Такой способ схож с фазовым управлением в УВ и отличие его заключается лишь в том, что в ТРН регулируется напряжение переменного тока в нагрузке Zн.

4.2. Силовые схемы ТРН

4.2.1.Однофазные силовые схемы ключей переменного тока

а) Встречно-параллельная схема (ключ на двух тиристорах).

Схема изображена на рис.4.2. Схема может работать в следующих двух режимах:

- симметричный режим, при котором в кривой выходного напряжения присутствует только переменная составляющия, а постоянная составляющая равна нулю. В этом случае углы регулирования a1=a2, а выходное напряжение Uвых= 0...Uc. Такой режим работы характерен для плавного пуска двигателя переменного тока, а также для регулирования его частоты вращения.

- несимметричный режим, при котором в кривой выходного напряжения наряду с переменной составляющей присутсвует также постоянная составляющая. В этом случае углы регулирования не равны между собой, и в предельной ситуации один из них может быть равен 0 или 180 градусов. Такой режим работы характерен для торможения двигателя.

Данная схема имеет наибольшие возможности и используется чаще других. К ее недостаткам можно отнести то, что используется два тиристора.

б) Симисторная схема (ключ на симисторе).

Схема изображена на рис.4.3. Такая схема работает, как правило, в симметричном режиме работы. Выходное напряжение изменяется в пределах от 0 до Uс.Достоинством схемы является ее компактность, т.к. используется всего один симистор, а недостатком - наличие только одного режима работы (симметричного).

Схема часто применяется в простых бытовых устройствах типа регулятора напряжения светильника и т.п.

в) Несимметричная схема (ключ на тиристоре и диоде).

Схема изображена на рис.4.4. Данная схема работает в основном в несимметричном режиме. Выходное напряжение изменяется в пределах от Uc/2 до Uc. Небольшим достоинством схемы является ее несколько меньшая стоимость, чем первой, а недостатком - несимметрия выходного напряжения и неполная регулировка этого напряжения.

Схема обычно применяется в том случае, когда нет необходимости регулировать выходное напряжение во всем диапазоне, например, в регуляторе температуры паяльника.

4.2.2. Трехфазные силовые схемы ТРН

Трехфазные схемы ТРН получают, комбинируя различным образом однофазные ключи переменного тока. Пример самой распространенной трехфазной схемы приведен на рис.4.5, причем нагрузка такой схемы может быть соединена как треугольником, так и звездой. Наилучший режим работы для трехфазного ТРН - это соединение нагрузки звездой с нулевым проводом. В этом случае все три фазы ТРН работают независимо и не влияют друг на друга.

4.3. Системы управления ТРН

Поскольку в ТРН применяется фазовый способ управления, то и система его управления - это, как правило, СИФУ, функциональная схема одного канала которой показана на рис.1.7. Синхронная СИФУ ТРН включает в себя шесть каналов управления тиристорами, выходные импульсы которых сдвинуты друг относительно друга на 60^о.

4.4. Характеристики ТРН

Статические и динамические характеристики ТРН аналогичны подобным характеристикам УВ.

Достоинства ТРН:

- простота и надежность силовой схемы и системы управления,

- естественное закрывание тиристоров силовой схемы,

- плавное регулирование выходного напряжения в широких пределах,

- высокий КПД,

- хорошие массо-габаритные показатели.

Недостатки ТРН:

- снижение коэффициента мощности при больших углах регулирования,

- несинусоидальность выходного напряжения при регулировании,

- большие потери в роторе двигателя при глубоком регулировании выходного напряжения.

Применение ТРН:

- подъемно-транспортные механизмы (подъемные краны, лифты и т.п.),

- электропривод вентиляторов, насосов, сельскохозяйственных машин.

5. ТИРИСТОРНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ (ТПЧ)

5.1. Классификация ТПЧ

Преобразователи частоты подразделяются на две группы:

- ТПЧ со звеном постоянного тока,

- ТПЧ с непосредственной связью (непосредственные преобразователи частоты).

