31. Перетворювачі частоти на тиристорах. Імпульсні трансформатори.

П р е о б р а з о в а т е л и ч а с т о т ы — устройства, преобразующие переменный ток одной частоты в переменный ток другой частоты. Различают преобразователи частоты с непосредственной связью питающей сети, в которых звено постоянного тока выражено неясно вследствие совмещения в одном устройстве функций выпрямления и

инвертирования, и преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного тока.

П р е о б р а з о в а т е л и ч а с т о т ы с н е п о с р е д с т в е н н о й с в я з ь ю питаются от источника переменного тока с частотой f _пит (рис. 31.1, а) и в каждой фазе имеют встречно включенные управляемые выпрямители. Частота выходного напряжения определяется длительностью промежутков их работы. Кривая выходного напряжения получается как огибающая выпрямленных полуволн напряжения питания (рис. 31.1, б). Такие преобразователи частоты применяют тогда, когда требуется меньшее значение регулируемой частоты, чем частота источника питания. Верхний предел регулируемой частоты на выходе преобразователя составляет примерно (0,3÷0,4) f _пит.

Для сглаживания пульсаций и получения на выходе напряжения, близкого по форме к синусоидальному, что особенно важно при низких частотах для получения равномерного вращения двигателей переменного тока, применяют дроссели L.

П р е о б р а з о в а т е л и ч а с т о т ы с п р о м е ж у т о ч н ы м з в е н о м п о с т о я н н о г о т о к а (рис. 31.2, а) состоят из управляемого тиристорного выпрямителя У ТВ, фильтра Ф и автономного инвертора АИ, на выход которого подключается двигатель переменного тока.

Работа инвертора основана на использовании искусственной коммутации, т. е. переключения тиристора в закрытое состояние при параллельном включении заряженной емкости. На рис. 31.2, б приведена схема инвертора, работающего с конденсаторами неизменной емкости в большом диапазоне частот благодаря наличию моста реактивной энергии Q на полупроводниковых диодах VD1 — VD6. Добавочные диоды, включенные последовательно с тиристорами, препятствуют разряду конденсаторов на обмотки двигателя. Разделительные дроссели L уменьшают ток разряда конденсаторов в моменты, когда диоды реактивного моста открыты. Эти преобразователи проще, чем преобразователи с непосредственной связью. Они позволяют плавно и в широких пределах регулировать выходные напряжения и частоту независимо от источника питания. Отечественная промышленность выпускает тиристорные преобразователи частоты на разные мощности.

34. Призначення підсилювачів та їх класифікація. Електронні підсилювачі на транзисторах і тиристорах: схеми, склад принцип дії.

Назначение усилительного устройства сводится главным образом к изменению величины дополнительной энергии, поступающей к последующему элементу (обычно исполнительному двигателю или усилителю мощности) в соответствии с величиной сигнала, поданного на его вход.

Необходимость применения усилителей вытекает из того, что мощность, требуемая для создания выходных сигналов в системах автоматического регулирования, обычно велика, а мощность управляющего входа - мала.

При выборе усилительного устройства для использования в системе следует учитывать:

1) вид и величину входного сигнала;

2) необходимую величину коэффициента усиления и его стабильность;

3) вид применяемой вспомогательной энергии;

4) требуемый характер выходного сигнала;

5) необходимую, чувствительность;

6) степень зависимости характеристик усилителя от внешних влияний (температуры, давления, вибрации и.т.д.);

7) допустимые габариты и вес;

8) возможность преобразования выходного сигнала.

Все усилительные устройства делят на две большие группы: электрические и неэлектрические. Электрические усилители:

1) магнитные;

2) электронные;

3) полупроводниковые.

Неэлектрические усилители:

1) гидравлические;

2) пневматические.

Тиристорные усилители

Тиристор – управляемый вентиль. Тиристоры широко применяются во многих областях автоматики в качестве элементов функциональных устройств, в частности, усилителей мощности.

Тиристор может находиться только в двух устойчивых состояниях: включенном и выключенном. Он имеет высокое быстродействие, время включения его не превышает 1 – 5 мкс. Отключение (закрытие) тиристора может быть осуществлено снятием анодного напряжения или подачей напряжения обратной полярности.

Способы и устройства управления тиристорами

Перевод тиристора из закрытого состояния в открытое осуществляется подачей сигнала на управляющий электрод. Существует несколько методов управления тиристорами: амплитудный, фазовый, широтно-импульсный.

