6.3. Силовые полупроводниковые преобразователи в системе автоматизированного электропривода

Силовые полупроводниковые преобразователи в системах автоматики выполняют функцию регулирования скорости и момента электрического двигателя. Они включены между потребителем мощности (как правило, электрическим двигателем) и основным источником питания (рис. 6.32). По принципу действия силовые преобразователи разделяются на следующие базовые типы [22, 23]:

управляемые выпрямители (УВ), которые преобразуют переменное, обычно синусоидальное напряжение источника питания постоянной частоты (как правило, промышленной f_и = 50 Гц или f_и = 400 Гц) и с постоянным действующим значением (обычно U_и = 220 В или U_и = 360 В), в регулируемое выходное напряжение постоянного тока (U_п = var, f_п = 0).

широтно-импульсные преобразователи (ШИП), которые преобразуют постоянное напряжение источника питания (U_и = const, f_и = 0) в постоянное регулируемое напряжение постоянного тока на выходе (U_п = var, f_п = 0).

автономные инверторы (АИ), которые преобразуют постоянное напряжение питания (U_и = const, f_и = 0) в переменное напряжение на выходе с регулируемым действующим значением и регулируемой частотой (U_п = var, f_п = var).

непосредственные преобразователи частоты (НПЧ) преобразуют переменное, обычно синусоидальное, напряжение постоянной частоты (f_и = 400 Гц или f_и = 50 Гц) постоянного действующего значения (обычно 220 В) в переменное напряжение на выходе с регулируемым действующим значением и регулируемой частотой (U_п = var, f_п = var).

Рис. 6.32. Базовые способы использования силовых преобразователей

Следует заметить, что здесь постоянные напряжения (f = 0) характеризуются средними значениями U_и.ср, U_п.ср, а переменные (f  0) – действующими значениями (U_и, U_п).

Таким образом, силовые преобразователи УВ, ШИП могут использоваться для управления (напряжением, током, мощностью) потребителями постоянного тока. Причем, последние могут быть не только электрическими двигателями, но и являться потребителями с активной (резистивной) нагрузкой (такие силовые преобразователями применяются в регулируемых источниках питания). Если источником питания является сеть переменного тока, то может быть применен либо УВ, либо сочетание выпрямителя и ШИП.

Для потребителей переменного тока (которым чаще всего является машина переменного тока) применяется АИ, а при питании от источника переменного тока НПЧ, либо сочетания УВ и АИ, либо выпрямителя и АИ.

6.3.1. Управляемые выпрямители

Источником энергии для управляемых выпрямителей является сеть переменного тока. Принцип управления состоит в том, что в положительный полупериод питающего напряжения электронный ключ (как правило, тиристор) открывается и подает напряжение к потребителю лишь часть этого полупериода. Напряжение и ток на выходе управляемого выпрямителя содержат постоянные и переменные составляющие. Изменяя момент (фазу) открытия электронного ключа, меняют среднее значение напряжения на входе потребителя мощности. Управляемые выпрямители чаще всего используются для управления двигателем постоянного тока по цепи якоря.

Существует большое число различных схем управляемых выпрямителей. По принципу действия и построения они могут быть разделены на две группы: однополупериодные (схемы с нулевым проводом), в которых используют только одну полуволну напряжения сети, и двухполупериодные (мостовые схемы), где использованы обе полуволны переменного напряжения сети.

Рассмотрим работу простейшей двухполупериодной тиристорной схемы с чисто активной нагрузкой R_н (рис. 6.33).

К источнику синусоидального напряжения сети U_и с амплитудой U_m подключена нагрузка R_н через тиристорный мост VS1 – VS4. Диагональные тиристоры VS1, VS4 и VS2, VS3 открываются попарно, поочередно в момент времени, определяемый углом отпирания .

В интервал α < t < 180° к нагрузке подводится напряжение U_п = U_m sin t. На рис. 6.35 кривая напряжения на нагрузке закрашена темным цветом.

Так как нагрузка активная (резистивная), кривая тока повторяет кривую напряжения. В момент времени t = 180° ток уменьшается до нуля и соответствующая пара диагональных тиристоров закрывается. Этот процесс повторяется каждый полупериод. Управление тиристорами осуществляют импульсами малой длительности с достаточно крутым передним фронтом, что уменьшает потери мощности в тиристоре при включении, а следовательно, его нагрев.

Рассмотренный фазовый метод управления может быть реализован с помощью фазосдвигающих способов, одним из которых является вертикальный способ управления, основанный на сравнении опорного напряжения (обычно пилообразной формы) и постоянного напряжения сигнала управления. Равенство мгновенных значений этих напряжений определяет фазу , при которой схема вырабатывает импульс, затем усиливаемый и подаваемый на управляющий электрод тиристора. Изменение фазы  управляющего импульса достигается изменением уровня напряжения сигнала управления U_упр. Функциональная схема управления приведена на рис. 6.34. Опорное напряжение, вырабатываемое генератором пилообразного напряжения ГПН и синхронизированное с напряжением сети с помощью синхронизирующего устройства СУ, подается на схему сравнения СС, на которую одновременно поступает и входное напряжение (сигнал управления). Сигнал со схемы сравнения поступает на формирователь импульсов (ФИ), затем на распределитель импульсов (РИ), на усилители мощности (У), откуда в виде мощного, обладающего крутым фронтом и регулируемого по фазе импульса подается на управляющий электрод.

