Московский государственный университет печати

Горбачев Г.Н., Чаплыгин Е.Е.


         

Промышленная электроника

Учебник для вузов


Горбачев Г.Н., Чаплыгин Е.Е.
Промышленная электроника
Начало
Печатный оригинал
Об электронном издании
Оглавление

Предисловие

Введение

1.

Полупроводниковые и микроэлектронные приборы

1.1.

Электропроводность полупроводников

1.2.

Процессы в электронно-дырочном переходе

1.3.

Полупроводниковые диоды

1.4.

Биполярные транзисторы

1.5.

Характеристики и параметры биполярных транзисторов

1.6.

Полевые транзисторы

1.6.1.

Полевые транзисторы с р-n переходом

1.6.2.

Полевые транзисторы МДП-типа

1.7.

Тиристоры

1.8.

Параметры и разновидности тиристоров

1.9.

Интегральные микросхемы

1.10.

Полупроводниковые оптоэлектронные приборы

1.11.

Контрольные вопросы и задачи

2.

Транзисторные усилители

2.1.

Передаточная характеристика усилительного каскада

2.2.

Режим покоя в каскаде с общим эмиттером

2.3.

Обратные связи. Стабилизация режима покоя

2.3.1.

Схема замещения и основные показатели каскада с ОЭ

2.4.

Виды связей и дрейф нуля в усилителях постоянного тока

2.5.

Дифференциальный каскад

2.6.

Каскад с общим коллектором

2.7.

Каскад с общим истоком

2.8.

Операционный усилитель

2.9.

Неинвертирующий операционный усилитель с обратной связью

2.10.

Инвертирующий операционный усилитель с обратной связью

2.11.

Операционные схемы

2.12.

Компенсация входных токов и напряжения смещения нуля

2.13.

Частотные свойства и самовозбуждение усилителей

2.14.

Избирательные усилители и генераторы синусоидальных колебаний

2.15.

Усилители с емкостной связью

2.16.

Каскады усиления мощности

2.16.1.

Каскад усиления мощности класса А

2.16.2.

Однотактный каскад класса В

2.16.3.

Двухтактный каскад усиления мощности класса В

2.17.

Контрольные вопросы и задачи

3.

Импульсные устройства

3.1.

Преимущества передачи информации в виде импульсов

3.2.

Ключевой режим транзистора

3.3.

Нелинейный режим работы операционного усилителя. Компараторы

3.4.

Преобразование импульсных сигналов с помощью RС-цепей

3.4.1.

Дифференцирующие (или укорачивающие) цепи

3.4.2.

Интегрирующие цепи

3.5.

Мультивибратор на операционном усилителе

3.6.

Одновибратор на операционном усилителе

3.7.

Генераторы линейно изменяющихся напряжении

3.8.

Магнитно-транзисторные генераторы

3.9.

Контрольные вопросы и задачи

4.

Логические и цифровые устройства

5.

Маломощные выпрямители однофазного тока

5.1.

Структура источника питания

5.2.

Однофазные выпрямители с активной нагрузкой

5.3.

Однофазные выпрямители с активно-индуктивной нагрузкой

5.4.

Фильтры маломощных выпрямителей

5.5.

Особенности работы и расчета выпрямителя с емкостным фильтром

5.6.

Внешние характеристики маломощных выпрямителей

5.7.

Стабилизаторы напряжения

5.8.

Источники питания с многократным преобразованием энергии

5.9.

Контрольные вопросы и задачи

6.

Ведомые сетью преобразователи средней и большой мощности

6.1.

Применение вентильных преобразователей в энергетике и электротехнике

6.2.

Однофазный управляемый выпрямитель

6.3.

Однофазный ведомый сетью инвертор

6.4.

Трехфазный нулевой выпрямитель

6.5.

Трёхфазный мостовой выпрямитель

6.6.

Составные многофазные схемы выпрямления

6.7.

Реверсивные выпрямители и непосредственные преобразователи частоты

6.8.

Регулируемые преобразователи переменного напряжения

6.9.

Контрольные вопросы и задачи

7.

Влияние вентильных преобразователей на питающую сеть

7.1.

Коэффициент мощности вентильных преобразователей

7.2.

Вентильные преобразователи с повышенным коэффициентом мощности

7.3.

Источники реактивной мощности

7.4.

Контрольные вопросы и задачи

8.

Системы управления вентильными преобразователями

8.1.

Функции и структура систем управления

8.2.

Фазосмещающие устройства (ФСУ)

8.3.

Многоканальные системы управления

8.4.

Одноканальные системы управления

8.5.

Контрольные вопросы и задачи

9.

Автономные вентильные преобразователи

9.1.

Способы регулирования постоянного напряжения

9.2.

Узлы коммутации однооперационных тиристоров

9.3.

Инверторы напряжения

9.4.

Инверторы тока

9.5.

Резонансные инверторы

9.6.

Контрольные вопросы и задачи

10.

