Широтно-импульсные преобразователи для управления двигателями постоянного тока.

Упрощенная принципиальная схема широтно-импульсного преобразователя (ШИП) представлена на рис.68. Она содержит четыре ключа ТК1 - ТК4. В диагональ моста, образованного силовыми ключами, включена нагрузка - якорь двигателя постоянного тока. Питание ШИП осуществляется от источника постоянного тока, например неуправляемого выпрямителя.

Наиболее простым способом управления ШИП по цепи якоря является так называемый, симметричный способ управления. При этом способе в состоянии одновременного переключения находятся все четыре силовых ключа моста, а напряжение на выходе ШИП представляет собой знакопеременные импульсы, длительность которых регулируется входным сигналом.

В ШИП с симметричным управлением среднее напряжение U_я на выходе ШИП равно нулю, когда относительная продолжительность включения g₀ = 0,5. Временные диаграммы работы ШИП при симметричном способе управления приведены на рис.69. Симметричный способ управления обычно используется в маломощных электроприводах постоянного тока. Его преимуществом является простота реализации и отсутствие зоны нечувствительности в регулировочной характеристике. Недостаток ШИП с симметричным управлением - знакопеременное напряжение на нагрузке и в связи с этим повышенные пульсации тока в якоре двигателя.

Стремление исключить этот недостаток привело к разработке способов, обеспечивающих однополярное напряжение на выходе ШИП. Простейшим из них является несимметричный. Несимметричное управление представлено на рис.70,а и б. В этом случае (см.рис.70,а) переключаются силовые ключи ТК3 и ТК4 (ключи ТК1 и ТК2 при противоположной полярности входного сигнала), силовой ключ ТК1 постоянно открыт, а ключ ТК2 постоянно закрыт. Силовые ключи ТК3 и ТК4 переключаются в противофазе. При включенных ТК1 и ТК4 формируется напряжение, поступающее на якорь двигателя. Одновременное включение ТК1 и ТК3 необходимо при рекуперации энергии в сеть. Это происходит при включенных ТК1 и ТК4, когда E_дв >U_n . Ток проходит по обратным диодам этих ключей. Когда же выключается ТК4 и включается ТК3, ток не прерывается, он течет по пути левая щетка двигателя М - обратный диод ключа ТК1 - ключ ТК3 - правая щетка двигателя - якорь двигателя.

При работе в двигательном режиме на выходе ШИП формируются знакопостоянные импульсы и среднее напряжение на выходе равно нулю, когда относительная продолжительность включения ключа ТК4 g₀ = 0.

Недостатком рассмотренного способа управления является то, что загрузка ключей рабочим током неодинакова. Этот недостаток может быть устранен при поочередном управлении (см.рис.71,а и б). Здесь при любом знаке входного сигнала в состоянии переключения находятся все четыре силовых ключа моста, однако частота переключения каждого из них в два раза меньше частоты напряжения на выходе. Чем ниже частота переключения силовых ключей, тем ниже дополнительные потери мощности в них, т.е. пониженная частота переключения силовых элементов является достоинством ШИП.

Управляющее напряжение силовых ключей ТК1-ТК4, постоянно находится в противофазе; при этом ключи переключаются через период выходного напряжения t. Этим достигаются одинаковые условия работы полупроводниковых приборов в мостовой схеме.

При некотором знаке входного сигнала управляющие импульсы U_у1 и U_у4 длительностью t₁ = (1+g)t подаются на диагонально расположенные ключи со сдвигом на полпериода (см.рис.71,а), а управляющие импульсы U_у2 и U_у3 длительностью t₂ = (1- g)t также со сдвигом на полпериода подаются на силовые элементы противоположной диагонали (ТК2, ТК3). В этом случае на интервале gt нагрузка подключена к источнику питания с помощью диагонально расположенных ключей, а на интервале (1- g)t нагрузка закорочена с помощью верхних или нижних ключей, если работа преобразователя происходит в инверторном режиме.

При изменении знака входного сигнала порядок управления диагональными ключами изменяется на противоположный (см.рис.71,б). При поочередном управлении на нагрузке формируются знакопостоянные импульсы длительностью gt.

Системы управления широтно-импульсными преобразователями

постоянного тока.

Системы управления широтно-импульсными преобразователями (СУ ШИП) могут быть построены на разных принципах действия. Здесь будет рассмотрен принцип построения схемы СУ ШИП без звена постоянного тока, т.е. без преобразования кода в составе управляющего сигнала в регулируемое напряжение, поступающее на силовые ключи. Питание подобных СУ осуществляется от первичного источника постоянного тока.

