Материал: Элементы систем автоматического управления. Кириллов Ю.В

.

При изменении тока нагрузки изменяется, скорость перезаряда конденсатора и поэтому изменяется форма и среднее значение выходного напряжения и_к.

Для уменьшения влияния тока нагрузки на выходное напряжение, т.е. для стабилизации внешней характеристики и времени, предоставляемого для запирания тиристоров, силовой тиристор V₀ шунтируют диодом V2. При этом перезаряд конденсатора на, интервале носит колебательный характер. Ток ic представляет половину синусоиды той же частоты, что и при заряде конденсатора, и протекает по контуру С_к—VI—L_н—V2. Теперь время запирания примерно равно полупериоду собственной частоты контура , а форма выходного напряжения преобразователя приближается к прямоугольной,

7. СПОСОБЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Автономные вентильные преобразователи не связаны с мощной электрической сетью переменного тока; в качестве источника энергии автономные преобразователи используют источники постоянного тока. Таким источником может быть выпрямитель, преобразующий энергию сети переменного тока, аккумуляторы или другие источники постоянного тока. Автономные преобразователи работают на автономную, отделенную от других источников энергии нагрузку постоянного или переменного тока.

Основными типами автономных преобразователей являются импульсные преобразователи постоянного напряжения, у которых на входе и выходе постоянное напряжение, и инверторы — преобразователи постоянного тока в переменный.

При питании от источников постоянного напряжения для регулирования мощности постоянного тока в нагрузке с высоким КПД используются импульсные преобразователи (регуляторы) постоянного напряжения с ключевым режимом работы.

На рис. 7.1,а приведена схема такого преобразователя на идеальном ключе, включенном последовательно с нагрузкой (активная нагрузка). При периодическом замыкании и размыкании ключа Кл напряжение на нагрузке принимает вид прямоугольных импульсов с амплитудой, равной ЭДС питания Е.

Отношение периода следования импульсов Т к длительности импульса называется скважностью : . Величина, обратная скважности, называется коэффициентом заполнения .

Рис. 7.1. Схема и временные диаграммы импульсного преобразователя постоянного напряжения при работе на активную (а) и активно-индуктивную (б) нагрузки

Изменением длительности включенного и выключенного состояния ключа К можно воздействовать на среднее и действующее значения напряжения на нагрузке.

Среднее напряжение на нагрузке

(7.1)

Действующее значение напряжения

(7.2)

Примером активной нагрузки могут служить электрические лампы накаливания и электрические печи сопротивления. Для тех и других существенно действующее значение напряжения. Для нагрузки типа двигателя постоянного тока, аккумуляторной батареи и нагрузки, работающей со сглаживающими фильтрами, важно среднее значение напряжения.

Если нагрузка носит индуктивный характер (например, содержит дроссель для сглаживания выпрямленного напряжения или для ограничения пульсаций тока якоря двигателя постоянного тока), то для того, чтобы при разрыве цепи не было опасных перенапряжений, она шунтируется диодом V₀ (рис. 7.1,6). При этом ток в нагрузке становится непрерывным, протекая то через источник Е когда ключ замкнут (на интервале энергия запасается в нагрузке), то через шунтирующий диод, когда ключ разомкнут (на интервале Т—t_и часть энергии, запасенной в нагрузке, рассеивается). При идеальном ключе напряжение на нагрузке имеет форму прямоугольных импульсов, а ток пульсирует, изменяясь по экспоненциальной зависимости с постоянной времени . При этом среднее и действующее значения напряжения определяются теми же формулами, что и при активной нагрузке.

При активной и активно-индуктивной нагрузках среднее значение тока в нагрузке находится по среднему значению напряжения на нагрузке:

Возможны два способа регулирования выходного напряжения: широтно-импульсное регулирование (ШИР), когда для изменения среднего значения тока и напряжения нагрузки изменяют длительность замкнутого состояния ключа. при постоянном периоде повторения T=const (рис. 7.2,а, б);

частотно-импульсное регулирование (ЧИР), когда изменяют частоту повторения при постоянной длительности импульса ( ,T=var рис. 7.2, а, в).

В обоих случаях воздействуют на , что приводит к изменению среднего и действующего значения напряжения в нагрузке в соответствии с (7.1), (7.2).

Риc. 7.2. Временные диаграммы напряжения и тока в схеме рис. 7.1, б при различных способах регулирования напряжения

В качестве ключей импульсных преобразователей постоянного напряжения можно использовать транзисторы, запираемые (двухоперационные) тиристоры и обычные однооперационные тиристоры, снабженные узлами принудительной коммутации, т.е. дополнительными схемными элементами, обеспечивающими выключение тиристоров в заданные моменты времени.

8. Регуляторы переменного напряжения

8.1. Классификация регуляторов переменного напряжения

Регуляторами переменного напряжения в силовой электронике называются преобразователи переменного напряжения в переменное же напряжение той же частоты, но с регулируемой величиной напряжения. Они позволяют плавно, бесконтактно, быстро изменять переменное напряжение на нагрузке в отличие от громоздких, инерционных традиционных устройств его регулирования на основе трансформаторов с переключением отводов, автотрансформаторов, управляемых реактивных балластных сопротивлений (реакторов, конденсаторов).

Можно выделить следующие типы регуляторов переменного напряжения.

1. С фазовым способом регулирования переменного напряжения и естественной коммутацией. Эти регуляторы выполняются на вентилях с неполным управлением (тиристорах), и поэтому они самые простые и дешевые, но имеют пониженное качество выходного напряжения и потребляемого из сети тока.

2. По принципу вольтодобавки, когда последовательно с источником переменного входного напряжения вводится дополнительное напряжение, так что напряжение на нагрузке определяется векторной суммой двух указанных напряжений. Напряжение вольтодобавки, как правило, вводится с помощью трансформатора. Возможны две разновидности устройств вольтодобавки. В первом варианте устройство пропускает через себя активную и реактивную мощности, создаваемые от взаимодействия напряжения вольтодобавки с током нагрузки. Во втором варианте устройство вольтодобавки пропускает через себя только реактивную мощность, что уменьшает потери в нем и не требует для его питания источника активной мощности. Первый вариант устройств может быть выполнен на вентилях с неполным управлением и используется при небольшом диапазоне регулирования напряжения на нагрузке. Второй вариант устройств выполняется на вентилях с полным управлением.

3. С широтно-импульсными способами регулирования переменного напряжения. Эти регуляторы выполняются на вентилях с полным управлением, они более сложные и дорогие, чем первые два типа, но могут обеспечивать высокое качество выходного напряжения и потребляемого тока во всем диапазоне регулирования.

4. С управляемым высокочастотным обменом энергией между накопительными элементами. Они позволяют в бестрансформаторном варианте получать выходное напряжение как больше, так и меньше входного при высоком качестве выходного напряжения и потребляемого из сети тока. Такие регуляторы предназначены в первую очередь для питания ответственных электропотребителей.

8.2. Тиристорные регуляторы напряжения переменного тока

Базовые схемы регуляторов. Простейший регулятор однофазного переменного напряжения состоит из двух встречно-параллельно включенных тиристоров, соединенных последовательно с нагрузкой, как показано на рис. 8.1. На рис. 8.2 построены диаграммы напряжений и токов регулятора. Углы управления α тиристорами должны быть такими, чтобы ток в

Рис. 8.1. Регулятор однофазного переменного напряжения

последовательной активно-индуктивной нагрузке был прерывистым. Соотношение для угла регулирования α, длительности протекания тока через тиристор λ и параметров нагрузки L_н, R_н здесь такое же, как у однофазного выпрямителя в режиме прерывистого тока. Увеличение угла регулирования α приводит к уменьшению λ и росту искажения кривой напряжения на нагрузке U_н и за счет этого к изменению его действующего значения и первой гармоники. При этом ухудшается и качество потребляемого из сети тока из-за роста сдвига фазы тока относительно напряжения (увеличение потребления реактивной мощности) и за счет ухудшения его формы вследствие уменьшения длительности протекания λ. Возможен и другой способ регулирования переменного напряжения в этой схеме – широтно-импульсное регулирование при естественной коммутации. На рис. 8.2 показаны диаграммы входного напряжения и входного тока такого регулятора (первая диаграмма) и выходного напряжения (вторая диаграмма) при работе на активную нагрузку (термопечи сопротивления). Здесь уже цель регулирования состоит в изменении действующего значения напряжения на активной нагрузке для преобразования электрической энергии в тепловую. При таком регулировании период входного тока регулятора Т_ц много больше периода сетевого напряжения Т₁ и в этом токе появляются субгармоники, т.е. гармоники с частотой ниже частоты сетевого напряжения. Это, в свою очередь, при «слабой» сети может вызвать в ней низкочастотные колебания уровня напряжения, приводящие к мерцанию освещения (фликкер-эффект), нормы которого устанавливаются ГОСТом на качество электроэнергии.

Рис. 8.2. Форма входного напряжения и тока

Улучшение параметров переменного напряжения возможно применением регуляторов, основные схемы которых приведены на рис. 8.3.

а) б) в) г)

Рис. 8.3. Схемы регуляторов напряжения

Схема на рис. 8.3,а объединяет три однофазных регулятора и при отсутствии нулевого провода характеризуется лучшим качеством выходного фазного напряжения, как в шестипульсной схеме, а не как в двухпульсной схеме однофазного регулятора. Более простая схема регулятора на рис. 8.3,б характеризуется худшим качеством выходного напряжения, проявляющимся в неодинаковости форм полуволн фазного напряжения, но без постоянной составляющей в нем. Схемы регуляторов на рис. 8.4,в,г применимы при условии доступности всех шести концов трехфазной нагрузки. При использовании трансформатора в регуляторе возможно более качественное регулирование переменного напряжения за счет использования комбинации фазового и амплитудного способов регулирования.

Рассмотрим более подробно работу регулируемого преобразователя переменного напряжения (рис. 8.4,а).

а) б)

е)

Рис. 8.4. Графики напряжения и тока регуляторов напряжения

При широтно-импульсном регулировании на пониженной частоте оба тиристора находятся во включенном и выключенном состоянии в течение интервалов, больших, чем период частоты питающего напряжения, т. е преобразователь работает в режиме «включено - выключено» (рис 8.4,6). При подаче управляющих импульсов на тиристоры они пропускают обе полуволны напряжения в нагрузку и выполняют роль ключа, проводящего ток в двух направлениях. При снятии управляющих импульсов с тиристоров они не включаются: ключ разомкнут, напряжение и ток в нагрузке равны нулю. При редком включении и отключении нагрузки преобразователь выполняет функцию бесконтактного пускателя для подключения различных потребителей двигателей, электротермических установок и т.д. При периодическом включении и отключении ключа появляется возможность регулирования мощности в нагрузке за счет изменения длительности включенного состояния тиристоров относительно периода повторения циклов T: . Средняя за период Т мощность в нагрузке:

_,

где Pнmax-мощность в нагрузке пои отсутствии регулирования.