Элементы систем автоматики и их характеристики

ЭЛЕМЕНТЫ СИСТЕМ АВТОМАТИКИ

Утверждено в качестве учебного пособия

Ученым советом Государственного образовательного учреждения

высшего профессионального образования

«Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет»

Комсомольск-на-Амуре 2003

УДК 621.3

ББК 32.96-04 я7

В 194

Васильченко С.А. (Автор-составитель)

В 194 Элементы систем автоматики: Учебно-методическое пособие. - Комсомольск-на-Амуре: ГОУВПО «КнАГТУ», 2003. - 138 с.

В учебном пособии изложены основные сведения о принципе действия, конструкции, структуре и характеристиках элементов систем автоматики, даны методики расчета их параметров и основных характеристик.

Предназначено для студентов дистанционной и заочной форм обучения.

ББК 32.96-04 я7

Ó Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет», 2003

Ó Институт новых информационных технологий Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет», 2003

ВВЕДЕНИЕ

Системы автоматики являются обязательной частью большинства современных технических устройств и в значительной мере определяют эффективность их функционирования. В предлагаемом учебном пособии рассматривается элементная база систем автоматики, реализующая требуемые свойства этих систем.

Пособие должно использоваться при изучении курса "Элементы систем автоматики" и предназначено для студентов дистанционной формы обучения специальности "Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов", поэтому рассматриваемые элементы, в первую очередь, ориентированы на использование в составе автоматизированных электромеханических систем.

Задача дисциплины "Элементы систем автоматики" - приобретение умения составления функциональной и структурной схем элемента, математической записи взаимосвязи между входными и выходными величинами элемента, записи передаточной функции элемента, анализа его статических и динамических свойств, выбора элемента по его техническим данным.

Теоретическая часть пособия в основном составлена из материалов, изложенных в учебной литературе, приведенной в списке литературы. В этой литературе в большом объеме и подробно рассмотрено большинство элементов автоматических систем, поэтому в процессе изучения дисциплины целесообразно ее использование дополнительно к теоретическим и практическим разделам пособия. В каждом параграфе пособия даны ссылки на литературные источники, материал которых был использован в данном параграфе. Для самостоятельной проверки знаний, полученных при изучении теоретического материала пособия, по каждой изучаемой теме приводится набор вопросов для самоконтроля.

В связи с ограниченным объемом пособия основное внимание уделено не изучению конструктивных особенностей элементов и их работы, а изучению их свойств управления, которые необходимо знать для анализа и синтеза автоматических систем, содержащих эти элементы. Однако в тексте пособия предусмотрены ссылки на учебную литературу, где более подробно рассмотрены особенности конструкции изучаемых элементов.

Пособие содержит набор вариантов заданий практического характера, которые необходимо выполнить при изучении курса "Элементы систем автоматики", и примеры выполнения подобных заданий. Следует помнить, что при выполнении практических заданий допустимы любые методики решения поставленных задач, однако указанные правила оформления решения практических заданий должны соблюдаться.

В пособии также даны лабораторные работы, предусмотренные рабочей программой курса "Элементы систем автоматики", методические указания к их выполнению и дан список вопросов для экзамена.

Учебный курс "Элементы систем автоматики" базируется на дисциплинах "Электрические машины", "Теория автоматического управления", "Преобразовательная техника", "Промышленная электроника". Хорошее понимание этого учебного курса может быть достигнуто только после изучения указанных выше дисциплин, поэтому при необходимости надо обращаться к учебным пособиям по данным дисциплинам или использовать соответствующую учебную литературу.

Вопросы для самопроверки

1. Какие узлы системы автоматики называются ее элементами?

2. Какие функции выполняют элементы систем автоматики?

3. Какой уровень сложности конструкции характерен для элемента?

4. На какие группы делятся элементы по энергетическому признаку?

5. Какие основные силовые элементы входят в состав автоматизированных электроприводов?

6. Какие основные управляющие элементы входят в состав автоматизированных электроприводов?

