Материал: Элементы систем автоматического управления. Кириллов Ю.В

Условием критического самовозбуждения является равенство сопротивления цепи самовозбуждения R_св передаточному коэффициенту по току данной обмотки, т. е.

R_св = k_г,т = R_нр. (2.21)

Полученное согласно (2.21) значение сопротивления называется критическим. Так как в соответствии с (2.5) k_г,т = k_гd W_св a_св, то условие (2.21) может быть записано в следующем виде:

(2.22)

Это означает, что при критическом самовозбуждении коэффициент усиления генератора относительно обмотки самовозбуждения должен быть равен 1. Условие (2.22)

Рис. 2.8. Схемы включения обмоток возбуждения генератора с критическим самовозбуждением с двумя обмотками (а) и одной обмоткой (б)

имеет также и графическую интерпретацию: равенство углового коэффициента прямой МДС самовозбуждения W_св/(R_свa_св) величине 1/k_гd означает параллельность характеристики управления генератора и прямой суммарной МДС в осях Е_г, F_d.

Для варианта схемы возбуждения с двумя обмотками (ОВ1 и ОВ2) (рис. 2.8, а)

(2.23)

(2.24)

где R_в2 — сопротивление параллельной обмотки, Ом; R_д — дополнительное сопротивление в цепи параллельной обмотки, Ом.

Для варианта с одной, но разделенной на две равные части обмоткой возбуждения (рис. 2.8,6)

(2.25)

(2.26)

где  – сопротивление резистора, дополнительно включаемого последовательно с симметричной мостовой цепью самовозбуждения, Ом.

Цепь самовозбуждения выполняет функцию положительной обратной связи по ЭДС, ее МДС F_св действует согласно с МДС независимой обмотки F_в1 и при линейной характеристике генератора

(2.27)

Подставляя условие (2.22) в (2.27), получаем, что F_в1=0. Таким образом, любое значение ЭДС обеспечиается самим генератором без постороннего источника возбуждения, т. е. статическая мощность источника независимого возбуждения равна нулю. Однако с учетом нелинейности характеристики управления генератора F_в1≠0 для обеспечения номинального возбуждения потребуется тем большее значение F_в1 ном, чем сильнее насыщен генератор в этом режиме. Значение F_в1 ном легко находится графически. Для этого через точку а на характеристике управления генератора, соответствующую номинальному возбуждению, проводится прямая, параллельная начальному участку характеристики, до пересечения с осью абсцисс (рис. 2.9, б).

Данный способ возбуждения позволяет существенно снизить мощность управления генератором:

для схемы с двумя обмотками возбуждения (см. рис. 2.8, а)

(2.28)

для схемы с одной разделенной обмоткой возбуждения (см. рис. 2.8, б)

(2.29)

где β = F_в1 ном /F_d,ном — относительное значение МДС независимого возбуждения; U_в,ном , I_в,ном ‑‑ номинальные значения напряжения и тока возбуждения в схеме неза­висимого возбуждения.

Характеристику управления относительно F_в1, а также внешнюю характеристику генератора с критическим самовозбуждением можно рассчитать графическим путем, задаваясь для I_я = const рядом значений F_в1 (рис. 2.9, б) или для F_в1 = const рядом значений I_я (рис. 2.9, в).

Динамические режимы генератора с критическим самовозбуждением в пределах прямолинейного участка его характеристики управления будут определяться общим уравнением возбуждения (2.10) с учетом условия (2.22). Совместное решение (2.10) и (2.22) даст уравнение

(2.30)

Рис. 2.9. Характеристики управления при критическом самовозбуждении (а), исходная (б) и внешняя (в) характеристики генератора

3. УПРАВЛЯЕМЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ НА ОДНООПЕРАЦИОННЫХ ТИРИСТОРАХ

3.1. Параметры управляемого вентиля-тиристора

В управляемых выпрямителях применяются вместо диодов управляемые вентили –тиристоры. Вольт амперная характеристика тиристора напоминает характеристику диода, но в отличие от нее имеет на прямой ветви выброс, симметричный обратной ветви. По этой причине тиристор не будет проводить ток как в прямом, так и в обратном направлении (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Вольт-амперная характеристика тиристора

При положительной полярности напряжения на аноде тиристор может проводить ток, если подать импульс на управляющий электрод (УЭ) длительностью не меньше t_вкл (1-10мксек). В этом случае снижается напряжение выброса до минимума и вольт амперная характеристика становится похожей на характеристику диода.

