Меню

Импульсный метод регулирования постоянного напряжения

Импульсные регуляторы постоянного напряжения

Полупроводниковые регуляторы постоянного напряжения применяются в случаях, когда напряжение на нагрузке, питаемой от источника постоянного тока с фиксированным уровнем напряжения (аккумулятор, неуправляемый выпрямитель), необходимо стабилизировать на заданном уровне или плавно регулировать в широких пределах.

Рассматриваемые далее преобразователи основаны на использовании импульсных методов преобразования и регулирования постоянного напряжения. Поэтому их называют импульсными преобразователями (ИП).

В своем составе такой преобразователь содержит силовой ключевой элемент (тиристор, транзистор), с помощью которого нагрузка с регулируемой длительностью подключается и отключается от источника постоянного напряжения.

Выходное напряжение таких преобразователей характеризуется последовательностью импульсов прямоугольной формы с длительностью tи и паузой tп, амплитуда которых близка к напряжению источника питания Е.

Регулирование напряжения на нагрузке можно осуществить двумя способами: изменением интервала проводимости ключа при постоянной частоте переключения ключа (широтно-импульсный) или изменением частоты переключения при постоянном интервале проводимости ключа (частотно-импульсный). При этом регулируется относительное время проводимости ключа, что приводит к плавному изменению среднего напряжения на нагрузке.

T tИ tП

Рисунок 5.4- Выходное напряжение на нагрузке при использовании метода ШИР

Широтно–импульсный метод регулирования (ШИР) осуществляется изменением длительности (ширины) выходных импульсов tи (рисунок 5.4) при неизменном периоде их следования (Т = соnst, f = 1/T = const). Среднее значение выходного напряжения преобразователя при широтно-импульсном регулировании связано с напряжением питания соотношением

(5.2)

где g = tи/Т – коэффициент регулирования.

В соответствии с (5.1) диапазон регулирования выходного напряжения ИП с ШИР составляет от нуля (tи = 0, g = 0) до Е (tи = Т, g = 1).

5.3 Автономные инверторы

Автономные инверторы – это устройства, преобразующие постоянный ток в переменный с постоянной или регулируемой частотой и работающие на автономную нагрузку, не содержащую источников активной энергии той же частоты, что и выходная частота инвертора. При этом частота, напряжение и его форма на выходе определяются режимом работы автономного инвертора.

По характеру протекающих в схеме электромагнитных процессов автономные инверторы подразделяются на инверторы тока, инверторы напряжения и резонансные инверторы.

Так же как и выпрямители, инверторы различаются по мощности, напряжению, числу фаз вторичной обмотки трансформатора, способу регулирования выходного напряжения, по схеме инвертирования и другим факторам.

Работа автономного инвертора и его технико-экономические показатели в основном определяются схемой инвертирования, под которой, как правило, понимают схему соединения вентильных элементов и элементов для их коммутации, а также трансформатора и в отдельных случаях входного или выходного фильтра (если последний оказывает непосредственное влияние на процесс инвертирования). От схемы инвертирования зависят форма кривой выходного напряжения, форма кривой потребляемого тока, внешняя (или нагрузочная) характеристика, к. п. д. инвертора, допустимое изменение коэффициента мощности нагрузки (указываемого обычно по основной гармонике напряжения на нагрузке), максимальное (мгновенное) значение тока нагрузки, определяющее для большинства схем порог устойчивой работы инвертора.

Автономный инвертор тока (АИТ) – это инвертор, форма тока на выходе которого определяется только порядком переключения тиристоров (транзисторов) инвертора, а форма напряжения зависит от характера нагрузки. Питание АИТ должно производиться от источника тока. Если АИТ питается от управляемого выпрямителя, то перевод выпрямителя в режим регулируемого источника тока обычно достигается либо путем включения сглаживающего реактора очень большой индуктивности, либо посредством охвата выпрямителя сильной отрицательной обратной связью по току и использования сглаживающего реактора, индуктивность которого достаточна для сглаживания пульсаций выпрямленного тока.

На рисунке 5.5 представлены схема и диаграммы напряжения и тока на нагрузке для однофазного мостового АИТ на запираемых тиристорах, которые формируются путем последовательного переключения пар тиристоров VS1,VS2 и VS3,VS4.