Амплитудный метод управления основан на зависимости напряжения переключения тиристора U_n от величины тока управления. При этом увеличение тока управления I_У приводит к уменьшению напряжения переключения рис.34.1,а, то есть каждому уровню тока управления соответствует определенный уровень анодного напряжения U_n, при котором включается тиристор. К недостаткам амплитудного метода управления следует отнести, во-первых, неоднозначность характеристик вход-выход (зависимость выходного напряжения от величины сигнала управления) тиристорного усилителя, обусловленную значительным разбросом входных характеристик тиристоров и их существенной зависимостью от температуры, и во-вторых, увеличенные потери в тиристоре за счет протекания тока через управляющий переход в течение всего периода питающего напряжения.

Этот способ управления тиристором используется только при питании усилителя переменным током рис.34.1,б и находит весьма ограниченное применение из-за отмеченных недостатков.

Фазовый метод управления основан на изменении фазы управляющего сигнала относительно фазы питающего анодную цепь тиристора переменного напряжения. Этот метод можно подразделить на амплитудно-фазовый, при котором на управляющий электрод тиристора подается синусоидальное напряжение, фаза которого изменяется относительно фазы питающего (анодного) напряжения, и фазоимпульсный рис.34.1,в, когда тиристор открывается импульсом тока с регулируемой фазой. При первом способе управления процессы открытия тиристора полностью аналогичны процессам, происходящим при амплитудном управлении, но при этом диапазон регулирования существенно расширяется. Более рациональным является фазоимпульсное управление, обеспечивающее наилучшие энергетические характеристики тиристорных усилителей.

При этом способе управления в качестве управляющего сигнала используются импульсы, длительность которых, как правило, не превышает полупериода питающего напряжения. Учитывая, что время включения тиристора мало, для управления им используют обычно кратковременные импульсы длительностью от нескольких единиц до сотен микросекунд. Амплитуда управляющих импульсов тока должна превышать ток управления спрямления I_У.С.

Изменяя фазу управляющих импульсов в пределах 0<α<π, регулируют напряжение в нагрузке от максимального значения до нуля. При этом методе управления полностью исключается влияние разброса входных параметров тиристора, температуры окружающей среды и p-n переходов, а также формы питающего напряжения на характеристики вход-выход усилителя. К достоинствам фазового метода управления следует отнести также малые потери в управляющем переходе тиристора благодаря кратковременности управляющего импульса. Этот метод получил наибольшее распространение в тиристорных усилителях любой мощности.

Широтно-импульсное управление тиристором основано на изменении соотношения между длительностью открытого и закрытого состояния тиристоров (на изменении скважности) рис.34.1,г. Оно применяется в тиристорных усилителях с выходом как на переменном, так и на постоянном токе. В обоих случаях изменяется соотношение между числом полупериодов питающего напряжения, приложенных к нагрузке через открытый тиристор, и числом полупериодов, приложенных к закрытому тиристору. Управляющие сигналы Uу могут вырабатываться в виде прямоугольных импульсов с переменной скважностью или в виде серии (пачек) кратковременных Uу.имп c переменной скважностью, подаваемых в начале полупериодов питающего напряжения. Этот метод управления может использоваться при построении тиристорных усилителей любой мощности. При этом наиболее эффективно использовать его при питании усилителей от сети постоянного тока.

К существенным недостаткам широтно-импульсного метода управления следует отнести значительно меньшее быстродействие усилителя, чем в случае применения фазового метода управления тиристором, в связи с тем, что время чистого запаздывания при широтно-импульсном управлении составляет несколько периодов питающего напряжения.

При фазовом методе управление тиристором желательно осуществлять с помощью импульсного сигнала малой длительности, несколько превышающей время включения тиристора. Требуемый диапазон изменения фазы управляющего импульса в зависимости от типа усилителя мощности может лежать в приделах от долей полупериода до периода питающего напряжения. При построении многофазных усилителей должна обеспечиваться также максимально возможная симметрия управляющих импульсов во избежание появления в нагрузке постоянной составляющей тока, которая нарушает нормальный режим работы устройства.

При формировании управляющего сигнала необходимо обеспечить достаточно крутой передний фронт импульса, что уменьшает потери в тиристоре при включении, а также повышает симметрию управляющих импульсов.

Фазовый метод управления может быть реализован несколькими способами.

Вертикальный способ управления рис.34.2 основан на сравнении переменного (опорного) и постоянного напряжения сигнала управления. При равенстве мгновенных значений этих напряжений вырабатывается импульс, который усиливается и подается на управляющий электрод тиристора. Изменение фазы управляющего импульса достигается изменением уровня сигнала управления постоянного тока.

