Ответы на СЭ. Ответы СЭ(14-19). Принцип действия и построение вертикальной системы импульснофазового управления

• Название: Принцип действия и построение вертикальной системы импульснофазового управления
• Анкор: Ответы на СЭ
• Дата: 29.03.2023
• Размер: 1.08 Mb.
• Имя файла: Ответы СЭ(14-19).docx
• Тип: Документы; #1024312

14. Типовые блоки СИФУ и их назначения

Принцип действия и построение вертикальной системы импульсно-фазового управления.

Рассмотрим на примере однофазного мостового выпрямителя. СИФУ формирует открывающие импульсы для тиристоров VS1 и VS4 в положительные полупериоды питающей сети, а для тиристоровVS2 и VS3 – в отрицательные.



Структурная схема вертикальной СИФУ Временные диаграммы работы вертикальной СИФУ

Типовыми блоками СИФУ вертикального типа являются: устройство синхронизации (УС), генератор развертываемого (пилообразного) напряжения (ГРН), компаратор (К), формирователь длительности импульсов (ФДИ), распределитель импульсов (РИ), выходной формирователь (ВФ), генератор высокочастотных импульсов (ГВИ).

УС – устройство синхронизации обеспечивает связь с питающей сетью и согласование напряжений, их фильтрацию, т.е. получение из напряжения, питающего преобразователь, неискаженного, синусоидального напряжения, потенциально развязанного с сетью, с соответствующей амплитудой и фазой. УС отмечает переходы через ноль сетевого напряжения (Uсинх) и формирует разрешающее сигналыUР1 иUР2, соответствующие положительным и отрицательным полупериодам сетевого напряжения.

ГРН – генератор развертываемого напряжения формирует, в данном случае пилообразное опорное напряжение Uп на основании входного сигнала Uоп, возвращаясь в исходное состояние в момент подачи импульсов Uсинх.

НО – нуль-орган (компаратор) сравнивает на входе пилообразное напряжение Uпил с напряжением управления Uув момент их равенства меняет свое выходное состояние. Компаратор Кпреобразует Uув фазовый сдвиг, т. е. уголα.

ФДИ – формирователь длительности импульсов по переднему фронту сигнала Uно формирует прямоугольные импульсы с длительностью, достаточной для надежного открывания тиристоров силового блока.

РИ – распределитель импульсов управляется сигналами Uр1 и Uр2 с выхода УС и служит для распределения импульсовUGT по тиристорамVS1…VS4.Он формирует на выходе открывающие импульсы UGT1 и UGT .

ВФ1, ВФ2 – выходные формирователи формируют открывающие импульсы по мощности, необходимой для надежного включения тиристоров, и обеспечивают потенциальную развязку СУ с силовым блоком.

ГВИ – генератор высокочастотных импульсов генерирует импульсы высокой частоты. Он необходим, если управление тиристорами осуществляется широкими импульсами (для исключения насыщения импульсных трансформаторов ВФ).

При изменении Uу изменяется уголα, что приводит к изменению длительности проводящего состояния тиристоров СБ и регулированию величины выпрямленной ЭДС Е.

В данном случае, уменьшению Uу соответствует уменьшению углаαи, следовательно, увеличению выходной ЭДС Е, что неудобно, т.к. при Uу = 0,Е=Emax, а необходимо, чтобы при Uу = 0Е=0.Для исключения этого вводится напряжения смещения Uсм, подаваемое на компаратор К дополнительно к Uу и Uп .

15. Регулировочная характеристика СИФУ

Понятие регулировочной характеристики СИФУ и ее построение.

Регулировочной характеристикой СИФУназывается зависимость угла управленияαот напряжения управления U_у­, ­т.е. α=f(U_у).

Основным элементом СИФУ, осуществляющим преобразование U_у в фазовый сдвиг, т.е. в угол открывания α, является компаратор, схемы которого показаны на рис. 1, а временные диаграммы его работы на рис. 2 .

