- •1. Автоматика и обобщенные характеристики элементов систем автоматики
- •Характеристики управления элементов сау
- •1.2. Основные параметры элементов
- •2. Генератор постоянного тока
- •3.1. Параметры управляемого вентиля-тиристора
- •3.2 Однополупериодные схемы выпрямления однофазного тока
- •3.3. Двухполупериодные схемы выпрямления однофазного тока
- •3.4. Трехфазная однотактная схема выпрямления тока (трехфазная схема со средней точкой, трехфазная нулевая трехпульсная схема)
- •3.5. Трехфазная двухтактная вентильная схема (схема Ларионова)
- •4. Инверторы
- •4.1. Однофазный инвертор со средней точкой
- •Входная и ограничительная характеристики инвертора. Зависимость входного постоянного напряжения (собственной противо эдс) от тока является входной характеристикой инвертора.
- •4.2. Инверторы напряжения
- •4.3. Инверторы тока
- •5. Составные многофазные схемы выпрямления
- •6. Узлы коммутации однооперационных тиристоров
- •8. Регуляторы переменного напряжения
- •8.1. Классификация регуляторов переменного напряжения
- •8.2. Тиристорные регуляторы напряжения переменного тока
- •8.3. Регуляторы с вольтодобавкой
- •8.4. Регуляторы с широтно-импульсным способом регулирования
- •8.5. Регуляторы с коэффициентом преобразования по напряжению больше единицы (повышающие и повышающе-понижающие регуляторы)
- •9. Преобразователи частоты
- •9.1. Непосредственные преобразователи частоты на вентилях с неполным управлением
- •9.2. Непосредственные преобразователи частоты на вентилях с полным управлением и циклическим методом формирования кривой выходного напряжения
- •9.3. Непосредственные преобразователи частоты с коэффициентом преобразования по напряжению больше единицы (повышающие циклоконверторы)
- •9.4. Спч с промежуточным звеном постоянного тока
- •10. Структурные схемы систем управления преобразовательных устройств
- •10.1. Системы управления выпрямителей и зависимых инверторов
- •10.2. Системы управления преобразователей частоты с непосредственной связью
- •10.3. Системы управления автономных инверторов
- •10.4. Системы управления регуляторов-стабилизаторов
- •11. Аналоговые регуляторы
- •12. Микропроцессорные системы в преобразовательной технике
- •13. Последовательностные цифровые устройства: триггеры, счетчики, память.
- •13.1. Триггеры
- •Контрольные вопросы и задания
- •13.2. Счетчики
- •14. Запоминающие устройства на основе интегральных микросхем
- •14.1. Интегральные микросхемы ис озу
- •14.2. Интегральные микросхемы ис пзу
- •9.1.1.1. Аналого-цифровые, цифро-аналоговые преобразователи
- •15.1. Аналого-цифровые преобразователи (ацп)
- •Параллельные ацп
- •Последовательные ацп
- •Последовательно-параллельные ацп
- •15.2. Цифро-аналоговые преобразователи
- •16. Датчики
- •16.1. Типы электрических датчиков
- •16.2. Структурные схемы датчиков
- •16.3. Потенциометрические датчики
- •16.4. Пьезоэлектрические датчики
- •16.5. Фотоэлектрические датчики
- •16.6. Радиотехнический датчик
- •16.7. Датчики температуры
- •16.8. Электромагнитные датчики
- •16. 9. Схемы усилителей для датчиков на основе оу
- •3.1. Параметры управляемого вентиля-тиристора 30
- •4.1. Однофазный инвертор со средней точкой 63
- •394026 Воронеж, Московский просп., 14
3.1. Параметры управляемого вентиля-тиристора
В управляемых выпрямителях применяются вместо диодов управляемые вентили –тиристоры. Вольт амперная характеристика тиристора напоминает характеристику диода, но в отличие от нее имеет на прямой ветви выброс, симметричный обратной ветви. По этой причине тиристор не будет проводить ток как в прямом, так и в обратном направлении (рис. 3.1).
Рис. 3.1. Вольт-амперная характеристика тиристора
При положительной полярности напряжения на аноде тиристор может проводить ток, если подать импульс на управляющий электрод (УЭ) длительностью не меньше tвкл (1-10мксек). В этом случае снижается напряжение выброса до минимума и вольт амперная характеристика становится похожей на характеристику диода.
После включения тиристора необходимость управляющего импульса отпадает. Для его выключения требуется уменьшить ток в тиристоре (меньше Iуд) в течение определенного времени (больше tвыкл>tвкл). В цепях переменного тока выключение тиристора происходит естественно при изменении направления тока. В цепях постоянного тока используется система искусственной коммутации.
