Классификация широтно – импульсных преобразователей
Могилев, 2004
Введение
Преобразователь относится к классу широтно-импульсных преобразователей и применяется в частности для регулирования напряжения питания в двигателях постоянного тока. Наличие тиристоров в роли силового управляемого вентиля позволяет использовать преобразователь для более высокой мощности, в отличие от транзисторов. В качестве источника условно постоянного напряжения выступает управляемый выпрямитель, собранный по мостовой схеме, согласованный с промышленной сетью при помощи трансформатора.
Цель практики
Технологическая практика студентов является важнейшей частью подготовки специалистов. Целью практики является закрепление теоретических знаний, полученных при изучении специальных дисциплин, а также овладение практическими навыками и передовыми методами организации труда необходимыми для эксплуатации, ремонта, монтажа и наладки электрооборудования на промышленных предприятиях.
Анализ вариантов технических решений по силовой части преобразователя, расчет элементов.
Классификация широтно – импульсных преобразователей.
Регулирование напряжения потребителя посредством преобразователей (ИП) называется импульсным регулированием.
С помощью импульсного преобразователя источник постоянного или переменного напряжения периодически подключается к нагрузке.
Существующие схемы ШИП постоянного напряжения можно классифицировать по ряду признаков.
В зависимости от типа применяемых в силовой части полупроводниковых приборов импульсные преобразователи делятся на:
- ШИП на полностью управляемых вентилях (транзисторах и двух операционных тиристорах);
- ШИП на тиристорах.
И те, и другие делятся на нереверсивные и реверсивные.
Нереверсивные ШИП преобразуют плавно изменяющееся входное напряжение в импульсное с постоянной амплитудой и полярностью, но с разной длительностью.
Нереверсивные ШИП можно разделить на две большие группы – параллельные и последовательные.
В последовательных ШИП рабочий вентиль включается последовательно с нагрузкой. Характерной особенностью последовательных ШИП является невозможность получения напряжения на их выходе выше напряжения источника питания.
В параллельных ШИП рабочий вентиль или накопительный дроссель включается параллельно нагрузке. Характерной особенностью параллельных ШИП является возможность получения напряжения на нагрузке, превышающего по величине напряжение источника питания.
В зависимости от структуры цепей заряда и разряда коммутирующего конденсатора ШИП бывают с зависимой и независимой структурой. В первых—коммутирующий конденсатор при сохранении отрицательного напряжения на запираемом тиристоре перезаряжается током нагрузки, а во втором – током колебательного контура.
В зависимости от способа регулирования напряжения ШИП делятся на преобразователи с широтно-импульсным, частотно-импульсным и комбинированным регулированием.
1.2 Анализ вариантов технических решений
Во всех тиристорных ШИП с одноступенчатой коммутацией, несмотря на такое достоинство как сравнительно простая схема, существуют ряд недостатков. Это ограничение регулировочных и энергетических показателей преобразователя. Кроме того, если на входе ШИП стоит фильтр, то во избежание резонансных явлений частота собственных колебаний входного фильтра должна быть в два –три раза меньше частоты преобразователя.
Для избежания этих недостатков в рассмотрение включим ШИП с двухступенчатой коммутацией. В них возможно применение как широтно-имульсного, так и частотно-импульсного регулирования.
При параллельном способе коммутации после запирания силового тиристора в течении некоторого времени tc продолжается приток энергии в приемник из питающей сети. Минимальная величина выходного напряжения преобразователя с параллельной коммутацией всегда больше нуля (рисунок 1). А в преобразователях с последовательной коммутацией (рисунок 2) момент запирания силового тиристора совпадает с моментом прекращения действия импульса напряжения на нагрузке, и минимальное среднее напряжение на нагрузке равно нулю. Форма импульсов выходного напряжения и среднее его значение почти не зависят от параметров коммутирующих цепей, которые оказывают влияние лишь на время задержки при включении силового тиристора. Поэтому по своим свойствам тиристорные ШИП с последовательной коммутацией наиболее близки к транзисторным схемам. Такие преобразователи имеют в своей силовой части либо трансформатор, либо коммутирующий дроссель.
В нашем случае выбираем вариант с коммутирующим дросселем. Так как напряжение питания двигателя Uп=220 В, то в курсовом проекте будем рассматривать схему с последовательным включенным коммутирующем дросселем и с объединенным источником питания для силовой цепи и коммутирующих устройств.
Схемам ШИП с последовательным гашением свойственен эффект накопления энергии в элементах коммутирующего устройства. Из-за этого растут потери мощности в контурах перезаряда с увеличением тока нагрузки преобразователя. Эффект накопления энергии, вызывающий рост установленных мощностей элементов силовой и гасящей цепей в ШИП целесообразно ограничить. Этого можно достичь следующими способами:
а) Увеличением коэффициента питающего напряжения 
, что возможно при питании коммутирующего устройства от автономного источника питания.
б) Включение дополнительных R-VD цепей рассеяния энергии параллельно вспомогательному тиристору или параллельно коммутирующему дросселю.
в) Применением трансформаторных цепей возврата энергии из коммутирующего дросселя (рисунок 3).
Для согласования напряжения двигателя с питающей промышленной сетью будем использовать трехфазный трансформатор. При данной (сравнительно небольшой) мощности двигателя, равной 1,2 кВт наиболее приемлемой схемой соединения обмоток трансформатора является схема «звезда»-«звезда».
