Моделирование систем импульсно-временного управления тиристорными электроприводами в среде Micro-Cap 9 demo

Разработка моделей для исследования систем импульсно-временного управления (ИВУ) тиристорными электроприводами актуальна для разработчиков соответствующей аппаратуры, специалистов, эксплуатирующих ее, и проходящих обучение будущих инженеров в области промышленной электроники.

С возрастанием требований к качеству выпускаемой продукции и необходимостью повышения производительности технологических агрегатов, все большее распространение получают регулируемые электроприводы производственных машин и механизмов. При этом широко применяемым является тиристорный электропривод постоянного тока (ЭПТ), в котором в качестве устройства управляемого преобразования энергии переменного тока в энергию постоянного тока применяются тиристорные преобразователи (ТП) [1].

В тиристорном электроприводе можно выделить силовую часть (СЧ) и систему управления (СУ).

СЧ состоит из узлов, которые рассчитаны на протекание в них полного тока нагрузки. СУ регулирует поток энергии от сети переменного тока к электродвигателю и обратно путем формирования в определенные моменты времени отпирающих импульсов, подаваемых на управляющие переходы тиристоров, а также воздействием на коммутационные аппараты силовой части электропривода. Для этого СУ включает в себя систему ИВУ, формирующую последовательность отпирающих импульсов с требуемыми электрическими параметрами, моменты появления которых определяются напряжением управления, а также некоторыми дополнительными управляющими сигналами.

Особенности и характеристики блоков, моделирующих СЧ и СУ, и схемное построение этих блоков на уровне структурных схем рассматриваются, например, в работе [2]. При этом отсутствует описание синтеза данных устройств в широко используемой программе MicroCap 9 demo [3]. Представляет интерес моделирование различных систем ИВУ, а также возможность исследовать их характеристики в достаточно известной программе моделирования электронных средств.

Конструкция тиристоров такова, что их характеристики обладают двумя устойчивыми состояниями — закрытым (с большим внутренним сопротивлением) и открытым (с малым внутренним сопротивлением).

При изменении полярности приложенного к тиристору напряжения эмиттерные p—n-переходы тиристора будут смещены в обратном направлении, тиристор будет закрыт. При этом вольт-амперная характеристика (ВАХ) будет представлять собой обратную ветвь ВАХ обыкновенного диода.

На осциллограммах рис. 1а приведены импульсы включения тиристора от момента перехода питающего напряжения через нуль, выпрямленное напряжение и его среднее значение. Амплитудный спектр выпрямленного напряжения показан на рис. 1б.

Рис. 1.
а) осциллограммы;
б) амплитудный спектр выпрямленного напряжения;
в) схема однофазного, однополупериодного нереверсивного тиристорного преобразователя в среде Micro-Cap 9 DEMO

Видно, что способом регулирования потока энергии через нагрузку является изменение момента подачи управляющего напряжения U_у(t) по отношению к фазе питающего напряжения. Учитывая, что время включения и выключения тиристора много меньше времени его открытого состояния, можно записать для мгновенного напряжения на нагрузке (схема на рис. 1в):

где ω₀ — круговая частота питающей сети; t — текущее время, отсчитанное от момента включения тиристора; a — угол включения тиристора от момента перехода питающего напряжения через нуль; DU_T — падение напряжения на открытом тиристоре.

Пренебрегая падением напряжения на открытом тиристоре DU_T как малым по сравнению с напряжением на нагрузке, можно записать для среднего напряжения на нагрузке:

Из выражения (2) следует, что для регулирования среднего значения напряжения от 0 до максимального значения необходимо, чтобы угол a изменялся от 0 до p.

В ряде случаев представляет интерес исследование переходных процессов при скачко­образном изменении угла a. На рис. 2 показаны скачкообразное изменение угла a в момент четвертого полупериода и соответствующий переходный процесс для среднего значения выпрямленного напряжения.

