Казачковський_аппч2

Добавил:

oguRIK69 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Национальный университет кораблестроения им. адм. Макарова

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

31,25 10 6 с.

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

25.12.2021

Размер:

26.31 Mб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 3 45 / 335 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 > Следующая >>>

Рис. 2.7. Процеси в паралельному переривнику (безперервний струм)

iвх

VS1

VD1

джерела. Коли тиристор закривається, струм навантаження починає зменшуватися. Виникає ЕРС самоіндукції, що направлена згідно зі струмом. Під впливом цієї ЕРС і проти-ЕРС E (якщо їх сума більша від напруги U d ) відкривається

діод і струм навантаження протікає колом “навантаження – VD1 – конденсатор C – навантаження”. Оскільки проти-ЕРС завжди менша від напруги джерела живлення, похідна струму позитивна

di Ud E iRн 0 , dt Lн

t1 t2 T

iVS

і струм зменшується. Енергія, накопичена на поперед-

ньому етапі в індуктивності, віддається конденсатору, підзаряджаючи його. Таким чином, у схемі рис. 2.6 рекуперація

здійснюється навіть тоді, коли ЕРС двигуна менша від напруги живильної мережі. Однак завжди для рекуперації необхідно, щоб сума проти-ЕРС та ЕРС самоіндукції перевищувала напругу живлення:

E Lн dtdi Ud .

Таким чином, індуктивність відіграє роль буфера, який накопичує енергію, отриману від джерела проти-ЕРС, для подальшої передачі її через переривник до джерела живлення.

Середня вихідна напруга при безперервному струмі, як і в схемі

рис. 2.1, визначається	формулою (2.1),
де під шпаруватістю	t1 T розумі-

u Ud E t2 t1 T t

VS1

VD1

Рис. 2.8. Процеси в паралельному переривнику (переривистий струм)

ється, як і раніше, відносна тривалість прикладення до навантаження напруги живильної мережі (тобто, в даному ви-

падку це є відношення тривалості закритого стану ключа до періоду модуляції, див. рис. 2.7).

Зі зменшенням проти-ЕРС або тривалості відкритого стану тиристора настає, як і в попередній схемі, режим переривистого струму (рис. 2.8).

Приклад 2.2. Рекуперація через паралельний переривник

Двигун постійного струму здійснює гальмування від номінальної швидкості до повної зупинки в рекуперативному режимі за допомогою паралельного переривника. Момент навантаження дорівнює номінальному, гальмівний момент – подвійному номінальному. Параметри переривника: напруга джерела

живлення U d =100 В, ємність фільтру С=50 000 мкФ, порогова напруга транзистора та діода Uпор =2 В, динамічний опір транзистора та діода rд =0,005 Ом. Параметри двигуна: номінальна швидкість н =52,3 рад/с; номінальний струм I н =54 А; номінальний момент M н =37 Нм; момент інерції J=0,348 кгм2; активний опір обмотки якоря Rя =0,054 Ом. Розрахувати напругу на конденсаторі на-

прикінці гальмування.

Потужність втрат у двигуні в гальмівному режимі

Pя Iг2 Rя 2Iн 2 Rя =(2 54)20,054=629,9 Вт.

Потужність втрат у переривнику

Pп IгUпор Iг2rд =2 54 2+(2 54)2 0,005=274,3 Вт.

Тривалість гальмування отримаємо шляхом інтегрування рівняння руху:

0	Jd	J н	0,348 52,3
tг				=0,1802 с.
	M г Mс	M г M с	2 37 37
н

Втрати енергії в двигуні та переривнику протягом гальмування

W Pя Pп tг =(629,9+274,3) 0,1802=169,9 Дж.

Механічна потужність на валі двигуна в режимі гальмування

Pг M г .

Закон зміни швидкості в режимі гальмування

н гt .

Уповільнення при гальмуванні

M г M с

2 37 37

=319 с-2.

0,348

Енергія, перетворена на електричну протягом гальмування

tг

г t M г

tг

Wе Pг dt

M г dt M г н

гt

M г

M с

M г M с

J 2

2 37

0,248 52,32

=348,8 Дж.

M г

M с

2 37 37

Енергія, накопичена в конденсаторі перед початком гальмування

	CU 2	50000 10 6 1002
W	d1		=250 Дж.

C1	2	2

Енергія, отримана конденсатором протягом періоду гальмування

WC Wе W =348,8–169,9 =178,9 Дж.