Наиболее простой является СУ для симметричного способа управления ШИП. Знакомство с этой системой позволяет получить достаточное представление о структуре и принципе действия этой системы, и выяснить принципы действия других систем и работу элементов, на которых эти системы строятся.

Функциональная схема СУ ШИП для симметричного управления силовыми ключами показана на рис.72. Она содержит преобразователь кода во временной интервал ПКВИ, схему синхронизации СС, распределитель импульсов РИ и импульсный преобразователь, содержащий силовые ключи. На этом рисунке U_сс -опорный сигнал, подаваемый на ПКВИ от СС; Q - широтно-импульсный сигнал, снимаемый с ПКВИ; U_у1 … U_у4 - сигналы, подаваемые на силовые ключи импульсного преобразователя.

Рассмотрим варианты построения основного блока системы - ПКВИ. Для его реализации обычно используются два основных подхода. При первом подходе основным звеном преобразователя кода во временной интервал является компаратор, на вход которого подаются два сигнала: входной управляющий сигнал m и некоторый опорный сигнал Q₀, обычно пилообразной формы (рис.73).

На рис.73, б приведена временная диаграмма работы схемы, которая может быть использована для управления силовыми ключами при симметричном способе. Схема вырабатывает управляющий сигнал в моменты равенства мгновенных значений сигналов Q₀ и m. Включение импульсов происходит в начале периодов пилообразного опорного сигнала.

При втором подходе к реализации схемы ПКВИ используются счетчики импульсов. На рис.74 приведена функциональная схема преобразователя кода m во временной интервал, которая работает следующим образом. В определенные моменты времени схема синхронизации вырабатывает тактовый импульс f¢_сс, который производит запись кода m в счетчик С и одновременно устанавливает триггер Т₂ в такое состояние, при котором проводит вентиль В.

Импульсы от схемы синхронизации с частотой f_сс проходят через вентиль и поступают на вход счетчика С. Счетчик работает на вычитание, причем, в тот момент, когда на счетчик будет записан нуль, на выходе счетчика будет сформирован импульс f_с, который изменяет состояние триггера. Вентиль закрывается и поступление импульсов частотой f_сс на вход счетчика прекращается. Выходной сигнал Q, длительность которого пропорциональна коду m, снимается с триггера Тг. Временная диаграмма работы схемы приведена на рис.74.

Системы управления для других способов (несимметричного и поочередного) более сложны и в данном курсе лекций не рассматриваются.

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ НА НА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ЭЛЕМЕНТАХ.

Для реализации частотного управления электропривода переменного тока наиболее перспективными являются полупроводниковые преобразователи частоты. Эти преобразователи частоты можно разделить на два вида: ПЧ на полностью управляемых элементах (транзисторные и на полностью управляемых тиристорах) и ПЧ на полууправляемых вентилях - тиристорах.

Достоинством полупроводниковых ПЧ является возможность экономичного регулирования частоты вращения наиболее массового, дешевого и надежного асинхронного электропривода с двигателем, имеющим короткозамкнутый ротор. В ПЧ управлению подлежат две выходные координаты - амплитуда напряжения или тока нагрузки U_m, I_m и частота изменения напряжения или тока f_n. В соответствии с этим ПЧ располагает двумя входными координатами - сигналом управления напряжением или током U_у.н (U_у.т) и сигналом управления частотой U_у.f (рис.75).

Современные ПЧ на полууправляемых вентилях-тиристорах можно разделить на два основных класса: ПЧ с автономными инверторами (с промежуточной цепью постоянного тока) и ПЧ с непосредственной связью нагрузки с сетью (непосредственные ПЧ).

Трехфазные тиристорные преобразователи частоты

с автономными инверторами.

На рис.76 изображена функциональная схема ПЧ с автономным инвертором (АИ). Преобразование напряжения сети с неизменной, стандартной частотой (например 50 Гц) и стандартным действующим напряжением (например 380 В) в регулируемые по величине выпрямленное напряжение U_d или ток I_d (в промежуточной цепи) осуществляется системой, которую можно назвать управляемым источником (УИ) соответственно, напряжения (УИН), или тока (УИТ).

Значение U_d или I_d на выходе УИ определяют задающим сигналом U_з.н или U_з.т. При этом за счет обратных связей по напряжению или току, входящих в состав УИ, значения U_d или I_d можно считать стабилизированными, т.е. независимыми от колебаний напряжения сети и изменения тока нагрузки для U_d, от колебаний напряжения сети и нагрузки для I_d.

