Принцип імпульсного регулювання

Якщо між джерелом постійної напруги і навантаженням увімкнути перемикач, який буде періодично замикатись і розмикатись (див. рис.2.34, а) то напруга на навантаженні буде мати форму прямокутних імпульсів. В якості таких ключів і використовуються імпульсні перетворювачі.

Якщо перемикаючий прилад перетворювача вважати ідеальним ключем і знехтувати опором з'єднувальних провідників, то на інтервалі, коли ключ замкнений (інтервал провідності), миттєве значення напруги на навантаженні дорівнюватиме напрузі джерела живлення , а на інтервалі, коли ключ розімкнений (інтервал паузи), миттєва напруга на навантаженні дорівнює нулю (див рис. 2.34,б).

Регулювання середнього значення напруги можна здійснювати двома способами: або змінюючи тривалість імпульсу,залишаючи тривалість періоду незмінною, або змінюючи період, залишаючи тривалість імпульсу сталою. У першому випадку регулювання називається широтно-імпульсним, а у другому – частотно-імпульсним.

 

 

 

 

Рисунок 2.33.-Принципова схема тиристорного імпульсного

перетворювача постійної напруги

 

 

В обох випадках змінюється відношення періоду до тривалості імпульсу, яке в електроніці називається щілинністю або скважністю імпульсів і позначається літерою S.

Залежність середнього значення напруги на навантаженні від скважності легко встановити за допомогою виразу:

 

(2.30)

 

 

Спосіб частотного регулювання більш простий з точки зору його технічної реалізації. Але він менш ефективний в зв’язку з тим, що при його застосуванні неможливо використовувати фільтри для поліпшення якості вихідної напруги.

Таким чином, вихідна напруга ідеального перетворювача (ІП) формується за допомогою серії коротких імпульсів заданої амплітуди з регульованою скважністю. Зважаючи на те, що ІП є джерелом постійної напруги, виникає необхідність згладжуваня цих імпульсів за умови збереження регулюючих властивостей перетворювача.

Така задача розв’язується за допомогою так званого демодулятора. Конструктивно він складається з дроселя та діода реактивного струму VD0 і вмикається за схемою, зображеною на рис.2.35,а.

На інтервалі імпульсу дросель та навантаження увімкнуті послідовно і індуктивність дроселя накопичує енергію в магнітному полі. На інтервалі

 

а) б)

 

Рисунок 2.34. Принцип дії імпульсного перетворювача постійної напруги

послідовного типу

 

паузи, коли ключ розімкнуто, індуктивність розряджається, утримуючи струм в навантаженні на майже незмінному рівні. Розряд індуктивності здійснюється по колу: , заповнюючи нульовий проміжок між імпульсами напруги. При цьому згладжена постійна напруга залишається на рівні, близькому до значення , як це зображено на рис.2.35,б.

Якість згладженої напруги залежить від співвідношення , і чим воно більше, тим ближчою до прямої буде вихідна напруга ІП. Можливість регулювання її рівня залишається такою ж, як і у випадку відсутності демодулятора.

Розглянемо особливості роботи ІП на роторну обмотку двигуна постійного струму з незалежним збудженням.

Рівняння рівноваги двигуна постійного струму записується у вигляді:

 

, (2.31)

 

де: – проти е.р.с. роторної обмотки

– струм в обмотці ротора

- активний опір цієї ж обмотки

 

а) б)

 

Рисунок 2.35. Робота ІП з демодулятором

 

Протие.р.с. двигуна є постійною напругою яка наводиться в обмотках ротора за умови обертання останнього в постійному магнітному полі, яке утворюють обмотки збудження. Величина залежить від потоку збудження та швидкості обертання ротора, яка у виразі (2.32) позначається літерою ω.

 

(2.32)

 

де: k – конструктивна стала двигуна

Якщо двигун підключити до ІП без індуктивності демодулятора то ритмічність його роботи залежатиме від частоти імпульсів та тривалості пауз між ними. У випадку сталої частоти, коли тривалість імпульсу значно перевищує тривалість паузи, двигун працюватиме ритмічно за рахунок значної швидкості обертання та інерційності ротора і привідного механізму. Але форма напруги на його роторі буде спотворюватися. Пояснюється це тим, що на інтервалах пауз струм роторної обмотки починає зменшуватись, внаслідок чого на ній додатково наводиться е.р.с., характерна для процесу розряду індуктивності (див. рис.2.36,а).

Рівняння рівноваги двигуна на інтервалі паузи змінюється та набуває вигляду:

(2.33)

де: - струм розряду індуктивності роторної обмотки

– індуктивність роторної обмотки

 

а) б)

 

Рисунок 2.36.- Напруга та струм роторної обмотки двигуна при різних

співвідношеннях між тривалістю імпульсів та пауз між ними

Третім доданком у виразі (2.33) можна знехтувати в силу його малості. Тобто на інтервалі паузи напруга роторної обмотки є сумою постійної складової та експоненти, якою є напруга розряду індуктивності.

Величина напруги розряду індуктивності залежить головним чином від швидкості зміни струму розряду , тобто сталої часу кола розряду роторної обмотки ДПС.