7. Может ли сложный по конструкции элемент выполнять простые управляющие функции?

Вопросы для самопроверки

1. Какую особенность элемента характеризует представление его в виде многополюсника?

2. Назовите внешние координаты элемента.

3. Какая координата элемента называется внутренней?

4. Какое возмущающее воздействие, действующее на элемент, называется основ-ным?

5. Сколько входных и выходных координат характерно для реальных типовых элементов?

6. Что может рассматриваться в качестве основного результирующего входного воздействия элемента при наличии многих внешних управляющих воздействий?

7. Что обычно является основным управляющим воздействием для элемента, выходная координата которого - ЭДС или напряжение?

8. Что такое координата элемента как функциональная величина?

9. Что такое физический носитель координаты элемента?

10. Что такое переходный процесс в элементе и когда он начинается?

11. Что такое статический режим элемента и когда он существует?

12. Что можно считать наиболее общим математическим описанием элемента в динамических и статических режимах его работы?

13. Что такое семейство характеристик управления элемента?

14. В каких осях координат строятся графики характеристик управления элемента?

15. Что такое семейство внешних характеристик элемента?

16. В каких осях координат строятся графики внешних характеристик элемента?

17. Когда элемент имеет единственную характеристику управления?

18. По виду каких характеристик можно судить о линейности или нелинейности элемента?

19. По изменению какого показателя статических характеристик оценивается величина нелинейности элемента?

20. Может ли реальный элемент быть абсолютно линейным?

21. В каких режимах работы систем автоматики даже существенно нелинейный элемент при инженерных расчетах может считаться линейным?

22. Как сказывается на линейности и результирующем коэффициенте передачи элемента охват его отрицательной обратной связью по выходной координате?

23. Какие свойства элемента отражены в его переходной характеристике?

24. В каких осях координат строятся графики переходных характеристик элементов?

25. Какой форме входного воздействия соответствует переходная характеристика элемента?

26. Что такое математическая модель элемента в виде структурной схемы?

27. Что такое звено структурной схемы элемента?

28. Что такое передаточная функция линейного звена в форме изображений по Лапласу?

29. Возможен ли переход от модели элемента в виде структурной схемы к его модели в виде системы дифференциальных и алгебраических уравнений?

30. Когда структурную схему элемента можно представить в виде одного эквивалентного линейного звена?

31. Какие свойства элемента могут быть определены на основании данных его амплитудной частотной и фазовой частотной характеристик?

32. Какие свойства замкнутой системы могут быть определены на основании данных амплитудных частотных и фазовых частотных характеристик входящих в нее элементов?

33. Что является основными достоинствами частотных методов анализа свойств замкнутой системы?

34. Что является основным недостатком частотных методов анализа свойств замкнутой системы?

Вопросы для самопроверки

1. Какое преобразование энергии осуществляется генератором постоянного тока при его работе в генераторном режиме?

2. Назовите основные достоинства преобразовательного агрегата из приводного двигателя переменного тока и генератора постоянного тока.

3. Назовите основные недостатки преобразовательного агрегата из приводного двигателя переменного тока и генератора постоянного тока.

4. Как можно регулировать выходную ЭДС генератора постоянного тока?

5. Перечислите основные допущения, при которых генератор постоянного тока можно считать линейным звеном?

6. Что обусловливает неоднозначность характеристик управления генератора постоянного тока для случая, когда выходной координатой будет напряжение на обмотке якоря?

7. Что необходимо принять за выходную координату генератора постоянного тока для того, чтобы исключить неоднозначность характеристик управления?

8. Какова жесткость внешних характеристик генератора постоянного тока в случае, когда выходной координатой будет ЭДС генератора?

9. Какому элементарному звену структурной схемы соответствует передаточная функция генератора постоянного тока, когда в качестве выходной координаты звена рассматривается ЭДС обмотки якоря, а в качестве входной - напряжение на обмотке возбуждения?

