Принцип действия, математическое описание и характеристики однотактной схемы

Функциональная схема привода представлена на рис. 4.14.а, а схема замещения и временная диаграмма, поясняющая ее работу – на рис. 4.15.

В процессе работы происходит периодическое замыкание и размыкание ключа К. Ключ замкнут в течение интервала t ₁, а в течение интервала t ₂ – разомкнут. Сумма указанных временных интервалов равна периоду частоты импульсного управления – T. Если ключ К замкнут, то, в соответствии со схемой замещения, за вычетом падения напряжения на ключе, на обмотку якоря поступает напряжение первичного источника питания – U, и по обмотке якоря течет ток i ₁. При размыкании ключа К энергия, запасенная в обмотке якоря, разряжается через диод VD, по которому течет ток i ₂, а на обмотке якоря будет напряжение, равное падению напряжения на открытом диоде. В соответствии с изложенным, если пренебречь падением напряжения на ключе и диоде, уравнения напряжений якорной цепи на временных интервалах t ₁ и t ₂ получат вид

U = i ₁ R + L × di ₁/ dt + E,
0= i ₂ R + L × di ₂/ dt + E,

где E – э.д.с. обмотки якоря.

Рис 4.14. Возможные варианты импульсного управления приводом постоянного тока: а) однотактная; б) двухтактная нереверсивная; в) двухтактная реверсивная схема

Рис. 4.15. Схема замещения однотактной схемы

Рис. 4.16. Временная диаграмма работы однотактной схемы

Перепишем полученную систему уравнений в относительных единицах, приняв за базовые величины U = U _б, I _б= U / R. Для этого разделим обе части уравнений на U и с учетом принятых базовых единиц получим

(4.28)

1= i ₁+ T _я× di ₁/ dt +ν,
0= i ₂+ T _я× di ₂/ dt +ν,

где T _я= L / R – электромагнитная постоянная якорной цепи, ν= E / U – относительная скорость двигателя. Отметим также, что в системе уравнений (4.28) приняты относительные токи, хотя здесь и далее они обозначены также как и абсолютные.

Для того чтобы найти закон изменения тока в обмотке, систему уравнений (4.28) необходимо дополнить уравнением движения привода. Однако в дальнейшем мы будем считать скорость двигателя постоянной, так как в течение одного периода регулирования T она меняется незначительно. При рассмотрении выделим два режима: режим непрерывных токов, когда ток якоря на временном интервале t ₂ не достигает нулевого значения, и режим прерывистых токов, когда на указанном интервале ток якоря успевает затухнуть до нуля.

19 Вопрос1 Однофазные управляемые выпрямители на тиристорах и IGBT транзисторах, принцип действия, основные математические уравнения, описывающие их работу, временные диаграммы.

12.1. Управляемые выпрямители напряжения

Все существующие управляемые выпрямители можно разделить на управляемые выпрямители тока и управляемые выпрямители напря­жения.

Изученные ранее классические тиристорные выпрямители являются управляемыми выпрямителями тока. В них ток на выходе может проте­кать только в одном направлении, а напряжение может менять знак.

Управляемые выпрямители напряжения выдают на выходе напря­жение одной полярности, а ток в них может менять направление. Они выполняются на вентилях, которые могут проводить ток в обоих направле­ниях. Такими вентилями являются транзисторы (или запираемые тиристо­ры) со встречно-параллельно включенными диодами. Обычно они выпол­няются в виде диодно-транзисторных модулей. В качестве транзисторов чаще всего используются IGBT-транзисторы.

На стороне переменного напряжения управляемого выпрямителя напря­жения обязательно должна быть индуктивность, а на стороне постоянного - ёмкость.

В литературе управляемые выпрямители напряжения называют также активными выпрямителями [88].

Управляемые выпрямители напряжения могут выполняться по тем же схемам, что и управляемые выпрямители тока. На рис. 12.1 приведены од­нофазные мостовые схемы управляемого выпрямителя тока и управляемого выпрямителя напряжения. Силовые схемы управляемых выпрямителей на­пряжения не отличаются от силовых схем АИН, только у них меняются местами вход и выход.

