ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
(ДГТУ)
Кафедра "Робототехника и мехатроника"
Импульсно-фазовое управление
Тиристорным преобразователем
Методические указания
к выполнению лабораторной работы по дисциплине
«Электрические и гидравлические приводы мехатронных и робототехнических систем»
Разработали: Н.Ф. Карнаухов
М.Н. Филимонов
Ростов-на-Дону.
Цель работы
Изучить основные принципы организации импульсно-фазового управления тиристорным преобразователем (ТП) переменного напряжения в постоянное напряжение:
- особенности построения импульсно-фазовых систем управления ТП,
- характерные режимы работы двигателя постоянного тока (ДПТ) при питании якоря от тиристорного преобразователя в зоне прерывистых и непрерывных токов.
Теоретическая часть
2.1. Система импульсно-фазового управления (СИФУ) преобразовательного устройства (тиристорного преобразователя) предназначена для генерирования и формирования импульсов управления определенной длительности и формы, распределения их по соответствующимфазам в многофазных системах и изменения (фазового смещения) момента подачи этих импульсов на управляющие электроды тиристоров преобразователя относительно фазы анодного напряжения. В преобразовательных устройствах находят широкое применение полууправляемые силовые полупроводниковые приборы (СПП) - тиристоры, симисторы, полностью управляемые СПП - запираемые тиристоры GTO, IGCT, а также транзисторы IGBT.
Основной задачей СИФУ является преобразование аналогового сигнала в импульсные сигналы управления СПП по углу, регулирование среднего выпрямленного напряжения Uтп тиристорного преобразователя (ТП) в зависимости от уровня, полярности напряжения управления Uу, т.е. формирование выходного напряжения ТП в соответствии с уравнением:
Uтп = К*Uу, (1)
где К - коэффициент передачи ТП, не зависящий от режима работы питающей сети и нагрузки в цепи выпрямленного тока. По принципу действия и элементной базе СИФУ подразделяют на:
1.Электронные (полупроводниковые), построенные на серийных интегральных микросхемах аналогового (дискретного) и цифрового типа с малой степенью интеграции.
В зависимости от того, как вырабатываются управляющие импульсы для каждого тиристора ТП - одним электронным блоком или отдельными блоками - такие системы управления подразделяются на одно - и многоканальные, а по способу изменения (смещения) фазы управляющего импульса СИФУ подразделяются на горизонтальные и вертикальные.
2. Электромагнитные СИФУ с использованием электромагнитных устройств, формирующих импульсы управления в момент перехода ферромагнитных материалов в насыщенное состояние. К таким системам мо-жно отнести системы с пик-трансформаторами, пик-дросселями, импульсными насыщающимися трансформаторами, выполненными на базе сердечников из магнитного материала с резко выраженной нелинейностью (прямоугольной петлей гистерезиса ППГ), однополупериодными магнитными усилителями. Такие СИФУ выпускались в 90–е годы двадцатого столетия и используются до настоящего времени в структурах ТП технологического оборудования ряда промышленных объектов.
2. 2. Горизонтальный принцип управления
При горизонтальном принципе управления формирование управляющего импульса осуществляется в момент перехода синусоидального напряжения через нулевое значение, а изменение его фазы обеспечивается изменением фазы синусоидального напряжения управления, т.е. смещением его по горизонтали (по оси времени t).
Генератор переменного напряжения ГПН выдает синусоидальное напряжение, находящееся в определенном фазовом соотношении с анодным напряжением тиристора В энергетического (силового) канала (рис. 1, а).
а) б)
Рис. 1 - Структурная схема СИФУ (а) и диаграммы напряжений в контрольных точках (б)
С выхода мостового фазовращательного устройства МФУ сдвинутое по фазе напряжение управления Uмфу поступает на формирователь импульсов ФИ, где в момент перехода синусоиды через нулевое значение формируется импульс управления Uфи, затем импульс Uфи усиливается усилителем мощности УМ до значения, необходимого для надежного управления тиристором В по управляющему электроду. Угол сдвига фаз (рис.1, б) регулируется изменением напряжения задания Uз, а ГПН и МФУ в совокупности образуют фазорегулирующее устройство ФРУ.
