Тиристорный преобразователь как динамическое звено
Стр 1 из 4Следующая ⇒ Рис. 3.8. ЛАЧХ и ЛФЧХ генератора
Форсирование переходных процессов. Для ГПТ с НВ (Р>100 кВт) постоянная времени значительно больше 1 с. Такая инерционность затягивает переходные процессы и значительно ограничивает его полосу пропускания. Для форсировки (убыстрения) переходных процессов применяют следующие два способа: уменьшение эквивалентного значения Тг, повышение или уменьшение изменения ЭДС генератора за счет управления напряжением возбуждения. Рис. 3.9. Схемы включения ГПТ с НВ к сети (а) и управляемому возбудителю (б)
При первом способе ( Второй способ заключается в том, что к обмотке возбуждения на время переходного процесса прикладывается повышенное напряжение, которое должно мгновенно, в конце процесса, уменьшено до требуемого установившегося значения. Это достигается введением с помощью контакта К2 резистора Степень форсировки переходных процессов характеризуется коэффициентом форсировки:
где
Для первого случая
где
Для схемы возбуждения с шунтируемым дополнительным резистором
Для схемы с управляемым возбудителем
где Uн – напряжение насыщения управляемого возбудителя;
С помощью Графики переходных процессов для обоих случаев приведены на рис.3.10: 1 – 2 – Как видно из графиков форсировка с отсечкой более эффективна, т.к. повышенное напряжение возбуждения остается неизменным. Определим
Рис.3.10. Графики переходных процессов
В электроприводе имеют место задачи, где требуется не форсирование процесса, а, напротив, дефорсирование в целях ограничения ускорения и поддержание его постоянным. В этих случаях инерционность генератора оказывается полезной. Однако при апериодическом характере переходного процесса в соответствии с передаточной функцией темп изменения ЭДС генератора, ограниченный инерционностью в начальный момент, не сохраняется постоянным, а непрерывно уменьшается. Обеспечить ограничение и постоянство темпа изменения ЭДС можно с помощью схемы с критическим самовозбуждением генератора (рис. 3.11). Условием критического самовозбуждения является равенство сопротивления цепи самовозбуждения
Полученное значение сопротивления называется критическим. Так как
Это означает, что при критическом самовозбуждении коэффициент усиления генератора относительно обмотки самовозбуждения должен быть равен 1. Данное условие имеет также и графическую интерпретацию: равенство углового коэффициента прямой МДС самовозбуждения
Рис. 3.11. Схемы включения обмоток возбуждения генератора с критическим самовозбуждением с двумя (а) и с одной (б) обмотками
Для варианта схемы возбуждения с двумя обмотками (ОВ1 и ОВ2) (рис. 3.11,а)
где
Для варианта с одной, но разделенной на две равные части обмоткой возбуждения (рис.3.11,б)
где Цепь самовозбуждения выполняет функцию положительной обратной связи по ЭДС, ее МДС Fсв действует согласно с МДС независимой обмотки Fв1 и при линейной характеристике генератора
Подставляя условие (3.26) в данное, получаем, что Данный способ возбуждения позволяет существенно снизить мощность управления генератором: Для схемы с двумя обмотками возбуждения (см. рис. 3.11,а)
Для схемы с одной разделенной обмоткой возбуждения (см. рис. 3.11,б)
где
Динамические режимы генератора с критическим самовозбуждением в пределах прямолинейного участка его характеристики управления будут определяться общим уравнением возбуждения
где Генератор с критическим самовозбуждением представляет собой в динамике интегральное звено с передаточной функцией
Темп интегрирования при неизменных параметрах kг и Tг определяется значением выходного напряжения управляемого возбудителя Uв1. Для получения устойчивого установившегося режима работы генератора на прямолинейном участке характеристики управления на вход возбудителя вводится напряжение отрицательной обратной связи. При этом уравнение (3.34) дополнено уравнением для управляемого возбудителя, и совместное их решение даст выражение
Данному уравнению соответствует структурная схема, приведенная на рис.3.12. Отрицательная обратная связь оказывается блокированной, когда управляемый возбудитель работает на участке насыщения и генератор, являясь интегратором, имеет максимально допустимый темп изменения ЭДС. При работе возбудителя на усилительном участке характеристики управления отрицательная связь переводит генератор в режим работы апериодического звена с передаточной функцией:
где
Рис. 3.12. Структурная схема генератора с критическим самовозбуждением и отрицательной обратной связью по напряжению
При высоком коэффициенте усиления возбудителя постоянная
