Системы управления вентильными

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ

 

8.1.  ФУНКЦИИ И СТРУКТУРА СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

Вентильные преобразователи состоят из силовой части (СЧ), работа которой была рассмотрена ранее и системы управления (СУ). Силовая часть управляемого преобразователя, выполненная на управляемых вентилях (тиристорах, силовых транзисторах), может  работать только при подаче па управляющие электроды в определенные моменты времени импульсов, обеспечивающих включение данных вентилей. В вентильных преобразователях с естественной коммутацией вентилей выключение тиристоров происходит за счет изменения полярности напряжения питающей сети и спада тока через  вентиль к нулю. В преобразователях с искуcственной  коммутацией СУ обеспечивает также выключение вентилей в определенные моменты времени. В этой главе рассмотрены способы построения СУ вентильных преобразователей с естественной коммутацией.

Системы управления представляют собой нередко весьма сложные устройства для обработки информации и  отчаются большим разнообразием в зависимости от типа преобразователя и области его применения. Однако функции СУ могут быть сведены к обобщенному перечню, а именно к выполнению двух основных задач:

 

1) определение моментов времени, в которые должны быть включены те или иные конкретные вентили. Эти моменты времени задаются некоторым управляющим сигналом, который подается на вход СУ и определяет ее работу, а в конечном счете задает значение выходных параметров преобразователя (например, среднее значение
ток или напряжения на выходе выпрямителя);

2) формирование управляющих импульсов, т. е. создание управляющих сигналов, передаваемых в нужные моменты времени на управляющие электроды тиристоров и имеющих достаточные амплитуды, мощность, длительность, а в некоторых случаях определенную форму кривой.

Помимо этого СУ может выполнять и другие функции: осуществление пуска и остановки агрегата, осуществление защиты от аварийных режимов и т.д. Однако реализация этих дополнительных функция также сводится к определению моментов подачи управляющих импульсов  на тиристоры преобразователя либо к запрету формирования управляющих импульсов (остановка агрегата, срабатывания защиты). Первая задача, выполняемая СУ, является типичной задачей информационной электроники: преобразование управляющего сигнала (напряжение, ток или код) во временной интервал. В ВП с естественной коммутацией момент включения от вентилей отсчитывается относительно момента естественной коммутации. Такая информационная задача сводится к определению угла управления α, т.е. фазового сдвига управляющего импульса относительно момента естественной коммутации. Узел системы управления, выполняющий задачу преобразования управляющего сигнала в угловой интервал а, называется фазосмещающим устройством (ФСУ). Вторая задача, выполняемая СУ, сводится к формированию управляющего импульса по форме, длительности, амплитуде. Эту задачу выполняют узлы системы управления, называемые выходными формирователями (ВФ). Наиболее часто формируются управляющие импульсы прямоугольной формы. Длительность, амплитуда и мощность этих импульсов определяются в соответствии с параметрами силовых тиристоров и режимами работы вентильного преобразователя. Формирование прямоугольных импульсов осуществляется устройствами типа одновибратора, а усиление импульсов по мощности - транзисторами каскадами. При создании выходных формирователей важно достичь высокой помехоустойчивости их работы, поскольку в силовой части преобразователя имеют место скачки напряжений большой амплитуды, которые могут через паразитные емкости проникнуть в СУ. Поэтому в последнее время часто применяется связь СУ с управляющими электродами тиристоров через оптический канал (оптопары и т.п.)

Обобщенная структурная схема вентильного преобразователя как объекта управления приведена на рис.1, а. Она состоит из силовой части СЧ и системы управления СУ. Последняя включает ФСУ, на вход которого подается управляющий сигнал U_y, и ВФ, с выходов которого снимаются управляющие импульсы ИУ.

СУ может включать контур отрицательной обратной связи ОС, на вход которого поступает какой-либо выходной параметр преобразователя или объекта, получающего от преобразователя питание (напряжение, ток, частота вращения исполнительного механизма, температура печи и т.п.). На выходе блока ОС формируется напряжение U_oc, которое вновь поступает на вход СУ в виде сигнала ООС, что позволяет стабилизировать выходные параметры преобразователя и откорректировать погрешности, возникающие при его работе. В этом случае на вход ФСУ поступает сигнал U=U_y-U_oc,. Вентильные преобразователи, имеющие контур ОС, охватывающий силовую часть преобразователя, называются преобразователями с замкнутым контуром управления. Более сложную структуру имеет СУ реверсного вентильного преобразователя частоты (НПЧ). Каждый из вентильных комплектов этих преобразователей имеет основные блоки управления ФСУ и ВФ, которые независимо друг от друга осуществляют управление комплектами в соответствии с общим для обоих комплектов управляющим сигналом U_y. При раздельном управлении комплектами осуществляется их поочередная работа в зависимости от направления тока в цепи нагрузки i_вых. Структурная схема СУ реверсивного преобразователя с раздельным

управлением приведена на (рис. 1, б). Первый вентильный комплект связан с ФСУ и ВФ второй комплект управляется ФСУ₁ иВФ₁. На входе обоих выходных формирователей установлены логические элементы И, связанные с устройством раздельного управления УРУ. Если логический сигнал на выходе УРУ R₁=1,то ВФ₁  подает управляющие импульсы на вентили первого вентильного комплекта, создающего выходной ток преобразователя положительной полярности. При выходном сигнале УРУ R₂=1 вступает в работу ВФ₂ управляющие импульсы поступают на вентили второго комплекта, формирующего отрицательную полярность выходного тока. Одновременное включение комплектов исключается введением логического запрета  R₁R₂=0.

