Однофазный однополупериодный УВ. Фазовый способ регулирования выпрямленного напряжения

В связи с этим в настоящее время система Г-Д используется в основном в автономных устройствах, а в промышленных установках, получающих питание от электрических сетей, такая система почти не применяется.

Регулирование угловой скорости в системе генератор-двигатель (Г-Д) с обратной связью по скорости и токовой отсечкой

Упрощенная схема системы Г-Д приведена на рис. 2.39. Она содержит двигатель постоянного тока независимого возбуждения М; генератор постоянного тока G, от которого получает питание якорь двигателя; усилитель мощности УМ, к выходу которого подключена обмотка возбуждение OBG генератора; регулятор, выполненный на операционном усилителя DА; задатчик частоты вращения RP; тахогенератор BR; датчик тока якоря – шунт Rh; стабилитроны VD1, VD2. Генератор G приводится в движение приводным (гонным) двигателем (на схеме не показан). На промышленных предприятиях, где имеется сеть переменного тока, в качестве гонного двигателя используется асинхронный короткозамкнутый двигатель. В автономных установках, например, на удаленных буровых установках, судах речного, морского, железнодорожного транспорта и т.п., в качестве приводного двигателя может служить двигатель внутреннего сгорания, паровая или газовая турбина и т.п.

Регулирование угловой скорости двигателя в схеме осуществляется изменением напряжения U_я на якоре двигателя M. Изменение U_я осуществляется за счет регулирование напряжения U_в на обмотке возбуждения генератора. Для согласования между напряжением и мощностью на выходе регулятора с потребной мощностью и напряжением питания обмотки OBG служит усилитель мощности, например, транзисторный усилитель.

Стабилизация скорости двигателя достигается за счет отрицательной обратной связи по скорости. Так, если под действием возмущений w_д начинает снижаться, то уменьшается сигнал обратной связи по скорости U_ocw, а сигнал ошибки

U_d = U_зд – U_ocw

увеличивается. При этом повышается напряжение на выходе регулятора, на выходе УМ и на якоре двигателя. В результате w_д стремиться к заданному значению. Точность стабилизации w_д, как показано выше, определяется коэффициентом усиления разомкнутой системы. При использовании регулятора, содержащего интегральную составляющую (например, ПИД-регулятор, как на рис. 2.39), удается получить достаточно высокую точность стабилизации (см. первый участок характеристики на рис. 2.40).

Для ограничения тока якоря служит узел токовой отсечки. Один из возможных вариантов его реализации (см. рис. 2.39) включает шунт Rh и стабилитроны VD1, VD2. Этот узел работает также, как описано в п. 2.3.1. Пока ток якоря I_я меньше тока отсечки I_отс, стабилитроны имеют большее сопротивление и не оказывают влияние на работу схемы. Если ток I_я превышает I_отс сопротивление стабилитрона резко снижается и на выход регулятора через резистор R4 начинает поступать дополнительный сигнал (U_ост – U_z). При этом сигнал ошибки

U_d = U_зд – U_ocw – (U_ост – U_z).

По мере увеличения тока якоря I_я растет напряжение U_ост. Как следствие, снижается U_d, U_в, U_я, w_д. В результате достигается ограничение тока якоря (второй участок характеристик на рис. 2.40)

К достоинствам схемы можно отнести простоту реверса двигателя и реализации рекуперативного торможения. Реверс осуществляется изменением полярности напряжения на задатчике RP, что в конечном счете ведет к изменению полярности напряжения на якоре двигателя. Генераторное торможение с отдачей энергии в сеть возможно, если в качестве гонного двигателя генератора используется электродвигатель, например, асинхронный. Поясним это. Предположим, что машина работает на характеристике 1 (рис. 2.41) в т.а. Чтобы снизить скорость, напряжение на датчике RP снижают, и после переходного процесса машина должна перейти на характеристику 2 в т.b.

Процесс перехода на новую характеристику протекает так. В первый момент времени w_д, вследствие механической инерционности привода, остается неизменной (на рис. процесс перехода условно показан стрелками). Напряжение генератора уменьшается и становиться меньше противоЭДС двигателя. Ток в якорной цепи меняет знак.