Напруга на конденсаторі наприкінці періоду гальмування


U d 2	2 WC1	WC	2(250 178,9)	=131 В.	
U d 2		C	50000 10 6	=131 В.	
		C	50000 10 6

Паралельний переривник за схе-

iVD

iн

мою рис. 2.6 може бути використаний не

тільки для забезпечення рекуперативного

iвх

режиму двигуна постійного струму, а й

Uвх

Uвих

для отримання напруги, більшої від вхі-

дної. Для цього треба увімкнути джерело

Rн

вхідної напруги паралельно керованому

ключу з дроселем, а конденсаторний

Рис. 2.9. Підвищувальний

фільтр – з іншого боку паралельно нава-

переривник

нтаженню (рис. 2.9). У цьому випа-

дку схема виконуватиме роль під-

вищувального переривника (бусте-

t1 t2

ра). Подібні схеми знайшли вико-

iвх

ристання в тягових електроприво- iL

дах, коректорах коефіцієнта потуж-

ності (п. 5.3) та імпульсних джере-

iVT

лах живлення (пп. 7.1, 7.2).

Часові діаграми підвищува-

льного переривника зображені на

рис. 2.10. На інтервалі накачки дро-

iVD

селя ( t1 ) відкритий транзистор, і

струм дроселя iL зростає. Оскільки				iC
діод закритий, конденсатор		розря-			t
джається на навантаження		(струм
				iн1	iн2
навантаження iн вважаємо незмін-

ним). Після закриття транзистора				T
починається інтервал передачі ене-
ргії	від дроселя до навантаження			uвих	t

( t2 ). Струм дроселя починає падати,			Рис. 2.10. Процеси у підвищувальному
ЕРС самоіндукції відкриває діод, і				переривнику
розпочинається заряд конденсатора.
Зі	збільшенням тривалості	відкритого		стану транзистора (права	частина
рис. 2.10) середній струм дроселя і кількість накопиченої в ньому енергії зрос-
тають, а конденсатор заряджається до більшої напруги.
	Залежність вихідної напруги від вихідної знайдемо, прирівнявши один
до одного прирости струму дроселя на першому та другому інтервалах (актив-
ними опорами нехтуємо):

iL U вхt1 ; L

iL U вих U вх t2 .

Урахувавши, що t1 T , а t2 T 1 та прирівнявши обидва вирази, отримаємо:

Uвих

Uвх

вих

вх

де 1 –

відносна тривалість відк-

ритого стану транзистора.

Регулювальна

характеристика

схеми зображена на рис. 2.11. Згідно з

останнім рівнянням рівень вихідної на-

пруги зі зростанням безупинно збіль-

шується (лінія 1),

проте врахування ак-

тивних опорів

транзистора

та

дроселя

обмежує максимальну досяжну напругу

(лінія 2).

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

2.3. Двоквадрантні переривники

Рис. 2.11. Регулювальна

Усунути безструмові паузи та за-

характеристика підвищувального

переривника

безпечити можливість

зміни напрямку

струму навантаження можна, об’єднавши

iвх

VD1

схеми рис. 2.1 та 2.6 (рис. 2.12).

У цій схемі ключі отримують керую-

VS1

чі імпульси у протифазі. Однак після закри-

вання одного з них інший відкриється тільки

VS2

Lн

тоді, коли струм навантаження змінить знак

для VS1

та

для VS2 на

(інтервали t2

VD2

Rн

рис. 2.13). Тому на рис. 2.13 пунктиром поз-

начені інтервали часу, коли тиристори ма-

iVS2

iVD2

ють позитивний

потенціал

на

керуючому

електроді, але не відкриті, а суцільною ліні-

Рис. 2.12. Двоквадрантний

єю – інтервали їх відкритого стану.

Під шпаруватістю, як і раніше, розу-

переривник із реверсом струму

міється відносна тривалість прикладання до

навантаження живильної напруги t1 T .

На рис. 2.13 зображені часові діаграми для випадку малого наванта-

ження електричного двигуна, коли його ЕРС близька до середньої вихідної на-

пруги переривника. Середнє значення струму I

U d

настільки мале,

що

Rн

його миттєве значення протягом інтервалу

встигає знизитись до нуля раніш,

ніж знову відкривається ключ VS1. Оскільки тиристор VS2 вже напоготові, ма-

ючи позитивний потенціал на керуючому електроді, він відкривається, забезпе-

чуючи зміну напрямку струму навантаження.

