8.2. ФАЗОСМЕЩАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА (ФСУ)

Фазосмещающее устройство (ФСУ) является преобразователем управляющего сигнала в угол управления а, отсчитываемый от момента естественного отпирания. Наиболее распространены ФСУ, в которые вводится информация о текущем значении фазы напряжения сети. Работа таких ФСУ непосредственно синхронизируется питающей сетью, и они называются синхронными. Синхронные ФСУ могут применяться как в разомкнутых СУ, так и в преобразователях с замкнутым контуром управления. В этом случае на вход ФСУ подается сигнал .

Существует ряд способов построения синхронных ФСУ. Наибольшее распространение получили ФСУ с развертывающим сигналом, часто называемые ФСУ вертикального типа. Эти ФСУ превосходят другие устройства по наиболее важным характеристикам. ФСУ вертикального типа состоит из генератора развертывающего (опорного) напряжения ГОН, работа которого синхронизирована напряжением питающей сети, и компаратора К, на входы которого поступают управляющее и опорное напряжения. Структурная схема такого ФСУ приведена на рис. 8.2, а. Компаратор фиксирует равенство , в момент их равенства компаратор переключается, при этом выходной формирователь СУ вырабатывает управляющий импульс, передаваемый на управляющий электрод тиристора.

В ФСУ вертикального типа используют две формы опорного напряжения.

При косинусоидальной форме (рис. 8.2, б)

где — момент естественной коммутации вентиля.

Рис. 8.2. Схема ФСУ вертикального типа (а) и временные диаграммы напряжений при косинусоидальной (б) и линейной (в) форме опорного сигнала

Рис. 8.3. Фазовые характеристики ФСУ

В момент опорное и управляющее напряжения равны:

(8.2)

Из (8.2) получим

(8.3)

Зависимость (8.3) называется фазовой характеристикой ФСУ и приведена на рис. 8.3 (кривая ). Такая форма фазовой характеристики называется арккосииусоидалъной.

Вентильный преобразователь с любым числом фаз, работающий от симметричной питающей сети, при отсутствии коммутационных искажений выходного напряжения в режиме непрерывного тока нагрузки характеризуется косинусоидальной регулировочной характеристикой (6.2). При подстановке (8.3) в (6.2) получим

Зависимость является регулировочной характеристикой СЧ и СУ вместе. При арккосинусоидальной фазовой характеристике регулировочная характеристика линейна (рис. 8.4, кривая 1), что является большим достоинством преобразователя, обеспечивающим оптимальное построение устройства автоматического управления процессами в выходной цепи.

Опорное напряжение косинусоидальной формы (8.1) может быть сформировано из сетевого.

Для этого сетевое напряжение преобразуется фильтром, подавляющим высшие гармонические составляющие в питающем напряжении и осуществляющим требуемый сдвиг по фазе. При заметной несинусоидальности питающей сети фильтрация гармонических искажений сетевого напряжения бьшает некачественной, а фазовый сдвиг, вносимый фильтром, нестабильным. Это приводит к большим погрешностям при работе ФСУ.

Рис. 8.4. Регулировочные характеристики вентильного преобразователя

В этом случае целесообразно применять ФСУ с линейной формой опорного напряжения (рис. 8.2, в);

ГОН выполняется в виде генератора линейно изменяющегося напряжения (см. § 3.7), работа которого синхронизирована питающей сетью, т. е. начало развертки осуществляется в момент естественной коммутации вентиля.

В момент управляющее и опорное напряжения на входе компаратора равны, отсюда фазовая характеристика ФСУ с линейным опорным напряжением

Фазовая характеристика приведена на рис. 8.3 (кривая 2), такая характеристика называется линейной. При подстановке (8.6) в (6.2) получим регулировочную характеристику преобразователя совместно с СУ

приведенную на рис. 8.4 (кривая 2). Нетрудно видеть, что регулировочная характеристика нелинейна, однако она имеет близкий к линейному характер. Поэтому свойства преобразователей с арккосинусоидальной и линейной фазовыми характеристиками близки.

Достоинством вертикального способа является максимальное быстродействие СУ, поскольку управляющий сигнал подается на компаратор без усреднения и запаздывания.

Рассмотрим простой пример схемной реализации ФСУ вертикального типа на базе ИМС (рис. 8.5).

Для формирования косинусоидального опорного напряжения ключ Кл устанавливается в положении 1.

