Исследование системы импульсно-фазового управления тиристорами

Система импульсно-фазового управления СИФУ предназначена для преобразования уровня входного напряжения в фазовый угол выходных импульсов. Основное применение СИФУ находит в широко распространенных тиристорных преобразователях для регулирования ско­рости электродвигателей, температуры электронагревателей илидру­гих технологических параметров. Кроме того, СИФУ может использоваться в измерительных устройствах для осуществления широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

Схема СИФУ для однофазного тиристорного регулятора (рис. 2.1) содержит генератор пилообразного напряжение (ГПН), устройство синхронизации (УС), компаратор (К), дифференцирующую цепь (ДЦ) и импульсный усилитель мощности (ИУМ), который подключен к управляющему электроду тиристора VD1.

Тиристор VD1 с нагрузочным резистором R_н питается пульсирующим выпрямленным напряжением +Е от мостового выпрямителя (В) (рис.2.2а). Из этого же напряжения с помощью УС формируются короткие импульсы U_с (рис.2.2б), обеспечивающие запуск ГПН синхронно с частотой напряжения питания Е (рис.2.2в). Пилообразное напряжение U_nпри помощи К сравнивается с входным сигналом U_вх. В момент их равенства компаратор меняет свое состояние, в результате чего на его выходе образуются прямоугольные импульсы U_к , длительность которых зависит от уровня U_вх (рис.2.2г).

Передний фронт импульсов компаратора U_к преобразуется ДЦ в короткие остроконечные импульсы (рис.2.2д), которые усиливаются с помощью ИУМ и подаются на управляющий электрод тиристора VD1 (рис.2.2е). Фазовый угол a импульсов управления U_у является вы­ходным параметром СИФУ. При изменении входного сигнала U_вх передний фронт импульсов U_к смещается, что вызывает изменение угла a. Зависимость a=f(U_вх) теоретически прямо пропорциональна (рис. 2.3), так как U_вхи a связаны как стороны подобных треуго­льников (рис.2.2в).

При поступлении управляющих импульсов U_утиристор VD1включается и остается открытым до конца периода питающего напряжения Е, после чего закрывается по аноду. В результате этого через нагрузку R_н протекает прерывистый ток и создается напряжение U_н, форма которого в каждый период представляет собой остатки си­нусоиды напряжения питания E(t) (рис.2.2ж).

Рисунок 2.1

Рисунок 2.2

Рисунок 2.3 Рисунок 2.4

Рисунок 2.5

При изменении фазового угла a меняется длительность включенного состояния тиристора и среднее значение напряжения на нагрузке U_н.ср.=U_вых. Зависимость U_вых =f(a) имеет нелинейный обратный харак­тер (рис.2.4) и определяется выражением:

Форма напряжения на аноде тиристора U_а также представляет собой остатки синусоиды и дополняет форму напряжения на нагрузке U_н в начале периода таким образом, что их сумма соответствует синусоиде напряжения питания Е(t) = U_н (t)+ U_а(t).

При практической реализации СИФУ функциональные элементы могут выполняться по различным схемам. В лабораторное стенде ГПН построен на основе зарядно-разрядной цепи R3- С1, которая коммутируется ключом на транзисторе VТ1(рис.2.5). На базу этого транзистора подается синхронизирующий импульсный сигнал U_с, ко­торый образуется за счет суммирования отрицательного пульсирующего напряжения Е, ограниченного по амплитуде диодом VD1, и по­ложительного напряжения смещения, подаваемого через резистор R2 от источника постоянного напряжения E_к.

Под действием отрицательных импульсов синхронизирующего сигнала U_с транзистор VT1 закрывается и конденсатор С1 начинает заряжаться через резистор R3. При поступлении коротких положительных импульсов U_с транзистор VT1 открывается и С1 быстро разряжается через малое сопротивление открытого транзистора.

