Исследование аналоговой системы импульсно-фазового управления однофазного управляемого выпрямителя

Цель работы:

1. Изучить принципы построения аналоговых систем импульсно - фазового

управления управляемых выпрямителей.

2. Изучить работу основных узлов системы импульсно-фазового управления однофазного управляемого выпрямителя.

3. Практически исследовать работу основных узлов системы импульсно -

фазового управления однофазного управляемого выпрямителя на универсальном лабораторном стенде "Основы электропривода и преобразовательной техники".

Краткие теоретические сведения [2].

Система импульсно - фазового управления (СИФУ) предназначена для

формирования управляющих импульсов на тиристоры управляемого выпрямителя в функции входного управляющего сигнала.

Существует большое многообразие СИФУ. Они различны по своим свойствам. Однако имеют какие-то специфические признаки. К числу основных признаков относятся:

1 – способ отсчета угла α,

2 – тип синхронизации,

3 – вид развертываемого сигнала,

4 – форма преобразования сигнала.

По способу отсчета угла α СИФУ делят на:

- одноканальные,

- многоканальные.

В многоканальных СИФУ отсчет углов α для каждого тиристора производится в собственном канале, в одноканальных – в одном канале для всех тиристоров. Одноканальные СИФУ позволяют исключить различие параметров элементов цепей задающих выдержки времени.

· По типу синхронизации различают:

- синхронные СИФУ,

- асинхронные СИФУ.

В синхронных СИФУ определения требуемого момента включения тиристора производится путем отсчета временного интервала от момента перехода через 0 временной оси синусоиды питающего напряжения сети, в асинхронных – от момента предыдущего включения тиристора. В асинхронных СИФУ синхронизация с сетью служит только для ограничения углов. Асинхронные СИФУ могут быть только одноканальными, синхронные - и одноканальными и многоканальными.

· По виду развертываемого сигнала СИФУ делят на:

- СИФУ вертикального действия,

- СИФУ интегрирующего действия.

В СИФУ вертикального действия развертывается опорный сигнал, а в

СИФУ интегрирующего действия – управляющий сигнал.

По форме опорного сигнала СИФУ делят на:

- СИФУ с линейной формой кривой опорного напряжения;

- СИФУ с косинусоидальной формой кривой опорного напряжения.

· По форме преобразования информации различают:

- аналоговые СИФУ,

- цифровые СИФУ.

Цифровые СИФУ по сравнению с аналоговыми определяют более высокую технологичность, практически отсутствуют настройки и наладки при вводе в эксплуатацию.

Для выполнения своих основных функций СИФУ должна содержать четыре основных устройства:

- устройство синхронизации;

- фазосдвигающее устройство;

- формирователи импульсов;

- распределитель импульсов.

На рис.2.1 представлена структурная схема аналоговой СИФУ вертикального действия.

Рис.2.1 - Структурная схема аналоговой СИФУ вертикального действия:

УВ – управляемый выпрямитель;

УС – устройство синхронизации;

ФСУ – фазосдвигающее устройство;

ГПН – генератор пилообразного напряжения;

СС – система сравнения;

ФИ – формирователь импульсов;

РИ – распределитель импульсов;

У – усилитель.

Устройство синхронизации СИФУ должно обеспечивать фазосдвигающее

устройство опорными сигналами, относительно которых сдвигается фаза им-

пульсов управления.

Опорные сигналы в зависимости от типа СИФУ и требуемых функций

могут быть двух видов:

- широкие прямоугольные импульсы, длительность которых составляет половину периода напряжения питающей сети;

- узкие прямоугольные импульсы длительностью 1…3 электрических градуса, формирующиеся в момент перехода через ноль синусоиды питающего напряжения.

На рис. 2.2 представлены временные диаграммы, поясняющие работу элементов аналоговой СИФУ вертикального действия.

На рис. 2.2 (диаграмма 1) представлена синусоида питающего напряжения, и широкие импульсы опорных сигналов для положительного полупериода питающего напряжения (диаграмма 2) и отрицательного полупериода (диаграмма 3).

