ИССЛЕДОВАНИЕ ТИРИСТОРНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА ПОСТОЯННОГО ТОКА С ПРИМЕНЕНИЕМ ПЭВМ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Московский государственный институт электроники и математики

(технический университет)»

Кафедра «Управление и информатика

в технических системах »

ИССЛЕДОВАНИЕ ТИРИСТОРНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА ПОСТОЯННОГО ТОКА С ПРИМЕНЕНИЕМ ПЭВМ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к лабораторной работе по дисциплине

«ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА И СИСТЕМЫ»

Москва 2011

Составители:

к.т.н., проф. Фалк Г.Б. к.т.н., доц. Денисова Т.С. к.т.н., доц. Ваганова М.Ю. к.т.н., докторант Володин С.М. аспирант Шабанов Н.С.

Основным содержанием работы является обучение по теме «Электромеханические устройства и системы постоянного тока» на основе экспериментального исследования основных характеристик электроприводов постоянного тока типа «Управляемый выпрямитель – двигатель постоянного тока », в том числе с использованием компьютера. Для студентов III курса специальности «Управление и информатика в технических системах» — 220100.

УДК 65.011.56

Исследование тиристорного электропривода постоянного тока с применением ПЭВМ: метод. указания к лаб. работе по дисциплине “Электромеханические устройства и системы”/ Моск. Гос. институт электроники и математики; сост. Г.Б. Фалк, Т.С. Денисова, М.Ю. Ваганова, С.М. Володин, Н.С.Шабанов 2011, С. 25.

Табл. 6, Ил. 5. Библиограф.: 6 назв.

Содержание	Стр.
Описание предметной области. Электропривод постоянного тока с тиристорным управляемым выпрямителем.	4
2. Описание стенда ЭМП1-К.	6
3. Выполнение лабораторной работы	10
3.1. Цель лабораторной работы	10
3.2. Порядок выполнения лабораторной работы	10
3.3. Выполнение заданий по лабораторной работе.	11
4. Содержание отчета по лабораторной работе	23
Литература	24

1.Описание предметной области

Предметом исследования являются основные регулировочные и динамические характеристики электроприводов постоянного тока с тиристорными управляемыми выпрямителями.

Тиристорный управляемый выпрямитель

(УВ).

Управляемые выпрямители на тиристорах состоят из силовой части, в которую кроме самих тиристоров обычно входят специальные трансформаторы, и схемы управления тиристорами.

Силовая часть включается в одно- или трехфазную сеть переменного тока. У однофазных (по первичной стороне) трансформаторов, применяемых в преобразователях малой мощности, на вторичной стороне напряжение либо однофазное, либо двухфазное со сдвигом на 180^о. У трехфазных трансформаторов, применяемых в преобразователях средней и большой мощности, на вторичной стороне число фаз от 3 до 24.

У нереверсивных УВ полярность выходного напряжения не может изменяться, у реверсивных – может изменяться в зависимости от входного воздействия. Реверсивные УВ имеют двойной комплект тиристоров, один из которых обеспечивает вращение двигателя в одном направлении, другой – в противоположном.

Принцип работы управляемого тиристорного выпрямителя основан на том, что в положительный полупериод тиристор открывается и пропускает ток только в том случае, если на его управляющий электрод подан соответствующий импульс. Закрывается тиристор либо напряжением противоположной полярности, либо при спаде тока до нуля. Меняя момент открытия тиристора (угол запаздывания), можно изменить среднее значение выходного напряжения и тока.

Рассмотрим работу простейшего двухфазного УВ (рис.1,а), в котором двухфазная система напряжений и получена выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора (U

m – амплитуда напряжения на полуобмотке). Выпрямление и регулирование напряжения на якоре двигателя осуществляется тиристорами VS₁ и VS₂.В момент времени, определяемый углом запаздывания (рис.1,б), на управляющий электрод тиристора VS₁ от схемы управления поступает разрешающий импульс напряжения, тиристор открывается и подает положительное напряжение на якорь двигателя. Если бы сопротивление якоря было чисто активным, то ток якоря i, протекающий через тиристор VS_1, изменялся бы по тому же закону, что и напряжение (толстая линия, ограничивающая заштрихованный участок –180 ^о на рис.1,б). Закрытие тиристора произошло бы при прохождении тока через нуль (напряжением противоположной полярности). Затем со сдвигом на 180^о этот процесс повторился бы в цепи тиристора VS₂ . В интервале 180^о – ( + 180^о) ток якоря был бы равен нулю, т.е. привод работал бы в режиме прерывистого тока.

а) б) в) г)

Рис.1.Принцип работы тиристорного управляемого выпрямителя

В действительности обмотка якоря обладает кроме активного сопротивления индуктивностью, и ток не может нарастать и исчезать скачком, а должен изменяться плавно. Закон изменения тока i при работе только тиристора VS

1 показан на рисунке 1,в пунктирной линией. Причем при прохождении напряжения через нуль ток в нуль не обращается, а продолжает некоторое время протекать под действием ЭДС самоиндукции якоря, преодолевая отрицательное напряжение питания. Тиристор VS₁ закрывается в момент времени, соответствующий углу , когда ток тиристора i₁ становится равным нулю; при этом график мгновенных значений выпрямленного напряжения имеет как положительный, так и отрицательный участок. При определенных условиях граница возможного интервала проводимости первого тиристора может оказаться равной или больше угла открытия второго тиристора + 180 ^о. Тогда при открытии тиристора VS₂ тиристор VS₁ будет закрыт, т.к. на его отрицательный электрод поступит более высокий потенциал через открывшийся тиристор VS₂. В этот момент мгновенное значение тока тиристора VS₂ должно стать равным току якоря, протекающему до этого через тиристор VS₁; наступает режим непрерывного тока (рис.1,г).

Выпрямленный ток имеет две составляющие: постоянную и переменную. Постоянная составляющая обеспечивает создание вращающего момента, соответствующего нагрузке двигателя. Переменная составляющая вызывает дополнительные потери мощности в двигателе, причем она резко возрастает в режиме прерывистого тока. Поэтому в системе УВ-Д стремятся обеспечить режим непрерывного тока; в большинстве схем для этого последовательно с якорем двигателя приходится включать дополнительную индуктивность, называемую дросселем или реактором.

В рассмотренной схеме в режиме непрерывного тока = + 180^о и среднее значение выпрямленного напряжения

,

где – максимально возможное значение среднего напряжения, соответствующее углу запаздывания =0; U – действующее значение напряжения на полуобмотке.

Рассмотренный УВ является нереверсивным, т.е. обеспечивает только одну полярность выходного напряжения и соответственно одно направление вращения двигателя. Реверсивные УВ выполняются с двойным комплектом тиристоров, комплекты включаются по встречно- параллельной или перекрестной схемам.

2. Описание стенда ЭМП1-К.

Стенд ЭМП1-С-К предназначен для проведения лабораторных занятий по дисциплине « Электромеханические устройства и системы».

Машинная часть стенда представляет собой соединенные механически машину постоянного тока, трехфазный асинхронный двигатель и маховик. Технические данные этих машин приведены в таблице 1. В данной лабораторной работе машина постоянного тока исследуется в режиме двигателя независимого возбуждения, в качестве нагрузочной машины для исследуемого двигателя используется асинхронный двигатель в режиме динамического торможения, а маховик используется для сглаживания электромеханических переходных процессов. На одном валу с двигателями находится ротор оптоэлектронного преобразователя угловых перемещений, используемого для измерения частоты вращения роторов двигателей.

Таблица 1. Технические данные электрических машин и преобразователя

Машина постоянного тока (код 101.2)	ПЛ-062
Номинальная мощность, Вт	90
Номинальное напряжение якоря, В	220
Номинальный ток якоря, А	0,56
Номинальная частота вращения, мин–1	1500
Возбуждение	Независимое /параллельное/ последовательное
Номинальное напряжение возбуждения, В	220
Номинальный ток обмотки возбуждения, А	0,2
КПД, %	57,2
Направление вращения	Любое
Режим работы	двигательный/генераторный
Асинхронный двигатель (код 106)	АИР 56
Число фаз на статоре	3
Схема соединения обмоток статора
Частота тока, Гц	50
Номинальная полезная активная мощность, Вт	120
Номинальное напряжение, В	220/380
Номинальный ток статора, А	0,73 / 0,42
КПД, %	63
cos H	0,66
Номинальная частота вращения, мин–1	1350
Маховик
Момент инерции, Нмс2	0,009
Масса, кг, не более	7
Преобразователь угловых перемещений (код 104)	ВЕ 178А
Количество выходных каналов	6
Выходные сигналы	серия импульсов и опорный импульс
Число импульсов за оборот в серии	2500
Диапазон изменения рабочих частот вращения вала, мин-1	0…6000

Аппаратная командно-измерительная часть стенда представляет собой набор панелей, из которых, как из кубиков конструктора, может быть собрана требуемая схема исследования. Код аппаратуры указан на лицевой части каждой панели и ,для удобства, приведен на каждой электрической схеме методических указаний.

Перечень силовых и командно-измерительных устройств, используемых в данной лабораторной работе, с их условными обозначениями на схемах, приведен в таблице 2.

Таблица 2. Перечень устройств

Обозначение	Наименование	Код	Параметры
А1	Выпрямитель	322	Трехфазный диодный мост 380 В / 2 А
А3	Реостат возбуждения машины постоянного тока	308.1	0..2000 Ом; 0,1..0,3 А
A7	Трехфазная трансформаторная группа	347.1	380 ВА; U1: 220, 225, 230 В / U2: 133, 220, 225, 230, 235, 240, 245 В
А8	Тиристорный преобразователь/регулятор	207.2	~3380 В / 2 А 6 тиристоров
А9, А10	Линейный реактор	314.2	~220/380 В; 50 Гц; 0,5 А; 0,3 Гн /10 Ом
А11	Блок датчиков тока и напряжения	402.3	3 измерительных преобразователя «ток – напряжение» 5 А /1 А – ±5 В; 3 измерительных преобразователя «напряжение–напряжение» 1000 В / 100 В – ±5 В
А12	Терминал	304	6 розеток с 8 контактами; 68 гнезд
А13	Коннектор	330	8 аналог. дифф. входов; 2 аналог. выхода; 8 цифр. входов/выходов
А14	Блок ввода/вывода цифровых сигналов	331	8 входов типа «сухой контакт»; 8 релейных выходов
А15	Персональный компьютер	550	IBM совместимая ПЭВМ, монитор, «мышь», клавиатура; плата сбора информации National Instruments PCI-6024E
G1	Трехфазный источник питания	201.2	~ 380 В; 16 А
G2	Источник питания двигателя постоянного тока	206.1	 0…250 В / 3 А (якорь)  200 В / 1 А (возбуждение)
G3	Регулируемый автотрансформатор	318.1	U1: 220 В / U2: 0..240 В; 2 А
G4	Трехфазный асинхронный двигатель	106	120 Вт; ~220/380 В Δ/Y / 1350 мин-1
G5	Преобразователь угловых перемещений	104	6 вых. каналов / 2500 импульсов за оборот (оптоэлектронный)
G6	Машина постоянного тока	101.2	90 Вт; 220 В; 0,56 А (якорь)/ 200 В; 0,2 А (возбуждение)
Р1	Указатель частоты вращения	506.2	–2000..0..2000 мин1
Р2	Блок мультиметров	508.2	3 мультиметра 0..1000 В ; 0..20 А

ВНИМАНИЕ! В стенде используется довольно высокое напряжение до 380 В. Будьте осторожны и внимательны при работе, существует опасность поражения электрическим током. В случае возникновения нештатных ситуаций (возгораний, задымлений и т.д.) немедленно отключите трехфазный источник питания G1, нажав на красную кнопку-гриб, отключите неисправный блок. Сообщите о случившемся сотрудникам кафедры.

В случае использования при проведении исследования персонального компьютера можно воспользоваться рядом специализированных программных приложений.

Описание работы с программой «Реверсивный тиристорный преобразователь – двигатель постоянного тока».

Данная программа предназначена для управления исследуемым коллекторным двигателем постоянного тока в составе замкнутого реверсивного тиристорного электропривода с ПИД-регулятором (пропорционально-интегрально-дифференциальный), а также для регистрации и отображения параметров управляемого двигателя. Программа имеет минимальное число настроек и обладает простым, удобным и интуитивно понятным интерфейсом.

Необходимым условием корректной работы программы является правильное подключение к коннектору А13 и блоку ввода/вывода цифровых сигналов А14.

Ниже перечислены неочевидные возможности интерфейса программы, а также некоторые замечания.

• Масштабирование временных диаграмм производится путем нажатия на графике левой клавиши мыши и, не отпуская ее, перемещения манипулятора слева направо и сверху вниз. Возврат к начальному масштабу осуществляется обратным перемещением манипулятора – справа налево и снизу вверх.

• Двигать график осциллограмм относительно осей координат можно путем нажатия и удержания на нем правой кнопки мыши и ее одновременного перемещения в нужную сторону.

• Для удобства определения значений величин на экране отображаются текущие координаты указателя мыши.

• Очистить область построения механической характеристики можно, нажав на соответствующую виртуальную кнопку или нажав клавишу «Пробел».

3. Выполнение лабораторной работы.

3.1. Цель лабораторной работы.

Целью лабораторной работы является изучение схем и характеристик электропривода постоянного тока с тиристорным управляемым выпрямителем (система УВ — ДПТ).

Принципиальная схема исследования показана на рис.2. В данной работе статические и динамические характеристики привода снимаются при питания якоря двигателя от тиристорного управляемого выпрямителя (ключ В₂ замкнут, ключ В₁ разомкнут) и независимом возбуждении обмоток статора..

Рис.2. Принципиальная схема исследования

Нагрузка на валу исследуемого двигателя создается нагрузочной машиной, в качестве которой используется асинхронный двигатель в режиме динамического торможения. Измерение частоты вращения ротора осуществляется оптоэлектронным измерителем скорости «ИС».

3.2. Порядок выполнения лабораторной работы.

1.Ознакомиться с конструкцией испытательного стенда, записать технические данные изучаемого электропривода и измерительных приборов, используемых в работе.

2.Произвести опыты по определению характеристик разомкнутого нереверсивного электропривода «УВ – ДПТ» .

3.Произвести опыты по определению характеристик разомкнутого реверсивного электропривода «УВ – ДПТ»

4.Произвести опыты по определению характеристик замкнутого реверсивного электропривода «УВ – ДПТ».

8.Выполнить необходимые расчеты и построить характеристики.

9.Оформить отчёт по работе.

3.3. Выполнение заданий по лабораторной работе.

Задание 1. Исследование разомкнутого нереверсивного электропривода «Тиристорный управляемый выпрямитель – двигатель постоянного тока независимого возбуждения».

1,а. Общие положения.

В этом задании исследуется система управления исполнительным двигателем постоянного тока с использованием нереверсивного тиристорного управляемого выпрямителя. Управляемый выпрямитель состоит из трехфазного трансформатора, обмотки которого соединены по схеме «звезда/треугольник», и 6 тиристоров, соединенных по мостовой схеме. Регулировочные характеристики, соответствующие якорному управлению, снимаются в режиме холостого хода двигателя и в режиме нагрузки. Регулировочные характеристики, соответствующие полюсному управлению, снимаются только в режиме холостого хода двигателя.

1,б. Собрать электрическую схему соединений (рис.3).

Примечание: для правильной работы тиристорного преобразователя необходимо прямое следование фаз питания. Поэтому строго следуйте нумерации силовых соединений на электрической схеме.

Убедитесь, что устройства, используемые в экспериментах, отключены от сети электропитания.

Соедините гнезда защитного заземления «» устройств, используемых в эксперименте, с гнездами «РЕ». Для этого рекомендуется использовать желто-зеленые провода.

Соедините необходимую для исследования аппаратуру из списка, приведенного в таблице 2, в соответствии с электрической схемой соединений (рис. 3).

Примечания:

1) Для соединения двух частей обмотки возбуждения машины постоянного тока (Е2–Е3) рекомендуется использовать перемычку.

2) Для мультиметров, работающих в режиме амперметра (Р2.1 и Р2.3) используйте входы А и COM. Для мультиметра, работающего в режиме вольтметра (P2.2) используйте входы V и COM.

Рис. 3 Электрическая схема соединений для исследования нереверсивного электропривода «Управляемый тиристорный выпрямитель – ДПТ».

Пояснения к электрической схеме соединений.

Источник G1 — источник синусоидального напряжения промышленной частоты.

Тиристорный преобразователь/регулятор А8, работающий в режиме нереверсивного управляемого выпрямителя, питает регулируемым напряжением обмотку якоря двигателя постоянного тока G6, работающего с независимым, возбуждением. При этом половины обмотки возбуждения двигателя G6 следует соединить последовательно.

Трехфазная трансформаторная группа А7 преобразует напряжение источника G1 в пониженное напряжение, подаваемое на тиристорный преобразователь/регулятор А8.

Источник питания двигателя постоянного тока G2 используется для питания обмотки возбуждения двигателя G6 в случае включения последнего по схеме с независимым возбуждением.

Преобразователь угловых перемещений G5 генерирует импульсы, поступающие на вход указателя частоты вращения Р1 электромашинного агрегата.

На асинхронный двигатель G4, работающий в режиме нагрузочной машины (тормоза) и обеспечивающий нагрузку на валу исследуемого двигателя, подается напряжение постоянного тока от регулируемого автотрансформатора G3 через выпрямитель А1.

С помощью мультиметров блока Р2 контролируются ток и напряжение якоря, а также ток возбуждения двигателя G6.

Блок А3 используется в качестве реостата R_рв для регулирования тока в обмотке возбуждения двигателя G6.

1,в. Регулирование скорости двигателя изменением напряжения якоря.

Регулировочные рукоятки регулируемого автотрансформатора G3, тиристорного преобразователя А8 и источника питания G2 двигателя постоянного тока поверните против часовой стрелки до упора.

Переключатель сопротивлений блока А3 установите в положение «0».

Переключатель режима работы источника G2 установите в положение «РУЧН».

Номинальное вторичное фазное напряжение трехфазной трансформаторной группы А7 установите равным 133 В, первичное – 220В.

Включите выключатели «СЕТЬ» блока мультиметров Р2 и указателя частоты вращения Р1.

Включите выключатель «СЕТЬ» тиристорного преобразователя/регулятора А8.

Включите источник G1. О наличии напряжений фаз на его выходе должны сигнализировать светящиеся светодиоды.

Примечание. Если в момент включения источника G1 произойдет случайное однократное срабатывание автоматического выключателя (черный ручка-флажок опустится), – отключите G1, верните защитное устройство в первоначальное состояние и снова включите G1. При повторном срабатывании обратитесь к инженеру.

Нажмите кнопку «ВКЛ.» на лицевой панели источника G2.

Нажмите кнопку «3Ф ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ» на лицевой панели преобразователя А8 и удерживайте ее до тех пор, пока не начнет светиться расположенный рядом с ней светодиод.

Вращая регулировочную рукоятку тиристорного преобразователя А8, разгоните двигатель G6 до частоты вращения 1500 об/мин.

Вращая регулировочную рукоятку преобразователя А8, изменяйте угол управления преобразователя А8 (угол запаздывания открытия тиристоров α) в диапазоне 0 — 110 град. с шагом 10 град. и заносите значения α, напряжения на якоре(показания вольтметра Р2.2 блока Р2) и указателя частоты вращения Р1 в таблицу 3.

Включите выключатель «СЕТЬ» регулируемого автотрансформатора G3.

Вращая регулировочную рукоятку автотрансформатора G3, создайте с помощью нагрузочной машины момент нагрузки на валу двигателя М1, при котором установится ток якоря двигателя равным примерно 0,3 А и поддерживайте его в ходе эксперимента.

Эксперимент проводится аналогично опыту холостого хода и данные заносятся в таблицу 3.

Таблица 3.Данные исследования нереверсивного привода.

Опытные данные					Расчетные данные
α ,град.	Холостой ход		Нагрузка		Холостой ход	Нагрузка
	UЯ, В	n, об/мин	UЯ, В	n, об/мин	, рад/с	, рад/с

По завершении эксперимента сначала у автотрансформатора G3, а затем у преобразователя А8 поверните регулировочные рукоятки против часовой стрелки до упора. Используя опытные данные, вычислите значения угловой скорости вращения  ротора двигателя и занесите полученные результаты в таблицу 3. Постройте при холостом ходе и нагрузке зависимости U_Я=f(α)-характеристику управления преобразователя; =f(α) – зависимость скорости привода от угла запаздывания открытия тиристоров α и =f(U_Я) – регулировочную характеристику двигателя.

1,г. Исследование двухзонного регулирования скорости привода изменением напряжения якоря и тока возбуждения двигателя.

