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