5.2 Статические преобразователи в эп с дпт

В качестве статических преобразователей в приводах постоянного тока используют либо неуправляемые полупроводниковые выпрямители (в этом случае ЭП является нерегулируемым), либо управляемые полупроводниковые выпрямители (в этом случае ЭП является регулируемым).

В качестве силовых элементов неуправляемого статического преобразователя используются неуправляемые силовые ключи (диоды). В качестве элементов управляемых статических преобразователей используются управляемые силовые ключи (вентили). До последнего времени в качестве управляемых силовых ключей, в основном, использовались незапираемые тиристоры, отличительной особенностью которых является то, что они отпираются при подаче управляющего импульса на управляющий электрод тиристора, а запираются при подаче напряжения отрицательной полярности на анод тиристора. Обычно с этой целью использовались, так называемые, коммутирующие конденсаторы.

В настоящее время, в качестве управляемых силовых ключей используют элементы, которые и отпираются и запираются с помощью управляющих импульсов. В качестве таких ключей используют IGBT транзисторы, а также тиристоры MOSFET. В последние года появились IGCT тиристоры, которые легко отпираются и легко запираются.

Рассмотрим структурную схему статического преобразователя в ЭП с ДПТ (рис. 5.3).

Рисунок 5.3 – структурная схема статического преобразователя в ЭП с ДПТ

Статический преобразователь состоит из двух силовых блоков: УВ – управляемый выпрямитель, СФ – сглаживающий фильтр (низкочастотный фильтр); и системы управления (СУ), которая включает в себя БУВ – блок управления выпрямителем и БЗС – блок задания скорости.

Входным параметром преобразователя является синусоидальное напряжение промышленной частоты, выходными параметрами – постоянное (пульсирующее сглаженное) напряжение U_d, которое может регулироваться по величине, и постоянный (пульсирующий сглаженный) ток I_d.

Назначение элементов:

1. Управляемый выпрямитель (УВ) предназначен для преобразования входного переменного напряжения в постоянное напряжение, изменяющееся во времени.

2. Сглаживающий фильтр (СФ) предназначен для уменьшения пульсаций входного напряжения и тока.

3. Система управления (СУ) предназначена для формирования управляющих импульсов, с помощью которых в заданные моменты времени происходит отпирание и запирание силовых ключей, входящих в состав УВ.

5.2.1Управляемые выпрямители (ув)

Принцип действия управляемых выпрямителей начнем рассматривать на примере однофазного однополупериодного выпрямителя.

На рисунке 5.4 представлена схема однофазного однополупериодного выпрямителя, работающего на нагрузку Z_Н.

Рисунок 5.4 – схема однофазного однополупериодного выпрямителя, работающего на нагрузку Z_Н

Принцип действия иллюстрирует диаграмма мгновенных значений (рис. 5.5).

Рисунок 5.5 – Диаграмма мгновенных значений для однофазного однополупериодного выпрямителя при чисто активной нагрузке

Угол задержки момента подачи отпирающего импульса по отношению к точкам естественной коммутации носит название угол управления α.

Под термином «точка естественной коммутации» следует понимать момент отпирания неуправляемого силового ключа, что соответствует моменту прохождения положительной полуволны входного напряжения через ноль (рис. 5.5).

Нетрудно убедиться, что чем больше угол управления, тем меньше будет среднее значение выходного напряжения U_СР=U_d. Т. о. изменяя угол управления, можно воздействовать на величину выходного напряжения статического преобразователя U_d.

Необходимо отметить, что представленные временные диаграммы (рис. 5.5) соответствуют чисто активному характеру сопротивления нагрузки (Z_Н=R_Н).