После включения тиристора необходимость управляющего импульса отпадает. Для его выключения требуется уменьшить ток в тиристоре (меньше I_уд) в течение определенного времени (больше t_выкл>t_вкл). В цепях переменного тока выключение тиристора происходит естественно при изменении направления тока. В цепях постоянного тока используется система искусственной коммутации.

К основным показателям тиристора следует отнести допустимые прямое и обратное напряжения (U_пр, U_обр), средний и амплитудные токи, I_уд. Минимальный ток удержания I_уд -ток, при котором тиристор еще находится в открытом состоянии.

По цепи управления тиристор характеризуется величиной тока и длительностью управляющего импульса.

Тиристор критичен к скорости изменения напряжения на аноде. При достаточно большой скорости возможно его самопроизвольное включение. При высокой скорости изменения тока так же может быть пробой.

В управляемом выпрямителе регулирование выходного напряжения осуществляется изменением момента включения угла регулирования . Отсчет угла регулирования производится от точки естественной коммутации.

3.2 Однополупериодные схемы выпрямления однофазного тока

Рис. 3.2 - Управляемый однополупериодный выпрямитель

Управление выходным выпрямленным напряжением сводится к управлению во времени моментом отпирания тиристора. Это делается короткими импульсами с крутым фронтом (иголка). Если тиристор открыт в течение всего полупериода, то на выходе получается пульсирующее напряжение, аналогично неуправляемому выпрямителю. При изменении времени задержки отпирания тиристоров меняется выпрямленное напряжение в сторону уменьшения. Это видно из графиков ниже. Для каждой задержки соответствует определенный угол сдвига по фазе между напряжением на тиристоре и сигналом управления. Этот угол называется углом управления или регулирования и определяется как α=ωt_з. t_з - то самое время задержки, ω - угловая частота (ω=2πf).

Рис. 3.3. - Принцип управления выпрямленным напряжением задержкой открывания тиристоров

Управлять тиристором можно, например, с помощью вот такого фазовращателя (рис. 3.4):

Рис. 3.4 - Фазовращатель

3.3. Двухполупериодные схемы выпрямления однофазного тока

Вентильные схемы с нулевым выводом характеризуются тем, что токи во вторичных обмотках имеют одно направление и поэтому содержат постоянную и переменную составляющие. В зависимости от наличия броневой или стержневой магнитной системы для полной компенсации намагничивающих сил трансформатора обмотки следует располагать по-разному.

В дальнейшем будем рассматривать однофазную двухполупериодную однотактную схему, представленную на рис. 3.5,а, при этом подразумевается, что в схемах рис. 3.5,а и рис. 3.5,б электромагнитные процессы протекают одинаково, т.е. обе схемы магнитно уравновешены.

Рис. 3.5. Двухполупериодная однотактная вентильная схема: а – с броневой магнитной системой; б – со стержневой магнитной системой

 Вторичная обмотка трансформатора имеет секции и с напряжениями и , сдвинутыми по фазе на 180⁰.

Для напряжений секций и трансформатора имеем

,

где – действующее значение напряжения одной секции вторичной обмотки трансформатора.

Постоянная составляющая выпрямленного напряжения

Действующие значения напряжения через коэффициент схемы

Постоянная составляющая выпрямленного тока

,

а постоянная составляющая тока через один вентиль

Амплитуда тока вентиля

Когда вентиль 1 закрыт, на его катод с помощью токопроводящего вентиля 2 подается напряжение .

Поэтому обратное напряжение на вентиле

, (3.5)

,

а его амплитуда

Мгновенное значение первичного тока

.

Так как ток меняется синусоидально, его действующее значение

Мощность трансформатора

Параметры трансформатора и вентилей несколько изменяются при работе выпрямителя на нагрузку , когда .

Действующее значение тока вторичной обмотки

.

Действующее значение напряжения вторичной обмотки