Протягом періоду модуляції потоки енергії в схемі протікають таким

чином:

інтервал

– електрична енергія

джерела живлення та конденсатора, а

також механічна з джерела проти-ЕРС

перетворюється на енергію електро-

магнітного поля в індуктивності;

VS1

інтервал

– енергія електромагнітно-

VS2

го поля з індуктивності та механічна з

VD2

джерела

проти-ЕРС

повертається

до

VD1

конденсатора;

iVS1

інтервал

– електрична енергія

джерела живлення та конденсатора пе-

ретворюється на механічну в джерелі

iVD2

iVS2

проти-ЕРС та на енергію електро-

магнітного поля в індуктивності;

інтервал

– енергія електромагнітно-

iVD1

го поля з індуктивності перетворю-

iвх

ється на механічну в джерелі проти-

ЕРС.

Передача

енергії на кожному

Рис. 2.13. Процеси

цих інтервалів супроводжується також її

у двоквадрантному переривнику

втратами в активному опорі.

Оскільки середнє значення стру-

му позитивне, навантаженням за період споживається енергії більше, ніж відда-

ється. Якщо збільшити шпаруватість

або зменшити проти-ЕРС,

різниця

U d E стане настільки великою, що інтервали негативного струму зникнуть

(як на рис. 2.2), і передача енергії до конденсатора припиниться. І навпаки, зме-

ншення шпаруватості або збільшення проти-ЕРС призведе до того, що струм

стане цілком негативним, і електрична машина перейде до рекуперативного

режиму (як на рис. 2.7). На рис. 2.14 зображений процес зміни знаку струму пі-

сля зменшення шпаруватості. Струм змінює знак, коли середня за період моду-

ляції вихідна напруга стає меншою за проти-ЕРС навантаження.

Для живлення обмоток статора

VS1

крокових

двигунів короткими

одно-

VS2

полярними

імпульсами

струму

іноді

VD1

VD2

використовують

півмостові двоквад-

рантні переривники (рис. 2.15), в яких

можна реверсувати напругу на наван-

таженні.

Після збільшення вихідного

струму до потрібного рівня та здійс-

нення чергового переміщення (кроку)

ротора

транзистори

закривають,

струм навантаження тече через діоди

Рис. 2.14. Зміна знаку струму у

та

конденсатор, а до

навантаження

двоквадрантному переривнику

прикладається напруга

протилежної

полярності, яка прискорює зникнення струму в обмотках та підвищує швидкодію крокових двигунів. Напрям струму в такій схемі змінити неможливо. Використання цієї схеми для живлення обмотки якоря двигуна постійного струму дозволяє реалізувати не тільки режим двигуна, а й противмикання.

	+	Ud	_		VT1
	+				VT1
iвх					VT2
iвх	VT1				VD1
					VD2
		i	VD1	u
	Lн		u	i	t
	Rн			i
	Rн
					t
	VD2	VT2		iвх	t
	VD2	VT2
		а			б

Рис. 2.15. Півмостовий двоквадрантний переривник із реверсом напруги

За роботи переривника в рекуперативному режимі завдяки підзаряду конденсатора від електричної машини напруга на ньому збільшується. Це може призвести до перенапруг, якщо від того ж джерела не живляться інші споживачі, здатні спожити рекуперовану енергію. Для запобігання перенапруг зустріч- но-паралельно некерованому випрямлячеві у джерелі живлення вмикають керований інвертор, ведений мережею, через який надлишок енергії конденсатора передається до мережі змінного струму. У малопотужних електроприводах, коли використання інвертора економічно недоцільне, паралельно конденсатору через спеціальний силовий ключ вмикають розрядний резистор, на якому розсіюється невикористана гальмівна енергія.

2.4.Реверсивні (чотириквадрантні) переривники

Усхемі рис. 2.12 можливий реверс лише вихідного струму, але не напруги. У реверсивних електроприводах, які пот-

ребують зміни напрямку обертання, використо-

VD1

вують чотириквадрантні

(реверсивні) пере-

ривники.

VT1

Ud1

На рис. 2.16 зображений реверсивний пе-

реривник із двополярним

джерелом живлення

(або півмостовий). У схемі використані транзис-

Lн

торні ключі, оскільки подібні переривники вико-

Rн

ристовуються в електроприводах малої потужно-

Ud2

VD2

сті.

