4.2. Фазовое управление

Системы с фазовым управлением подразделяются на синхронные и асинхронные.

Синхронные системы. В синхронных системах моменты формирования импульсов управления всегда синхронизированы с напряжением сети, к которой подключается ключ. В процессе регулирования фаза формирования импульса управления изменяется так, чтобы регулируемый параметр СЭУ оставался на заданном уровне. Простейшим способом сдвига фазы при регулировании является вертикально-фазовое управление (ВФУ) (рис.4.2.).

б

Рис. 4.2. Канал СУ с вертикально-фазовым управлением: a -структурная схема; б-диаграммы формирования импульсов управления

На рис. 4.2, а представлена структурная схема одного канала управления тиристором на основе ВФУ. Через разделительный трансформатор Тр на вход фазосдвигающего устройства ФСУ поступает переменное напряжение сети. Основным элементом ФСУ является генератор пилообразного напряжения ГПН. Напряжение начинает формироваться в начальный момент прохождения синусоиды сетевого напряжения через нуль (υ=0) и заканчивается в момент π (рис. 4.2, б). Такая длительность напряжения ГПН обеспечивает диапазон изменения фазы импульса управления равный половине периода напряжения сети. При небольших изменениях угла фазы α можно исключить ГПН, используя для формирования импульса управления входное напряжение синусоидальной формы. Напряжение сравнивается с сигналом рассогласования , поступающим, например, по цепи обратной связи в СЭУ (см. рис. 4.5, а) на компаратор К. В момент равенства напряжения и сигнала рассогласования на выходе ФСУ формируется импульс u_и, который затем преобразуется формирователем ФИУ в импульс управления u_у тиристора VS. Из рис. 4.2, б видно, что величина сигнала определяет величину угла α, т.е. фазу формирования импульса u_у. Например, при υ =εᶦ , угол α=α₁, а при υ = ε² угол α=α₂. Обычно количество тиристоров в СЭУ больше одного, например в мостовой схеме выпрямителя их шесть (см. гл. 5). В этом случае в синхронной СУ количество каналов может быть равным количеству тиристоров или может быть использован один общий канал управления фазой импульсов управления.

Недостатки такой системы очевидны. Технологический разброс параметров отдельных функциональных узлов по каналам приводит к несимметрии интервалов коммутации и, следовательно, к появлению нежелательных гармоник тока или напряжения в выходном напряжении или токе. Кроме того, многоканальная система является более сложной при настройке СУ. Синхронная система может быть создана в одноканальном исполнении (рис. 4.3, а). Общим каналом будет являться канал, на вход фазосдвигающего устройства ФСУ которого поступает напряжение многофазной системы напряжений, от которой возможна синхронизация ГПН, входящего в ФСУ (см. рис. 4.6), с моментами времени, соответствующими коммутации всех тиристоров с углом α= 0. В этом случае ГПН работает с шестикратной частотой по отношению к частоте сети. Соответственно с такой же частотой формирователем импульсов ФИ формируются импульсы u_у, которые затем через распределитель импульсов РИ поступают на ФИУ тиристоров (рис. 4.3, б). Фаза импульсов изменяется в зависимости от сигнала, который сравнивается с напряжениями u_r ( рис. 4.2). При такой организации СУ диапазон регулирования угла управления в каждом канале ограничен значением π/3. Различные схемотехнические решения позволят расширить этот диапазон до α =π∕3.

Асинхронные системы. В асинхронных системах частота генерации импульсов управления становится синхронной по отношению к частоте напряжения сети только в установившемся режиме при замкнутом контуре регулирования фазой импульса управления. Это отличает системы асинхронного типа от синхронных. В последних синхронизация импульсов управления может производиться при разомкнутом контуре регулирования посредством синхронизации генератора пилообразного напряжения с напряжением сети. Существуют различные типы асинхронных систем, среди которых основными являются асинхронные системы следящего типа и с фазовой автоподстройкой частоты.

б

Рис. 4.3. Одноканальная СУ трёхфазного преобразователя: a-структурная схема; б-диаграммы импульсов на выходе РИ и на выходах ФИУ; ФИ - формирователь импульсов

Принцип действия системы следящего типа основан на сравнении среднего значения регулируемого напряжения (тока) со средним значением задающего напряжения, определяемым на межкоммутационном интервале.

В разделе 4.2 отмечалось, что основными исполнительными органами СЭУ являются силовые электронные ключи, работающие в режимах переключения. В преобразователях с импульсным управлением частота переключения значительно превышает частоты основных гармоник формируемых токов и напряжений. В импульсных преобразователях постоянного тока рабочую частоту ключей также стремятся повысить до значений, ограниченных технико-экономическими критериями.

Повышение рабочей частоты ключей позволяет увеличить управляемость выходных параметров по требуемым законам с минимальной задержкой их реализации, а управление дискретными значениями малых порций энергии — технико-экономическую эффективность преобразователя электроэнергии за счет улучшения массогабаритных показателен преобразователя на единицу мощности. Импульсное преобразование широко применяется при создании многих видов СЭУ, особенно преобразователей постоянного тока в постоянный.

В преобразователях постоянного тока в постоянный регулирование выходного напряжения или тока осуществляется методами изменения длительности включенного и выключенного состояний ключей. В импульсной технике изменение по определенному закону длительности или амплитуды импульсов, формируемых с определенной частотой, принято называть импульсной модуляцией. При этом различают: амплитудно - импульсную (АИМ); широтно-импульсную (ШИМ); частотно-импульсную (ЧИМ).

Существуют и другие способы модуляции. Следует отметить широко применяемые релейные системы с квантованием по уровню. Этот вид импульсных систем может быть отнесен к импульсным системам, в которых сочетаются ШИМ и ЧИМ. Модуляция в энергетических импульсных системах, в отличие от информационных, обычно реализуется в соответствии с изменением во времени простых функций. Например, значение выходного параметра часто изменяется в соответствии с синусоидальной или линейной функцией.