10. Какие электрические параметры генератора определяют быстродействие генератора постоянного тока при регулировании выходной ЭДС изменением напряжения возбуждения?

11. Как влияет на быстродействие генератора постоянного тока наличие вихревых токов в элементах конструкции генератора?

12. Какой вид имеет формула передаточной функции генератора постоянного тока при регулировании выходной ЭДС изменением напряжения возбуждения?

13. Какой вид имеет формула переходной характеристики генератора постоянного тока при регулировании выходной ЭДС изменением напряжения возбуждения?

14. Какой вид имеет формула для расчета электромагнитной постоянной времени обмотки возбуждения генератора постоянного тока?

15. Чему равна частота среза логарифмической амплитудной частотной характеристики генератора постоянного тока при регулировании выходной ЭДС изменением напряжения возбуждения?

16. Как можно уменьшить электромагнитную постоянную времени обмотки возбуждения генератора постоянного тока?

Электромашинные усилители

Электромашинные усилители (ЭМУ) используются в качестве регулируемых источников напряжения в различных системах автоматики, обычно в системах регулируемого электропривода постоянного тока. ЭМУ- это электромеханический преобразователь энергии. Он преобразует механическую энергию, поступающую на его вал от приводного двигателя, в электрическую энергию постоянного тока. Конструктивные особенности ЭМУ рассматриваются в /1/. По сравнению с генераторами постоянного тока независимого возбуждения ЭМУ имеют более высокое значение коэффициента усиления мощности сигнала управления. Наиболее распространены ЭМУ поперечного поля.

ЭМУ поперечного поля без поперечной подмагничивающей обмотки приведен на рис. 2.5. Номинальная мощность таких усилителей может быть до 20 кВт.

Статор такого ЭМУ выполняют неявнополюсным. В пазах ста­тора помещают одну или несколько обмоток управления ОУ, компенса­ционную обмотку ОК, обмотку доба­вочных полюсов ОДП. Якорь ЭМУ поперечного поля отличается от якоря обычной машины постоянного тока лишь наличием на его коллекторе двух пар щеток: поперечных 1-1 и продольных 2-2. Поперечные щетки замыкаются накоротко. ЭМУ поперечного поля мощностью до 1500 Вт выполняют в одном корпусе с приводным электродвигателем. Если подвести к одной из обмоток управления ОУ небольшую мощность P_у = U_уI_у и создать поток управления Ф_у, то при вращении якоря в этом потоке в его проводниках наводится ЭДС E_кз, максимальное значение которой окажется на поперечных щетках 1-1.

Так как щетки 1-1 замкнуты накоротко, даже под действием небольшой E_кз возникает зна­чительный ток I_кз. Последний, проходя по проводникам якоря, вызовет соответствующий поток Ф_кз, который наводит в тех же самых проводниках якоря выходную ЭДС E_эму, наибольшее значение которой оказывается на продольных щетках 2-2. Так как I_кз и Ф_кз на один-два порядка больше, чем Фу, величина ЭДС E_эму зна­чительна.

Если к выводам 4-4 подключить нагрузку, то под действием ЭДС E_эму во внешней цепи и по обмотке якоря потечет ток I_эму. Намагничивающая сила, создаваемая этим током, вызовет поток реакции якоря Ф_р, направленный против потока управления Ф_у. Если действие потока реакции якоря не устранить, поток Ф_у будет уменьшен, что приведет к резкому снижению E_кз, а следовательно, и Ф_кз, то есть ЭМУ не сможет отдать в нагрузку сколько-нибудь существенную мощность. Для того чтобы поток Ф_р не размагнитил машину, последовательно с обмоткой якоря включают компенсационную обмотку ОК.Ток, про­текающий по компенсационной обмотке, создаст поток Ф_к, компен­сирующий поток Ф_р. Степень компенсации можно изменять путем изменения сопротивления, шунтирующего компенсационную обмотку. Обмотка добавочных полюсов ОДПпредназначается для улучшения коммутации под щетками 2-2.

