Тиристорный преобразователь как динамическое звено

Базовой величиной при определении быстродействия контуров и системы электропривода в целом является малая постоянная времени некомпенсируемого апериодического звена контура регулирования тока T_mT. Таким звеном в электроприводах постоянного тока является тиристорный преобразователь (или ШИР – транзисторный преобразователь), от которого питается якорная цепь электродвигателя. Эти преобразователи по принципу своей работы являются дискретными элементами. После включения очередного тиристора воздействие на преобразователь возможно только спустя некоторое время, когда система управления подаст импульс на открывание очередного тиристора. Строго говоря, тиристорный преобразователь представляет собой нелинейное динамическое звено с запаздыванием, имеющее передаточную функцию

, (3.69)

где K_тп – нелинейный коэффициент усиления тиристорного преобразователя; в расчетах берется максимальная величина K_тп при углах регулирования близких к 90°, когда выпрямленное напряжение ;

- среднестатистическое запаздывание;

f_с – частота питающей сети;

m – число пульсаций выпрямленного напряжения, за период питающего напряжения .

Обычно приближенно считают, что тиристорный преобразователь является линейным звеном с передаточной функцией

, (3.70)

при этом постоянная времени T_тп принимается равной среднестатистическому запаздыванию и зависит от используемой схемы выпрямления:

T_тп = 0,01 с для однофазной двухполупериодной схемы;

T_тп = 0,0066 с для трехфазной нулевой;

T_тп = 0,0034 с для трехфазной мостовой схемы.

Следовательно, в быстродействующих схемах электропривода целесообразно применять тиристорные преобразователи с мостовой схемой выпрямления.

Полупроводниковые преобразователи с широтно-импульсным управлением также удобно представить в виде непрерывного инерционного звена с постоянной времени , где f_н – несущая частота ШИР-регулятора. Эти преобразователи обладают высоким быстродействием, поскольку несущая частота составляет несколько кГц.

3.4.2. Широтно-импульсные преобразователи (шип)

Служат для преобразования неизменного напряжения постоянного тока в регулируемое напряжение постоянного тока.

Достоинства (по сравнению с ТП):

• большая полоса пропускания;

• большая линейность характеристики

Поэтому ШИП применяются для эл. приводов с высоким быстродействием и точностью регулирования.

Недостатки: широтно-импульсная модуляция (ШИМ) выходного напряжения вызывает дополнительные потери от пульсаций рабочего тока и процессов коммутации вентилей.

Для режимов рекуперации требуется источник питания ШИП, допускающий оба направления тока. Если такого источника тока нет, то применяют неуправляемый выпрямитель, дополненный соответствующими цепями, в которых должна гаситься рекуперируемая нагрузкой энергия.

Из-за этих недостатков область применения ШИП от долей кВт до нескольких кВт.

Функционально ШИП состоит из двух частей (рис. 3.28)

Рис. 3.28. Функциональная схема ШИП

• входной блок Б1 – широтно-импульсный модулятор ШИМ;

• выходной блок Б2 – вентильный коммутатор (ВК).

ШИМ преобразует входную координату напряжения управления во внутреннюю координату – скважность включения вентилей (рис. 3.29.)

, (3.71)

где – продолжительность включения импульса напряжения, приложенного к нагрузке, с; – период коммутации вентилей, с; t_o – время отключенного состояния вентилей, с.

Рис. 3.29. Функциональная схема ШИМ.

В состав ШИМ входят:

• ГОН – генератор опорного напряжения, который вырабатывает напряжение пилообразной формы U_оп с частотой ;

• ПУ – пороговое устройство, которое выдает нулевой сигнал при и единичный при ;

• ФУИ – формирователь управляющих импульсов, который преобразовывает сигналы от ГОН и ПУ в управляющие импульсы для силовых вентилей коммутатора ВК;

• ВК – реализует посредством включения и выключения вентилей (тиристоров или транзисторов) заданную с помощью ШИМ скважность в виде выходной ЭДС ШИП, среднее значение которой:

, (3.72)

где е – мгновенная ЭДС ШИП, прикладываемая к нагрузке.

При работе ШИП на нагрузку

, (3.73)

для VS;

для VT;

. (3.74)

Схема и диаграмма работы нереверсивного ШИП

Рис. 3.30. Схема нереверсивного ШИП

На рис. 3.30 приведена простейшая нереверсивная схема вентильного коммутатора, состоящая из одного ключа ВК и одного диода VD, которая обеспечивает однополярные импульсы выходной ЭДС со средним значением

. (3.75)

Диод VD создает контур для протекания тока под действием ЭДС самоиндукции на интервале отключения коммутатора. Диаграмма работы нереверсивного ШИП приведена на рис. 3.31.

Рис. 3.31. Диаграмма работы нереверсивного ШИП.

В зависимости от соотношения и t_о может быть режим прерывистых токов.

Схема и диаграмма работы реверсивного ШИП

Рис. 3.32. Схема работы реверсивного ШИП

Для реверсивной мостовой схемы вентильного коммутатора, приведенной на рис.3.32, возможны различные зоны коммутации ВК.

При симметричной коммутации вентили включаются парами поочередно: на интервале t_в включены ВК1 и ВК3 и отключены ВК2 и ВК4, а на интервале напротив, включаются ВК2 и ВК4, а отключаются ВК1 и ВК3.

При симметричной коммутации в этом случае на нагрузке создаются разнополярные импульсы ЭДС (рис. 3.33) со средним значением

. (3.76)

При данном способе ток нагрузки не прерывается во всем диапазоне регулирования, т.е. имеет место режим непрерывных токов и внешние характеристики ШИП линейны. Недостаток такого регулирования – большие пульсации тока.

Рис. 3.33. Диаграмма работы реверсивного ШИП с симметричной нагрузкой

Схема и диаграммы работы ШИП при поочередной коммутации.

Рис. 3.34 Диаграмма работы ШИП при поочередной коммутации

При этом коммутируется одна диагональная пара вентильных ключей. Каждый ВК пары включается на интервал времени с временным сдвигом включения одного ВК относительно другого на период Т_к. Очередность работы ВК такова: ВК1, ВК3-ВК1-ВК1, ВК3-ВК3-ВК1, ВК3 и т.д.. В интервале t_в, когда включены оба ключа, появляется ЭДС, а в интервале t_о, когда включен один ключ, импульс ЭДС отсутствует, а ток самоиндукции замыкается через включенный вентильный ключ и диод.

Для реверса включается другая пара.

При работе ШИП на ДПТ пульсации тока

, (3.77)

где К=1 – для однополярных импульсов ЭДС; К=0,5 – для разнополярных импульсов; R_а.дв – сопротивление якоря двигателя, Ом; Т_a – эл. магнитная постоянная времени якорной цепи.

Отсюда следует, что max при и при несимметричной коммутации пульсации тока в 2 раза меньше, чем при симметричной коммутации.