Материал: Элементы систем автоматического управления. Кириллов Ю.В

Начиная с угла при активной нагрузке регулировочная характеристика описывается формулой (кривая 1 на рис.5)

.

Рис. 3.25. Регулировочные характеристики: 1 – при активной нагрузке; 2 – при активно-индуктивной нагрузке

Заштрихованная область на рис. 3.25 соответствует семейству регулировочных характеристик в режиме с прерывистым током i_d при различных значениях .

Примем индуктивность настолько большой, что ток нагрузки до момента отпирания следующего вентиля не успевает пройти через нуль. Когда ток через нуль не проходит, он нарастает от интервала к интервалу и устанавливается в течение ряда периодов (обычно трех, четырех).

В трехфазной мостовой схеме к нагрузке подключено напряжение

,

где , а угол естественного включения вентилей при составляет .

Ток через нагрузку определяется дифференциальным уравнением

Общий интеграл решения уравнения (9)

где ; - угол нагрузки; - постоянная времени цепи нагрузки; – постоянная интегрирования, определяемая в каждом конкретном случае из начальных условий.

Для определения тока в любом интервале времени удобно воспользоваться разностными уравнениями.

В общем случае к нагрузке может быть подключено напряжение с противо- ЭДС

,

где – противо-ЭДС, например, аккумуляторная батарея или якорь двигателя постоянного тока. При воздействии противо-ЭДС можно получить режим прерывистых токов, где уравнения (9) и (10) недействительны.

Контрольные вопросы

1. По каким соотношениям рассчитывают действующие и средние значения несинусоидальных напряжений и токов?

2. Нарисовать временные диаграммы, написать и вычислить интегралы, связывающие Ed и Е₂, и в однофазном управляемом выпрямителе при и активной нагрузке, при активно-индуктивной нагрузке в режиме непрерывного тока.

3. Нарисовать временные диаграммы в однофазном управляемом выпрямителе (активно-индуктивная нагрузка) при и зависимом инверторе при a . Объяснить различие в этих диаграммах.

4. Вывести уравнение регулировочной характеристики однофазного преобразователя при активной нагрузке и при активно-индуктивной нагрузке (режим непрерывного тока), объяснить различие в величинах Ed при одинаковом угле управления.

5. Объяснить процессы коммутации в однофазном управляемом выпрямителе и ведомом инверторе, вывести уравнение внешней характеристики выпрямителя и входной характеристики инвертора. Почему первая из них при увеличении имеет падающий характер, а вторая возрастающий (объяснить с помощью временных диаграмм u_d)?.

6. Как можно регулировать мощность, передаваемую через инвертор? Почему ограничивается максимальное значение угла (минимальное значение угла ) ?

7. Построить кривую анодного напряжения вентиля в одно фазном выпрямителе при в режиме непрерывного тока и в режиме прерывистого тока нагрузки (R и RL-нагрузка), объяснить скачки в кривой.

8. Какой ток и напряжение в нагрузке можно получить в трехфазном нулевом выпрямителе, собранном на трех вентилях 10-го класса, рассчитанных на средний ток 1000 А каждый?

9. Нарисовать временные диаграммы, написать и вычислить интегралы, связывающие напряжения Ed и Е₂, токи в трех фазном нулевом и мостовом выпрямителях с - RL -нагрузкой.

10. Объяснить влияние индуктивности рассеяния на процессы в трехфазных выпрямителях. Вывести формулу внешней характеристики трехфазного нулевого выпрямителя.

11. Объяснить форму кривой первичного тока трехфазного нулевого и мостового выпрямителей. Какое влияние на форму первичного тока оказывает угол управления и коммутационные процессы?

4. Инверторы

4.1. Однофазный инвертор со средней точкой

Работа преобразователя в выпрямительном режиме была рассмотрена выше. При угле регулирования девяносто градусов выходное напряжение выпрямителя при индуктивном

Рис. 4.1. Схемы и графики работы преобразователя напряжения в выпрямительном и инверторном режимах

характере нагрузки станет равным нулю. Дальнейшее увеличение угла не изменит выходное напряжение.

Если вместо двигателя включить генератор, поддерживающий ток в дросселе, процессы будут описываться теми же выражениями, полученными для управляемого выпрямителя Id. Но при этом произойдет качественное изменение энергетических процессов. Если раньше, в выпрямительном режиме, напряжение на нагрузке было положительным и энергия из сети отдавалась в нагрузку, то в инверторном режиме, напряжение на генераторе отрицательное и энергия передается от него в сеть переменного тока. Диаграммы тока первичной обмотки трансформатора в режиме выпрямления и инвертирования отличаются по фазе. В режиме выпрямления напряжение и ток в первичной обмотке совпадают по фазе. В режиме инвертирования фазы противоположны, что соответствует передаче энергии от генератора в сеть.