Усиление мощности в ЭМУ происходит в две ступени. На первой ступени происходит усиление от мощности P_у = I_уU_у до P_кз = E_кзI_кз на второй - от P_кз до P_эму = E_эмуI_эму.

Результирующий коэффициент усиления мощности

k_p = (P_кз / P_у)(P_эму / P_кз) = P_эму /P_у= k_P1k_P2,

где k_P1=P_кз /P_у; k_P2=P_эму / P_кз - коэффициенты усиления на отдельных ступенях.

Коэффициент k_p практически может достигать значения 10000, причем k_P1 всегда меньше k_P1. Результирующий коэффициент усиления мощности может быть выражен и в виде

k_p = k_uk_i,

где k_u = E_эму / U_у; k_i = I_эму / I_у - соответственно коэффициенты усиления напряжения и тока.

Для обеспечения максимального постоянства коэффициентов усиления во всех рабочих режимах магнитная система ЭМУ делается ненасыщенной.

В конструкцию ЭМУ может вводиться дополнительная подмагничивающая обмотка, которая располагается на статоре и включается в цепь тока поперечных щеток 1-1. Наличие этой обмотки при одной и той же выходной мощности снижает требуемое значение тока короткозамкнутых щеток, в связи с чем номинальная мощность усилителя может быть увеличена до 100 кВт.

Гистерезис магнитной цепи ЭМУ, вследствие больших значений коэффициентов усиления, ведет к появлению неоднозначности в характеристиках управления и внешних характеристиках, что показано на рис. 2.5 б, в. Для уменьшения неоднозначности регулировочных и внешних характеристик и снижения замедляющего действия вихревых токов, индуктируемых при изменении магнитного потока, магнитная система ЭМУ выполняется из листов электротехнической стали толщиной 0,35 - 0,5 мм с узкой петлей гистерезиса. Неоднозначность характеристик может быть уменьшена при введении отрицательной обратной связи по выходному напряжению ЭМУ с помощью одной из обмоток управления или путем введения специальной размагничивающей обмотки, питаемой переменным током. Такая обмотка наматывается вокруг спинки статора. При таких мероприятиях характеристики управления и внешние характеристики при инженерных расчетах могут аппроксимироваться прямыми линиями.

В режиме холостого хода в предположении линейности характеристики управления в рассматриваемом диапазоне изменения координат динамика ЭМУ, например, по первой обмотке управления, описывается передаточной функцией

,

где Δe_эму (p), Δu_у1(p) - изображение приращения выходной ЭДС ЭМУ и соответствующе-го ему приращения напряжения первой обмотки управления; k_эму1=(ΔE_эму/ΔI_у1)(1/R_у1) - коэффициент усиления по напряжению первой обмотки, определяемый по аппроксимированной характеристике управления; R_у1 = R_оу1+R_д1 - активное сопротивление цепи с первой обмоткой управления; R_оу1 - собственное активное сопротивление первой обмотки управления; R_д1 - внешнее добавочное сопротивление в цепи первой обмотки управления; T_у1 = L_оу1 / R_у1 и T_кз = L_я / R_я - электромагнитные постоянные времени соответственно цепи с первой обмоткой управления и короткозамкнутой цепи; L_оу1 - собственная индуктивность первой обмотки управления; L_я - индуктивность обмотки якоря; R_я - активное сопротивление обмотки якоря.

Следует иметь в виду, что приведенная передаточная функция ЭМУ справедлива только при одной задействованной в работе обмотке управления.

