Материал: Элементы систем автоматического управления. Кириллов Ю.В

В рассмотренных вариантах структур СУ выпрямителей в качестве регулируемого параметра указывалось среднее значение выпрямленного напряжения U_d. При использовании таких СУ в зависимых инверторах в качестве регулируемого параметра обычно выбирается ток (среднее значение на стороне постоянного тока или действующее на стороне переменного тока инвертора). В этом случае датчик напряжения заменяется на датчик тока. В режиме стабилизации по току могут также работать и управляемые выпрямители, например при использовании их в качестве зарядных устройств аккумуляторных батарей. Тогда также необходимо заменить датчик напряжения на датчик тока, сигнал которого пропорционален среднему значению выпрямленного тока I_d.

10.2. Системы управления преобразователей частоты с непосредственной связью

Структурные схемы СУ преобразователей частоты с непосредственной связью также различаются по способу фазового управления тиристорами на многоканальные и одноканальные, а по принципу регулирования выходных параметров — на статические и астатические. Наибольшее распространение в настоящее время получили многоканальные структуры со статической системой автоматического регулирования.

В сравнении со структурными схемами СУ выпрямителей и зависимых инверторов структуры СУ преобразователей частоты с непосредственной связью являются значительно более сложными. Это объясняется тем, что в общем случае СУ в преобразователях частоты должны реализовать больший объем логических операций. В частности, управление тиристорными группами должно производиться с учетом режима рекуперации реактивной энергии нагрузки в сеть (инверторного режима), исключения уравнительных токов между тиристорными группами, модуляции выходного напряжения по определенным законам и др. Поэтому, учитывая сложность реальных СУ преобразователей частоты с непосредственной связью, рассмотрим в качестве примера простейший вариант структуры СУ трехфазно-однофазного преобразователя, работающего только на активную нагрузку (рис. 10.4, а) и без модуляции выходного напряжения по законам, улучшающим его гармонический состав.

Каждая из тиристорных групп рассматриваемого преобразователя представляет собой трехфазный управляемый выпрямитель, выполненный по схеме со средней точкой. Поэтому структура СУ этого преобразователя во многом подобна структурам СУ выпрямителей.

Рис. 10.4. Система управления преобразователем частоты с непосредственной связью: а—структурная схема; б—диаграммы выходного напряжения и управляющих импульсов структурам СУ выпрямителей.

На тиристоры поступают управляющие импульсы, синхронизированные с сетью посредством входного устройства ВУ, выходные напряжения которого распределены по каналам управления тиристоров в соответствии с фазой поступающего на тиристор сетевого напряжения.

Согласно принципу действия преобразователя одна полуволна выходного напряжения формируется тиристорами анодной группы, а другая — тиристорами катодной группы. Такая программа работы тиристоров обеспечивается поочередным блокированием управляющих импульсов каждой группы. Для этого в структуру СУ введены узлы блокировки (запрета на формирование) импульсов: узел 1 блокировки импульсов тиристоров катодной группы и узел 2 блокировки импульсов тиристоров анодной группы. Сигналы запрета на выходах этих узлов формируются при поступлении на них соответствующих сигналов от пересчетно-распределительного устройства ПРУ и датчиков состояния тиристоров ДСТ (дающий информацию— включен или выключен тиристор). Например, если на входе узла 1 присутствуют запрещающие сигналы от ПРУ и ДСТ анодной группы, то на его выходе появляется сигнал запрета формирования управляющих импульсов тиристоров катодной группы. В рассматриваемой структуре ПРУ осуществляет деление частоты ЗГ на два и распределение сигналов ЗГ по узлам блокировки. Частота выходных сигналов ЗГ соответствует частоте выходного напряжения преобразователя. Одновременная проводимость тока тиристорами анодной и катодной групп исключается наличием ДСТ, сигналы которых запрещают формирование управляющих импульсов тиристоров соответствующей группы, пока все тиристоры противоположной группы не выключатся. Выходное напряжение преобразователя регулируется автоматическим регулятором напряжения АРН посредством подачи сигнала ∆U_Р на фазосдвигающие устройства ФУ всех каналов, что обеспечивает необходимое значение угла управления α при их внутригрупповой коммутации. Частота выходного напряжения может регулироваться, если использовать ЗГ с регулируемой частотой. На рис.10.4, б приведены диаграммы следования управляющих импульсов и выходного напряжения преобразователя u_ВЫХ.

