книги / Электроника и микросхемотехника. Ч. 2 Электронные устройства промышленной автоматики

' для шестого участка (я + у ч< <о/ ^ я + а)

*иб (<*>/) = 0.

Учитывая, что в конце пятого участка ток равен нулю (/нз = 0 ), и подставляя в выражения для токов конечные значения токов на пре­ дыдущих участках, из уравнения

а—Ф

В sin (а — ф) е ** ф = sin (у — ф)

можно определить угол у, соответствующий углу а 3 в однофазном ЭР (угол задержки выключения ИО, связанный с индуктивностью нагруз­ ки),. где

2 2

81

Аналогично определяются уравнения токов и для случая а гр < а < < 150°.

Трехфазные ЭР могут быть реализованы и с силовой частью, со­ держащей тиристоры и неуправляемые вентили (рис. 3.9, а) . Измене­ ние угла отпирания тиристоров одновременно вызывает изменение интервала проводимости диодов, что позволяет регулировать напряже­ ние на нагрузке от нуля до напряжения сети.

Временные диаграммы работы силовой части такого ЭР показаны на рис. 3.9, б для нагрузки RA фазы А. Рассмотрим случай, когда ти­ ристоры открываются при угле а = 30°.

В интервале 0 < ©/ <: а тиристоры VS1, VS2 и диод VD1 заперты,

циал точек а, б и с становится равным потенциалу точки О и к нагруз­ ке RA прикладывается' фазное напряжение UA- В момент со/ = 60° запирается тиристор VS3 фазы С, но включается диод VD3, в резуль­ тате к нагрузке по-прежнему прикладывается фазное напряжение. В момент ©/ = 120° закрывается диод VD2 за счет изменения знака, на­ пряжения фазы В. Но так как тиристор VS2 остается закрытым, то ток в фазе В не протекает. Однако через нагрузку в т е ч е т ток, опре­ деляемый линейным напряжением U A C и сопротивлениями нагруз­ ки фаз А и.С. При равенстве RA и Rc к нагрузке фазы А прикладыва­ ется половина напряжения UAC-

В момент ©/ = а 3 включается тиристор VS2, что приводит к вклю­ чению всех трех фаз (потенциалы точек а, в, с равны потенциалу точки 0) и протеканию через нагрузку каждой из фаз тока, определяе­ мого фазным напряжением. В момент изменения знака напряжения фазы А запирается тиристор VS1, но открывается диод VD1, в резуль­

Аналогично можно проследить работу схемы и при других углах управления (рис. 3.9, б).

Диапазон изменения угла управления для данной схемы равен 210°. Действующее значение напряжения на нагрузке описывается выраже­ ниями:

82

тиристоре и обратного на диоде равно амплитуде линейного напряжения сети. Достоинствами данной схемы ЭР являются отсутствие обратного напряжения на тиристорах, значительный запас использования тирис­ торов по току и возможность объединения катодов тиристоров, что упрощает построение узлов запуска тиристоров.

Силовая часть трехфазного ЭР может быть реализована и на ос­ нове трех тиристоров (рис. 3.10, а). Основное ее достоинство — мини­ мальное число вентилей. В режиме холостого хода все три тиристора заперты и напряжение на нагрузке равно нулю. При включении всех трех тиристоров точки а, в, с становятся эквипотенциальными и на­ пряжение на нагрузке практически равно фазному. При изменении уг­ ла включения тиристоров напряжение на нагрузке изменяется от ну­ ля до некоторого максимального значения.

Рассмотрение временных диаграмм (рис. 3.10, б) начнем с момента mt — а, соответствующего отпиранию тиристора VS1. Пусть угол отпирания тиристоров а = 30°. При а < 30° открыт тиристор VS3, а в момент со/ = 30° отпирается тиристор VS1. Начиная с момента вклю­

83

чения тиристора VS1 точки а, в и с приобретают равные потенциалы и

крывается тиристор 1ЛЗД, точки а, в и с становятся эквипотенциальны­

ва все тиристоры заперты, а после отпирания тиристора 1AS3 к нагруз­ ке RA прикладывается половина линейного напряжения UAC- Такой режим работы ЭР сохраняется до а = 150°, т. е. диапазон изменения угла отпирания тиристоров равен 150° при активной нагрузке и (150° —

— <р) — при активно-индуктивной.

Действующее значение напряжения на активной нагрузке каждой

-%■ Т ”- г ( 1- - Т + Т Г - ) пРи 30'<а< 150°.

Схема с включением тиристоров в треугольник аналогична рас­ смотренной, но имеет более сложный алгоритм работы. Схема с вклю­ чением нагрузки треугольником применяется в тех случаях, когда максимальное напряжение на нагрузке должно быть равным линей­ ному.