3.2. Электромагнитный усилитель поперечного поля Простейшим электромагнитным усилителем (ЭМУ) является генератор постоянного тока с независимым возбуждением, поскольку мощность возбуждения составляет несколько процентов от выходной мощности машины. Значительно большой коэффициент усиления по мощности (до 104) имеют ЭМУ поперечного поля за счет двух каскадов усиления (рис. 3.13). Рис. 3.13. Принципиальная схема ЭМУ поперечного поля
ЭМУ представляет собой генератор, имеющий на якоре обмотку, типичную для машин постоянного тока. Шихтованную магнитную систему выполняют как с явно, так и с неявно выраженными полюсами. На коллекторе располагаются две пары щеток: аа и бб. Поперечные щетки замкнуты между собой. Под действием потока Фу, создаваемого обмоткой управления LG, в цепи короткозамкнутых щеток возникает значительный ток. Результатом этого является магнитный поток Фа, неподвижный в пространстве. В витках обмотки якоря, пересекающих поток Фаa, наводится ЭДС Eэ, которая снимается щетками бб и подводится к нагрузке Rн. Ток выходной цепи ЭМУ Iэ создает поток реакции якоря по продольной оси Фаa, уменьшающий действие потока управления Фу. Для ослабления действия продольной составляющей реакции якоря Фа в усилителе имеется компенсационная обмотка LG1. В зависимости от положения ползунка потенциометра Rш магнитный поток компенсационной обмотки может быть меньше Фa (недокомпенсация), равен Фa (полная компенсация) и больше его (перекомпенсация).
На рис 3.14. изображена регулировочная характеристика (а) ЭМУ поперечного поля
Рис 3.14. Регулировочная (а) и внешняя (б) характеристики ЭМУ
В соответствии
где Получим передаточную функцию ненагруженного ЭМУ поперечного поля. Входной координатой первого каскада усиления ЭМУ является напряжение обмотки управления
где
Входной координатой второго каскада усиления ЭМУ является ЭДС короткозамкнутой обмотки. А выходной – ЭДС обмотки якоря
где
На основании
где ЭМУ поперечного поля имеет несколько обмоток управления (до 4), что обеспечивает простоту суммирования нескольких сигналов управления. Если в схеме использовано n обмоток управления, то постоянная времени первого каскада определяется как сумма постоянных времени отдельных обмоток:
где
В справочной литературе приводятся значения постоянных времени обмоток управления, определяемые только индуктивностью и сопротивлением обмоток:
Действительное значение электромагнитной постоянной времени обмотки управления зависит от величины добавочных индуктивностей и сопротивлений, обусловленных схемой включения:
Заметим что благодаря двухкаскадному усилению сигналов ЭМУ поперечного поля имеют лучшее быстродействие, чем ГПТ независимого возбуждения.
3.3. Магнитные усилители Принцип действия магнитных усилителей (МУ) основан на нелинейности характеристики намагничивания Рис. 3.15. Характеристика намагничивания (а) схема дроссельного магнитного усилителя (б)
Простейший нереверсивный МУ состоит из дросселя насыщения, включенного в цепь переменного тока последовательно с нагрузкой
где Индуктивность дросселя
где S, l - сечение и длина средней линии сердечника дросселя; m - магнитная проницаемость. Рис. 3.16. Регулировочная характеристика МУ
На рис. 3.16 изображена регулировочная характеристика простейшего МУ Сердечники мощных МУ изготавливают из трансформаторной стали; для усилителей малой мощности обычно используют железоникелевые сплавы типа пермаллоя и другие с высокой магнитной проницаемостью. Приведенная на (рис 3.15, б) схема МУ имеет существенный недостаток, ограничивающий его применение: за счет переменного тока рабочей обмотки в обмотке управления наводится значительная ЭДС, искажающая управляющий сигнал. Для устранения этого явления применяют двухдроссельные МУ, включенные по управляющей обмотке навстречу друг другу (рис. 3.17, а)
Рис. 3.17. Двухдроссельные МУ с встречным включением управляющей обмотки (а); со специальной обмоткой смещения (б)
В соответствии с (рис 3.16) простейшие магнитные усилители не реагируют на изменение полярности управляющего напряжения. Этот недостаток устраняют применением специальной обмотки смещения
Рис 3.18. Регулировочная характеристика МУ с обмоткой смещения
Простейшие МУ усиливают управляющий сигнал по мощности в несколько десятков раз, что не всегда достаточно при использовании их в системах регулирования. Для увеличения коэффициента усиления и расширения функциональных возможностей в магнитных усилителях применяют внутренние и внешние обратные связи. Вариант схемы МУ с внешней обратной связью по току приведен на рис. 3.19,а.