Значения U_d и I_d являются входными энергетическими величинами автономного инвертора. При этом автономный инвертор выполняется как инвертор напряжения (АИН) с выходными координатами U_n и f_n , если получает питание от управляемого источника напряжения, или как инвертор тока (АИТ) с выходными координатами I_n и f_n , если получает питание от управляемого источника тока. Выходные величины U_n, I_n, f_n управляются каналом частоты, в состав которого входит система управления инвертором СУИ. В системе частотного управления асинхронным двигателем каналы управления АИ и УИ взаимосвязаны. Задание на уровень напряжения и тока УИ формируется с помощью функционального преобразователя ФП в зависимости от частоты. Однако изучение всей системы управления ПЧ для регулирования момента и скорости двигателя не входит в задачу дисциплины «Элементы АЭП».

Основу данного класса ПЧ составляет автономный инвертор, выполненный в двух вариантах, - как АИН и как АИТ. Для варианта ПЧ с АИН в качестве управляемого источника напряжения (УИН) используется тиристорный преобразователь напряжения с малым внутренним сопротивлением, что должно обеспечить постоянство напряжения питания инвертора независимо от тока нагрузки. При значительном внутреннем сопротивлении ТП условие U_d = const может быть обеспечено с помощью отрицательной обратной связи по напряжению. В том случае, если УИ является источником напряжения, полярность U_d изменяться не должна, U_d должно регулироваться от нуля до U_dmax . Перевести УИ в режим работы приемника энергии, т.е. обеспечить рекуперацию энергии из цепи нагрузки в сеть переменного тока можно только при изменении направления тока I_d . Для этого УИ должен представлять собой реверсивный ТП с двумя комплектами вентильных групп. Это усложняет схему и исполнение ПЧ с АИН, что является его недостатком.

Для варианта ПЧ с АИТ управляемый источник должен обеспечивать постоянство входного тока инвертора I_d независимо от скорости асинхронного двигателя - нагрузки ПЧ. Ток I_d должен определяться только величиной U_з.т на входе УИ. При постоянной величине U_з.т условию I_d = const соответствует работа УИ в режиме источника тока, что достигается с помощью обратных связей и введением в цепь постоянного тока реактора с большой индуктивностью. Так как направление тока I_d не должно изменяться, то для перевода УИ в инверторный режим работы, т.е. для рекуперации энергии в сеть, требуется изменение полярности напряжения на выходе УИ. Это условие может быть выполнено на нереверсивном ТП с одной вентильной группой путем перевода его в режим работы инвертора, ведомого сетью. Это, как известно, достигается изменением величины угла управления a< 90° на a> 90°. Схема ПЧ с АИТ содержит меньшее число силовых вентилей, чем схема ПЧ с АИН. Однако ПЧ с АИТ не может работать без обратных связей по напряжению или скорости двигателя, которые должны обеспечить ему установившиеся режимы работы.

Система управления инвертором.

Регулирование частоты выходного напряжения или тока f_n ПЧ осуществляется системой управления инвертором (рис.77). Схема включает в себя задающий генератор частоты ЗГ, преобразующий аналоговый сигнал управления U_уf в колебания прямоугольной формы с частотой f_з.г, распределитель импульсов РИ, преобразующий колебания ЗГ в синхронизированную по частоте и фазе трехфазную систему импульсов и распределяющий импульсы по шести каналам управления тиристорами инвертора, и формирователь управляющих импульсов ФИ, формирующий импульсы управления тиристорами по мощности, форме и длительности. Для каждого блока, входящего в состав системы управления, следует различать его реальные физические входные и выходные величины (напряжение, уровень импульсов напряжения и тока) и функциональные (напряжение и частота).

В качестве задающего генератора в ПЧ обычно используется генератор прямоугольных колебаний. Его выходное напряжение имеет форму двуполярных прямоугольных колебаний, частота которых пропорциональна управляющему напряжению U_уf. В функциональном отношении ЗГ может рассматриваться как безынерционное звено с линейной характеристикой и передаточным коэффициентом:

.

В построении схем распределителя импульсов могут быть использованы кольцевые коммутаторы, диодные матрицы, схемы совпадений. Функционально распределители импульсов РИ всех видов работают одинаково. На шести выходных каналах РИ по числу тиристоров в АИ выделяются узкие синхронизирующие импульсы.

Возникая в каждый полупериод переменного выходного напряжения ЗГ, импульсы передаются поочередно на выходные каналы 1,2,...6 и снова 1,2,...6 и т.д. В результате импульсы следуют от канала к каналу с частотой 2f_з.г, а в каждом отдельном канале - с частотой (2f_з.г)/6 = (f_з.г)/3.