Повторяя действия, изложенные в разделе 1,в , разгоните ротор двигателя в режиме реального холостого хода до частоты вращения порядка 800 об\мин при R_рв =0. Запишите значения n, α , U_Я , I_я и I_в.

Изменяя сопротивление реостата А3, включенного в цепь обмотки возбуждения, от 0 Ом. до 2000 Ом с шагом 400 Ом, необходимо снять значения частоты вращения ротора n и тока возбуждения I_в. Значения I_в (показания амперметра Р2.1 блока Р2) и n (показания Р1) занести в таблицу 4.

Таблица 4.Данные исследования двухзонного привода при полюсном управлении.

Опытные данные		Расчетные данные
IВ, А	n, об/мин	, рад/с

По завершении эксперимента поверните регулировочную рукоятку преобразователя А8 против часовой стрелки до упора и отключите выключатель «СЕТЬ». Отключите источник G1 нажатием на кнопку – «гриб красный».

Используя опытные данные таблицы 4, рассчитайте и постройте регулировочную характеристику при полюсном управлении =f(I_B).

Задание 2. Исследование разомкнутого реверсивного электропривода «Тиристорный управляемый выпрямитель – двигатель постоянного тока независимого возбуждения».

2,а. Общие положения.

В этом задании исследуется система управления исполнительным двигателем постоянного тока с использованием реверсивного тиристорного управляемого выпрямителя. Управляемый выпрямитель состоит из трехфазного трансформатора, обмотки которого соединены по схеме «звезда/звезда», и 6 тиристоров. Тиристоры соединены по схеме двух встречно – параллельно включенных комплектов, каждый комплект представляет собой трехфазный управляемый выпрямитель с нулевым проводом. Характеристики снимаются в режиме холостого хода.

2,б. Собрать электрическую схему соединений (рис.4)

Примечание: для правильной работы тиристорного преобразователя необходимо прямое следование фаз питания. Поэтому строго следуйте нумерации силовых соединений на электрической схеме.

Убедитесь, что устройства, используемые в экспериментах, отключены от сети электропитания.

Соедините гнезда защитного заземления «» устройств, используемых в эксперименте, с гнездами «РЕ».

Соедините необходимую для исследования аппаратуру из списка, приведенного в таблице 2, в соответствии с электрической схемой соединений (рис. 4).

Пояснения к электрической схеме соединений.

Источник G1 — источник синусоидального напряжения промышленной частоты.

Тиристорный преобразователь/регулятор А8, включенный как реверсивный тиристорный управляемый выпрямитель, питает регулируемым напряжением обмотку якоря двигателя постоянного тока G6, работающего с независимым возбуждением.

Линейные реакторы А9 и А10 ограничивают уравнительный ток реверсивного преобразователя А8.

Трехфазная трансформаторная группа А7 преобразует напряжение источника G1 в пониженное напряжение, подаваемое на тиристорный преобразователь/регулятор А8.

Источник питания двигателя постоянного тока G2 используется для питания обмотки возбуждения двигателя G6 в случае включения последнего по схеме с независимым возбуждением.

Преобразователь угловых перемещений G5 генерирует импульсы, поступающие на вход указателя частоты вращения Р1 электромашинного агрегата.

С помощью мультиметров блока Р2 контролируются ток и напряжение якоря двигателя М1.

Датчики тока и напряжения блока А11 гальванически изолируют от силовой электрической цепи и нормирует сигналы о токе и напряжении якоря и токе возбуждения исследуемого двигателя G6.

Асинхронный двигатель G4 в опытах холостого хода не используется.

Рис. 4 Электрическая схема соединений для исследования реверсивного электропривода «Управляемый тиристорный выпрямитель – ДПТ».

2,в. Регулирование скорости и направления вращения двигателя изменением напряжения якоря.

Номинальное вторичное фазное напряжение трехфазной трансформаторной группы А7 установите равным 133 В, первичное – 220В.

Регулировочную рукоятку тиристорного преобразователя А8 поверните против часовой стрелки до упора.

Включите выключатели «СЕТЬ» блока датчиков напряжения и тока, блока мультиметров Р2 и указателя частоты вращения Р1.

Включите источник G1. О наличии напряжений фаз на его выходе должны сигнализировать светящиеся светодиоды.

Нажмите кнопку «ВКЛ» на лицевой панели источника питания двигателя постоянного тока G2.

Включите выключатель «СЕТЬ» тиристорного преобразователя/регулятора А8.

Вращая регулировочную рукоятку тиристорного преобразователя А8, установите его угол управления 100^град_.

Нажмите кнопку «РЕВЕРСИВНЫЙ 3Ф ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ» на лицевой панели преобразователя А8 и удерживайте ее до тех пор, пока не начет светиться расположенный рядом с ней светодиод.

Вращая регулировочную рукоятку тиристорного преобразователя А8, разгоните двигатель G6 до частоты вращения (1000 – 1100) об/мин.

Вращая регулировочную рукоятку преобразователя А8, изменяйте угол управления (угол запаздывания открытия тиристоров α) в диапазоне 30 — 170 град. с шагом 10 град. и заносите значения α, напряжения на якоре (показания вольтметра Р2.2 блока Р2) и указателя частоты вращения Р1 в таблицу 5. Внимательно следите за знаком напряжения и направлением скорости.

Таблица5.Данные исследования реверсивного привода

Опытные данные			Расчетные данные
α, град.	UЯ, В	n, об/мин	, рад/с

По завершении эксперимента отключите источник G1 нажатием на кнопку – «гриб красный». Отключите выключатели «СЕТЬ» всех используемых в эксперименте блоков.

Используя опытные данные таблицы 5, вычислите значения угловой скорости  двигателя и занесите полученные результаты в таблицу.

Постройте зависимость U_Я=f(α) – характеристику управления преобразователя; =f(α) – зависимость скорости привода от угла α и =f(U_Я) – регулировочную характеристику двигателя.

Задание 3. Исследование замкнутого реверсивного электропривода «Тиристорный управляемый выпрямитель – двигатель постоянного тока независимого возбуждения».

3,а. Общие положения.

В данном задании в отличие от задания 2 исследуются характеристики замкнутого реверсивного электропривода «Тиристорный управляемый выпрямитель – двигатель постоянного тока независимого возбуждения». Силовая схема соединений та же, что и в задании 2 (рис. 4). В схеме управления используется ПИД-регулятор (пропорционально-интегрально-дифференциальный), который в соответствии с заданием по скорости или возмущающим воздействием автоматически изменяет угол запаздывания открытия тиристоров, регулируя тем самым напряжение на якоре двигателя.

3,б. Собрать схему подсоединения к компьютеру (рис.5).

Схема собирается только лаборантом или под его непосредственным наблюдением.

Пояснения к электрической схеме соединений.

Терминал А12 служит для разветвления на отдельные проводники сигнальных кабелей управления, тиристорами.

Блок А14 служит для усиления цифровых сигналов.

Коннектор А13 выполняет функцию связующего звена между компьютером А15, блоком датчиков тока и напряжения А11, указателем частоты вращения P1 и блоком ввода-вывода цифровых сигналов А14.

Компьютер А15 используется в режиме информационно-измерительной и управляющей системы.

3,в. Автоматическое регулирование скорости и направления вращения в режиме реального холостого хода.

• Убедитесь, что устройства, используемые в экспериментах, отключены от сети электропитания.

• Номинальные первичные и вторичные фазные напряжения трехфазной трансформаторной группы А7 установите равным 220 В.

• Регулировочную рукоятку тиристорного преобразователя А8 поверните против часовой стрелки до упора.

Рис. 5. Схема подсоединения к компьютеру для исследования замкнутого реверсивного электропривода «Управляемый тиристорный выпрямитель – ДПТ».

• Включите выключатели «СЕТЬ» блока мультиметров Р2, указателя частоты вращения Р1, блока датчиков тока и напряжения А11 и блока ввода/вывода цифровых сигналов А14.

• Включите источник G1. О наличии напряжений фаз на его выходе должны сигнализировать светящиеся светодиоды.

• Нажмите кнопку «ВКЛ» на лицевой панели источника питания G2 двигателя постоянного тока.

• Включите выключатель «СЕТЬ» тиристорного преобразователя/регулятора А8.

• Задайте автоматический режим управления преобразователем А8, для чего нажмите кнопку «УПРАВЛЕНИЕ» на его лицевой панели.

• Нажмите кнопку «РЕВЕРСИВНЫЙ 3Ф ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ» на лицевой панели преобразователя А8 и удерживайте ее до тех пор, пока не начнет светиться расположенный рядом с ней светодиод.

• Включите персональный компьютер А15. Запустите программу «Реверсивный тиристорный преобразователь – двигатель постоянного тока». Для этого выберите виртуальную кнопку ПУСК на рабочем столе Windows, далее по меню Все программы / Учебная техника / Электрический привод /3.2. «Реверсивный тиристорный преобразователь – двигатель постоянного тока».

Обратите внимание на мнемоническую схему на экране монитора – это функциональная схема исследуемого вами замкнутого электропривода с ПИД-регулятором. На этой схеме:

М – исследуемый двигатель постоянного тока, получающий питание от тиристорного управляемого выпрямителя;

Р – ПИД-регулятор, реализованный в виде программы на ПЭВМ и изменяющий угол запаздывания открытия тиристоров в зависимости от соотношения заданной ω_зад и фактической ω угловой скорости;

BR – измеритель скорости, являющийся датчиком обратной связи по скорости;

ЗИ – задатчик интенсивности , т.е. скорости нарастания входного сигнала.

• Нажмите на виртуальную кнопку «Параметры» и задайте параметры управления электроприводом. Например, используйте уставки по умолчанию, нажав виртуальную кнопку «Использовать уставки по умолчанию». Обязательно запишите значения пропорциональной P, интегральной I и дифференциальной D составляющих ПИД-регулятора. При правильно работающей программе Р = 0,5 ; I = 0,7 ; D = 0.

• Запустите сбор данных, нажав виртуальную кнопку «Запустить» .

• Нажмите виртуальную кнопку «ПУСК».

• Вращая виртуальную регулировочную рукоятку, установите задание скорости вращения двигателя G6, например 150 рад/с. Электродвигатель должен разогнаться.

• Вращая виртуальную регулировочную рукоятку, изменяйте задание _зад скорости вращения двигателя G6. Задайте 5 – 6 значений скорости в диапазоне (+150рад\с) – (-150рад\с), включая 0 (таблица 6).В эту же таблицу заносите значение скорости , до которой разгонится двигатель, и напряжение на якоре U_Я .Установившееся значение  определяйте по диаграмме скорости на экране компьютера, напряжение U_Я по показанию вольтметра блока Р2. Внимательно следите за знаками скорости и напряжения.

Таблица 6.Данные исследования замкнутого реверсивного привода

Опытные данные
зад, рад/с	, рад/с	UЯ, В

• Используя данные таблицы 6, после завершения эксперимента постройте в виде графиков зависимости =f(_зад) и = f(U_Я) .

3,г. Опыты по снятию динамических характеристик. (Выполняется по указанию преподавателя).

• Опыт 1. Нажмите на виртуальную кнопку «Параметры» и задайте те же параметры ПИД-регулятора, что и в п.3,в. Значения параметров запишите .

• Запустите сбор данных, нажав виртуальную кнопку «Запустить» .

• Вращением виртуальной регулировочной рукоятки или набором с клавиатуры установите задание скорости двигателя ω_зад =0.

• Нажмите виртуальную кнопку «ПУСК».

• Электродвигатель может начать вращаться, но должен быстро остановиться. Как только на экране монитора увидите, что частота вращения ротора установилась равной нулю, набором с клавиатуры задайте ω_зад ≈120 рад/с. Электродвигатель G6 должен разогнаться.

• После того как скорость достигнет заданного значения ( по времени в пределах примерно 9с), остановите сканирование и сохраните полученные временные диаграммы как изображение.

• Проделайте то же самое для значений:

Опыт 2. P =0,5; I = 0,4; D = 0. Опыт 3. P = 0,5; I = 0,2; D = 0 .

Запишите их значения.

• Выйдите из прикладной программы. По завершении эксперимента отключите источник G1 нажатием на кнопку – «гриб красный» . Отключите выключатели «СЕТЬ» всех используемых в эксперименте блоков.

• Разберите схему и аккуратно разложите провода в предназначенные для них ящики.

• Примите за базовый набор параметров настройки регулятора набор, заданный «По умолчанию», и проведите обработку опытных диаграмм.

На основе сравнения результатов опытов 1,2 и 3, проводимых при одинаковых значениях Р и различных I :

а) сделать количественную оценку времени выхода на заданную установившуюся скорость;

б) провести качественную оценку изменения характера переходного процесса при уменьшении параметра I относительно базового.

4. Содержание отчета о лабораторной работе.

1.Теоретические сведения и расчетные формулы.

2.Технические данные электрических машин стенда и измерительных приборов. Эти данные могут быть представлены в виде ксерокопий таблиц 1 и 2 с комментариями об используемых диапазонах измерительных приборов.

3.Электрические схемы исследования по рис. 1, 2, 3 , 4 и 5; схемы могут быть представлены в отчете в виде ксерокопий.

4. Таблицы № 1, 2, 3, 4, 5 и 6.

5. Графики статических характеристик:

По таблице 3	UЯ=f(α), =f(α) и =f(UЯ) при холостом ходе и нагрузке.
По таблице 4	=f(IB).
По таблице 5	UЯ=f(α),  = f(α),  = f(UЯ)
По таблице 6	=f(зад) , = f(UЯ)

6. Графики динамических характеристик по заданию 3 (распечатки с компьютера).

7. Выводы по результатам эксперимента.

8.Литература.

Литература.

1.Арменский Е.В., Фалк Г.Б. Электрические микромашины. Учебное пособие.-М.: Высшая школа, 1985.

2.Арменский Е.В., Фалк Г.Б. Электромеханические устройства автоматики. Учебное пособие.- М.:МИЭМ, 2002.

3.Москаленко В.В. Электрический привод. Учебное пособие.- М.:ИЦ «Академия», 2005. Разделы 4.6 – 4.8.

4.Онищенко Г.Б. Электрический привод. Учебник.- М.:ИЦ «Академия», 2006. Раздел 5.2. (Шифр МИЭМ 621.313.9 О-58).

5.Розанов Ю.К., Соколова Е.М. Электронные устройства электромеханических систем. Учебное пособие.-М.:ИЦ «Академия»,2004. Разделы 2.2 , 5.4 и 5.5

6.Фалк Г.Б. Технические средства автоматизации и управления: исполнительные устройства. Учебное пособие.- М.:МИЭМ, 2004.

Учебное издание

ИССЛЕДОВАНИЕ ТИРИСТОРНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА ПОСТОЯННОГО ТОКА С ПРИМЕНЕНИЕМ ПЭВМ

СОСТАВИТЕЛИ:

ФАЛК ГЕННАДИЙ БОРИСОВИЧ:

ДЕНИСОВА ТАТЬЯНА СЕРГЕЕВНА

ВАГАНОВА МАРИНА ЮРЬЕВНА

ВОЛОДИН СЕРГЕЙ МИХАЙЛОВИЧ

ШАБАНОВ НИКОЛАЙ СЕРГЕЕВИЧ

автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.12, диссертация на тему:Разработка и исследование тиристорного выпрямителя с микропроцессорным управлением для широкорегулируемого электропривода

Автореферат диссертации по теме «Разработка и исследование тиристорного выпрямителя с микропроцессорным управлением для широкорегулируемого электропривода»

На правах рукописи

СЕРГЕЕВ АЛЕКСАНДР ГЕОРГИЕВИЧ ^

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ТИРИСТОРНОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ С МИКРОПРОЦЕССОРНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ ДЛЯ ШИРОКОРЕГУЛИРУЕМОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА

Специальность 05 09 12 — Силовая электроника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ООЭ1В2421

Чебоксары 2007

003162421

Работа выполнена в ОАО «Всероссийский научно-исследовательский институт релестроения (ВНИИР)» (г Чебоксары)

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Иванов А Г

Официальные оппоненты доктор технических наук,

профессор, Титов В Г кандидат технических наук, доцент Никитин В М

Ведущая организация

ООО «Элпри», г Чебоксары

Защита состоится « ноября 2007 г в 15 00 в аудитории 310 корпуса «В» на заседании диссертационного совета Д212 301 02 Чувашского государственного университета им ИН Ульянова (428015, г Чебоксары, Московский пр-т, 15)

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по указанному адресу на имя ученого секретаря совета

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Чувашского государственного университета

Автореферат разослан «

» октября 2007 г

Ученый секретарь

диссертационного совета Д212 301 02,

доктор технических наук, доцент

Охоткин Г П

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность работы В настоящее время большое значение имеет развитие полупроводниковых преобразователей с микропроцессорным управлением для регулирования скорости асинхронных, вентильных и вентильно-индукторных двигателей Однако не утратил актуальность вопрос создания тирисгорного микропроцессорного управления для электропривода (ЭП) постоянного тока, который отличается высокой надежностью, обратимостью преобразования электроэнергии, низкой стоимостью и простотой алгоритмов управления (скалярное управление вместо векторного в транзисторных системах) В настоящее время во многих приводах ответственных механизмов в горной, металлургической, полиграфической, цементной и в других отраслях промышленности широко применяется ЭП постоянного тока Поэтому нет оснований утверждать, что в обозримом будущем произойдет полное вытеснение тиристорных систем регулирования постоянного тока электроприводом переменного тока

Особый прогресс в развитии серийного тирисгорного электропривода постоянного тока в нашей стране наблюдался в 70 — 80 гг XX века. Большой вклад в развитие этого направления внесли российские ученые Булгаков А А, Шшшлло В П, Слежановский О В , Юньков М М, Юпочев В И, Ильинский Н Ф, а также основатель Чебоксарской школы приводчиков Поздеев А Д, его ученики и продолжатели Иванов А Г, Донской Н В , Никитин В М, Горчаков В В , Альтшуллер М И и др

За рубежом наибольших успехов в развитии тиристорных систем регулирования ЭП достигли фирмы Siemens, ABB, BOSCH и др, которые наряду с современными приводами переменного тока провели модернизацию аналоговых систем приводов постоянного тока и успешно применяют современные тиристорныс ЭП с цифровым управлением Однако использование результатов этих разработок ведущих инофирм при модернизации отечественных тиристорных систем регулирования оказывается практически невозможным Это обусловлено засекреченностью информации в условиях рыночных отношений и, в отличие от аналоговых систем, большими техническими трудностями по алгоритмической и программной расшифровке принципиальных решений В настоящее время в России и СНГ освоен большой парк двигателей постоянного тока (серии 2П, 4П, 4ПФ, ДПР и др) различной мощности и тиристорных преобразователей для ЭП (серии ЭПУ1, ЭПУ2, ЭПУ5, ЭТУ, БОТ и др), которые нуждаются в модернизации с использованием достижений современной силовой

электроники и микроэлектроники, в том числе микропроцессорной техники Применение микропроцессорной техники позволяет реализовать новые функции и алгоритмы, не доступные ранее для аналоговых систем В связи с этим задачи модернизации рассматриваемых систем с улучшением их потребительских свойств, динамических показателей и структуры регулирования являются актуальными

Пель диссертационной работы. Целью работы является разработка и исследование тиристорного выпрямителя (ТВ) с микропроцессорной системой управлением (МПСУ) для широкорегулируемого электропривода постоянного тока В соответствии с поставленной целью в работе решаются следующие задачи

1 Обоснование технических требований к разработке микропроцессорной системы управления тирисгорным выпрямителем для электропривода постоянного тока

2 Разработка структуры, алгоритма системы регулирования и методики автонасгройки параметров регуляторов

3 Исследование особенностей динамических процессов системы регулирования при больших диапазонах регулирования с нелинейной нагрузкой и оптимизация ее динамических характеристик

4 Экспериментальные исследования, подтверждение достоверности результатов теоретических положений, изложенных в диссертации

Методы исследования При выполнении работы применялись методы теории электрических цепей, теория автоматического регулирования, теория цифровых систем управления, методы имитационного моделирования, а также численные методы Разработка и отладка программных продуктов осуществлялась с помощью сред разработки С++, VisualDSP Экспериментальная часть выполнялась на опытном образце модернизированного тиристорного преобразователя ЭПУ1М с применением персонального компьютера, отладочного средства ADMC300 EVALUTION KIT

Научная новизна

1 На основании исследования зарубежных и отечественных разработок синтезирована микропроцессорная система управления тирисгорным выпрямителем по известному аналоговому прототипу — серийному электроприводу ЭПУ1М, отличающаяся автонасгройкой параметров регуляторов, компенсацией моментной нелинейности и нелинейности режима прерывистого тока

2 В результате проведенного теоретического исследования коэффициента передачи тиристорного выпрямителя для наиболее распространенных на практике случаев

{соЬя»Яя) получены аналитические зависимости, позволяющие осуществлять компенсацию нелинейности режима прерывистого тока.

