Контрольные вопросы и задача.

1. Что такое коэффициент мощности УВ. К каким издержкам приводит работа с низким коэффициентом мощности?

2. Что такое коэффициент искажений?

3. Каким образом можно улучшить коэффициент мощности вентильного преобразователя?

4. Почему в управляемых выпрямителях полная мощность S_c превышает мощность нагрузки P_н ?

5. Объяснить работу однофазного выпрямителя с нулевым диодом. Почему введение нулевого диода повышает коэффициент мощности?

6. Объяснить принцип действия сетевых фильтрокомпенсирующих устройств.

7. Как изменится мощность искажения Т_с, если индуктивность дросселя фильтра в УВ станет равной нулю?

8. Задача. Однофазный мостовой управляемый выпрямитель без трансформатора работает с фильтром с высокой степенью сглаживания. Все элементы схемы идеальны (без потерь) Сопротивление нагрузки Ом. Угол управления . Определить полную мощность, потребляемую из сети, коэффициент мощности выпрямителя.

3.7. Системы управления выпрямителями

В состав УВ помимо силовой части (рис. 3.19) входит ещё система управления (СУ), основными функциями которой являются: 1) определение моментов отпирания тиристоров в зависимости от управляющего сигнала U_упр.; 2) распределение сигналов отпирания по фазам для создания симметрии тока в нагрузке Z_Н; 3) формирование управляющих импульсов необходимой длительности, амплитуды и формы для надёжного включения тиристоров по управляющим электродам последних; 4) осуществление пуска, остановки УВ и защиты от несанкционированных режимов работы. УВ также может иметь контур обратной связи (КОС), на вход которого поступает выходной параметр УВ (напряжение, ток, мощность) для его стабилизации или точного регулирования с помощью СУ.

Системы управления, в которых можно регулировать фазу управляющих импульсов, называют ФАЗОИМПУЛЬСНЫМИ. Если угол подачи управляющего импульса отсчитывается от определённой фазы напряжения питающей сети, то такие СУ называют СИНХРОННЫМИ. При АСИНХРОННОМ фазоимпульсном управлении угол подачи управляющего импульса отсчитывают от момента подачи предыдущего импульса управления.

Наиболее распространена структурная схема СУ углом включения тиристора (рис. 3.20а), использующая вертикальный метод управления. Схема синхронизации СС, вырабатывающая сигналы U_с (рис. 3.20б), подключается к питающей сети m₁,f₁,U₁ и обеспечивает синхронизацию частоты следования импульсов управления U_уэ с частотой питающей сети (или частотой следования моментов естественной коммутации кривых выпрямленного напряжения).

Фазосмещающее устройство ФСУ под действием напряжения управления U_упр, проходящего через усилитель УС, производит изменение угла a включения тиристоров в нужных пределах (рис. 3.20б). При вертикальном методе управления ФСУ содержит генератор развёртки ГР (чаще всего генератор пилообразного напряжения) и компаратор К. ГР может быть выполнен по схеме

Рис. 3.20. Структурная схема СУ по вертикальному методу управления (а), временные диаграммы (б)

с диодным коммутатором, на транзисторе, на интегральном операционном усилителе с конденсатором в цепи обратной связи и т. п. Компаратор может выполняться на однопереходном транзисторе, триггере Шмидта, операционном усилителе, логическом элементе и т.п.

Формирователь управляющих импульсов ФУИ служит для выработки сигналов управления тиристоров с требуемыми параметрами. ФУИ подразделяют на транзисторные, тиристорные и оптронные. Некоторые схемы управления углом включения тиристора рассмотрены в [5].

Цифровая система управления углом a включения тиристора вырабатывает в цифровой форме код фазы управляющих импульсов и преобразует его в фазу импульсов управления. В цифровом фазосмещающем устройстве на рис. 3.21а управляющий четырёхразрядный код К_у принимает 16 значений от 0000 до 1111 и подаётся в параллельном виде на цифровую схему сравнения ЦСС.