Рисунок 5.5- Схема однофазного инвертора тока и диаграммы напряжения и тока

5.4 Регуляторы переменного напряжения

Читайте также:  Система оперативной блокировки должна сохранять работоспособность при снижении напряжения

Построение регулируемых преобразователей переменного напряжения основывается на использовании полупроводникового коммутатора, функцию которого чаще всего выполняют два включенных встречно-параллельно тиристора в цепи с питающим переменным напряжением и нагрузкой. В таких устройствах применяют фазовые, широтно-импульсный на пониженной частоте и другие методы регулирования переменного напряжения.

uн iн uн

Рисунок 5.6 — Схема однофазного регулятора переменного напряжения и диаграммы напряжения и тока на активной нагрузке

Фазовые методы регулирования базируются на управлении действующим значением переменного напряжения на нагрузке путем изменения длительности открытого состояния одного из включенных встречно-параллельно тиристоров (рисунок 5.6) в течение полупериода частоты сети. Диаграммы напряжений и токов, показанные на рисунке 5.6 для однофазных преобразователей переменного напряжения, соответствуют чисто активной нагрузке. Фазовое регулирование преобразователей переменного напряжения аналогично принципу фазового регулирования управляемых выпрямителей. При способе регулирования, соответствующем рисунку 5.6, запирание тиристоров осуществляется после достижения точек π, 2π и т д. за счет изменения полярности переменного напряжения питания по окончании каждого полупериода (естественная коммутация).

5.4 Регулирование скорости электродвигателя постоянного тока полупроводниковыми преобразователями

Способ регулирования угловойскорости напряжением в цепи якоря в серийных электроприводах постоянного тока осуществляется обычно с помощью однофазных и трехфазных тиристорных выпрямителей (рисунок 5.7) и широтно-импульсных регуляторов ( рисунок 5.8).

Уравнения электромеханической и механической характеристики электродвигателя постоянного тока, питаемого от управляемого выпрямителя в системе регулирования без обратных связей:

ω = (Ud cosα-IRЭ)/ ; ω =Ud cosα/ MRЭ/() 2 , (5.3)

где Ud – среднее значение выпрямленного напряжения для данного типа выпрямителя ( для трехфазной мостовой схемы Ud = 2,34 U);

RЭ – эквивалентное сопротивление цепи якоря;

α — угол управления тиристорами выпрямителя, формируемый схемой управления СУ.

Для широтно-импульсного преобразователя уравнения этих характеристик имеют следующий вид:

ω = (εU–IRЯ) / , ω = εU / MRЯ /() 2 , (5.4)

где ε = tи / T – коэффициент регулирования (tи— длительность импульса, T- период).

+

Рисунок 5.7 – Электропривод на основе трехфазного мостового выпрямителя

VSVD

Рисунок 5.8– Электропривод с импульсным регулятором

Типичный вид механических характеристик для этих схем представлен на рисунке 5.9.

Рисунок 5.9 – а) механические характеристики при питании электродвигателя от управляемого выпрямителя; б) от импульсного регулятора.

Характерной особенностью этих характеристик является резкий подъем характеристик в области малых нагрузок, что обусловлено явлением прерывистых токов.

5.4 Регулирование скорости электродвигателей переменного тока полупроводниковыми преобразователями частоты.

Частоту вращения ротора электродвигателя переменного тока можно определить, как

, (3.1)

где f — частотa питающего напряжения;

pп — число пар полюсов;

s — скольжение.

Изменяя один или несколько параметров, входящих в (3.1), можно регулировать частоту вращения электродвигателя и, следовательно, насоса. На рисунке 3.1 представлены возможные системы регулируемого электропривода нагнетателей. Питание двигателя частотно – регулируемого электропривода осуществляется вентильным преобразователем частоты (ПЧ – рисунок 3.1, а.б), в котором постоянная частота питающей сети преобразуется в переменную . Пропорционально частоте изменяется частота вращения электродвигателя, подключенного к выходу преобразователя. В настоящее время для реализации частотного управления машинами переменного тока применяют различные варианты преобразователей частоты, отличающиеся принципом действия, схемными решениями, алгоритмами управления и т.д.

Источник



Методы импульсного регулирования постоянного напряжения

Импульсные преобразователи постоянного напряжения.

ИППН предназначены для изменения значения постоянного напряжения. Они служат для питания нагрузки постоянным напряжением UН, отличающиеся от напряжения источника питания Е. При этом иногда необходимо стабилизировать Uн при изменении Е и тока нагрузки или изменять Uн по определенному закону независимо от Е.