Рисунок 34.2. Вертикальный способ управления тиристорами: а- структурная схема устройства; б- графики изменения сигналов

Опорное напряжение, например, пилообразной формы вырабатывается генератором переменного напряжения ГПН рис.34.2,а и синхронизируется с напряжением сети с помощью синхронизирующего устройства СУ, подается на устройство сравнения УС, на которое одновременно подается и управляющее напряжение с предварительного усилителя ПУ. Сигнал устройства сравнения поступает на формирователь импульсов ФИ, а затем виде мощного регулируемого по фазе импульса подается на управляющий электрод тиристора. Функции отдельных устройств могут быть совмещены.

Управление тиристорами с помощью импульсных трансформаторов рис 34.3 основано на изменении момента перемагничивания насыщающегося трансформатора при одновременном воздействии на него переменного и постоянного тока. В отличие от ранее рассмотренного способа управления здесь сравнение опорного и управляющего сигналов производится по ампервиткам переменного и постоянного тока, намагничивающего импульсный трансформатор ИТ рис.34.3,б При равенстве намагничивающих сил IcW₁ и IуW₃ в момент θ=ά сердечник трансформатора ИТ перемагничивается и на обмотке W₂ возникает импульс напряжения Uит.

Напряжение на ИТ рис.34.3,а подается от генератора переменного тока ГПТ и предварительного усилителя ПУ. Как и в предыдущем случае, полученный сигнал подается на формирователь импульсов ФИ, в качестве которого может использоваться ждущий блокинг-генератор, маломощный тиристорный усилитель и т.п.

При горизонтальном управлении управляющий импульс формируется в момент перехода синусоидального напряжения через ноль, а изменение его фазы обеспечивается изменением фазы синусоидального напряжения, то есть смещением этого напряжения по горизонтали. Оно не нашло широкого распространения.

Поскольку для управления тиристорами требуется предварительное усиление, то в динамическом отношении тиристорный усилитель может быть представлен в виде произведения передаточных функций трех типовых звеньев – входного усилителя, тиристорного преобразователя и нагрузки:

Рисунок 34.3. – Управление с помощью импульсных трансформаторов: а – структурная схема устройства; б – схема импульсного трансформатора; в – графики изменения сигналов

Передаточная функция тиристорного преобразователя может быть представлена в виде передаточной функции звена с чистым запаздыванием.

Тиристорные усилители с питанием от сети переменного тока и выходом на постоянном токе

В однополупериодной схеме рис.1.17,а среднее значение напряжения и тока нагрузки при питании усилителя синусоидальным напряжением е=Em*sin θ и активно – индуктивной нагрузке в функции угла открытия тиристора α (статическая характеристика вход-выход) определяется выражением:

, (1.12)

где Ем – амплитуда э.д.с. вторичной обмотки трансформатора Тр; α – угол открытия тиристора, 0<α<180º; β – угол закрытия тиристора (зависит от индуктивной составляющей нагрузки).

Форма напряжения для этого случая приведена на рис.1.17,б. При активной нагрузке угол запирания β=180 º и, следовательно:

(1.13)

Рисунок 1.17 – Однополупериодный тиристорный усилитель: а – схема; б, в – формы напряжения в нагрузке

Форма напряжения при этом показана на рис.1.17,в.

Для повышения эффективности работы схемы при активно-индуктивном характере нагрузки параллельно ей включают диод VD. При этом форма напряжения на нагрузке соответствует случаю на рис.1.17,в.

Основные недостатки однополупериодной схемы: загрузка источника питания постоянной составляющей тока, что приводит к подмагничиванию сердечника трансформатора и дополнительным потерям мощности, высокий уровень переменной составляющей выходного напряжения.

Двухполупериодная дифференциальная схема рис.1.18,а содержит два тиристора VS₁ и VS₂ и дифференциальный трансформатор Т_Р. Импульсы сигнала управления открывают тиристоры поочередно со сдвигом фазы на 180^о.

При чисто активной нагрузке напряжение на ней

α), 0 < a < 180^о (1.14)

и имеет форму на рис.1.18,в.

Рис. 1.18. Двухполупериодный тиристорный усилитель:

а – схема; б, в – формы напряжения на нагрузке

В случае активно-индуктивной нагрузки форма напряжения представлена на рис.1.18,б.

Тиристорный усилитель этого типа обладает рядом существенных недостатков: нелинейность характеристики вход-выход, дискретность управления тиристорами, задержка закрытия проводящих ток тиристоров до соответствующего изменения полярности анодного напряжения.