Горизонтальный метод управления в настоящее время не находит применения, поскольку мостовые фазовращательные устройства критичны к форме и частоте подаваемого напряжения, а использование транзисторов (в качестве активного регулируемого сопротивления в схеме) приводит к нарушению симметрии формируемых импульсов.
2.2. Вертикальный принцип управления
При вертикальном принципе управления формирование управляющего импульса тиристором ТП производится в результате сравнения на нелинейном элементе величины переменного (синусоидального, пилообразного, треугольного) и постоянного напряжений. В момент, когда эти напряжения становятся равными, происходит формирование управляющего импульса управления тиристором В. Фазу импульса можно изменять, регулируя уровень постоянного напряжения Uз.
На рис.2, а приведена схема простейшего устройства, формирующего импульсы по вертикальному принципу управления на управляющем электроде (УЭ) тиристора В.
а)
б)
Рис. 2. Схема реализации вертикального принципа управления (а) и временные диаграммы формируемых напряжений (б).
Входное напряжение U 
транзистора VТ в любой момент времени t определяется алгебраической суммой постоянного ± 
и переменного ~ U 
напряжений. Когда напряжение Uт изменяется по амплитуде от нулевого значения (точка 1) до значения (точка 2, рис. 2,б), на базе транзистора VТ присутствует отрицательный потенциал итранзистор открыт. Напряжение источника питания (-U 
) почти полностью приложено к нагрузке Rн.
В период времени, когда мгновенные значения напряжений (~U 
) = (
), что соответствует точкам 2-3, к участку эмиттер-база транзистора VТ прикладывается разностное положительное напряжение синусоиды и транзистор VT закрывается (до точки 3).
В момент запирания транзистора VТ напряжение (- Uк) прикладывается к R С-цепочке, составленной из резисторов Rн, R и конденсатора С2.
На резисторе R при заряде конденсатора С2 формируется (при дифференцировании) отрицательный импульс напряжения (точка а). На участке 2-3 транзистор VТ закрыт иктранзистору приложено напряжение (- U 
). В т. 3, когда (~U ) становится несколько меньше (- ) транзистор VТ открывается, разряжая конденсатор С2 на резистор R. Импульсы, формируемые данным устройством, подаются затем на усилитель мощности УМ системы управления. Фаза формируемых импульсов изменяется при изменении величины постоянного напряжения . По такому принципу построены одноканальные СИФУ.
2.3. Многоканальная система импульсно-фазового управления
Принцип построения структурной схемы многоканальной синхронной СИФУ приведен на рис. 3.
Рис. 3 - Структурная схема многоканальной СИФУ
Схема СИФУ построена на серийных интегральных микросхемах с малой степенью интеграции, включая активные сетевые фильтры на операционных усилителях 1, подключенные на вторичные обмотки 3-х фазного синхронизирующего трансформатора с пониженным напряжением 15-25 В фаз (Ua, Ub, Uс). Для исключения влияния амплитудных изменений напряжения сети на параметры пилообразного напряжения, получаемого с интегратора 3, напряжение с сетевого фильтра поступает на компаратор 2, преобразующий сигнал в двухполярное прямоугольное напряжение. После интегратора 3 пилообразное (треугольное) развертывающее напряжение сравнивается на входе компаратора 4 с напряжением управления Uу. В момент равенства этих напряжений с выхода компаратора 4 поступает импульс на формирователь выходного импульса ФИ. Согласующий усилитель 5 является общим и инвертирующим для всех фазных каналов. Передаточный коэффициент усилителя (внутри пределов ограничения диодами VD1 и VD2) составит:
(2)
При достижении напряжением значения, устанавливаемого на потенциометрах R4 и R5 для разнополярных напряжений , открывается цепь одного из диодов VD1 или VD2 в зависимости от полярности приложенного напряжения . При этом передаточный коэффициент становится равным:
(3)
Обычно расчетное значение R1>>R4 и характеристика "вход-выход" в зоне «ограничения» имеет малый наклон по отношению к оси 
.