В меншій мірі величина та форма напруги на інтервалі паузи залежить від тривалості самої паузи. Пояснюється це тим, що в роторній обмотці наводиться стала в часі проти е.р.с. , яка майже не змінюється як на інтервалі імпульсу, так і на інтервалі паузи в силу того, що ці часові інтервали значно коротші порівняно з електромеханічною сталою системи «двигун – привідний механізм». Величина при цьому залишається приблизно рівною середньому значенню вихідної напруги ІП, тобто є такою, що залежить тільки від скважності імпульсів перетворювача (див.рис.2.36,а,б). Сталими залишаються і параметри електричного кола роторної обмотки.

Перехідні процеси розгону та заторможення двигуна в даному випадку не розглядаються, тому їх вплив на рівень та форму напруги не враховуються.

В лабораторній роботі, при виконанні досліджень з ДПС, котушка індуктивності демодулятора може бути або закороченою, або увімкнутою послідовно в коло роторної обмотки двигуна. Але діод реактивного струму VD0 залишається підключеним до цієї обмотки під час виконання усіх пунктів досліджень.

 

 

Рисунок 2.37.- Форма напруги на роторній обмотці

двигуна з урахуванням впливу діода реактивного

струму

Напруга розряду індуктивності має від’ємний знак по відношенню до імпульсів вихідної напруги ІП та проти е.р.с. двигуна, тобто є позитивною для діода реактивного струму. Як наслідок, останній «зрізає» від’ємну частину імпульсу напруги розряду і напруга роторної обмотки набуває вигляду, зображеному на рисунку 2.37.

Для запобігання негативного впливу коротких імпульсів, в роторну обмотку слід увімкнути додаткову індуктивність, тобто в дослідах зняти перемичку з дроселя демодулятора. Вмикання додаткової індуктивності згладжує струм ротора і він залишається безперервним в усьому діапазоні регулювання. Наявність додаткового опору в колі ротора погіршує механічну характеристику двигуна, що є недоліком вказаного методу. Разом з тим, високодобротна котушка в роторному колі сприяє рівномірній роботі двигуна за умови його живлення від імпульсного перетворювача і її наявність в цьому випадку є обов’язковою.

Шунтування роторної обмотки додатковим резистором не сприяє поліпшенню режиму роботи двигуна. На інтервалах пауз він починає більш інтенсивно заторможуватись. Зростає також тривалість перехідного процесу розряду індуктивності , особливо при наявності додаткової індуктивності демодулятора. Тобто двигун за умови регулювання кількості його обертів «вниз», увійде в пульсуючий режим значно раніше, ніж у випадку відсутності шунтуючого резистора.

Використання ІП в якості регульованого джерела живлення ДПС має певну специфіку. Теоретично потужність такого перетворювача може бути необмеженою. На практиці ІП живлять двигуни потужністю не більше 5 кВт. Виняток складають тягові двигуни комбінованого збудження рухомих частин транспортних засобів потужність яких вимірюється сотнями кіловат.

До переваг імпульсних перетворювачів як вторинних джерел живлення можна віднести наступне:

1. Високий ккд, так як втрати потужності на регулюючому елементі перетворювача незначні порівняно з втратами потужності у випадку безперервного регулювання.

2. Слабка чутливість до змін температури оточуючого середовища, оскільки регулюючим фактором є час провідності ключа, а не величина внутрішнього опору регулюючого елемента, що має місце в керованих випрямлячах.

3. Висока швидкодія, що особливо важливо для автоматизованого електроприводу.

4. Можливість одержання значних пускових моментів електричного дви­гуна.

5. Висока точність управління при збережені стійкості, системи «перетворювач – двигун».

6. Гнучкість регулювання вихідної напруги в широкому діапазоні.

Імпульсні перетворювачі постійної напруги поділяються па дві великі гру­пи: паралельні та послідовні.

В послідовних ШІП ключовий елемент ввімкнений послідовно з наванта­женням. В лабораторному макеті це тиристор VТ1. Крім того, в схемі передбачено комутаційний вузол, призначений для ви­микання тиристора VТ1. Вихідна частина пристрою складається з фільтруючого дроселя , діода зворотного (реактивного) струму VD0 і навантаження (див.рис. 2.33).

На вході послідовного імпульсного перетворювача вмикають конденсатор Свх, ємність якого визначається внутрішнім опором джерела живлення і частотою комутації силового тиристора VТ1.

 

Література

Основна

1. Руденко В.С. Основы преобразовательной техники. Учебник для вузов / Руденко В.С., Сенько В.И., Чиженко И.М. – М,: Высшая школа, 1980.- 129-136с.,153-166с.

 

Рекомендована

1. Севернс Р., Блум Г. Импульсные преобразователи постоянного напряжения для систем вторичного электроиспытания. Перевод с английского. под ред.. Смольникова Л.Е. / Севернс Р., Блум Г. – М.: Энергоиздат., 1998. – 294 с.ил – ISBN 5-283-02435-0 (рус.);

ISBN 0-442-21396-4 (англ.).

 

 

Лабораторна робота №6