Рис. 3.19. МУ с обратной связью (а) и регулировочной характеристиками (б,в)
Ток нагрузки выпрямителя VD1-VD4 протекает по обмотке обратной связи Wос. Регулировочные характеристики магнитного усилителя при различных значениях коэффициента обратной связи приведены на рис.3.19 б, в. Направление тока в обмотке обратной связи определяется только схемой выпрямителя и не зависит от полярности управляющего напряжения. Поэтому для одной ветви регулировочной характеристики обратная связь оказывается положительной (направления магнитных потоков обмоток управления и обратной связи совпадают), а для другой – отрицательной. При коэффициенте обратной связи
Рис. 3.20. МУ с выходом на постоянном токе.
Коэффициент внутренней обратной связи равен отношению напряженности поля обратной связи к среднему значению напряженности, создаваемой переменным током, т.е.
где Фактически Достоинство внутренней обратной связи – отсутствие специальной обмотки обратной связи. Недостаток – сложность изменения При необходимости изменения полярности выходного напряжения (выход на постоянном токе) или его фазы (выход на переменном токе) применяют реверсивные магнитные усилители. На рис. 3.21,а изображена схема реверсивного МУ с выходом на постоянном токе. Он состоит из двух нереверсивных магнитных усилителей, включенных по дифференциальной схеме. Напряжение нагрузки равно разности напряжений на балластных сопротивлениях Магнитный усилитель как элемент систем управления является дискретным звеном со сложной формой выходных импульсов. Однако с учетом фильтрующего действия других элементов, входящих в систему, его часто можно представить непрерывным звеном. Как показывает практика, инерционность МУ в основном определяется параметрами обмоток управления. Для управляющей цепи справедливо уравнение
где
Рис 3.21. Схема реверсивного МУ (а) и его регулировочные характеристики (б) Заметим, что индуктивность обмотки управления зависит от степени насыщения сердечника, т.е. является величиной переменной. Для упрощения математических соотношений предположим, что при относительно небольших изменениях напряжения управления
или где Iн ср - среднее значение тока нагрузки; KI - коэффициент усиления МУ по току;
Среднее значение напряжения на сопротивлении нагрузки
В результате получим:
или где
Тогда передаточная функция магнитного усилителя
т.е. при сделанных допущениях МУ эквивалентен инерционному звену. Постоянную времени МУ с несколькими включеными обмотками управления определяют как сумму постоянных времени отдельных обмоток аналогично соответствующим расчетам ЭМУ. В системах регулирования магнитные усилители выполняют следующие функции: предварительное усиление сигналов; управление двигателями постоянного и переменного тока (силовые преобразователи); суммирование нескольких сигналов; преобразование постоянного напряжения (тока) в модулированные колебания переменного тока и некоторые другие. Достоинство МУ: надежность в работе; повышенная виброустойчивость; большая чувствительность; возможность суммирования нескольких сигналов; питание от сети переменного тока; готовность к работе сразу после включения. Недостатки магнитных усилителей: значительная инерционность; малое входное сопротивление; низкий КПД реверсивных схем; невозможность создания режима рекуперации. Увеличение быстродействия МУ достигается за счет повышения частоты питающего напряжения, каскадного включения нескольких магнитных усилителей, использования специальных схем быстродействующих МУ. 3.4. Вентильные преобразователи напряжения постоянного тока (ВП)
На сегодня широкое применение ВП в системах АЭП обусловлено выпуском надежных малогабаритных тиристоров и транзисторов. На их основе для электропривода постоянного тока разработаны два типа преобразователей: тиристорные преобразователи (ТП) напряжения переменного тока в постоянный и широтно-импульсные преобразователи (ШИП) неизменного напряжения постоянного тока в регулируемое напряжение постоянного тока.