Если характер сопротивления нагрузки активно-индуктивный, то за счет энергии, запасенной в индуктивной составляющей нагрузки, ток в нагрузке возрастает не мгновенно, а с запаздыванием и убывает также с запаздыванием (рис. 5.6)

Рисунок 5.6 – Диаграмма мгновенных значений для однофазного однополупериодного выпрямителя при активно-индуктивной нагрузке

За счет того, что ток в нагрузке после прохождения входного напряжения через ноль в течение некоторого времени продолжает протекать в цепи нагрузки, в кривой выходного напряжения образуются области отрицательной полярности (рис. 5.6). Поэтому зависимость среднего значения выходного напряжения однополупериодного управляемого выпрямителя от угла управления α при различных значениях индуктивности нагрузки, будет различной.

Если нагрузка чисто активная, то выходное напряжение выпрямителя

где - среднее значение выходного напряжения неуправляемого диодного выпрямителя или управляемого при угле управления α=0º.

Если нагрузка носит чисто индуктивный характер, то выходного напряжения выпрямителя

Следует отметить, что при чисто индуктивном характере нагрузки, ток в цепи нагрузки практически не прерывается, и при этом области отрицательной полярности выходного напряжения могут оказаться чрезмерно большими. Поэтому однофазные однополупериодные выпрямители при работе на чисто индуктивную нагрузку практически не применяются.

Рассмотрим принцип действия однофазного двухполупериодного мостового выпрямителя (рис. 5.7).

Рисунок 5.7 – Схеме однофазного двухполупериодного мостового выпрямителя

Предположим, что в момент времени t=0, силовой ключ Т₂ открыт, а Т₁ закрыт (рис. 5.8). При этом ток I_d2 протекает через силовой ключ Т₂, а ток i_H протекает через сопротивление нагрузки Z_H. Через некоторый промежуток времени, равный углу управления α, подается отпирающий импульс на силовой ключ Т₁ и через открытую цепь Т₁ к силовому ключу Т₂ прикладывается верхняя часть входного напряжения, которая по отношению к силовому ключу Т₂ является напряжением отрицательной полярности. Под действием этого напряжения тиристор Т₂ закрывается (запирается). После этого ток протекает через тиристор Т₁ и сопротивление нагрузки Z_H. Через некоторый промежуток времени, соответствующий (π+α), подается отпирающий импульс на тиристор Т₂. В результате этого силовой ключ Т₂ отпирается и через открытую цепь Т₂ на Т₁ подается напряжение отрицательной полярности от нижней половины вторичной обмотки трансформатора.

Рисунок 5.8 – Диаграмма мгновенных значений для однофазного двухполупериодного выпрямителя

Кроме того, необходимо учесть, что под действием индуктивности нагрузки ток в цепи нагрузки будет возрастать и убывать не мгновенно, а с некоторым запаздыванием (рис. 5.8). При этом выходное напряжение будет иметь области отрицательной полярности. А величина среднего значения напряжения U_d будет зависеть от угла управления, а также от характера сопротивления нагрузки. В частности если нагрузка чисто активная, величина среднего значения напряжения U_d будет равна

А для чисто индуктивного характера нагрузки, величина среднего значения напряжения U_d будет равна

Рассмотрим работу управляемого двухполупериодного однофазного выпрямителя в системе УСП-Д (управляемый статический преобразователь-двигатель), рис. 5.9 .

При этом двигатель представляет собой ДПТ НВ.

Рисунок 5.9 – Схема управляемого двухполупериодного однофазного выпрямителя в системе УСП-Д

Рассмотрим работу данной системы. На вход управляемого статического преобразователя подается переменное синусоидальное напряжение U_ВХ.. Выход УСП питает якорную цепь ДПТ НВ, при этом напряжение на зажимах УСП (входных зажимах двигателя) равно среднему значению выпрямленного пульсирующего напряжения U_d. При изменении угла управления УСП изменяется напряжение на выходе преобразователя U_d, и как следствие изменяется угловая скорость вращения двигателя.

Уравнение механических характеристик при изменении угла α будет иметь вид

где R_П – внутреннее активное сопротивление преобразователя.

При этом семейство механических характеристик представлено на рис. 5.10.

