Исследование системы импульсно-фазового управления тиристорного преобразователя

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Донской государственный технический университет

Кафедра Робототехники и мехатроники

Лабораторная работа

по дисциплине: Электромеханические и мехатронные системы

тема: Исследование системы импульсно-фазового управления тиристорного преобразователя

Ростов-на-Дону, 2007

1. Цель работы

1.1 Изучить основные принципы импульсно-фазового управления преобразователем переменного напряжения в постоянное напряжение

1.2 Исследовать импульсно-фазовую систему управления тиристорного преобразователя (ТП)

1.3 Исследовать режимы работы двигателя постоянного тока при питании якоря от тиристорного преобразователя в зоне прерывистых и непрерывистых токов

2. Теоретическая часть

2.1 Система имульсно-фазового управления (СИФУ) преобразовательного устройства предназначена для генерирования и формирования импульсов управления определенной длительности и формы, распределения их по соответствующим фазам в многофазных системах и изменения момента подачи этих импульсов на управляющие электроды тиристоров преобразователя. В преобразовательных устройствах находят 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 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 СИФУ подразделяются 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 преобразователя - одним электронным блоком или отдельными блоками - системы управления подразделяются на одно - и многоканальные, а по способу изменения фазы управляющего импульса СИФУ подразделяются на горизонтальные и вертикальные.

2. Электромагнитные с использованием электромагнитных устройств, формирующих импульсы в момент перехода ферромагнитных материалов в насыщенное состояние. К таким системам можно отнести системы с пик-трансформаторами, пик-дросселями, импульсными насыщающимися

трансформаторами на базе сердечников с резко выраженным коленом кривой намагничивания (ППГ), однополупериодными магнитными усилителями.

Такие системы выпускались в 80 -е годы двадцатого столетия и до настоящего времени эксплуатируются в составе преобразователей технологического оборудования промышленных объектов.

2.1 Горизонтальный способ управления

При горизонтальном способе 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 (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 - Организация СИФУ

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. Затем импульс управления Uфи усиливается усилителем мощности УМ до значения, необходимого для надежного управления тиристора В по управляющему электроду. Угол сдвига фаз (рис.1, б) регулируется изменением напряжения задания U, а ГПН и МФУ в совокупности образуют фазорегулирующее устройство ФРУ.

Горизонтальный метод управления не нашел широкого применения, т.к. мостовые фазовращательные устройства критичны к форме и частоте подаваемого напряжения, а использование в качестве активного регулируемого сопротивления транзисторов приводит к нарушению симметрии формируемых импульсов.

2.2 Вертикальный метод управления

При вертикальном методе управления формирование управляющего импульса 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, регулируяуровень постоянного напряжения U.

На рис.2, а приведена схема простейшего устройства, формирующего импульсы по вертикальному методу управления на управляющем электроде тиристора В. имульсный фазовый управление многоканальный

а)

б)

Рис. 2. Реализация принципа вертикального 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 и транзистор 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 RС-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 и к транзистору 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 этих 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 можно пояснить на примере (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 развертывающее напряжение сравнивается на входе компаратора 4 с напряжением управления Uу. В момент их равенства с выхода компаратора 4 подается импульс на формирователь выходного импульса ФИ. Согласующий усилитель 5 является общим для всех каналов и инвертирующим. Передаточный коэффициент усилителя внутри пределов ограничения составит:

(2)

При достижении напряжением значения, устанавливаемого на потенциометрах R4 и R5 для разных полярностей напряжения , открывается цепь одного из диодов VD1 или VD2 в зависимости от полярности напряжения . После этого 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 бi 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....;

щ - угловая частота сети, рад;

t - время.

2.4 Исследование одноканальной однофазной СИФУ

1. Исследование одноканальной СИФУ (рис.4.) проводится на лабораторном стенде, собранной 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, зарисовать и пояснить эпюры напряжений с привязкой к временной координате. На основании принципа работы СИФУ составить временные диаграммы работы электронных узлов схемы и дать краткие пояснения к работе электронных узлов и схемы в целом.

Рисунок 4.

2. Выполнение исследований по влиянию индуктивности сглаживающего дросселя Lс на коэффициент пульсации тот якоря проводить также осциллографическим методом. Пояснить физическую сущность влияния введенной L на характер прерывистых и непрерывных токов цепи якоря.

2.5 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 движение ПР (МС) при срабатывании концевого датчика движения S2 ?

2.6 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, что сопровождается:

- изменением диапазона угла управления б,

- угол управления при этом увеличивается ;

- угол управления при этом уменьшается.

2. При какой форме пилообразного напряжения на выходе СИФУ будет сформировано пониженное напряжение на выходе ТП:

- выпуклая кривая нарастающего напряжения на выходе интегратора,

- нарастающее напряжение изменяется линейно;

- вогнутая кривая на выходе интегратора напряжения.

3. Зона управляемости ТП по минимальному току нагрузки определяется рядом параметров:

- значением статического момента, изменяемого от 0 до Мс =Мс ном.,

- суммарным током цепи якоря больше тока удержания тиристора;

- токами удержания включенных тиристоров в схему преобразователя

4. На надежное управление тиристорами ТП влияет ряд факторов. При каких условиях можно ожидать уверенное открытие тиристора:

- когда ширина управляющего импульса составляет 10 ° эл,

- ширина управляющего импулса меньше угла сдвига фаз тока и напряжения силового контура;

- ширина управляющего импульса больше угла сдвига фаз тока и напряжения силового контура.

Требования к отчету

Отчет должен содержать:

· Название лабораторной работы, Ф.И.О. студента, номер группы.

· Цель исследования.

· Принципиальную электрическую схему однофазной СИФУ.

· Временные диаграммы напряжений и токов в контрольных точках.

· Внешние характеристики тиристорного преобразователя.

· Электромеханические характеристики ДПТ для углов управления б = 30,60,90 град. эл. в зоне прерывистых и непрерывных токов.

· Диаграммы прерывистых токов, пояснения к ним.

Размещено на Allbest.ru