3.4.1. Тиристорные преобразователи (ТП)
Достоинства: - высокий КПД из-за незначительного падения напряжения на тиристоре (<1В); - малая инерционность 0,01…0,02 с, обусловленная фильтрами в цепях управления и неуправляемостью тиристоров в течении интервала проводимости; - высокая надежность при использовании быстродействующей защиты и модульно-блочного исполнения ТП. Недостатки: - низкий коэффициент мощности при глубоком регулировании напряжения; - искажения питающего напряжения, вносимые работой ТП; - повышенный уровень излучаемых радиопомех. Функциональная схема ТП имеет вид (рис. 3.22)
Рис. 3.22. Функциональная схема ТП. - входная координата – напряжение управления - выходная координата – выпрямленная ЭДС Ed (Ed – средняя величина на интервалах проводимости в установившихся режимах и еd – в переходных процессах). Входной блок Б1 преобразует величину Отметим: влияние Id на Ed проявляется только в режиме прерывистых токов. В режиме непрерывных токов ЭДС является функцией только угла открывания.
Для m-фазной нулевой схемы ТП:
где Е2m- амплитудное значение фазной ЭДС на вторичной обмотке трансформатора; Е2- действующее значение фазной ЭДС вторичной обмотки трансформатора; m- число фаз. Действующее значение фазного тока I2 на вторичной обмотке трансформатора определится через выпрямленный ток Id, если он имеет прямоугольную форму:
Внутреннее сопротивление ТП (приведенное к цепи нагрузки):
где
Наибольшее распространение получили нулевые и мостовые схемы включения вентильных групп (рис.3.23,а,б,в,г). 1 схема. Самая простая, но самый большой уровень пульсаций, частота 2 схема. Высокая частота пульсаций 3 схема. Вентильные группы работают параллельно, поэтому необходим реактор L, чтобы исключить коммутацию вентилей с одной группы на другую, т.е. работа обеих групп независима. Нет подмагничивания трансформатора, т.к. обмотки включены встречно и МДС на одном стержне противоположны. Частота пульсаций 4 схема. Выпрямленная ЭДС при одном и том же вторичном напряжении трансформатора в 2 раза больше; пульсации выпрямленной ЭДС в 2 раза больше по частоте и меньше по амплитуде; вентильные группы могут подключаться к сети без трансформатора; для электропривода в десятки и сотни кВт.
а) трехфазная:
б) шестифазная:
в) 3-х фазная с уравнительным реактором г) 3-х фазная мостовая:
Рис. 3.23. Схемы включения вентилей
Трехфазная мостовая схема (рис. 3.22,г) представляет собой сдвоенную нулевую схему работающую последовательно в оба полупериода переменного тока. Схемы на рис. 3.23 – нереверсивные. Реверсивные схемы ТП состоящие из двух комплектов вентилей имеют название – встречно-параллельные, из двух комплектов нереверсивных ТП – перекрестные. Для удобства анализа работы СИФУ ТП обычно нумеруются тиристоры в вентильных группах в соответствии с очередностью их открывания, начиная отсчет с фазы а. Диаграммы очередности открывания тиристоров для приведенных ниже схем имеют вид на рис. 3.24. Основу СИФУ представляет блок управления БУ, управляющий одним тиристором (рис. 3.25). ГОН – генератор опорного напряжения, который синхронизирован с напряжением питания тиристора; ФСУ – фазосмещающее устройство, которое регулирует фазу управляющего импульса; ГИ – генератор импульсов, вырабатывает необходимый для открывания тиристоров импульс. Широкое применение в современных СИФУ находит так называемый вертикальный принцип управления. В таких СИФУ разностный сигнал
Рис. 3.24. Диаграмма очередности открывания тиристоров
Рис. 3.25. Функциональная схема блока управления СИФУ
Рис.3.26. Диаграмма регулирования фазы открывающего импульса по вертикальному принципу
Синхронизация напряжений
Управляющие свойства ТП определяются их характеристиками управления
В соответствии с общей функциональной схемой (см. рис. 3.25) внутренняя координата ТП – угол открывания α – выделяет в составе ТП две части: СИФУ и ВГ, математическим описанием которых будут характеристики управления СИФУ
Рис. 3.27. Косинусоидальное (а) и пилообразное (б) опорные напряжения СИФУ.
Тогда характеристика СИФУ определиться выражением:
Эта подстановка в выражение для Ed определит характеристику управления ТП при косинусоидальном опорном напряжении
Характеристика оказывается прямолинейной с коэффициентом усиления
в диапазоне изменения | ||||||||||||||
|
|