Список литературы

Указатели
12   предметный указатель
148   указатель иллюстраций
Рис. 8.1. Структурная схема системы управления нереверсивного (а) и реверсивного вентильного преобразователя (б) Рис. 8.2. Схема ФСУ вертикального типа (а) и временные диаграммы напряжений при косинусоидальной (б) и линейной (в) форме опорного сигнала Рис. 8.3. Фазовые характеристики ФСУ Рис. 8.4. Регулировочные характеристики вентильного преобразователя Рис. 8.5. Схема ФСУ вертикального типа Рис. 8.6. Временные диаграммы напряжений в схеме рис. 8.5 Рис. 8.7. Схема и временные диаграммы цифрового ФСУ вертикального типа Рис. 8.8. Структурная схема асинхронного ФСУ и временные диаграммы его работы Рис. 8.9. Временные диаграммы напряжений в многоканальной системе управления трехфазным мостовым выпрямителем Рис. 8.10. Структурная схема многоканальной системы управления трехфазным мостовым выпрямителем Рис. 8.11. Обобщенная структурная схема одноканалькой системы управления вертикального типа Рис. 8.12. Одноканальная система управления вертикального типа с косинусоидальным опорным напряжением (а) и временные диаграммы сигналов в схеме (б-г) Рис. 8.13. Цифровая одноканальная система управления вертикального типа (а) и временные диаграммы сигналов в системе (б-г)

Вентильные преобразователи состоят из силовой части (СЧ), работа которой была рассмотрена в гл. 6, и системы управления (СУ). Силовая часть управляемого преобразователя, выполненная на управляемых вентилях (тиристоpax, силовых транзисторах), может работать только при подаче на управляющие электроды в определенные моменты времени импульсов, обеспечивающих включение данных вентилей. В вентильных преобразователях с естественной коммутацией вентилей выключение тиристоров происходит за счет изменения полярности напряжения питающей сети и спада тока через вентиль к нулю. В преобразователях с искусственной коммутацией СУ обеспечивает также выключение вентилей в определенные моменты времени. В этой главе рассмотрены способы построения СУ вентильных преобразователей с естественной коммутацией.

Системы управления представляют собой нередко весьма сложные устройства для обработки информации и отличаются большим разнообразием в зависимости от типа преобразователя и области его применения. Однако функции СУ могут быть сведены к обобщенному перечню, а именно к выполнению двух основных задач:

  1. определение моментов времени, в которые должны быть включены те или иные конкретные вентили. Эти моменты времени задаются некоторым управляющим сигналом, который подается на вход СУ и определяет ее работу, а в конечном счете задает значение выходных параметров преобразователя (например, среднее значение тока или напряжения на выходе выпрямителя);
  2. формирование управляющих импульсов, т.е. создание управляющих сигналов, передаваемых в нужные моменты времени на управляющие электроды тиристоров и имеющих достаточные амплитуды, мощность, длительность, а в некоторых случаях определенную форму кривой.

Помимо этого СУ может выполнять и другие функции:

осуществление пуска и остановки агрегата, осуществление защиты от аварийных режимов и т.д. Однако реализация этих дополнительных функций также сводится к определению моментов подачи управляющих импульсов на тиристоры преобразователя либо к запрету формирования управляющих импульсов (остановка агрегата, срабатывание защиты).

Первая задача, выполняемая СУ, является типичной задачей информационной электроники: преобразование управляющего сигнала (напряжение, ток или код) во временной интервал, В ВП с естественной коммутацией момент включения вентилей отсчитывается относительно момента естественной коммутации. Такая информационная задача сводится к определению угла управления <?xml version="1.0"?>
, т.е. фазового сдвига управляющего импульса относительно момента естественной коммутации. Узел системы управления, выполняющий задачу преобразования управляющего сигнала в угловой интервал <?xml version="1.0"?>
, называется фазосмещающим устройством (ФСУ).

Вторая задача, выполняемая СУ, сводится к формированию управляющего импульса по форме, длительности, амплитуде. Эту задачу выполняют узлы системы управления, называемые выходными формирователями (ВФ). Наиболее часто формируются управляющие импульсы прямоугольной формы. Длительность, амплитуда и мощность этих импульсов определяются в соответствии с параметрами силовых тиристоров и режимами работы вентильного преобразователя. Формирование прямоугольных импульсов осуществляется устройствами типа одновибратора (см. § 3.6), а усиление импульсов по мощности - каскадами, рассмотренными в § 2.16. При создании выходных формирователей важно достичь высокой помехоустойчивости их работы, поскольку в силовой части преобразователя имеют место скачки напряжений большой амплитуды, которые могут через паразитные емкости проникнуть в СУ. Поэтому в последнее время часто применяется связь СУ с управляющими электродами тиристоров через оптический канал (оптопары и т.п.) (см. § 1.10).

Обобщенная структурная схема вентильного преобразователя как объекта управления приведена на рис. 8.1, а Рис. 8.1. Структурная схема системы управления нереверсивного (а) и реверсивного вентильного преобразователя (б). Она состоит из силовой части СЧ и системы управления СУ. Последняя включает ФСУ, на вход которого подается управляющий сигнал <?xml version="1.0"?>
, и ВФ, с выходов которого снимаются управляющие импульсы ИУ.

СУ может включать контур отрицательной обратной связи ОС, на вход которого поступает какой-либо выходной параметр преобразователя или объекта, получающего от преобразователя питание (напряжение, ток, частота вращения исполнительного механизма, температура печи и т.п.). На выходе блока ОС формируется напряжение <?xml version="1.0"?>
, которое вновь поступает на вход СУ в виде сигнала ОOC, что позволяет стабилизировать выходные параметры преобразователя и откорректировать погрешности, возникающие при его работе. В этом случае на вход ФСУ поступает сигнал <?xml version="1.0"?>
Вентильные преобразователи, имеющие контур ОС, охватывающий силовую часть преобразователя, называются преобразователями с замкнутым контуром управления.

Более сложную структуру имеет СУ реверсивного вентильного преобразователя или непосредственного преобразователя частоты (НПЧ) (см. § 6.7), Каждый из вентильных комплектов этих преобразователей имеет основные блоки управления ФСУ и ВФ, которые независимо друг от друга осуществляют управление комплектами в соответствии с общим для обоих комплектов управляющим сигналом <?xml version="1.0"?>
. При раздельном управлении комплектами осуществляется их поочередная работа в зависимости от направления тока в цепи нагрузки <?xml version="1.0"?>
. Структурная схема СУ реверсивного преобразователя с раздельным управлением приведена на рис. 8.1, б.