Ключі в схемі рис. 2.16 працюють звичай-

VT2

но по черзі. Завдяки цьому до навантаження по

черзі прикладається напруга різних знаків (пози-

Рис. 2.16. Реверсивний

тивна при відкритому VT1 та негативна, якщо ві-

півмостовий переривник

дкриті VT2 або VD2). Коли шпаруватість t1 T 0,5 ,

а проти-ЕРС досить

невелика, вихідний струм протікає в напрямку, показаному на рис. 2.16. Часові

діаграми для цього випадку наведені на рис. 2.17. Коли закривається ключ VT1,

струм навантаження під впливом ЕРС самоіндукції продовжує текти через VD2

та конденсатор С2 , підзаряджаючи останній. Через відкритий діод до наванта-

ження прикладається напруга іншого знаку. Такий спосіб модуляції називають

двополярною модуляцією.

Середня напруга переривника за двополярної модуляції

1 T

t U

2 1 U

(2.3)

udt

T 0

Зменшення шпаруватості або збільшення проти-ЕРС зменшує струм на-

вантаження. Якщо внаслідок цього протягом інтервалу t2

струм встигає впасти

до нуля (рис. 2.18), відкривається

вже й ключ VT2, на базі якого пози-

тивний потенціал присутній одразу

після закривання VT1. Завдяки цьо-

му струм може змінити знак, і без-

струмова

пауза

не

виникає

(рис. 2.17).

Подальше

зменшення

шпаруватості призводить до

зміни

знаку середніх напруг та струму. Те-

пер уже не працюватиме ключ VT1.

За двополярної модуляції ко-

ливання струму вдвічі більші, ніж за

VT1

однополярної. Це пов’язане з тим,

VT2

що внаслідок удвічі більшого пере-

VD1

паду напруг похідна струму на етапі

VD2

його зменшення також більша:

Рис. 2.17. Процеси в півмостовому

di U d

E iRн .

переривнику (великі струми)

Lн

Недоліком схеми рис. 2.16 є

перекіс напруг між джерелами U d1

та U d 2 , якщо тривалості роботи

ключів VT1 та VT2 на певному етапі

суттєво відрізняються одна від од-

ної. Це вимушує використовувати

розрядні ланцюги для вирівнювання

VT1

напруг на конденсаторах C1

та C2 .

VT2

Найчастіше

реверсивних

VD1

електроприводах

використовується

VD2

мостовий

переривник

(рис. 2.19).

Рис. 2.18. Процеси в півмостовому

Він складається

двох

однакових

переривнику (малі струми)

плечей або фаз:

верхнього

(VT1,

VT2) та нижнього (VT3, VT4). Хоча в ньому вдвічі більше напівпровідникових приладів порівняно зі схемою рис. 2.16, але й більш просте джерело живлення та більші можливості для регулювання. Усі раніше розглянуті схеми (крім рис. 2.16) є фактично фрагментами мостової.

У схемі можлива зміна напряму як вихідної напруги, так і струму (тобто ця схема – чотириквадрантна). Для цього замість однієї діагоналі моста (наприклад, VT1, VT4) вмикається інша (VT2, VT3). Можлива як однополярна, так і двополярна модуляція вихідної напруги. Надалі переважно розглядатиметься саме ця схема.

2.5. Керування нереверсивними переривниками постійної напруги 

Системи керування переривниками,

як і системи керування випрямлячами, по-

iвх

будовані за принципом вертикального ке-

VD2

рування. Однак, оскільки переривник по-

VD1

стійної напруги – перетворювач авто-

VT1

VT2

номний, синхронізація системи керування з

Lн

живильною мережею, звичайно, не потріб-

на. Крім того, опорна напруга частіше три-

кутна, а не пилкоподібна. Блок-схема сис-

Rн

теми керування послідовним переривником

зображена на рис. 2.20, а її часові діаграми

VD4

– на рис. 2.21.

VD3

До входів компаратора К подаються

VT3

VT4

три напруги:

знакозмінна опорна uоп трикутної форми,

Рис. 2.19. Мостовий переривник

період якої задає період модуляції вихід-

ної напруги переривника;

негативна напруга зміщення U зм , яка дорівнює амплітуді опорної напруги

Uоп m ;

позитивна напруга керування uк , яка змінюється в діапазоні від 0 до Uоп m і

пропорційна бажаній середній напрузі на виході переривника.

Призначення напруги зміщення таке ж саме, як і в СІФК випрямлячів:

забезпечення нульової вихідної напруги переривника за нульової напруги керу-

вання. Завдяки цій напрузі регулювальна

характеристика переривника за безперерв-

Uзм<0 К

ного струму проходить через початок коор-

uкомп

до ключа

динат.

ГОН

У системах керування переривника-

uБ

ми використовують генератори опорної на-

uоп uк>0

пруги автоколивного типу. Одна з можли-

ШІМ

вих схем такого генератора та його часові

Рис. 2.20. Система керування

діаграми зображені на рис. 2.22.