Рис. 2.41

Машина M теперь работает генератором, а машина G – двигателем и заставляет гонный двигатель вращаться со скоростью выше скорости идеального холостого хода. Последний переходит в режим генератора и отдает электрическую энергию в сеть переменного тока. Если ток якоря превышает по модулю I_ост, то в переходном процессе вступает в действие токовая отсечка, и процесс перехода на новую характеристику, от т. с до т. d, идет при токе I_я = |I_отс|. Далее под действием момента сопротивления М_c механизма w_д продолжает снижаться до нового установившегося режима в т. b.

Система Г-Д имеет очевидные недостатки. Прежде всего, это большая установленная мощность электрических машин: мощность генератора и гонного двигателя должны быть не меньше мощности двигателя. Т.е. общая установленная мощность электрических машин равна или превышает мощность двигателя в 3 раза. Кроме того, наличие дополнительных вращающихся машин приводит к снижению надежности, значительным затратам на профилактику и ремонт. Значительная инерционность генератора затрудняет достижение высоких динамических характеристик системы.

2.3.6. Регулирование угловой скорости в системе управляемый выпрямитель – двигатель постоянного тока независимого возбуждения

(УВ - ДПТ)

В настоящее время в различных областях техники наиболее широко применяются регулируемые электроприводы с ДПТ с управляемыми вентильными (тиристорными) выпрямителями (УВ).

Такие приводы выпускаются промышленностью в виде блочных изделий – комплектных тиристорных электроприводов. В однозонных приводах выход УВ подключается к якорю двигателя и регулирование скорости осуществляется за счет изменения напряжения на якоре ДПТ. В двухзонных ЭП используется два УВ, один работает на якорь, а второй – на обмотку возбуждения, и регулирование угловой скорости осуществляется как изменением напряжения на якоре, так и за счет изменения потока возбуждения (напряжения на обмотке возбуждения).

Остановимся на особенностях регулирования напряжения на якоре и обмотке возбуждения ДПТ НВ с помощью УВ.

Основными приборами, применяемыми в управляемых выпрямителях, являются полупроводниковые вентили - диоды и тиристоры. Общим свойством этих приборов является то, что они могут находиться в двух состояниях - открытом и закрытом. В открытом состоянии прямое падение напряжения на вентилях в 10²-10³ раз меньше, чем напряжения, выделяемые на других элементах схемы (например, среднее значение прямого падения напряжения на тиристоре меньше 1 В). Ток, протекающий через вентили в закрытом состоянии, в 10³-10⁴ раз меньше тока в открытом состоянии. Все это позволяет при анализе электромагнитных процессов считать полупроводниковые вентили идеальными ключами и пренебрегать их прямыми падениями напряжения и обратными токами.

Полупроводниковый диод находится в открытом состоянии при прямом напряжении на его аноде (положительном относительно катода) и в закрытом - при отрицательном.

Для переключения тиристора в открытое состояние необходимо подать на его управляющий электрод (относительно катода) положительный управляющий импульс при прямом (положительном относительно катода) напряжении на аноде. Длительность управляющего импульса должна быть такой, чтобы за время его действия ток анода тиристора стал больше тока выключения. Для запирания тиристора необходимо уменьшить ток анода до величины тока выключения или приложить к его аноду обратное (отрицательное относительно катода) напряжение. Ток запирания тиристоров в 10³-10⁴ раз меньше его прямого тока, поэтому при анализе работы схем можно считать, что тиристор закрывается при нулевом значении тока анода.

Принцип работы УВ поясним на примере простейшей однофазной однополупериодной схемы УВ (рис. 2.42), работающей на активную R нагрузку. В этой схеме VS - тиристор, СИФУ - система импульсно-фазового управления. Тиристор служит для выпрямления и регулирования выпрямленного напряжения на нагрузке. СИФУ предназначена для управления моментом отпирания тиристора.

Фазовый способ регулирования основан на управлении моментом отпирания тиристоров, включенных последовательно между источником переменного

напряжения и нагрузкой.

