Предисловие (стр. 20 )

В момент времени wt = p ток уменьшается до нуля и тиристор запирается. Этот процесс повторяется каждый положительный полупериод (в отрицательные полупериоды тиристор заперт напряжением сети). Структурная схема управления однополупериодного тиристорного выпрямителя показана на рис. 2.43,в, а графики, поясняющие работу выпрямителя, – на рис. 2.43,г. Напряжение сети поступает на синхронизирующее устройство СУ, которое в моменты перехода напряжения через ноль запускает генератор пилообразного напряжения ГПН. Таким образом, в начале каждого полупериода напряжения сети Uc ГПН формирует линейно нарастающее опорное напряжение Uоп. Это напряжение поступает на один из входов схемы сравнения СС, выполняемой на основе компаратора. На другой вход СС поступает управляющее напряжение Uу постоянного тока. В течение времени, пока напряжение Uоп меньше напряжения Uy, на выходе СС низкий уровень напряжения Uсс, когда же напряжение Uоп больше напряжения Uу на выходе СС высокий уровень напряжения Uсс. По переднему фронту импульса Ucc формирователь импульсов ФИ формирует импульсы напряжения Uфи, которые подаются на УЭ тиристора и открывают его. Изменяя Uy, обеспечивают изменение угла a, т. е. момента открытия тиристора, и, таким образом, изменение времени, в течение которого через нагрузку течет ток. В результате изменяется и постоянная составляющая напряжения U0, равная среднему за период напряжению на нагрузке:

Напряжение U0 увеличивается вдвое при использовании двух-полупериодного управляемого выпрямителя. Так как ток нагрузки в один полупериод протекает через диоды VD1, VD3, а в другой – через VD2, VD4, для управления током в каждом полупериоде достаточно одного тиристора. Таким образом, управляемый выпрямитель можно построить на основе мостовой схемы, заменив два диода, например VD1 и VD2, на тиристоры.

Аналогично получают и трехфазные управляемые выпрямители, заменяя диоды на тиристоры. Такие управляемые выпрямители используют для регулирования частоты вращения двигателей постоянного тока в электроприводах металлорежущих станков и транспортных средств.

Инверторы и преобразователи частоты. Инверторы служат для преобразования энергии постоянного тока в энергию переменного тока требуемой частоты.

В качестве переключающих приборов в сильноточных инверторах применяют тиристоры. В цепях с относительно небольшими значениями протекающих токов могут использоваться мощные полевые или биполярные транзисторы.

На рис. 2.45,а приведена структурная схема преобразователя частоты с использованием инвертора для питания трехфазной нагрузки, соединенной звездой, переменным трехфазным напряжением с регулировкой его значения U и частоты f. В качестве силовых переключающих приборов применены мощные IGBT транзисторы. Напряжение с частотой промышленной сети Uc преобразуется сначала управляемым выпрямителем В с фильтром Ф в напряжение постоянного тока U_ требуемого значения. Затем это напряжение поступает на инвертор И (рис. 2.45,б), состоящий из шести транзисторов VT1 — VT6, пронумерованных в порядке последовательности их включения, показанной на рис. 2.45,в. Каждый транзистор открывается на время τ, равное длительности одного полупериода Т/2 требуемого переменного напряжения.

На рис. 2.45,г приведено ступенчатое напряжение, формируемое на фазе А нагрузки, а на рис. 2.46 пояснен процесс его формирования. На схемах рис. 2.46 в виде замкнутых ключей изображены лишь открытые транзисторы для шести последовательных состояний инвертора, соответствующих временным диаграммам рис. 2.45,в. Из анализа этих схем видно, что, когда фаза А включена параллельно В или С, на ней выделяется одна треть напряжения U=, а когда фаза А оказывается включенной последовательно с параллельно соединенными фазами В и С, на ней выделяется две трети напряжения U_.

При этом в первых трех состояниях напряжение на фазе А соответствует положительному, а последних двух – отрицательному полупериоду приложенного к ней напряжения переменного тока ступенчатой формы. Рассуждая подобным образом, можно убедиться, что к фазам В и С будет приложено такое же, как к фазе А, напряжение, но сдвинутое соответственно на одну треть и две трети периода Т. При этом образуется трехфазная система напряжений.

