1.3.2Нереверсивный мостовой трёхфазный тиристорный преобразователь

Схема модели представлена на рисунке 1.91, а сама модель в Simulink в файле Fig1_91. Схема включает трёхфазный источник питания, внутренние параметры источника питания или реактора в случае питания от сети бесконечной мощности представлены R,L-блоком, выпрямление и регулирование выходного напряжения осуществляется трёхфазным тиристорным мостом Universal Bridge, нагрузкой является активно-индуктивная цепь Series RLC Branch, управление тиристорным мостом фазоимпульсное и производится блоком Sinchronized 6-Pulse Generator (СИФУ).

Рисунок 1.91 – Схема модели трёхфазного тиристорного преобразователя с начальным углом управления α₀=120 град. (Fig1_91)

Начальное значение угла управления выбрано 120 град., при заданной нагрузке этому углу соответствует нулевое значение тока в нагрузке. С уменьшением индуктивности ток нагрузки при α₀=120 град. будет уменьшаться до нулевого уровня. Для исключения помех, возникающих в канале управления тиристорным мостом при включении в сеть, СИФУ блокируется на время 0,01с путём подачи на это время сигнала единичного уровня на вход Block. Работа СИФУ синхронизирована с питающей сетью подачей линейных напряжений, обозначенных на входах СИФУ.

На экране осциллоскопа Scope отображаются диаграммы изменения линейного напряжения U_AB, последовательности импульсов управления тиристорным мостом Pulses, выходного напряжения на нагрузке U_n и тока в нагрузке I_n. Для наблюдения и регистрации (Scope1) изменения выходного напряжения и тока в средних значениях использован блок Mean, который выделяет гладкую составляющую выходного параметра.

Результаты моделирования показаны на рисунке 1.92. Из диаграммы видно, что ток при α=120 град. практически равен нулевому значению. При подаче на вход управляющего угла в α=20 град. преобразователь открывается и ток в нагрузке возрастает в соответствии с эквивалентной постоянной.

Рисунок 1.92 – Результаты моделирования работы преобразователя с блокировкой в течение 0.01с, работа с α=120 град. и с α=20 град.

Особый интерес представляет реакция тиристорного преобразователя на линейно возрастающий управляющий сигнал от α=120 град. до α=0 град. Для этого используем интегратор с постоянным входным сигналом 300 и соединим выход его с входом преобразователя. Через 0,4с выходное напряжение интегратора будет равно 120В (град.), что равносильно изменению угла управления от от α=120 град. до α=0 град.

Реакцию тиристорного преобразователя на линейно нарастающий сигнал управления проследим с помощью Scope1.

На рисунке 1.93 представлены результаты моделирования. Напомним, что выходное напряжение и ток нагрузки усреднены до гладкой составляющей с помощью блока Mean. Если тиристорный преобразователь является безинерционным звеном, вид кривой выходного напряжения U_n(t) соответствует статической регулировочной характеристике U_n=f(α_вх), аналитическое выражение которой U_n=E_d0cos(α_у), где угол управления преобразователем α_у=120–α_вх. Таким образом, при максимальном значении входного сигнала α_вх=120 град. угол управления преобразователем α_у=0 град. и выходное напряжение принимает максимальное значение.

Рисунок 1.93 – Реакция выходного напряжения тиристорного преобразователя на линейно нарастающий входной сигнал управления

Тиристорный мост Universal Bridge представляет трёхфазную мостовую схему включения тиристоров, показанную на рисунке 1.94. Нумерация тиристоров представляет последовательность их включения, что нашло отражение при разводке сигналов управления на каждый тиристор (см. рисунок 1.94). Данная схема содержится в файле (Fig1_94) и может быть использована при моделировании, когда требуется исследовать ток и напряжения (прямые и обратные) каждого из тиристоров. Всё сказанное справедливо при прямом чередовании фаз питающих напряжений А, В и С.

Рисунок 1.94 – Тиристорный мост с объединённой шиной управления g (Fig1_94)

На рисунке 1.95 приведена схема модели импульсно-фазового управления тиристорным преобразователем, разработанная Simulink. Схема линейного типа, т.е. угол управления находится в прямой пропорциональной зависимости от напряжения управления.

Рисунок 1.95 – Функциональная схема модели системы импульсно-фазового управления линейного типа SIFUL

Временная диаграмма работы СИФУ показана на рисунке 1.96. Причём показана работа всех шести каналов. Линейно нарастающие (пилообразные) напряжения, синхронизированные питающей сетью, вырабатываются интегратором Integrator1. Эти напряжения последовательно во времени сравниваются с напряжением, пропорциональным заданному углу управления. Как только напряжения сравняются (для каждого канала в своё время), вырабатывается логическая единица на выходе схемы сравнения Relational Operator1.