3 На основании аналитических исследований и компьютерного моделирования выполнен анализ процессов пуска и реверса двигателя в тиристорной САР при большом диапазоне регулирования скорости с нагрузочным моментом типа «сухое трение» и получены новые результаты

4 Предложен и экспериментально испытан способ повышения быстродействия пусковых режимов двигателя при малых скоростях вращения под нагрузкой

Практическая ценность

1 Разработана и испытана МПСУ ТВ для регулирования скорости двигателя постоянного тока с автонастройкой, которая рекомендуется при модернизации аналоговых устройств типа ЭПУ1М, КЭП и др

2 Разработаны алгоритмы и программы для синтеза микропроцессорной системы с аналоговыми датчиками скорости и ЭДС

3 Создан опытный образец трехфазной реверсивной тиристорной микропроцессорной системы электропривода и выполнены его экспериментальные исследования

4 Проведена экспериментальная проверка эффективности предложенного способа повышения быстродействия тиристорной системы регулирования при пуске и реверсе двигателя на малых скоростях вращения при статическом моменте типа «сухое трение»

Практическая реализация Практическая ценность диссертации подтверждается решением ряда актуальных задач Предложенные в работе новые технические решения защищены патентами, а результаты исследования рекомендуется взять за основу при разработке и внедрении нового поколения тиристорных электроприводов взамен выпускаемых ОАО «ЧЭАЗ» серий ЭПУ1М, КЭШ, БОТ и ЭПУ5

Основные положения, выносимые на защиту:

1 Структура МПСУ ТВ, алгоритм автонамройки регуляторов и методика определения параметров двигателя

2 Методика аналитического определения коэффициента передачи ТВ в режиме прерывистого тока (РПТ) и его использование для линеаризации регулировочных характеристик

3 Результаты исследований динамических характеристик САР скорости двигателя при больших диапазонах регулирования со статическим моментом типа «сухое трение»

4 Результаты экспериментальных исследований опытного образца МПСУ тиристорным выпрямителем и двигателем с обратной связью по скорости и ЭДС

Апробация работы. Основные положения и результаты работы были доложены и обсуждались на V, VI и VII Всероссийских научно-технических конференциях «Динамика нелинейных дискретных электротехнических и электронных систем» (г Чебоксары, 2003, 2005 и 2007 гг), V и VI Всероссийских научно-технических конференциях «Информационные технологии в электротехнике и электроэнергетике» (г Чебоксары, 2004 и 2006 гг), II и Ш Республиканских научно-технических конференциях молодых специалистов «Электротехника, электроэнергетика, электромеханика» (г Чебоксары, 2004 и 2005 гг )

Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 печатных работ, из них 15 научных статей в научных журналах и материалах научных конференций По теме диссертации получены 4 патента РФ на изобретения и полезные модели

Объем и структура диссертации Диссертационная работа объемом 152с состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 72 наименований и 2 приложений Работа содержит 44 рисунка и 1 таблицу

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обосновывается актуальность выбранной темы, анализируется современное состояние науки в области тиристорных систем регулирования для электропривода, формулируются задачи, решаемые в диссертационной работе, основные научные результаты, отражены практическая ценность, реализация полученных результатов и апробация основных положений работы

В первой главе дан анализ разработок и исследований в облает тиристорных систем регулирования для электропривода Как известно, в отечественной промышленности и за рубежом в 70-80 г г XX века широкое распространение получили тиристорные преобразователи для ЭП постоянного тока с аналоговыми системами управления, которые традиционно выполнялись либо как универсальные с широким набором функциональных возможностей, либо как объектно-ориентированные, предназначенные для решения функциональных задач определенного класса регулируемых ЭП, например, однозонная или двухзонная САР частоты вращения электродвигателя, САР мощности (электропривод намоточно-размоточного механизма),

позиционная САР и т п В подавляющем большинстве случаев, используя только средства этих САР, можно было создать систему автоматизированного электропривода, которая полностью удовлетворяла бы требованиям любого промышленного механизма. По такому же принципу объектно-ориентированных САР создавались отечественные микропроцессорные системы управления тирисгорным выпрямителем для электропривода

С появлением достаточно надежных микропроцессорных средств управления при разработке систем управления ТВ для электропривода постоянного тока получила распространение другая тенденция построения САР, основное отличие которой заключается в том, что средства регулирования, входящие в состав САР используются для регулирования не всех требующих регулирования координат объекта управления, а только некоторых, например, только якорного тока электродвигателя Регулирование же остальных координат производится путем использования программируемых микропроцессорных средств управления, не входящих в состав САР (микроЭВМ, программируемый контроллер и тп) При этом, с помощью указанных микропроцессорных средств управления решаются не только задачи регулирования отдельных координат электропривода, например, скорости или пути, но и задачи локальной автоматизации, задачи диагностики и др Несмотря на наличие нескольких тенденций построения микропроцессорных САР, почти все разработанные системы управления построены по принципу подчиненного регулирования координат с различными способами линеаризации характеристик ТВ в РПТ Такая структура САР хорошо зарекомендовала себя в аналоговом исполнении и имеет высокие показатели по точности и быстродействию

Однако с появлением микропроцессорных систем управления разработчики стали «скрывать» алгоритмическую и программную реализацию структуры, которая представляет собой предмет интеллектуальной собственности Поэтому приходится иметь дело только с ограниченными данными о тиристорных микропроцессорных САР, что не позволяет сравнивать их между собой и применять в разработках

В рассмотренных системах в качестве датчиков скорости применяются цифровые датчики (фотоимпульсные и др) и аналоговые (тахогенераторы) При этом в САР с цифровыми датчиками осуществляется полностью цифровая обработка информации во многих микропроцессорах имеются энкодеры для обработки сигналов с импульсных датчиков В системах с тахогенераторами приходится с помощью АЦП преобразовать

аналоговый сигнал в цифровой, что вносит определенные погрешности, ограничивающие диапазон регулирования скорости двигателя

На основе анализа работ ведущих фирм сформулированы технические требования к построению микропроцессорных систем управления ТВ для ЭП, основными из которых являются

1) фазоимпульсное управление тиристорами якорного выпрямителя (ТВЯ) и возбудителя (ТВВ),

2) раздельное управление комплектами тиристоров в реверсивных схемах ТВ,

3) построение регуляторов, обеспечивающих регулирование основных параметров ЭП (тока якоря и возбудителя, напряжения, ЭДС и скорости),

4) компенсация отрицательного влияния на динамику САР основных нелинейностей (режима прерывистого тока, моментной характеристики двигателя и др),

5) защита ТВ и двигателя, диагностика неисправностей,

6) автонастройка параметров регуляторов, обеспечивающих заданное быстродействие и качество регулирования,

7) связь с системой верхнего уровня АСУТП

Разрабатываемая МПСУ для ТВ должна обеспечивать диапазон регулирования скорости двигателя при использовании аналоговых датчиков скорости и ЭДС не меньший, чем в аналоговых системах регулирования

Во второй главе рассмотрены вопросы разработки структуры микропроцессорной САР для электропривода За основу взята структура подчиненного регулирования с регуляторами тока и скорости с линеаризацией характеристик в РПТ (рис 1), реализованная на сигнальном процессоре ADMC300 (рис 2) Линеаризация регулировочных характеристик ТВ в РПТ обеспечивает высокое быстродействие независимо от токового режима

Одним из преимуществ микропроцессорных САР является возможность определения параметров объекта регулирования и автонастройка системы на заданное

Рис 1 Структурная схема тирисгорной системы регулирования скорости

Дамой ‘

зх

Г шяхсшшщ’фвлг

—I

]/7£Е1яесие 1 {» [ (ыходи I 1

Г» I

——<

Сиатетая 1ияз

|¡Ерш ССода/еыйвВ2\

Ш1рзСси аяюл*ьи пра#ахр

\пригн<тхреаг7г*х\ [ КсЭа/ЬАОз

ШАЦП |

а?—кГ

_-^

16-ВииАЦП

Лнакесбьи ^ имхрфаг Г^ > Л { ‘

[Г\

Ж-

2£Г 2|Г

2 г ж

ы-

Пуътрс/нзго

Рис 2 Функциональная схема микропроцессорной системы управления ТВ

быстродействие и качество регулирования Применительно к САР тиристорного электропривода эта з адача сводится к следующему [2,3]

1 Тестовое определение параметров электродвигателя — активного сопротивления якоря Кя, индуктивности якоря Ья, электромагнитной Гэ и электромеханической Ти постоянных времени

2 Линеаризация регулировочной характеристики ТВ в РПТ

3 Автонастройка САР в соответствии с заложенной в алгоритм методикой синтеза на заданное быстродействие и качество регулирования с учетом полученных данных по п п.j- = (кФ)1я = с1я, (5)

at

Тм=Жяс-\ (6)

где М, J — электромагнитный момент и момент инерции двигателя (в случае сочлененного двигателя с механизмом сюда же входит и момент инерции механизма),

v = — — угловая скорость вращения двигателя (л — скорость двигателя в об!мин), Ф -

U —I R

поток двигателя, к и с — коэффициенты с = кФн — —3S- при номинальном потоке

Фн, 1Я — ток двигателя

Обеспечивая программой тестовый разгон двигателя с постоянным пусковым током 1Я =1ц = const (Рис 3, б) из (5) и (6) вычисляется

cv„ Un

где tn — время пуска двигателя от нуля до скорости vu с прямоугольной токовой диаграммой, Uп — напряжение на якоре двигателя, соответствующее скорости v„ при окончании разгона при t = tB

2 Линеаризация регулировочных характеристик ТВ

Линеаризация регулировочной характеристики ТВ осуществляется при помощи программного выбора характеристик нелинейного звена (НЗ) таким образом, чтобы характеристика управления линеаризованного ТВ (ЛТВ) 111,-/(и1т) в РПТ была линейной с коэффициентом, равным максимальному коэффициенту ТВ в РНТ при а =90° (рис 1) Программируемый коэффициент КЕ = ахсът(Е/ит) обеспечивает компенсацию отрицательной обратной связи по ЭДС двигателя В результате для ЛТВ имеем коэффициент передачи

Кщв = КтиКЮ= СОП& (8)

Коэффициент усиления ТВ в РПТ Кшд определяется по полученной в [15] зависимости

тЯ2К

К„

= = (9)

ииV

Е=сож[

где т-фазность выапрямителя, Я-длительность тока в РПТ, Км„ =—масштабный

коэффициент в РПТ, г^в-^13—электромагнитный параметр нагрузки, [/„-амплитуда

напряжения на входе ТВ, ипм -максимальное значение пилообразного опорного напряжения СИФУ

3 Автонасгройка параметров системы регулирования

На основании результатов, полученных выше, МПСУ осуществляет вычисление и автонастройку параметров регуляторов тока (РТ) и скорости (РС) на заданное быстродействие и качество регулирования Настройка осуществляется программно, например, по симметричному шш другому оптимуму (например, оптимуму, предложенному А Д Поздеевым и его школой с учетом дискретно-нелинейных свойств ТВ)

В третьей главе представлен анализ динамических процессов в САР скорости двигателя постоянного тока при малых скоростях вращения при нагрузке типа «сухое трение» (рис 4), создающей моментную нелинейность

Проведенный анализ показал, что при большом диапазоне регулирования в САР имеется существенное запаздывание по скорости (интервал «нулевой скорости») [1, 7, 9] Полученные результаты являются новым

-Мс о

Мс

-м

Рис 4 Характеристика момента типа «сухое трение» При пуске двигателя его вращение начинается при достижении током значения, соответствующего моменту статической нагрузки Мс = гс При г < ¡с скорость равна нулю и система регулирования оказывается разомкнутой по скорости В этом случае, при скачкообразном изменении задающего сигнала функция тока якоря ¡(г) имеет вид

1(0 <

кги,

К;

7″

(1 — ^4(1 ■

1 тг

‘) + ■

(10)

где — сигнал задания скорости, Гк, Кк — постоянная интегрирования и коэффициент усиления регулятора скорости (РС), Кк,. — коэффициент передачи датчика тока,

П = ■

— эквивалентная электромагнитная постоянная времени контура тока, К,

К ¡К во К ж

— коэффициент усиления регулятора тока (РТ), Кво — коэффициент усиления ЛТВ, Ьэ -эквивалентная индуктивность якорной цепи [7]

Выражение (10) можно упростить, учитывая, что длительность нарастания тока до значения гс намного больше Т’э

КО

к,

, Т э ( 1—2_+ -

Из (16) интервал «нулевой скорости» Д/ М

ДГ _ гр 1СК ДГ — я

Ккиз

и3

(И)

(12)

Рис 5 Модель тиристорной системы регулирования скорости

Рис 6 Зависимость времени запаздывания скорости при пуске от диапазона регулирования при разных статических моментах для двигателя с Рн = 1,2кВт При высоких скоростях вращения (и3 велико) величина Л/ по (12) резко

уменьшается, стремясь к нулю При низких скоростях вращения, когда и3 составляет доли

или единицы мВ, запаздывание А( практически достигает нескольких секунд [9] При

реверсировании двигателя интервал «нулевой скорости» увеличивается примерно вдвое по

сравнению с интервалом в процессе пуска. Это обусловлено появлением интервала спада

тока до нуля и нарастанием его до момента трогания в процессе реверсирования При этом из-за медленного реверсирования сигнала регулятора скорости

и«; (г) при малых входных сигналах, а следовательно и тока (момента) двигателя, электрическое торможение двигателя отсутствует в отличие от реверса при больших скоростях вращения

Из анализа (12) следует, что интервал «нулевой скорости» зависит от ыеличины скорости двигателя (определяется задающим сигналом и3), момента статической нагрузки (Мс = гс) и параметров регулятора скорости (РС) (Тк, Кк)

Исследованы динамические процессы в САР с помощью имитационного моделирования в среде Зшшкпк Модель системы показана на рис 5 Изучено влияние на интервал «нулевой скорости» значений статического момента нагрузки Мс з;с и диапазона регулирования Д при фиксированных Гк и Кк

г, А

ю

5

О

-5.

100 йБ 1 15 г 25 X, ССК

П, Об/мИН

1, «К

из, В

0.02

ОСП 0

401

05 1 15 2 25 I, ССК

Рис 7 Динамические процессы пуска и реверса в тиристорной системе регулирования скорости

На рис 6 показаны зависимости времени запаздывания скорости при пуске в функции диапазона регулирования скорости при разных моментах нагрузки для двигателя с Ри= 1,2 кВт

На рис 7 приведены динамические процессы пуска и реверса двигателя скорости для диапазона регулирования Д = Ю00 и номинального момента нагрузки типа «сухое трение» для того же двигателя Время запаздывания скорости при пуске на скорости п — 0,001л„ составляет 0,6 с, а при реверсе -1,2 с

В разрабатываемом микропроцессорном варианте САР предложен способ уменьшения времени запаздывания при реверсе и пуске двигателя под нагрузкой [10, 12] Из (12) следует, что время запаздывания можно уменьшить за счет снижения постоянной времени регулятора скорости Ги Это достигается за счет введения в структуру регулирования функционального преобразователя (ФП) и логического устройства (ЛУ) (рис 8, а) Динамические характеристики улучшаются за счет изменения постоянной времени интегрирования ПИ-регулятора скорости с помощью ФП Указанная оптимизация осуществляется в функции скорости, задающего сигнала и тока МПСУ обеспечивает изменение постоянной времени интегрирования Ги РС в функции скорости При малых уровнях задающего сигнала и3 и скорости п = О уменьшается постоянная времени интегрирования Та РС до появления вращения двигателя (рис 8, б)

-щ

ФЛ ЛУ АЦП

а) б)

Рис 8 Структурная схема МП САР с оптимизацией динамических характеристик (а) и характеристика фукнционального преобразователя (б)

Далее Ги восстанавливается до первоначального значения, обеспечивая устойчивую работу САР с заданным качеством регулирования Это способствует быстрому нарастанию тока двигателя г(/) до значения, соответствующего статическому моменту, а следовательно уменьшению времени запаздывания скорости Функционально, логическое устройство, входящее в состав МПСУ, контролирует два условия, при совпадении которых, производится уменьшение Ги в соответствии с характеристикой функционального преобразователя

1) Н = о,

2) |г|*0,

Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает высокое быстродействие САР как при наличии статической нагрузки двигателя, так и 5ез нее На рис 9 показаны

динамические процессы пуска и реверса в САР скорости с оптимизацией при тех же условиях, что и на рис 6 Время запаздывания скорости при пуске составляет ОД с, а при реверсе — 0,2с Принципиально возможно дальнейшее снижение времени запаздывания за счет уменьшения Ги, но при этом необходимо обеспечить требуемое качество регулирования при замыкании системы (при |и| * 0)

151, ‘«к

Рис 9 Динамические процессы в МП САР скорости с оптимизацией динамических характеристик

Учитывая, что в настоящее время широко применяются двигатели постоянного тока со встроенными тахогенераторами актуальным является вопрос их рационального использования в микропроцессорной САР с обеспечением характеристик не хуже, чем в аналоговых системах Исследования [5, 6] показывают, что при прямом подключении тахогенератора к входу АЦП диапазон регулирования скорости ограничивается на уровне 100, в то время как в аналоговых САР он на порядок и более выше Эхо обусловлено нестабильностью АЦП в области малых сигналов и ограничением величины опорного сигнала в пределах IIоп =2 — 10В

Максимальный диапазон регулирования скорости в микропроцессорной системе электропривода определяется выражением

Д—

и„

ик

(13)

‘ ЗХтш

где 1/цх ш, С/даош, — соответственно максимальный и минимальный сигнал обратной связи (тахогенератора) на входе АЦП

При этом сигнал иВХш1.