84

Сравнивая гармонический состав тока нагрузки в рассмотренных силовых частях ЭР, следует отметить, что во всех схемах,, за исключе­ нием схемы на рис. 3.9, а, ток содержит только нечетные гармоники, причем гармоники тока, кратные трем, отсутствуют, поскольку в этих схемах должно выполняться условие in (at)а + t„ (cof)a + iH(со/)с = = 0, и при симметричной нагрузке эти токи сдвинуты по фазе друг от­ носительно друга на угол 120°.

3.4.Схемы управления электронных регуляторов

сестественным выключением тиристоров ИО

ВЭР переменного напряжения с естественным выключением тирис­ торов ИО в основном используется два метода формирования управ­ ляющих сигналов для включения ИО: горизонтальный и вертикальный.

При горизонтальном методе моменты появления запускающих им­ пульсов определяются фазовым углом сдвига переменного напря­ жения, полученного из напряжения питающей сети, относительно на­ пряжения этой сети. На рис. 3.11 приведены структурная схема ФСУ, реализующего этот метод управления, и временные диаграммы его работы. В этом ФСУ напряжение питающей сети подается одновременно на силовую цепь и фазосдвигающее устройство СУФ, которое в зави­

симости от величины задающего воздействия Ху сдвигает переменное напряжение, полученное из напряжения сети, на соответствующий фа­ зовый угол а относительно фазы напряжения Uc. Выходное иапряже-. ние СУФ сравнивается компаратором КМ с опорным сигналом (опор­ ный сигнал может устанавливаться в пределах от 0 до Х у тах), и в мо­ мент их равенства КМ формирует импульс, который, усиливаясь фор­ мирователем запускающих импульсов ФЗИ по амплитуде и мощности или преобразуясь в пачку мощных импульсов, служит для запуска тиристоров ИО.

Основным узлом этого ФСУ является СУФ. Реализуется СУФ на основе фазовращательных устройств, RC- и flLC-цепей. Диапазон из­ менения угла включения ИО а зависит от функциональных возмож­ ностей СУФ.

Например, для СУФ, реализованных на основе RC- и tfLC-цепей,

угол включения может изменяться в пределах от Одол/2, от 0 до я .

и т. д.

Горизонтальный метод управления не нашел широкого применения, с одной стороны, из-за того, что сдвиг фаз напряжения в СУФ достига­ ется путем изменения величин R, L или С, что вызывает определенные затруднения при дистанционном изменении этих параметров, с дру­ гой — из-за высокой чувствительности СУФ к изменению формы и час­ тоты напряжения сети, что приводит к неидентичности регулировочных характеристик таких ЭР.

Наибольшее распространение горизонтальный метод управления нашел в ЭР различных бытовыхприборов: для регулирования яркости осветительной аппаратуры, скорости вращения электродрелей и др.

85

Вертикальный метод управления устраняет основные недостатки горизонтального метода: позволяет управлять углом включения ИО

мент включения ИО определяется в результате сравнения напряжения опорного сигнала пилообразной, синусоидальной или другой специаль­ ной формы с задающим сигналом Х у. В момент, когда амплитуды этих сигналов становятся равными, происходит формирование импуль­ сов запуска ИО. Если начало и конец опорного сигнала синхронизо­

луволны напряжения питающей сети.

На рис. 3.12 представлены структурная схема ФСУ, реализующая вертикальный метод управления, и временные диаграммы ее работы. Схема ФСУ работает следующим образом. В каждый момент перехода напряжения питающей сети через нуль устройство синхронизации СС формирует импульс, который запускает генератор опорного напряже­ ния G. Выходной сигнал UG поступает на элемент сравнения ЭС, где сравнивается с задающим сигналом Х у, и в момент их равенства ЭС формирует импульс, перепад напряжений или пачку импульсов, по которым УФИ формирует импульсы для включения ИО.

Ввиду того что вертикальный метод управления легко реализует­ ся путем сравнения электрических сигналов, обеспечивает достаточно высокую стабильность преобразования задающего сигнала во времен­ ной интервал (фазу включения ИО), позволяет учитывать различные корректирующие сигналы, в настоящее время он является основ­ ным методом управления в ЭР переменного напряжения на основной частоте.

Основным элементом ФСУ, реализующего этот метод управления,

СУФ являются задающий сигнал Х у и импульсный сигнал синхрони­ зации Ts. Напряжение смещения £/см и опорное напряжение 0 Оп яв-

86

ляются функциональными сигналами. Напряжение Uon служит для формирования требуемой формы выходного напряжения генератора G, в частности напряжения пилообразной формы, а напряжение UCMне­ обходимо для согласования направления изменения задающего сиг­ нала и выходной величины ЭР, т. е. максимальному значению Хутах

оборот.