Первый вентильный комплект связан с <?xml version="1.0"?>
второй комплект управляется <?xml version="1.0"?>
На входе обоих выходных формирователей установлены логические элементы И, связанные с устройством раздельного управления УРУ. Если логический сигнал на выходе УРУ <?xml version="1.0"?>
подает управляющие импульсы на вентили первого вентильного комплекта, создающего выходной ток преобразователя положительной полярности. При выходном сигнале УРУ <?xml version="1.0"?>
вступает в работу <?xml version="1.0"?>
, управляющие импульсы поступают на вентили второго комплекта, формирующего отрицательную полярность выходного тока.

Одновременное включение комплектов исключается введением логического запрета <?xml version="1.0"?>

УРУ представляет собой логическое устройство, на уход которого поступает информация о полярности выходного тока преобразователя <?xml version="1.0"?>
. При реверсе направления тока с положительного на отрицательное УРУ при достижении нулевого значения тока устанавливает <?xml version="1.0"?>
= 0 и включение вентилей первого комплекта запрещается. Через время выдержки, достаточное для восстановления вентилями первого комплекта управляющих свойств, на выходе УРУ формируется <?xml version="1.0"?>
= 1 и включаются вентили второго комплекта.

Фазосмещающее устройство (ФСУ) является преобразователем управляющего сигнала <?xml version="1.0"?>
в угол управления <?xml version="1.0"?>
, отсчитываемый от момента естественного отпирания. Наиболее распространены ФСУ, в которые вводится информация о текущем значении фазы напряжения сети. Работа таких ФСУ непосредственно синхронизируется питающей сетью, и они называются синхронными. Синхронные ФСУ могут применяться как в разомкнутых СУ, так и в преобразователях с замкнутым контуром управления. В этом случае на вход ФСУ подается сигнал <?xml version="1.0"?>

Существует ряд способов построения синхронных ФСУ. Наибольшее распространение получили ФСУ с развертывающим сигналом, часто называемые ФСУ вертикального типа. Эти ФСУ превосходят другие устройства по наиболее важным характеристикам. ФСУ вертикального типа состоит из генератора развертывающего (опорного) напряжения ГОН, работа которого синхронизирована напряжением питающей сети, и компаратора К, на входы которого поступают управляющее <?xml version="1.0"?>
и опорное <?xml version="1.0"?>
напряжения. Структурная схема такого ФСУ приведена на рис. 8.2, а Рис. 8.2. Схема ФСУ вертикального типа (а) и временные диаграммы напряжений при косинусоидальной (б) и линейной (в) форме опорного сигнала. Компаратор фиксирует равенство <?xml version="1.0"?>
в момент их равенства компаратор переключается, при этом выходной формирователь СУ вырабатывает управляющий импульс, передаваемый на управляющий электрод тиристора.

В ФСУ вертикального типа используют две формы опорного напряжения.

При косинусоидальной форме (рис. 8.2, б)

<?xml version="1.0"?>

где <?xml version="1.0"?>
= 0 - момент естественной коммутации i-го вентиля.

В момент <?xml version="1.0"?>
опорное и управляющее напряжения равны:

<?xml version="1.0"?>

Из (8.2) получим

<?xml version="1.0"?>

Зависимость (8.3) называется фазовой характеристикой ФСУ и приведена на рис. 8.3 Рис. 8.3. Фазовые характеристики ФСУ (кривая 1). Такая форма фазовой характеристики называется арккосинусоидальной.

Вентильный преобразователь с любым числом фаз, работающий от симметричной питающей сети, при отсутствии коммутационных искажений выходного напряжения в режиме непрерывного тока нагрузки характеризуется косинусоидальной регулировочной характеристикой (6.2). При подстановке (8.3) в (6.2) получим

<?xml version="1.0"?>

Зависимость <?xml version="1.0"?>
является регулировочной характеристикой СЧ и СУ вместе. При арккосинусоидальной фазовой характеристике регулировочная характеристика (8.4) линейна (рис. 8.4 Рис. 8.4. Регулировочные характеристики вентильного преобразователя, кривая 1), что является большим достоинством преобразователя, обеспечивающим оптимальное построение устройства автоматического управления процессами в выходной цепи.

Опорное напряжение косинусоидальной формы (8.1) может быть сформировано из сетевого. Для этого сетевое напряжение преобразуется фильтром, подавляющим высшие гармонические составляющие в питающем напряжении и осуществляющим требуемый сдвиг по фазе. При заметной несинусоидальности питающей сети фильтрация гармонических искажений сетевого напряжения бывает некачественной, а фазовый сдвиг, вносимый фильтром, нестабильным. Это приводит к большим погрешностям при работе ФСУ.

В этом случае целесообразно применять ФСУ с линейной формой опорного напряжения (рис. 8.2, в):

<?xml version="1.0"?>

ГОН выполняется в виде генератора линейно изменяющегося напряжения (см. § 3.7), работа которого синхронизирована питающей сетью, т.е. начало развертки осуществляется в момент естественной коммутации i-го вентиля.