Рис. 2. Осциллограммы:
а) скачкообразного изменения угла a в момент четвертого полупериода;
б) переходного процесса для среднего значения выпрямленного напряжения;
в) импульса включения тиристора

Однотактные преобразователи используются редко. Чаще применяются многотактные преобразователи энергии [1]. В этом случае в системе должно быть предусмотрено m каналов системы ИВУ, в которых время управляющих импульсов отсчитывается от определенного значения питающего напряжения.

На рис. 3а приведена схема двухполупериодного нереверсивного ТП с комбинированной нагрузкой, синтезированная в среде Micro-Cap 9 demo. На схеме ключи Switch1 и Switch2 показаны в положении подключения активной нагрузки R6. Для подключения активно-индуктивной нагрузки ключ Switch1 следует разомкнуть, а ключ Switch2 — замкнуть. Схема управления тиристорами состоит из генераторов импульсов V2–V5 и резисторов R2–R5.

Рис. 3.
а) Схема двухполупериодного нереверсивного ТП;
б) осциллограммы выпрямленного и среднего напряжения на активной нагрузке;
в) амплитудный спектр выпрямленного напряжения

Рассмотрим режим активно-индуктивной нагрузки, при котором между сетью переменного тока и индуктивным сопротивлением нагрузки происходит обмен энергией. Этот обмен энергией снижает коэффициент мощности выпрямителя, который характеризует отношение активной мощности к полной мощности на входе выпрямителя. Простым способом, позволяющим повышать коэффициент мощности выпрямителя, работающего на активно-индуктивную нагрузку, является применение нулевого вентиля D1 [1].

Аналогично показанному на рис. 2 скачко­образному изменению углов a в момент четвертого полупериода, также можно получить соответствующий переходный процесс для среднего значения выпрямленного напряжения в схеме двухполупериодного нереверсивного ТП.

Следует отметить, что в схеме двухполупериодного ТП возможно моделирование асимметрии управляющих импульсов, которая возникает в реальных системах ИВУ под влиянием различных факторов. Такое моделирование может производиться также в схемах многотактных ТП.

Схема трехфазного однополупериодного ТП с активно-индуктивной нагрузкой (без схемы системы ИВУ), осциллограммы на входах системы ИВУ, а также на выходе трехфазного тиристорного преобразователя приведены на рис. 4.

Рис. 4.
а) схема трехфазного, однополупериодного ТП с активно-индуктивной нагрузкой. Осциллограммы:
б) на входах системы ИВУ;
в) на выходе трехфазного ТП

На осциллограммах показана работа без нулевого вентиля на активно-индуктивную нагрузку в граничном режиме при a = p/6. При значениях a > p/6 в выпрямленном напряжении появляются интервалы времени, когда сеть становится потребителем энергии, а не источником. Снижается выпрямленное напряжение, уменьшается коэффициент мощности выпрямителя.

На рис. 5а приведена схема трехфазного мостового (двухполупериодного) ТП с активной нагрузкой (ключ К1 замкнут). На рис. 5б показаны осциллограммы напряжений в этой схеме при малом угле регулирования a ≈ 0,157 рад. Пунктирные линии осциллограмм представляют полусинусоиды фазных напряжений.

Рис. 5. Трехфазный мостовой ТП с активной нагрузкой (К1 замкнут):
а) схема;
б) осциллограммы

На рис. 6 приведены осциллограммы напряжений на активно-индуктивной нагрузке (ключ К1 разомкнут в схеме рис. 5а) трехфазного мостового ТП. Они демонстрируют управляющие импульсы, подаваемые на входы тиристоров, напряжение на активной нагрузке U_Rн, среднее выпрямленное напряжение U_{в ср} и напряжение на индуктивности U_L.

Рис. 6. Осциллограммы напряжений на активно-индуктивной нагрузке

Разработанные модели позволяют проводить широкий круг исследований регулировочных характеристик различных ТП, в том числе при асимметрии управляющих импульсов, а также при различных видах нагрузок. Кроме того, модели также допускают исследование переходных процессов при различных воздействиях. Представленные модели представляют интерес для разработчиков соответствующей аппаратуры и для студентов вузов, изучающих промышленную электронику.