Рис. 6.33. Мостовая схема однофазного двухполупериодного УВ	Рис. 6.34. Функциональная схема вертикального управляемого выпрямителя

Интегрируя напряжение U_п = U_m sin t на интервале  – , определим среднее за период значение напряжение на нагрузке:

, (3.1)

На рис. 6 штриховой линией изображена функция (3.1) в долях наибольшего среднего значения напряжения на нагрузке , соответствующего  = 0.

Процессы в выпрямителе усложняются, если нагрузка имеет активно-индуктивный характер. На рис. 6.36 показаны процессы, протекающие в подобных цепях. Отпирание тиристоров осуществляют, как и в простейшей схеме рис. 6.33. В отличие от рис. 6.35 ток нарастает не скачком, а плавно за счет индуктивности нагрузки L_н. Причем, когда напряжение питающее тиристор фазы проходит через ноль, ток не прекращается, а под действием ЭДС самоиндукции, создаваемой индуктивностью L_н, продолжает протекать еще некоторое время, преодолевая отрицательное напряжение питающей фазы. Тиристор закрывается лишь в момент времени  когда ток, протекающий через него, достигнет нуля.

В результате, как и при чисто резистивной нагрузке, на участке  – ( + 180°) происходит разрыв (прерывание) тока в цепи.

Таким образом, при наличии индуктивности в нагрузке кривая выпрямленного напряжения может иметь наряду с положительными и отрицательные участки, поэтому среднее значение напряжения на нагрузке равно

.

Это напряжение является функцией как угла отпирания вентилей , так и относительной постоянной времени цепи нагрузки, определяемой как . На рис. 6.37 показаны зависимости . Для трех относительных значений  = 2, 3, .

По мере уменьшения  угол  увеличивается, и интервал проводимости одной диагонали (VS1, VS4) может перекрыть момент отпирания другой диагонали (тиристоры VS2, VS3). Поэтому при отпирании тиристоров VS2, VS3 мгновенное значение тока через них окажется равным мгновенному значению тока тиристоров VS2, VS4, которые запираются. Наступает режим непрерывного тока (рис. 6.36), при котором  =  + 180°.

Ток в цепи нагрузки может быть представлен в виде двух составляющих: постоянной и переменной. Переменная составляющая резко возрастает, когда ток становится прерывистым.

Так как переменная составляющая тока вызывает дополнительный нагрев и потери в нагрузке, при управлении двигателем стремятся обеспечить режим непрерывного тока, для чего последовательно с якорем включают дополнительный дроссель, увеличивая тем самым . Следует отметить, что индуктивность дополнительного дросселя увеличивает электромагнитную, а его активное сопротивление – электромеханическую постоянные времени двигателя. Поэтому дополнительный дроссель ухудшает динамические свойства привода.

Рис. 6.35. Временные диаграммы напряжений на элементах УВ с чисто активной нагрузкой	Рис. 6.36. Электромагнитные процессы в УВ при активно-индуктивной нагрузке

Для равномерной нагрузки фаз и уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения используют трехфазные управляемые выпрямители. Эти выпрямители подключаются к трехфазной сети переменного тока, как правило, через трехфазный трансформатор.

В трехфазном мостовом выпрямителе (рис. 6.38) последовательно соединены два трехфазных однополупериодных выпрямителя: анодный (на тиристорах VS1, VS3, VS5) и катодный (на тиристорах VS2, VS4, VS6). Каждая из этих групп повторяет работу трехфазного однополуприодного выпрямителя.

Рис. 6.37. Зависимости среднего напряжения на выходе УВ от угла управления

При активно-индуктивной нагрузке ток в цепи нагрузки получается идеально сглаженным и непрерывным практически во всем диапазоне регулирования (рис. 6.38).

Рис. 6.38. Трехфазный двухполупериодный УВ

Режим работы УВ, когда ток нагрузки протекает навстречу выпрямленному напряжению под действием ЭДС называется инверторным. На рис. 6.39 показана зависимость относительного среднего напряжения на выходе УВ при наличии в цепи нагрузки индуктивности и ЭДС. В этом случае при 90 <  < 180° УВ работает в инверторном режиме, возвращая энергию нагрузки в сеть.

В электроприводе постоянного тока обычно применяются реверсивные управляемые выпрямители (рис. 6.40), состоящие из двух УВ, соединенных встречно-параллельно нагрузке.

В этом случае один управляемый выпрямитель работает в режиме выпрямителя, а другой в режиме инвертора. Момент на валу двигателя определяется средним током на выходе УВ. Поэтому в первом приближении УВ можно считать непрерывным регулируемым источником напряжения.

Энергетические характеристики управляемого выпрямителя определяются следующими параметрами:

средним выходным напряжением на холостом ходу, отнесенным к эффективному фазовому напряжению на входе;

количеством пульсаций выходного напряжения на периоде частоты сети;

пульсацией выходного напряжения;

средним и эффективным током тиристора, отнесенным к среднему току нагрузки;

установленной мощностью трансформатора и полной потребляемой мощностью из сети, отнесенными к средней мощности в нагрузке.

Эти параметры рассчитываются в предположении, что ток нагрузки идеально сглажен.

Рис. 6.39. Выходное напряжение УВ	Рис. 6.40. Реверсивный УВ

Управляемый выпрямитель отрицательно влияет на питающую сеть переменного тока. Во-первых, он потребляет из сети несинусоидальный ток. Во-вторых, он сдвигает фазу потребляемого тока относительно питающего напряжения. Несинусоидальность тока может быть охарактеризована коэффициентом гармоник:

,

где I₁...I_n – эффективные значения тока первой и следующих гармоник, I_ – эффективный ток всех высших гармоник.