Преобразователь энергии на магнитных усилителях.

При мощности привода от 1 до удобно использовать преобразователь энергии на магнитных усилителях (МУ) с внутренней обратной связью как для частотного, так и частотно-токового управления [7], [19]. Наиболее очевидным преимуществом такого преобразователя является высокая надежность, так как в схеме силового усилителя напряжения применяются магнитные сердечники и неуправляемые диоды.

Рис. IV.29. Двухполу-периодный магнитный усилитель

Рис. IV.30. Функциональная схема преобразователя на магнитных усилителях

В преобразователе для частотно-токового управления выявляется еще одно преимущество по сравнению, например, с преобразователем на тиристорах — простота осуществления обратной связи по току, достигаемая за счет использования специальной обмотки магнитного усилителя в цепи тока нагрузки.

Рассмотрим преобразователь энергии для частотно-токового управления на двухполупериодных МУ, собранных по схеме рис. IV.29. На рис. IV.30 показана схема преобразователя, предназначенного для питания отдельной фазы машины переменного тока. Усилитель напряжения преобразователя представляет собой четырехплечий мост. Плечами моста являются МУ, питание которых осуществляется переменным напряжением и. прямоугольной формы. Напряжение поступает от инвертора И, выполненного на тиристорах и подключенного к тому же источнику постоянного напряжения что и мост на МУ. Величина напряжения на вторичной обмотке трансформатора Т (рис. IV.29) выбирается равной Для подавления токов гармоник, возникающих при работе МУ, в схеме рис. IV.30 между двумя смежными по нагрузке МУ включены дроссели Др. МУ на рис. IV.29 представляет собой замкнутую по току нагрузки систему регулирования,

что достигается включением обмотки обратной связи в цепь тока нагрузки, при этом входной сигнал поступает в обмотку управления Собственно МУ с внутренней обратной связью по напряжению играет в этой замкнутой системе роль импульсного усилителя напряжения, в котором регулирование среднего значения напряжения на выходе осуществляется по принципу широтно-импульсной модуляции напряжения питания МУ на постоянной частоте в 2 раза большей частоты напряжения инвертора И. Благодаря большому коэффициенту усиления МУ с внутренней обратной связью ток может с достаточной точностью соответствовать току при изменении сопротивления нагрузки от нуля до некоторого номинального значения. Устойчивая работа МУ в замкнутой системе регулирования тока достигается применением специальной демпфирующей обмотки нагруженной на резистор

Рассмотрим сначала, каким образом осуществляется регулирование тока нагрузки в преобразователе на МУ, и сравним его работу с работой однофазного мостового преобразователя на тиристорах. Увеличение тока нагрузки в преобразователе (см. рис. IV.30) происходит под действием напряжений, возникающих на выходах МУ, не смежных по нагрузке и шинам источника напряжения Если предположить, что работа этих МУ происходит «синхронно», то величина напряжения, поступающего на нагрузку и дополнительный дроссель Др, равна амплитуде прямоугольного напряжения на полуобмотке трансформатора Т, т. е. равна величине как и в преобразователе на тиристорах (см. рис. IV.20). В контур уменьшения тока входит напряжение источника питания преобразователя — ток нагрузки уменьшается, протекая через диоды (см. рис. IV.29) в источник напряжения

Таким образом, преобразователь на МУ потребляет энергию из источника постоянного напряжения через инвертор И, а рекуперирует энергию через диоды непосредственно в источник напряжения В этом заключается основное отличие мостового преобразователя, показанного на рис. IV.30, от известных мостовых преобразователей на транзисторах и тиристорах, в которых энергия от источника постоянного напряжения потребляется нагрузкой непосредственно через транзисторы или тиристоры. Другое отличие заключается в том, что широтно-импульсная модуляция напряжения осуществляется в МУ на постоянной частоте а в преобразователе рис. IV.20 на переменной частоте. Максимальное отклонение тока нагрузки от основной составляющей не остается постоянным и определяется приближенно выражением

где — наибольшее из отклонений.

Если принять в преобразователе, изображенном на рис. IV.30, величину равной величине для преобразователя, показанного на рис. IV.20, то частота оказывается равной частоте [см. выражение (IV.36)].

Рассмотрим некоторые результаты теоретических и практических исследований преобразователей на МУ, которые проводились при работе преобразователя на следующие виды нагрузки: активную активно-индуктивную и на эти нагрузки в сочетании с э. д. с. Е.

При работе преобразователя на активную нагрузку различают симметричный и несимметричный (неустойчивый) режимы работы МУ. Симметричный режим характеризуется тем, что оба сердечника МУ находятся в насыщенном состоянии одинаковое время. При этом наблюдается строгое соответствие выходного тока требуемому. В несимметричном режиме, когда времена насыщения сердечников МУ различны, выделяются две фазы: первая фаза характеризуется соответствием выходного тока требуемому, вторая — отсутствием такого соответствия. При изменении величины сопротивления резистора от нуля наблюдаются все рассмотренные выше режимы работы МУ. Граница между симметричным и несимметричным режимами характеризуется с точностью 10—20% следующим выражением:

Знать границу между режимами необходимо, так как работа МУ в несимметричном режиме даже с первой фазой не желательна: неравномерно нагружаются элементы МУ и подмагничивается трансформатор инвертора.

Если вместе с сопротивлением нагрузки имеется и э. д. с. Е нагрузки, то граница режимов сдвигается в сторону увеличения по сравнению со значением, определяемым формулой (IV.41). Несимметричный режим не может возникнуть при выполнении условия

При работе преобразователя на активно-индуктивную нагрузку также наблюдаются симметричный и несимметричный режимы работы МУ, причем в несимметричном режиме возникают низкочастотные колебания тока в нагрузке.

Выражение для определяющее границу между этими режимами, имеет вид

При проектировании ПЭ на МУ величину резистора необходимо выбирать в соответствии с формулами (IV.41) — (IV.43) или несколько меньшей, в противном случае работа ПЭ на МУ будет неустойчивой [17].

В заключение отметим, что выполнение преобразователя энергии в виде регулируемого источника тока имеет ряд положительных качеств:

1) требуемые форма и величина токов в силовых цепях привода достигаются заданием формы и величины сигнала на входе преобразователя энергии;

2) ограничение переменного тока низкой частоты (частоты питания электродвигателя) в силовых цепях привода производится по эффективному значению, без искажения синусоидальной формы, что обеспечивает нормальную и устойчивую работу привода при предельных по величине входных сигналах. Достигается это ограничением величины сигнала на входе управления приводом;

3) обеспечивается надежная работа полупроводниковых элементов преобразователя, так как благодаря обратной связи по току во всех режимах работы привода величина тока силовых элементов преобразователя будет определяться входным сигналом;

4) для приводов с синхронными машинами не предъявляются жесткие требования к фазе и форме входного напряжения преобразователя, как это необходимо делать в случае формирования напряжения статора синхронной машины при частотном способе управления;

5) возможно получение высокого к. п. д. преобразователя на транзисторах и тиристорах, что достигается уменьшением частот переключений силовых элементов преобразователя.