2. Методы управления электротехническими преобразовательными устройствами

2.1. Импульсное управление силовыми преобразователями

Существует много различных методов управления различными электротехническими устройствами, причем, учитывая разнообразие этих устройств, одни методы применимы к одному типу устройств, другие к другому. Во многих наиболее применяемых методах управления используют модуляцию.

Модуляция – это эквивалентная по воздействию на объект замена любого по форме сигнала другим отличающимся по форме сигналом.

Импульсная модуляция – это замена любого по форме аналогового напряжения эквивалентным по площади потоком импульсов.

Различают 4 основных вида импульсной модуляции:

1. Широтно-импульсная модуляция;

2. Фазоимпульсная модуляция;

3. Частотно-импульсная модуляция;

4. Амплитудная модуляция.

Амплитудная модуляция не представляет интереса для выполнения курсового проекта, поэтому рекомендуется изучить эту тему самостоятельно. Остальные модуляции используются при управлении скоростью вращения двигателя постоянного тока (ДПТ), при формировании синусоидального напряжения в частотных преобразователях и т.д.

При импульсном управлении силовым преобразователем могут использовать в качестве силового ключа как обычный тиристор, с необходимыми для его закрытия схемами коммутации, так и современные IGBT-, MOSFET-транзисторы или GTO-тиристоры. Силовой ключ (он же прерыватель) необходим для соединения разъединения нагрузки с сетью постоянного напряжения, преобразуя, таким образом, постоянное напряжение в переменное (импульсное).

Это необходимо для получения на выходе прерывателя необходимого значения постоянного тока (при регулировании напряжения в сетях постоянного тока) или для получения переменного напряжения необходимой частоты (такой принцип используют автономные инверторы). Схема прерывателя показана на рис. 2.1.

На интервале тиристор открыт и через нагрузку протекает электрический ток.

На рис. 2.1. последовательно с нагрузкой включена индуктивность для сглаживания пульсаций тока. Так же сама нагрузка может иметь индуктивный или активно-индуктивный характер, поэтому в индуктивных элементах накапливается энергия, которая при запирании прерывателя преобразуется в ЭДС самоиндукции. Согласно первому закону коммутации ток, через элементы содержащие индуктивность не может изменяться скачкообразно. Это в свою очередь приводит к увеличению ЭДС самоиндукции до значений превышающих предельно допустимое значение обратного напряжения силового вентиля (прерыватель), происходит его пробой и выход вентиля из строя. Во избежание такой ситуации необходимо обеспечить наличие цепи для протекания тока через нагрузку при закрытом состоянии вентиля. Параллельно нагрузке могут быть подключены конденсатор, резистор или полупроводниковый диод, как показано на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Схема прерывателя и осциллограмма его работы

На интервале тиристор закрыт, и выводы нагрузки закорачиваются через диод , соответственно ток нагрузки начинает протекать через него, таким образом, обеспечивается контур протекания тока при закрытии тиристора и ток не снизится сразу до нуля. В результате этого на нагрузке создаться импульсное напряжение u, среднее значение которого можно определить по формуле:

; (2.1)

где – время прохождения импульса через прерыватель;

– время нахождения прерывателя в закрытом состоянии;

– период импульсов;

– коэффициент заполнения, величина обратная скважности импульсов .

Регулирование напряжения на нагрузке происходит путем изменения скважности импульсов. Для получения таких изменений применяют несколько способов:

- в преобразователе с неизменной частотой импульсов регулируют лишь соотношение времени включения и выключения прерывателя. Такой метод получил название широтно-импульсной модуляции (ШИМ), (см. рис.2.2., а);

- в случае, когда частота (период следования импульсов) переменна, регулируют время закрытого состояния прерывателя, а время открытого состояния остаётся постоянными. Данный метод имеет название частотной модуляции (ЧМ), (см. рис.2.2., б);

- в случае, когда частота так же переменна, но регулируют время открытого состояния прерывателя, а время закрытого состояния остаётся постоянными. Данный метод имеет название фазоимпульсной модуляции (ФИМ), (см. рис.2.2., в).

Рис. 2.2. Осциллограммы: а)ШИМ; б)ЧМ; в)ФИМ

Частотная и фазоимпульсная модуляции имеют некоторые недостатки.

Чтобы обеспечить регулирование во всем диапазоне частота импульсов должна меняться в довольно широких пределах, что значительно усложняет проектирование фильтров. А при некоторых частотах преобразователи могут оказывать влияние на работу линий связи (телефонных и других).

Также во время длительных пауз (тиристор в закрытом состоянии) возможно возникновение режима прерывистого тока якоря машины в зоне низких выходных напряжений;

Указанные выше обстоятельства определяют преимущества в использовании электроприводов с ШИМ.

Рассмотрим пример, в котором необходимо определить диапазон регулирования скважности при управлении.

Исходные данные:

Тип двигателя: ДПТ НВ; ; ; ; машинная постоянная ДПТ . – действует постоянный момент, соответствующий протеканию тока в 50 А.

Решение:

Падение напряжения при минимальной скорости вращения , при которой , определиться как:

Исходя из этого, мы можем определить коэффициент заполнения:

Максимальному значению скорости электродвигателя будет соответствовать значение , при которой .

Отсюда можно определить ЭДС для максимальной скорости ДПТ:

Максимальная скорость ДПТ определиться как:

Для данной системы электропривода диапазон регулирования по скорости составит 0<ω<374,5 рад/с, по скважности 0,064< δ<1.

Особое место занимают методы фазового управления и частотного управления скоростью асинхронного двигателя (АД).