Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Силовые полупроводниковые приборы. Учебно-методическое пособие
.pdf
На практике очень часто возникает потребность в регулировании
среднего значения напряжения на выходных зажимах выпрямителя,
когда, например, необходимо стабилизировать напряжение на нагрузке
при изменении напряжения питающей сети или самой нагрузки. Если
нагрузкой является якорная обмотка двигателя постоянного тока, то,
изменяя напряжение на выходных зажимах выпрямителя, можно в широких пределах регулировать частоту вращения вала этого двигателя.
Один из возможных способов создания выпрямителей с регулируемым выходным напряжением базируется на использовании в схеме в
качестве силовых ключей тиристоров, моментом включения которых
можно управлять. Осуществляется такое управление изменением моментов подачи отпирающих импульсов на управляющие электроды
тиристоров.
Принцип регулирования выпрямленного напряжения
Эквивалентная схема замещения силовых цепей управляемого выпрямителя, исследуемого в лабораторной работе № 2, показана на
рис. 2.1, а.
Как и в случае лабораторной работы № 1, это мостовой выпрямитель однофазного тока, работающий на активно-индуктивную нагрузку. Отличие состоит в том, что вентильный комплект выполнен не на
диодах, а на тиристорах
Т Т
.
14
Тиристоры попарно вступают в работу в моменты подачи на их
управляющие электроды отпирающих импульсов. Отпирающие импульсы поступают с запаздыванием на некоторый угол регулирования
относительно точек естественного включения. В нашем случае эти
точки совпадают с моментами перехода через нуль ЭДС питающей
е
сети
, т. е. с моментами 0, π, 2π, 3π,… на рис. 2.1, б.
2
Работающая пара тиристоров подключает соответствующий участок питающей ЭДС к выходным зажимам выпрямителя. В результате
на них формируется кривая выходного напряжения (рис. 2.1, в). Следует заметить, что при идеальной питающей сети и отсутствии потерь
в тиристорах сформированное таким образом выходное напряжение
есть не что иное, как внутренняя ЭДС выпрямителя
de
.
Характер электромагнитных процессов в схеме, а следовательно, и
условия работы тиристоров в ней в определяющей мере зависят от
двух параметров:
угла регулирования
;
21
Рис. 2.1. Эквивалентная схема силовых цепей (а)
L
E
E
E
и временные диаграммы (б) управляемого выпрямителя однофазного тока
/.
индуктивности
, точнее говоря, от соотношения
d
XR
dd
В зависимости от конкретного сочетания этих параметров выпрямитель может работать в режиме непрерывного, предельно-непрерывного и прерывистого тока нагрузки.
В случае непрерывного тока нагрузки (рис. 2.1, г) время работы од-
ной пары тиристоров составляет половину периода повторения ЭДС
питающей сети, т. е. λ = π. Среднее значение внутренней ЭДС при этом
где
EEd E
– действующее значение питающей ЭДС;
2
1
dm do
sin( ) cos( ) cos( ),
2
ние внутренней ЭДС при угле регулирования
do
22
22
E
2
E
2
0,9 .
– среднее значе-
do
:
0
E
(2.2)
2
(2.1)
В режиме прерывистого тока нагрузки (рис. 2.2) время работы отдельной пары тиристоров меньше половины периода повторения ЭДС
22
питающей сети, т. е. λ < π. Среднее значение внутренней ЭДС в этих
условиях будет
EEd
1cos()cos()
dm
sin( ) ,
2
22
E
2
(2.3)
2
где λ – длительность протекания анодного тока работающей пары тиристоров, формально способная изменяться в пределах 0 ≤ λ < π.
Рис. 2.2. Прерывистый ток Рис. 2.3. Предельно-непрерывный ток
Режим предельно-непрерывного тока нагрузки (рис. 2.3) является
граничным между двумя рассмотренными выше режимами. В этом
случае также выполняется равенство λ = π, однако значения тока на
границах интервалов повторения при этом равны нулю.
Условием перехода управляемого выпрямителя в режим работы с
предельно-непрерывным током нагрузки является выполнение равенства
X
гр
arctg .
23
d
(2.4)
R
d
Анализ выражения (2.4) показывает, что при увеличении реактив-
/
ности контура нагрузки
, при превышении которого наступает режим прерывистых токов.