    УРУ представляет собой логическое устройство, на вход которого поступает информация о полярности выходного тока преобразователя i_вых. При реверсе направления тока с положительного на отрицательное УРУ при достижении нулевого значения тока устанавливает R₁=0    и включение вентилей первого комплекта запрещается. Через время выдержки, достаточное для восстановления вентилями первого комплекта управляющих свойств, на входе УРУ формируется R₂=1 и включаются вентили второго комплекта.

              8.2. ФАЗОСДВИГАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА (ФСУ)

Фазосдвигающее устройство (ФСУ) является преобразователем управляющего сигнала u_y в угол управления , отсчитываемый от момента естественного отпирания. Наиболее распространены ФСУ, в которые вводится информация о текущем значении фазы напряжения сети. Работа таких ФСУ непосредственно синхронизируется питающей сетью, и они называются синхронными. Синхронные ФСУ могут применяться как в разомкнутых СУ, так и в преобразователях с замкнутым контуром управления. В этом случае на вход ФСУ подается сигнал U=U_y+U_oc.

Существует ряд способов построения синхронных ФСУ. Наибольшее распространение получили ФСУ с развертывающим сигналом, часто называемые ФСУ вертикального типа. Эти ФСУ превосходят другие устройства по наиболее важным характеристикам. ФСУ вертикального типа состоит из генератора развертывающего (опорного) напряжения ГОН, работа которого синхронизирована напряжением питающей сети, и компаратора К, на выходы которого поступают управляющие U_y и опорное U_оп напряжения. Структурная схема такого ФСУ приведена на рис.2, а, Компаратор фиксирует равенство U_y и U_оп, в момент их равенства компаратор переключается, при этом выходной формирователь СУ вырабатывает управляющий импульс, передаваемый на управляющий электрод тиристора.

В ФСУ вертикального типа используют две формы опорного напряжения. При косинусоидальной форме (рис. 2,б)

 (1)

где =0 - момент естественной коммутации i-го вентиля.

 

 

Рис. 3 Фазовые характеристики ФСУ

Рис. 2 Схема ФСУ вертикального типа (а) и временные диаграммы напряжений при косинусоидальной (б) и линейной (в) форме опорного сигнала

В момент  опорное и управляющее напряжения равны:

 (2)

Из (2) получим

 (3)

Зависимость (3) называется фазовой характеристикой ОСУ и приведена на (рис.3) (кривая 1). Такая форма фазовой характеристики называется арккосинусоидальной.

Вентильный преобразователь с любым числом фаз, работающий от симметричной питающей сети, при отсутствии коммутационных искажений выходного напряжения в режиме непрерывного тока нагрузки характеризуется косинусоидальной регулировочной характеристикой. При подстановке (3) в выражение для этой характеристики получим:

E_d=E_d0 U_y/U_m (4)

Зависимость E_d/E_d0 = f(U_y/U_m) является регулировочной характеристикой СЧ и СУ вместе. При арккосинусоидальной фазовой характеристике регулировочная характеристика (4) линейна (рис.4, кривая 1), что является большим достоинством преобразователя, обеспечивающим оптимальное построение устройства автоматического управления процессами в выходной цепи.

Рис. 4 Регулировочные характеристики вентильного преобразователя

 Опорное напряжение косинусоидальной формы (1) может быть сформировано из сетевого. Для этого сетевое напряжение преобразуется фильтром, подавляющим высшие гармонические составляющие в питающем напряжении и осуществляющим требуемый сдвиг по фазе. При заметной несинусоидальности питающей сети фильтрация гармонических искажений сетевого напряжения бывает некачественной, а фазовый сдвиг, вносимый фильтром, нестабильным. Это приводит к большим погрешностям при работе ФСУ. В этом случае целесообразно применять ФСУ с линейной формой опорного напряжения (рис. 2, в):

 (5)

ГОН выполняется в виде генератора линейно изменяющегося напряжения, работа которого синхронизирована питающей сетью, т.е. начало развертки осуществляется в момент естественной коммутации 1-го вентиля.

В момент , управляющее и опорное напряжение на входе компаратора равны, отсюда фазовая характеристика ФСУ с линейным напряжением

 (6)

Фазовая характеристика  приведена на (рис.3) (кривая 2), такая характеристика называется линейной. С учетом (6) получим регулировочную характеристику преобразователя совместно с СУ

,

приведенную на рис.4 (кривая 2). Нетрудно видеть, что регулировочная характеристика нелинейна, однако она имеет близкий к линейному характер. Поэтому свойства преобразователей с арккосинусоидальной и линейной фазовыми характеристиками близки. Достоинством вертикального способа является максимальное быстродействие СУ, поскольку управляющий сигнал подается на компаратор без усреднения и запоздания. 

 

Лекция 9