10.3. Системы управления автономных инверторов

Системы управления инверторов и их структурные схемы могут существенно различаться в зависимости от типа инвертора и принципов регулирования его параметров. Ниже рассматриваются примеры упрощенных структурных схем СУ инверторов тока и инверторов напряжения.

Системы управления инверторами тока.

Среди различных схем инверторов тока наибольшее распространение получила схема параллельного инвертора тока с компенсирующим устройством.

СУ такого инвертора обычно должна обеспечивать стабилизацию частоты и значения выходного напряжения. По принципу синхронизации управляющих импульсов инверторы тока подразделяются на две группы:

1. инверторы с независимым возбуждением, управляющие импульсы в которых синхронизируются от задающего генератора;

2. инверторы с зависимым возбуждением, управляющие импульсы в которых синхронизируются от выходного напряжения самого инвертора. \

При использовании в качестве регулирующего органа компенсирующего устройства выделяют третью группу—инверторы тока с комбинированным возбуждением. В инверторах этой группы управляющие импульсы одного звена (собственно инвертора или компенсатора) синхронизируются от задающего генератора, а другого — от выходного напряжения. Обычно в инверторах тока с комбинированным возбуждением импульсы инвертора синхронизируются от выходного напряжения (так же, как и при зависимом возбуждении), а управляющие импульсы компенсатора — от задающего генератора. Регулирование выходных параметров в инверторах тока с компенсаторами может также выполняться различными способами: воздействием на фазу управляющих импульсов инвертора и воздействием на фазу управляющих импульсов компенсатора. В качестве примеров рассмотрим две типовые структуры СУ однофазного ^: параллельного инвертора тока.

На рис. 10. 5, а представлена структура СУ инвертора с независимым возбуждением. Управляющие импульсы поступают на тиристоры инвертора VS₁ — VS₄ от формирователей импульсов ФИ₁ — ФИ₄. Частота следования этих импульсов задается ЗГ. Если бы компенсатор в схеме отсутствовал, то в установившемся режиме работы фаза выходного напряжения инвертора была бы связана с фазой следования импульсов углом β, который зависит только от параметров нагрузки; Z_H и емкости конденсатора С_к. Для того чтобы изменять угол β в целях регулирования выходного напряжения инвертора U _ВЫХ необходимо воздействовать на проводимость компенсатора, т. е. на фазу управляющих импульсов тиристоров VS₅ и VS₆. Регулирование этой фазы (угла управления компенсатором α осуществляется посредством фазосдвигающих

Рис. 10.5. Система управления однофазного инвертора тока с независимым возбуждением: а—структурная схема; б—диаграммы управляющих импульсов и выходного напряжения инвертора

устройств ФУ₁ и ФУ₂. На их входы поступают сигналы от ЗГ и АРН. Сигналы ЗГ обеспечивают синхронность управляющих импульсов инвертора и компенсатора, а сигнал с выхода АРН определяет фазовый сдвиг между этими импульсами, т. е. угол α.

По принципу регулирования рассматриваемая СУ является статической. Отклонение выходного напряжения от заданного уровня вызывает такое изменение угла α, что происходит процесс уменьшения этого отклонения до малых значений, определяемых коэффициентом усиления системы регулирования. Частота выходного напряжения при такой структуре СУ зависит только от частоты ЗГ.

На рис. 10.5, б представлены диаграммы управляющих импульсов и выходного напряжения инвертора. В рассматриваемом примере в качестве задающего генератора используется двухтактный генератор с выходным переменным напряжением прямоугольной формы. Для формирования управляющих импульсов инвертора используются как положительный, так и отрицательный импульсы ЗГ.

Структура СУ для инвертора тока с комбинированным возбуждением представлена на рис. 10.6. Формирование

Рис. 10.6. Система управления однофазным инвертором тока с комбинированным возбуждением

управляющих импульсов тиристоров VS1 –VS4 происходит синхронно с выходным напряжением с помощью задатчика углов ЗУ, который обеспечивает неизменность фазового сдвига между выходным напряжением и последовательностью управляющих импульсов инвертора. При таком способе формирования управляющих импульсов угол опережения β не зависит от параметров нагрузки, т. е. инвертор работает в режиме зависимого возбуждения или самовозбуждения.

В этом режиме изменение нагрузки в инверторе без компенсатора вызывает изменение частоты выходного напряжения: при сбросе нагрузки частота уменьшается, а при набросе — увеличивается. Наличие в силовой схеме компенсатора (рис. 10.5, а) позволяет стабилизировать частоту выходного напряжения, если на тиристоры VS₅ и VS₆ подавать управляющие импульсы, сформированные от ЗГ и не зависящие от режима работы инвертора. При таком способе управления изменение частоты выходного напряжения будет приводить к изменению угла управления компенсатора α. Характер этого изменения такой, что частота выходного напряжения будет восстанавливаться до полного совпадения с частотой ЗГ. Подобная система автоматического регулирования частоты является астатической.