Смещение характеристики "вход-выход" усилителя осуществляется введением в цепь управления напряжения смещения U 
. В общем случае при синхронном способе формирования угла управления (угол подачи αi для i — го импульса управления) определяется выражением:
, (4)
где 
- угол начала отсчета фазы по отношению к напряжению сети; р - число пульсаций преобразователя; Qi - регулируемый угол задержки, равный Qi = 
,
где i=1,2....;
ω - угловая частота сети, рад 
;
t - время.
Экспериментальное исследование однофазной одноканальной СИФУ
3.1. Исследование одноканальной СИФУ (рис.4.) проводится на лабораторном стенде (рис.5), схема которого собрана по схеме ТП-ДПТ. При этом предполагается изучение работы электронных узлов, определение назначения каждого функционального элемента, его взаимодействие с другими элементами схемы.
С помощью осциллографа выполнить исследование форм импульсных напряжений в каждой контрольной точке КТ электрической схемы, скопировать и пояснить эпюры напряжений с привязкой их к одной временной координате. На основании принципа работы СИФУ составить временные диаграммы работы электронных узлов схемы и дать краткие пояснения к работе этих узлов и схемы управления в целом.
Рисунок 4.
3.2. Исследование влияния индуктивности сглаживающего дросселя Lс на коэффициент пульсации тот якоря следует проводить также осциллографическим методом и непосредственным измерением параметров приборами. Пояснить физическую сущность влияния введенной L 
на характер прерывистых и непрерывных токов цепи якоря ДПТ, питаемого от ТП.
3.3. Перечень контрольных вопросов
1. Какими особенностями обладают СИФУ с вертикальным принципом формирования управляющих импульсов для СПП?
2. Почему повышенные требования предъявляются к параметрам конденсаторов контуров интегрирования при формировании пилообразного напряжения?
3. Поясните физические основы работы схемы и возможности управления скоростью ДПТ при поступлении сигналов от блока управления БУ?
4. Как можно остановить работу, движение ПР (МС) при срабатывании концевого датчика движения S2? Пояснить принцип работы этого узла схемы.
5. Изменение каких параметров следует ожидать при увеличении С3 в 3 раза?
3.4. Тесты для проверки готовности студента к выполнению
лабораторной работы
1. Постоянная времени разряда конденсатора С3 (в схеме рис.4) зависит от:
- внутреннего сопротивления открытого транзистора VT 12,
- диапазона изменения угла управления α,
- увеличения или уменьшения угла управления α.
2. При какой форме пилообразного напряжения СИФУ будет сформировано пониженное напряжение на выходе ТП, когда:
- кривая нарастающего напряжения на выходе интегратора выпуклая,
- кривая нарастающего напряжения на выходе интегратора изменяется линейно;
- кривая нарастающего напряжения на выходе интегратора вогнутая.
3. Зона управляемости ТП по минимальному току нагрузки определяется рядом параметров:
- значением статического момента, изменяемого от 0 до Мс = Мс ном.,
- значением тока цепи якоря, превышающим ток удержания тиристора;
- суммарным током удержания тиристоров в схеме преобразователя.
4. На надежное управление тиристорами ТП влияет ряд факторов. При каких условиях можно ожидать четкое открытие тиристора:
- когда ширина управляющего импульса составляет 30 ° эл. и более,
- ширина управляющего импульса меньше угла сдвига фаз между током и напряжением силового контура;
- ширина управляющего импульса больше угла сдвига фаз тока и напряжения силового контура.
5. Почему при отсутствии С3 система не формирует сигналы управления?
Требования к отчету
Отчет должен содержать: