2. Функциональная схема системы управления

Функциональная схема одного канала системы импульсно-фазового управления (СИФУ) и диаграммы работы его элементов показаны соответственно на рис.6.2 и рис.6.3.

На схеме обозначены:

ИСН – источник синхронизирующего напряжения, обычно выполняется в виде понижающего маломощного трансформатора.

ГПН – генератор периодического напряжения. С помощью встроенного функционального преобразователя (ФП) преобразует поступающее на него синусоидальное напряжение с ИСН в периодическое треугольное напряжение.

К – компаратор. Здесь сравниваются два напряжения - треугольное с выхода ГПН и постоянное напряжение управления. На выходе компаратора вырабатываются углы открывания и закрывания транзистора 1 и 2.

УФ – усилитель-формирователь импульсов управления, формирует необходимые параметры импульса управления транзистора (амплитуду и форму).

ГР – гальваническая развязка, обеспечивающая разделение высокого потенциала силовой цепи и низкого потенциала системы управления. Обычно выполняется на импульсном трансформаторе или оптроне.

3. Статические характеристики АВ

Регулировочная характеристика АВ может быть записана в следующем виде:

U_н=U_нo cos[(₁ +₂)/2],

где U_н0 – напряжение преобразователя при 1=2=0;

1 и 2 – углы открывания и закрывания транзистора.

Н а рис.6.4 показан график зависимости Uн от угла открывания 1. График зависимости Uн от угла закрывания 2 аналогичен показанному на рис.2.4. Максимальное напряжение Uнo получается при полностью открытом транзисторе, когда угол 1=2=0.

4. Динамические характеристики АВ

Передаточную функцию АВ можно записать в следующем виде:

W(p)=U_вых(p)/U_у(p)=K_АВ/(T_у p + 1),

где K_АВ – коэффициент усиления АВ, определяемый по регулировочной характеристике;

T_у – малая постоянная времени системы управления АВ.

Переходная функция АВ изображена на рис.6.5.

По экспериментально определенной переходной функции можно найти все параметры передаточной функции АВ: K_АВ и T_у .

Достоинства АВ:

1. Высокий КПД (до 98 %) вследствие однократного преобразования электроэнегии и низкого падения напряжения на открытом транзисторе.

2. Возможность регулирования коэффициента мощности сети, в т.ч. компенсация реактивной мощности.

3. Простота силовой схемы.

Недостатки АВ:

1. Усложненная система управления при раздельном регулировании углов открывания и закрывания транзистора 1 и 2.

2. Увеличение стоимости преобразователя вследствие повышенной по сравнению с тиристорами стоимости силовых транзисторов.

Область применения УВ:

1. Управляемый электропривод постоянного тока.

2. Регулируемые источники питания.

3. Компенсационные устройства.

2. Широтно-импульсные преобразователи

1. Принцип действия

Принцип регулирования выходного напряжения ШИП основан на периодическом замыкании и размыкании ключа К (см. рис.2.1). При этом в "классическом" ШИП период коммутации Т ключа К остается постоянным, а изменяется продолжительность Ти подачи напряжения питания Uп.

Количественно работу ШИП удобно описывать, используя понятие скважности  :

 = Ти/T = Ти/(Ти+Тп) ,

где Ти - продолжительность подачи Uп (ключ К замкнут),

Тп - продолжительность паузы (ключ К разомкнут).

Скважность в ШИП может изменяться от 0 до 1.

2. Силовые схемы ШИП

а) Нереверсивная схема ШИП

Схема ШИП и диаграмма напряжения нагрузки показаны на рис.6.7.

На схеме обозначены:

VТ1 – силовой транзистор,

V D1 – диод реактивной мощности, служащий для замыкания тока нагрузки во время паузы работы ШИП,

Zн – нагрузка.

Достоинства схемы:

- простота (один транзистор),

- надежность в работе (нет узлов искусственной коммутации).

Недостатки схемы:

- нереверсивность,

- ограничение диапазона регулирования Uн.

Применение:

- регулируемые источники питания,

- электропривод постоянного тока с небольшим диапазоном регулирования угловой скорости.

б) Реверсивная нулевая схема ШИП

Схема ШИП и диаграмма напряжения нагрузки показаны на рис.6.8.

На схеме обозначены:

VТ1, VТ2 – силовые транзисторы,

VD1, VD2 – обратные диоды, служащие для возврата реактивной мощности нагрузки,

Zн – нагрузка.

Достоинства схемы:

- реверсивность,

- большой диапазон регулирования Uн.

Недостатки схемы:

- большее количество транзисторов,

- пониженное напряжение в нагрузке,

- требуется источник питания со средней точкой.

Применение:

- регулируемые источники питания с заданной формой выходного напряжения Uн,

- реверсивный электропривод постоянного тока с большим диапазоном регулирования угловой скорости.

в) Реверсивная мостовая схема ШИП

Схема ШИП и диаграмма напряжения нагрузки показаны на рис.6.9.

На схеме обозначены:

VТ1… VТ4 – силовые транзисторы,

VD1… VD4 – обратные диоды, служащие для возврата реактивной мощности нагрузки,

Zн – нагрузка.

