Материал: Элементы систем автоматического управления. Кириллов Ю.В

(8.22)

Значение емкости С входного фильтра выбирается так, чтобы импульсная составляющая входного тока регулятора замкнулась через нее, а в питающую сеть проходила практически только первая гармоника входного тока регулятора. Тогда при заданных параметрах входного фильтра L,C методика построения внешних

характеристик такова. Для фиксированного значения степени регулирования Ср и фазового угла нагрузки

(8. 23)

варьируют параметры нагрузки, а значит, по (8.19) и Rвх, Lвх и по (8.22) находят действующее значение первой гармоники выходного напряжения регулятора, а по (8.16) и действующее значение первой гармоники выходного тока. Так по точкам строится семейство внешних характеристик.

Получить непрерывный входной ток повышающе-понижающего регулятора можно, если выполнить его на базе повышающе-понижающего преобразователя напряжения Кука. Схема такого регулятора переменного напряжения показана на рис. 8.20,

Рис. 8.20

а временные диаграммы его работы – на рис. 8.21. Ключи К₁ и К₂ также работают в противофазе. При замыкании ключа К₁ запасается энергия в накопительном реакторе L₁. Одновременно от накопительной емкости С₁ через ключ К₁ питается выходная цепь, состоящая из выходного L₂C₂-фильтра и цепи нагрузки R_н, L_н. При размыкании К₁ и замыкании К₂ накопленная энергия из дросселя L₁ передается в накопительный конденсатор С₁. Одновременно через ключ К₂ энергия реактивных элементов выходного L₂C₂-фильтра обеспечивает продолжение питания цепи нагрузки R_н, L_н. Подобно преобразователю Кука постоянного напряжения, здесь изменение соотношения длительностей работы ключей К₁ и К₂ в такте Т_т высокой частоты позволяет регулировать переменное выходное напряжение как выше, так и ниже входного напряжения. Далее на основе качественного анализа работы регуляторов построены их математические модели и по ним дан количественный анализ всех основных характеристик регуляторов.

Рис. 8.21

Регулировочные характеристики. Как и в предыдущих типах регуляторов, здесь под регулировочной характеристикой понимаем зависимость действующего значения первой гармоники выходного напряжения регулятора от относительной (в такте) длительности управления ключа К₁ при фиксированных параметрах цепи нагрузки.

На рис. 8.22 построены графики регулировочных характеристик при активной нагрузке, которая представлена в долях базового сопротивления, за которое принято сопротивление накопительной индуктивности по первой гармонике входного напряжения

Рис. 8. 22

Можно по данной характеристике установить, что она аналогична полученной для регулятора по схеме рис. 8.18, а отличается от выражения (8.24) только отсутствием в числителе множителя Ψ₁ .

Внешние характеристики. Зависимость действующего значения первой гармоники выходного напряжения регулятора от действующего значения первой гармоники выходного тока регулятора при постоянном значении управления Ψ₁^* и фиксированном значении фазы тока нагрузки, т.е. внешнюю характеристику регулятора, можно построить на базе выражения (8. 24). При заданном значении Ψ₁^* для каждого сочетания R_н, L_н и фиксированном их отношении (заданная фаза тока нагрузки) определяем выходное напряжение, а по нему – выходной ток. Графики внешних характеристик для повышающего-понижающего регулятора по схеме рис. 8.18 ,б представлены на рис. 8.23. Выходное напряжение представлено в относительных единицах аналогично рис. 8.6 Ток нагрузки также построен в относительных единицах, при этом за базовый ток принят ток, определяемый базовым напряжением U_вх и базовым сопротивлением ω₁L (8.25)

Показательно, что все внешние характеристики имеют одинаковый участок режима токоограничения и одинаковый ток короткого замыкания.

Входные энергетические характеристики. Учитывая практически синусоидальный характер входного тока повышающего регулятора и повышающе-понижающего регулятора на базе схемы Кука, а также возможность получения такого же тока при применении входного LC-фильтра в повышающе-понижающем регуляторе по схеме рис. 8.18, б, определим здесь под входной характеристикой зависимость коэффициента сдвига входного тока от параметра управления Ψ₁^* при фиксированном значении коэффициента сдвига нагрузки cosϕн. Коэффициент сдвига входного тока для повышающе-понижающего преобразователя по схеме рис. 8.18, б определим через активные и реактивные компоненты тока накопительного реактора,

График этой зависимости показан на рис. 8.24. Здесь, как и в регуляторе с ШИР, наблюдается пропорциональная зависимость входного коэффициента сдвига тока от выходного коэффициента сдвига тока.