В момент <?xml version="1.0"?>
управляющее и опорное напряжения на входе компаратора равны, отсюда фазовая характеристика ФСУ с линейным опорным напряжением

<?xml version="1.0"?>

Фазовая характеристика <?xml version="1.0"?>
приведена на рис. 8.3 (кривая 2), такая характеристика называется линейной. При подстановке (8.6) в (6.2) получим регулировочную характеристику преобразователя совместно с СУ

<?xml version="1.0"?>

приведенную на рис. 8.4 (кривая 2). Нетрудно видеть, что регулировочная характеристика нелинейна, однако она имеет близкий к линейному характер. Поэтому свойства преобразователей с арккосинусоидальной и линейной фазовыми характеристиками близки.

Достоинством вертикального способа является максимальное быстродействие СУ, поскольку управляющий сигнал подается на компаратор без усреднения и запаздывания.

Рассмотрим простой пример схемной реализации ФСУ вертикального типа на базе ИМС (рис. 8.5 Рис. 8.5. Схема ФСУ вертикального типа).

Для формирования косинусоидального опорного напряжения ключ Кл устанавливается в положении 1. Компаратор на ОУ <?xml version="1.0"?>
фиксирует полярность напряжения сети (рис. 8.6, а Рис. 8.6. Временные диаграммы напряжений в схеме рис. 8.5), при положительной полуволне сетевого напряжения на выходе компаратора отрицательное напряжение u' и ключ на полевом транзисторе V заперт. Напряжение сети интегрируется интегратором на операционном усилителе <?xml version="1.0"?>
и при выборе <?xml version="1.0"?>

<?xml version="1.0"?>

где <?xml version="1.0"?>
- амплитуда напряжения <?xml version="1.0"?>
(рис. 8.6, б).

На выходе интегратора напряжение <?xml version="1.0"?>
суммируется на резисторах <?xml version="1.0"?>
с постоянным напряжением <?xml version="1.0"?>
, в результате получаем опорное напряжение косинусоидальной формы

<?xml version="1.0"?>

что соответствует (8.1) (рис. 8.6, в).

На компараторе, выполненном на ОУ <?xml version="1.0"?>
, происходит сравнение опорного <?xml version="1.0"?>
и управляющего <?xml version="1.0"?>
напряжений, при их равенстве компаратор переключается (рис. 8.6, г). При переключении компаратора запускается выходной формирователь (на рис. 8.5 не показан), вырабатывающий импульс на управляющий электрод силового тиристора. На рис. 8.6, д показано выходное напряжение однофазного выпрямителя, работающего на RL-нагрузку в режиме непрерывного тока.

На второй половине периода на выходе компаратора <?xml version="1.0"?>
- положительное напряжение, которое отпирает ключ на полевом транзисторе V. Полевой транзистор V закорачивает конденсатор С, при этом <?xml version="1.0"?>
(t) = 0. При отрицательном напряжении сети импульс управления на тиристор не формируется, срабатывания компаратора <?xml version="1.0"?>
не происходит (рис. 8.6, в, г). В выпрямителе в это время включаются другие тиристоры (рис. 8.6, д), для включения которых используются другие каналы управления, построенные по схеме рис. 8.5.

В схеме рис. 8.5 в рассмотренном режиме ГОН выполнен на интеграторе <?xml version="1.0"?>
, который осуществляет в процессе интегрирования сдвиг сетевого напряжения на <?xml version="1.0"?>
и фильтрует сетевое напряжение при наличии искажений.

При переключении ключа Кл в положение 2 та же схема формирует линейное опорное напряжение (рис. 8.2, в), соответствующее выражению (8.5). При этом на выходе интегратора <?xml version="1.0"?>
формируется линейно падающее напряжение

<?xml version="1.0"?>

Амплитуда этого напряжения должна быть равна 2<?xml version="1.0"?>
, для этого необходимо выполнить равенство, получаемое из (8.8) при подстановке <?xml version="1.0"?>
- частота сети. Тогда напряжение источника <?xml version="1.0"?>
с учетом <?xml version="1.0"?>
выбираем равным <?xml version="1.0"?>

На выходе интегратора <?xml version="1.0"?>
формируется опорное напряжение <?xml version="1.0"?>
которое сравнивается с управляющим напряжением на компараторе <?xml version="1.0"?>
. На второй половине периода схема функциoниpуeт так же, как и при формировании косинусоидального опорного напряжения.

В рассмотренном режиме ГОН представляет собой генератор линейно изменяющегося напряжения, основу которого составляет также интегратор <?xml version="1.0"?>
.

В последние годы большой интерес вызывает разработка цифровых систем управления вентильными преобразователями. Это связано с рядом обстоятельств: во-первых, с широким распространением цифровых и логических устройств, которые выполняются на основе ИМС широкого применения, отличаются высокой надежностью, не требуют наладки, в таких системах отсутствуют погрешности, вызванные дрейфом и нестабильностью элементов; во-вторых, вентильные преобразователи часто включаются в комплексы промышленных установок, управление которыми осуществляют цифровыми ЭВМ. Сопряжение с ЭВМ цифровой СУ осуществляется лучше, чем СУ, построенных на аналоговых элементах.

Рассмотрим построение цифрового ФСУ. Наиболее совершенные СУ, как указано выше, строятся на основе вертикального принципа управления. Этот же способ положен в основу наиболее современных цифровых ФСУ. В цифровых СУ происходит обработка сигналов, заданных не в виде напряжений или токов, а в виде кодов. Управляющий сигнал в виде n-разрядного кода, может принимать <?xml version="1.0"?>
значений.