Рис. 8.5. Схема ФСУ вертикального типа

Компаратор на ОУ фиксирует полярность напряжения сети (рис. 8.6,а), при положительной полуволне сетевого напряжение на выходе компаратора отрицательное напряжение и и ключ на полевом транзисторе V заперт. Напряжение сети интегрируется интегратором на операционном усилителе и при выборе :

где -амплитуда напряжения (рис. ).

На выходе интегратора напряжение суммируется на резисторах с постоянным напряжением , в результате получаем опорное напряжение косинусоидальной формы

что соответствует (8.1) (рис. 8.6,в).

На компараторе, выполненном на ОУ , происходит сравнение опорного и управляющего напряжений, при их равенстве компаратор переключается (рис. 8.6,г). При переключении компаратора запускается выходной формирователь (на рис. 8.5 не показан), вырабатывающий импульс на управляющий электрод силового тиристора. На рис. 8.6, д показано выходное напряжение однофазного выпрямителя, работающего на -нагрузку в режиме непрерывного тока.

Рис. 8.6. Временные диаграммы напряжений в схеме рис. 8.5

На второй половине периода на выходе компаратора — положительное напряжение, которое отпирает ключ на полевом транзисторе V. Полевой транзистор V закорачивает конденсатор С, при этом При отрицательном напряжении сети импульс управления на тиристор не формируется, срабатывания компаратора не происходит (рис. 8.6, в, г). В выпрямителе в это время включаются другие тиристоры (рис. 8.6, д), для включения которых используются другие каналы управления, построенные по схеме рис. 8.5.

В схеме рис. 8.5 в рассмотренном режиме ГОН выполнен на интеграторе , который осуществляет в процессе интегрирования сдвиг сетевого напряжения на и фильтрует сетевое напряжение при наличии искажений.

При переключении ключа Кл в положение 2 та же схема формирует линейное опорное напряжение (рис. 8.2, в), соответствующее выражению (8.5). При этом на выходе интегратора формируется линейно падающее напряжение

Амплитуда этого напряжения должна быть равна , для этого необходимо выполнить равенство, получаемое из (8.8) при подстановке , где частота сети. Тогда напряжение источника с учетом выбираем равным .

На выходе интегратора формируется опорное напряжение , которое сравнивается с управляющим напряжением на компараторе . На второй половине периода схема функционирует так же, как и при формировании косинусоидального опорного напряжения.

В рассмотренном режиме ГОН представляет собой генератор линейно изменяющегося напряжения, основу которого составляет также интегратор .

В последние годы большой интерес вызывает разработка цифровых систем управления вентильными преобразователями. Это связано с рядом обстоятельств: во-первых, с широким распространением цифровых и логических устройств, которые выполняются на основе ИМС широкого применения, отличаются высокой надежностью, не требуют наладки, в таких системах отсутствуют погрешности, вызванные дрейфом и нестабильностью элементов; во-вторых, вентильные преобразователи часто включаются в комплексы промышленных установок, управление которыми осуществляют цифровыми ЭВМ. Сопряжение с ЭВМ цифровой СУ осуществляется лучше, чем СУ, построенных на аналоговых элементах.

Рассмотрим построение цифрового ФСУ. Наиболее совершенные СУ, как указано выше, строятся на основе вертикального принципа управления. Этот же способ положен в основу наиболее современных цифровых ФСУ. В цифровых СУ происходит обработка сигналов, заданных не в виде напряжений или токов, а в виде кодов. Управляющий сигнал в виде -разрядного кода, может принимать значений.

На рис. 8.7, а приведена схема цифрового ФСУ при . Управляющий код при этом принимает 16 значений от 0000 до 1111 и подается поразрядно на цифровую схему сравнения ЦСС (см. § 4.6.5) в виде параллельного кода . Опорный сигнал также представляется в виде кода. В цифровых СУ обычно используется линейная форма опорного сигнала. Ей соответствует изменение опорного кода от значения 1111 до значения 0000. Опорный код принимает также значений. Линейно падающий опорный код и код управления приведены на рис. 8.7, в в виде весового эквивалента кода (т. е. числа, записанного двоичным кодом) и собственно двоичного кода, обозначенного внизу диаграммы. Опорный код формируется вычитающим счетчиком СТ, ко входу которого подключен мультивибратор MB. Прямоугольные импульсы, формируемые MB (рис. ), вызывают уменьшение кода счетчика на единицу. Как видно из рис. 8.2, в, изменение опорного кода от максимального до минимального значения (всего значений) происходит за половину периода частоты сети . Поэтому частоту импульсов MB необходимо выбрать так, чтобы за половину периода проходило импульсов, т. е.