В свою очередь, ТПЧ со звеном постоянного тока подразделяются по виду коммутации, используемой в инверторе:

- ТПЧ с одноступенчатой коммутацией,

- ТПЧ с двухступенчатой коммутацией.

5.2. ТПЧ со звеном постоянного тока

Функциональная схема такого ТПЧ показана на рис.5.1, где обозначены следующие блоки:

УВ - управляемый тиристорный выпрямитель,

Ф - сглаживающий фильтр,

АИ - автономный инвертор,

М1 - нагрузка (двигатель),

СУВ - система управления выпрямителем,

СУИ - система управления инвертором,

БС - блок связи между СУВ и СУИ.

Управляемый выпрямитель УВ преобразует переменное напряжение питающей сети Uc в выпрямленное постоянное, которое затем сглаживается фильтром Ф (обычно Г-образным) и подается в виде напряжения питания на автономный инвертор АИ. Выходная частота АИ регулируется с помощью СУИ, а амплитуда выходного переменного напряжения АИ (ТПЧ) регулируется в блоке УВ с помощью СУВ. Блок БС согласует напряжения управления УВ и АИ для задания необходимого закона управления выходным напряжением Uвых и частотой fвых.

Поскольку управляемые выпрямители и их системы управления уже рассмотрены выше, перейдем к изучению автономных инверторов.

Предварительно рассмотрим наиболее простые однофазные схемы ин-

верторов.

5.3. ТПЧ, использующие инверторы с одноступенчатой коммутацией

5.3.1. Классификация однофазных автономных инверторов (АИ)

Классификация по конфигурации схемы:

а) мостовая схема (рис.5.2) функционирует следующим образом: попарно включаются работающие в противофазе тиристоры VS1,VS4 и VS2,VS3. При этом к нагрузке Zн прикладывается переменное напряжение прямоугольной формы. Достоинство схемы заключается в получении на нагрузке амплитуды напряжения, равной напряжению источника питания Uп. К недостаткам схемы можно отнести сравнительно большое число используемых тиристоров.

б) нулевая схема (рис.5.3) функционирует следующим образом: поочередно включаются работающие в противофазе тиристоры VS1 и VS2. При этом к нагрузке Zн прикладывается переменное напряжение прямоугольной формы. Недостаток схемы заключается в получении на нагрузке амплитуды напряжения, равной только половине напряжению

источника питания Uп. К достоинствам схемы можно отнести сравнительно небольшое число используемых тиристоров.

в) несимметричная схема (рис.5.4) функционирует следующим образом: поочередно включаются работающие в противофазе тиристоры VS1 и VS2. При этом к нагрузке Zн прикладывается переменное напряжение прямоугольной формы. Достоинство схемы заключается в получении на нагрузке положительной амплитуды напряжения, равной напряжению источника питания Uп и сравнительно небольшое число тиристоров. К недостаткам схемы можно отнести несимметричность выходного напряжения.

Классификация по типу источника питания

Рассмотрим эту классификацию на примере однофазной мостовой схемы:

а) автономный инвертор напряжения (АИН) и его диаграммы изображены на рис.5.5. Поскольку АИН питается от источника напряжения с параметрами Uп=const и Rвн=0, то форма выходного напряжения имеет прямоугольный вид, а форма выходного тока зависит от параметров нагрузки Zн. Коммутация (запирание) тиристоров в схеме происходит следующим образом. При включении пары тиристоров VS1,VS4 на нагрузке появляется напряжение, равное напряжению источника питания, а т.к. конденсатор С1 подключен параллельно нагрузке, то он заряжается в полярности, указанной без скобок. При включении следующей пары тиристоров VS2,VS3 конденсатор, разряжаясь, встречным током закрывает тиристоры VS1,VS4, а потом перезаряжается в полярности, указанной в скобках. Далее цикл повторяется. Заметим, что такая коммутация называется параллельной.