Рисунок – 1 Схема компаратора: а) функциональна, б) принципиальная

Рисунок 2 – Временные диаграммы работы компаратора

Развертываемое напряжение определяется выражением: .

В момент равенства двух напряжений U_П и U_у выходное состояние компаратора изменяется с “+” на “–”.

Для момента времени, при котором произошло равенство напряжений, для входной цепи компаратора можно записать уравнения Кирхгофа: ,

Принимая, что R₁=R₂, можно записать U_П= –U_у. Учитывая, что в момент равенства напряжений θ=α, можно записать: , откуда – выражение регулировочной характеристики СИФУ (характеристики управления СИФУ).

Рисунок 3 – Регулировочная характеристика СИФУ.

Из характеристики (рис. 3) видно, что меньшим значениям U_у соответствует меньший угол открыванияαи, следовательно, большее значение выпрямленной ЭДС Е.

Однако необходимо, чтобы при U_у=0 выпрямленная ЭДС Е также была равна нулю, т.е. Е=0. Для выполнения этого условия на вход компаратора вводят напряжение смещения U_см.(рис. 4) Величину U_см выбирают таким образом, чтобы при U_у=0выпрямленная ЭДС была равна нулю (Е=0).

Рисунок 4 – Схема компаратора с
Угол открывания, соответствующий U_у=0, называется начальным углом открывания α_нач. U_у=0, следовательно U_П= –U_см. .

При работе выпрямителя в режиме непрерывного тока α_нач=π/2. Это справедливо для всех полностью управляемых схем выпрямителей. В режиме прерывистого тока: для однофазной мостовой схемы α_нач=π, α_нач=150° – для трёхфазной нулевой схемы;

α_нач=120° – для трехфазной мостовой схемы.

Эти же значения α_нач справедливы для соответствующих полууправляемых схем. , – выражение регулировочной характеристики СИФУ при введении U_СМ .

Рисунок 5 – Регулировочная характеристика СИФУ с U_см

Для , следовательно,

16. Характеристика управления: СУ вентилями, ВК, УВ при пилообразном и косинусоидальном опорных напряжениях.

Понятие характеристик управления: СУ вентилями, ВК, УВ, и их расчет при различных видах опорного напряжения.

Характеристикой управления СУ вентилями называется зависимость . Для того, чтобы соответствовало , необходимо, чтобы при угол

Этот угол , при котором , называется начальным углом открывания вентилей

Чтобы при получать необходимый необходимо вводить

(рис 1)

Рисунок 1 – Схема компаратора K



, где ­ – найдем из этого выражения ; или Таким образом, .(рис 2)

Рисунок 2 – Характеристика управления СИФУ при пилообразном опорном напряжении.

При косинусоидальном опорном напряжении: где – максимальное значение косинусоидального опорного напряжения.

Для полностью управляемых выпрямителей поэтому вводить в СИФУ нет необходимости. .(рис 3)

Рисунок 3 – Характеристика управления СИФУ при косинусоидальном опорном напряжении

Характеристика управления вентильного комплекта – это зависимость

.(рис 4)

Рисунок 4 – Характеристика управления вентильного комплекта (регулировочная характеристика выпрямителя)

Характеристика управления преобразователем – это зависимость

;

Отсюда (рис 5)

Рисунок ­5 – Характеристика управления преобразователем

при пилообразном опорном напряжении.

При косинусоидальном опорном напряжении:

(рис 6)

Рисунок 6 – Характеристика управления преобразователем

при косинусоидальном опорном напряжении

17. Импульсные преобразователи постоянного тока.

Назначения, классификация импульсных преобразователей. Принцип действия и структура построения.

Импульсные преобразователи предназначены для преобразования постоянного напряжения в регулируемое импульсное напряжение с использованием широтно-импульсной модуляции. Функциональная схема и диаграммы входных и выходных напряжений, поясняющие работу импульсного преобразователя представлены на рис.2.

Рис. 2 –Функциональная схема импульсного преобразователя напряжения: U_вх- входное постоянное напряжение; U_вых- выходное напряжение на нагрузке; U_упр- сигнал управления; Δt- длительность импульса (величена изменяемая в функции сигнала управления); Т- период выходного напряжения.

