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 t и и паузой t п, 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
E
UН t
Рисунок 5.4- Выходное напряжение на нагрузке при использовании метода ШИР
Широтно–импульсный метод регулирования (ШИР) осуществляется изменением длительности (ширины) выходных импульсов t и (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 = t и/ Т – коэффициент регулирования.
В соответствии с (5.1) диапазон регулирования выходного напряжения ИП с ШИР составляет от нуля (t и = 0, g = 0) до Е (t и = 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
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.
~ uc
 |
uн iн uн
VS1 VS2
а) г) i н
π J
RH
α 2π
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 0 cosα-IR Э)/ kф; ω = Ud 0 cosα / kф - MR Э/(kф)2, (5.3)
где Ud 0 – среднее значение выпрямленного напряжения для данного типа выпрямителя (для трехфазной мостовой схемы Ud 0 = 2,34 U2Ф);
R Э – эквивалентное сопротивление цепи якоря;
α - угол управления тиристорами выпрямителя, формируемый схемой управления СУ.
Для широтно-импульсного преобразователя уравнения этих характеристик имеют следующий вид:
ω = (ε U–IR Я) / kф, ω = ε U / kф - MRЯ /(kф)2, (5.4)
где ε = t и / T – коэффициент регулирования (t и- длительность импульса, T- период).
+
VS1 VS3 VS5
Uc Т
ОВ
VS4 VS6 VS2
-
(α)
Uз
Рисунок 5.7 – Электропривод на основе трехфазного мостового выпрямителя
VS VD
ОВ
= U
Uз (ε)
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.
 | |||
|