Рис.12.1. Управляемые выпрямители тока (а) и напряжения (б)

Для пояснения принципа действия управляемого выпрямителя напряже­ния на рис. 12.2 приведена упрощенная несимметричная однофазная мосто­вая схема управляемого выпрямителя напряжения и временные диаграммы, иллюстрирующие ее работу. Предположим вначале, что на вход схемы по­дается постоянное напряжение и₁ с указанной полярностью. На выходе включена противо-ЭДС E (аккумулятор, параллельно которому включен конденсатор). Пусть E > и₁, тогда тока в цепи не будет.

Рис. 12.2. Однофазный управляемый выпрямитель напряжения по несимметричной мостовой схеме (а) и диаграммы токов и напряжений в нем при питании от источника постоянного (б) и переменного напряжений (в)

Если в момент t₁ (см. рис. 12.2 б) включить транзистор V3, то в цепи возникнет короткое замыкание и ток пойдет по контуру: «+», L, VD1, V3, «-». Если вентили идеальные, напряжение между точками а и b равно нулю. Ток в индуктивности нарастает. При достижении заданного значения тока 1_зад.тах в момент t₂ транзистор V3 выключается, и на индуктивности L возни­кает ЭДС самоиндукции u_L со знаками, указанными на рисунке, сумми­рующаяся с напряжением и₁. Под действием суммарного напряжения (и₁ +

u_l) происходит заряд конденсатора и аккумулятора (участок t₂ - t₃). При спаде тока i₁ до заданного значения /_зад._тт V3 включается снова, процессы повторяются. По существу схема работает, как повышающий преобразова­тель постоянного напряжения (см. п. 10.2.2).

Пусть теперь на вход схемы подается переменное напряжение и₁. На вы­ходе включена противо-ЭДС E (аккумулятор, параллельно которому вклю­чен конденсатор). Пусть противо-ЭДС больше амплитуды напряжения на входе (E > U_1m), тогда тока в цепи не будет. Если в момент t₁ при положи­тельной полуволне напряжения (см. рис. 12.2 в) включить транзистор V3, то в цепи возникнет короткое замыкание и ток пойдет по контуру: «+», L, VD1, V3, «-». Ток в индуктивности нарастает. Зададим максимальные и мини­мальные значения тока не постоянными, а изменяющимися по синусоиде, например, по синусоиде, совпадающей по фазе с напряжением и\. При дос­тижении в момент t₂ заданного значения тока 4д. _max транзистор V3 выключа­ется, и на индуктивности L возникает ЭДС самоиндукции u_l со знаками, указанными на рисунке. Под действием суммарного напряжения (и₁ + u_l) происходит заряд конденсатора и аккумулятора (участок t₂ - t₃). При спаде тока i₁ до заданного значения 4д. _mj_n транзистор V3 включается снова, процес­сы повторяются.

При подаче на вход отрицательной полуволны напряжения процессы происходят аналогично, но ток проходит через другие вентили.

Если на выходе вместо аккумулятора включить активное сопротивление, то процессы в вентильной части не изменятся. Одновременно будет проис­ходить разряд ёмкости на нагрузку. Если емкость достаточно велика, то пульсации напряжения будут очень малы, и ими можно пренебречь. Для упрощения при дальнейшем анализе будем предполагать, что C_d = ¥

Рассмотрим теперь процессы в полной однофазной мостовой схеме (см. рис. 12.3).

Рис. 12.3. Однофазный мостовой УВН

Пусть на вход схемы подается переменное напряжение и₁. На выходе включена противо-ЭДС E (аккумулятор, параллельно которому включен конденсатор). Пусть противо-ЭДС больше амплитуды напряжения на входе (E

> U_1m), тогда тока в цепи не будет. Все диоды заперты напряжением на аккумуляторе. Осциллограммы токов и напряжений в полной однофазной мостовой схеме УВН приведены на рис. 12.4.

Рис. 12.4. Осциллограммы токов и напряжений в однофазной мостовой схеме при симметричном (а) и несимметричном (б) управлении