Инвертор характеризуется углом опережения  =  - . Заменяем в уравнениях внешней характеристики управляемого выпрямителя угол управления на угол опережения =- и получим соответствующие выражения для режима инвертирования.

Р ис. 4.2. Внешние характеристики инвертора

Внешнюю характеристику инвертора иногда изображают, принимая выходное напряжение преобразователя положительным. Это напряжение называют собственной противо ЭДС инвертора. Собственная противо ЭДС инвертора складывается из напряжения на генераторе и напряжения коммутации -Ux.

Характеристикой надежности инвертора ведомого сетью служит величина послекоммутационного угла -, в течение которого к выключающемуся тиристору приложено обратное напряжение.

Для восстановления запирающих свойств тиристору необходимо некоторое время _min = *t_выкл, в течение которого нельзя прикладывать прямое напряжение. Это время и определяет величину послекоммутационного угла.

Для надежной работы инвертора требуется, чтобы   _min. Если время на восстановление запирающих свойств будет недостаточным, произойдет явление, называемое опрокидыванием инвертора, когда оказываются включенными одновременно оба тиристора.

Подставив в систему уравнений внешней характеристики  = - , получим

Входная и ограничительная характеристики инвертора. Зависимость входного постоянного напряжения (собственной противо эдс) от тока является входной характеристикой инвертора.

Ограничительная характеристика определяет входное напряжения, при котором невозможно опрокидывание инвертора.

Ограничительную характеристику можно получить из решения системы уравнений

(4.1)

(4.2)

Если вентили идеальные  = min =0, тогда Udи = Udи0 -Ux

При реальных вентилях Udи = Udи0*cos(min) -Ux

Ограничительная характеристика представляет зеркальное отражение внешней характеристики, гарантирует минимальный заданный угол восстановления запирающих свойств тиристора.

4.2. Инверторы напряжения

Инверторами напряжения называются автономные преобразователи, в которых переменное напряжение на нагрузке образуется в результате ее периодического подключения с помощью ключей к источнику постоянного напряжения, причем с помощью ключей обеспечивается чередующаяся полярность импульсов напряжения на нагрузке. Инверторы напряжения выполняются на полностью управляемых приборах (транзисторах, двухоперационных тиристорах, однооперационных тиристорах, снабженных цепями коммутации).

На рис. 4.3, а приведена схема однофазного мостового инвертора напряжения на полностью управляемых вентилях (обратить внимание на изображение запираемого тиристора).

При включенных тиристорах VI и V4 и выключенных V2 и V3 нагрузка подключается левым концом к положительной шине питания, а правым — к отрицательной и ток течет, как показано на рисунке. Если VI и V4.выключить, a V2 и V3 включить, то напряжение и ток нагрузки изменят направление. При активной нагрузке (L_H=0) ток нагрузки повторяет по форме напряжение на нагрузке . На рис. 9.6, 6 штриховой линией показаны кривая тока нагрузки и входного тока инвертора i при L_H=0. Ток и напряжение имеют прямоугольную форму.

При активно-индуктивной нагрузке ток нагрузки i'_н изменяется по экспоненциальному закону с постоянной времени . При запирании VI и V4 в момент t₂, несмотря на поступление отпирающих импульсов на V2 и V3, ток нагрузки i'_н из-за присутствия индуктивности L_H будет стремиться сохранить свое направление. Для того чтобы после запирания VI и V4 открыть путь току нагрузки, тиристоры шунтируют диодами V10—V40. Поэтому ток нагрузки i'_н при t₂<t<t₃ протекает через V20 и V30 и возвращает часть энергии, запасенной в индуктивности, обратно в источник Е.

При t= t₃ ток нагрузки i„ становится равным нулю, а при t>t₃ ток начинает протекать в противоположном направлении через V2 и V3, на управляющих электродах ко­торых продолжают присутствовать отпирающие сигналы. Аналогично на интервале to<i<t₁, т. е. после запирания V2 и V3, ток нагрузки протекает через V10 и V40.

Выходное напряжение инвертора напряжения из-за малой длительности процесса коммутации (запирание вентилей, даже с учетом процессов в коммутационных узлах, если инвертор выполнен на однооперациоиных тиристорах, длится не более 200 мкс) по форме близко к прямоугольному и не зависит от, тока нагрузки. В связи с этим внешняя (нагрузочная) характеристика инвертора напряжения представляет собой прямую линию с очень малым наклоном.