Рисунок 1.96 – Временная диаграмма работы СИФУЛ

Логическая единица формируется на выходе логической схемы AND (Logical Operator2), которая устанавливает нулевой уровень выходного напряжения соответствующего интегратора Integrator2. В это же время на выходе логической схемы AND (Logical Operator) появляется сигнал единичного уровня, используемый уже для управления тиристорным преобразователем. Длительность этого сигнала определяется величиной напряжения, подаваемого на вход Pwidth и соответствующего 10…15 электрическим градусам. В данной схеме реализуется вертикальный принцип формирования угла управления.

Д

105

ля управления тиристорным мостом необходимо одновременно подавать сигналы управления на два тиристора: первый - на тиристор катодной группы, второй – на соответствующий тиристор анодной группы. Только при этом условии в нагрузке будет протекать ток. Эту задачу выполняет логическая схема (см. рисунок 1.95), состоящая из логического элемента OR (Logical Operator1) и селектора (Selector). На рисунке 1.97 показаны временные положения сигналов управления тиристорами трёхфазного моста при угле управления α=30 градусов. На этой диаграмме показаны разным цветом фазные напряжения питающей сети и этим же цветом сигналы управления тиристорами, подключёнными к этим фазам. Разводка управляющих сигналов g1…g6 на рисунке 1.94 произведена в соответствии с диаграммой, приведённой на рисунке 1.97.

Рисунок 1.97 – Временное расположение импульсов управления тиристорами

Так как на основе блока Universal Bridge могут быть реализованы мостовые и нулевые схемы преобразователей, то и система импульсно-фазового управления (СИФУ) должна учитывать эту специфику. Для этого введён переключатель Double Pulsing, исключающий добавление второго импульса в канал управления тиристором в нулевых схемах преобразователей. Для этого в диалоговом окне настройки СИФУ (рисунок 1.98) необходимо убрать кнопку в строке Double Pulsing.

Существенным недостатком предлагаемой Simulink схемы СИФУ Synchronized 6-Pulse Generator является одновременный запуск интеграторов Integrator1 и Integrator2 в начальный момент времени и одновременное формирование сигнала управления по нескольким каналам (см. временную диаграмму на рисунке 1.99). Анализ показывает, что в начальный момент включения схемы СИФУ формируются импульсы управления по всем каналам одновременно. Это обстоятельство приводит к аварийному режиму работы преобразователя.

Рисунок 1.98 – Диалоговое окно настройки СИФУ

Рисунок 1.99 – Временная диаграмма расположения импульсов управления при заданном угле управления 30 градусов

Теоретически режим упорядочивания моментов включения интеграторов (процесс синхронизации) длится один период питающего напряжения 0,02с. Практически, введение блокировки формирования импульсов по входу Block на время 0,01с, исключает аварийный режим.

На рисунке 1.100 представлена схема модели нереверсивного трёхфазного мостового тиристорного преобразователя с модернизированной СИФУ.

Рисунок 1.100 - Схема модели нереверсивного трёхфазного мостового тиристорного преобразователя с модернизированной СИФУ (Fig1_100)

Предлагаемая схема повторяет схему по рисунку 1.91, за исключением модели СИФУ, схема модели которого существенно переработана и предлагается к применению (рисунок 1.101).

Временная диаграмма работы отдельных наиболее важных элементов показана на рисунке 1.102.

Запуск интеграторов Integrator1 осуществляется импульсами перехода синусоидальных синхронизирующих напряжений через ноль в положительном направлении путём записи единицы в триггеры Flip-Flop1. Именно с этого момента начинается рост напряжения интеграторов каждого из шести каналов. Данный факт наглядно подтверждается второй диаграммой на рисунке 1.102. Через 5/6 периода питающего напряжения через селектор триггеры Flip-Flop1 сбрасываются на ноль, рост напряжений на интеграторах прекращается. Однако это обстоятельство не вносит ограничений на формирование импульсных сигналов необходимой фазы, так как ограничение интеграторов наступает в зоне углов, значительно превышающих максимальный угол π.

Рисунок 1.101 – Модернизированная схема модели системы импульсно-фазового управления SIFU LM

Рисунок 1.102 – Временная диаграмма работы SIFU LM

Следует отметить, что триггерами Flip-Flop1 можно и не управлять по входу R, так как очередным сигналом с блока Hit Grossing интегратор перезапустится.