На рис. 8.7, а Рис. 8.7. Схема и временные диаграммы цифрового ФСУ вертикального типа приведена схема цифрового ФСУ при n = 4. Управляющий код при этом принимает 16 значений от 0000 до 1111 и подается поразрядно на цифровую схему сравнения ЦСС (см. § 4.6.5) в виде параллельного кода <?xml version="1.0"?>
. Опорный сигнал также представляется в виде кода. В цифровых СУ обычно используется линейная форма опорного сигнала. Ей соответствует изменение опорного кода <?xml version="1.0"?>
(t) от значения 1111 до значения 0000. Опорный код принимает также <?xml version="1.0"?>
значений. Линейно падающий опорный код <?xml version="1.0"?>
и код управления <?xml version="1.0"?>
приведены на рис. 8.7, в в виде весового эквивалента кода (т.е. числа, записанного двоичным кодом) и собственно двоичного кода, обозначенного внизу диаграммы. Опорный код формируется вычитающим счетчиком СТ, ко входу "-1" которого подключен мультивибратор MB. Прямоугольные импульсы, формируемые MB (рис. 8.7, б), вызывают уменьшение кода счетчика на единицу. Как видно из рис. 8.2, в, изменение опорного кода от максимального до минимального значения (всего <?xml version="1.0"?>
значений) происходит за половину периода частоты сети <?xml version="1.0"?>
. Поэтому частоту импульсов MB необходимо выбрать так, чтобы за половину периода проходило <?xml version="1.0"?>
импульсов, т.е.

<?xml version="1.0"?>

Начало формирования опорного кода соответствует моменту естественной коммутации вентиля силовой части преобразователя. Этот момент фиксируется узлом синхронизации, на вход которого подают сетевое напряжение. При смене знака питающего напряжения узел синхронизации Синхр выдает на установочный вход счетчика СТ единичный сигнал, и в счетчике мгновенно записывается максимальный опорный код (1111).

Далее сравним диаграммы рис. 8.2, в и 8.7, в. В обеих выделен момент равенства опорного и управляющего кодов, этот момент соответствует углу управления СЕ. ЦСС фиксирует поразрядное равенство управляющего и опорного кодов. При этом на выходе ЦСС формируется единичный логический сигнал Q. Этот сигнал поступает на выходной формирователь СУ и после усиления подается на управляющий электрод тнристора.

Сравнение ФСУ на рис. 8.2, а и 8.7, а показывает, что в цифровом ФСУ реализованы те же функциональные блоки: аналоговый компаратор К заменен ЦCC, а ГОН выполнен в виде счетчика СТ. Однако, несмотря на большую общность решении, цифровые СУ отличаются существенными особенностями:

1) угол управления к может принимать только <?xml version="1.0"?>
значений, например, при n = 4 имеем 16 значений угла управления. Пря плавном изменении управляющего сигнала угол управления будет изменяться сразу скачком на 11,25° = 180°/16. Для уменьшения дискретизации угла управления необходимо увеличить n, что может привести к росту аппаратурных затрат на реализацию цифровой СУ;

2) хотя цифровые узлы не вносят нестабильности в формирование углов управления, их работа зависит от точности задания и стабильности частоты мультивибратора MB. При неточном выполнении равенства (8.9) формируемые углы управления будут заданы неточно. Надо отметить, что создание источников импульсов, частота которых в целое число раз больше частоты сети, представляет известные трудности, особенно при учете того, что частота промышленных сетей изменяется а некоторых пределах.

Названные особенности необходимо принимать во внимание при выборе типа СУ вентильного преобразователя с учетом режимов его работы, способов регулирования и стабилизации выходных параметров преобразователя, условий эксплуатации. Аппаратурные затраты на реализацию цифровых и аналоговых СУ в настоящее время соизмеримы.

Наряду с синхронными ФСУ получили распространение асинхронные ФСУ, в которых непосредственная синхронизация работы ФСУ с сетью отсутствует, что позволяет избежать трудностей при формировании опорных сигналов. Асинхронные ФСУ могут функционировать только при наличии замкнутого контура управления, обеспечивая постоянство выходных параметров (напряжения или тока) при изменении режима работы преобразователя и наличии искажений (коммутационные процессы, несинусоидальность напряжения сети и т.п.).

Простейшая схема асинхронного ФСУ приведена на рис. 8.8, а Рис. 8.8. Структурная схема асинхронного ФСУ и временные диаграммы его работы. Для создания линейной регулировочной характеристики преобразователя нужно обеспечить зависимость <?xml version="1.0"?>
где k - коэффициент пропорциональности [сравните с (8.4)]. Последнее выражение можно заменить

<?xml version="1.0"?>

где <?xml version="1.0"?>
- моменты i-й и (i + 1)-й коммутаций вентилей в преобразователе.

Это выражение является математической записью функционирования асинхронного ФСУ. Напряжения <?xml version="1.0"?>
поступают на сумматор, а затем интегрируются интегратором (временные диаграммы приведены на рис. 8.8, б). Когда выходное напряжение интегратора достигнет нулевого значения, срабатывает компаратор К. В этот момент формируется управляющий импульс на очередной тиристор преобразователя (момент <?xml version="1.0"?>
). Линейность регулировочной характеристики не нарушится при искажениях формы выходного напряжения <?xml version="1.0"?>
преобразователя.

Достоинства, присущие асинхронной СУ, связаны с ее недостатками. Как и во всякой замкнутой системе регулирования, в асинхронной системе могут возникать колебания вырабатываемых ею углов управления относительно некоторого среднего значения. При незатухающем характере этих колебаний работа СУ неустойчива, использование такой СУ невозможно. Так, СУ рис. 8.8, а неустойчива при <?xml version="1.0"?>
т.е. в инверторном режиме. Обеспечение устойчивой работы СУ требует введения дополнительных элементов и усложнения СУ, а в ряде случаев достигается ценой ухудшения ряда показателей подобных систем. Аналогичные трудности возникают и при создании синхронных СУ с замкнутым контуром управления. Разрешение этих трудностей основывается на детальном анализе таких систем, являющихся нелинейными импульсными системами автоматического регулирования.