Рисунок 5.10 – Семейство механических характеристик системы УСП-Д

Естественная характеристика системы УСП-Д будет несколько мягче за счет влияния внутреннего активного сопротивления преобразователя, чем естественная характеристика ДПТ НВ при его питании от сети, а искусственные характеристики при различных углах управления будут параллельны естественной характеристике системы УСП-Д (рис. 5.10). Кроме того, семейство механических характеристик системы УСП-Д имеет особенность, заключающуюся в том, что в области малых нагрузок на валу двигателя (при очень малых токах нагрузки) энергии, запасенной в индуктивности, оказывается недостаточно для непрерывного протекания тока в цепи якоря. При этом области отрицательной полярности в кривой выходного напряжения практически исчезают, в результате чего резко увеличивается среднее значение выходного напряжения выпрямителя, а скорость идеализированного холостого хода становится неопределенной. Эта область носит название область прерывистых токов (или нерегулируемая зона).

Преимущества системы УСП-Д (по сравнению с системой Г-Д):

1. Значительно лучшие массогабаритные показатели;

2. Отсутствие вращающихся частей;

3. Значительно надежнее;

4. Более высокий КПД за счет однократного преобразования энергии.

Недостатки системы УСП-Д:

1. Плохая совместимость с питающей сетью. Угол сдвига фаз между напряжением и током во вторичной обмотке входного трансформатора φ примерно равен углу управления α, поэтому при больших углах управления, угол φ становится близким к π/2, а учитывая то, что токи в первичной и вторичной обмотках трансформатора практически совпадают по фазе, устройство в целом начинает потреблять большое количество реактивной мощности, «загрязняя» при этом сеть. Кроме того, как видно из временных диаграмм (рис. 5.8), форма напряжения и тока преобразователя отличается от синусоидальной. И поэтому преобразователь является генератором высших гармоник в сеть;

2. Наличие области прерывистых токов, что не позволяет регулировать скорость двигателя в режиме, близком к ХХ (в режиме малых нагрузок);

3. Несколько меньшие функциональные возможности системы УСП-Д по сравнению с системой Г-Д, в частности, сложность реализации реверса и рекуперативного торможения.

В существенной мере избавиться от главного недостатка в системе УСП-Д, а именно, низкого коэффициента мощности, позволяет использование широтно-импульсного регулятора (ШИР) в место управляемого статического преобразователя.

Рассмотрим работу системы ШИР-Д (рис. 5.11).

Рисунок 5.11 – Электрическая схема замещения системы ШИР-Д

На схеме ШИР представлен в виде силового ключа К (в качестве которого используют мощные тиристоры, реже транзисторы), который с частотой 600-800 Гц замыкаясь и размыкаясь, соответственно подключает и отключает цепь якоря к питающей сети. Питающая сеть в данном случае представляет собой постоянное идеально сглаженное напряжение U_ВХ. (промышленная сеть постоянного напряжения). Диод Д, который носит название «обратный диод», шунтирует обмотку якоря двигателя и служит для того, чтобы в разомкнутом положении ключа К, ток в цепи якоря протекал непрерывно под действием ЭДС.

Если обозначить длительность нахождения ключа К в замкнутом положении за t₁, а в разомкнутом положении – t₂, и при этом не изменяя суммы (t₁+t₂), которая называется периодом коммутации, изменять соотношение между t₁ и t₂, то отношение

,

которое называется скважностью, также будет изменяться. При этом будет изменяться выходное напряжение, равное среднему напряжению

Частота замыкания и размыкания 600-800 Гц выбрана с целью снижения коммутационных перенапряжений в ключе К.

Временные диаграммы мгновенных значений системы ШИР-Д представлены на рис. 5.12.