Рабочий сигнал управления тиристором в этой схеме формируется триггерами Flip-Flop2, в которые записываются единицы по моменту равенства напряжений интегратора Integrator1 и напряжения, пропорционального заданному углу управления. После записи единицы в соответствующий триггер Flip-Flop2 запускается интегратор Integrator2, задающий длительность управляющего сигнала на включение тиристора. Сбрасываются на ноль триггеры Flip-Flop2 сигналами схем сравнения Relational Operator2. Рост напряжений интеграторов ограничивается. Однако очередным сигналом схемы сравнения Relational Operator1 интеграторы Integrator2 перезапускаются, а задающее напряжение обеспечивают триггеры Flip-Flop2 после записи единицы.

На рисунке 1.103 представлены результаты моделирования процесса включения преобразователя при минимальном угле управления на активно-индуктивную нагрузку. Напряжение управления преобразователем ±10В.

Рисунок 1.103 – Запуск преобразователя при напряжении управления +10В

Важно отметить, что задержка в управлении обусловлена дискретностью управления преобразователем и не является следствием блокировки по входу Block.

Известно, что синхронные импульсно-фазовые устройства реализуются по принципу вертикального управления с линейным и косинусоидальным опорными напряжениями. СИФУ с линейным опорным напряжением были рассмотрены выше. В составе библиотеки SimPowerSystems СИФУ с косинусоидальным опорным напряжением нет. Проведём разработку этого вопроса и рассмотрим один из возможных способов реализации такого типа СИФУ (СИФУ А).

На рисунке 1.104 представлена схема модели тиристорного преобразователя с косинусоидальным опорным напряжением. Синхронизирующие и опорные напряжения вырабатываются с помощью дополнительного трёхфазного источника с амплитудным напряжением 10В (например, вторичная обмотка силового трансформатора).

Рисунок 1.104 – Нереверсивный тиристорный преобразователь с СИФУ косинусоидального типа SIFU A (Fig1_104)

Основные параметры SIFU A вводятся через диалоговое окно (рисунок 1.105), открываемое двойным щелчком правой кнопки мыши по изображению блока SIFU A.

Через окно вводится частота синхронизирующего напряжения, длительность импульсов управления и начальный угол управления преобразователем в градусах. Для управления мостовым тиристорным преобразователем необходимо кнопку Double pulsing включить.

Рисунок 1.105 – Окно ввода параметров

На рисунке 1.106 показана схема модели разработанной системы импульсно-фазового управления с косинусоидальным опорным напряжением SIFU A.

Рисунок 1.106 – Схема модели системы импульсно-фазового управления с косинусоидальным опорным напряжением SIFU A

Проследим процесс формирования импульсного сигнала только по первому каналу на временной диаграмме (рисунок 1.107).

Рисунок 1.107 – Временная диаграмма формирования сигнала управления по первому каналу

С

114

инхронизирующие и одновременно опорные напряжения с выхода мультиплексорной шины поступают на схемы сравнения Relational Operator с напряжением управления Uy и на схему выделения отрицательного перепада опорного напряжения (Derivative с усилителем, инвертирующим знак производной). После выполнения равенства опорного напряжения управляющему на выходе схемы сравнения Relational Operator формируется логический сигнал единичного уровня и подаётся на второй вход логической схемы AND. В этот же интервал времени формируется логический сигнал единичного уровня, подтверждающий, что сравнение произошло на участке отрицательного перепада опорного напряжения. Этот логический сигнал подаётся на четвёртый вход схемы AND. По положительному перепаду сигнала на выходе схемы сравнения Relational Operator сбрасывается на ноль интегратор Integrator1 и записывается единица в триггер Flip-Flop по входу S. На вход интегратора поступает задающее напряжение и начинается процесс формирования заданной длительности pwidth импульса управления включением тиристора. По достижению текущего значения выходного напряжения интегратора равного напряжению, заданного pwidth, сигналом с выхода Relational Operator1 по входу R триггер Flip-Flop возвращается в нулевое состояние.

Рисунок 1.108 – Схема подключения осциллографа для построения временной диаграммы работы первого канала SIFU A

Выход триггера Flip-Flop коммутирует первый вход логической схемы AND и по существу определяет появление выходного сигнала СИФУ по соответствующему каналу, фаза которого (угол управления) определяется напряжением управления и уставкой начального угла. Схема подключения осциллографа показана на рисунке 1.108.

На рисунке 1.109 показаны результаты моделирования работы тиристорного преобразователя, управляемого СИФУ с косинусоидальным опорным напряжением при подаче на вход линейно нарастающего напряжения управления.

Рисунок 1.109 – Выходные ток и напряжение тиристорного преобразователя при линейно нарастающем напряжении управления (α₀=90 град)

А

116

нализ полученного результата моделирования позволяет утверждать, что коэффициент усиления тиристорного преобразователя при рассматриваемом способе управления является постоянной величиной.