Двухполупериодные мостовые схемы тиристорных усилителей представлены на рис.1.19.

Рис. 1.19. Схемы двухполупериодных мостовых тиристорных усилителей

Недостатком схемы рис.1.19,а является ее относительная сложность, обусловленная наличием четырех тиристоров. Схемы рис.1.19,б и в выполнены с использованием только двух тиристоров, что существенно упрощает систему управления. Наибольшее распространение получила мостовая схема с объединенными катодами тиристоров рис.1.19,б, преимущество которой состоит в более простой схеме устройства управления по сравнению со схемой а. Однако следует иметь в виду, что при активно-индуктивной нагрузке и отсутствии обратного диода VD_О схема может обеспечить лишь двукратное изменение тока нагрузки. В схеме рис. 1.19,в необходимость в обратном диоде отпадает, поскольку роль его выполняют последовательно включенные диоды VD₁ и VD₂, но возникает необходимость гальванической развязки цепей управления тиристоров. В схеме рис.1.19,г управление тиристорами должно осуществляться от импульсного устройства, обеспечивающего сигнал в каждый полупериод питающего напряжения. Эту схему целесообразно использовать при сравнительно низкой частоте питания (не более 400-500 Гц) с тиристорами на небольшой ток.

Для мощных потребителей питание тиристорных усилителей и нагрузки осуществляется, как правило, от трехфазной сети переменного тока. Трехфазное питание позволяет исключить возможность неравномерной загрузки фаз, что имеет место при использовании одной фазы трехфазного источника, а также уменьшить пульсации выходного напряжения.

На рис.1.20,а приведена схема усилителя с тремя тиристорами VS₁, VS₂, VS₃. Импульсы сигнала управления открывают тиристоры поочередно со сдвигом по фазе на 120^о.

На рис.1.20,б приведена схема усилителя с шестью тиристорами.

Часто требуются тиристорные усилители, обеспечивающие изменение знака выходного напряжения при смене полярности входного сигнала.

Схемы таких (реверсивных) усилителей представлены на рис.1.21. Наиболее просто реализуется однополупериодная реверсивная схема рис.1.21,а с двумя встречно включенными тиристорами VS₁, VS₂. Одной полярности выходного тока соответствует открытое состояние VS₁, обратной – открытое состояние VS₂. Для увеличения среднего значения напряжения в нагрузке, а так же для уменьшения времени переходного процесса реверсирования тока нагрузки, последнюю целесообразно шунтировать конденсатором С.

Рис. 1.20. Схемы тиристорных усилителей с питанием от трехфазной сети переменного тока

Рис. 1.21 – Схемы реверсивных тиристорных усилителей

На рис.1.21,б представлена реверсивная двухполупериодная схема с питанием от однофазной сети. Она содержит восемь тиристоров, включенных по четыре в две мостовые схемы. Тиристоры одной мостовой схемы образуют плечо прямого такта, а другой – реверсивного. Следует отметить сложность данной схемы, обусловленной значительным числом тиристоров, требующих развязанных цепей управления.

Двухполупериодные реверсивные усилители могут нормально работать лишь в таком режиме, когда одновременное открытое состояние обоих плеч усилителя не имеет места. В противном случае в схеме устанавливается путь для короткого замыкания, что может привести к выходу из строя тиристора и других элементов силовой цепи усилителя. Обеспечение такого режима работы в стационарных режимах не встречает затруднений. Однако в переходных процессах при реверсе этот режим может нарушаться.

Для того, чтобы предотвратить возможность возникновения режима при реверсе существует ряд способов. Один из них заключается в том, что подача сигнала, открывающего запертое плечо, осуществляется лишь после того, как произошло запирание тиристоров ранее открытого плеча. Реализация этого способа возможна как за счет введения фиксированной задержки в цепи управления, действующей только при реверсе (время задержки должно превышать максимально возможную длительность открытого состояния тиристора после снятия сигнала управления), так и за счет обратной связи по току, протекающему через тиристоры, обеспечивающей соответствующую блокировку сигнала управления. Недостатком такого способа управления является ухудшение динамических свойств усилителя, определяемых при активно-индуктивной нагрузке временем переходного процесса равным

t_ПЕР ≈ (3-4)T, а также усложнением схемы усилителя.

Питание мощных тиристорных усилителей осуществляется как правило, от трехфазной сети.

Схема трехфазного реверсивного усилителя на двенадцати тиристорах представлена на рис.1.21,в.