Выходное напряжение таких преобразователей характеризуется последовательностью импульсов прямоугольной формы с длительностью tи и паузой tп (рисунок 4.1), амплитуда которых близка к Е, а среднее значение выходного напряжения Uн.

Читайте также:  Регулятор напряжения генератора 1213702

В основе принципа действия ИППН лежит ключевой режим работы регулирующего полупроводникового прибора, осуществляющего периодическое подключение источника питания Е к выходной цепи преобразователя.

Регулирование выходного напряжения ИППН осуществляется импульсными методами путем изменения параметров выходных сигналов. Наибольшее применение нашли широтно-импульсный, частотно-импульсный методы и их комбинация.

Широтно-импульсный метод регулирования (ШИР) осуществляется изменением длительности (ширины) выходных импульсов tи при неизменном периоде их следования T=const; . Среднее значение выходного напряжения преобразователя при ШИР:

где — коэффициент регулирования.

В соответствии с этой формулой диапазон регулирования выходного напряжения ИППН с ШИР составляют от нуля (tи =0; γ=0) до Е (tи =T; γ=1).

Частотно-импульсное регулирование (ЧИР) производится за счет изменения частоты следования выходных импульсов при неизменной их длительности tи =const. Регулировочные возможности преобразователя характеризуются соотношением:

Выходному напряжению Е соответствует предельная частота следования импульсов, равная , а нулевому выходному напряжению .

Совместное преобразование ШИР и ЧИР заключается в изменении двух параметров выходных импульсов tи и и называется комбинированным.

Рассмотрим наиболее распространенные принципы построения схем ИППН (рисунок 4.2.а). Регулирующий элемент условно покажем в виде ключа, функцию которого обычно выполняет тиристор или силовой транзистор. В выходную цепь входит нагрузка Zн активно-индуктивного характера и при необходимости сглаживающий дроссель Lф. Иногда применяются более сложные сглаживающие фильтры, например Г — образный LC фильтр. Диод VD предназначен для создания контура протекания тока нагрузки при разомкнутом ключе К.

Рассмотрим процессы протекающие в таком преобразователе. На интервалах включенного состояния ключа t1-t2, t3-t4, t5-t6 напряжение подключается ко входу сглаживающего фильтра , Uвых=Е, диод VD закрыт. Через нагрузку протекает ток iн по цепи (+Е)-К- Lф-Zн –(-Е). На интервалах отключенного состояния ключа t2-t3, t4-t5 связь выходной цепи с источником питания отсутствует, однако ток через нагрузку продолжается. Он поддерживается энергией, накопленной реактивными элементами – дросселем Lф и индуктивностью нагрузки Lн и замыкается через VD вследствие чего Uвых=0. Без учета падений напряжения на активных сопротивлениях дросселя Lф и подводящих проводом Uн=Uвых , определяется средним значением Uвых(t) и находится по формулам 4.1 и 4.2. Ток iн состоит из участков экспонент нарастания и спадания с постоянной времени . Среднее значение тока .

При переходе к большим мощностям нагрузки (свыше 100кВт) возникают трудности в построении преобразователей по рассмотренной схеме. Они вызваны большими токами , и необходимостью применения большого числа параллельно включенных тиристоров. Кроме того, трудно осуществима конструкция дросселя с большой индуктивностью. ИППН большой мощности выполняют по многотактному принципу, основанному на параллельном включении Т-отдельных преобразователей, работающих на общую нагрузку от общего источника постоянного тока.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

12. Импульсное регулирование постоянного напряжения

Импульсное регулирова­ние постоянного напряжения осуществляется при помощи импульсных преобразователей (прерывателей постоянного тока), включенных последо­ва­тельно в цепь нагрузки (рис. 12.1). В зависимости от мощности нагрузки применяют транзисторные или тиристорные прерыватели (ТП).

Импульсный преобразователь или прерыватель постоянного тока предназначен для включения и отключения нагрузки, а также для непосредствен­ного преобразования нерегулируемого напряжения источника постоянного тока в регулируемое. В качестве источника может быть применен аккумулятор, выпрямитель, генератор постоянного тока.

Среднее значение напряжения на нагрузке можно определить из соотношения:

где tи – длительность проводящего состояния преобразователя; tп – длительность непроводящего состояния преобразователя; Тк – период коммутации; fк = 1/ Тк – частота коммутации; δ – коэффициент передачи выпрямителя. Величина, обратная δ, называется скважностью.