гр
XR
увеличивается и угол регулирования
dd
Следует заметить, что на практике режим непрерывного тока
наиболее предпочтителен, поскольку в этом случае обеспечивается
наилучшее соотношение между величиной среднего значения тока и
/
его пульсацией. В пределе при
XR
→ ∞ ток нагрузки не будет со-
dd
держать переменной составляющей, т. е. будет идеально сглаженным.
Алгоритм функционирования системы управления
Неотъемлемым элементом любого управляемого выпрямителя является его система импульсно-фазового управления (СИФУ). В задачу
СИФУ входит формирование, смещение во времени и распределение по
управляющим электродам тиристоров отпирающих импульсов, при помощи которых и осуществляется их включение.
Алгоритм функционирования СИФУ поясняют временные диаграммы, показанные на рис. 2.4. Речь в данном случае идет о так называемой
многоканальной импульсно-фазовой системе, реализующей вертикальный принцип управления.
e
На рис. 2.4, а показана синусоида питающей ЭДС
. Точки есте-
2
ственного включения тиристоров совпадают с моментами перехода
питающей ЭДС через нуль. Включение тиристоров
TиT
12
возможно
только при положительных значениях питающей ЭДС, а тиристоров
TиT
34
– при отрицательных.
На рис. 2.4, б показаны опорные сигналы синусоидальной формы.
Опорный сигнал
u в канале управления тиристорами
оп1,2
опережает ЭДС питающей сети
е
на угол 90 эл. град. Следователь-
2
TиT
12
но, момент достижения им максимального значения совпадает с моментом перехода
же время опорный сигнал
Т
отстает от
и
4
максимального значения совпадает с моментом перехода
е
через нуль в положительном направлении. В то
2
u в канале управления тиристорами
оп3,4
е
на угол 90 эл. град. и момент достижения им
2
е
через нуль
2
Т
3
в отрицательном направлении.
Рабочими считаются спадающие участки опорных сигналов, показанные на рис. 2.4, б сплошными линиями.
24
F
Рис. 2.4. Временные диаграммы работы СИФУ
В моменты пересечения, например рабочего участка опорного сигнала
u с сигналом управления y,U в канале управления тиристо-
оп1,2
T
T
и
рами
1
пускает формирователь широкого импульса управления
вращается формирователь в исходное состояние узким импульсом
вырабатывается узкий импульс (рис. 2.4, в), который за-
2
F . Воз-
у1,2
3,4
с соседнего канала. Получившийся в результате «широкий» импульс
управления
но на управляющие электроды тиристоров
логичным образом формируется и импульс управления
включения тиристоров
F длительностью 180 эл. град. поступает одновремен-
у1,2
T
T
и
1
T
T
и
3
.
4
25
, включая их. Ана-
2
F для
у3,4
Как следует из временных диаграмм (рис. 2.4, б), связь между амплитудой опорного сигнала
U и углом регулирования
y
U
оп.max
определяется соотношением
, величиной сигнала управления
cos( ).UU (2.5)
оп.maxy
При подобном алгоритме функционирования СИФУ изменение
сигнала управления в пределах
варьировать величину угла регулирования
UUU позволяет
оп.max y оп.max
в пределах всего теоре-
тически возможного диапазона значений В режиме непрерывных токов
это обеспечивает теоретическую возможность регулирования напряжения на выходных зажимах вентильного преобразователя в пределах
EE E
00
dd d
– .
2.2. ПОДГОТОВКА К ЛАБОРАТОРНОМУ ЗАНЯТИЮ
1. Индивидуальные исходные данные, используемые студентом
при выполнении лабораторной работы, включают в себя численные
значения переменных, обозначения которых приведены в таблице.
С/Вт
, A
f
Номер
варианта
Тиристор
a(av)н
I
k
о
,
Охладитель
θSA
R
C
o
, В
2
v, м/с
Е
,
*
d
A
f, Гц
X
T
, B
, В
ун
oп max
U
U
При подготовке к лабораторному занятию необходимо в соответствии с индивидуальными исходными данными определить по приведенной ниже упрощенной методике параметры элементов эквивалентной схемы замещения силовых цепей управляемого выпрямителя, а
также параметры токовой и тепловой загрузки тиристоров при заданном номинальном угле регулирования
.
2. Алгоритм расчета параметров схемы. По информационным материалам изготовителей приборов и охладителей определяем следующие параметры:
U – пороговое напряжение тиристора, В;
)T(TO
26
r
J
J
E
– динамическое сопротивление тиристора, Ом;
T
проводниковой структурой и корпусом тиристора,
сом тиристора и контактной поверхностью охладителя,
о
ля,
С/Вт.