Для стабилизации выходного напряжения (от изменений входного напряжения) в СУ введен канал регулирования, состоящий из датчика напряжения ДН и автоматического регулятора напряжения АРН. Этот канал является отрицательной обратной связью между входным и выходным напряжениями инвертора. Он обеспечивает увеличение угла β при снижении входного напряжения и уменьшение при его возрастании, т. е. стабилизирует выходное напряжение на заданном уровне.

Рассмотренная структура СУ обеспечивает значительно более высокое качество выходных параметров как в статических, так и динамических режимах работы, чем СУ, структура которой изображена на рис. 10.5, а.

Структуры СУ резонансных инверторов во многом сходны со структурами СУ инверторов тока. Следует отметить, что в некоторых схемах резонансных инверторов стабилизация выходного напряжения осуществляется изменением частоты инвертирования. В частности, такой принцип регулирования используется в резонансных инверторах, выполняющих функции промежуточного звена в комбинированных преобразователях постоянного тока. С этой целью в СУ резонансного инвертора вводится ЗГ с переменной частотой, которая регулируется сигналом цепи обратной связи по выходному напряжению.

Системы управления трехфазных инверторов тока по принципу действия сходны с рассмотренными и отличаются обычно числом каналов управления и наличием некоторых дополнительных функциональных звеньев.

Системы управления инверторами напряжения. Рассмотрим СУ тиристорного инвертора напряжения (рис. 10.7, а). В силовой схеме можно выделить два идентичных плеча с L_KC_K коммутирующими контурами, каждое из которых состоит из основных тиристоров VS₁, VS₂ или VS₅, VS₄ и вспомогательных (коммутирующих) тиристоров VS`₁, VS'₂ или VS'₅, VS'₄.

Рис. 10.7. Система управления однофазного инвертора напряжения:

а — структурная схема; 6—диаграммы импульсов

Вспомогательные тиристоры управляются короткими импульсами, длительность которых соизмерима с длительностью интервала коммутации тиристоров в такой схеме (50—100 мкс). Управляющие импульсы основных тиристоров должны быть широкими, так как при индуктивном характере нагрузки момент прохождения тока обратных диодов через нуль будет изменяться при регулировании выходного напряжения или изменении нагрузки. Поэтому, чтобы очередной силовой тиристор включился, необходимо присутствие на нем управляющего импульса. Однако длительность этого импульса не должна перекрывать интервал коммутации другого тиристора в одноименном плече.

Импульсы от задающего генератора ЗГ₁ первого плеча инвертора поступают на пересчетно-распределительное устройство ПРУ₁, осуществляющее деление частоты ЗГ₁ на два. С выхода ПРУ₁ импульс одновременно поступает на входы ФИ_Х и ФУ₂. Формирователь импульсов ФИ₁ формирует короткий управляющий импульс вспомогательного тиристора VS`₁. Фазосдвигающее устройство ФУ₂ осуществляет фиксированную задержку ∆θ начала формирования управляющего импульса основного тиристора VS₂, поступающего на него с выхода ФИ₂. Поступление следующего импульса от ЗГ₁

приводит к формированию управляющих импульсов для тиристоров VS₂ и VS_U следующих в таком же порядке. Второе плечо инвертора управляется аналогично.

Для обеспечения нормальной работы инвертора необходима синхронизация ЗГ₁ и ЗГ₂. В приведенной структурной схеме синхронизация производится через регулируемое фазосдвига-ющее устройство ФУ, что позволяет производить регулирование выходного напряжения по принципу широтно-импульсной модуляции, для чего сигнал u_о.с цепи обратной связи по выходному напряжению подается на ФУ. Значение сигнала ∆U_P определяет угол фазового сдвига ∆θ' между управляющими импульсами тиристоров VS`<sub>1</sub> и VS'<sub>4</sub> (или VS`₂ и VS'₅), а следовательно, и длительность паузы между положительными и отрицательными значениями выходного напряжения.

Система управления трехфазного инвертора подобного типа имеет сходную структуру. Основное отличие заключается в использовании пересчетно-распределительного устройства, осуществляющего сдвиг по фазе управляющих импульсов основных тиристоров каждого плеча относительно друг друга на угол, равный α.