ВЭМС_ЗФ_2014 / ВЭМС_1-3_2014

41

противоположны по знаку. Временные диаграммы, поясняющие работу выпрямителя для случая активной нагрузки Rн, представлены на рисунке 3.10.

Рисунок 3.10 - Временные диаграммы неуправляемого выпрямителя

На интервале 0-π, соответствующем положительной полуволне сетевого напряжения u1, во вторичных обмотках трансформатора действуют положительное напряжение u2-1 и отрицательное напряжение u2-2 относительно нулевого вывода трансформатора, имеющего нулевой потенциал. Поскольку к аноду вентиля V1 прикладывается напряжение u2-1 положительной полярности, он переходит в проводящее состояние, а вентиль V2 закрыт обратным для него отрицательным напряжением u2-2.

Напряжение на нагрузке Ud определяется средним значением полуволн выпрямленного напряжения ud. Кривая ud повторяет форму напряжения вторичной обмотки трансформатора u2 и описывается выражением.

Среднее значение тока нагрузки Id (рисунок 3.10, г) определяется приложенным к ней напряжением Ud и сопротивлением нагрузки Rн:

Id=Ud/Rн.

42

3.5.2 Управляемый выпрямитель (УВ)

Управляемый выпрямитель может быть представлен в виде структурной схемы, представленной на рисунке 3.11.

Рисунок 3.11

Основные элементы схемы УВ:

а) силовой трансформатор служит для согласования входного и выходного напряжения выпрямителя и электрического разделения отдельных цепей выпрямителя (т.е. разделяет питающую сеть и сеть нагрузки);

б) блок вентилей обеспечивает одностороннее протекание тока в цепи нагрузки, в результате чего переменное напряжение преобразуется в пульсирующее;

в) сглаживающий фильтр предназначен для уменьшения пульсации напряжения на нагрузке до требуемого значения;

г) система импульсно-фазового управления (СИФУ) преобразует входную величину напряжения управления в последовательность открывающих импульсов, подаваемых на входы управления тиристоров, за чет чего происходит изменение выпрямленного напряжения на выходе;

Рисунок 3.12 – Однофазный мостовой УВ и диаграммы напряжений и токов

43

Рисунок 3.13 - Трехфазный мостовой управляемый выпрямитель

3.6 Импульсные преобразователи постоянного тока и напряжения

Импульсные регуляторы постоянного напряжения (ИРПН) служат для изменения (стабилизации) значения постоянного напряжения, используемого для питания радиоэлектронной аппаратуры, регулирования частоты вращения двигателей постоянного тока, в устройствах коррекции мощности выпрямительных установок и ряде других случаев. Различают три типа ИРПН:

1)понижающие,

2)повышающие,

3)инвертирующие.

В качестве управляемого ключа может быть использован любой из типов транзисторов: биполярный, полевой, IGBT. Можно использовать двухоперационный тиристор или однооперационный с узлом принудительной коммутации.

Понижающий импульсный преобразователь постоянного напряжения наиболее часто реализуется в виде широтно-импульсного преобразователя. Широтно-импульсные преобразователи (ШИП) постоянного напряжения предназначены для регулирования среднего значения напряжения на нагрузке.

44

Диапазон выходных мощностей ШИП от единиц ватт до сотен киловатт; их применение связано с промышленным электроприводом, электротранспортом, стабилизацией постоянного напряжения.

Основными преимуществами ШИП являются высокие КПД и cosφ при питании от сети переменного тока через неуправляемый выпрямитель. В качестве коммутирующего ключа в зависимости от величины выходной мощности применяются силовые транзисторы или тиристоры.

Силовые вентили ШИП могут быть включены последовательно или параллельно нагрузке.

Нереверсивные ШИП делят на два больших класса — последовательные и параллельные. В последовательных ШИП рабочий тиристор VI включен последовательно с нагрузкой.

Рисунок 3.14 - Схема и временные диаграммы нереверсивного ШИП

Применение тиристорных ШИП для регулирования реверсивных электроприводов требует изменения полярности их выходного напряжения. Данную задачу решают реверсивные широтно-импульсные преобразователи (РШИП). Реверсивные широтно-импульсные преобразователи (РШИП) представляют собой однофазные мостовые инверторы с регулированием напряжения на нагрузке посредством широтно-импульсной модуляции и применяются в регулируемом электроприводе постоянного тока.