послідовним переривником

		T
				uк>0		Uзм= Uопт
						Uзм= Uопт
	t1					t
uоп	t2
	t2
	uБ					t
Рис. 2.21. Процеси в системі керування послідовним переривником
				U		uоп
				опт
R1	R2	C		t		t
R1	R3			t
				t
						Uопт
						Uопт
	u1			T
	u1		uоп
	А1		uоп	u1
		А2		u1
		А2
	а					t
					б
	Рис. 2.22. Генератор трикутної напруги
Генератор складається		з	компаратора А1 із		позитивним зворотним

зв’язком та інтегратора А2. Компаратор завдяки позивному зворотному зв’язку може працювати тільки в режимі насичення і мати вихідну напругу двох рівнів:U1m та U1m . Якщо в певний момент часу вихідна напруга u 1 компаратора

негативна, це призводить до лінійного зростання вихідної напруги інтегратора у позитивному напрямку. Коли ця напруга, ставши позитивною, перевищить поріг перемикання компаратора U1m R R2 1, сумарний сигнал на неінверсно-

му вході компаратора стане позитивним, він перенасититься (момент часу t на рис. 2.22,а). До входу інтегратора надійде позитивна напруга, завдяки чому його вихідна напруга почне лінійно знижуватися. Коли вона, ставши негативною, досягне рівня uоп (момент часу t ), компаратор перенасититься у зворот-

ному напрямку. Опорна напруга знову почне зростати за законом

U1m

t .

(2.4)

оп R3C

Таким чином, на виході інтегратора формується трикутна напруга з амплітудою Uопm U1m R1 R2 . Період зміни опорної напруги можна знайти, як-

що мати на увазі, що протягом половини періоду її приріст дорівнює 2Uоп m . Підставивши до формули (2.4) t T 2 та uоп 2Uопm , знайдемо звідти період

T	4Uоп m	R3C	4R R C
			1	3	.
	U1m		R2

Приклад 2.3. Розрахунок генератора трикутної напруги

Вихідна напруга генератора за рис. 2.22 повинна мати амплітуду U опm =8 В та частоту fм =104 Гц. Рівень насичення компаратора у схемі рис.

2.43а U нас = 10 В.

Стала часу інтегратора

Узявши ємність С=0,01 мкФ, знайдемо

R	T	31,25 10 6	312,5
	i			кОм. 
				кОм. 
3	C	0,01 10 6
	C	0,01 10 6

Сукупність генератора та компаратора К (рис. 2.20) називають широт- но-імпульсним модулятором (ШІМ).

Коли сума сигналів на входах компаратора позитивна, на його виході присутній позитивний потенціал, який після підсилення в підсилювачі П проходить до бази або керуючого електроду силового ключа. Тривалість t1 керую-

чих імпульсів uБ на виході системи керування пропорційна керуючій напрузі uк на її вході ( рис. 2.21).

Для побудови системи керування паралельним переривником у схемі рис. 2.20 досить між компаратором та підсилювачем увімкнути інвертор (рис. 2.23). Тоді вихідні імпульси, які подаються до ключа на схемі рис. 1.5, бу-

дуть інверсні відносно зображених на

Uзм<0 К

рис. 2.21.

комп

до ключа

Систему керування двоквадрант-

ним переривником отримують

шляхом

ГОН

uБ

об’єднання

двох попередніх

систем

uоп u

(рис. 2.24). До обох каналів подаються

к>0

ШІМ

спільні керуюча, опорна напруга та на-

Рис. 2.23. Система керування

пруга зміщення. Крім того, додано ще

паралельним переривником

однакові за модулем, але різного знаку

напруги U1

та U 2 . Ці невеличкі напруги

U1= -U0<0

К1

до VS1

Uкомп1

трохи змінюють напруги зміщення на

входах компараторів К1 та К2

таким

uБ1

чином, щоб розсунути моменти закри-

вання одного ключа та відкривання на-

Uзм<0

ГОН

ступного (затримка або “мертвий час”

К2 Uкомп2

uоп

на рис. 2.25). Це потрібно для запобі-

uБ2

гання короткого замикання джерела,

uк>0

коли наступний ключ (наприклад, VS2),

до VS2

відкриється раніше, ніж VS1 встигне

U2=U0>0

поновити свої запірні властивості.

Рис. 2.24. Система керування

Унаслідок цього діод (наприк-

двоквадрантним переривником

лад, VD2 на рис. 2.12) завжди встигає

<<< < Предыдущая 1 2 3 45 / 335 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 > Следующая >>>