Обычно ЭМУ в схемах автоматики имеют несколько обмоток управления, образующих замкнутые через источники управляющих сигналов контуры, по которым могут замыкаться токи в переходных режимах в цепях управления. Эти токи возникают под действием ЭДС взаимоиндукции, наводящихся в обмотках при изменении тока в любой из них, так как они связаны общим магнитным потоком. По правилу Ленца индуктируемые токи препятствуют изменению тока в любой из обмоток, происходящего под действием изменения напряжения управления, приложенного к этой обмотке. Это ведет к ухудшению быстродействия ЭМУ и, соответственно, к увеличению электромагнитных постоянных времени обмоток управления. При этом эквивалентная постоянная времени любой из n обмоток управления будет определяться по формуле

,

где T_оуi = L_оуi / R_оуi - электромагнитная постоянная времени i-й обмотки управления. Здесь L_оуi - собственная индуктивность i-й обмотки управления; R_оуi- собственное активное сопротивление i-й обмотки управления; R_уi - активное сопротивление цепи i-й обмотки управления; i - номер обмотки управления.

Если на вход ЭМУ подают одновременно n управляющих напряжений, каждое из этих напряжений на свою обмотку управления, то приведенное к первой обмотке результирующее напряжение управления Δu^'_у1:

,

где Δu_уi - изменение напряжения на i-й обмотке управления; w_уi - число витков i-й обмотки управления.

Для обеспечения хорошего запаса устойчивости систем автоматики, в которых используется ЭМУ, подбором значения R_ш устанавливается недокомпенсация реакции якоря, при которой падение напряжения на эквивалентном внутреннем сопротивлении якорной цепи и цепи усилителя при номинальном токе якоря лежит в пределах 5 – 10 % от номинального выходного напряжения. Конструкция ЭМУ, их работа и характеристики более подробно изложены в работах /2, 3/.

Вопросы для самопроверки

1. Какое преобразование энергии осуществляется электромашинным усилителем?

2. В качестве каких элементов систем автоматики используются электромашинные усилители поперечного поля?

3. Каких значений достигает номинальная мощность электромашинных усилителей поперечного поля без подмагничивающей обмотки?

4. Что удобно считать выходной и входной координатами электромашинного усилителя поперечного поля?

5. Сколько ступеней усиления мощности управляющего сигнала имеет электромашинный усилитель поперечного поля?

6. Каких значений может достигать коэффициент усиления мощности управляющего сигнала электромашинного усилителя поперечного поля?

7. Что такое коэффициент усиления напряжения электромашинного усилителя поперечного поля?

8. Что такое коэффициент усиления тока электромашинного усилителя поперечного поля?

9. Каких значений достигает номинальная мощность электромашинных усилителей поперечного поля с подмагничивающей обмоткой?

10. Какой процесс в магнитной цепи электромашинного усилителя поперечного поля обусловливает неоднозначность его характеристик управления?

11. Какие мероприятия позволяют уменьшить неоднозначность характеристик управления электромашинного усилителя поперечного поля?

12. Какой вид имеет передаточная функция электромашинного усилителя поперечного поля, когда входное напряжение управления подается только на первую обмотку управления, а выходная координата - ЭДС продольных щеток?

13. Что происходит с эквивалентной электромагнитной постоянной времени любой из обмоток управления в случае, если кроме нее источники управляющих напряжений подключены и к другим обмоткам управления электромашинного усилителя?

14. Отношением каких параметров определяется электромагнитная постоянная времени цепи короткозамкнутых щеток электромашинного усилителя поперечного поля?

15. Отношением каких параметров определяется электромагнитная постоянная времени цепи любой обмотки управления электромашинного усилителя поперечного поля?

Вопросы для самопроверки

1. Что является основой конструкции любого магнитного усилителя?

2. Какие магнитные усилители наиболее целесообразно применять для питания обмоток электродвигателей?

3. Какие качества характерны для магнитных усилителей с самонасыщением по сравнению с другими типами усилителей?

4. На изменении какого параметра рабочей обмотки магнитного усилителя основан принцип регулирования напряжения на нагрузке усилителя?

5. Что такое рабочий полупериод работы магнитного усилителя с самонасыщением?

6. Что такое управляющий полупериод работы магнитного усилителя с самонасыщением?

7. Как изменяется среднее значение напряжения на нагрузке при увеличении магнитной индукции сердечника в управляющий полупериод?

8. Сколько сердечников должен иметь однофазный двухполупериодный магнитный усилитель с самонасыщением?