Узкие импульсы необходимы в том случае, когда сдвиг фазы импульсов

для тиристоров УВ производится в одном канале.

Генератор пилообразного напряжения в соответствии с синхронизирующими импульсами (узкие импульсы) производит развертку опорного напряжения в пилообразное напряжение (диаграмма 5).

Фазосдвигающее устройство формирует управляющие импульсы (диаграмма 6) в момент равенства пилообразного напряжения и напряжения управления (диаграмма 5).

Формирователь импульсов формирует импульсы управления определенной длительности с требуемой крутизной переднего фронта, которые затем

распределителем импульсов распределяются на соответствующие управляющие электроды тиристоров УВ. Например, на тиристоры, работающие по положительной полуволне питающего напряжения (диаграмма 7) и тиристоры, работающие по отрицательной полуволне (диаграмма 8).

Управление тиристорами УВ желательно осуществлять импульсами возможно меньшей длительности, так как увеличение длительности импульса управления приводит к возрастанию мощности схемы управления. С другой стороны длительность импульса управления должна быть достаточной, чтобы ток через тиристор достиг тока включения (длительность импульса управления должна несколько превышать время включения тиристора, то есть время перехода его из запертого состояния в открытое).

Рис. 2.2 - Временные диаграммы, поясняющие принцип работы СИФУ вертикального действия:

Необходимо также обеспечить достаточно крутой передний фронт управляющего импульса, что уменьшает потери мощности в тиристоре при включении, а, следовательно, его нагрев.

В универсальном лабораторном стенде реализован фазовый метод

управления с вертикальным способом управления, основанный на сравнении

опорного напряжения (пилообразной формы) и постоянного напряжения сигнала управления (U_у). Равенство мгновенных значений этих напряжений

определяет фазу α, при которой схема вырабатывает импульс, затем усиливаемый и подаваемый на управляющий электрод тиристора. Изменение фазы α управляющего импульса достигается изменением уровня напряжения сигнала управления U_у (задаваемого резистором R18). Опорное напряжение, вырабатываемое генератором пилообразного напряжения, собранного на усилителе А1 и синхронизированное с напряжением сети с помощью микроконтроллера, подаётся на схему сравнения, реализованную на усилителе А2, на которую одновременно поступает и входное напряжение (сигнал управления).

Сигнал со схемы сравнения поступает на микроконтроллер, выполняющий

роль распределителя и формирователя импульсов, затем на усилители мощности (роль усилителей мощности выполняют импульсные трансформаторы), откуда в виде мощного, обладающего крутым фронтом и регулируемого по фазе импульса подаётся на управляющий электрод тиристора.

Порядок выполнения работы:

1. Изучить краткие теоретические сведения о системах импульсно - фазового управления.

2. Теоретически построить для заданного угла управления временные диаграммы на выходе каждого элемента СИФУ:

- согласующего трансформатора;

- устройства синхронизации;

- генератора пилообразного напряжения;

- системы сравнения;

- распределителя импульсов.

3. Экспериментально снять временные диаграммы для заданного угла

управления на выходе каждого элемента СИФУ:

- согласующего трансформатора (TV1);

- устройства синхронизации (порт 2 микроконтроллера);

- генератора пилообразного напряжения (конденсатор С11);

- системы сравнения (конденсатор С12);

- распределителя импульсов (порт 1 микроконтроллера).

4. Повторить теоретические по п.2 и экспериментальные по п.3 исследования для другого угла управления.

5. Сравнить экспериментально снятые временные диаграммы по п.3 с теоретически построенными по п.2 и сделать выводы.

6. Оформить отчет по лабораторной работе.

Описание универсального лабораторного стенда [1].

Для экспериментального исследования работы аналоговой системы импульсно-фазового управления необходим осциллограф (желательно с памятью).

На передней панели универсального лабораторного стенда представлена

мнемосхема аналоговой СИФУ (см. рис. 2.3), каждый элемент которой

оснащен выводами для подключения осциллографа.