К основным показателям тиристора следует отнести допустимые прямое и обратное напряжения (Uпр, Uобр), средний и амплитудные токи, Iуд. Минимальный ток удержания Iуд -ток, при котором тиристор еще находится в открытом состоянии.
По цепи управления тиристор характеризуется величиной тока и длительностью управляющего импульса.
Тиристор критичен к скорости изменения напряжения на аноде. При достаточно большой скорости возможно его самопроизвольное включение. При высокой скорости изменения тока так же может быть пробой.
В управляемом выпрямителе регулирование выходного напряжения осуществляется изменением момента включения угла регулирования . Отсчет угла регулирования производится от точки естественной коммутации.
3.2 Однополупериодные схемы выпрямления однофазного тока
Рис. 3.2 - Управляемый однополупериодный выпрямитель
Управление выходным выпрямленным напряжением сводится к управлению во времени моментом отпирания тиристора. Это делается короткими импульсами с крутым фронтом (иголка). Если тиристор открыт в течение всего полупериода, то на выходе получается пульсирующее напряжение, аналогично неуправляемому выпрямителю. При изменении времени задержки отпирания тиристоров меняется выпрямленное напряжение в сторону уменьшения. Это видно из графиков ниже. Для каждой задержки соответствует определенный угол сдвига по фазе между напряжением на тиристоре и сигналом управления. Этот угол называется углом управления или регулирования и определяется как α=ωtз. tз - то самое время задержки, ω - угловая частота (ω=2πf).
Рис. 3.3. - Принцип управления выпрямленным напряжением задержкой открывания тиристоров
Управлять тиристором можно, например, с помощью вот такого фазовращателя (рис. 3.4):
Рис. 3.4 - Фазовращатель
3.3. Двухполупериодные схемы выпрямления однофазного тока
Вентильные схемы с нулевым выводом характеризуются тем, что токи во вторичных обмотках имеют одно направление и поэтому содержат постоянную и переменную составляющие. В зависимости от наличия броневой или стержневой магнитной системы для полной компенсации намагничивающих сил трансформатора обмотки следует располагать по-разному.
В дальнейшем будем рассматривать однофазную двухполупериодную однотактную схему, представленную на рис. 3.5,а, при этом подразумевается, что в схемах рис. 3.5,а и рис. 3.5,б электромагнитные процессы протекают одинаково, т.е. обе схемы магнитно уравновешены.
Рис. 3.5. Двухполупериодная однотактная вентильная схема: а – с броневой магнитной системой; б – со стержневой магнитной системой
Вторичная обмотка трансформатора имеет секции и с напряжениями и , сдвинутыми по фазе на 1800.
Для напряжений секций и трансформатора имеем
,
где – действующее значение напряжения одной секции вторичной обмотки трансформатора.
Постоянная составляющая выпрямленного напряжения
|
(3.1) |
Действующие значения напряжения через коэффициент схемы
; ; |
(3.2) |
Постоянная составляющая выпрямленного тока
,
а постоянная составляющая тока через один вентиль
|
(3.3) |
Амплитуда тока вентиля
|
(3.4) |
Когда вентиль 1 закрыт, на его катод с помощью токопроводящего вентиля 2 подается напряжение .
Поэтому обратное напряжение на вентиле
, (3.5)
,
а его амплитуда
|
(3.6) |
Мгновенное значение первичного тока
.
Так как ток меняется синусоидально, его действующее значение
|
(3.7) |
Мощность трансформатора
|
(3.8) |
Параметры трансформатора и вентилей несколько изменяются при работе выпрямителя на нагрузку , когда .
Действующее значение тока вторичной обмотки
.
Действующее значение напряжения вторичной обмотки
|
(3.9) |
тогда мощность трансформатора
|
(3.10) |
Амплитуда анодного тока вентиля .
Остальные параметры вентилей такие же, как и при .
Рис. 3.6. Кривые токов и напряжений двухполупериодной однотактной вентильной схемы: – кривые токов и напряжений приведены на осях 2,3,4,5,6; - 7,8,9,10
Работа схемы рис. 3.5 на активную нагрузку при углах управления .
Пусть в момент времени , т.е. с задержкой на угол относительно перехода напряжения через нуль (точка естественного включения вентиля 1), на управляющий электрод вентиля подается управляющий импульс (рис. 3.5). Тогда вентиль включится и в нагрузке начнет протекать ток под воздействием напряжения . Начиная с этого же момента, к вентилю будет приложено обратное напряжение , равное разности напряжений
двух вторичных полуобмоток.