Предельный диапазон изменения углов управления вентильных преобразователей <?xml version="1.0"?>
Длительность интервала между коммутациями в преобразователях равна <?xml version="1.0"?>
На рис. 8.9, а Рис. 8.9. Временные диаграммы напряжений в многоканальной системе управления трехфазным мостовым выпрямителем показано выходное напряжение трехфазного мостового выпрямителя (см. рис. 6.11, а). На рис. 8.9, б представлено управляющее напряжение <?xml version="1.0"?>
и система опорных напряжений косинусоидальной формы <?xml version="1.0"?>
. На рис. 8.9, а представлены управляющие импульсы каждого тиристора выпрямителя. Для обеспечения работы каждого тиристора формируется свое опорное напряжение, начало которого соответствует моменту естественной коммутации данного вентиля. Момент пересечения i-го опорного напряжения с управляющим сигналом <?xml version="1.0"?>
соответствует моменту выработки управляющего импульса на i-й тиристор. На рис. 8.9, б нетрудно видеть, что в каждый момент времени формируются три опорных напряжения (на диаграмме выделен произвольный момент времени <?xml version="1.0"?>
. Такой принцип работы реализуется в многоканальной СУ, которая состоит из нескольких независимо работающих каналов, каждый из которых включает ФСУ и выходной формирователь (ВФ).

Структурная схема многоканальной СУ мостовым трехфазным преобразователем приведена на рис. 8.10 Рис. 8.10. Структурная схема многоканальной системы управления трехфазным мостовым выпрямителем. Каждый из ФСУ реализует вертикальный принцип управления и строится по схеме 8.2, а, работа которой рассмотрена в § 8.2.

При работе мостовой схемы выпрямления ток одновременно проводят два вентиля - один анодной, другой катодной группы {см. временные диаграммы рис. 6.11, б). В режиме непрерывного тока для нормальной работы выпрямителя достаточно однократно включить тиристор, который будет проводить ток в течение угла <?xml version="1.0"?>
(коммутационные процессы не учитываем). Управляющие импульсы при таком режиме управления приведены на рис. 8.9, б заштрихованные импульсы).

В режиме прерывистого тока нагрузки существуют бестоковые паузы, когда ни один из вентилей не проводит ток. Так, i-й вентиль, проработав в паре с (i - 1)-м тиристором, запрется. Если он останется в запертом состоянии, то в момент подачи управляющего импульса на (i + 1)-й тиристор тот остается закрытым, проводящей пары тиристоров не образуется и работа выпрямителя нарушается. Для предотвращения срыва работы выпрямителя в режиме прерывистого тока одновременно с подачей импульса управления на (i + 1)-й тиристор подается повторный импульс на управляющий электрод i-го тиристора. Повторные импульсы показаны на рис. 8.9, в пунктиром. Таким образом, для надежной работы мостового трехфазного выпрямителя во всех режимах необходима подача сдвоенных управляющих импульсов. Для этого в схеме рис. 8.10 ФСУ (i + 1)-гo канала связывают с выходными формирователями i-го и (i + 1)-гo каналов.

Достоинством многоканальных систем управления является максимальная простота схемы ФСУ и выходного формирователя каждого канала. При использовании вертикального принципа управления достигается максимальное быстродействие, так как каналы вырабатывают управляющие импульсы поочередно, непрерывно отслеживая изменения управляющего сигнала.

Однако многоканальные СУ имеют серьезные недостатки. Любая несимметия в работе каналов управления приводит к несимметрии управляющих импульсов, подаваемых на силовые тиристоры. При этом резко ухудшается форма выпрямленного напряжения, растут пульсации. Главным источником несимметрии являются генераторы опорных напряжений. При формировании опорных напряжений из сетевого напряжения при фильтрации вносится фазовый сдвиг, который может значительно различаться в каналах управления. Чем выше несинусоидальность сети, тем выше требования к подавлению гармоник, тем выше фазовая погрешность. Это объясняется тем, что в фильтрах с сильным подавлением высших гармоник зависимость фазового сдвига от частоты очень сильная. В этом случае необходимо использовать линейную форму опорных сигналов. Однако технически весьма трудно обеспечить формирование идентичных по форме и амплитуде опорных напряжений в m каналах СУ, поскольку ГЛИН каждого канала обладает ограниченной точностью и стабильностью характеристик.

Многоканальные СУ вентильными преобразователями в настоящее время получили преимущественное распространение, что обусловлено не только присущими им достоинствами, но в ряде случаев объясняется традицией. Применение современных одноканальных СУ позволяет в ряде случаев создать более совершенную систему управления вентильным преобразователем, которая не только обладает повышенной точностью, но нередко и более компактна.

В одноканальной СУ моменты включения всех силовых вентилей определяются единым ФСУ. Структурная схема одноканальной ОУ приведена на рис. 8.11 Рис. 8.11. Обобщенная структурная схема одноканалькой системы управления вертикального типа. Импульсы с выхода ФСУ поступают на распределитель импульсов РИ, который осуществляет распределение импульсов по каналам управления в циклическом порядке. К выходам РИ подключены выходные формирователи каналов ВФ. Работа распределителя в некоторых одноканальных СУ синхронизирована напряжением питающей сети.