Рисунок 5.12 – Временные диаграммы мгновенных значений системы ШИР-Д

Выходное напряжение ШИР представляет собой высокочастотную последовательность импульсов одинаковой ширины и амплитуды, и при этом среднее значение этого напряжения будет зависеть от соотношения ширины импульса t₁ и промежутка между двумя соседними импульсами t₂, которая определяется как скважность. Изменяя скважность от нуля до единицы, можно изменять выходное напряжение от нуля до U_ВХ. (при ε=0, U_ВЫХ=0; при при ε=1, U_ВЫХ=U_ВХ).

Пример схемы ШИР представлен на рисунке 5.13.

Рисунок 5.13 – Схема ШИР. U_ВХ. – постоянное идеально сглаженное напряжение промышленной сети, Д₁ – обратный диод.

Широтно-импульсный регулятор представлен в виде тиристоров Т₁ и Т₂, диода Д₂, а также конденсатора С_К и индуктивности L_К, которые в совокупности с диодом Д₂ образуют колебательный контур (рис. 5.13).

В схеме ШИР тиристор Т₁ является основным (или рабочим) и непосредственно выполняет функции силового ключа К. Тиристор Т₂ является вспомогательным и служит для запирания основного тиристора Т₁. Конденсатор С_К в схеме ШИР выполняет функцию формирования напряжения запирающего тиристоры Т₁ и Т₂. Индуктивность L_К служит для обеспечения колебательного перезаряда конденсатора С_К. Диод Д₂ обеспечивает прохождение тока через индуктивность L_К только в одном направлении.

Пусть в момент времени t=0 главный тиристор Т₁ открыт, а вспомогательный тиристор Т₂ закрыт. При этом входное напряжение U_ВХ. приложено к якорной цепи. Ключ К замкнут. Конденсатор С_К предварительно заряжен в направлении, указанном на схеме (рис. 5.13).

По истечении времени t₁, подается отпирающий импульс на Т₂, при этом он отпирается и через открытую цепь тиристора Т₂ конденсатор С_К разряжается на Т₁ в направлении отрицательной полярности и запирает тиристор Т₁.

В следующем промежутке времени t₂ ключ К разомкнут и напряжение со стороны входной сети от цепи якоря отключено. В этом промежутке времени ток в цепи якоря протекает через цепь Д₁ под действием ЭДС двигателя. Одновременно в этом промежутке времени t₂ через открытый тиристор Т₂ происходит колебательный перезаряд конденсатора С_К через Т₂, Д₂ и L_К в направлении, указанном в скобках (рис. 5.13).

По истечении времени t₂ подается отпирающий импульс на Т₁. В результате тиристор Т₁ отпирается, к якорной цепи прикладывается напряжение U_ВХ., а через открытую цепь Т₁ конденсатор С_К разряжается на Т₂ в направлении отрицательной полярности и запирает его.

Уравнение механических характеристик системы ШИР-Д

При этом семейство механических характеристик системы ШИР-Д представлено на рис. 5.14.

Рисунок 5.14 – Семейство механических характеристик системы ШИР-Д

Естественная характеристика ШИР-Д несколько мягче естественной характеристики ДПТ НВ за счет влияния активного сопротивления R_ШИР при питании от сети.

Искусственные характеристики ШИР-Д параллельны естественной характеристике ШИР-Д. Наличие нерегулируемой зоны в области малых скоростей объясняется тем, что при скоростях, близких к нулю, ЭДС двигателя также стремиться к нулю (Е_д=kФω). И в промежутке времени t₂ ток в якорной цепи протекать не будет, следовательно, момент отсутствует (М=kФI).

Преимущества системы ШИР-Д по сравнению с системой Г-Д:

1. Лучшие массогабаритные показатели;

2. Высокий КПД.

Преимущества системы ШИР-Д по сравнению с системой УСП-Д:

1. Отсутствие отрицательного влияния на питающую сеть.

Недостатки системы ШИР-Д:

1. Необходимость в наличии идеально сглаженного входного напряжения;

2. Ограничения по мощности (силовой ключ ШИР должен быть по мощности согласован с двигателем), и поэтому такие системы применяют только в приводах небольшой мощности.