Рис. 3.7. Диаграммы токов и напряжений однофазного выпрямителя при активной нагрузке и угле
Вентиль будет находиться в проводящем состоянии до тех пор, пока ток, протекающий через него, не спадет до нуля. Так как нагрузка активная и форма тока, проходящего через нагрузку, повторяет форму напряжения , то вентиль включится в момент
.
Поскольку через половину периода полярность напряжения на вторичной обмотке изменяется на противоположную, то при подаче управляющего импульса на вентиль в момент
он включится. Затем указанные процессы повторяются в каждом периоде.
Угол , называемый углом управления или регулирования, отсчитывают относительно моментов естественного включения вентилей ( ), соответствующих моментам включения неуправляемых вентилей в схеме.
Из рис.7 видно, что с увеличением угла среднее значение выходного напряжения будет уменьшаться.
Аналитически эта зависимость будет выражаться следующей формулой:
|
(3.11) |
Обозначив через найденное по выражению (3.9) среднее значение выпрямленного напряжения для неуправляемого выпрямителя ( ), получим средне выпрямленное напряжение для активной нагрузки:
|
(3.12) |
Кривая 1 на рис.6 находится по выражению (19).
Среднее значение выпрямленного тока
|
(3.13) |
В соответствии с (3.13) изменение угла от 0 до приводит к изменению среднего значения выходного напряжения от до нуля.
Зависимость среднего значения выходного напряжения от угла управления называется регулировочной характеристикой вентильного преобразователя.
Рис. 3.8. Регулировочные характеристики однофазного двухполупериодного выпрямителя: 1 – при активной нагрузке; 2 – при активно-индуктивной нагрузке
Заштрихованная область на рис. 3.8 соответствует семейству регулировочных характеристик при различных значениях отношения
.
Если накопленной в индуктивности энергии окажется достаточно, чтобы обеспечить протекание тока до очередной коммутации вентилей, то будет иметь место режим работы с непрерывным током . При режим непрерывного тока будет существовать при любых углах в диапазоне от 0 до (кривая 2 на рис. 3.8).
Работа однофазной мостовой схемы с углом регулирования
Диаграммы токов и напряжений на элементах будут такими же, как и для однофазного двухполупериодного выпрямителя со средней точкой.
Отличие заключается только в том, что амплитуда обратного напряжения на вентиле в мостовом выпрямителе будет в 2 раза меньше, чем в двухполупериодном нулевом выпрямителе.
При активной нагрузке работа схемы будет характеризоваться следующими основными соотношениями:
Рис. 3.9. Однофазный мостовой выпрямитель
При активной нагрузке работа схемы будет характеризоваться следующими основными соотношениями:
среднее значение выпрямленного напряжения
;
максимальное значение обратного напряжения на вентилях
;
максимальное значение тока вентиля
;
среднее значение тока вентиля
;
действующие значения токов, проходящих через вентили и обмотки трансформатора
; ; .
Однофазная мостовая схема, работающая с углом , имеет такие же формы токов и напряжений на ее элементах, как и в однофазном двухполупериодном выпрямителе со средней точкой (рис. 3.10).
Среднее значение выходного напряжения:
при активной нагрузке (рис. 3.11, кривая 1)
,
где – среднее значение выпрямленного напряжения на выходе схемы при угле ;
при активно-индуктивной нагрузке, когда или имеет такое значение, что выпрямленный ток непрерывен (рис.3.11, кривая 2),
.
Максимальные значения напряжений на вентилях:
при активной нагрузке
, ;
при активно-индуктивной нагрузке
, .
Максимальное значение токов вентилей при активной нагрузке
.
Активно-индуктивная нагрузка с углом открытия больше нуля,
Наличие в цепи нагрузки индуктивности существенно изменяет характер электромагнитных процессов в схеме. Так, после начала работы выпрямителя нарастание тока в нагрузке будет происходить постепенно и тем медленнее, чем больше постоянная времени .
При наличии индуктивности выпрямленный ток становится более сглаженным и не успевает доходить до нуля в моменты, когда выпрямленное напряжение становится равным нулю.
При увеличении индуктивности или частоты переменной составляющей выпрямленного напряжения пульсации выпрямленного тока уменьшаются, а при значениях , равных 5-10 и более, расчетные соотношения в схеме будут незначительно отличатся от случая, когда или ( ). В этом случае можно считать, что вся переменная составляющая выпрямленного напряжения выделяется на индуктивности , а постоянная – на сопротивлении .