9. С какой целью в магнитных усилителях с самонасыщением используется обмотка смещения?

10. Для чего нужен комплект диодов в двухполупериодном магнитном усилителе с выходом на постоянном токе?

11. Что обычно принимают в качестве входной координаты магнитного усилителя?

12. Что обычно принимают в качестве выходной координаты магнитного усилителя?

13. Может ли реальный магнитный усилитель не иметь остаточного выходного напряжения?

14. Чем обусловлена нелинейность внешних характеристик магнитного усилителя с выходом на постоянном токе в зоне малых токов нагрузки?

15. Какой вид имеет формула передаточной функции магнитного усилителя с самонасыщением для случая, когда в качестве входной координаты используется напряжение на одной из обмоток управления, в качестве выходной координаты среднее значение напряжения на нагрузке, а к остальным обмоткам управления источники управляющих напряжений не подключены?

16. Каким параметром питающей сети определяется время чистого запаздывания при отработке сигнала управления магнитным усилителем с самонасыщением?

17. Что происходит с эквивалентной электромагнитной постоянной времени любой из обмоток управления магнитного усилителя с самонасыщением в случае, если кроме нее источники управляющих напряжений подключены и к другим обмоткам управления усилителя?

18. Отношением каких параметров определяется электромагнитная постоянная времени цепи любой обмотки управления магнитного усилителя?

19. В чем основные преимущества трехфазных магнитных усилителей по сравнению с однофазными?

20. Для питания каких цепей электродвигателей могут использоваться реверсивные магнитные усилители с выходом на постоянном токе?

21. Из какого количества нереверсивных магнитных усилителей состоит один реверсивный магнитный усилитель?

22. В чем основной недостаток реверсивных магнитных усилителей с балластными сопротивлениями?

Управляемые выпрямители

В настоящее время управляемые выпрямители находят весьма широкое применение в систе­мах электропривода постоянного тока. Это связано с тем, что в качестве первичного источника питания электроприводов постоянного тока обычно используется промышленная сеть переменного тока.

В большинстве современных управляемых выпрямителей для при­вода в качестве силовых вентилей используются обычные тиристоры. Для того чтобы такой тиристор открылся и начал проводить ток, необходимо, чтобы потенциал его анода был выше потенциала катода и на управляющий электрод было подано отпирающее напряжение. Если к моменту снятия с управляющего электрода отпирающего напряжения его анодный ток успеет достигнуть некоторого малого значения, называемого током включения, тиристор останется открытым. Запереть такой тиристор по цепи управляющего электрода невозможно. Для того чтобы тиристор заперся, необходимо любым способом снизить его анодный ток до малого значения, равного примерно току включения. Для питания цепей двигателей в основном применяют выпрямители с естественной коммутацией вентилей. В таких выпрямителях запирание тиристора происходит под действием приложенного к тиристору напряжения питающей сети. Управляемые выпрямители с естественной коммутацией (другое название таких устройств - тиристорные преобразователи переменного тока в постоянный) могут работать в выпрямительном режиме и в режиме ведомого сетью инвертора. В выпрямительном режиме работы энергия из питающей сети переменного тока преобразуется в энергию постоянного тока, которая потребляется нагрузкой, включенной в цепь выпрямленного тока преобразователя. В инверторном режиме работы энергия от источника постоянного напряжения (или тока), включенного в цепь выпрямленного тока преобразователя, преобразуется в энергию переменного тока частоты питающей сети и отдается в питающую сеть. Причем, как в выпрямительном, так и в инверторном режимах значение преобразуемой энергии может плавно изменяться благодаря возможности плавного регулирования среднего выпрямленного напряжения на выходе преобразователя. Более подробно работа управляемых выпрямителей и электромагнитные процессы, протекающие в их схемах, рассмотрены в /3/.