Для РШИП постоянного напряжения характерны режимы симметричной и несимметричной коммутации. При симметричной коммутации источник питания непрерывно подключен к нагрузке, в процессе регулирования изменяется только полярность его включения. Форма напряжения на нагрузке имеет вид двухполярных импульсов без паузы, что обусловливает значительные пульсации тока в нагрузке. Несимметричная коммутация характеризуется наличием однополярных импульсов на нагрузке. Скважность данных импульсов регулируется. При прочих равных условиях несимметричная коммутация обеспечивает пульсаций тока в нагрузке вдвое меньше, чем при симметричной.

46

Основная характеристика ШИП – скважность. Скважность S определяет отношение периода следования (повторения) импульса к длительности импульса и является безразмерной величиной. Величина, обратная скважности и часто используемая в англоязычной литературе, называется коэффициентом заполнения (англ. Duty cycle).

S= T/τ=1/D,

где S — скважность,

D — коэффициент заполнения, T — период импульсов,

τ— длительность импульса.

Скважность определяет отношение пиковой мощности импульсной установки к её средней мощности и таким образом является важным показателем работы импульсных систем.

3.7 Регуляторы напряжения переменного тока в АЭП

Для регулирования величины переменного напряжения могут использоваться регуляторы напряжения (РН). Наибольшее распространение получили РН на тиристорах, которые называют тиристорные регуляторов напряжения (ТРН). ТРН позволяют реализовывать разнообразные функции по управлению и оптимизации режимов работы ЭП с АД.

На рисунке 3.17 показана однофазная схема регулирования напряжения. Силовая часть однофазного ТРН образована двумя тиристорами VS1 и VS2, включенными по так называемой встречно-параллельной схеме, которая обеспечивает протекание тока в нагрузке в оба полупериода напряжения сети Uf. Тиристоры получают импульсы управления Ud от СИФУ, которая обеспечивает их сдвиг на угол управления α в функции внешнего сигнала управления Uу.

Рисунок 3.17 - Схема и характеристики однофазного ТРН

Если на тиристоры VS1 и VS2 не подаются импульсы управления от СИФУ, то они закрыты и напряжение на нагрузке U равно нулю. При подаче на тиристоры импульсов управления с углом управления α=0 они будут полностью открыты и к нагрузке будет приложено все напряжение сети U1=Uрег (рисунок 3.16, б). Если осуществлять подачу импульсов управления на тиристоры с некоторой задержкой относительно предельного режима (угол управления α≠0), то к нагрузке будет прикладываться часть напряжения сети.

47

Изменяя угол управления α от нуля до π, можно регулировать напряжение на нагрузке от полного напряжения сети до нуля.

Аналогично работают трехфазные схемы для регулирования напряжения на статоре АД, состоящие из шести тиристоров VS1...VS6 (рисунок 3.18). Возможно вместо пары встречно-параллельно включенных тиристоров может применяться полупроводниковый прибор симистор, обеспечивающий протекание тока в фазе двигателя в обоих направлениях и имеющий такой же принцип действия, что и тиристор. Его применение сокращает число электронных приборов вдвое и упрощает схему СИФУ.

а) б) в)

Рисунок 3.18 - Схемы трехфазных ТРН: а-общая, б-нереверсивная, в-реверсивная

Напряжение на выходе является несинусоидальным и его можно представить совокупностью нескольких синусоидальных напряжений - гармоник, каждая из которых изменяется с определенной частотой. Частота изменения первой из них (основной гармоники) равна частоте питающего напряжения, а частоты изменения других гармоник больше, чем первой. Обычно первая гармоника имеет наибольшую амплитуду и по ней ведутся все основные расчеты.

Кроме регулирования координат двигателя ТРН позволяет осуществлять изменение направления его скорости - реверс. На рисунке 3.18 (в) приведена реверсивная схема управления АД на пяти парах встречно-параллельно включенных тиристоров VS1... VS10.

3.8 Основные характеристики и классификация преобразователей частоты (ПЧ)

Преобразователи частоты (ПЧ) являются классом ПЭЭ переменного тока, предназначенных для изменения параметров напряжения и частоты переменного тока. В АЭП ПЧ используются для управления электродвигателями переменного тока: асинхронным двигателем, синхронным и вентильными двигателями переменного тока.

