Системы импульсно-фазового управления (СИФУ)

 

Cистемы управления, в которых управляющий сигнал имеет форму импульса, фазу которого можно регулировать, называют импульсно-фазовыми.

Системы импульсно-фазового управления по способу синхронизации делятся на два основных класса – синхронные СИФУ и асинхронные СИФУ. При синхронном импульсно-фазовом управлении угол подачи управляемого импульса отсчитывают от определенной фазы напряжения сети, питающей выпрямитель

(4.1)

где - угол подачи первого управляющего импульса; - угол начала отсчета, соответствующий моменту естественного отпирания; - регулируемый угол управления.

Синхронное управление в настоящее время является общепринятым и наиболее распространенным.

При асинхронном импульсно-фазовом управлении угол подачи управляющего импульса отсчитывают от момента подачи предыдущего импульса

. (4.2)

Из сравнения выражений (4.1) и (4.2) видно, что угол подачи управляющего импульса в асинхронной системе управления не связан в явном виде с координатами и напряжения сети, т.е. не синхронизирован с сетью питания.

В зависимости от способа получения сдвига управляющих импульсов различают системы, построенные по горизонтальным и вертикальным принципам управления.

При горизонтальном принципе сдвиг управляющих импульсов осуществляется путем изменения фазы входного синхронизирующего сигнала, обычно синусоиды напряжения входной сети, а затем из него формируются прямоугольные импульсы. Горизонтальный принцип, вследствие присущих ему недостатков (зависимость от формы и частоты питающего напряжения), не нашел широкого применения.

При вертикальном принципе управления (рис.4.5) напряжение управления сравнивается с опорным переменным напряжением (синусоидальным, пилообразным и т.д.). В момент времени, когда эти напряжения становятся равными и их разность изменяет полярность, происходит формирование импульса. Фазу импульса можно регулировать, изменяя величину постоянного напряжения управления.

Система управления однофазным мостовым выпрямителем (см. рис. 4.2, 4.3 и 4.6) работает следующим образом. Генератор пилообразного напряжения (ГПН) запускается при поступлении с синхронизатора (С) напряжения в момент появления на тиристорах прямого напряжения, т. е. в точках естественого отпирания. С выхода ГПН напряжение пилообразной формы поступает на устройство сравнения (УС), где оно сравнивается с напряжением управляющего органа . В момент равенства пилообразного напряжения и напряжения управляющего органа устройство сравнения вырабатывает импульс , который через распределитель импульсов (РИ) поступает на формирователь импульсов ФИ1 или ФИ2 и дальше через выходные каскады ВК1 или ВК2-на тиристоры выпрямителя.

Рис.4.5. Функциональная схема СИФУ для однофазного мостового выпрямителя

 

В одноканальных многофазных СИФУ генератор переменого напряжения работает с частотой в m раз больше частоты питающей сети, что требует в дальнейшем распределения управляющих импульсов по m каналам. Одноканальная СИФУ (рис.4.6) для трехфазного нулевого или полууправляемого мостового выпрямителя работает следующим образом. Генератор пилообразного напряжения ГПН запускается в момент появления на тиристорах прямого напряжения, т.е. в точках естественного отпирания. Запуск ГПН обеспечивается синхронизатором С. С выхода ГПН пилообразное напряжение подается на пороговое устройство (ПУ), которое срабатывает при достижении пилообразным напряжением порогового значения .

Рис. 4.6. Функциональная схема одноканальной СИФУ для трехфазного выпрямителя

 

Напряжение с выхода ПУ через дифференцирующую цепь (ДЦ) поступает на схемы совпадения (СС), куда подается соответствующий импульс с синхронизатора. При совпадении импульсов с выхода синхронизатора и дифференцирующей цепи один из выходных каскадов (ВК) вырабатывает управляющий импульс на отпирание тиристора соответствующей фазы. Фазоый сдвиг управляющего импульса осуществляется путем изменения наклона пи лообразного напряжения ГПН с помощью управляемого стабилизатора тока (УСТ). Система управления обеспечивает регулирование угла управления в диапазоне .

Благодаря общему фазосдвигающему устройству одноканальные системы управления обладают высокой симметрией управляющих импульсов. Несимметрия определяется только точностью синхронизации системы управления с питающей сетью и не превышает 0.5 эл. град.

Кроме того, одноканальная система проста в настройке, поскольку не требует создания нескольких идентичных каналов. К недостаткам одноканальных синхронных систем управления следует отнести сложность синхронизации с сетью, так как необходимо формировать одноканальную последовательность кратной частоты. В настоящее время большое распространение находят многоканальные системы управления с индивидуальными фазосдвигающими устройствами ввиду их простоты и универсальности.

Вертикальная шестиканальная система управления трехфазным мостовым выпрямителем (рис.4.7) состоит из синхронизатора (С), шести фазосдвигающих устройств (ФСУ1-ФСУ6), шести формирователей импульсов (ФИ1-ФИ6), шести выходных каскадов (ВК1-ВК6). Принцип работы этой схемы аналогичен работе схемы (рис.4.5).

Рис. 4.7. Функциональная схема шестиканального СИФУ для трехфазной мостовой схемы

 

Необходимый фазовый сдвиг управляющих импульсов относительно анодного напряжения тиристоров создается с помощью синхронизатора и фазосдвигающего устройства. ГПН, входящий в состав ФСУ, работает с частотой, равной частоте сети.

Часто в системах управления выпрямителями сочетают принципы одноканального и многоканального способов управления. Например, на рис. 4.8 приведена трехканальная система управления для трехфазного мостового выпрямителя.

