Методы и системы управления вентильными преобразователями

ЛЕКЦИЯ 8

Принцип импульсно-фазового управления. Вентильный преобразователь как элемент системы автоматического управления

ТРЕБОВАНИЯ К СИСТЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ

Система управления вентильным преобразователем в общем случае должна выполнять следующие функции:

• включение преобразователя и вывод его на заданный режим;

• стабилизацию заданного режима (напряжения, тока, мощности, частоты и т.д.);

• регулирование режима в соответствии с заданием;

• выключение преобразователя;

• защиту преобразователя (аварийное отключение);

• контроль работы преобразователя и при необходимости диагностика

неисправностей.

Все эти функции система управления реализует простым способом – изменением моментов включения и выключения вентилей. Это, в свою очередь, предъявляет к системе управления три требования.

1. Управляемость моментов включения (выключения) вентилей в необходимых пределах. Для преобразователей на вентилях с неполным управлением (тиристорах) и естественной коммутацией (выпрямители, зависимые инверторы, непосредственные преобразователи частоты с фазовым способом формирования кривой выходного напряжения) в соответствии с их регулировочными характеристиками для полного диапазона регулирования следует изменить угол регулирования в диапазоне 0…(теоретически) и 0…(-) (практически) по частоте питающего напряжения. Для преобразователей на вентилях с полным управлением и широтно-импульсными способами регулирования напряжения (регуляторы постоянного напряжения, автономные инверторы напряжения, непосредственные преобразователи частоты с циклическим управлением, повышающие циклоконверторы) в соответствии с их регулировочными характеристиками для полного диапазона регулирования требуется изменение фазы импульсов управления в пределах такта принудительной коммутации 0…с возможным изменением длительности самого такта.

2. Формирование импульса управления прямоугольного вида с крутым передним фронтом и заданной длительностью. Крутой передний фронт (обычно порядка одной микросекунды) необходим для фиксирования момента включения вентилей, имеющих разброс по порогам включения, а также для уменьшения потерь мощности в вентиле при включении из-за его конечной скорости. Требования по длительности импульса управления зависят от типа вентиля и его режима работы в преобразователе. Для тиристоров возможны два вида длительностей импульсов управления: «узкие» и «широкие» импульсы. Длительность «узкого» импульса выбирают из условия обеспечения нарастания тока тиристора до тока удержания, длительность «широкого» импульса – из условия наличия импульса управления на все возможное время протекания тока через тиристор. Для транзисторов необходим «широкий» импульс управления на все время протекания тока в них. Для GTO-тиристоров – два «узких» импульса: в момент включения и в момент выключения (импульс обратной полярности).

Управление «узким» импульсом требует значительно меньшей мощности системы управления, чем управление «широким». Но управление «широким» импульсом является универсальным по допустимым режимам в преобразователе, в то время как при управлении «узким» импульсом возможны дополнительные проблемы в режимах прерывистого тока нагрузки, режимах с вынужденными углами управления.

3. Гальваническая развязка, или согласование уровней напряжения (низковольтной) системы управления от силовой схемы преобразователя с уровнем напряжения, опасным для человека или системы управления. В нечастых случаях преобразователей с рабочими напряжениями, сравнимыми с напряжениями системы управления, гальваническая развязка может отсутствовать.

Возможны два вида гальванической развязки: трансформаторная и оптоэлектронная. При трансформаторной развязке легко реализуется передача «узкого» импульса управления, при этом на вторичной стороне трансформатора устанавливают еще активное балластное сопротивление , ограничивающее ток в цепи управления вентиля, например тиристора, как показано на рис. 6.1.1, а. В то же время передача «широкого» импульса управления через трансформатор затруднена из-за практической невозможности выполнить трансформатор с малой нижней граничной частотой (герцы) его амплитудно-частотной характеристики и одновременно с высоким значением (мегагерцы) верхней граничной частоты (для передачи крутого переднего фронта импульса). Малая нижняя граничная частота трансформатора достигается при большой индуктивности намагничивания трансформатора, а высокая верхняя граничная частота – при малой индуктивности рассеивания обмоток и малых паразитных емкостях обмоток. Эти противоречивые требования конструктивно в трансформаторе несовместимы.