Опорный сигнал также представляется в виде кода K_0п и формируется вычитающим счетчиком СТ, ко входу «-1» которого подключен мультивибратор МВ, вырабатывающий прямоугольные импульсы с частотой f_мв=32f_сети. Начало формирования опорного кода (рис. 3.21б) соответствует моменту естественной коммутации вентилей УВ. Момент поразрядного равенства К_у и K_0п фиксируется ЦСС и соответствует углу управления a. При этом на выходе ЦСС формируется логический сигнал 0. Он поступает на выходной формирователь СУ и после усиления подается на управляющий электрод тиристора. Переход к цифровой форме управления позволяет повысить точность, помехозащищенность и быстродействие систем управления.

Наиболее эффективным способом улучшения СУ является применение в нем микропроцессоров (программно-управляемых устройств для обработки цифровой информации и управления процессом этой обработки, выполненных по технологии больших интегральных схем и размещенных на миниатюрном кремниевом кристалле площадью около 30 мм²). Благодаря малым размерам микропроцессор легко встраивается в СУ (рис. 3.22), возможности которой в результате существенно расширяются. АЦП1 и АЦП2 преобразуют аналоговые (непрерывные во времени) сигналы задатчика U_зад и обратной связи U­_ос в цифровые коды N_i(U_зад) и N_i(U_oc) соответственно.

Последние пересылаются с выходов АЦП в МПК в дискретные моменты времени 0, Т, 2Т, 3Т,..., задаваемые таймером. По цифровым кодам, представляющим текущие значения U_oc и U_зад , МКТ рассчитывает (в соответствии с алгоритмом управления и реализующей его программы) сиг налы управляющего воздействия и выдаёт их в цифровом виде N_i(U_упр) через выходной порт в ВФИ, активизируя его работу в нужные моменты времени для управления СЧ с целью получения выходного напряжения U_o,a с необходимыми параметрами. Основными достоинствами микропроцессорного управления являются гибкость и универсальность, возможность перестройки алгоритма управления путём изменения обрабатывающей программы, расширение функций СУ, технологичность, высокая надёжность, ремонто­пригодность.

Рис. 3.22. Структурная схема микропроцессорной системы управления выпрямителем: АЦП1 и АЦП2 – аналогово-цифровые преобразователи; МПК – микропроцессорный комплект; ВФИ – выходные формирователи импульсов управления тиристорами силовой части (СЧ) УВ

Мощность сигнала с выхода ФСУ (аналогового, цифрового или микропроцессорного) обычно невелика. ВФИ обеспечивают усиление и формирование импульсов управления по форме, амплитуде и длительности перед их подачей на УЭ тиристора (рис. 3.23а). Диаграмма управления последнего (рис. 3.23г) имеет область гарантированного отпирания, расположенную между граничными кривыми «А» и «В». На диаграмме проводятся линии максимально допустимых значений напряжения U_уэ,доп и тока I_уэ,доп, а также кривая допустимой средней мощности потерь на управляющем электроде. При импульсном управлении допустимая импульсная мощность определяется по формуле

. (3.21)

Если длительность управляющих импульсов t­_и<50мкс, то максимальное значение тока УЭ необходимо увеличить (рис. 3.23в). Оптимальный по форме управляющий импульс (рис. 3.23а) имеет крутой (крутизна нарастания тока 0,2...2,0 А/мкс), короткий (£0,1мс) пик с максимальным значением (– максимальное значение импульса, вырабатываемого ВФИ) и предназначен для чёткого включения тиристораVS. Следующий за пиком пьедестал (его ширина определяется значениями угла коммутацииg и тока удержания тиристора) обеспечивает гарантированное открывание тиристора в УВ большой и средней мощности. Для улучшения устойчивости тиристора к самоотпиранию на УЭ подают отрицательное смещение величиной (0,5...2,5)В. Несимметрия управляющих импульсов по фазе не должна превышать (1,5...2,5) эл. градусов.

Необходимая длительность управляющих импульсов во многом зависит от схемы выпрямления и характера нагрузки. Так, в трёхфазном двухтактном УВ в режиме прерывистых токов необходимы широкие управляющие импульсы длительностью более 60 электрических градусов либо сдвоенные узкие импульсы со сдвигом 60 электрических градусов. В УВ, предназначенных для работы на якорь двигателя постоянного тока, применяют сдвоенные узкие импульсы длительностью 7...10 электрических градусов (400...550 мкс), а в УВ, предназначенных для работы на обмотки возбуждения электрических машин (постоянного тока или синхронных) – широкие импульсы длительностью 70...120 электрических градусов (3,9...6,6 мс).