Рис. 8.24

Контрольные вопросы

1. Какие известны типы вентильных регуляторов переменного напряжения?

2. Какие свойства у тиристорного регулятора переменного напряжения с фазовым регулированием?

3. Какие свойства у транзисторного регулятора переменного напряжения с широтно-импульсным способом регулирования?

4. Какое новое качество у регулятора с вольтодобавкой по сравнению с регуляторами с фазовым и широтно-импульсным регулированием?

5. Какая особенность у регулятора с вольтодобавкой реактивного напряжения?

6. В каких бестрансформаторных регуляторах можно получить напряжение на выходе больше входного?

7. Чем определяется наклон внешней характеристики у тиристорных регуляторов с фазовым управлением?

8. Чем определяется наклон внешней характеристики у транзисторных регуляторов с широтно-импульсным управлением?

9. У каких регуляторов можно получить единичный входной коэффициент сдвига во всем диапазоне регулирования?

10. Схемы каких регуляторов с возможным повышением выходного напряжения над входным имеют непрерывный входной ток?

11. Чем определяется максимально возможное напряжение на выходе повышающих регуляторов?

12. В каких типах регуляторов возможен режим рекуперации?

9. Преобразователи частоты

Преобразователями частоты называют устройства для преобразования переменного напряжения одной частоты (постоянной или регулируемой) в переменное напряжение другой частоты (постоянной или регулируемой). Такие устройства однокаскадного преобразования частоты получили название пребразователей частоты с непосредственной связью или циклоконверторов (за рубежом). (В последние годы такие преобразователи на полностью управляемых вентилях стали называть еще матричными преобразователями.) Термин «непосредственная связь» добавлен для того, чтобы отличать этот вид преобразователей частоты от двухкаскадных (многокаскадных) преобразователей частоты по структуре выпрямитель – автономный инвертор, называемых еще преобразователями частоты с промежуточным звеном постоянного тока (напряжения) в зависимости от типа автономного инвертора (тока или напряжения).

Преобразователи частоты с непосредственной связью подразделяются на два класса, а именно

• преобразователи на вентилях с неполным управлением (тиристорах) с отстающим фазовым регулированием и формированием кривой выходного напряжения;

• преобразователи на вентилях с полным управлением (транзисторы, двухоперационные тиристоры). Эти преобразователи в зависимости от способа формирования кривой выходного напряжения подразделяются на преобразователи с однократной модуляцией (циклическое управление), с широтно-импульсным управлением энергообменом реактивных накопительных элементов, с широтно-импульсной модуляцией в неявном звене постоянного тока (напряжения).

Основу любого преобразователя частоты с непосредственной связью составляет реверсивный выпрямитель, так как питается он от источника переменного напряжения и обладает способностью работать с любым (из четырех возможных) сочетанием полярностей выходного напряжения и тока, периодическое чередование которых присуще переменному току (два сочетания с совпадающими полярностями напряжения и тока и два – с противоположными полярностями, обусловленными сдвигом тока по фазе по отношению к напряжению). В результате рабочая точка, соответствующая текущим значениям переменного напряжения и тока, на внешних характеристиках реверсивного вентильного преобразователя как бы периодически перемещается по всем четырем квадрантам в порядке: 1-4-3-2-1 при отстающем токе и 1-2-3-4-1 квадранты при опережающем токе, как это явствует из рис. 9.1, а,б соответственно, где цифрами размечены интервалы пребывания текущего электрического режима в соответствующих квадрантах.

Рис. 9.1, а,б

Ниже рассмотрены указанные виды преобразователей частоты с непосредственной связью.

9.1. Непосредственные преобразователи частоты на вентилях с неполным управлением

Принцип действия преобразователя. Принципиальные схемы непосредственных преобразователей частоты на тиристорах с трехфазным выходным напряжением образуются из трех реверсивных выпрямителей. На рис. 9.2 показана схема непосредственного преобразователя частоты трехфазного входного напряжения в трехфазное выходное напряжение с нагрузкой, соединенной в звезду.