Работа импульсного преобразователя основана на изменении скважности выходного напряжения при постоянной частоте, при этом амплитудное напряжение на нагрузке остается постоянное, а за счет изменения скважности изменяется среднее значение напряжение на нагрузке.

Используются импульсные преобразователи в основном в составе регулируемого электропривода постоянного тока.


18. Принудительная коммутация вентилей в преобразователе.

Способы принудительной коммутации тиристоров в преобразователях. Принцип действия широтно-импульсного преобразователя с параллельной и последовательной емкостной коммутацией.

В ряде полупроводниковых преобразователей вентилей в течение рабочего интервала подключены к постоянному напряжению и не могут быть закрыты, как и в преобразователях с естественной коммутацией (например, в выпрямителях), т.к. для их запирания необходимо снизить анодный ток до нуля и приложить обратное напряжение.

В таких преобразователях нужны специальные коммутационные устройства- устройства принудительной коммутации(УПК), предназначенные для запирания тиристоров СБ в требуемый момент времени. УПК содержат дополнительный источник питания: важнейшие элементы – ёмкости и индуктивности. Коммутация, осуществляемая с помощью УПК, называется искусственной, принудительной. Существует множество схем принудительной коммутации. Все они делятся на две группы: Схемы с параллельной коммутацией; Схемы с последовательной коммутацией.

Принцип действия широтно-импульсного преобразователя с параллельной емкостной коммутацией.

Схема на рис. 1 представляет собой последовательный ШИП, где в качестве управляемого ключа используется основной тиристор VS1(полууправляемый ключ).

Рисунок 1 – Схема ШИП с параллельной емкостной коммутацией

Регулирование напряжения на нагрузке осуществляется за счёт регулирования времени открытого состояния силового рабочего тиристора VS1. Устройство принудительной коммутации УПК состоит из вспомогательного (коммутирующего) тиристора VS2, коммутирующего конденсатора C1, дросселя L1 и диода VD1. УПК предназначено для запирания основного тиристора VS1. Перед началом работы преобразователя коммутирующий конденсатор C1 должен быть заряжен одним из следующих способов (полярность указана на схеме слева): замыканием ключа Q на время заряда конденсатора С1 либо включением VS2, при этом C1 заряжается по цепи: +Uп –C1–VS2–R– -Uп.

В момент времени t=t₀ подаётся открывающий импульсi_у1на основной тиристор VS1, который открывается и к нагрузке прикладывается напряжение источника питания U_п. При этом по тиристору VS1 протекает ток нагрузки i и ток перезаряда конденсатора i_C1. При этом конденсатор C1 перезаряжается по цепи +C1–VS1–VD1–L1– -C1. В результате полярность напряжения на конденсаторе C1 изменится на противоположную к моменту времениt₁(полярность напряжения на конденсаторе указана справа). Начиная с этого момента времени t₁ конденсатор C1 готов к запиранию основного тиристора VS1. Для закрыванияVS1в момент времениt₂подаётся открывающий импульс i_у2 на вспомогательный тиристор VS2. При этом конденсатор C1 подключается к тиристору VS1 напряжением обратной полярности и закрывает его (+C1–VS2–VS1– -C1). После закрывания основного тиристора VS1 ток нагрузки протекает от источника питания U_п через конденсатор C1 и VS2. При этом конденсатор C1 перезаряжается и к моменту времени t₃ он полностью перезаряжается, i_C1 становится равным нулю и тиристорVS2 закрывается.

Принцип действия широтно-импульсного преобразователя с последовательной емкостной коммутацией.

В данной схеме ключи работают попарно: VS1 и VS4 или VS3 и VS2. Управляющий сигнал i_у1 открывает тиристоры VS1 и VS4, а сигнал i_у2– тиристоры VS3 и VS2. В момент времени t=t₀ открываются тиристоры VS1 и VS4. При этом полярность напряжения на конденсаторе к этому моменту времени соответствует указанной на схеме в скобках, так как перед этим в течение предыдущего рабочего интервала были открыты тиристоры VS2 и VS3.