В современных одноканальных СУ реализуется вертикальный принцип управления (см. § 8.2). При этом ФСУ содержит ГОН - генератор опорного напряжения единого для всех тиристоров преобразователя, и компаратор К. Работа ГОН синхронизируется напряжением питающей сети. Для уяснения принципа построения одноканальной СУ вертикального типа для управления выпрямителем (см. рис. 6.11, а) вернемся к рассмотрению рис. 8.9, б. В момент <?xml version="1.0"?>
работает V2 и готовится включение тиристора V3. Для этого определяется момент равенства опорного напряжения <?xml version="1.0"?>
и управляющего напряжения <?xml version="1.0"?>
. После выработки импульса управления <?xml version="1.0"?>
наблюдение за опорным напряжением <?xml version="1.0"?>
нецелесообразно: с момента срабатывания i-го тиристора информация об i-м опорном напряжении является избыточной, ненужной. Теперь мы переключаем свое внимание на опорное напряжение <?xml version="1.0"?>
, при пересечении <?xml version="1.0"?>
и <?xml version="1.0"?>
будет сформирован <?xml version="1.0"?>
. Таким образом, полезную информацию кривая i-го опорного напряжения только от момента включения (i - 1)-го тиристора до пересечения <?xml version="1.0"?>
и <?xml version="1.0"?>
, т.е. включения i-гo тиристора. Поэтому может быть сформировано единое опорное напряжение, состоящее из отрезков косинусоид между срабатыванием (i - 1)-го и i-го тиристоров.

Указанный принцип положен в основу ряда одноканальных СУ, Одна из простейших приведена на рис. 8.12, а Рис. 8.12. Одноканальная система управления вертикального типа с косинусоидальным опорным напряжением (а) и временные диаграммы сигналов в схеме (б-г). Трехфазное питающее напряжение поступает на фильтры Ф, которые осуществляют сдвиг по фазе и подавляют высшие гармонические составляющие. На вторичных обмотках трансформатора TV формируется шестифазная система опорных напряжений <?xml version="1.0"?>
Эти напряжения через ключи <?xml version="1.0"?>
подаются на вход компаратора на ОУ А. На второй вход компаратора подано управляющее напряжение <?xml version="1.0"?>
. Выходное напряжение компаратора подается на РИ на 6 каналов. Способы построения распределителей изложены в § 4.9. Выходы РИ связаны с выходными формирователями СУ (ВФ) и с управляющими цепями ключей <?xml version="1.0"?>
.

Временные диаграммы сигналов в схеме рис. 8.12, а приведены на рис. 8.12, б-в. На диаграмме рис. 8.12, б приведены напряжения на вторичных обмотках трансформатора TV <?xml version="1.0"?>
и выделено единое опорное напряжение <?xml version="1.0"?>
, состоящее из отрезков <?xml version="1.0"?>
. Там же показано управляющее напряжение <?xml version="1.0"?>
. Пусть в начале рассмотрения (момент <?xml version="1.0"?>
) распределитель выдает единичный логический сигнал на первом выходе. При этом замыкается ключ <?xml version="1.0"?>
(номера ключей, на которые подаются импульсы с выходов распределителя, указаны на рис. 8.12, в, на котором показаны логические сигналы на шести выходах распределителя <?xml version="1.0"?>
). При замыкании <?xml version="1.0"?>
на компаратор А подается <?xml version="1.0"?>
. В момент <?xml version="1.0"?>
компаратор переключается, положительный импульс с его выхода переключает распределитель, единичный сигнал теперь существует на втором выходе распределителя (<?xml version="1.0"?>
). Этот сигнал подается на выходной формирователь второго вентиля выпрямителя и одновременно на управляющую цепь ключа <?xml version="1.0"?>
; ключ <?xml version="1.0"?>
выключается. При этом на компаратор А подается <?xml version="1.0"?>
и компаратор возвращается в прежнее состояние (рис. 8.12, г) (<?xml version="1.0"?>
= 0). На компараторе происходит сравнение <?xml version="1.0"?>
, в момент <?xml version="1.0"?>
положительный импульс на выходе компаратора переводит распределитель в состояние <?xml version="1.0"?>
= 1. При этом подается управляющий импульс на третий тиристор выпрямителя и замыкается ключ <?xml version="1.0"?>
. Таким образом, при каждом переключении распределителя включается очередной выходной формирователь вступающего в работу тиристора выпрямителя. Одновременно переключаются ключи Кл, этим обеспечивается выбор нужного отрезка <?xml version="1.0"?>
для формирования единого опорного напряжения <?xml version="1.0"?>
.

Схема рис. 8.12, а обладает всеми достоинствами многоканальных СУ, реализующих вертикальный принцип управления, и при этом содержит единый сравнивающий элемент-компаратор. Аппаратурная реализация устройства очень проста.

Как уже указывалось выше, при работе преобразователя от сети с большим уровнем гармонических искажений формирование опорного напряжения из питающего напряжения приводит к заметным погрешностям при работе СУ. Это свойственно как многоканальным, так и одноканальным СУ. В таких режимах лучшие результаты дает применение одноканальных СУ вертикального типа с линейной формой опорного сигнала. В разработку подобных устройств большой вклад внесли советские ученые, создавшие ряд новых и технически совершенных решений. СУ такого типа выполняются как на аналоговых элементах, так и в виде цифровых СУ. Надо отметить, что именно в цифровых СУ одноканальное построение дает наибольшие преимущества.

Рассмотрим цифровую одноканальную СУ трехфазным мостовым выпрямителем, схема которой приведена на рис. 8.13, а Рис. 8.13. Цифровая одноканальная система управления вертикального типа (а) и временные диаграммы сигналов в системе (б-г).