– установившееся тепловое сопротивление между полу-
CR
– установившееся тепловое сопротивление между корпу-
CSR
– установившееся тепловое сопротивление охладите-
SAR
о
С/Вт;
о
С/Вт;
3. Воспользовавшись приведенными ниже формулами, выполняем
следующие вычисления.
Действующее значение анодного тока в номинальном режиме
работы
Среднее значение мощности потерь в тиристорах в номинальном
IkI (2.6)
( )ном ф ( )ном
aeff aav
.
режиме
Полное установившееся тепловое сопротивление системы полу-
PUI rI
()ном ( ) ()ном T ( )
aav TO aav aeff
2
(2.7)
.
проводниковая структура–охлаждающая среда
RRRR
Среднее значение температуры структуры тиристоров в номи-
AJCCSSA
.
(2.8)
нальном режиме
Среднее значение тока нагрузки в номинальном режиме
Среднее значение внутренней ЭДС выпрямителя при угле регу-
лирования
= 0
TTRP
()ном ()ном
Jav A JA aav
(2.9)
II (2.10)
()ном ()ном
dav aav
22
d
02
2.
E
2
0,9 .
.
E
(2.11)
27
Среднее значение внутренней ЭДС при номинальном угле регу-
E
f
лирования
Сопротивление нагрузки в номинальном режиме работы
Амплитудное значение ЭДС питающей сети
Индуктивное сопротивление сглаживающего реактора в номи-
н
EE E
dd d
ном 0 ном 0
cos( ) .
E
ном
d
R
222
m
ном
d
I
()ном
dav
21,414.
EE
U
уном
U
оп max
.
(2.13)
(2.12)
(2.14)
нальном режиме
Индуктивность сглаживающего реактора в номинальном режиме
Постоянная времени контура нагрузки
XXR
ddd
ном ном
L
ном
d
d
*
X
d
2
L
ном
d
R
d
ном
(2.15)
.
ном
(2.16)
.
(2.17)
.
Угол регулирования, соответствующий граничному режиму ра-
боты (режиму предельно-непрерывного тока в нагрузке) согласно (2.4)
X
14. Величина сигнала управления, соответствующая граничному
arctg arctg .
гр
d
R
d
*
(2.18)
X
d
режиму работы (режиму предельно-непрерывного тока в нагрузке) согласно (2.5)
у(гр) оп max гр
cos( ).UU (2.19)
28
Описание макета моделируемого выпрямителя
В процессе выполнения лабораторной работы № 2 необходимо будет создать модель, содержащую не только модель схемы силовых цепей выпрямителя, но и модель его системы управления.
Модель силовых цепей
Возможный вариант модели силовых цепей управляемого выпрямителя однофазного тока, исследуемого в лабораторной работе № 2 с
использованием программного обеспечения, показан на рис. 2.5.
Формальное отличие эквивалентной схемы замещения на рис. 2.5
от аналогичной схемы неуправляемого выпрямителя, исследованного в
лабораторной работе № 1, заключается в замене четырех диодов вентильного комплекта на четыре тиристора.
Рис. 2.5. Модель схемы замещения силовых цепей управляемого
выпрямителя однофазного тока
29
Модель системы импульсно-фазового управления
Возможный вариант реализации описанного ранее алгоритма формирования импульсов управления тиристорами с использованием модулей программного обеспечения показан на рис. 2.6.
В данной схеме:
блоки GS и K формируют систему двух противофазных опорных
1)
сигналов синусоидальной формы с амплитудой
U
оп max
= 10 B и ча-
стотой повторения 50 Гц, как это показано на рис. 2.4, б;
Рис. 2.6. Модель системы импульсно-фазового управления
выпрямителя однофазного тока
2) блок GC формирует задание на величину сигнала управления;
блок ограничения BND ограничивает снизу и сверху подаваемый
3)
на его вход сигнал на заданных уровнях. Именно выходной сигнал
блока BND и используется в качестве сигнала управления
U
y
. Изме-
няя величину сигнала управления, можно изменять величину угла регулирования
, а следовательно, и среднее значение выпрямленного
напряжения на выходных зажимах вентильного комплекта;
4)
компараторы CMP1 и CMP2 вырабатывают положительные пря-
моугольные импульсы, передний фронт которых совпадает с моментами
пересечения рабочих участков опорных сигналов
30
u
oп1,2
и
u
oп3,4
соот-
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]