б) автономный инвертор тока (АИТ) и его диаграммы изображены на рис.5.6. Поскольку АИТ питается от источника тока с параметрами Iп=const и Rвн => к бесконечности, то форма выходного тока имеет прямоугольный вид, а форма выходного напряжения зависит от параметров нагрузки Zн.

в) резонансный инвертор (рис.5.7) может получать питание как от источника напряжения, так и от источника тока. Коммутация тиристоров в такой схеме происходит так, как это описано в схеме ЧИП. Заметим, что такая коммутация называется последовательной.

Рассмотренные выше схемы АИН и АИТ обычно работают на низких (до 500 Гц) и средних (до 2 кГц) частотах, и,как правило, не работают на высоких частотах вследствие необходимости ограничения скорости нарастания тока и напряжения через тиристор из-за прямоугольного характера выходного напряжения (тока) в этих схемах. В резонансном инверторе характер протекания тока более благоприятен для тиристоров, поэтому такие инверторы можно применять и на высоких частотах, например, в качестве мощных генераторов синусоидального напряжения.

5.3.2. Схема трехфазного инвертора с одноступенчатой коммутацией

Схема изображена на рис.5.8, где приняты следующие обозначения:

VS1...VS6 - силовые тиристоры, VD1...VD6 - отсекающие диоды, препятствующие разряду коммутирующих конденсаторов С1...С6 во время пауз их работы, VD7...VD12 - обратные диоды, которые служат для возвращения излишка реактивной энергии от нагрузки к конденсатору фильтра Сф, М1 - асинхронный короткозамкнутый двигатель.

Порядок работы тиристоров в схеме следующий:

VS1-VS2, VS2-VS3, VS3-VS4, VS4-VS5, VS5-VS6, VS6-VS1 и т.д. Импульсы управления поступают на пары тиристоров со сдвигом 60 градусов. Диаграммы выходного напряжения представлены на рис.5.9.

Заряд коммутирующих конденсаторов происходит во время открытого состояния соответствующих по номеру тиристоров. Закрывание открытого тиристора происходит при включении соседнего тиристора одной с открытым тиристором группы (анодной или катодной) за счет встречного разряда коммутирующего конденсатора.

5.3.3. Система управления трехфазным инвертором

Система управления представлена на рис.5.10, где обозначены следующие функциональные блоки:

ЗГ - задающий генератор,

РИ - распределитель импульсов управления,

УФ1...УФ6 - усилители-формирователи импульсов управления,

ГР1...ГР6 - устройства гальванической развязки.

5.3.4. Характеристики ТПЧ

Регулировочная характеристика ТПЧ показана на рис.5.11. По характеристике видно, что выходная частота ТПЧ ограничена и снизу (fмин), и сверху (fмах). Ограничение сверху обусловлено тем, что управляемый двигатель рассчитан на определенную частоту, превышать которую намного нельзя из-за возможных механических повреждений двигателя вследствие увеличения его частоты вращения выше номинальной. Ограничение

выходной частоты снизу связано с несинусоидальностью формы выходного напряжения ТПЧ, т.к. при уменьшении ее ниже fмин частота вращения двигателя становится неравномерной, появляются рывки. Поэтому выходная частота ТПЧ обычно лежит в пределах от 5 до 60 Гц.

Выходные характеристики ТПЧ подобны соответствующим характеристикам управляемого выпрямителя.

Из динамических характеристик выделим передаточную функцию ТПЧ, которая представляет собой произведение передаточных функций управляемого выпрямителя, сглаживающего фильтра и автономного инвертора:

-pT1 -pT2

W(p)=Wув(p)*Wф(p)*Wи(p)=[Кув*е /(T*p+1)]*[1/(Tф*p+1)]*[Ки*е ],

где Кув,Ки - коэффициенты усиления УВ и АИ,

T1,T2 - постоянные времени запаздывания УВ и АИ,

T - малая постоянная времени управления УВ,

Tф - постоянная времени сглаживающего фильтра.

Достоинства ТПЧ:

- возможность регулировать выходную частоту в большом диапазоне и независимо от частоты питаюшей сети,

- относительная простота силовой схемы и системы управления.