Таким образом, относительно каждого выходного канала РИ оказывается делителем частоты с передаточным коэффициентом

Полученные синхронизирующие импульсы усиливаются и расширяются с помощью формирователей импульсов ФИ, т.е. приобретают параметры, необходимые для надежного включения тиристоров автономного инвертора. Функционально формирователь управляющих импульсов представляет собой усилительное звено с передаточным коэффициентом

.

В целом система управления инвертором, образующая канал частоты ПЧ, представляется линейным и безынерционным звеном с результирующим передаточным коэффициентом

.

Автономный инвертор тока.

Автономный инвертор функционально отличается от выпрямителя только направлением преобразования. Электрическая энергия цепи постоянного тока преобразуется в энергию 3-фазной системы переменного тока. Автономный инвертор функционально не отличается от инвертора, ведомого сетью. Схема включения тиристоров последнего остается той же, что и у управляемого выпрямителя. Точно так же основу 3-фазного автономного инвертора составляет такая же, как и для выпрямителя мостовая схема с шестью рабочими управляемыми тиристорами. Аналогичной будет и диаграмма очередности включения рабочих тиристоров, в соответствии с которой включающие импульсы поступают на вентильную группу с фазовым сдвигом 60° один относительно другого.

В отличие от ТП постоянного тока, в котором рабочий интервал составляет 120° (l=120°), в автономном инверторе этот интервал, в принципе, может изменяться в пределах 0<l<180°. Этот факт объясняется различием в процессах коммутации тиристоров в ТП и в автономном инверторе.

В ТП используется естественная коммутация вентилей, при которой тиристоры запираются автоматически напряжением питания в моменты появления отрицательных потенциалов на анодах. Поэтому в 3-фазной схеме в режиме непрерывных токов l=120°=const. Автономный инвертор- преобразователь с так называемой искусственной коммутацией. Тиристоры включены на напряжение постоянного тока с неизменной полярностью. Для запирания включенного тиристора требуется искусственным путем с помощью специального коммутирующего устройства создать на катоде положительный потенциал относительно анода. В результате этого появляется возможность в любой момент времени не только включать, но и выключать тиристоры. При этом максимальное заполнение периода импульсом напряжения будет иметь место при l=180°. Обычно в инверторах реализуется продолжительность включенного состояния тиристоров в 120° либо в 180°. При таких значениях угла l высокое заполнение периода импульсом напряжения достигается симметричными и простыми схемами управления.

На рис.78 приведена схема 3-фазного АИТ с интервалом проводимости l=120°. Кроме рабочих тиристоров V_S1 -V_S6, в схему входят реактор L, обеспечивающий постоянство входного тока I_d, конденсаторы С₁₃, С₁₅, С₃₅, С₄₂, С₆₂, С₄₆, участвующие в искусственной коммутации, и отделительные диоды V_D1 - V_D6, исключающие разряд конденсаторов через нагрузку в рабочие интервалы тиристоров.

Процесс запирания тиристоров происходит следующим образом. Пусть рабочий ток пропускают V_S1 и V_S2, а С₁₃ заряжен положительным зарядом на левой обкладке. Сигналом на выключение V_S1 является включающий импульс, подаваемый на V_S3. При этом V_S3 включается, а V_S1 запирается конденсатором С₁₃. Ток разряда этого конденсатора проходит по цепи левая обкладка - С₁₃ - V_S1 (в непроводящем направлении) - V_S3 - правая обкладка С₁₃. Этот процесс - первый этап коммутации тока в фазах нагрузки. Второй этап должен закончиться снижением до нуля тока в фазе а и возрастанием тока в фазе b до значения I_d. После выключения V_S1 рабочий ток продолжает протекать по фазе а, но уже через V_S3, C₁₃ и V_D1.

Конденсатор С₁₃ перезаряжается рабочим током, и при изменении полярности на его обкладках ток в фазе а (i_a) начинает уменьшаться, а ток в фазе b (i_b) увеличиваться. Снижение i_a обусловлено тем, что напряжение С₁₃ при его перезаряде направлено встречно протекающему через емкость току i_a. Процесс заканчивается, когда (i_a = 0), а (i_b = I_d), при этом С₁₃ полностью перезаряжен. На правой его обкладке заряд положительный.