Достоинства схемы:

- реверсивность,

- не требуется источник питания со средней точкой,

- полное напряжение в нагрузке (Uн = Uп).

Недостатки схемы:

- большее количество транзисторов.

Применение:

- регулируемые источники питания с заданной формой выходного напряжения Uн,

- реверсивный электропривод постоянного тока с большим диапазоном регулирования угловой скорости.

3. Системы управления ШИП

а) Функциональная схема системы управления нереверсивным ШИП Данная схема показана на рис.6.10, где изображены следующие элементы:

ГТИ – генератор треугольных импульсов,

К – компаратор, сравнивающий сигнал ГТИ и сигнал управления Uу,

УФ – усилитель-формирователь импульсов управления транзистором,

ГР1 – устройство гальванической развязки.

Диаграммы работы системы управления ШИП показаны на рис.6.11.

б) Функциональная схема системы управления реверсивным ШИП Данная схема показана на рис.6.12, где изображены следующие элементы:

ГТИ – генератор треугольных импульсов,

К – компаратор, сравнивающий сигнал ГТИ и сигнал управления Uу,

ЛИ – логический инвертор, изменяющий фазу сигнала К на 180^o,

УФ1, УФ2 – усилители-формирователи импульсов управления транзисторами,

ГР1, ГР2 – устройства гальванической развязки.

Диаграммы работы системы управления ШИП показаны на рис.6.13.

4. Статические характеристики ШИП

Регулировочная характеристика ШИП показана на рис.6.14. Аналитически характеристика описывается формулой Uвых= Uп.

Выходные характеристики ШИП описываются формулой

Uвых= Uп -IRвн,

где I – ток преобразователя,

Rвн – внутреннее сопротивление ШИП.

1. Динамические характеристики ШИП

Передаточная функция ШИП имеет следующий вид:

Wшип(р)=Uвых(p)/Uу(p)=Кшип е ^-pT ,

где Кшип – коэффициент усиления ШИП, определяемый по регулировочной характеристике,

T – время запаздывания реакции силовой части ШИП на изменение сигнала управления Uу.

П ереходная функция ШИП показана на рис.6.15.

По экспериментально определенной переходной функции можно найти все параметры передаточной функции ШИП.

Достоинства ШИП:

- лучше регулировочные характеристики,

- большее быстродействие,

- отсутствие устройств принудительной коммутации,

- больший диапазон регулирования выходного напряжения.

Недостатки ШИП:

- большая стоимость.

Область применения ШИП:

- быстродействующий электропривод металлорежущих станков и промышленных роботов,

- источники вторичного питания и стабилизаторы.

2. ТРАНЗИСТОРНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ

   1. Преобразователи частоты со звеном постоянного тока

1. Преобразователи частоты с одноступенчатой коммутацией

Функциональная схема такого ПЧ показана на рис.6.16, где обозначены следующие блоки:

В – неуправляемый диодный выпрямитель,

РН – регулятор напряжения (транзисторный ШИП),

Ф – сглаживающий фильтр,

АИН – транзисторный автономный инвертор напряжения,

М1 – нагрузка (двигатель),

СУР – система управления регулятором,

СУИ – система управления инвертором,

Б С – блок связи между СУР и СУИ (может отсутствовать).

Неправляемый выпрямитель В преобразует переменное напряжение питающей сети Uc в выпрямленное постоянное, которое затем регулируется регулятором РН, сглаживается фильтром Ф (обычно Г-образным) и подается в виде напряжения питания на автономный инвертор АИН. Выходная частота АИН регулируется с помощью СУИ, а амплитуда выходного переменного напряжения АИН регулируется в блоке РН с помощью СУР. Блок БС согласует напряжения управления РН и АИН для задания необходимого закона управления выходным напряжением Uвых и частотой fвых.

Поскольку транзисторные ШИП и их системы управления уже рассмотрены выше, перейдем к изучению транзисторных автономных инверторов напряжения.

Рассмотрим наиболее часто использующуюся на практике трехфазную мостовую схему инвертора, показанную на рис.6.17.

На схеме рис.6.17 обозначено: VТ1...VТ6 - силовые транзисторы; ZА, ZВ, ZС – трехфазная нагрузка (асинхронный двигатель).

Порядок работы транзисторов в схеме следующий: VТ1-VТ2, VТ2-VТ3, VТ3-VТ4, VТ4-VТ5, VТ5-VТ6, VТ6-VТ1 и т.д. Импульсы управления поступают на пары транзисторов со сдвигом 60 градусов.

Рис.6.17

Функциональная схема системы управления инвертором показана на рис.6.18, где обозначено: ЗГ – задающий генератор, РИ – распределитель импульсов управления, УФ1...УФ6 – усилители-формирователи импульсов управления, ГР1...ГР6 – устройства гальванической развязки.

Достоинства схемы:

- простота системы управления,

- сравнительно высокий КПД.

Недостатки схемы:

- небольшой диапазон регулирования угловой скорости двигателя,

- несинусоидальная (прямоугольная) форма выходного напряжения.

Применение:

- простые источники питания с заданной частотой выходного напряжения,

- электропривод переменного тока с ограниченным диапазоном регулирования угловой скорости.

Диаграммы выходного напряжения схемы показаны на рис.6.19.