Каждый канал служит для управления противофазными тиристорами моста. Например, первый канал вырабатывает импульсы управления и , соответственно для управления тиристорами VS1 и VS4 (см. рис. 4.9). Фазосдвигающие устройства ФС1-ФС3 в этой схеме работают с частотой, в 2 раза превышающей частоту сети. Распределители импульсов РИ1-РИ3 осуществляют распределение импульсов, сформированных формирователями ФИ1-ФИ3 по противофазным тиристорам.

Схемы рис. 4.7 и 4.8 могут обеспечить нормальное функционирование трехфазной мостовой схемы выпрямителя, если их формирователи импульсов будут иметь выходные сигналы с длительностью более 60 эл. град.

 

 

Рис. 4.8. Трехканальная СИФУ для трехфазного мостового выпрямителя

 

При управлении короткими импульсами каждый выходной каскад (рис. 4.9) должен иметь два входа, первый из которых предназначен для передачи “своего” импульса, а второй – для “чужого” импульса, сдвинутого на угол 60 эл.град.относительно “своего” импульса (рис.4.4).

 

 

 

 

Рис. 4.9. Схема формирования сдвоенных импульсов

Примеры схемной реализации систем импульсно-фазового

Управления выпрямителями

 

Функциональная схема СИФУ для реверсивного выпрямителя с раздельным управлением однофазными мостовыми комплектами приведена на рис. 4.10, временные диаграммы, поясняющие ее работу, - на рис. 4.11.

Рис. 4.10. Функциональная схема СИФУ для реверсивного выпрямителя с раздельным управлением однофазными мостовыми комплектами

Рис.4.11. Временные диаграммы напряжений СИФУ для реверсивного выпрямителя с раздельным управлением однофазными мостовыми комплектами

 

СИФУ выполнена по одноканальному принципу. Она включает в себя следующие основные узлы: источник синхронизирующего напряжения – трансформатор TV; пороговые элементы ПЭ1, ПЭ2; формирователь синхронизирующих импульсов ФСИ; генератор пилообразного напряжения ГПН; нуль-орган НО; формирователь длительности импульсов ФДИ; схемы совпадения СС1-СС4; усилители импульсов УИ1-УИ4; выходные каскады ВК1-ВК4; инвертор НЕ.

СИФУ работает следующим образом. Напряжение сети через трансформатор TV подводится к фильтру Ф, предназначенному для снижения влияния искажений напряжения сети на работу СИФУ. С выхода фильтра напряжение , сдвинутое на угол 15-20 эл.град. по отношению к напряжению синхронизации , поступает на выходы пороговых элементов ПЭ1 и ПЭ2. Пороговые элементы формируют два прямоугольных противофазных напряжения и .

Длительность импульсов напряжения и благодаря наличию зоны нечувствительности пороговых элементов меньше 180 эл.град. и составляет примерно 176 эл.град. Этот интервал определяет зону разрешения выдачи управляющих тиристорами импульсов. В моменты времени, когда выходные напряжения обоих пороговых элементов равны 0, формирователь синхроимпульсов ФСИ вырабатывает импульсы , следующие с частотой, в два раза превыщающей частоту сети. Синхронно с импульсами на выходе ГПН вырабатывается пилообразное напряжение . При отсутствии импульсов пилообразное напряжение линейно нарастает, а при поступлении на вход ГПН импульс быстро снижается до нуля. На входе нуль-органа НО присходит сравнение трех сигналов; напряжение управления , напряжения смещения и пилообпазного напряжения . В момент превышения над разностью - напряжение НО меняет знак с “плюса” на “минус”. На выходе формирователя длительности импульсов ФДИ в этот момент образуется управляющий импульс , длительность которого составляет 10-30 эл.град. Распределение импульсов по тиристорам осуществляется с помощью четырех элементов совпадения СС1-СС4. На каждый элемент совпадения подается логический сигнал или синхронизации с сетью, сигнал В или Н с выхода логического устройства ЛУ и управляющий фазовый сигнал СИФУ.

Если логическое устройство включено в направлении вперед, т.е. когда сигнал В равен единице, а сигнал Н-нулю, то управляющий сигнал проходит через элемент СС1 при и через элемент СС2 при . Если же сигнал Н равен единице, а В – нулю, то проходит через СС3 или СС4. Выходные сигналы элементов совпадения усиливаются усилителями УИ1-УИ4 и через выходные каскады ВК1-ВК4 поступают к соответствующим тиристорам. Инвертор НЕ формирует сигнал , блокирующий переключение логического устройства ЛУ во время выдачи импульса с СИФУ.

СИФУ для нереверсивного однофазного мостового выпрямителя, силовая схема которого приведена в п.2.3. отличается от схемы рис. 4.10 тем, что в ней отсутствуют схемы совпадения СС3 и СС4, усилители импульсов УИ3 и УИ4, выходные каскады ВК3 и ВК4, относящиеся ко второму комплекту тиристоров, а также инвертор НЕ.

На рис.4.13 показана схема усиления импульса на элементах D1, D2 и трансформаторного выходного каскада. В цепи управляющего электрода могут быть индуцированы импульсы от коммутации соседних тиристоров или сетевых помех, вызывающие переход тиристора в открытое состояние и неправильную работу схемы. Для защиты от помех между управляющим электродом и катодом тиристора включены конденсатор С1 и резистор R6. Диод VD1 служит для среза отрицательной полуволны вторичного напряжения импульсного трансформатора, а диод элемента D2, включенный параллельно первичной обмотке трансформатора, защищает транзистор при его отключении.

Рис. 4.13. Схема усилителя импульса и выходного каскада