Из (13) и(14) для Я=10мВ, 5=10% и С/ОЯ=10В имеем

100 10

Для повышения диапазона регулирования скорости до 1000 и более предлагается структурно совместить цифровую и аналоговую системы регулирования в части регулятора скорости (РС) (рис 10) [13] В этом случае в микропроцессорной системе следует использовать аналоговый ПИ — регулятор скорости, на входе которого суммируются аналоговые сигналы задания скорости и сигнал тахогенератора, а остальная часть системы выполняется в цифровом виде на базе микропроцессора Представляет интерес дальнейшее развитие этой идеи с разделением передаточной функции ПИ -регулятора скорости на пропорциональную (П) и интегральную (И) части с общим коэффициентом пропорциональности К, который целесообразно вынести в аналоговую часть РС в виде входного масштабирующего усилителя Тогда передаточная функция ПИ — регулятора скорости примет вид

= + 05)

Тр

где К — коэффициент передачи усилителя У, а многочлен в скобках реализуется в МП с программной установкой параметра Т Такое решение позволяет минуя преобразование малых аналоговых сигналов в АЦП (с большой погрешностью) получать низкие скорости без снижения диапазона регулирования

Исследования, проведенные на физическом макете, позволили получить диапазон регулирования скорости Д = 10000

Для САР с относительно небольшим диапазоном регулирования, где используются аналоговые датчики ЭДС (рис 11) существует аналогичная проблема и следует также использовать структуру по рис 10 В этом случае для двигателя имеем

е = св = (7-1Д-£<й/А (26)

Сеть

ДТ

«—14- ^ТТ

±Ua PC

ПУ

МПСУ

ТВ

Рис 10 Функциональная схема МП САР с аналоговым датчиком скорости

Основным элементом датчика является сглаживающий реактор, который, кроме основного назначения (фильтра), выполняет функцию датчиков тока и ЭДС Такой многофункциональный сглаживающий реактор имеет магнигосвязанные обмотки W1 и W2 с одинаковым количеством витков, но с разным сечением провода (W1 выполняется на ток двигателя, W2 — на ток управления, составляющий мА) Встречное включение обмоток обеспечивает простое выделение сигналов обратной связи Un, пропорционального ЭДС и при Ф = const также скорости л двигателя

где U, — сигнал, пропорциональный току двигателя М, Un — сигнал ЭДС двигателя, Кх — Кз — коэффициенты передачи потенциометров R1-R3, rt — сопротивление обмотки Wl, r,«R3

Выбором коэффициентов К1 — К3, получается напряжение Un, соответствующее в необходимом масштабе сигналу ЭДС и скорости л при Ф = const [13] Выделение сигнала обратной связи по току U, по рис 11, в отличие от варианта на трансформаторе тока, включенного в фазу ТВ, позволяет точно измерить ток двигателя при его подключении к любому виду ТВ, в том числе и выполненному по полууправляемой схеме или с нулевым диодом

U, = irx + di/dt — L2 di/dt = irvL^=Lz=L U, = =Кгг,1,и, = щ + L di/dt

Uг = Кг ([/„ -U,) = K2L dijdt Un = ~{K{Jd -Къг11-К2Ьdi/dt) s л

(17)

-Сеть

Рис 11 Выделение сигналов обратных связей с помощью сглаживающего реактора (ТВ — тирисгорный выпрямитель, М-якорь двигателя, CP — сглаживающий

реактор, И-инвертор, R1-R3 — потенциометры, £1,£2 — сумматоры)

Полученные сигналы U„ и С/, (рис 11) подаются в структуру по рис 10 вместо соответствующих сигналов с тахогенератора BR и датчика тока ДТ Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям опытного образца микропроцессорной САР скорости двигателя постоянного тока Опытный образец трехфазного тиристорного выпрямителя с микропроцессорным управлением для электропривода постоянного тока создан на базе тирситорного устройства серии ЭПУ1М и отладочного средства ADMC300 EVALUTION KIT На рис 12 приведена схема электрическая принципиальная МПСУ В целях проверки и подтверждения основных теоретических положений и результатов, полученных в предыдущих главах, были проведены испытания на функционирование и исследование динамических процессов в САР при пуске и реверсе двигателя Исследованы вопросы оптимизации САР с аналоговыми датчиками скорости и ЭДС и определены максимальные диапазоны регулирования скорости и наибольшая полоса пропускания частот в контуре скорости Получены следующие диапазоны регулирования скорости двигателя

— в системе с обратной связью по скорости до 10000,

— в системе с обратной связью по ЭДС до 100

Максимальная полоса пропускания составила 37Гц

Полученные экспериментальные данные хорошо согласуются с результатами и выводами, полученными в главе 3 при моделировании микропроцессорной САР На

Рис 12 Схема электрическая принципиальная МПСУ образце были проверены динамические характеристики при реверсе двигателя

для скоростей регулирования п = 0,001«к и п = 0,0005ля с нагрузкой типа «сухое трение» при Мс я Мк Время паузы в кривой скорости без оптимизации процессов соответственно составило 1,4с и 2,0 с При введении алгоритма оптимизации указанные времена сократились до 0,2-0,Зс Полученные результаты свидетельствует об эффективности предлагаемых решений и программ

Основные результаты исследования

На основе выполненных исследований в диссертации получены следующие результаты

1 Предложена структура тиристорной микропроцессорной системы регулирования скорости двигателя постоянного тока, отличающаяся автонастройкой и компенсацией моментной нелинейности и нелинейности режима прерывистого тока

2 Получена аналитическая зависимость коэффициента передачи ТВ, упрощающая линеаризацию характеристик выпрямителя в режиме прерывистого тока

3 Выполнен анализ динамических процессов и предложен способ повышения быстродействия пусковых режимов в САР с МПСУ при больших диапазонах регулирования скорости двигателя под нагрузкой

4 Создан опытный образец микропроцессорной системы регулирования скорости двигателя постоянного тока и проведены его экспериментальные исследования Полученные результаты свидетельствуют о соответствии теоретических и экспериментальных данных

Основные положения диссертации опубликованы в следующих печатных работах:

1 Иванов А Г, Сергеев А Г Особенности динамики тирисгорного электропривода при малых угловых скоростях вращения Электротехника, 2005, №11

2 Иванов А Г, Сергеев А Г Методика определения параметров самонастройки в микропроцессорных САР с управляемыми выпрямителями// Динамика нелинейных дискретных электротехнических и электронных систем Материалы V Всерос науч -техн конф / Чебоксары Изд-во Чуваш ун-та 2003

3 Иванов АГ, Сергеев А Г Особенности самонастройки в микропроцессорных САР с управляемыми выпрямителями Труды Академии электротехнических наук Чувашской Республики, Чебоксары, 2003, №2

4 Жуков В П, Степанов В Б , Горчаков В В , Иванов А Г, Арзамасов В Л, Сергеев А Г Новая серия однофазных тиристорннх электроприводов и возбудителей Труды Академии электротехнических наук Чувашской Республики, Чебоксары, 2003, №2

5 Иванов А Г, Арзамасов В Л, Сергеев А Г Особенности построения микропроцессорной системы управления тирисгорным электроприводом Труды Академии электротехнических наук Чувашской Республики, Чебоксары, 2004, №1

6 Иванов АГ, Арзамасов ВЛ, Сергеев А Г Микропроцессорная система управления тирисгорным электроприводом// Информационные технологии в электротехнике и электроэнергетике Материалы V Всерос науч -техн конф Чебоксары Изд-во Чуваш ун-та, 2004

7 Иванов А Г, Сергеев А Г Динамические особенности пшрокорегулируемого электропривода Труды Академии электротехнических наук Чувашской Республики, Чебоксары, 2004, №2

8 Сергеев А Г Микропроцессорная система управления тирисгорным электроприводом Труды Академии электротехнических наук Чувашской Республики, Чебоксары, 2004, №3

9 Иванов А Г, Попов Н В, Сергеев А Г Запаздывание скорости в широкорегулируемом тиристорном электроприводе // Динамика нелинейных дискретных электротехнических и электронных систем Материалы VI Всерос науч -техн конф / Чебоксары Изд-во Чуваш ун-та 2005

10 Иванов А Г, Попов Н В , Сергеев А Г Оптимизация динамических характеристик тиристорного электропривода// Динамика нелинейных дискретных электротехнических и электронных систем Материалы VI Всерос науч-техн. конф/ Чебоксары Изд-во Чуваш ун-та 2005

11 Иванов АГ, Сергеев А Г Модель нагрузки в системе «управляемый выпрямитель — двигатель»// Динамика нелинейных дискретных электротехнических и электронных систем Материалы VI Всерос науч -техн конф / Чебоксары Изд-во Чуваш ун-та 2005

12 Сергеев А Г Оптимизиация динамических процессов в широкорегулируемых электроприводах Труды Академии электротехнических наук Чувашской Республики, Чебоксары, 2005, №2

13 Иванов А Г , Сергеев А Г Оптимизация тиристорной микропроцессорной САР с аналоговыми датчиками // Информационные технологии в электротехнике и

электроэнергетике Материалы VI Всерос науч -техн конф Чебоксары Изд-во Чуваш унта, 2006

14 Иванов АГ, Сергеев А Г Структурная оптимизация микропроцессорной системы «тиристорный преобразователь — двигатель» с аналоговыми датчиками скорости и ЭДС Труды Академии электротехнических наук Чувашской Республики, Чебоксары, 2006, №1

15 Иванов А Г, Сергеев А Г Определение коэффициента усиления управляемого выпрямителя в различных токовых режимах // Динамика нелинейных дискретных электротехнических и электронных систем Материалы VII Всерос науч-техн конф/ Чебоксары Изд-во Чуваш ун-та 2007

16 Иванов А Г, Арзамасов В Л, Пименов ВМ, Сергеев А Г Тиристорный электропривод постоянного тока с микропроцессорным управлением Патент №43702 на полезную модель Бюл №3 Опубл 27 012005

17 Иванов А Г, Сергеев А Г Электропривод с микропроцессорным управлением Патент №50062 на полезную модель Бюл №34 Опубл 10 12 2005

18 Иванов А Г, Арзамасов В Л, Пименов В М, Сергеев А Г Микропроцессорный электропривод Патент №2280315 на изобретение Бюл №20 Опубл 20 07 2006

19 Иванов А Г, Сергеев А Г Тиристорный электропривод Патент №55228 на полезную модель Бюл №21 Опубл 27 07 2006

Личный вклад автора. 6-19], расчет диапазонов регулирования и характеристик нелинейного звена [14,15]

Формат 60×84/16. Объем 1 п л. Бумага офсетная Печать оперативная Тираж ЮОэкз. Заказ

Отпечатано в типографии Чувашского госуниверситета 428015 Чебоксары, Московский проспею; 15

Практическое пособие к лабораторным работам

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования «Гомельский государственный

технический университет имени П. О. Сухого»

Кафедра «Автоматизированный электропривод»

М.Н. Погуляев, В.В. Шапоров, В.В. Логвин

практическое пособие

к лабораторным работам по курсу

“Силовая преобразовательная техника”

для студентов спец. Т.11.02.01.

 “Автоматизированный электропривод

 промышленных и транспортных установок”

Гомель 2002

УДК 621.314.2

Разработали:М.Н. Погуляев, В.В. Шапоров, В.В. Логвин

Практическое пособие к  лабораторным работам по курсу “Силовая преобразовательная техника” для студентов спец. Т.11.02.01. “Автоматизированный электропривод промышленных и транспортных установок” – Гомель: ГГТУ им. П.О.Сухого, 2002. –48 с.

Настоящее практическое пособие предназначено для изучения основных элементов силовой преобразовательной техники: однофазных и трехфазных выпрямителей, тиристорных преобразователей, широтно-импульсных преобразователей, сглаживающих фильтров и систем импульсно-фазового управления. содержит основные теоретические сведения, порядок проведения и методические указания по выполнению практических исследований указанных устройств.

Рецензент: доцент кафедры «Промышленная электроника»,

к.т.н. Виноградов Э.М.

Ó Гомельский государственный технический университет

имени. П.О. Сухого

Лабораторная работа №1

Исследование однофазных выпрямителей

1. Цель работы

Изучение схем и принципа действия однофазных выпрямителей, ознакомление с их расчетом и характеристиками, экспериментальная проверка основных соотношений между токами и напряжениями.

2. Теоретические сведения

Выпрямитель – это устройство, преобразующее энергию переменного тока в энергию постоянного тока.

Однофазные выпрямители являются одним из основных узлов маломощных источников питания. Такие источники питания используются для питания информационно-измерительных устройств, систем управления и другой маломощной электронной аппаратуры. Трансформатор, входящий в состав выпрямителя, служит для получения на входе диодной схемы выпрямления вторичного напряжения U₂ с величиной, обеспечивающей требуемое постоянное напряжение на выходе. Поскольку устройства нагрузки источника питания  допускают обычно малые пульсации выпрямленного питающего напряжения, то для сглаживания применяют фильтры.

Для выпрямления однофазного переменного напряжения наиболее часто применяют три типа выпрямителей: однополупериодный, двухполупериодный со средней (нулевой) точкой  и двухполупериодный мостовой.

2.1. Схемы однофазных выпрямителей

Однополупериодный выпрямитель (рис. 1.1) является наиболее простым и состоит из трансформатора Т, ко вторичной обмотке которого последовательно подключен диод VD и нагрузка R_н (или L-R_н, или R_н-С).

Работу выпрямителя удобно анализировать с помощью временных диаграмм (рис. 1.4). Рассмотрим работу выпрямителя на активную нагрузку (рис. 1.4, а). В первый полупериод (0…p) вторичного напряжения u₂ к диоду приложено прямое напряжение и он будет открыт. В этом случае мгновенные значения напряжения в нагрузке u_d= u₂ и тока i_d=i₂. При активной нагрузке форма кривой тока i_d повторяет форму напряжения u_d. Во втором полупериоде (p…2p) полярность напряжения u₂ противоположна и по отношению к диоду оно будет обратным. Диод будет закрыт и u_d=0, i_d=0. Среднее значение выпрямленного напряжения

,

или

.

Среднее значение тока в нагрузке и диоде

.

Действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора

.

Максимальное значение обратного напряжения на диоде равно амплитуде напряжения U_2m(рис.1.4, а).

.

При активно-индуктивной нагрузке длительность протекания тока в нагрузке увеличивается (рис. 1.4, б). Происходит это вследствие действия э.д.с. самоиндукции, возникающей в индуктивности нагрузки при изменении тока. Кривые напряжения на выходе выпрямителя и в нагрузке представлены на рис. 1.4, б.

При подключении к выпрямителю емкостной нагрузки процессы в схеме определяются процессами заряда и разряда конденсатора. Временные диаграммы работы выпрямителя в этом случае представлены на рис. 1.4, в.

В нулевых схемах выпрямления используется нулевая (средняя) точка трансформатора. Схема нулевого двухполупериодного выпрямителя приведена на рис. 1.2. При полярности вторичного напряжения, указанной без скобок, к VD1 приложено прямое напряжение и он открыт, а к VD2 – обратное и он закрыт. Нагрузка запитывается от верхней полуобмотки

  и   

Во втором полупериоде, при полярности показанной в скобках, будет уже открыт VD2, а VD1 закрыт. Нагрузка уже запитывается от нижней полуобмотки и ,  .

Обычно параметры вторичных обмоток одинаковы , тогда , а . Диаграммы работы нулевого выпрямителя аналогичны диаграммам работы мостового выпрямителя (рис. 1.5).

В мостовой схеме выпрямителя (рис. 1.3), как и в нулевой двухполупериодной, нагрузка запитывается в каждом из полупериодов, но от одной вторичной обмотки трансформатора: в один из полупериодов через диоды VD1 и VD4, а в другой через VD2 и VD3. Аналогично, как для предыдущей схемы, мгновенные значения   и .

Временные диаграммы работы мостовой схемы с различными видами нагрузки представлены на рис. 1.5.

Основные показатели однофазных нулевых и мостовых выпрямителей приведены в таблице.

Таблица

Схема выпрямителя	Тип нагрузки
Нулевая	R R-L	0,9 0,9	0,5 0,5	3,14 3,14	p/4 1/Ö2	1,11 1,0	1,48 1,34
Мостовая	R R-L	0,9 0,9	0,5 0,5	1,57 1,57	p/4 1/Ö2	1,11 1,0	1,23 1,11

2.2. Внешние характеристики выпрямителей

Внешней характеристикой выпрямителя называется зависимость среднего значения выпрямленного напряжения от среднего значения тока нагрузки U_d=f(I_d).

Если источник питания (трансформатор) и диоды идеальны, то внешняя характеристика выпрямителя представляет собой горизонтальную прямую U_d=const. В реальных выпрямителях без фильтра или с L- фильтром внешние характеристики близки к линейным и имеют малый наклон. Уравнение внешней характеристики в этом случае имеет вид

,

где E_d0=U_d0 – э.д.с. (напряжение ) условного холостого хода. Для однополупериодной схемы U_d0=0,45×U_2xx, и для мостовой U_d0=0,9×U_2хх;

N -число вентилей одновременно обтекаемых током;

— среднее значение прямого напряжения на одном вентиле;

Работа выпрямителя на нагрузку | Полупроводниковые выпрямители

Страница 9 из 14

5. РАБОТА ВЫПРЯМИТЕЛЯ НА НАГРУЗКУ РАЗЛИЧНОГО ХАРАКТЕРА
Выше была рассмотрена работа различных схем выпрямления с неуправляемыми и управляемыми вентилями на нагрузку с чисто активным сопротивлением. Однако в практике наряду с чисто активной нагрузкой для силовых выпрямителей часто встречается смешанная активно-индуктивная нагрузка и нагрузка на встречную ЭДС. Примерами таких нагрузок являются обмотки возбуждения электрических машин и втягивающие катушки электроаппаратов, а также любые другие электроприемники, питаемые от выпрямителя через фильтр, входным элементом которого служит индуктивная катушка. Случаям нагрузки на встречную ЭДС соответствует работа выпрямителя на якорь двигателя постоянного тока, а также при зарядке от выпрямителя аккумуляторных батарей или питании электролизных ванн.

В большинстве случаев в цепь нагрузки выпрямителей средней и большой мощности входят встречная ЭДС и активное сопротивление (якорь двигателя, сопротивление обмоток силового трансформатора и др.), которые сочетаются с последовательным включением индуктивности, присущей самой нагрузке или дополнительно включаемой для лучшего сглаживания потребляемого тока.
Работа выпрямителя на активно-индуктивную нагрузку. Работа выпрямителя на активно-индуктивную нагрузку (рис. 26,а) отличается от работы на чисто активную нагрузку тем, что ток в цепи выпрямления, возникнув в момент открывания вентиля, нарастает медленнее, чем происходит увеличение напряжения Это связано с наличием индуктивности Ld в цепи нагрузки, которая является в электрической цепи инерционным элементом, препятствующим резкому изменению тока id. Когда напряжение вторичной обмотки трансформатора начнет снижаться, ток в нагрузке будет некоторое время продолжать расти и далее постепенно спадать за счет энергии, запасенной в индуктивности (рис. 26,6).
Протекание тока через вентиль будет происходить и в течение некоторой части отрицательного полупериода вторичного напряжения за счет положительной ЭДС самоиндукции, возникающей в индуктивности Ld при уменьшении тока нагрузки, которая компенсирует отрицательное напряжение t/2 и падение напряжения Див в цепи выпрямления.

Рис. 26. Однопопупериодное    выпрямление при активно-индуктивной нагрузке:
а — схема включения; б    и в — кривые напряжений и токов на элементах  
Общая продолжительность X протекания тока через вентиль VD зависит от значения индуктивности L,j. с увеличением которой возрастает длительность протекания тока id. Среднее значение выпрямленного напряжения на активно-индуктивной нагрузке Ud однополупериодного выпрямителя будет меньше, чем напряжение UdR при активной нагрузке, так как при o>f > it напряжение ud отрицательно (рис. 26,в).
Пульсации тока id в нагрузке не уменьшаются даже при значительном увеличении индуктивности Ld, так как ток /„ всегда меняется от нуля до 1агпах. Вследствие этого в однополупериодных выпрямителях индуктивность не применяется в качестве фильтра (см. § 6).
При двухпопупериодном выпрямлении (рис. 27,а) в отличие от чисто активной нагрузки ток id в цепи Ld, R  становится более сглаженным (рис. 27,6). Действительно, ток /В1 в вентиле VI к концу положительного полупериода под воздействием индуктивности не спадет до нуля, а в момент cot = v ток нагрузки переходит к вентилю V2, так как потенциал анода V2 становится выше потенциала анода VI (см. рис. 16,6).

Рис. 27. Двухпопупериодное выпрямление при активно-индуктивной нагрузке:
а — схема включения; б и в — кривые напряжений и токов в элементах  
Указанный переход тока происходит мгновенно, так как в анодных цепях вентилей V1 и V2 нет индуктивностей. В следующий попупериод, когда и2а будет опять положительно, ток id снова переходит к вентилю VI (рис. 27,в).

 

Выпрямленное напряжение ud на выходе выпрямителя, т.е. напряжение на зажимах всей цепи RL нагрузки, и обратное напряжение на вентиле будут иметь такую же форму, как при работе схемы на активную нагрузку. Это объясняется тем, что переход тока с одного вентиля на другой происходит в та же моменты, что и в случае работы схемы без индуктивности Ld.
Влияние индуктивности в цепи нагрузки сказывается на действующих значениях токов, протекающих в вентилях и обмотках (/в, /2 и /,), а также на типовой мощности трансформатора ST. Количественные соотношения между токами и напряжениями в элементах выпрямителя, а также типовая мощность трансформатора для различных схем выпрямления с неуправляемыми вентилями при Ld — 00 приведены в табл. 1.
Процессы в схеме управляемого выпрямителя при работе его на активно-индуктивную нагрузку отличаются от процессов при работе схемы на активную нагрузку. Пусть однофазная мостовая схема (рис. 28,з) работает с идеально сглаженным током id(Ld — = 00), тогда тиристоры VC1 и VC3, вступив в работу в момент времени 11 (рис. 28,6). не закроются в момент прохождения фазного напряжения и2 через нуль (момент t2 ), как это было при чисто активной нагрузке, а будут проводить ток при отрицательном напряжении вторичной обмотки до тех пор, пока не будут поданы управляющие импульсы на тиристоры VC2, VC4 (момент Г3). Тогда эта пара тиристоров вступит в работу, а тиристоры VC1, VC3 выключаются. Вентили VC3, VC4 будут проводить ток, пока снова не будут поданы управляющие импульсы на вентили VC1, VC3 (момент ts), и т.д.
Длительность протекания тока через каждую пару тиристоров остается равной 180°. При wLd = 00 ток id в цепи нагрузки идеально сглажен, а токи вентилей имеют форму прямоугольных импульсов с амплитудой, равной ld.
В кривой выпрямленного напряжения ud в интервалах времени О — f,, f2 — и т.д. появляются участки отрицательного напряжения, когда ток через тиристор и нагрузку проходит под действием ЭДС самоиндукции, возникающей в индуктивности Ld.