На вход силовой части схемы подается переменное сетевое напряжение u _c. На управляющий электрод тиристора подаются управляющие импульсы u _у, фаза которых относительно сетевого напряжения определяется величиной входного сигнала u _вх СИФУ, а частота - равна частоте питающей сети.

Диаграммы, поясняющие работу схемы, приведены на рис. 2.43, а. На первой диаграмме приведена зависимость сетевого напряжения u _с от угла u (здесь и далее u = wt, рад; w=2p f _c - угловая частота, рад/сек; f _с - частота сетевого напряжения, Гц; t - время, с). Напряжение u _с изменяется по синусоидальному закону с периодом 2p:

u_c = U_m sin u,

где U_m - амплитудное значение сетевого напряжения (; U _c - действующее значение сетевого напряжения).

На второй диаграмме приведены управляющие импульсы u_у прямоугольной формы. Амплитуда и длительность импульсов выбирается исходя из условия надежного отпирания тиристора. Импульсы формируются СИФУ при положительном напряжении на аноде тиристора (относительно катода) и сдвинуты относительно сетевого напряжения на угол регулирования a (угол запаздывания). Величина угла регулирования зависит от входного сигнала u _вх СИФУ.

На третьей и четвертой диаграммах приведены зависимости мгновенных значений напряжения на нагрузке - u _d(u) и тока нагрузки - i (u).

Рассмотрим работу схемы на отдельных интервалах.

Интервал 0£u<a. На этом интервале тиристор закрыт, ток тиристора i(u) и напряжение на нагрузке u_d (u) практически равны нулю.

При u=a на управляющий электрод тиристора подается управляющий импульс u _у и тиристор открывается. При этом ток анода тиристора i практически мгновенно возрастает и оказывается больше тока выключения, поэтому после окончания управляющего импульса тиристор удерживается в открытом состоянии.

Интервал a£u<p. На этом интервале тиристор открыт, напряжение на нагрузке практически равно сетевому напряжению - u_d (u)» u _с(u), а ток нагрузки - i (u)= u_d / R _н.

Интервал p£u£2p+a. На этом интервале тиристор закрыт, а состояние схемы будет таким же, как и на интервале 0£u<a.

На интервалах 2p£u£4p, 4p£u£6p,..., 2ip£u£2(i+1)p, где i=0,1,2,..., работа схемы идентична работе на интервале 0£u£2p.

На рис. 2.43, б приведены диаграммы для случая, когда угол регулирования a имеет большую величину по сравнению с рис. 2.43, а. Как видно из приведенных на рис. 2.43 диаграмм, напряжение на нагрузке имеет вид положительных импульсов, частота которых равна частоте сетевого напряжения.

Мгновенное значение напряжения на нагрузке u _d(a) равно сетевому напряжению u _с(a) на интервалах, когда тиристор открыт, и равно нулю на интервалах, когда тиристор закрыт. При работе преобразователя на обмотку возбуждения или якорь ДПТ в качестве выходной переменной УВ рассматривают среднее (за период) значение выпрямленного напряжения U_ср (постоянную составляющую выпрямленного напряжения). Геометрически U_ср можно определить следующим образом. Построим прямоугольник шириной 2p, площадь которого равна площади фигуры, ограниченной кривой мгновенного напряжения на нагрузке u _d и осью абцисс. Высота полученного прямоугольника будет равна среднему значению напряжения на нагрузке. Очевидно, что значение U_ср зависит от угла регулирования a. Величина среднего значения напряжения на нагрузке находится из выражения

где - среднее значение выпрямленного напряжения при угле регулирования a=0.

Полученное выражение описывает зависимость среднего значения напряжения на нагрузке от угла регулирования a - U _ср(a) и представляет собой регулировочную характеристику. Из выражения видно, что при изменении угла a в пределах 0£a£p среднее значение напряжения на нагрузке U _ср(a) изменяется в пределах и уменьшается с увеличением угла регулирования. Последнее иллюстрируется значениями U _ср на рис. 2.43.

При активной нагрузке выходное напряжение УВ равно падению напряжения на сопротивлении нагрузки: u (u)= Ri (u). Поэтому среднее значение тока и среднее значение напряжения связаны соотношением

Дата добавления: 2014-01-06