Стенд также позволяет осуществить индикацию измеренных величин и

передачу данных на компьютер через интерфейс RS485.

В данной лабораторной установке реализована одноканальная синхронная аналоговая СИФУ вертикального действия.

Синхронизация с сетью осуществляется по линейному напряжению U_АС.

Напряжение от сети через понижающий трансформатор TV1 поступает на

вход компаратора микроконтроллера, который формирует синхронизирующие импульсы в момент перехода синусоиды линейного напряжения через ноль. Ввиду того, что сдвиг фазы импульсов управления для тиристоров управляемого выпрямителя производится в одном канале, то синхронизирующие импульсы должны быть узкими. Таким образом, микроконтроллер в аналоговой СИФУ выполняет роль устройства синхронизации.

Синхронизирующие импульсы с выхода микроконтроллера (порт 2) поступают на транзистор VT11, который шунтирует конденсатор С11 в цепи

обратной связи операционного усилителя А1. Операционный усилитель А11

собран по интегрирующей схеме, благодаря чему на выходе формируется

сигнал пилообразного напряжения. Сброс интегратора в исходное состояние

осуществляется в момент подачи импульса синхронизации от устройства

синхронизации. Таким образом, операционный усилитель А11, собранный по

интегрирующей схеме с конденсатором С11 в цепи обратной связи и шунтирующим транзистором VT11, на вход которого подается опорное напряжение, в аналоговой СИФУ выполняет роль генератора пилообразного напряжения.

Генератор пилообразного напряжения формирует на выходе развертку опорного напряжения.

Далее сигнал с выхода генератора пилообразного напряжения поступает на вход операционного усилителя А2. На вход этого усилителя поступает и сигнал напряжения задания, величина которого регулируется резистором R18. Операционный усилитель А2 формирует на своем выходе сигнал в момент равенства сигналов на входе (напряжение пилообразного напряжения и напряжение задания). Таким образом, на операционном усилителе А2 реализовано фазосдвигающее устройство, основная задача которого осуществить задержку импульсов управления тиристорами УВ относительно импульсов синхронизации. Чтобы сформировать узкие импульсы управления положительной полярности, на выходе операционного усилителя включены конденсатор С12 и диод VD11.

Импульсы управления с выхода фазосдвигающего устройства поступают на вход микроконтроллера, который выполняет роль формирователя и распределителя импульсов. Далее управляющие импульсы через драйвер подаются на соответствующие управляющие электроды тиристоров УВ.

Рис. 2.3 - Схема аналоговой системы импульсно - фазового управления

Микроконтроллер вместе с драйверами обеспечивает получение импульсов тока управления в цепи управляющих электродов тиристоров с требуемой крутизной переднего фронта и требуемой длительности, для обеспечения надежного включения тиристоров в заданные моменты времени. Кроме этого обеспечивается гальваническое разделение цепей управления и силовых цепей.

Отметим, что в приведенном выше примере СИФУ управляемого выпрямителя опорный сигнал имеет пилообразную форму (см. рис.2.2) и изменяется во времени по линейному закону (2.1):

u_оп=U_{оп m}(1-2ωt/π), (2.1)
где U_{оп m} – максимальное (амплитудное) значение опорного сигнала;

ωt – текущее значение временной координаты.

Форма опорного сигнала оказывает существенное влияние на регулировочную характеристику управляемого выпрямителя и на величину его коэффициента передачи.

Регулировочная характеристика управляемого выпрямителя при различных формах кривой опорного напряжения [2].

Рассмотрим первый случай выполнения СИФУ – опорный сигнал изменяется во времени по линейному закону, см. формулу (2.1).

При ωt=α напряжения управления U_у равно опорному сигналу u_оп. В этот момент происходит формирование импульса управления (см. рис. 2.2). Формула (2.1) для этого момента времени принимает вид:

U_у=u_оп=U_{оп m}(1-2α/π). (2.2)

Введем относительный параметр сигнала управления Ū_у=U_у/U_{оп m}.