Рис. 9.2

Реверсивные выпрямители, образующие отдельные фазы преобразователя частоты, выполнены по трехфазным нулевым (однополупериодным) схемам. Уравнительные реакторы, присутствовавшие в реверсивном выпрямителе могут быть исключены из схемы. Это становится возможным, как будет видно из нижеприведенных временных диаграмм работы преобразователя на рис. 9.3, при использовании алгоритма раздельного управления вентильными комплектами, входящими в состав реверсивных выпрямителей. При этом управлении импульсы управления на тиристоры подаются только на тот вентильный комплект в составе реверсивного выпрямителя, который в данный момент обеспечивает протекание в нагрузке тока определенного направления. В результате контур уравнительного тока оказывается разомкнутым и этот ток между вентильными комплектами становится невозможен.

Рис. 9. 3

Схема непосредственного преобразователя частоты на базе трехфазных мостовых схем выпрямителей показана на рис. 9.4.

В случае общей системы входных напряжений для всех мостовых схем фазы нагрузки преобразователя получаются несвязанными. Для соединения фаз нагрузки в звезду требуется наличие входного трансформатора, обеспечивающего питание вентилей каждой выходной фазы преобразователя от своей системы вторичных обмоток.

Рис. 9.4

Из уравнения регулировочной характеристики выпрямителя известно, что выходное напряжение выпрямителя по гладкой составляющей (среднему значению) может меняться при изменении угла регулирования α в соответствии с уравнением

, (9.1)

где C_P(t)=U_dα0/U_d0, степень регулирования напряжения.

Здесь необходимо отметить принципиальное ограничение для максимальной частоты изменения угла регулирования. При естественной коммутации скорость перехода реверсивного выпрямителя из выпрямительного режима работы в инверторный режим определяется скоростью спада кривой напряжения сети от своего максимума до минимума. Значит, при полном диапазоне изменения угла регулирования от 0 до 180 градусов максимальная частота выходного напряжения не превосходит частоты напряжения питающей сети.

Для «исправления» нелинейности регулировочной характеристики выпрямителя закон изменения угла регулирования от времени α(t) (что, очевидно) должен быть арккосинусоидальным, т.е.

(9.2)

где f_м (t) – периодическая переменная функция (модулирующая функция), форма которой задает по гладкой составляющей форму выходного напряжения непосредственного преобразователя частоты.

Для получения синусоидального выходного напряжения преобразователя частоты форма модулирующей функции должна быть синусоидальной с частотой, определяющей частоту выходного напряжения. Временные диаграммы для напряжений вентильных комплектов одной фазы шестипульсного непосредственного преобразователя частоты по схеме рис. 9.4 для этого случая показаны на рис. 9.5.

Гипотетические диаграммы для выходных напряжений вентильных комплектов по шестипульсным схемам (рис. 9.4) приведены на первых двух диаграммах на рис. 9.5. Они построены при работе условно как бы только одного комплекта – или прямого или обратного. Реальная кривая выходного напряжения по нагрузке складывается из совокупности участков этих двух напряжений вентильных комплектов, взятых соответственно по продолжительности положительной полуволны тока прямого комплекта и отрицательной полуволны тока обратного комплекта реверсивного преобразователя при условии раздельного управления им. На третьей диаграмме показано то уравнительное напряжение, определяемое разностью мгновенных значений напряжений прямого и обратного вентильных комплектов, которое было бы на уравнительном реакторе при его наличии в случае совместного управления. На последней диаграмме приведены законы изменения углов регулирования α двух вентильных комплектов в случае полного возможного диапазона их изменения.

При работе одной выходной фазы непосредственного преобразователя частоты требуется наличие связи нулевой точки трехфазного входного источника с нулевой точкой звезды нагрузки, как это показано пунктиром на рис. 9.2. Единичная коммутационная функция ψ_А, переключаемая по моментам смены полярностей полуволн тока нагрузки, представляется очевидной. Через нее и определена кривая выходного напряжения преобразователя частоты при раздельном управлении в соответствии с равенством