В устройстве использованы принципы, положенные в основу работы цифрового ФСУ (см. рис. 8.7, а). Опорный сигнал формируется в виде уменьшающегося кода счетчиком <?xml version="1.0"?>
, вход "-1" которого связан с мультивибратором MB. Максимальное число, записываемое в счетчике <?xml version="1.0"?>
За период питающей сети мультивибратор генерирует также <?xml version="1.0"?>
импульсов, т.е. частота MB выбирается равной <?xml version="1.0"?>
Таким образом, счетчик <?xml version="1.0"?>
содержит (2 + n) разрядов.

К выходу старшего разряда <?xml version="1.0"?>
подключен T-триггер.

Выходы n младших разрядов счетчика связаны с первой цифровой схемой сравнения <?xml version="1.0"?>
, на вторые входы которой поданы младшие разряды управляющего кода <?xml version="1.0"?>
. Следующие два разряда счетчика связаны со второй цифровой схемой сравнения <?xml version="1.0"?>
, на вторые входы которой подаются старшие разряды управляющего кода <?xml version="1.0"?>
. Управляющий код принимает, таким образом, <?xml version="1.0"?>
значений. Выход <?xml version="1.0"?>
подключен к входу "+1" распределителя на шесть каналов, состоящего из счетчика <?xml version="1.0"?>
и дешифратора (см. рис. 4.26).

Схема работает следующим образом. В момент естественной коммутации первого тиристора (например V1 на рис. 6.11, а) срабатывает узел синхронизации Синхр, при этом на установочный вход счетчика <?xml version="1.0"?>
подается импульс, записывающий максимальное число <?xml version="1.0"?>
в счетчик. Синхр устанавливает триггер в состояние Y = 1. Затем каждый импульс мультивибратора уменьшает код Кол, записанный в счетчике <?xml version="1.0"?>
, на единицу (рис. 8,13, б). Через половину периода сети код (рис. 8.12, б) снижается до нулевого значения. Во вторую половину периода опорный код повторяет те же значения (от <?xml version="1.0"?>
до 0), но меняется состояние Т-триггера (рис. 8.13, б) с 1 на 0.

Опорный код <?xml version="1.0"?>
и код управления <?xml version="1.0"?>
поразрядно подаются на <?xml version="1.0"?>
и <?xml version="1.0"?>
. В момент t\ срабатывают одновременно обе ЦСС, так как отмечается равенство <?xml version="1.0"?>
и <?xml version="1.0"?>
. При этом Y = 1 и единичные сигналы с выходов <?xml version="1.0"?>
и <?xml version="1.0"?>
, поступающие на вход элемента И, вызывают появление на его выходе логической единицы, которая подается на установочный вход счетчика <?xml version="1.0"?>
, входящего в состав распределителя. Распределитель при этом устанавливается в положение, при котором появляется единичный импульс на первом выходе, за счет чего выходной формирователь <?xml version="1.0"?>
выдает управляющий импульс на первый тиристор выпрямителя (см. рис. 8.13, г).

Затем опорный код будет продолжать уменьшаться. За 1/6 периода сети мультивибратор выдаст <?xml version="1.0"?>
импульсов, в результате в момент <?xml version="1.0"?>
в младших разрядах счетчика <?xml version="1.0"?>
вновь будет записано то же значение, что и в момент <?xml version="1.0"?>
. Это значение совпадает со значением младших разрядов управляющего кода, что фиксируется <?xml version="1.0"?>
. При срабатывании <?xml version="1.0"?>
поступает положительный импульс на вход "+1" распределителя и он переключается в состояние, при котором управляющий импульс формируется <?xml version="1.0"?>
для включения второго тиристора выпрямителя. При неизменном <?xml version="1.0"?>
следующее переключение распределителя при срабатывании <?xml version="1.0"?>
произойдет еще через 1/6 периода сети. Таким образом будут сформированы последовательно импульсы управления на все шесть тиристоров силовой схемы выпрямителя.

Схема рис. 8.13, а обладает максимальным быстродействием. Так, при увеличении управляющего кода <?xml version="1.0"?>
увеличится значение его младших разрядов, и <?xml version="1.0"?>
зафиксирует равенство раньше, т.е. угол управления <?xml version="1.0"?>
очередного тиристора уменьшится. Расчеты показывают, что схема рис. 8.13, а проявляет свои преимущества при работе от несимметричной сети, что обусловлено тем, что опорный код синхронизируется только от одной фазы сети. Аппаратурные затраты на создание одноканальных СУ практически не изменяются при увеличении числа фаз преобразователя, что делает использование одноканальных СУ особенно выгодным при управлении многофазными преобразователями.

8.1. При каких условиях зависимость <?xml version="1.0"?>
имеет линейный xapaктер?

8.2. Построить зависимость <?xml version="1.0"?>
однофазного мостового управляемого выпрямителя с активной нагрузкой, если фазовая характеристика системы управления представлена на рис. 8.3 (кривая 1).

8.3. В каких режимах работы выпрямителей имеет преимущества система управления с линейной формой опорного сигнала?

8.4. Как изменятся зависимости <?xml version="1.0"?>
выпрямителя в режиме непрерывного тока нагрузки, если в схеме рис. 8.5 увеличить емкость конденсатора С?

8.5. Объяснить назначение управляющих импульсов, показанных на рис. 8.9, в пунктиром.

8.6. Как изменятся зависимости <?xml version="1.0"?>
, если в схеме рис. 8.7, а немного уменьшить частоту импульсов мультивибратора?

8.7. Перечислить преимущества одноканальных систем управления, объяснить принцип действия схем рис. 8.12, а и 8.13, а.

© Центр дистанционного образования МГУП