Рис. 8.7. Схема и временные диаграммы цифрового ФСУ вертикального типа

Начало формирования опорного кода соответствует моменту естественной коммутации вентиля силовой части преобразователя. Этот момент фиксируется узлом синхронизации, на вход которого подают сетевое напряжение. При смене знака питающего напряжения узел синхронизации Синхр выдает на установочный вход счетчика СТ единичный сигнал, и в счетчике мгновенно записывается максимальный опорный код (1111).

Далее сравним диаграммы рис. 8.2, в и 8.7, в. В обеих выделен момент равенства опорного и управляющего кодов, этот момент соответствует углу управления а.. ЦСС фиксирует поразрядное равенство управляющего и опорного кодов. При этом на выходе ЦСС формируется единичный логический сигнал Q. Этот сигнал поступает на выходной формирователь СУ и после усиления подается на управляющий электрод тиристора.

Сравнение ФСУ на рис. 8.2, а и 8.7, а показывает, что в цифровом ФСУ реализованы те же функциональные блоки: аналоговый компаратор К заменен ЦСС, а ГОН выполнен в виде счетчика СТ. Однако, несмотря на большую общность решений, цифровые СУ отличаются существенными особенностями:

1) угол управления а может принимать только значений, например, при имеем 16 значений угла управления. При плавном изменении управляющего сигнала угол управления будет изменяться сразу скачком на . Для уменьшения дискретизации угла управления необходимо увеличить , что может привести к росту аппаратурных затрат на реализацию цифровой СУ;

2) хотя цифровые узлы не вносят нестабильности в формирование углов управления, их работа зависит от точности задания и стабильности частоты мультивибратора MB.

При неточном выполнении равенства (8.9) формируемые углы управления будут заданы неточно. Надо отметить, что создание источников импульсов, частота которых в целое число раз больше частоты сети, представляет известные трудности, особенно при учете того, что частота промышленных сетей изменяется в некоторых пределах.

Названные особенности необходимо принимать во внимание при выборе типа СУ вентильного преобразователя с учетом режимов его работы, способов регулирования и стабилизации выходных параметров преобразователя, условий эксплуатации. Аппаратурные затраты на реализацию цифровых и аналоговых СУ в настоящее время соизмеримы.

Наряду с синхронными ФСУ получили распространение асинхронные ФСУ, в которых непосредственная синхронизация работы ФСУ с сетью отсутствует, что позволяет избежать трудностей при формировании опорных сигналов. Асинхронные ФСУ могут функционировать только при наличии замкнутого контура управления, обеспечивая постоянство выходных параметров (напряжения или тока) при изменении режима работы преобразователя и наличии искажений (коммутационные процессы, несинусоидальность напряжения сети и т.п.).

Простейшая схема асинхронного ФСУ приведена на рис. 8.8, а.

Рис. 8.8. Структурная схема асинхронного ФСУ и временные диаграммы его работы

Для создания линейной регулировочной характеристики преобразователя нужно обеспечить зависимость , где k — коэффициент пропорциональности [сравните с ]. Последнее выражение можно заменить

что эквивалентно

где — моменты коммутаций вентилей в преобразователе.

Это выражение является математической записью функционирования асинхронного ФСУ. Напряжения поступают на сумматор, а затем интегрируются интегратором (временные диаграммы приведены на рис. ). Когда выходное напряжение интегратора достигнет нулевого значения, срабатывает компаратор К. В этот момент формируется управляющий импульс на очередной тиристор преобразователя (момент ). Линейность регулировочной характеристики не нарушится при искажениях формы выходного напряжения преобразователя.

Достоинства, присущие асинхронной СУ, связаны с ее недостатками. Как и во всякой замкнутой системе регулирования, в асинхронной системе могут возникать колебания вырабатываемых ею углов управления относительно некоторого среднего значения. При незатухающем характере этих колебаний работа СУ неустойчива, использование такой СУ невозможно. Так, СУ рис. 8.8, а неустойчива при , т. е. в инверторном режиме. Обеспечение устойчивой работы СУ требует введения дополнительных элементов и усложнения СУ, а в ряде случаев достигается ценой ухудшения ряда показателей подобных систем. Аналогичные трудности возникают и при создании синхронных СУ с замкнутым контуром управления. Разрешение этих трудностей основывается на детальном анализе таких систем, являющихся нелинейными импульсными системами автоматического регулирования.