Формула (2.2) принимает вид

Ū_у=1-2α/π. (2.3)

Из выражения (2.3) получим выражение регулировочной характеристики системы управления α=f(Ū_у):

α=π(1- Ū_у)/2. (2.4)

Анализируя выражение (2.4), можно установить, что регулировочная характеристика СИФУ при линейном изменении опорного сигнала во времени линейна на всем диапазоне изменения сигнала управления

+U_{оп m}<U_у<-U_{оп m}.

Регулировочная характеристика собственно самого выпрямителя (т.е. силовой схемы) при активно – индуктивном характере нагрузки (L_d→∞) изменяется по косинусоидальному закону:

U_d=U_d0cosα или в относительных единицах

Ū_d=U_d/U_d0=cosα. (2.5)

Регулировочная характеристика выпрямителя в целом представляет собой зависимость выпрямленного напряжения от сигнала управления, Ū_d=f(Ū_У):

Ū_d=U_d/U_d0=cosα=cos[π(1- Ū_у)/2]=sin(πŪ_у/2). (2.6)

Анализируя выражение (2.6), можно установить, что результирующая регулировочная характеристика выпрямителя вместе в целом, опорный сигнал которой изменяется во времени по линейному закону, изменяется по синусоидальному закону, т.е. имеет нелинейный характер. Следовательно, коэффициент передачи такого выпрямителя переменный и величина его зависит от величины сигнала управления. Действительно,

(2.7)

Из формулы (2.7) видно, что при Ū_у=0 напряжение на выходе выпрямителя также равно нулю, а относительная величина коэффициента передачи выпрямителя равна максимальному значению, k_в=π/2.

При Ū_у=1 напряжение на выходе выпрямителя достигает максимального значения (Ū_d=1), а относительная величина коэффициента передачи выпрямителя равна нулю.

Переменное значение коэффициента передачи выпрямителя при регулировании его выходного напряжения крайне нежелательно с точки зрения обеспечения устойчивости работы выпрямителя и точности поддержания его выходного напряжения. Другими словами, система с нелинейной регулировочной характеристикой управляемого выпрямителя в этом случае является сугубо нелинейной и настройка ее существенно усложнена.

Отметим, что на практике часто компенсируют нелинейность результирующей регулировочной характеристики с помощью нелинейного устройства, устанавливаемого на входе СИФУ, и нелинейность результирующей регулировочной характеристики оказывается несущественной.

Рассмотрим второй случай выполнения СИФУ – опорный сигнал изменяется во времени по косинусоидальному закону, т.е.:

(2.8)

При равенстве напряжения управления U_у и опорного сигнала u_оп (при ωt=α) происходит формирование импульса управления и формула (2.8) приобретает вид

(2.9)

Введем относительный параметр сигнала управления

Формула (2.9) принимает вид

(2.10)

Из (2.10) получим регулировочную характеристику СИФУ при косинусоидальной форме кривой опорного сигнала

α=arccosŪ_у.

Учитывая, что регулировочная характеристика силовой схемы выпрямителя соответствует формуле (2.5), получим выражение регулировочной характеристики управляемого выпрямителя при косинусоидальной форме кривой опорного напряжения в целом:

Ū_d=U_d/U_d0=cosα=cosarccosŪ_у=Ū_у. (2.11)

Из (2.11) видно, что при косинусоидальной форме кривой опорного напряжения результирующая регулировочная характеристика управляемого выпрямителя в целом линейна, а коэффициент передачи выпрямителя имеет постоянное значение на всем диапазоне изменения сигнала управления.

Таким образом, при косинусоидальной форме кривой опорного напряжения управляемый выпрямитель представляет собой линейное звено с постоянным коэффициентом передачи, равным

(2.12)

Отметим, что вид регулировочной характеристики (2.11) весьма желателен, если выпрямитель работает в той или иной системе автоматического регулирования, так как можно не заботиться об устойчивости такой системы во всем диапазоне регулирования, если произведена ее стабилизация в одной точке. Естественно, это дает также известные удобства при анализе таких систем.