Тиристорные усилители с питанием от сети переменного тока с выходом на переменном токе.

Схемы нереверсивных тиристорных усилителей с выходом на переменном токе приведены на рис.1.22.

Рисунок 1.22. – Схемы тиристорных усилителей с выходом на переменном токе

Наиболее распространенной является схема с встречно-параллельным включением тиристоров рис. 1.22,а. Сигналы управления открывают тиристоры VS1 и VS2 поочередно со сдвигом фазе на 180º.

В схеме рис.1.22,б используется только один тиристор VS, включенный в диагональ мостового выпрямителя на диодах VD1-VD4.

Приведенный на рис 1.22,в вариант однофазного тиристорного усилителя обеспечивает такую же форму выходного напряжения, как и предыдущие схемы. Тиристоры так же, как и в схеме рис.1.22,б защищены от обратных напряжений, а цепи управления тиристоров можно объединить. При этом тиристоры управляются одним импульсом, подаваемым на оба тиристора одновременно.

На рис.1.22,г приведена схема симметричного регулирования напряжения на трехфазной нереверсивной нагрузке с нулевым приводом. Режим работы каждой фазы не отличается от режима работы однофазной схемы.

Тиристорные усилители с питанием от сети постоянного тока

При питании тиристорных усилителей переменным током их запирание осуществляется отрицательным полупериодом питающего напряжения.

Тиристорные усилители, питаемые от источника постоянного тока, имеют устройство для принудительного отключения тиристора, что вносит принципиальное различие между схемами с питанием от переменного и постоянного тока.

Как правило, отключение тиристоров осуществляется периодическим подключением к цепи тиристора импульсного источника энергии, который на момент отключения тиристора обеспечивает снижение анодного тока до нуля, при этом подключение импульсного источника энергии может осуществляться либо через ключи (тиристоры, транзисторы и.т.п.), коммутируемые специальными импульсными генераторами, либо благодаря введению в цепь отключения колебательного контура, способного накапливать энергию, достаточную для отключения основного тиристора.

На рис.1.23,а приведена наиболее распространенная блок-схема тиристорного усилителя с питанием от сети постоянного тока.

Усилитель работает следующим образом. Задающий генератор ЗГ вырабатывает импульсы стабильной частоты с периодом T₃ рис.1.23,б,

Рисунок 1.23. – Тиристорный усилитель с питанием от сети постоянного тока: а- структурная схема устройства; б- графики изменения сигналов.

которые подаются одновременно на импульсный источник энергии ИИЭ, предназначенный для отключения тиристора, и на фазоимпульсное устройство ФИУ, преобразующее управляющий сигнал Uу в импульсы, фаза которых изменяется относительно фазы импульсов ЗГ, пропорционально напряжению Uу. Таким образом, ЗГ служит первичным источником отключающих импульсов и устройством синхронизирующим работу ФИУ и ИИЭ. Управляющее напряжение, подаваемое на ФИУ, преобразуется в импульсы, которые усиливаются формирователем импульсов ФИ и обеспечивают включение тиристора, соединенного последовательно с нагрузкой в сеть постоянного тока. Отключение тиристора осуществляется подачей импульса на него с ИИЭ.

Изменение величины управляющего напряжения Uу приводит к изменению интервала между включением и отключением силового тиристора, регулируя тем самым длительность импульса напряжения, приложенного к нагрузке Uн. Поскольку период Т₃ остается постоянным, то из диаграммы рис.1.23,б следует, что напряжение на нагрузке (среднее значение)

(1.15)

где Uс; Uу, Uпит – напряжение сети, управления и амплитудное, пилообразное, вырабатываемое ФИУ.

Пример схемы тиристорного усилителя с питанием от сети постоянного тока приведен на рис.1.24.

При открытии тиристора VS1 к нагрузке Rн прикладывается полное напряжение сети и одновременно через балластное сопротивление Rб заряжается конденсатор С до напряжения сети. Открытие тиристора VS2 приводит к подключению конденсатора С параллельно тиристору VS1 и его разрядный ток отключает тиристор VS1. минимальная величина коммутирующей емкости может быть определена из соотношения:

,

где t_В – время восстановления тиристора, мкс; I – ток нагрузки во время коммутации, А; U – напряжение на емкости, В.

Рисунок 1.24 - Схема тиристорного усилителя с питанием постоянным током

35. Поняття про транзисторні каскади підсилювачів напруги, струму та потужності; схеми, склад і принцип дії. Підсилювачі постійного струму – особливості.