Рис. 28. Работа управляемого однофазного мостового выпрямителя на активно-индуктивную нагрузку
Это вызывает снижение среднего значения выпрямленного напряжения Ud. Очевидно, что с ростом угла а площадь отрицательных участков увеличивается, а значение Ud будет уменьшаться. Среднее значение выпрямленного напряжения в этом случае может быть определено для всего диапазона изменения угла а по следующей формуле:
(42)
Выражение (42) справедливо для всех управляемых схем при работе выпрямителя со сглаженным (непрерывным) током. Предельным углом регулирования, при котором в выпрямленном напряжении иу положительные и отрицательные участки равны между собой и постоянная составляющая отсутствует, т.е. Ud = 0, является угол а = я/2.
Регулировочные характеристики однофазных выпрямителей для активно-индуктивной нагрузки зависит от соотношения сoLdlRfj и показаны на рис. 25.
Если отношение   < 5, то энергии, запасенной в индуктивности Lfj на интервале, когда ud > 0, оказывается недостаточно для обеспечения протекания тока id в течение половины периода, и вентиль, проводящий этот ток, выключится раньше, чем будет подан отпирающий импульс на следующий по порядку работы вентиль, т.е. раньше момента, определяемого углом а. Такой режим работы схемы при активно-индуктивной нагрузке называется режимом с прерывистым выпрямленным током (рис. 2В,г).

Среднее значение выпрямленного напряжения в режиме с прерывистым током будет больше, чем в режиме с непрерывным током при одинаковых значениях угла а, благодаря уменьшению отрицательных участков в кривой ud. но меньше, чем при работе управляемого выпрямителя на активную нагрузку, когда отрицательных участков нет. Поэтому в режимах с прерывистым током регулировочные характеристики двухполупериодного выпрямителя будут находиться между кривыми / и 2 в заштрихованной области, указанной на рис. 22.
Очевидно, что чем больше угол а, тем больше должна быть индуктивность Lfj, чтобы обеспечить режим работы схемы с непрерывным током id. При прерывистом токе трансформатор и вентили схемы работают в более тяжелом режиме, так как при одном и том же среднем значении выпрямленного тока, определяемом нагрузкой, действующее значение токов в элементах схемы увеличивается. Поэтому в мощных выпрямителях, работающих с широким диапазоном изменения угла а, индуктивность Ld обычно выбирается из условия обеспечения непрерывности выпрямленного тока при угле регулирования а = атдх.
Работа выпрямителя на нагрузку с противо-ЭДС. Такой вид нагрузки встречается при питании от выпрямителей аккумуляторов, электродвигателей, мощных конденсаторов и др. Особенность работы выпрямителя в этом случае состоит в том, что такого рода потребители имеют собственную ЭДС Еа, которая направлена навстречу напряжению Ufj выпрямителя.
На рис. 29,а представлена схема однофазного двухполупериодного выпрямителя, который нагружен на якорь двигателя постоянного тока с противо-ЭДС Ед. Рассмотрим работу схемы без индуктивности L(ключ К замкнут). Ток через вентили схемы может проходить лишь в те положительные части периодов, когда выпрямленное напряжение ud будет больше Ед. Например, вентиль VI откроется в момент fi и закроется в момент г2 (рис. 29,6), вентиль V2 вступит в работу в следующий полупериод и будет проводить ток в интервале времени        Кривая выпрямленного тока id имеет прерывистый (импульсный) характер, а значение его можно выразить следующей формулой, приняв за начало отсчета максимум выпрямленного напряжения:
(43)
где сопротивление Rj в данном случае равно сумме сопротивлений гдв и Ят.
Очевидно, что интервал проводимости вентилей X будет зависеть от соотношения амплитуды напряжения вторичной обмотки трансформатора U2m = \/2U2 и значения Ед.
С ростом Ед пульсации тока /в вырастают, так как уменьшается длительность X работы вентилей в течение каждого полупериода (рис. 29,г). Это приводит к тому, что при равных средних значениях токов /в ср, протекающих через вентиль, отношения lamaxlld и         возрастают, что свидетельствует об ухудшении использования вентилей по току и увеличении тепловых потерь в обмотках трансформатора с ростом Ед.
Чтобы выпрямленный ток был непрерывным, необходимо включать в цепь нагрузки индуктивность L (ключ К на рис. 29,э разомкнут), которая соответствует неравенству coLd > 5Rd, и среднее значение выпрямленного напряжения Ufj должно быть больше противо-ЭДС Еа.
При выполнении первого условия мгновенное и среднее значения выпрямленного тока совпадают Ud= td), а переменная составляющая выпрямленного напряжения выделяется в виде падения напряжения на дросселе Ld. Если не выполнить второго условия, то ток id станет прерывистым даже при большой индуктивности дросселя Lfj. так как тиристоры будут проводить ток только при условии и2 > Еа. 
Таким образом, при включении в цепь нагрузки индуктивности Ld пульсация выпрямленного тока уменьшается и при          > 5Rd становится равной нулю (вся пульсация напряжения Ud оказывается приложенной к индуктивности Ld). В этом случае среднее значение выпрямленного тока определяется соотношением

Рис. 29. Работа неуправляемого однофазного выпрямителя на противо-ЭДС:
а — схема включения; б-г — кривые напряжений и токов на элементах
 

При известных средних значениях выпрямленного тока и напряжения параметры вентилей /В|Ср. ‘в,д и UDбртах, трансформатора /2, U2, 11 и ST для различных схем выпрямителей, работающих на нагрузку с противо-ЭДС при непрерывном токе, определяются такими же соотношениями, как и в ранее разобранных случаях работы выпрямителей на активно-индуктивную нагрузку (см. табл. 1).
Коммутация тока в силовых схемах выпрямления. При рассмотрении работы маломощных выпрямителей обычно учитывают только активные сопротивления обмоток трансформатора, а индуктивными сопротивлениями, создаваемыми потоками рассеяния в магнитной системе, обычно пренебрегают. Такое допущение давало возможность считать, что выпрямленный ток переходит с одного вентиля на другой мгновенно. Этот процесс переключения вентилей многофазного выпрямителя называется коммутацией тока.
В мощных выпрямителях индуктивности рассеяния обмоток трансформатора оказывают значительное влияние на работу схемы, изменяя значение и форму кривой выпрямленного напряжения, токов вентиля и обмоток трансформатора. Процесс нарастания тока во вступающем в работу и спад тока в выходящем из работы вентилях в этом случае происходит за конечный интервал времени.2ном _ коэффициент трансформации трансформатора.
Рассмотрим процесс коммутации и его влияние на работу выпрямителя на примере трехфазной схемы с нулевым выводом. Нагрузка принимается активно-индуктивная (рис. 30,а). Приведенные индуктивности Lal, i/,2 и Lc3 обмоток трансформатора включены в анодные цепи тиристоров VC1 — VC3, а в цепи нагрузки имеется значительная индуктивность L и выпрямленный ток id можно считать идеально сглаженным.

Рис. 30. Работа трехфазного управляемого выпрямителя с учетом коммутации тока в вентилях:
а — схема включения элементов; б и в — временные диаграммы напряжений и токов
Наличие в фазах вторичной обмотки трансформатора индуктивности La приводит к тому, что переход гока ld от одного вентиля к другому происходит не мгновенно, а в течение некоторого промежутка времени, который называется углом коммутации и обозначается буквой у.

Таким образом, коммутация тока вентилей уменьшает выпрямленное напряжение, увеличивает его пульсацию и время работы вентиля (фазы). Увеличение длительности работы фазы несколько уменьшает действующее значение тока фазы и вентиля, поэтому при расчете токов в элементах выпрямителя (напри мер, /в, /2, li) перекрытие фаз можно не учитывать и пользоваться соотношениями табл. 1.
Инвертирование тока. Инвертированием называется процесс преобразования энергии постоянного тока в энергию переменного тока, т.е. процесс, обратный выпрямлению. При выпрямлении тока электрическая энергия передается из сети переменного тока к потребителю постоянного тока, а при инвертировании поток энергии направлен от источника постоянного тока в сеть переменного тока.
Инвертирование тока применяется для преобразования энергии постоянного тока в энергию переменного тока в линиях электропередачи постоянного тока, рекуперативного торможения двигателей постоянного тока, питаемых от управляемых выпрямителей, преобразования промышленной частоты и в других случаях.
Выходным звеном инвертора, работающего на сеть переменного тока, является трансформатор, параметры которого (число витков и количество обмоток) определяют значение и число фаз получаемого переменного напряжения (тока). Для получения переменного тока в обмотках трансформатора, подключенного к источнику постоянного тока, необходимо обеспечить периодический переход тока из одной обмотки в другую. Это достигается путем прерывания постоянного тока и распределения его по фазам трансформатора с помощью управляемых вентилей.
Изменение направления потока энергии требует изменения знака мощности Pd = Udld, развиваемой выпрямителем, что может быть достигнуто путем изменения направления тока /4 или напряжения Ud. Но выпрямленный ток не может изменить своего направления относительно зажимов выпрямителя вследствие односторонней проводимости тиристоров, поэтому изменение знака мощности можно осуществить только за счет изменения знака среднего значения выпрямленного напряжения, что достигается в управляемом выпрямителе увеличением угла управления а > 90°.
Переход от выпрямительного режима к инверторному рассмотрим на примере управляемого выпрямителя, собранного по двух полупериодной схеме на тиристорах VC1, VC2 (рис.0 cos а, > Еа. Схема работает выпрямителем на батарею, ЭДС Еа которой играет роль противодействующего напряжения, так как направлена против проводимости тиристоров, т.е. имеет отрицательный знак (— Ед) и для удобства графического сравнения с выпрямленным напряжением UdB на рис. 31,6 отложена над осью абсцисс. В этом случае имеет место процесс выпрямления, т.е. передачи мощности от сети переменного тока в аккумуляторную батарею, так как когда и2 > 0 и угол Oj = 60°, напряжение UdB превышает противо-ЭДС Еа.

Рис. 31. Работа однофазного управляемого преобразователя в выпрямительном и инверторном режимах:
а — схема включения элементов; 6—д — временные диаграммы, иллюстрирующие переход от выпрямления тока к инвертированию
коммутации у на угол 5 не меньше, чем это необходимо для полного восстановления закрытого состояния тиристора. Следовательно, для надежной работы тиристорного преобразователя в инверторном режиме требуется соблюдать условие /3тт > >1+8.

Рис. 32. Трехфазный реверсивный преобразователь, работающий на двигатель постоянного тока:
а — схеме включения элементов; б—д — кривые напряжений при выпрямлении и инвертировании тока

Таким образом, для перевода схемы из режима выпрямления в режим инвертирования необходимо: 1) подключить источник постоянного тока с полярностью, обратной режиму выпрямления; 2) обеспечить протекание тока через тиристоры преимущественно при отрицательной полярности вторичных напряжений и2, проводя их открывание с углом опережения —0.

Практическая работа №9 по МДК.01.01. Изучение устройства сварочных выпрямителей типа ВДУ. Технические характеристики выпрямителей (работа с каталогами)

Практическая работа №9

Тема: Изучение устройства сварочных выпрямителей типа ВДУ. Технические характеристики выпрямителей (работа с каталогами)

Цель работы: Приобрести практические навыки при изучении устройства сварочных выпрямителей типа ВДУ, технических характеристик выпрямителей (работа с каталогами)

Ход выполнения работы:

1. Ознакомление с теоретическими сведениями

2. Изучить конструкцию сварочных выпрямителей по паспортам и каталогам.

3. Зарисовать схему и дать описание устройства выпрямителя (по выбору преподавателя).

4. Начертить таблицу: «Технические характеристики сварочного выпрямителя».

5. Ответить на контрольные вопросы.

Теоретические сведения

Сварочными выпрямителями называют устройства, которые с помощью полупроводниковых элементов преобразуют напряжение переменного тока в однофазной или трехфазной сети в напряжение постоянного тока с необходимой внешней характеристикой и предназначены для питания сварочной дуги.

Сварочные выпрямители получили большое распространение.

Преимущества:

• высокий к.п.д.

• относительно небольшие потери холостого хода;

• высокие динамические свойства при меньшей электромагнитной индукции;

• отсутствие вращающихся частей и бесшумность в работе;

• равномерность нагрузки фаз;

• небольшая масса;

• возможность замены медных проводов алюминиевыми.

Недостатки:

• однако следует иметь в виду, что для выпрямителей продолжительные короткие замыкания представляют большую опасность, так как могут выйти из строя диоды.

• кроме того, сварочные выпрямители чувствительны к колебаниям напряжения в сети.

Все же по основным технико-экономическим показателям сварочные выпрямители являются более прогрессивными, чем, например, сварочные преобразователи.

Сварочные выпрямители состоят из двух основных блоков:

1. понижающего трехфазного трансформатора с устройствами для регулирования напряжения

2. выпрямительного блока.

Кроме того, выпрямитель имеет пускорегулирующее защитное устройства, обеспечивающие нормальную его эксплуатацию. Для выпрямления тока используется свойство полупроводникового вентиля проводить ток только в одном направлении. Наибольшее применение получили селеновые и кремниевые вентили. Селеновые вентили — дешевы, выдерживают перегрузки. Кремниевые вентили обладают высокими энергетическими показателями высоким к.п.д., но очень чувствительны к перегрузкам по току поэтому требуют защитных устройств и интенсивного охлаждения.

Выпрямление тока осуществляется по трехфазной мостовой схеме Ларионова. Мост состоит из шести плеч, в каждом из которых установлены вентили, обеспечивающие выпрямление обоих полупериодов переменного тока в трех фазах (рис.).

Рис.1. Трехфазная мостовой схема Ларионова.

Сварочные выпрямительные установки в соответствии с ГОСТ 13821—77 выпускают на номинальные силы тока 120…1000 А, транзисторные источники питания — 15…300 А с пределами регулирования от 0,15 до 300 А.

Основными узлами сварочного выпрямителя являются понижающий трансформатор, блок выпрямительных вентилей, вентилятор, пускорегулирующая и стабилизирующая аппаратура.

В зависимости от внешней вольтамперной характеристики, количества постов и способа сварки сварочные выпрямители подразделяют на однопостовые с падающей внешней характеристикой. однопостовые с жесткой внешней характеристикой, однопостовые универсальные, многопостовые, однопостовые транзисторные.

Сварочные выпрямители с жесткой внешней характеристикой типа ВС и ВДГ предназначены для сварки в защитном газе плавящимся электродом, автоматической и полуавтоматической сварки под флюсом, порошковой проволокой и др. Они просты в устройстве и надежны в работе. Имея общую принципиальную схему, выпрямители этого типа отличаются в основном мощностью и числом ступеней регулирования. Выпрямители состоят из понижающего трехфазного трансформатора, выпрямительного блока, двух универсальных переключателей для переключения витков первичной обмотки трансформатора (для грубой и точной регулировки), дросселя(для обеспечения нарастания тока короткого замыкания и сглаживания пульсаций) и вентилятора.

Сварочные выпрямители однопостовые с падающей внешней характеристикой предназначены для ручной дуговой сварки и наплавки, а также для механизированной сварки под флюсом. Падающая внешняя характеристика и заданное значение силы сварочного тока обеспечиваются трансформатором. Для преобразования тока используют селеновые (выпрямители серии ВСС) и кремниевые (выпрямители серий ВКС и ВД) вентили. По сравнению с кремниевыми селеновые вентили имеют меньший КПД, но обладают большей стойкостью к перегрузкам.

Сварочные выпрямители с падающей внешней характеристикой выпускаются типа ВСС, ВКС и ВД. Сварочные выпрямители типа ВСС состоят из понижающего трехфазного трансформатора с подвижными обмотками, выпрямительного селенового блока с вентилятором, пускорегулирующей и защитной аппаратурой. Понижающий трансформатор выполнен с повышенным магнитным рассеянием, которое регулируется изменением расстояния между первичной и вторичной обмотками. Два диапазона регулирования сварочного тока получают, соединяя первичную и вторичную обмотки звездой (малые токи) и треугольником (большие токи). В пределах каждого диапазона ток плавно регулируют, изменяя расстояние между катушками первичной (нижней подвижной) и вторичной(верхней неподвижной) обмоток с помощью рукоятки. При вращении рукоятки по часовой стрелке катушки обмоток сближаются, индуктивность рассеяния уменьшается, сварочный ток увеличивается. Обмотки трансформатора выполнены из алюминия. Выпрямительный блок собран из селеновых пластин 100X400 мм, охлаждается вентилятором.

Сварочные выпрямители типа ВКС имеют следующие основные отличия от типа ВСС: выпрямительный блок составлен из кремниевых вентилей ВК-200; сварочный ток регулируют, перемещая катушки обмоток с помощью асинхронного двигателя с дистанционным управлением.

Широкое применение получили сварочные выпрямители ВД-101 и ВД-301 с кремниевыми вентилями и ВД-102 и ВД-302 с селеновыми вентилями. Они несложны по устройству, обладают достаточно высоким коэффициентом полезного действия и имеют небольшую массу.

Сварочные выпрямители типа ВСУ и ВДУ являются универсальными источниками питания дуги. Они предназначены для питания дуги при автоматической и полуавтоматической сварке под флюсом, в защитных газах, порошковой проволокой, а также при ручной сварке. Выпрямители ВСУ, кроме обычных — блока трехфазного понижающего трансформатора и выпрямительного блока, имеют дроссель насыщения с четырьмя обмотками. Переключением этих обмоток можно получать жесткую, пологопадающую и крутопадающую внешние характеристики.

Выпрямители ВДУ основаны на использовании в выпрямляющих силовых обмотках управляемых вентилей—тиристоров. Схема управления тиристорами позволяет получать необходимый для сварки вид внешней характеристики, обеспечивает широкий диапазон регулирования сварочного тока и стабилизацию режима сварки при колебаниях напряжения питающей сети.

Создание выпрямителей с универсальными внешними характеристиками связано с унификацией конструкции силового трансформатора. Стабильный процесс сварки в углекислом газе тонкими электродными проволоками в различных пространственных положениях может быть обеспечен только при питании от выпрямителей с естественной жесткой внешней характеристикой, выполненных на базе трансформаторов с нормальным рассеянием. В то же время ручную дуговую сварку и сварку под флюсом можно выполнять при падающих характеристиках, полученных на базе трансформаторов с нормальным рассеянием. С учетом этого все тиристорные выпрямители выполняются с силовым понижающим трансформатором, имеющим нормальное магнитное рассеяние.

В тиристорных сварочных выпрямителях в зависимости от типоразмера и экономически обоснованного типа тиристора применяются различные многофазные схемы выпрямления. Наиболее целесообразны схемы, обеспечивающие минимальную пульсацию сварочного тока: трехфазная мостовая, двойная трехфазная с уравнительным реактором и шестифазная кольцевая схема выпрямления. Из трехфазных мостовых схем более предпочтительна симметричная, полностью управляемая схема, обеспечивающая по сравнению с полууправляемой схемой (три диода, три тиристора) меньшую пульсацию сварочного тока. В тиристорных сварочных выпрямителях дроссель в цепи выпрямленного тока необходим не только для ограничения пиков тока короткого замыкания при сварке в среде углекислого газа, но и в значительной степени, для сглаживания пульсации выпрямленного тока, величина которых зависит от пределов регулирования.

Типовая блок-схема однопостового тиристорного выпрямителя с универсальными характеристиками

Рис. Блок схема выпрямителя с универсальными характеристиками:

СТ – силовой трансформатор; СТВ – силовой выпрямительный блок; БП – блок подпитки; ДТ – датчик тока; L – дроссель; БУ – блок управления; БФУ – система фазового управления; ОСТ, ОСН – обратные связи по току и напряжению; R – частичная обратная связь по току, создающая заданный наклон характеристик при сварке в защитных газах

Выпрямитель с дроссельным регулятором тока ВД-502-2, имеющий крутопадающую вольтамперную характеристику, предназначен для питания сварочным током до 500 А одного поста ручной дуговой сварки, а также автоматической сварки под флюсом. Крутопадающая внешняя характеристика и плавное регулирование током производятся дросселем насыщения, включенным во вторичную цепь между трансформатором и выпрямительным блоком.

На крайних стержнях магнитопровода броневого типа расположены две силовые обмотки переменного тока, соединенные последовательно, а на среднем стержне — обмотка управления постоянного тока, питаемая от тиристорного регулятора. При магнитопроводе стержневого типа силовые обмотки и обмотка

управления расположены на обоих стержнях. При этом обмотка управления расположена навстречу силовым обмоткам. Для плавного регулирования

величины сварочного тока изменяют ток обмотки управления, вследствие чего изменяется магнитное насыщение сердечников и индуктивное сопротивление

дросселя, что меняет ток в силовых обмотках и, следовательно, сварочный ток.

Выпрямительный блок построен по трехфазной мостовой схеме с использованием вентилей В200. Выпрямитель имеет ступенчатое регулирование путем переключения

диапазонов. Плавное регулирование может быть дистанционным. Выпрямитель ВД-502-2 снабжен стабилизатором напряжения, который обеспечивает постоянство выходного напряжения при колебании напряжения сети от 5 до 10 % U ном≫ охлаждение выпрямителя — воздушное принудительное. Имеется блок защиты от аварийных ситуаций, аналогичный блоку защиты выпрямителей ВД-306 и ВД-401.