Различают следующие типы ПЧ:

1) непосредственные преобразователи частоты (НПЧ), преобразующие напряжение переменного тока питающей сети промышленной частоты 50 Гц на выходе в напряжение меньшей частоты;

48

2)автономные инверторы (АИ) – преобразующие входное напряжение постоянного тока в переменное напряжение (инверторы напряжения АИН) или переменный ток (инверторы тока АИТ) заданной частоты;

3)двухзвенные преобразователи частоты (ДПЧ) со звеном постоянного тока преобразующие входное переменное напряжение промышленной частоты в выходной сигнал с заданной частотой, которая может быть больше 50 Гц, которые в свою очередь могут подразделяться на:

−ДПЧ с последовательным соединением управляемого выпрямителя и автономного инвертора;

−ДПЧ с последовательным соединением неуправляемого выпрямителя

иавтономного инвертора с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ).

−ДПЧ с автономным инвертором напряжения (ДПЧ с АИН);

−ДПЧ с автономным инвертором тока (ДПЧ с АИТ).

По виду управления вентилями фаз ПЧ различают:

1)ПЧ со скалярным управлением вентилями, в которых открытие вентилей по каждой фазе выполняется синхронно с определенным фазовым сдвигом;

2)ПЧ с системой векторного управления, в которых открытие вентилей по каждой фазе выполняется индивидуально по определенному алгоритму, что позволяет улучшить динамические характеристики АЭП;

По числу фаз на выходе ПЧ различают: однофазные, трехфазные и многофазные ПЧ.

Основными характеристиками ПЧ являются:

1)максимальная мощность подключаемого двигателя;

2)параметры питающей сети;

3)максимальное значение напряжения на выходе ПЧ;

4)минимальное значение напряжения на выходе ПЧ;

5)максимальное значение частоты на выходе ПЧ;

6)минимальное значение частоты;

7)реализуемая зависимость между напряжением и частотой при управлении скоростью АЭП – закон частотного управления;

8)точность поддержания скорости;

9)максимально возможный диапазон регулирования скорости;

10)энергетические характеристики ПЧ: коэффициент полезного действия и коэффициент мощности;

11)тип режима торможения электродвигателя.

3.9 Автономные инверторы АЭП

3.9.1 Автономный инвертор напряжения (АИН)

При использовании АИН форма и значение напряжения на нагрузке практически не зависят от значения и характера нагрузки. АИН по отношению

49

к нагрузке ведет себя как источник ЭДС, т.е. выходное сопротивление инвертора близко к нулю.

Автономный инвертор напряжения питается от источника ЭДС. Источник питания наряду с малым внутренним сопротивлением должен иметь способность проводить ток в обоих направлениях. Эти требования для любого источника постоянного напряжения будут удовлетворяться, если выходные зажимы источника питания (вход АИН) будут зашунтированы достаточно большой емкостью, так как сопротивление большой емкости будет весьма мало.

Рисунок 3.19 – Схема и диаграммы автономного инвертора напряжения

Наличие емкости на входе инвертора является отличительной особенностью АИН (рисунок 3.20, а). Мгновенное значение напряжения на нагрузке определяется значением напряжения источника питания и не зависит от значения и характера нагрузки, поскольку в любой момент времени нагрузка через проводящие вентили подключена к источнику питания. В силу сказанного напряжение на нагрузке (рисунок 3.20, б) имеет импульсный знакопеременный характер.

3.9.2 Автономный инвертор тока (АИТ)

Автономный инвертор тока ведет себя по отношению к нагрузке как источник тока, т е. выходное сопротивление инвертора весьма велико. При этом значение и форма напряжения на нагрузке зависят от значения и характера нагрузки.

Особенность АИТ заключается в наличии на входе инвертора катушки с достаточно большой индуктивностью (рисунок 3.21, а), которая имеет большое сопротивление XL=ωL для переменной составляющей тока источника питания, что ставит его в режим источника тока. В этом случае ключи инвертора на его выходе изменяют направление тока (рисунок 3.21, б). Нагрузка питается от импульсного источника тока. При активно-индуктивной нагрузке и изменении направления тока на выходе инвертора энергия, накопленная в индуктивности нагрузки, переходит в энергию конденсатора, специально включенного параллельно нагрузке. Таким образом, наличие большой индуктивности на входе инвертора и конденсатора, включенного параллельно нагрузке, является отличительной особенностью любого автономного инвертора тока.