Далее для обеспечения постоянного напряжения, которое будет регулироваться с помощью ШИПа, воспользуемся неуправляемым выпрямителем (НУВ). Из возможных вариантов схем: трехфазная нулевая или трехфазная мостовая выбираем трехфазную мостовую с диодами в роли неуправляемых вентилей.
1.3 Разработка схемы электрической принципиальной силовой части преобразователя и функциональной схемы системы управления.
Исходя из всего вышесказанного, выбираем тиристорную схему широтно-импульсного преобразователя с двухступенчатой емкостной коммутацией, с последовательным типом коммутации и независимой структурой цепи заряда и разряда коммутирующего конденсатора. Полная схема электрическая принципиальная преобразователя представлена на рисунке №4, а функциональная схема—на рисунке №5
В данной схеме автоматический выключатель QF1 предназначен для защиты схемы от короткого замыкания и перегрузки. Автоматический выключатель QF2 предназначен для защиты от короткого замыкания и перегрузки цепи управления ШИП. Кнопки SB1 и SB2—кнопки «СТОП» и «ПУСК» соответственно. КМ1—магнитный пускатель и его контакт в цепи управления. TV1— понижающий трансформатор. Предохранители FU1..FU3 предназначены для защиты от токов короткого замыкания вторичной цепи схемы. Выпрямительный мост VS1..VS12 позволяет получить напряжение питания силовой части ШИП, равное 220 В, а также обеспечить режим рекуперации электрической энергии в сеть. Для защиты тиристоров от перенапряжения используются RC цепи, которые подсоединяются параллельно каждому из тиристоров. Данное напряжение 220 В считаем гладким, что и учитываем в последующих расчетах. Анализ прочих элементов схемы рассмотрен ниже.
Рассмотрим работу схемы при помощи временных диаграмм (рисунок №6). При исследовании схемы сделаны следующие допущения: прямое сопротивление тиристоров и диодов, их собственная индуктивность и емкость равны нулю, обратный ток через тиристор при рассмотрении медленных коммутационных процессов не учитывается.
При включении тиристора все питающее напряжение U первоначально прикладывается к дросселю L1. Ток в дросселе iL1 возрастает, замыкаясь через диод VD1, который смещен в прямом направлении током нагрузки Iя. Этот интервал продолжается до момента времени, когда ток в дросселе станет равным току нагрузки и диод VD1 перестанет проводи
Коммутационное уменьшение относительной продолжительности действия импульса на нагрузке
В течение следующего интервала ток нагрузки iя замыкается через силовой тиристор VS1 и дроссель L1. Поскольку частота коммутации выбирается достаточно высокой и пульсации тока в нагрузке весьма незначительны (5-10%), то падение напряжения в коммутирующем дросселе 
очень невелико и практически все питающее напряжение прикладывается к якорю двигателя. Следующие три интервала связаны с протеканием коммутационных процессов. В первый момент после выключения тиристора VS14 напряжение на конденсаторе uC=U02>U, силовой тиристор VS13 еще проводит и по нему замыкается обратный ток, величина которого ограничивается лишь сопротивлениями цепи питания (rп), диода (rд) и тиристора(rт), смещенных в прямом направлении.
После запирания силового тиристора образуется колебательный контур разряда конденсатора C, VS14, L1. В течение времени, пока напряжение на конденсаторе uC изменяется от U02 до uC=U, к силовому тиристору прикладывается обратное напряжение. Это время tобр. должно быть больше времени восстановления свойств управляемости тиристора 
. Конфигурация цепи сохраняется до тех пор, пока транзистор VS14 открыт, то есть пока iC>0. На этом расчетном интервале t2 справедливы уравнения:
 |
где Iн—ток в нагрузке в момент коммутации.
После того, как транзистор VS14 закроется, нужно подать импульс управления на тиристор VS15, на который действует в прямом направлении напряжение питания UП и напряжение на сменившем полярность конденсаторе С U02 за исключением некоторых потерь в активной части катушки L1 при перезаряде.
Начиная с момента отпирания транзистора VS3 образуются следующий контур перезаряда коммутирующего конденсатора : Uk (в нашей схеме, равное Uп=220 В), С, L2, VS15.
На этом расчетном интервале и происходит перезаряд конденсатора. Электромагнитные процессы в ШИП на интервале t1 характеризуются уравнениями:
Процесс идет до тех пор, пока iL2=iC0.
Очевидно, что в квазиустановившемся режиме работы, к концу этого интервала напряжение uC должно достичь U=Uмз, которое существовало в конденсаторе вначале.
1.4 Разработка схемы электрической функциональной системы управления.
ГПН—генератор пилообразного напряжения;
ПУ—пороговое устройство (компаратор);
Рисунок 5 –Шип. Схема функциональная.
ФУН—формирователь управляющих импульсов;
ВП—выпрямитель;
СЧ—силовая часть;
Н—нагрузка.
Заключение
В курсовом проекте разработана схема электрическая принципиальная широтно-импульсного преобразователя, в которой реализованы следующие защиты: от короткого замыкания, от перенапряжения в цепи нагрузки, защита силовых управляемых и неуправляемых вентилей, защита от перегрузки по току. Согласно внешним и регулировочным характеристикам диапазон регулирования d=10. Требуемый диапазон регулирования d=10 достигнут.
Обеспечен режим рекуперации электрической энергии в питающую сеть.