Дроссель насыщения применяется в конструкциях выпрямителей, формирующих как падающие, так и жесткие характеристики.

Типичным представителем выпрямителей с дросселем насыщения и крутопадающими внешними характеристиками является сварочный выпрямитель ВД-502.

Рис. Функциональная блок-схема сварочного выпрямителя ВД-502

В нем используются силовой трехфазный трансформатор с нормальным магнитным рассеянием, несимметричный дроссель насыщения, выполненный на трех отдельных сердечниках с одной обмоткой управления, и выпрямительный блок с трехфазной мостовой схемой. Режим работы выпрямителя настраивается за счет изменения индуктивности дросселя насыщения.

Типичный представитель выпрямителей с дросселем насыщения и жесткими внешними характеристиками – сварочный выпрямитель ВДГ-302.

Рис. Функциональная блок-схема сварочного выпрямителя ВДГ-302

В нем используется плавно-ступенчатое регулирование вольтамперных характеристик. Ступенчатое регулирование осуществляется за счет изменения коэффициента трансформации силового трехфазного трансформатора с нормальным магнитным рассеянием. С помощью пакетно-кулачкового переключателя первичные обмотки трансформатора устанавливаются на три рабочих положения.

Плавное регулирование в пределах каждой ступени выполняется трехфазным симметричным дросселем насыщения, выполненным на шести попарно объединенных ленточных сердечниках. Первая ступень регулирования напряжения соответствует соединению фаз первичной обмотки «треугольником» с применением отводов, вторая ступень регулирования – соединению фаз обмоток «треугольником» без отводов, третья ступень регулирования – соединению фаз обмоток с применением отводов «звездой».

Рис. Регулирование вольтамперных

характеристик в сварочном

выпрямителе ВДГ-302

Контрольные вопросы:

1. Какое напряжение холостого хода допустимо для сварочных источников питания дуги?

2. В чем преимущества и недостатки выпрямителя?

3. В чем особенность выпрямителей типа ВДУ?

4. Какую роль играет реостат балластный?

5. Что называется прямой и обратной полярностью?

6. Какая роль сварочного дросселя в процессе сварки?

7. Вам поручена сварка резервуара на токе 250—300 А. Какой выпрямитель будет нужен для этой работы?

8. Почему диоды и тиристоры называют вентилями?

| Вольтамперная характеристика тиристора | Fiziku5

Рисунок 3.4.3. Вольтамперная характеристика тиристора.

Если в любой схеме выпрямителя заменить диоды тиристорами и в нужные моменты времени подавать на их управляющие электроды сигналы, то получим управляемый выпрямитель. Рассмотрим работу наиболее простого однофазного однополупериодного управляемого выпрямителя. Его схема представлена на рис.3.4.4 при разомкнутом переключателе SA1.

Рисунок 3.4.4

Выпрямитель питается от трансформатора TV напряжением U2b к которому подключены последовательно соединенные тиристор VS2 и нагрузка RH. Блок СИФУ позволяет сдвигать управляющий импульс Uу2 по отношению к анодному напряжению на угол α=0…180 эл. град и таким образом регулировать величину анодного тока тиристора от максимального значения до нуля, а, следовательно, и постоянную составляющею напряжения на нагрузке Udα от максимального значения Ud до нуля. Принцип работы выпрямителя поясняют временн҆ые диаграммы напряжений в зависимости от заданных углов управления (0, 90, и 180) при которых отпираются тиристоры. Диаграммы представлены на рис. 3.4.5.

Рисунок 3.4.5

Включением переключателя SA1 получаем схему однофазного двухполупериодного управляемого выпрямителя с нулевой точкой. В ней СИФУ кроме импульсов Uу2 подает импульсы Uу1, сдвинутые относительно Uу2 на 180 эл. град, на тиристор VS1. В этом случае напряжение на нагрузке будет в два раза больше по сравнению с напряжением однополупериодного выпрямителя.

При плавном изменении угла α будет изменяться время работы (открытия) тиристоров и соответственно величина выпрямленного напряжения, среднее значение которого определяется выражением:

Udα =Ud* ,

где Ud — напряжение холостого хода выпрямителя при α = 0.

Зависимость среднего значения выпрямленного напряжения в цепи нагрузки от угла управления Udα=f(α) называется регулировочной характеристикой. На рис. 15.3 приведена регулировочная характеристика рассматриваемой схемы для случая чисто активной нагрузки:

Рисунок 3.4.6

При увеличении тока нагрузки Idα среднее значение выпрямленного напряжения Udα будет уменьшаться из-за увеличения падения напряжения на активном сопротивлении обмоток трансформатора и открытом тиристоре. Зависимость Udα=f(Idα) называется внешней характеристикой управляемого выпрямителя. Вследствие того, что потери напряжения в выпрямителе не зависят от угла управления, внешние характеристики управляемого выпрямителя при различных углах α имеют постоянный наклон (рис. 3.4.7).

Рисунок 3.4.7

4. Порядок выполнения работы

При исследовании управляемого выпрямителя используется двухлучевой осциллограф, мультиметры в режиме измерения тока и напряжения и вольтметр магнитоэлектрической системы. Подготовить приборы к работе установив нужные пределы измерения и режимов работы осцилографа, подключить их к схеме модуля.

Установить на СИФУ регулятор угла управления α в крайнее левое положение, а нагрузку RH – в среднее положение. Включить тумблер «Питание», при этом загорается светодиод.

4.1. Исследование работы схемы однополупериодного управляемого
выпрямителя при активной нагрузке.

Отключить переключатель SA1. Для значений угла управления α = 0, а затем α=90 и α=180 измерить вольтметром магнитоэлектрической системы среднее значение выпрямленного напряжения U da и записать их на временные диаграммы.

4.1.1.  Подключить первый канал осциллографа к среднему и правому выводам вторичной обмотки трансформатора причем общий провод соединить со средней точкой обмотки. Получить устойчивое изображение сигнала напряжения питания силовой части схемы u2b.

4.1.2.  Вместо амперметра установить перемычку. Подключить к ней общий провод второго канала осциллографа, а его сигнальный провод соединить с нижним (по схеме) выводом нагрузки RH. Получить устойчивое изображение напряжения на нагрузке udα. Зарисовать (сфотографировать) осциллограммы напряжений питания u2b и напряжения на нагрузке udα.

4.1.3.  Подключить общие провода первого и второго каналов осциллографа к катоду тиристора VS2. Сигнальный провод первого канала соединить с верхним (по схеме) выводом нагрузки RH. Сигнальный провод второго канала подключить к управляющему электроду тиристора VS2. Зарисовать (сфотографировать) осциллограммы напряжения на нагрузке udα и на управляющем электроде тиристора Uy2.

Пункты 4.1.1, 4.1.2 и 4.1.3 выполнить для углов управления 0, 90 и 180 эл. град. При снятии осциллограмм должна быть нажата клавиша осциллографа «~ « и клавиша «От сети» синхронизации развертки. Все осциллограммы необходимо рисовать в одном масштабе, совместив их все по оси времени, с указанием масштаба.

4.2. Снять и построить регулировочную характеристику Udα=f(α) двухполупериодного управляемого выпрямителя при минимальной нагрузке (наибольшем значении сопротивлении RH). Для этого установить переключатель SA2 в положение 1, переключатель SA1 включить, подключить осциллограф параллельно нагрузке и получить на экране устойчивое изображение. Определить масштаб длительности в угловых единицах по формуле:

тα = 180°/nr,

где пr — число делений по горизонтали на экране осциллографа, соответствующее половине периода, то есть углу 180°.

Вращая регулятор α, поочередно установить углы управления тиристором равными 0, 45, 90, 135 и 180 эл. град, которые соответствуют количеству клеточек горизонтальной оси х экрана осциллографа: n0=0/mα. n45=45/ mα. n90=90/ mα. n135=135/ mα и n180=180/ mα (их рассчитать). Для каждого угла измерять вольтметром магнитоэлектрической системы напряжение на нагрузке Uda. Количество клеточек и соответствующее напряжение на нагрузке Udа занести в табл. 3.4.2.

Таблица 3.4.2

Количество клеточек, шт
Угол управления, эл. град	0	45	90	135	180
Напряжение Udа, В

Пример установки заданого угла управления

Рисунок 3.4.8

4.3.  Снять и построить внешние характеристики Uda=f(Idα) однополупериодного и двухполупериодного управляемого выпрямителя при значениях угла управления α = 0 и α=90. Для этого установить регулятором СИФУ по осциллографу соответствующее значение α и, изменяя переключателем SA2 значение сопротивления нагрузки RH от максимального значения до минимального, измерить и занести 3 точки характеристики для однополупериодного выпрямителя (переключатель SA1 отключен) в табл.3.4.3 и для двухполупериодного выпрямителя (переключатель SA1 включен) в табл.3.4.4. По данным таблиц построить графики.

Таблица 3.4.3 — однополупериодный выпрямитель

Таблица 3.4.4 — двухполупериодный выпрямитель

5.  Содержание отчета

а) наименование, цель работы и краткая теория, экспериментально проверяемая в работе

б) привести электрическую схему управляемого выпрямителя и все заполненные таблицы;

в) привести для однополупериодной схемы для углов управления 0, 90 и 180 эл. град. осциллограммы напряжений: 1) питания u2b и на нагрузке udα, 2) на нагрузке udα и на управляющем электроде тиристора Uy2. Изобразить на осциллограммах напряжение Udα и сравнить их с рис. 3.4.5;

г) привести экспериментально снятую для двухполупериодного выпрямителя регулировочную характеристику =f();

ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЗОННЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ

1 Иванов В.В. 1 Мятеж С.В. 1 Щуров Н.И. 1 Сергеев А.А. 1

---

1 ФГБОУ ВПО «Новосибирский государственный технический университет»

В статье рассмотрены способы комбинированного регулирования напряжения на обмотках тяговых трансформаторов ЭПС переменного тока. Рассмотрены различные варианты зонно-фазового регулирования напряжения, отличающиеся числом зон и соотношением напряжений в них. В настоящее время большое распространение получили классические четырехзонные регуляторы, собранные на тиристорах по мостовой схеме выпрямления. Особенности коммутационных процессов в таких схемах требуют вводить искусственную задержку угла открытия тиристоров, что снижает среднее значение коэффициента мощности до 0,8. Предложена усовершенствованная схема четырехзонного выпрямителя с лестничной структурой. В работе приводятся результаты имитационного моделирования, которые показывают, что применение выпрямительных агрегатов с лестничной структурой в составе тяговых преобразователей грузовых электровозов переменного тока позволяет повысить энергетические показатели и прежде всего коэффициент мощности на 2–4 %. Доказано, что дополнительным способом повышения коэффициента мощности зонно-фазовых регуляторов является так называемое секторное регулирование. Установлено, что особенно эффективен такой способ на первой зоне регулирования, когда в обычных условиях коэффициент мощности особенно низок (0,4…0,7). Ожидаемое улучшение средневзвешенного коэффициента мощности с учетом длительности работы электровоза на первой зоне должно составить порядка 5–10 %.

коммутация

секторное регулирование

лестничная структура

зонно-фазовый выпрямитель

электровоз

1. Плакс А.В. Системы управления электрических подвижным составом: учеб. для вузов ж.-д. транспорта. – М.: Маршрут, 2005. – 360 с.

2. Южаков Б.Г. Электрический привод и преобразователи подвижного состава. – М.: Учебно-методический центр по образованию на ж-д. транспорте, 2007. – 398 с.

3. Евдокимов С.А., Евдокимова Л.Г. Однофазный преобразователь переменного тока в постоянный // Патент России № 2398344. 2009. Бюл. № 24.

4. Мятеж С.В., Щуров Н.И., Джаборов М.М. Совершенствование зонных выпрямителей // Электромеханика. – 2012. – № 6. – С. 40–45.

5. Тихменев Б.Н., Кучумов В.А. Электровозы переменного тока с тиристорными преобразователями. – М.: Транспорт, 1988. – 311 с.

На электровозах, электрифицированных однофазным переменным током, управление скоростью вращения тягового электрического двигателя постоянного тока достигается за счет изменения величины тока и напряжения. Это возможно с помощью амплитудного регулирования, принцип действия которого основывается на переключении контакторами вторичных обмоток тягового трансформатора. Минусом этого способа регулирования является ступенчатость управления напряжения на выходе и подгорание контактов при регулировании. Стремление обеспечить плавность хода привело к созданию метода фазового регулирования скорости, в основе которого лежит принцип задержки отпирания тиристора, как электронного ключа, от длительности проводящего состояния которого зависит величина среднего выпрямленного напряжения. Главный недостаток принципа – создание значительной реактивной мощности при фазовом регулировании, что в целом снижает энергетические показатели выпрямителей. В значительной степени указанные недостатки устранены в так называемых зонных или зонно-фазовых регуляторах.

Цель исследований – совершенствование энергетических показателей зонно-фазовых регуляторов.

Материалы и методы исследования

Предметом исследования являются коммутационные процессы в схемах зонно-фазовых регуляторов, и применение новых схемных решений и принципов управления.

Результаты исследования и их обсуждение

Зонно-фазовое регулирование напряжения – способ комбинированного регулирования напряжения на обмотках тяговых трансформаторов электроподвижного состава переменного тока, при котором одновременно применяются переключения секций вторичных обмоток трансформаторов и фазовое регулирование (изменение угла открытия тиристоров выпрямителя). Применяют различные варианты зонно-фазового регулирования напряжения, отличающиеся числом зон и соотношением напряжений в них. В настоящее время большое распространение получили классические четырехзонные регуляторы, собранные на тиристорах по мостовой схеме выпрямления.

Особенности коммутационных процессов в таких схемах требуют вводить искусственную задержку угла открытия тиристоров, что снижает среднее значение коэффициента мощности до 0,8 [1]. Низкие значения коэффициента мощности дополнительно нагружают электрооборудование электровозов и тяговую сеть реактивными токами и увеличивают расход электроэнергии на тягу поездов.

Данную проблему удалось устранить в усовершенствованном варианте четырехзонного выпрямителя с лестничной структурой, силовая схема которого представлена на рис. 1, и новым, более простым алгоритмом управления тиристорами (таблица).

Рис. 1. Силовая часть принципиальной схемы четырёхзонного преобразователя лестничной структурой

Алгоритм работы преобразователя

Зона регулирования	Направление ЭДС трансформатора	Алгоритм работы плеч ВИП
		VS1	VS2	VS3	VS4	VS5	VS6	VS7	VS8
I
II
III
IV

Принцип работы предложенного устройства рассмотрим на примере первой зоны регулирования. При положительной полуволне напряжение секции w₂₍₁₎ вторичной обмотки трансформатора через тиристор VS8 с углом α_рег > 0° и диоды VD1 и VD2 прикладывается к цепи нагрузки (рис. 2, а). При отрицательной полуволне, напряжение секции w₂₍₂₎ вторичной обмотки трансформатора через тиристор VS7 с углом α_рег > 0° и диоды VD1 и VD2 прикладывается к цепи нагрузки (рис. 2, б).

Для компактности примем условно-графические обозначения сигналов управляющих импульсов, отпирающие тиристоры: – регулируемый по фазе импульс α_рег°; – нерегулируемый по фазе импульс α₀.

Результаты имитационного моделирования и расчеты коэффициентов мощности доказали, что выпрямители с лестничной структурой обладают меньшей общей продолжительностью коммутационных процессов по сравнению с мостовым выпрямителем. Применение выпрямительных агрегатов с лестничной структурой в составе тяговых преобразователей грузовых электровозов на переменном токе позволяет повысить энергетические показатели и, прежде всего, коэффициент мощности в целом на 2–4 %.

а б

Рис. 2. Схема протекания тока на зоне: а – при положительной полуволне напряжения; б – при отрицательной полуволне напряжения

Дополнительным способом повышения коэффициента мощности зонно-фазовых регуляторов является так называемое секторное регулирование [2]. При таком регулировании выпрямленного напряжения не происходит сдвига по фазе первой гармоники сетевого тока относительно напряжения, и характеристика коэффициента мощности существенно повышается.

В результате этой замены высокие значения коэффициента мощности будут наблюдаться на всех зонах. Особенно эффективен данный способ на первой зоне регулирования, когда в обычных условиях коэффициент мощности особенно низок (0,4…0,7). Для этих целей в схеме рис. 1 достаточно заменить тиристоры VS7 и VS8 полностью управляемыми силовыми полупроводниками, такими как IGBT (рис. 3).

Рис. 3. Силовая схема четырёхзонного преобразователя лестничной структуры с секторным управлением

В этом случае управление тяговым электродвигателем на первой зоне будет осуществляться одновременным смещением на угол α переднего фронта тока и таким же смещением на угол β, но в противоположную сторону заднего фронта тока с таким расчетом, чтобы не возникало сдвига по фазе φ основной гармоники сетевого тока (рис. 4).

Рис. 4. Кривая сетевого тока и его первой гармоники выпрямителя в случае секторного регулирования на первой зоне

На рис. 5, а показана рабочая схема преобразователя на I зоне регулирования, собранная в среде имитационного моделирования Micro-Cap и функционирующая в соответствии с разработанным алгоритмом управления.

а б

Рис. 5. Моделирование преобразователя лестничной структуры: а – схема преобразователя в Micro-Cap; б – диаграмма работы преобразователя на I зоне регулирования

Для управления транзисторами и соблюдения необходимой очередности включения применены настраиваемые источники периодических импульсных сигналов.

Результаты имитационного моделирования, согласно собранной схеме на рис. 5, а, представляют собой волновые диаграммы напряжений во всех интересующих узлах схемы (рис. 5, б).

Секторное регулирование устраняет сдвиг по фазе φ основной гармоники сетевого тока, что улучшает энергетические показатели преобразователя за счет компенсации реактивной мощности.

В настоящее время идёт работа по созданию физической модели выпрямителя с секторным регулированием.

Заключение

В результате анализа схем зонно-фазовых регуляторов выявлено, что пути повышения их энергетических показателей ориентированы в направлении развития и совершенствования новых схемных решений выпрямителей и принципов управления.

Выпрямители с лестничной структурой обладают меньшей общей продолжительностью коммутационных процессов по сравнению с мостовым выпрямителем. Применение рассмотренных в статье выпрямительных агрегатов с лестничной структурой в составе тяговых преобразователей грузовых электровозов переменного тока позволяет повысить энергетические показатели и прежде всего коэффициент мощности в среднем на 2–4 %. Теоретически секторное регулирование увеличивает средневзвешенный коэффициент мощности на 25–30 %, с учетом того, что электровозы большее время работают на 1-й зоне.

Кроме этого, уменьшение угла коммутации γ эквивалентно уменьшит емкость и габаритные размеры статических компенсаторов реактивной мощности, если их применять для электровозов, работающих на переменном токе.

Рецензенты:

Аносов В.Н., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой электропривода и автоматизации промышленных установок, НГТУ, г. Новосибирск;

Алиферов А.И., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой автоматизированных электротехнологических установок, НГТУ, г. Новосибирск.

Работа поступила в редакцию 05.08.2014.

---

Библиографическая ссылка

Иванов В.В., Мятеж С.В., Щуров Н.И., Сергеев А.А. ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЗОННЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ // Фундаментальные исследования. – 2014. – № 9-7. – С. 1441-1445;
URL: https://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=35081 (дата обращения: 12.08.2021).

---

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»

(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

(PDF) Многоуровневый тиристорный выпрямитель с улучшенным коэффициентом мощности

ZARGARI et al .: МНОГОУРОВНЕВОЙ ТИРИСТОРНЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ С УЛУЧШЕННЫМ КОЭФФИЦИЕНТОМ МОЩНОСТИ 1213

2) амплитуда линейного тока уменьшается, поэтому, хотя

, текущий THD составляет немного выше для предложенной топологии

(как было указано на рис. 4), THD напряжения ниже.

IV. C

ВКЛЮЧЕНИЕ

В этой статье было предложено параллельное соединение переключателя GTO

с мостами SCR, чтобы замкнуть их на низкое выходное напряжение

, тем самым улучшая IDF обычных многоуровневых тиристорных выпрямителей

.Поскольку тиристорные мосты, используемые в приводах переменного тока среднего напряжения

(4160 В), используют три последовательно соединенных тиристора,

предлагаемый модифицированный 18-пульсный мост дает оптимальную конструкцию

с таким же количеством устройств тиристора, но с

. улучшенный гармонический профиль и улучшенный IDF. Стратегия управления

для переключения GTO (для формирования 18-импульсного, 12-импульсного или 6-пульсного моста

) может быть выбрана на основе характеристик крутящего момента / скорости

нагрузки в переменном токе. приводить приложения.Предлагаемый модифицированный 18-пульсный выпрямитель

конкурирует с другими интерфейсными топологиями

с точки зрения входных THD, IDF и стоимости. Управление

и модификации силовой цепи очень легко реализовать.