а б

Рис 6.1.1

Практически передача «широкого» импульса через трансформатор заменяется эквивалентной передачей пачки «узких» импульсов с крутыми фронтами и длительностью пачки, равной длительности «широкого» импульса. Одно из возможных решений показано на рис. 6.1.1, б. Здесь высокочастотный генератор ВГ «узких» импульсов, работающий непрерывно, подключается к трансформатору попеременно через диоды D 1 и D 2 на время замыкания ключа К, управляемого от системы управления СУ, генерирующей «широкий» импульс управления. Трансформатор без искажений передает пачку «узких» импульсов, сохраняя у них крутые фронты и плоские вершины. С помощью выпрямителя на диодах D 3, D 4 на вторичной стороне трансформатора в цепи управления формируется неискаженный «широкий» импульс управления (рис. 6.1.2).

Рис 6.1.2

Оптронная развязка системы управления и силовой схемы преобразователя основана на оптроне, представленном на рис. 6.1.3. Он состоит из светодиода, преобразующего электрический импульс в световой, и фотодиода, преобразующего све-

товой импульс в электрический. Возможно конструктивное объединение оптрона и тиристора в оптронный тиристор. Но предельные электрические параметры оптронных тиристоров примерно на порядок хуже предельных параметров обычных тиристоров, что ограничивает область их применения. Многообразие систем управления вентильными преобразователями порождается многообразием способов реализации на концептуальном и структурном уровнях первой и главной функции системы управления – функции контроля фаз импульсов управления вентилями. Для обеспечения ориентации в этом множестве систем управления необходимо упорядочить их по следующим классификационным признакам.

• По числу каналов, в которых производится регулирование фаз импульсов управления вентилями: одноканальные и многоканальные системы управления. В одноканальных системах импульсы управления для всех вентилей вырабатываются в одном общем канале, из которого они по очевидной логике распределяются по вентилям. В многоканальных системах импульсы управления на каждый вентиль (или их локальную группу) вырабатываются в своем канале. Достоинством одноканальных систем является отсутствие разброса значений фаз импульсов управления вентилями, присущее многоканальным системам из-за неидентичности параметров каналов при их практической реализации, связанной с разбросом параметров реальных элементов канала. Неидентичность фаз импульсов управления вентилями порождает очевидную некачественность выходной и потребляемой энергии преобразователя. Например, для выпрямителя допустим разброс фаз импульсов управления от вентиля к вентилю не более 1….

• По наличию синхронизации импульсов управления с каким-то хронирующим процессом (напряжение питающей сети переменного тока, автономный генератор тактовой частоты в системе управления): синхронные (есть синхронизация) и асинхронные (нет синхронизации) системы управления.

• По использованию сигнала обратной связи по выходной переменной преобразователя для целей фазосмещения: разомкнутые (программные) и замкнутые (следящие) системы управления.

• По характеру изменения фазы импульсов управления вентилями: системы с плавным (непрерывным) изменением фазы (обычно по умолчанию) и системы с квантованным (скачкообразным) изменением фазы (системы релейного регулирования).

• По характеру управления по времени вентильными комплектами реверсивных вентильных преобразователей (реверсивные выпрямители, реверсивные ШИП, циклоконверторы): системы совместного управления, когда вентильные комплекты управляются все время, и системы раздельного управления, когда вентильные комплекты управляются по очереди в соответствии с полярностью полуволны выходного тока преобразователя.

МНОГОКАНАЛЬНАЯ СИНХРОННАЯ РАЗОМКНУТАЯ

СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ «ВЕРТИКАЛЬНОГО» ТИПА

СТРУКТУРА СИСТЕМЫ

Функциональная блок-схема одного канала многоканальной системы управления преобразователями с естественной коммутацией (выпрямители, зависимые инверторы, вентильный комплект непосредственного преобразователя частоты с фазовым регулированием, с учетом особенности, приведенной ниже, регулятор переменного напряжения с фазовым способом регулирования) показана на рис. 6.2.1. Здесь ГОН-генератор опорного напряжения синусоидальной, пилообразной (или специальной) формы с частотой, равной частоте переменного напряжения сети, сфазированный с опорным напряжением вентиля, управляемого от этого канала:

– сигнал задания, определяющий угол регулирования (в статике) или закон его изменения в динамике;

УС – устройство сравнения, вырабатывающее сигнал на выходе в момент сравнения двух его входных сигналов;

Ф – формирователь «узкого» или «широкого» импульса управления;

ВК – выходной каскад в виде усилителя мощности и устройства гальванической развязки или согласования уровней напряжения системы управления и вентиля силовой схемы;

ФСУ – фазосмещающая часть схемы управления, в которой реализуется первое требование – регулирование фазы сигнала управления вентилем.

Рассмотрим работу системы управления сначала для случая косинусоидальной формы опорного напряжения. Диаграммы сигналов канала управления построены на рис. 6.2.2. Если опорное напряжение сдвинуто на от анодного напряжения вентиля, как показано на рисунке, то при отсутствии сигнала задания = 0, фаза импульса управления вентилями будет = .