В зависимости от функциональных возможностей сумматора и ЭС СУФ может быть реализовано по двум основным схемам. В схеме рис. 3.13, а сравнение сигналов Х у, UQ и IIт фактически производит сумматор, а компаратор выполняет роль нуль-органа. В схеме рис. 3.13, б сравнение задающего и опорного развертывающего сигналов произ­ водит компаратор. Обе схемы равноценны с точки зрения функцио­ нальных возможностей СУФ, но могут существенно отличаться по сложности при технической реализации.

Процессы, происходящие в этих схемах, поясняются временными диаграммами, приведенными на рис. 3.13, в.

Если задающий сигнал Х у представлен в цифровом виде, то ФСУ может быть реализовано иа элементах цифровой техники. На рис.3.14, а

87

представлена функциональная схема СУФ, реализованная на счет­ чике СТ с функциональными возможностями записи исходного числа и управления режимами его работы.

Задающий цифроврй код Х у устанавливается на установочных вхо­ дах Х п счетчика СТ. По приходу синхроимпульса Т&задающий циф­ ровой код записывается в счетчик, а после окончания синхроимпульса

суть работы схемы цифрового ФСУ. Счетчик в этой схеме может ра­ ботать и в режиме вычитания-импульсов, но в этом случае задающий сигнал Х у на установочных входах счетчика Х п должен быть представ­

лен в инверсном коде, т. е. Х у. Момент запуска ИО формируется при нулевом состоянии счетчика, т. е. в момент появления на его выходе Р сигнала заема.

синхроимпульсов счетчик подсчитывает импульсы генератора опорной

88

частоты G. Момент запуска ИО определяет цифровая схема сравнения ЦСС (в момент равенства инверсного кода сигнала задания и содержи­ мого счетчика).

Точность работы цифровых ФСУ определяется разрядностью счет­ чика, которая, в свою очередь, определяется разрядностью задающего кода Ху щахЧем больше разрядность Хуп,ах, тем точнее ФСУ, при условии высокой стабильности генератора G.

Рассмотрим основные соотношения,' характеризующие работу ФСУ, СУФ и всей схемы ЭР.

Если уровни сигналов выбрать так, чтобы выполнялось равенство

то для любого промежуточного значения Ху в момент срабатывания компаратора справедливо соотношение

Тогда с учетом (3.13) находим уравнение, связывающее угол вклю­ чения ИО с задающим сигналом,

Так как среднее Ucp (а) и действующее £/д (а) значения напряже­ ния на нагрузке ЭР и выходная мощность Яср (а) связаны с углом вклю­ чения ИО известными зависимостями, например в однофазном ЭР с активной нагрузкой зависимости (3.1), (3.2) и (3.3), то, решая уравнение (3.15) совместно с указанными уравнениями или с аналогичными урав­ нениями других разновидностей ЭР, можно определить характеристику ЭР для каждой из этих величин.

Рассмотрим простейший случай, когда однофазный ЭР питается от промышленной сети и работает на активную нагрузку. По изложенной методике характеристики ЭР для среднего выпрямленного и действую­ щего значений напряжения нагрузки и выделяемой в ней мощности в относительных единицах соответственно равны:

тах-

Коэффициент передачи ЭР можно определить как частную произ­ водную от соответствующей статической характеристики ЭР по параметру Ху. Выполнив операцию дифференцирования, получим

Как следует из уравнений (3.13) — (3.21) и рис. 3.15, на котором показаны решения этих уравнений, характеристики ЭР при пилообраз­ ном опорном развертывающем напряжении существенно нелинейны, а соответствующие коэффициенты передачи сильно зависят от величины

задающего сигнала Ху. Даже в пределах изменения Ху от 0,1 до 0,9 величина коэффициентов передачи изменяется примерно в 4... 10 раз.

Существенной особенностью рассматриваемого ЭР является то, что его коэффициенты передачи /Сер и /Сд зависят от изменения амплитуд­ ного значения напряжения питающей сети, а коэффициент передачи по мощности — и от изменения величины нагрузки R„. Можно пока­ зать, что при отклонении амплитуды напряжения сети от номинально­ го значения С/тиом в па = UjUmwa* раз коэффициенты передачи /Сер и /Сд изменяются в п„ раз, а коэффициент передачи ЭР по мощно­

сти — в nl раз. При отклонении сопротивления нагрузки Rn от номи­ нальной величины /?„.ИОм коэффициент передачи ЭР /Ср изменяется в лд = RK.HOJR H раз, а в случае одновременного изменения сети и на­ грузки этот коэффициент изменяется в (п1пц) раз.

Учитывая, что в рассмотренных силовых частях ЭР имеет место нелинейная зависимость выходной величины ЭР от угла включения тиристоров ИО, ЭР с пилообразным опорным развертывающим сигна­ лом являются существенно нелинейными устройствами с изменяющим­ ся коэффициентом передачи, использовать их можно лишь в системах управления относительно невысокой точности.

90