Результаты моделирования и экспериментов, выполненные для системы

мощностью 10 кВА, подтверждают теоретические выводы, представленные выше.

R

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

[1] Н. Мохан, Т. М. Унделанд и У. П. Роббинс, Силовая электроника,

Преобразователи, приложения и дизайн.Нью-Йорк: Wiley, 1989.

[2] Б. У. Уильямс, Силовая электроника, устройства, приводы, приложения и

Пассивные компоненты, 2-е изд. Нью-Йорк: McGraw-Hill, 1992.

[3] Д. А. Пейс, Гармоники силового электронного преобразователя, Multipulse Meth-

ods for Clean Power. Пискатауэй, Нью-Джерси: IEEE Press, 1996.

[4] С. Чой, А.Р. Фон Жуанн, П.Н. Энджети и И.Дж. Пител, «Многофазные трансформаторные устройства

с уменьшенными возможностями кВА для снижения гармонического тока

в интерфейсе электросети выпрямительного типа. , ”В конф.Рек. IEEE-

PESC, 1995, стр. 353–359.

[5] Б. Р. Пелли, Тиристорные преобразователи с фазовым управлением и циклоконверторы-

ers. Нью-Йорк: Wiley, 1971.

[6] J. J. Vithayathil, «Работа в режиме байпаса в мостовых преобразователях для передачи высокого напряжения

постоянного тока», Proc. Inst. Избрать. Англ., Т. 112, pp. 359–365, Feb.

1965.

[7] М. Моралес, «Последовательные меры по устранению перепускных клапанов

в преобразователях HVDC», Постоянный ток, т.10, pp. 164–167,

176, ноябрь 1965.

Навид Р. Заргари (S’90 – M’90) получил степень бакалавра инженеров.

Тегеранского университета, Тегеран, Иран,

1987 и M.A.Sc. и к.т.н. степени

Университета Конкордия, Монреаль, П.К., Канада,

1991 и 1995, соответственно.

С ноября 1994 года он работал в отделе исследований и разработок среднего напряжения

, Rockwell Automation / Allen-Bradley,

Inc., Кембридж, Онтарио, Канада, где он

занимается моделированием и проектированием входных выпрямителей

для приводов переменного тока среднего напряжения. Его исследовательские интересы

включают топологии силовых преобразователей и аспекты их управления, а также электрические приводы переменного тока

.

Юань Сяо (S’96) получил степень бакалавра наук. и M.Eng.

степени в области электротехники от Сиань

Цзяотунского университета, Сиань, Китай, в 1982 году и

1985, соответственно, и M.Получил степень бакалавра наук

, Университет Торонто, Торонто, Онтарио, Канада,

в 1993 году. В настоящее время он работает над докторской степенью.

степень в области электротехники в рамках совместной программы

грамма Политехнического университета Райерсона, Торонто,

и Университета Тиссайд, Мидлсбро,

Великобритания

С 1996 года он работал по совместительству

с Rockwell Automation / Allen-Bradley, Inc., Кембридж, Онтарио, где он

работает над системами преобразователей большой мощности.Сфера его интересов — проектирование мощных преобразователей

, моделирование и анализ энергосистем.

Бинь У (S’89 – M’91) получил степень магистра. и

Ph.D. дипломы по электротехнике

Университета Торонто, Торонто, Онтарио, Канада,

1989 и 1993, соответственно.

После работы в Rockwell

Automation / Allen-Bradley, Inc. в качестве старшего инженера-разработчика

, он поступил в Политехнический университет Ryerson

, Торонто, где в настоящее время является доцентом

.Его исследования

интересуются силовой электроникой, приводами двигателей, компьютерным моделированием

и приложениями DSP в энергетике

.

Доктор Ву был награжден Золотой медалью генерал-губернатора Канады

в 1990 году. Он является зарегистрированным профессиональным инженером в провинции

Онтарио, Канада.

Современное состояние и будущие тенденции

RODRÍGUEZ et al.: ВЫПРЯМИТЕЛИ БОЛЬШОГО ТОКА: СОСТОЯНИЕ И БУДУЩИЕ ТЕНДЕНЦИИ 745

ТАБЛИЦА VII

I

УСТАНОВЛЕННЫЕ РЕКТИФИКАТОРЫ

2000

12-пульсные тиристорные выпрямители с односторонним (ANSI 45-46)

или мостовым (ANSI 25-26) подключением являются преобладающими технологиями

.Плохой коэффициент мощности и входные гармоники являются одними из наиболее важных недостатков

. Однако эти проблемы

решаются с использованием пассивных фильтров. Зрелость этой технологии

и ее высокая эффективность, вероятно, являются ее наиболее привлекательными аспектами.

С другой стороны, прерыватели-выпрямители представляют собой альтернативу, основанную на

на наличии сильноточных IGBT. Решения, используемые в промышленности

, демонстрируют снижение гармоник входного тока и высокий коэффициент мощности

без использования фильтров.Большое количество компонентов

представляется важным недостатком, отрицательно влияющим на эффективность и надежность

. Однако недавние оценки показывают, что чоппер-rec-

может быть конкурентоспособным с точки зрения эффективности на уровнях высокого напряжения

из-за меньших потерь на входном трансформаторе. Это может дать преимущество прерывателям-выпрямителям

в таких приложениях, как дуговые печи

и плазменные горелки. Однако для приложений, требующих почти постоянного низкого напряжения и больших токов, тиристорные выпрямители

по-прежнему являются наиболее привлекательной альтернативой с более высокой эффективностью

и более низкими капитальными затратами.

Использование PWM-CSR, в настоящее время ограниченное CSI среднего напряжения

, может быть использовано для исправления в промышленных процессах

в будущем. Эта технология может подавать на нагрузку хороший управляемый ток

, сохраняя при этом токи

с низким уровнем гармоник и высокий коэффициент мощности в питании.

В качестве основного вывода этой статьи можно констатировать, что прерыватели-выпрямители

имеют достаточный полевой опыт, чтобы их можно было рассматривать в качестве альтернативы при генерации управляемого тока в

килоамперном диапазоне.

R

EFERENCES

[1] C. W. Lander, Power Electronics. Нью-Йорк: McGraw-Hill, 1981.

[2] Стандартные практики и требования IEEE для полупроводниковых источников питания

Выпрямительные трансформаторы, IEEE Std C57.18-10-1998, 15 июня 1998 г.

[3] Р. Браун , «Проектирование выпрямителей и систем шины постоянного тока для электролизной промышленности

», IEEE Trans. Ind. Appl., Vol. 26, вып. 6, pp.

1116–1119, ноябрь / декабрь. 1990.

[4] П. Манискалько, В.Скаини и Б. Урбан, «Сильноточные прерыватели постоянного тока

и их эксплуатационные преимущества», в Conf. Рек. IEEE-IAS PCIC, 1998, стр.

173–180.

[5] В. Скаини и В. Виркамп, «Определение систем прерывателей постоянного тока для электрохимических приложений

», IEEE Trans. Ind. Appl., Vol. 37, нет. 3, pp.

941–948, май / июн. 2001.

[6] Robicon Co .. (1999) Серия источников питания переменного и постоянного тока Harmony.

[Онлайн] Доступно: www.robicon.com

[7] A.Зиберт, А. Трэдсон и С. Эбнер, «Преобразование переменного тока в постоянный ток сейчас

и в будущем», IEEE Trans. Ind. Appl., Vol. 38, нет. 4, pp. 934–940,

июл / авг. 2002.

[8] А. Стивенсон и Дж. Гэллоуэй, «Выпрямители большой мощности», в Conf. Рек.

IEEE-IAS Annu. Встреча, Чикаго, Иллинойс, сентябрь 2001 г., стр. 1–20.

[9] П. Баддинг и Дж. Ст. Марс, «Новая жизнь старых тиристорных выпрямителей мощности

с использованием современного цифрового управления», IEEE Trans. Ind. Appl., т. 36, нет.

5, стр. 1449–1454, сен. / Окт. 2000.

[10] В. Скаини и Т. Ма, «Сильноточные прерыватели постоянного тока в металлургической промышленности»,

IEEE Trans. Ind. Appl., Vol. 8, вып. 2. С. 26–33, март / апрель. 2002.

[11] Rockwell Automation. (2002) Приводы среднего напряжения Power Flex 7000.

[Онлайн] Доступно: www.ab.com

[12] Дж. Бик, П. Баддинг и В. Скаини, «Повторное использование и изменение номинала старого выпрямителя

с новыми прерывателями постоянного / постоянного тока», IEEE Trans.Ind. Appl., Vol. 37, нет. 4. С.

1160–1166, июл. / Авг. 2001.

[13] С. Кеннеди, «Разработка и применение полупроводниковых преобразователей

», IEEE Trans. Ind. Appl., Vol. 38, нет. 4. С. 927–933, июл. / Авг.

2002.

Хосе Р. Родригес (M’81 – SM’94) получил степень инженера

от Universidad Técnica Fed.

erico Santa Maria, Вальпараисо, Чили, в 1977 году, и

доктор. -Ing. степень Университета Эрлангена,

Эрланген, Германия, в 1985 году, оба в области электротехники

.

С 1977 года он работает в Университете

Техника Федерико Санта-Мария, где в настоящее время является

профессором и проректором по академической науке. Во время своего творческого отпуска

в 1996 году он отвечал за

горнодобывающего подразделения Siemens Corporation в Чили.

Он имеет многолетний опыт консультирования в горнодобывающей промышленности, особенно

в применении больших приводов, таких как синхронные двигатели

с питанием от циклоконвертера для мельниц полусамоизмельчения, мощные конвейеры, управляемые приводы для экскаваторов и

качества электроэнергии. вопросы.Его исследовательские интересы в основном связаны с силовой электроникой

и электроприводами. В последние годы его основные исследовательские интересы

связаны с многоуровневыми инверторами и новыми топологиями преобразователей. Он является автором

или соавтором более 130 рецензируемых статей в журналах и конференциях, а также

, внесенных в одну главу в Power Electronics Handbook (Нью-Йорк:

Academic, 2001).

Хорхе Понт (M’00 – SM’04) получил степень инженера

и степень магистра в области электротехники от

Технического университета имени Федерико Санта-Мария

(UTFSM), Вальпараисо, Чили, в 1977 году.

С 1977 года он работает в UTFSM, где он

, в настоящее время профессор кафедры электроники

и директор лаборатории

надежности и качества электроэнергии. Он является соавтором

программного обеспечения Harmonix, используемого в гармонических исследованиях

в электрических системах. Он является соавтором заявок на патент

, касающихся инновационных измерительных систем

, используемых в мощных преобразователях и приводах больших мельниц.

Он является автором более 90 международных рецензируемых журналов и конференций

статей. Он является консультантом горнодобывающей промышленности, в частности, по проектированию

и применению силовой электроники, приводов, контрольно-измерительных систем, а также по вопросам качества электроэнергии

, а также руководил более чем 80 проектами по консалтингу и исследованиям и разработкам

. У него была научная стажировка в Высшей технической школе Дармштадта

(1979–1980), Вуппертальском университете (1990) и Университете Карлсруэ

(2000–2001), все в Германии.В настоящее время он является директором Центра

полуавтоматических шлифовальных и электрических приводов в UTFSM.

Управляемый выпрямитель

— обзор

15.3.3.1 12-импульсный управляемый выпрямитель серийного типа

Два шестиимпульсных управляемых выпрямителя питаются от фазосдвигающего трансформатора с двумя вторичными обмотками, соединенными треугольником и звездой. Следовательно, фазовый угол между обеими вторичными обмотками сдвигается на 30 градусов каждая. В этом случае с 12 импульсами на цикл качество формы выходного напряжения определенно будет улучшено с низким содержанием пульсаций [29].

На рис. 15.15 показана схема 12-пульсного последовательного управляемого выпрямителя. Трехфазный трансформатор с двумя вторичными и одной соединенной треугольником первичной обмоткой питает два идентичных шестиимпульсных управляемых выпрямителя. Верхний трехфазный мост питается от вторичной обмотки, соединенной по схеме Y, а нижний — от вторичной обмотки, соединенной по схеме Δ. Следовательно, такое расположение приведет к сдвигу фазового угла между обеими вторичными обмотками на 30 градусов. Выходы двух шестипульсных выпрямителей соединены последовательно, а период проводимости линейного тока для каждого преобразователя составляет 120 градусов.

Рассмотрим идеализированный 12-пульсный выпрямитель, в котором линейная индуктивность L _с и общая индуктивность рассеяния L _lk трансформатора принимаются равными нулю, а величина тока постоянна (без пульсаций ) [29]. На практике пульсации постоянного тока будут относительно низкими из-за последовательного соединения двух шестипульсных выпрямителей, где индуктивности рассеяния вторичных обмоток можно рассматривать последовательно.

С целью устранения доминирующих низших гармоник в линейном токе i _a , линейное напряжение v _{a 1 b 1} вторичной обмотки, соединенной по схеме Y обмотка ( N ₂ виток) находится в фазе с первичной обмоткой ( N ₁ виток) напряжением В _ab , при этом вторичная обмотка Δ-соединена ( N ₃ виток) напряжение В _{a 2 b 2} провода v _ab по [29]:

(15.37) δ = ∠va2b2 − ∠vab = 30 градусов

Для простоты положим N1 = N, N2 = N / 2 и N3 = 3 / 2N (т.е. N ₁ — N ₂ — N ₃ = 1: 0,5: 0,866).

Следовательно, среднеквадратичное линейное напряжение каждой вторичной обмотки станет

(15,38) Va1b1 = Va2b2 = Vab / 2

Так как два выпрямителя соединены последовательно, общий выход или нагрузка, напряжение В. _dc = V _{dc 1} + V _{dc 2} ; поскольку формы сигналов В _{постоянного тока 1} и В _{постоянного тока 2} сдвинуты по фазе друг относительно друга на 30 градусов, следовательно, форма сигнала выходного напряжения В _{постоянного тока} состоит из 12 импульсов за цикл подачи напряжения.Осциллограммы тока показаны на рис. 15.16, где i _{a 1} и i _{c 2 a 2} — фазные токи вторичных обмоток Y и Δ, соответственно, и i ′ _{a 1} и i ′ _{c 2 a 2} — это токи, относящиеся от вторичной стороны к первичной. Формы сигналов отраженного тока на первичной стороне вторичной обмотки с Y-соединением i ′ _{a 1} будут идентичны форме волны i _{a 1} , за исключением того, что величина изменяется в соотношении числа витков двух обмоток.Однако, когда i _{a 2} относится к первичной стороне, отраженный сигнал не сохраняет ту же форму и величину. Это происходит из-за фазовых сдвигов гармонического тока, когда они отсчитываются от обмоток Δ-Y. Этот сдвиг фаз является преимуществом, поскольку он приведет к подавлению преобладающих пятой и седьмой гармоник низкого порядка из токов первичной обмотки трансформатора и не появляется в линейном токе, который задается формулой.(15.39):

Рис. 15.16. Схема включения двенадцатипульсного последовательного управляемого выпрямителя.

(15.39) ia = ia1 ‘+ ia2’

Вторичный (соединенный Y) линейный ток i _{a 1} можно выразить уравнением. (15.40):

(15.40) ia1 = 23πIdcsinωt − 15sin5ωt − 17sin7ωt + 111sin11ωt + 113sin13ωt − 117sin17ωt − 119sin19ωt +…

Так как форма волны тока i симметрия 90-902 903 составляет половину i 903 не содержат гармоник четного порядка.Ток i _и также не содержит тройных гармоник из-за рассмотрения сбалансированной трехфазной системы. Линейный ток во вторичной обмотке, соединенной по схеме Δ, например, i _{a 2} , i _{a 1} на 30 градусов, а выражение Фурье для тока i _{a 2} имеет вид дается формулой. (15.41):

(15.41) ia2 = 23πIdcsinωt + 30degrees − 15sin5ωt + 30degrees − 17sin7ωt + 30degrees + 111sin11ωt + 30degrees + 113sin13ωt + 30degrees − 117sin17ωt + 30degrees … 2 и i _{c 2} .Текущее значение i ′ _{a 1} , которое идентично i _{a 1} по форме волны, может быть выражено в виде ряда Фурье по формуле. (15.42):

(15.42) ia1 ‘= 3πIdcsinωt − 15sin5ωt − 17sin7ωt + 111sin11ωt + 113sin13ωt…

Фазные токи во вторичных обмотках, соединенных по схеме Δ i 902 902 _{b 2 c 2} и i _{c 2 a 2} можно получить из его линейных токов, используя преобразование, приведенное в формуле.(15.43):

(15.43) ia2b2ib2c2ic2a2 = 13−1100−1110−1ia2ib2ic2

Фазные токи во вторичной обмотке, соединенной Δ i _{a 2 b 2} , 2 c 2 и i _{c 2 a 2} имеют ступенчатую форму волны с шириной каждого шага 60 градусов, тогда как I _d /3 и 2 I _d /3 выс. Выражение для фазного тока во вторичной обмотке, соединенной по схеме Δ, можно записать как Ур.(15.44).

(15.44) ic2a2 = 2π3Idcsinωt + 30 градусов − 15sin5ωt + 30 градусов − 17sin7ωt + 30 градусов + 111sin11ωt + 30 градусов + ⋯ −sinωt + 150 градусов + 15sin5ωt + 150qωt + 9 150 градусов E + 9 150 градусов E + 150 (15.44) имеем

(15.45) ic2a2 = 2πIdcsinωt + 15sin5ωt + 17sin7ωt + 111sin11ωt + 117sin17ωt + 119sin19ωt + ⋯

. _{b 2 c 2} можно получить.Соответствующий отраженный ток на первичной стороне может быть получен из уравнения. (15,45); умножая на коэффициент поворота (N3: N1 = 3: 2), мы можем получить уравнение. (15.46) [31]:

(15.46) ic2a2 ‘= 3πIdcsinωt + 15sin5ωt + 17sin7ωt + 111sin11ωt + 113sin13ωt + 117sin17ωt + 119sin19ωt + 123sin23ωt + 125sin25ωt + 2ia как указано в формуле. (15.47):

(15.47) ia = 23πIdcsinωt + 111sin11ωt + 113sin13ωt + 123sin23ωt + 125sin25ωt + ⋯

На рис.15.17. Это очевидно из уравнения. (15.47) видно, что две доминирующие гармоники, 5-я и 7-я, отсутствуют вместе с 17-й и 19-й, что значительно улучшает THD этого типа конфигурации преобразователя.

Рис. 15.17. Осциллограммы тока 12-импульсного последовательно включенного управляемого выпрямителя ( Ls = Llk = 0). (A) Выходной линейный / фазный ток во вторичной обмотке, соединенной звездой. (B) Выходной линейный ток во вторичной обмотке, соединенной треугольником. (C) Выходной фазный ток во вторичной обмотке, соединенной треугольником.(D) Фазный ток вторичной обмотки, соединенный треугольником, отражается на первичной стороне. (E) Фазный ток вторичной обмотки, соединенный звездой, отражается на первичной стороне. (F) Полный ток в первичной обмотке.

Анализ управляемого однофазного полноволнового выпрямителя с нагрузкой RL

[1] С. Б. Деван, А. Страуген, Power Semiconductor Circuits, Нью-Йорк: John Wiley & Sons, Inc., 1975, стр. 214-229.

[2] М. Пичан, А. А. Ахамад, А. Аришамифар и М. Е. Джамарани, «Простая процедура выбора пассивных элементов в однофазных выпрямителях с широтно-импульсной модуляцией с разработанным резонансным контроллером тока», Electric Power Components and Systems, 44 (4): 379-389, 2016.

[3] М. Х. Рашид, Силовая электроника, схемы, устройства и приложения, второе издание, Нью-Джерси: Prentice-Hall, Inc., 1988, стр. 138-142.

[4] DW Hart, Introduction to power Electronics, New Jersey: Prentice-Hall, Inc., 1997, pp. 128-131

[5] ML Zhang, B. Wu, Y. Xiao, and FA Dewinter, «Многоуровневый выпрямитель на основе понижающего преобразователя с синусоидальными входами и единичным коэффициентом мощности для приложений среднего напряжения (4160–7200 В)», IEEE Transactions on Power Electronics, vol.17, нет. 6, декабрь 2002 г., стр. 853-863.