Рис 6.2.2

При этом среднее значение выпрямленного напряжения равно нулю в соответствии с уравнением регулировочной характеристики выпрямителя (2.9.2) части 1, что рационально для выпрямителя и необходимо, как будет видно из дальнейшего, для системы управления непосредственным преобразователем частоты с фазовым регулированием. При изменении сигнала задания в пределах ± Еm опорного напряжения фаза импульса управления будет меняться в пределах 0…, что и требуется в соответствии с регулировочной характеристикой вентильного преобразователя для работы его в выпрямительном режиме и режиме зависимого инвертирования. С учетом того, что регулирование фазы импульсов управления достигается здесь изменением по вертикали точки равенства напряжения задания с опорным напряжением, такой способ фазосмещения назван вертикальным.

ПЕРЕДАТОЧНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СИСТЕМЫ

Установим зависимость среднего значения выпрямленного напряжения выпрямителя от значения постоянного сигнала задания для выпрямителя на идеальных элементах. Эта зависимость называется передаточной характеристикой преобразователя по каналу: вход системы управления – выход силовой схемы. Исходя из условия равенства мгновенных значений опорного и задающего напряжений в момент выработки импульса отпирания можно записать

т.е. зависимость угла регулирования от напряжения задания носит здесь арккоси-нусоидальный характер (при постоянстве амплитуды опорного напряжения Еm).

Подставив значение из (6.2.1) в уравнение регулировочной характеристики (2.9.2) части 1, получим искомую передаточную характеристику

Таким образом, учитывая линейность передаточной характеристики вентильного преобразователя, представленной на рис. 6.2.3 прямой 1, его можно описать в терминах теории авторегулирования как линейное передаточное звено с коэффициентом передачи (усиления)

Рис 6.2.3

Но при косинусоидальном опорном напряжении ухудшается работа устройства сравнения при значениях сигнала задания, близких к ± Еm. В этих зонах скорость изменения опорного напряжения мала и любая нестабильность работы реального устройства сравнения даст большую ошибку в определении момента появления импульса управления. Поэтому практически достижимый диапазон регулирования угла приходится ограничивать величиной 150…, что приведет к недоиспользованию мощности выпрямителя.

От указанного ограничения системы вертикального управления с косинусоидальным опорным напряжением свободна система управления с пилообразным опорным напряжением. Диаграммы работы такой системы построены на рис. 6.2.4. Нерабочий участок пилы показан пунктиром и может быть сокращен до нуля за счет расширения рабочего участка пилы вплоть до .

Рис 6.2.4

Найдем уравнение передаточной характеристики выпрямителя в этом случае. Для момента выработки импульса управления из условия равенства мгновенных значений опорного и задающего напряжений можно записать

т.е. здесь имеет место линейная зависимость угла регулирования от напряжения задания. Подставив из (6.2.4) в уравнение регулировочной характеристики (2.9.2) части 1, получим

Передаточная характеристика здесь синусоидальна, что показано на рис.6.2.3 кривой 2. При этом первый ее квадрант соответствует выпрямительному режиму работы, а третий квадрант – режиму зависимого инвертора. В силу ее нелинейности вентильный преобразователь может быть охарактеризован коэффициентом передачи (усиления) только для приращений («в малом»), который зависит от режима звена авторегулирования, т.е. значения :

Теперь немного об особенностях управления непосредственным преобразователем частоты с естественной коммутацией и фазовым управлением (см. раздел 4.2). Реверсивный вентильный преобразователь – основа НПЧ – имеет два вентильных комплекта ВК1 и ВК2, которые управляются в противофазе. Поэтому и система управления НПЧ состоит из двух рассмотренных комплектов управления СУ1 и СУ2 выпрямителем, которые имеют противофазные задающие напряжения и от генератора задания ГЗ, определяющего частоту и величину выходного напряжения НПЧ. Укрупненная структура такой системы управления показана на рис. 6.2.5, а диаграммы ее работы – на рис. 6.2.6 для режима раздельного управления. Устройство раздельного управления УРУ подключает выходы СУ1 или СУ2 для управления вентильными комплектами ВК1 и ВК2 в соответствии с полярностью полуволны выходного тока НПЧ. Выходы СУ1 и СУ2 условно представлены общими последовательностями импульсов управления, полученными путем совмещения опорных напряжений вентилей также на общей диаграмме.

Рис 6.2.5

Рис 6.2.6

Дата добавления: 2014-01-07