Несмотря на то, что управляющие импульсы поступают на вентили с задержкой на угол относительно моментов их естественного включения ( ), длительность протекания тока через каждый вентиль остается равной половине периода напряжения питающей сети.
При ток в цепи нагрузки идеально сглажен, а токи вентилей имеют прямоугольную форму, но в отличие от схемы, работающей с углом , прямоугольники токов будут сдвинуты относительно выпрямленного напряжения на угол . Сдвиг тока относительно напряжения на угол приводит к появлению в выпрямленном напряжении отрицательных участков, что вызывает снижение его среднего значения (рис. 3.10).
Рис. 3.10. Диаграммы токов и напряжений двухполупериодного выпрямителя при активно-индуктивной нагрузке и ( )
Учитывая, что форма выпрямленного напряжения повторяется в интервале углов от до , среднее значение выпрямленного напряжения можно найти по формуле
|
(3.14) |
Согласно (3.14) среднее значение выпрямленного напряжения становится равным нулю при . В этом случае в выпрямленном напряжении площади положительного и отрицательного участков равны между собой и постоянная составляющая отсутствует [1].
Регулировочная характеристика для активно-индуктивной нагрузки показана на рис.3.11 кривая 2.
Рис. 3.11. Регулировочные характеристики однофазного двухполупериодного выпрямителя: 1 – при активной нагрузке; 2 – при активно-индуктивной нагрузке
Если величина невелика и такова, что энергии, запасенной в индуктивности на интервале, когда , оказывается недостаточно для обеспечения протекания тока в течение половины периода, то вентиль, проводящий этот ток, выключится раньше, чем будет подан отпирающий импульс на другой вентиль, т.е. раньше момента, определяемого углом . Такой режим работы схемы при активно-индуктивной нагрузке называется режимом с прерывистым выпрямленным током (рис.3.12).
Рис.3.12. Диаграммы токов и напряжений двухполупериодного выпрямителя при режиме прерывистых токов
При одинаковых значениях угла α среднее значение выпрямленного напряжения в режиме с прерывистым током будет больше, чем в режиме с непрерывным током, благодаря уменьшению отрицательного участка в кривой выпрямленного напряжения, но меньше, чем при работе выпрямителя на активную нагрузку.
Поэтому в режимах с прерывистым током регулировочные характеристики будут находиться между кривыми 1 и 2 в заштрихованной области, указанной на рис. 3.11.
Режим работы схемы, когда ток в вентилях спадает до нуля точно в момент включения очередного вентиля, называется граничным.
Очевидно, что чем больше угол α, тем больше должна быть индуктивность , чтобы обеспечить режим работы схемы с непрерывным током . Индуктивность, обеспечивающая при заданных параметрах–схемы граничный режим работы, называют критической.
При прерывистом токе и постоянной нагрузке трансформатор, вентили, коллектор работают в более тяжелом режиме, так как при одном и том же значении выпрямленного тока действующее значение токов в элементах схемы увеличивается. Поэтому в мощных выпрямителях, работающих с широким диапазоном изменения
угла , индуктивность обычно выбирают из условия обеспечения непрерывности выпрямленного тока.
Граница перехода к непрерывному выпрямленному току зависит от соотношения , характеризующегося углом .
Пока , режим непрерывен, а при
ток имеет прерывистый характер.
В режиме непрерывного тока постоянная составляющая выпрямленного напряжения
.
Ток вентиля в прерывистом режиме
.
Из последнего выражения видно, что когда , ток , т.е. на границе перехода от прерывистого к непрерывному режиму угол .
Обозначив угол протекания тока через вентиль равным и подставляя в выражение
,
получим уравнение
,
дающее зависимость между углами и .
Постоянная составляющая выпрямленного напряжения
.
Постоянная составляющая выпрямленного тока в обоих случаях
.
Ниже, на рис. 3.13 показана схема однофазного двухполупериодного управляемого выпрямителя с импульсно-фазовым управлением.
Рис. 3.13. Однофазный двухполупериодный управляемый выпрямитель
Напряжение с выхода фазовращателя R1C1 поступает на вход усилителей-ограничителей (VT1, VT2). Диоды VD5, VD6 срезают положительные полуволны этого напряжения. Напряжение трапециидальной формы с выхода усилителей ограничителей поступает на дифференцирующие цепи R4C2, R5C5, а затем на управляющие входы тиристоров VS1, VS2. Диоды VD7, VD8 предотвращают попадание отрицательных импульсов на управляющие электроды тиристоров. Усилители ограничители питаются от отдельного выпрямителя VD1-VD4.