Работа инвертора без учета процессов коммутации (точнее, при мгновенной коммутации токов в фазах нагрузки) иллюстрируется рис.79. В соответствии с диаграммой очередности включения тиристоров (рис.79,а) строится диаграмма включенного состояния тиристоров каждой фазы (рис.79,б). Включенное состояние тиристоров изображается прямоугольниками, положительными для V_S1, V_S3, V_S5, имеющих общий анод, и отрицательными для V_S2, V_S4, V_S6, имеющих общий катод. В период работы инвертора имеет место шесть различных состояний, которые сменяются через каждые 60° (рис.79,в). Для каждого состояния известно, через какую пару тиристоров и, соответственно, какую пару выводов двигателя и с каким направлением проходит рабочий ток ПЧ (рис.79,г). Относительно выводов a, b, c, обозначающих угловое положение обмоток статора, ток можно рассматривать как некоторый пространственный вектор I_п.

В пределах одного периода вектор I_п делает один оборот, поворачиваясь мгновенно через каждую 1/6 периода на 60°. Такому вращению вектора I_п соответствуют временные диаграммы мгновенных токов ПЧ: линейного тока для любой схемы включения статорной обмотки двигателя, имеющего прямоугольную форму (рис.79,б), и фазного тока для схемы «треугольник», имеющего пирамидальную форму (рис.79, е).

Аналогично описанному работает и АИН с l=120°, но с той разницей, что его выходной координатой будет не вектор I_п, а вектор ЭДС ПЧ E_п, который относительно фаз двигателя поворачивается дискретно так же, как и вектор I_п в АИТ.

Автономный инвертор напряжения.

На рис.80 приведена схема АИН с рабочим интервалом включенного состояния тиристоров l=180°. В отличие от АИТ схема АИН имеет обратный диодный мост V_D1 - V_D6, который создает цепь для обратного направления тока в процессе коммутации тиристоров, а также в режиме рекуперации энергии АИН.

Различие схем АИН с l=120° и l=180° в коммутирующих устройствах. В схеме с l=120° в коммутации поочередно участвуют два тиристора из одной и той же группы - анодной или катодной. В схеме с l=180° коммутируются тиристоры из разных групп: один из анодной, другой из катодной, но относящиеся к одной фазе.

Выключение тиристоров осуществляется следующим образом. Рабочий ток протекает через включенный V_S1. При этом конденсатор С₁ разряжен, а С₄ - заряжен положительным потенциалом на верхней обкладке. Для запирания V_S1 подается включающий импульс на V_S4. Через включенный V_S4 происходит разряд С₄. Изменение тока в нижней части коммутирующего реактора L_k вызывает в его верхней части появление ЭДС, направленной встречно U_d, под действием которой протекает ток по цепи L_k - V_S1 - С₁ - L_k. Этот ток через V_S1 проходит в непроводящем направлении. Он выключает этот тиристор. Конденсатор С₁, более не закороченный V_S1, заряжается так, что U_c1 + U_c2 = U_d и i_c1 = i_c4, а ток нагрузки в фазе а двигателя i_a = i_c1 + i_c4 - i_VS4. Процесс коммутации заканчивается, когда U_c4 = 0, а U_c1 = U_d, хотя некоторое время занимает еще послекоммутационный период затухания тока реактора в короткозамкнутом контуре L_k - V_S4 - V_D4 - L_k. Далее , когда i_c1 = i_c4 = 0, через V_S4 протекает рабочий ток фазы а противоположного направления.

Для получения информации о форме, величине и фазе выходной ЭДС инвертора строят диаграммы работы АИН, исходя из очередности включения тиристоров с учетом l=180° (рис.81).

При работе АИН с l=180° в каждый момент времени включены только три тиристора: два из одной группы и один из другой. Шести состояниям инвертора (рис.81) соответствует шесть положений вектора E_n относительно выводов нагрузки (рис.81,г). Линейное напряжение на нагрузке из-за поочередного потенциального объединения двух выводов может принимать значение U_d или 0 (рис.81,д).

При соединении нагрузки в «треугольник» фазное напряжение равно линейному. При соединении в «звезду» две фазы оказываются включенными параллельно между собой и последовательно с третьей фазой. Следовательно, фазное напряжение может быть равным по абсолютному значению 1/3U_d или 2/3U_d (рис.81,е). Таким образом, выходная координата у ПЧ - мгновенный ток i_a (АИТ) или мгновенная ЭДС e_n (АИН) - имеет две формы: прямоугольную для линейного тока АИТ и линейной ЭДС АИН с l=180° и пирамидальную для фазной ЭДС АИН с l=180° в схеме нагрузки «звезда» и фазного тока АИТ в схеме нагрузки «треугольник».