Тиристорные преобразователи (ТП) обладают рядом досто­инств:

1) высоким КПД, обусловленным незначительным па­дением напряжения на тиристоре (менее 1 В);

2) незначительной инерционностью, обусловленной фильтрами в цепях управления и неуправляемостью тиристоров в течение интервала проводимости (10 - 20 мс);

3) высокой надежностью при использовании быстро­действующей защиты и модульно-блочном исполнении ТП.

К недостаткам ТП следует отнести:

1) низкий коэффициент мощности при глубоком ре­гулировании выпрямленного напряжения;

2) искажения питающего напряжения, вносимые ра­ботой ТП;

3) повышенный уровень излучаемых радио-помех.

Для получения максимальной однозначности характеристик управления ТП все внутренние сопротивления его силовой части удобно выносить в цепь тока его нагрузки. С учетом этого на рис. 2.10 представлена функциональная схема ТП.

Входной координатой ТП является напряжение управле­ния U_у, выходной координатой - выпрямленная ЭДС, определяемая как средняя на интервале прово-димости величина E_d в установившемся режиме и как мгновенная величина e_d в переходных процессах.

Входной блок Б1 преобразует величину напряжения управления U_у в угол открывания тиристоров a, а выходной блок Б2 преобразует величину a в ЭДС ТП.

Технически блок Б1 представляет собой систему импульсно-фазового управ­ления (СИФУ), а блок Б2 - вентильный комплект ВК.

Конструктивно вентильный комплект представляет собой комплект тиристоров, соединенный в определенную схему выпрямления, предназначенную для получения на нагрузке ТП выпрямленного тока определен­ного направления. Если ТП реверсивный и должен обеспечивать возможность протекания в нагрузке выпрямленного тока в двух направлениях, то в блоке Б2 должно быть два ВК, соединенных в одну из существующих реверсивных схем выпрямления. При этом один из ВК предназначен для создания в нагрузке тока с условным направлением "Вперед", а другой - для создания тока с условным направлением "Назад". ВК для любого из направлений тока нагрузки могут выполняться на основе нулевых или мостовых схем выпрямления, некоторые из которых приведены на рис. 2.12 - 2.15.

С помощью СИФУ производится формирование управляющих импульсов и распределение их по управляющим электродам тиристоров ВК. Сдвиг по фазе этих импульсов по отношению к фазе соответствующего входного переменного напряжения, приложенного к тиристору, задается требуемым углом отпирания тиристора a .

Кривая мгновенной выпрямленной ЭДС e_d на выходе ТП при любом угле a формируется из циклически повторяющихся участков синусоид входных переменных ЭДС и имеет на протяжении периода напряжения питающей сети несколько пульсов. Число этих пульсов на протяжении периода сети называется пульсностью ТП или фазностью выпрямления и обозначается p. При описании процессов в ТП также используется параметр m₁ - общее число фаз первичной обмотки трансформатора (число фаз питающей сети) и параметр m₂ - общее число фаз вторичной обмотки трансформатора. Любая силовая схема ТП при анализе режимов в цепи выпрямленного тока может рассматриваться в виде расчетной нулевой схемы с пульсностью p.

Выпрямленный мгновенный ток нагрузки i_d может быть непрерывным или прерывистым. Работа ТП в режимах прерывистого или непрерывного тока нагрузки определяется соотношением параметров цепи нагрузки и величиной угла a. На выходную координа­ту ТП оказывает влияние возмущающее воздействие - средний ток нагрузки I_d, который через функциональный блок нагрузки БН поступает на вход Б2. Влияние выпрямленного тока I_d на выпрямленную ЭДС E_d сказывается только в режиме прерывистых токов нагрузки. В правильно спроектированном электроприводе зона прерывистых токов нагрузки незначительна, она наблюдается только при токах I_d менее 2-3 % от номинального тока ТП. Поэтому при большинстве инженерных расчетов ток нагрузки ТП можно считать всегда непрерывным и блок БН можно исключить из функциональной схемы. В дальнейшем будут рассматриваться характеристики ТП только в непрерывном режиме тока нагрузки.