[6] Я. Чен, Дж. Чжоу, В. П. Дай и Э. Ху, «Применение улучшенной безмостовой коррекции коэффициента мощности на основе одноциклового управления в системе зарядки электромобилей», Электроэнергетические системы и компоненты, 42 ( 2): 112-123, 2014.

[7] А. Э. Фитцджеральд, К. Кингсли и С. Д. Уманс, Электрические машины, шестое издание, Нью-Йорк: МакГроу-Хилл, 2003, стр. 524-533.

[8] Р. Махешвари, С. Мунк-Нильсен и К. Лу, «Метод активного демпфирования для малой системы привода на основе конденсатора постоянного тока», IEEE Trans.Инд. Информатика, т. 9, No. 2, pp. 848-858, May 2013.

[9] C. Qiao, KM Smeldley, «Общий трехфазный контроллер PFC для выпрямителей с параллельной топологией Dual Boost», IEEE Transactions on Силовая электроника, т. 17, нет. 6, ноябрь 2002 г., стр. 925-934.

[10] Дж. Аллмелинг, «Управляющая структура для быстрой компенсации гармоник в активных фильтрах», IEEE Transaction on Power Electronics, vol. 19, март 2004 г., стр. 508-514.

[11] Дж. А. Г. Марафао, Дж. А.Помилио и Дж. Спиацци, «Улучшенный трехфазный высококачественный выпрямитель с переключателями с линейной коммутацией», IEEE Transaction on Power Electronics, vol. 19,
Май 2004 г., с. 640-648.

[12] В. А. Катич, Д. Граовац, «Метод оптимизации бокового фильтра линии выпрямителя с ШИМ в переходном и установившемся состояниях», IEEE Transaction on Power Electronics, vol. 17, нет. 3, 2002, стр. 342-352.

[13] С. Шриантхамронг, Х. Фуджита и Х. Акаги, «Анализ стабильности последовательного активного фильтра, интегрированного с двойным диодным выпрямителем», IEEE Transaction on Power Electronics, vol.17, нет. 1, январь 2002 г., стр. 117–124.

[14] К. Лауамри, Дж. П. Ферриё, С. Кателни и Дж. Барбару, «Моделирование и анализ структуры интегрированного LCT с обмоткой для одноступенчатого резонансного выпрямителя с коррекцией коэффициента мощности», IEEE Transaction on Power Electronics, vol. 18, нет. 1, январь 2003 г., стр. 256-269.

Выпрямители с кремниевым управлением: технологии и мировые рынки: SMC101A

Особенности отчета

Мировой рынок выпрямителей с кремниевым управлением (SCR) был оценен в 2 доллара.3 миллиарда в 2014 году. Прогнозируется, что этот рынок вырастет с 2,6 миллиарда долларов в 2015 году до 3,8 миллиарда долларов в 2020 году, совокупный годовой темп роста (CAGR) составит 7,8% с 2015 по 2020 год.

Отчет

включает

• Обзор последних разработок и текущих тенденций на мировых рынках кремниевых выпрямителей
• Анализ тенденций мирового рынка с данными за 2014 г., оценками на 2015 г. и прогнозами совокупных годовых темпов роста (CAGR) до 2020 г.
• Оценка основных движущих сил этого рынка, включая растущий спрос на передачу электроэнергии на большие расстояния и увеличение инвестиций в интеллектуальные сети и энергетические инфраструктуры
• Распределение рынка по основным типам упаковки, регионам, собственности, применению и отраслям конечных пользователей
• Обзор отраслей конечного использования, включая автомобилестроение, передачу электроэнергии, возобновляемые источники энергии, промышленную электротехнику и электронику, локомотивы и бытовую электронику
• Обсуждение основных игроков на каждом из региональных рынков, текущих тенденций, основных проблем и региональной динамики рынка

Объем отчета

Объем этого отчета широк и охватывает множество приложений для SCR во всем мире в различных типах конечных отраслей.Рынок разбит на основные типы упаковки, регионы, собственность, приложения и отрасли конечных пользователей. Прогнозы доходов с 2015 по 2020 годы приводятся для каждого основного типа SCR, в том числе для приложений и региональных рынков.

Отчет также включает обсуждение основных игроков на каждом из региональных рынков и объясняет основные глобальные движущие силы, текущие тенденции, основные проблемы, а также региональную динамику рынка. Отчет завершается особым вниманием к среде поставщиков.Он включает подробные профили основных поставщиков индустрии SCR и обсуждает рыночные доли основных игроков по регионам.

Полномочия аналитика

Аниш Кумар был менеджером проекта и партнером BizImpact Knowledge Services, LLP, компании, занимающейся маркетинговыми исследованиями и оказанием услуг, с 2011 года. Кумар управляет командой, ориентированной на глобальный рынок. исследовательские проекты, первичные интервью и прогнозирование рынка.Он имеет степень бакалавра делового администрирования Института дипломированных финансовых аналитиков Индии и является членом Индо-германской торговой палаты.

Последние отчеты включают:

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ И АНАЛИЗ ГЕНЕРАЦИИ ГАРМОНИК В БЕСКОНТРОЛИРУЕМЫХ И УПРАВЛЯЕМЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯХ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ И АНАЛИЗ ГЕНЕРАЦИИ ГАРМОНИК В БЕСКОНТРОЛИРУЕМЫХ И УПРАВЛЯЕМЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯХ, выпуск

, ISN 3, январь, выпуск

International Research, выпуск

, ISN 9000, январь, 2014 г., выпуск

. 2229-5518

Аслам П.Мемон ([email protected]), Ахсан Зафар, М. Усман Кирио, Асиф Али. A
Кафедра электротехники,
Quaid-a-Awam University of Engineering Science & Technology, Nawabshah, Sind, Пакистан

Резюме: Экспериментальные исследования выпрямителей силовых преобразователей, их характеристики при различных нагрузках и их анализ включены в это исследование . Эти результаты основаны на лабораторных данных, в которых контролируемое и неконтролируемое выпрямление (FW, 1-ϕ и 3-ϕ) наблюдается с различными нагрузками (R, R-L) с их выпрямленными формами выходных сигналов.Разработаны программные модели, основанные на достигнутых параметрах, с целью сравнения их точности с лабораторными моделями, а также заключены конечные гармоники и общие гармонические искажения, создаваемые преобразователями силового выпрямителя из-за нелинейных нагрузок.

Ключевые слова: преобразователь выпрямителя, диод, тиристор, Matlab, Simulink, FFT

ВВЕДЕНИЕ

Схема выпрямления — это примитивная схема силовой электроники, которая преобразует переменный ток в постоянный ток и также используется во многих областях.Симуляция с моделированием часто используется для анализа рабочего процесса ректификации. Работу теорию выпрямительной схемы и гармонических составляющих можно изучить более глубоко на основе анализа и вывода результатов моделирования. Анализ цели в этой статье выполняется однофазной и трехфазной полноволновой неуправляемой и управляемой схемой выпрямления и моделируется практически, а также с помощью MATLAB / SIMULINK. Затем с помощью этих моделей анализируются гармоники бокового переменного тока и формы сигналов.

Экспериментальный анализ и анализ Simulink

Сначала модели выпрямителей изготавливаются практически в лаборатории силовой электроники с использованием тиристорной панели управления 70-002

компании Feedback. И после этого те же модели моделируются в Matlab

с использованием тех же параметров, которые используются в практическом тренажере. На рис. 1 (а) показана панель управления тиристором 70-002. С помощью этой панели выполняются все неуправляемые и управляемые выпрямители. Тренажер включает в себя различные компоненты, рейтинги которых приведены ниже в таблице 1.

IJSER © 2014 http://www.ijser.org

Международный журнал научных и инженерных исследований, том 5, выпуск 1, январь 2014 г. 1344

ISSN 2229-5518

Панель управления тиристором

Таблица 1: Система

Компоненты

Рис.1: 70-002

Осциллограф, вольтметр / амперметр с подвижным железом (средние значения) Мультиметр (среднеквадратичные значения)

Однофазный двухполупериодный неуправляемый выпрямитель

(a) (b)

Фиг.2: (a) Принципиальная схема однофазного двухполупериодного неуправляемого выпрямителя (b) Коммутационная схема однофазного двухполупериодного неуправляемого выпрямителя

Во время положительной фазы цикла напряжения питания ток течет от положительного полюса питания через D1, через нагрузку и возвращается к отрицательному значению предложения через D3. Во время отрицательной фазы цикла напряжения питания ток течет от положительного источника питания через D2, через нагрузку и возвращается к отрицательному полю питания через D4. В 18:00 происходит коммутация или переключение, и пары проводящих диодов переключаются с D3 и D2 на D1 и D4.


http://www.ijser.org

Международный журнал научных и инженерных исследований, том 5, выпуск 1, январь 2014 г. 1345

ISSN 2229-5518

(c) (d)

Рис. 2: (c) Формы сигналов выпрямленного напряжения и тока при резистивной нагрузке (d) Формы сигналов выпрямленного напряжения и тока при резистивной индуктивной нагрузке

Теперь должно быть ясно, что диоды действуют как переключатели, синхронизированные с источником питания, которые включаются и выключить, чтобы ток через нагрузку всегда был положительным.Форма волны напряжения не является гладкой, поскольку она колеблется от нуля до максимального значения дважды в течение каждого основного цикла питания, прерывистым образом в каждой точке коммутации. Это приводит к возникновению гармоник, которые распространяются обратно в источник питания, поскольку «первичная» обмотка трансформатора питания может также рассматриваться как «вторичная» обмотка при изменении напряжения во вторичной обмотке. Эти гармоники могут превышать те, которые разрешены Управлением электроснабжения.

Теперь третий шаг — моделирование этой модели в Matlab.

Рис. 2: (e) Модель Simulink однофазного двухполупериодного неуправляемого выпрямителя с резистивной индуктивной нагрузкой

(f) (g)

Рис. 2: (f) Осциллограммы выпрямленного напряжения и тока через резистивную нагрузку ( g) Осциллограммы выпрямленного напряжения и тока через резистивную индуктивную нагрузку

Теперь выполняется гармонический анализ этого выпрямителя с использованием инструмента БПФ графического интерфейса пользователя Power от Matlab.

IJSER © 2014 http://www.ijser.org

Международный журнал научных и инженерных исследований, том 5, выпуск 1, январь 2014 г. 1346

ISSN 2229-5518

(h) (I)

Рис. 2: (h) Форма волны входного тока и напряжения, искаженная гармониками (I) Гармоники входного тока

Суммарные гармонические искажения = 21,11%

Трехфазный двухполупериодный неуправляемый выпрямитель

Такая же процедура практически и программно значит повторяется с этим выпрямителем.

(a) (b)

Рис. 3: (a) Принципиальная схема трехфазного двухполупериодного неуправляемого выпрямителя (b) Коммутационная схема трехфазного двухполупериодного неуправляемого выпрямителя

Нагрузка питается через трехфазную полуволну при этом путь обратного тока проходит через другую полуволновую связь с одной из трех линий питания. Обратите внимание:

IJSER

, что нейтраль не требуется.
(c) (d)

Рис. 3: (c) Формы сигналов выпрямленного напряжения и тока через резистивную нагрузку (d) Формы сигналов выпрямленного напряжения

и тока через резистивную индуктивную нагрузку

Теперь основанная на Matlab модель Simulink трех фазовый двухполупериодный неуправляемый выпрямитель

Рис. 3: (e) Модель Simulink трехфазного двухполупериодного неуправляемого выпрямителя с резистивной и резистивной индуктивной нагрузкой

IJSER © 2014 http: // www.ijser.org

Международный журнал научных и инженерных исследований, том 5, выпуск 1, январь 2014 г. 1347

ISSN 2229-5518

(f) (g)

Рис. 3: (g) кривые выпрямленного напряжения и тока при резистивной нагрузке (h) Формы выпрямленных сигналов тока и напряжения при нагрузке RL

Теперь выполняется гармонический анализ этого выпрямителя с помощью инструмента FFT графического интерфейса Power GUI Matlab.


(h) (I)

Рис. 3: (I) Кривые входного напряжения и тока искажены из-за гармоник (j) Гармоники входного тока

Общее гармоническое искажение = 33,41%

Однофазный двухполупериодный управляемый выпрямитель

(a) (b)

Рис. 4: (a) Принципиальная схема однофазного двухполупериодного управляемого выпрямителя (b) Коммутационная схема однофазного двухполупериодного управляемого выпрямителя

IJSER © 2014 http: // www .ijser.org

International Journal of Scientific & Engineering Research, Volume 5, Issue 1, January-2014 1348

ISSN 2229-5518

(c) (d)

Рис. 4: (c) Выпрямленное напряжение и ток с резистивной нагрузкой (d) Выпрямленное напряжение и ток с резистивной индуктивной нагрузкой

Теперь модель Simulink на основе Matlab однофазного двухполупериодного управляемого выпрямителя

Рис.4: (e) Модель Simulink однофазного двухполупериодного управляемого выпрямителя с резистивной и резистивной индуктивной нагрузкой

(f) (g)

Рис. 4: (f) Выпрямленное напряжение и ток с резистивной нагрузкой (g) Выпрямленное напряжение и ток с резистивной

индуктивной нагрузкой


Теперь выполняется гармонический анализ этого выпрямителя с помощью инструмента БПФ графического интерфейса пользователя Power от Matlab.
(h) (I)

Рис. 4: (h) Форма волны входного тока и напряжения, искаженная гармониками (I) Гармоники входного тока

Общее искажение гармоник = 37,40%

Трехфазный полноволновой управляемый выпрямитель

IJSER © 2014 http://www.ijser.org

International Journal of Scientific & Engineering Research, Volume 5, Issue 1, January-2014 1349

ISSN 2229-5518

(a) (b)

Фиг.5: (a) Принципиальная схема трехфазного двухполупериодного управляемого выпрямителя (b) Схема коммутации

(c) (d)

Рис. 5: (c) Форма волны выпрямленного напряжения (красный) и тока (синий) с резистивной нагрузка (d) Форма волны выпрямленного

Напряжение (красный) и ток (синий) с резистивной индуктивной нагрузкой

Теперь основанная на Matlab модель трехфазного двухполупериодного неуправляемого выпрямителя на базе Matlab

Рис.5: (e) Модель Simulink трехфазного двухполупериодного управляемого выпрямителя с резистивной индуктивной нагрузкой

(f) (g)

Рис. 5: (f) Форма волны выпрямленного напряжения и тока с резистивной нагрузкой (g) Форма волны выпрямленного Напряжение и ток

с резистивной индуктивной нагрузкой
Теперь выполняется гармонический анализ этого выпрямителя с помощью инструмента БПФ графического интерфейса пользователя Power от Matlab.

IJSER © 2014 http: // www.ijser.org

Международный журнал научных и технических исследований, том 5, выпуск 1, январь 2014 г. 1350

ISSN 2229-5518

(h) (I)

Рис. 5: (h) Входное напряжение и Форма волны тока искажена из-за гармоник (I) Гармоники входного тока

Заключение

Суммарные гармонические искажения = 44,72%

Преимущество двухполупериодного выпрямления состоит в том, что можно потреблять более высокий ток нагрузки для данного номинала источника питания. трансформатор, чем в случае полуволнового выпрямления.Анализатор гармоник — очень дорогостоящее оборудование для поиска гармоник в любом преобразователе, поэтому в этом исследовании предлагается модель Simulink на основе Matlab для проверки гармоник любого преобразователя путем предоставления практических данных. Номинальная мощность однофазных выпрямителей обычно ниже 10 кВт. Трехфазные мостовые выпрямители используются для обеспечения более высокой выходной мощности, до 500 кВт при 500 В постоянного тока или даже больше.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Майордомо, Дж. Дж., Эрнандес А. Асенси, Р. Бейтес Л. Ф., Иззеддин М. «Единая теория неуправляемых выпрямителей
, газоразрядных ламп и дуговых печей.Аналитический подход к расчетам нормализованного гармонического излучения «Harmonics and Quality of Power Proceedings, 1998. 8th International Conference On, vol.2, pp.740-748, 14-18 Oct 1998
Min Chen, Zhaoming Qian, Xiaoming Yuan,» Frequency -областный анализ неуправляемых выпрямителей »Конференция и выставка« Прикладная силовая электроника ». АТЭС ’04. Девятнадцатый ежегодный IEEE, том 2, стр. 804-
809 том 2, 2004
Лиан, К.Л., Лен, П.В., «Гармонический анализ однофазных полномостовых выпрямителей на основе метода быстрой временной области
» Промышленная электроника, 2006 IEEE International Symposium on, vol.4, pp. 2608-2613, 9-13
июль 2006 г.
Owen E.L. «Пятидесятая годовщина современной силовой электроники — выпрямителя с кремниевым управлением», Electric Power, IEEE Conference. Pp.201-211, 3-5 августа 2007 г.
Wijeratne D. Moschopoulos G. «Трехфазный одноступенчатый AC-DC полный Мостовой преобразователь с высоким коэффициентом мощности
и фазовой широтно-импульсной модуляцией »Конференция и выставка по прикладной силовой электронике. APEC 2009. Двадцать четвертая ежегодная конференция IEEE, том, №, стр. 977-983, 15-19 февраля 2009 г.
Mesas, JJ, Sainz, L, Molina, J, «Процедура оценки параметров для моделей однофазных неуправляемых выпрямителей
» Power Delivery, IEEE Transactions vol.26, № 3, стр. 1911-1919, июль 2011 г.
Ван Цзы-ци, Цзян Дэ-лонг, Фу Цзинь-гуан, «Анализ и моделирование однофазной схемы фильтра выпрямления на основе Matlab» Конференция по энергетике и автоматизации (PEAM), IEEE, vol.2, pp.1,3, 8-9
Sept. 2011
First A. Хемант Мехар, «Методы моделирования MATLAB в силовой электронике», IEEE Technology and Engineering Education (ITEE), VOL .7, № 4 Декабрь, 2012 г.
Алекса Д., Сирбу А. .. Лазар, А. «Трехфазный выпрямитель с входными токами, близкими к синусоидальному, и конденсаторами
, подключенными со стороны переменного тока» Промышленная электроника, IEEE Transactions on, vol.53, № 5, стр. 1612-
1620, октябрь 2006 г.
Чжун Чен, Инпэн Ло, Инью Чжу, Гоцяо Шэнь, «Анализ и проектирование трехфазного выпрямителя с почти синусоидальными входными токами», Power Electronics and Motion Контрольная конференция. IPEMC ’09. IEEE
6th International pp.1703-1-1703-7, 17-20 мая 2009 г.

IJSER © 2014 http://www.ijser.org

International Journal of Scientific & Technology Research

ДОБРО ПОЖАЛОВАТЬ В IJSTR (ISSN 2277-8616) — Международный журнал научных и технологических исследований — это международный журнал с открытым доступом из различных областей науки, техники и технологий, в котором особое внимание уделяется новым исследованиям, разработкам и их приложениям. Приветствуются статьи, содержащие оригинальные исследования или расширенные версии уже опубликованных статей конференций / журналов. Статьи для публикации отбираются на основе экспертной оценки, чтобы гарантировать оригинальность, актуальность и удобочитаемость. IJSTR обеспечивает широкую политику индексирования, чтобы опубликованные статьи были хорошо заметны для научного сообщества. IJSTR является частью экологически чистого сообщества и предпочитает режим электронной публикации, поскольку он является «ЗЕЛЕНЫМ журналом» в Интернете. Мы приглашаем вас представить высококачественные статьи для обзора и возможной публикации во всех областях техники, науки и технологий.Все авторы должны согласовать содержание рукописи и ее представление для публикации в этом журнале до того, как она будет отправлена ​​нам. Рукописи следует подавать в режиме онлайн IJSTR приветствует ученых, заинтересованных в работе в качестве добровольных рецензентов. Рецензенты должны проявить интерес, отправив нам свои полные биографические данные. Рецензенты определяют качественные материалы.Поскольку ожидается, что они будут экспертами в своих областях, они должны прокомментировать важность рецензируемой рукописи и внести ли исследование в знания и продвинуть как теорию, так и практику в этой области. Заинтересованным рецензентам предлагается отправить свое резюме и краткое изложение конкретных знаний и интересов по адресу [email protected] . IJSTR публикует статьи, посвященные исследованиям, разработкам и применению в областях инженерии, науки и технологий.Все рукописи проходят предварительное рецензирование редакционной комиссией. Вклады должны быть оригинальными, ранее или одновременно не публиковаться где-либо еще, и перед публикацией они должны быть подвергнуты критическому анализу. Статьи, которые должны быть написаны на английском языке, должны содержать правильную грамматику и правильную терминологию. alexxlab Добавить комментарий Отменить ответ Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены * Комментарий * Имя * Email * Сайт Рубрики Прост Радио Разное Своими руками Советы Схем Схемы Транзист Транзисторы Электрон Электроника