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,

у казанную 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=Uп.

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

Uвых=Uп -I*Rвн,

где I - ток преобразователя,

Rвн - внутреннее сопротивление ШИП.

В ыходные 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

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.

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 ) 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 1=2, 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).

С хема 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

Т рехфазные 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

и сточника 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.