Рисунок 2 – Схема ШИП с последовательной емкостной коммутацией.

Таким образом, напряжение на нагрузке в момент времени t=t₀ равно удвоенному напряжению питания2U_П. Ток нагрузки протекает по цепи +U_П –VS1–C1–VS4–R– -U_П. При этом конденсатор C1 начинает перезаряжаться и к моменту времени t₁ меняет свою полярность на +U_П (указана на схеме без скобок). Поскольку при t=t₁ конденсатор полностью перезарядился, ток в цепи становится равным нулю и тиристоры VS1 и VS4 закрываются. При t=T подаются открывающие импульсы i_у2 на тиристоры VS2, VS3, они открываются и напряжение конденсатора прикладывается с обратной полярностью к тиристорам VS1 и VS4.

19. Структурная схема системы управления вентилями ШИП.

Структурная схема и принцип действия системы управления преобразователем постоянного тока с импульсным управлением.

ШИП предназначены для преобразования входного, неизменного по величине постоянного напряжения в регулируемое постоянное напряжение на выходе. ШИП: последовательные ШИП; параллельные ШИП.

Последовательные ШИП предназначены для понижения напряжения на нагрузке, а параллельные - для повышения напряжения на нагрузке. По типу используемых ключей: транзисторные; тиристорные.

Если в схеме ШИП используется тиристор, то необходимо позаботиться о его закрытии, в необходимый момент времени, т.е. нужно использовать УПК: реверсивные ШИП; нереверсивные ШИП.

Рисунок 1 – Структурная схема системы управления вентилями ШИП

Система управления ШИП состоит из следующих блоков:

ГВИ – генератор высокочастотных импульсов. Он предназначен для формирования на своем выходе импульсов, открывающих транзистор ГПН (интегратора со сбросом).

ГПН – генератор пилообразного напряжения. Обычно для ШИП используется частота коммутации ключей (1…5) кГц. ГПН формирует на своем выходе высокочастотную пилу  . В отличие от ГПН выпрямителей, эта ВЧ пила ни с чем не синхронизирована.

К – компаратор. Предназначен для сравнения пилообразного напряжения U_ГПН с напряжением управления U_у. В момент их равенства меняет свое выходное состояние.

ФДИ – формирователь длительности импульсов. По переднему фронту выходного сигнала компаратора ФДИ формирует на своем выходе импульсы управления силовым блоком с длительностью достаточной для их надежного открывания.

ВФ – выходной формирователь. Он предназначен для обеспечения гальванической развязки между силовой схемой и схемой управления, а так же для формирования импульсов управления U_GT необходимой мощности, обеспечивающих надежное открывание ключей ШИП. Если в качестве ключей ШИП используются транзисторы, то в ВФ применятся драйверы (могут быть с защитой и без защиты по току).

СБ – силовой блок.

Отличие СУ ШИП от СУ выпрямителем в том, что в СУ ШИП импульсы управления не синхронизированы с напряжением сети (т.к. входное напряжение ШИП – постоянное) и пилообразное напряжение высокой частоты, а не 100 Гц, как у выпрямителей.

Рисунок 2 –Временные диаграммы работы СУ ШИП



Рисунок 3 – Схема последовательного ШИП при работе на активную нагрузку
Рисунок 4 – Временные диаграммы работы последовательного ШИП на активную нагрузку

Возможны два способа формирования выходного напряжения ШИП: Широтно-импульсное управление, при котором изменяется время открытого состояния ключа t₀ при неизменном периоде коммутацииT_k:t₀=var, T_k=const;; Частотно-импульсное управление, при котором t₀=const, f_k=1/T_k=var.



Рисунок 5 – Схема последовательного ШИП при работе на активно-индуктивную нагрузку

Рисунок 6 – Временные диаграммы работы последовательного ШИП на активно-индуктивную нагрузку

Среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке определяется по формуле: , где – скважность импульсов.