Принцип формирования кривой выпрямленной ЭДС e_d и регулирования ее среднего значения E_d в p-пульсной схеме поясняется рис. 2.11. На рис. 2.11, а выделены точки естественной коммутации тиристоров, от которых отсчитывается угол отпирания a, символами e₂ и w обозначены мгновенные значения ЭДС на входе ВК и их угловая частота, символом t обозначено текущее время.

В режиме непрерывного тока нагрузки ЭДС e_d является только функцией угла открывания a и ее среднее значение в соответствии с рис. 2.11, в рассчитывается по формуле

(2.9)

Максимальное среднее значение выпрямленной ЭДС определяется для любых p-пульсных схем выпрямления

E_do = E_m(p/p)sin(p/p), (2.10)

где p - пульсность выпрямления силовой схемы; E_m - амплитудное значение мгновенной выпрямленной ЭДС, равное в обычных нулевых схемах (рис. 2.12 а, б; 2,13, а)

, (2.11)

в мостовых схемах (рис. 2.14, а, 2.15)

, (2.12)

а в двойной трехфазной нулевой схеме с уравнительным реактором (рис. 2.12, в)

, (2.13)

где E_2ф, E₂ - действующее значение фазного или линейного напряжения на входе ВК.

Формула (2.9) описывает график регулировочной характеристики преобразователя при непрерывном токе нагрузки или характеристику управления его вентильного комплекта. Эта характеристика - отрезок косинусоиды, изменяющийся от E_dо до - E_do при изменении угла a от 0^о до 180^о. Диапазон углов a менее 90^о, при которых выпрямленная ЭДС E_d положительна, соответствует выпрямительному режиму работы ТП, а диапазон углов a более 90^о, при которых выпрямленная ЭДС E_d отрицательна, соответствует инверторному режиму работы ТП. Необходимо помнить, что в выпрямительном и инверторном режимах работы ТП знак тока нагрузки I_d не изменяется, а знак мощности на входе ТП изменяется благодаря изменению знака E_d.

Силовые схемы нереверсивных выпрямителей. Широко применяются мостовые и нулевые схемы включения вентильных комплектов выпрямителей, которые могут питаться от трехфазной или однофазной сети переменного тока.

В электроприводах нашли применение силовые схемы ТП, выполненные на основе мостовых или нулевых схем выпрямления, а также на основе последовательного или параллельного соединения этих схем по цепи выпрямленного тока. Схемы могут питаться от трехфазной или однофазной сети переменного тока. Схемы трехфазных нулевых ТП приведены на рис. 2.12, схема трехфазного мостового ТП приведена на рис. 2.13, а схемы однофазных ТП на рис. 2.14 и 2.15.

На рис. 2.12 – 2.15 приняты обозначения: А, В, С - фазы питающей сети переменного тока; a, b, c, x, y, z - фазы вторичных обмоток трансформатора; VS - тиристоры; z_н - нагрузка. На рис. 2.15 показана только вторичная обмотка трансформатора.

Трехфазная нулевая схема, приведенная на рис. 2.12, а, имеет p=3, m₂=3, m₁=3; шестифазная нулевая схема и двойная трехфазная нулевая с уравнительным реактором (рис. 2.12 б, в) имеют p=6, m₂=6, m₁=3. Однофазная нулевая (рис. 2.13, а) имеет p=2, m₂=2, m₁=1, однофазная мостовая (рис. 2.14, а) имеет p=2, m₂=1, m₁=1, трехфазная мостовая (рис. 2.15) имеет p=6, m₂=3, m₁=3.

При анализе работы силовых схем двойную трехфазную нулевую схему с уравнительным реактором можно рассматривать как две трехфазные нулевые, включенные параллельно на общую нагрузку, однофазную мостовую схему рассматривать как две однофазные нулевые, включенные последовательно с общей нагрузкой, а трехфазную мостовую - как две трехфазные нулевые, включенные последовательно с общей нагрузкой.

Основные параметры и особенности силовых схем выпрямителей.С учетом соотнош