Недостатки ТПЧ:

- меньший, чем у ТРН, КПД вследствие двухкратного преобразования энергии,

- форма выходного напряжения далека от синусоидальной, поэтому диапазон регулирования частоты вращения двигателя ограничен.

Применение ТПЧ:

- регулируемый электропривод переменного тока общепромышленных механизмов,

- источники питания электротехнологических установок и электроинструмента.

5.4. ТПЧ, использующие инверторы с двухступенчатой коммутацией

5.4.1. Силовые схемы инверторов с двухступенчатой коммутацией

В отличие от инверторов с одноступенчатой коммутацией, где запирание одних силовых тиристоров происходит при включении других силовых тиристоров, в инверторах с двухступенчатой коммутацией запирание силовых тиристоров происходит за счет работы специальных коммутирующих тиристоров. Различают инверторы с пофазной коммутацией, в которых на одну фазу выходного напряжения инвертора приходится одно запирающее устройство, и инверторы с индивидуальной коммутацией, где каждый тиристор фазы имеет такое запирающее устройство. Алгоритм запирания тиристоров в инверторах с индивидуальной коммутацией рассмотрен при описании работы схемы ШИП с повышенным КПД рис.2.5.

5.4.2. Характеристики инверторов с двухступенчатой коммутацией

Статические характеристики этих преобразователей примерно соответствуют аналогичным характеристикам ШИП постоянного тока, а динамические - аналогичным характеристикам ТПЧ с одноступенчатой коммутацией.

Достоинства:

- возможность получения выходного напряжения, близкого к синусоидальному,

- возможность изменения частоты выходного напряжения в широких пределах при сохранении заданной формы напряжения.

Недостатки:

- меньший КПД,чем у инверторов с одноступенчатой коммутацией,

- сложность системы управления и силовой части.

Применение:

- высокоточный электропривод переменного тока,

- источники питания с заданной формой выходного напряжения.

5.5. Непосредственные преобразователи частоты (НПЧ)

5.5.1. Силовая схема НПЧ

Силовая схема НПЧ представляет собой реверсивный управляемый тиристорный выпрямитель, построенный по трехфазной нулевой или мостовой схеме. Если требуется трехфазный НПЧ, то необходимо использовать три схемы УВ.

Однофазная силовая схема НПЧ показана на рис.5.12. Она включает:

VS1...VS6 - реверсивный трехфазный нулевой управляемый выпрямитель,

TV1 - согласующий силовой трансформатор,

L1, L2 - токоограничивающие дроссели,

ТА1 - трансформатор тока,

Zн - нагрузка.

Как видно из диаграммы рис.5.13, переменное напряжение на выходе НПЧ формируется за счет поочередной работы выпрямительных групп реверсивного УВ, а приближение формы огибающей выходного напряжения к синусоидальной осуществляется при плавном управлении углом регулирования a в системе управления преобразователя.

5.5.2. Система управления НПЧ

Данная система управления представлена на рис.5.14. На ней обозначены следующие функциональные блоки:

ГСН - генератор синусоидального напряжения низкой частоты;

ЛПУ - логическое переключающее устройство, управляющее включением выпрямительных групп реверсивного УВ;

В,Н - ключи, подсоединяющие СИФУ к нужной выпрямительной группе;

ДТ – датчик тока;

СИФУ1... СИФУ3 – каналы системы импульсно-фазового управления.

5.5.3. Характеристики НПЧ

Характеристики НПЧ близки к соответствующим статическим и динамическим характеристикам управляемого выпрямителя.

Достоинства НПЧ:

- высокий КПД (примерно, как у УВ),

- надежное естественное запирание тиристоров,

- глубокий диапазон регулирования выходного напряжения и частоты.

Недостатки НПЧ:

- верхняя частота ограничена частотой питающей сети,

- дискретное регулирование выходной частоты,

- сложность системы управления и силовой схемы.

Применение:

- электропривод металлорежущих станков,

- электропривод подъемно-транспорных механизмов.

Дата добавления: 2014-01-04