Читайте также:  Схема преобразователя частоты переменного напряжения

Из формулы (12.1) видно, что среднее значение напряжения на нагрузке (U2ср) можно регу­ли­ровать двумя способами:

1) путем изменения интервала проводимости (tи) ключа при постоянстве частоты комму­тации (fк) прерывателя; такое регулирование называется широтно-импульсным (ШИМ) и изображено на рис. 12.2, а;

2) путем изменения частоты коммутации (fк) при постоянстве интервала проводимости (tu); такое регулирование называется частотно-импульсным (ЧИМ), изображено на рис. 12.2, б.

Преимущественное использование на практике ШИМ объясняется наличием следую­щих недостатков у ЧИМ:

· возможностью появления прерывистого тока при низких часто­тах;

· появлением радиопомех на высоких частотах.

Широтно-импульсное регулирование находит все более широкое приме­нение для регулирования и стабилизации электрических параметров на­грузок различного рода (на электротранспорте, в приводе металлообрабатывающих станков, для питания бортовых систем и т.д.) Это объясняется рядом их преимуществ: высоким КПД; высоким быстродействием; точностью регулирования выходного напряжения в широком диапа­зоне; высокой точностью управления при сохранении устойчивости; слабой чувствитель­ностью к изменениям температуры окружающей среды.

Однако им свойственны и некоторые недостатки: наличие пульсаций выходного на­пряже­ния создает необходимость устанавливать фильтры, что вызывает инерционность преоб­разователя и сложность управления для обеспечения устойчивости работы на им­пульсную нагрузку.

Схема импульсного коммутатора постоянного тока (рис. 12.3) содержит силовой тиристор VSc и узел принудитель­ного выключения силового тиристора, содержащий коммутирующий тиристор VSк, ком­му­тирующие индуктивность Lк и емкость Ск, коммутирующий ди

Подготовка схемы к работе начинается с заряда коммутирующей емкости Cк с по­ляр­ностью, указанной на рис. 12.3. Заряд коммутирующей емкости Cк можно осуществить с помощью кнопки Кз через сопротивление Rз по цепи «+» — Cк — Кз — Rз — «-», или при по­мощи специальной системы управления коммутатором, которая первый импульс по­дает на коммутирующий тиристор VSк, и после его открытия происходит заряд Cк.

Работа схемы начинается после включения силового тиристора VSс. При этом обра­зуется две цепи: одна для протекания тока нагрузки, другая – для перезаряда ком­му­тирующей емкости Cк. Время перезаряда емкости Cк определяется параметрами ко­леба­тельного контура, образованного коммутирующими элементами Lк и Ск.

После перезаряд Cк происходит вынужденное выключение силового тиристора VSc с помощью приложенного к нему обратного напряжения через коммутирующий тиристор VSк . В процессе выключения VSc емкость Cк разряжается. После запирания силового ти­ристора в работе остается коммутирующий тиристор VSк и, осуществляя заряд емкости Cк, подготавливает схему к дальнейшей работе.

Импульсный коммутатор переменного тока (рис. 12.4) обладает двухсторонней про­водимостью тока. В одну из диагоналей диодного моста включается ТП с ШИМ, а через другую диагональ подключается нагрузка к сети переменного напряжения. Процессы, происходящие в данной схеме, поясняются диаграммой (рис. 12.5).

В положительную полуволну напряжения сети работают диоды VD1, VD4 им­пульсный коммутатор. Отрицательную полуволну выходного напряжения формируют со­вместно с диодами VD2, VD3 тот же импульсный коммутатор. Процесс регулирования первой гармонической составляющей выходного напряжения осуществляется изменением длтельности работы силового тиристора VSc.

На практике питание нагрузок постоянного тока чаще осуществляется выпрямленным на­пряжением, поэтому представляет интерес работа ТП с ШИМ в цепи нагрузки выпрямителя (рис. 12.7).

Особенностей в работе импульсного коммутатора в цепи выпрямленного тока и в цепи постоянного тока нет, отличие заключается лишь в форме выходного напряжения (рис. 12.7). Выходное напряжение состоит из регулируемых импульсов, полученных из двухполупериодного выпрямленного напряжения. Регули­рова­ние импульсов среднего выпрямленного напряжения осуществляется широтно-ипульсным способом.

Поскольку в обеих схемах (рис. 12.4 и 12.6) тиристорный коммутатор вклю­чен в диагональ выпрямленного тока, то процессы, происходящие собственно в ТП с ШИМ, анало­гичны.

Источник