Изменяя с помощью схемы управления длительность открытого состояния транзистора, можно в широких пределах регулировать частоту формируемого трехфазного напряжения, поэтому такие преобразователи частоты применяют для плавного регулирования скорости вращения трехфазных асинхронных двигателей.

Тиристорное управление двигателем постоянного тока. В приводах главного движения и подачи инструмента металлорежущих станков широко используются двигатели постоянного тока с независимым возбуждением, которые способны обеспечивать регулирование скорости вращения в широких пределах. Такой двигатель (рис. 2.47) состоит из статора, на полюсах которого намотаны обмотки возбуждения (ОВ) и ротора, называемого якорем.

Ток возбуждения Iв, проходя по ОВ под действием напряжения Uв создает магнитный поток Ф. К якорю через щетки подводится напряжение якоря Uя , создающее ток якоря Iя. Протекая по виткам обмотки якоря, ток Iя, взаимодействуя с потоком Ф, создает вращающий момент Мвр.

Возможны два способа (две зоны) управления скоростью вращения двигателя). В первой зоне скорость изменяют от 0 до номинального значения пmax, увеличивая напряжение Uя при неизменном значении магнитного потока Ф, а значит, и неизменном напряжении возбуждения Uв. При достижении напряжением Uя номинального значения дальнейшее его увеличение невозможно, так как может привести к пробою изоляции. В то же время для быстрого перемещения, например, инструмента на холостом ходу или ускоренного вращения шпинделя необходимо увеличить скорость вращения двигателя в 3 — 5 раз выше nном. Для этого используют зону II, в которой при неизменном напряжении Uя ном уменьшают значение магнитного потока Ф с помощью соответствующего понижения Uв, а значит, и тока возбуждения Iв. Отметим, однако, что в зоне II приходится мириться с соответствующим понижением и вращающего момента двигателя, т. е. нагружать двигатель меньшим моментом сопротивления, который он должен преодолевать своим вращающим моментом.

В выпускаемых промышленностью тиристорных преобразователях регулирование скорости вращения в первой зоне осуществляется применением двух управляемых мощных (до нескольких десятков киловатт) трехфазных выпрямителей (на рис. 2.48 они обведены пунктиром).

Один из трехфазных выпрямителей обеспечивает правое направление вращения двигателя, а другой – левое, изменяя полярность Uя на противоположное. Естественно, что эти выпрямители должны работать раздельно во избежание короткого замыкания между ними, что и обеспечивает схема управления выпрямителями, разрешая включение одного из них лишь через несколько миллисекунд после отключения другого.

Для управления скоростью вращения во второй зоне используется однофазная мостовая схема тиристорного выпрямителя, обеспечивающего питание обмотки возбуждения ОВ. Схема позволяет лишь уменьшать IВ, сохраняя его полярность.

Электронные корректоры коэффициента мощности. Коэффициентом мощности Км называется отношение активной мощности Р пульсирующего тока, измеренной ваттметром, к полной мощности S, определяемой как произведение действующих значений напряжения U и тока I, измеренных вольтметром и амперметром:

При резистивной нагрузке Р = UI, т. е. наблюдается предельное значение КМmax = 1. При синусоидальной форме тока и напряжения P=UIcosφ, поэтому

KM = cosφ,

где φ – сдвиг фазы между напряжением и током в сети.

Международная электротехническая комиссия (МЭК) разработала стандарт IEC-555, содержащий требования к допустимому уровню вносимых в сеть переменного тока высших гармоник, шумов и колебаний напряжения для всех электронных приборов. При этом обеспечение требуемого значения Км обязательно для любого электрооборудования, потребляющего от сети мощность более 300 Вт и имеющего на выходе сетевого выпрямителя емкостной фильтр.

Вступающий в действие новый стандарт МЭК IEC-1000-3-2 (вместо IEC-555-2) значительно ужесточает требования к нормам на коэффициент мощности потребителей энергии. В связи с этим задача улучшения качества потребляемой мощности становится весьма актуальной для разработчиков источников питания. Хорошо известны многие потребители, которые значительно снижают значения Км. К их числу относятся лампы дневного света с индуктивным балластом, импульсные источники питания с емкостным фильтром на входе, асинхронные двигатели и др.

Для повышения коэффициента мощности таких потребителей в настоящее время используют пассивные и активные корректоры коэффициента мощности.