Так как напряжение на конденсаторе С1 нарастает по экспоненте, то форма пилообразного напряжения ГПН будет нелинейной. В связи с этим статическая характеристика СИФУ отличается от теоретической (рис.2.3 - кривая 2). Для уменьшения нелинейности характеристики необходимо использовать начальный участок экспоненты, близкий к линейной функции. С этой целью емкость конденсатора С1 выбирают из условия R3С1³Т, где Т - период напряжения питания Е.

Каскад на транзисторе VT2 в схеме ГПН (рис. 2.5) является эмиттерным повторителем с большим входным сопротивлением, умень­шающим влияние последующих элементов на работу ГПН.

Для сравнения сигналов U_п и U_вх используется однопороговый компаратор на операционном усилителе, соединенном с дифференцирующей RС-цепью.

В качестве ИУМ применяется транзисторный каскад, включенный по схеме эмиттерного повторителя.

Рабочий диапазон изменения фазового угла a, при котором обеспечивается плавное регулирование выходного напряжения U_н меньше теоретического (0¸p) и определяется порогом чувствительности компаратора, длительностью заднего фронта пилообразного на­пряжений U_п, а также влиянием противо-э.д.с. на переключение ти­ристора при индуктивной нагрузке L_н.

3. Порядок выполнения работы

Рисунок 3.1

3.1 Снять осциллограммы сигналов в контрольных точках генератора пилообразного напряжения (ГПН): сигнал синхронизации –Е₄, импульсы управления транзисторным ключом U₆, импульсы на выходе ключа U₇ и на выходе повторителя U₈. Сигналы U₇ и U₈­ зарегистрировать на одной диаграмме. Все осциллограммы снимаются с учетом масштаба размерностей.

Собрать зарядно-разрядную цепь, для чего перемычкой подключить конденсатор С1 к выходу ключа VT1. Снять вторично осцилло­грамму сигнала U₈ на выходе ГПН.

3.2 Рассчитать постоянную времени заряда t=R3*C1 конденсатора C1 в генераторе ГПН и сравнить её с периодом Т работы ключа.

3.3 Подключить к выходу ГПН компаратор и снять осциллограммы сигналов в контрольных точках : на выходе компаратора –U₂, по­сле дифференцирующей цепи – U₃, на управляющем электроде тиристора – U₄ , на аноде тиристора – U₅, на нагрузке – U_вых. Осциллограммы напряжений U₅ и U_вых зарегистрировать дважды: при активной нагрузке (катушка индуктивности L1 закорочена перемычкой) и комплексной нагрузке (катушка L1, введена). Напряжение U_вых сни­мать между анодом тиристора и шиной питания +Е4.

3.4 Снять и построить статическую характеристику СИФУ a=f(U_вх). При снятии характеристики увеличивать входное напряжение U₁, в пределах от U1мин до U1макс и измерять его вольтметром. Значения U1мин и U1макс фиксируются при устойчивой форме напряже­ния U₅ на аноде тиристора VD3. Фазовый угол включения тиристора a отсчитывается на экране осциллографа по положению импуль­са управления U₄ относительно начала периода напряжения питания +Е4. Значения угла a задаются в соответствии с таблицей 3.1, в которую заносятся результаты измерений.

Таблица 3.1

Построить совместно с экспериментальной теоретическую ха­рактеристику СИФУ a=k*U_вх по двум точкам при U_вх = 0 и U_вх = U_{вх макс}.

3.5. Снять и построить статическую характеристику тиристорного регулятора U_вых =f(a) при активной (L_н=0) и комплексно-индуктивной нагрузке (L_н=L₁). При снятии характеристик увели­чивать входное напряжение U₁ и задавать фазовый угол импульсов U₄ управления в пределах от a_мин до a_макс по аналогии с пунктом 3.4. Напряжение U_вых измеряется вольтметром между анодом тиристора и шиной питания +Е4. Результаты измерений свести в таблицу 3.2.

Таблица 3.2

Рассчитать и построить совместно с экспериментальной теоретическую характеристику тиристорного регулятора, используя выражение:

при L_н=0

Предварительно необходимо измерить вольтметром напряжение питания +Е4.