Нереверсивный мостовой трёхфазный тиристорный преобразователь

Схема модели представлена на рис. 1.91, а сама модель в Simulink в файле FigJ₉₁.

Рис. 1.91. Схема модели трёхфазного тиристорного преобразователя с начальным углом управления ао = 120 град. (Figl₉₁).

Схема включает трёхфазный источник питания, внутренние параметры источника питания или реактора в случае питания от сети бесконечной мощности представлены R.L-блоком, выпрямление и регулирование выходного напряжения осуществляется фёхфазным тиристорным мостом Universal Bridge, нагрузкой является активно-индуктивная цепь Series RLC Branch, управление тиристорным мостом фазоимпульсное и производится блоком Sinchronized 6-Pulse Generator (СИФУ).

Начальное значение угла управления выбрано 120 град., при заданной пафузке этому углу соответствует нулевое значение тока в нафузке. С уменьшением индуктивности ток нагрузки при а_о=120 град, будет уменьшаться до нулевого уровня. Для исключения помех, возникающих в канале управления тиристорным мостом при включении в сеть, СИФУ

блокируется на время 0,01 с путём подачи на это время сигнала единичного уровня на вход Block. Работа СИФУ синхронизирована с питающей сетью подачей линейных напряжений, обозначенных на входах СИФУ.

На экране осциллоскопа Scope (см. рис. 1.92) отображаются диаграммы изменения линейного напряжения (/_Лй, последовательности импульсов управления тиристорным мостом Pulses, выходного напряжения на нафузке U, и тока в нафузке /". Для наблюдения и регистрации (Scope!) изменения выходного напряжения и тока в средних значениях использован блок Mean, который выделяет гладкую составляющую выходного параметра.

Рис. 1.92. Результаты моделирования работы преобразователя с блокировкой в течение 0.01 с, с углом управления а = 120 град, и с, а = 20 град.

Из диаграммы видно, что ток при а= 120 фад. практически равен нулевому значению. При подаче на вход управляющего угла в, а = 20 фад. преобразователь открывается и ток в нагрузке возрастает в соответствии с эквивалентной постоянной.

Особый интерес представляет реакция тиристорного преобразователя на линейно возрастающий управляющий сигнал от, а =120 град, до, а = 0 град. Для этого используем интегратор с постоянным входным сигналом 300 и соединим выход его с входом преобразователя. Через 0,4 с выходное напряжение интегратора будет равно 120 град., что равносильно изменению угла управления от от, а = 120 град, до, а = 0 град.

Реакцию тиристорного преобразователя на линейно нарастающий сигнал управления проследим с помощью ScopeI.

На рис. 1.93 представлены результаты моделирования. Напомним, что выходное напряжение и ток на1рузки усреднены до гладкой составляющей с помощью блока Mean. Если тиристорный преобразователь является безинерционным звеном, вид кривой выходного напряжения U"(t) соответствует статической регулировочной характеристике U, = /(а_ю), аналитическое выражение которой U" = E_docos (a_y), где угол управления преобразователем a_v— 120-а_вх. Таким образом, при максимальном значении входного сигнала а_вх = 120 град, угол управления преобразователем (Ху = 0 град, и выходное напряжение принимает максимальное значение.

Рис. 1.93. Реакция выходного напряжения тиристорного преобразователя на линейно нарастающий входной сигнап управления

Тиристорный мост Universal Bridge представляет трёхфазную мостовую схему включения тиристоров, показанную на рис. 1.94. Нумерация тиристоров представляет последовательность их включения, что нашло отражение при разводке сигналов управления на каждый тиристор

(см. рис. 1.94). Данная схема содержится в файле (Figl₉₄) и может быть использована при моделировании, когда требуется исследовать ток и напряжения (прямые и обратные) каждого из тиристоров. Всё сказанное справедливо при прямом чередовании фаз питающих напряжений А, В и С.

Рис. 1.94. Тиристорный мост с объединённой шиной управления g (Figl₉₄)

На рис. 1.95 приведена схема модели импульсно-фазового управления тиристорным преобразователем, разработанная Simulink. Схема линейного типа, т. е. угол управления находится в прямой пропорциональной зависимости от напряжения управления.

Временная диаграмма работы СИФУ показана на рис. 1.96. Причём показана работа всех шести каналов. Линейно нарастающие (пилообразные) напряжения, синхронизированные питающей сетью, вырабатываются интегратором Integrator! Эти напряжения последовательно во времени сравниваются с напряжением, пропорциональным заданному углу управления. Как только напряжения сравняются (для каждого канала в своё время), вырабатывается логическая единица на выходе схемы сравнения Relational OperatorI.

Логическая единица формируется на выходе логической схемы AND (Logical Opcrator2), которая устанавливает нулевой уровень выходного напряжения соответствующего интегратора Integrator. В это же время на выходе логической схемы AND (Logical Operator) появляется сигнал единичного уровня, используемый уже для управления тиристорным преобразователем. Длительность этого сигнала определяется величиной напряжения, подаваемого на вход Pwidth и соответствующего 10−15 электрическим градусам. В данной схеме реализуется вертикальный принцип формирования угла управления.

Рис. 1.95. Функциональная схема модели системы импульсно-фазового управления линейного типа SIFUL

Рис. 1.96. Временная диаграмма работы СИФУЛ

Для управления тиристорным мостом необходимо одновременно подавать сигналы управления на два тиристора: первый — на тиристор катодной группы, второй — на соответствующий тиристор анодной группы. Только при этом условии в нагрузке будет протекать ток. Эту задачу выполняет логическая схема (см. рис. 1.95), состоящая из логического элемента OR (Logical Operatorl) и селектора (Selector). На рис. 1.97 показаны временные положения сигналов управления тиристорами трехфазного моста при угле управления а=30 градусов. На этой диаграмме показаны фазные напряжения питающей сети и соответствующие сигналы управления тиристорами, подключёнными к этим фазам. Разводка управляющих сигналов gl …g6 на рис. 1.94 произведена в соответствии с диаграммой, приведенной на рис. 1.97.

Так как на основе блока Universal Bridge могут быть реализованы мостовые и нулевые схемы преобразователей, то и система импульснофазового управления (СИФУ) должна учитывать эту специфику. Для этого введён переключатель Double Pulsing, исключающий добавление второго импульса в канал управления тиристором в нулевых схемах преобразователей. Для этого в диалоговом окне настройки СИФУ, показанном на рис. 1.98, необходимо убрать кнопку в строке Double Pulsing.

Существенным недостатком предлагаемой Simulink схемы СИФУ Synchronized 6-Pulse Generator является одновременный запуск интеграторов Integratorl и Integrator2 в начальный момент времени и одновременное формирование сигнала управления, но нескольким каналам (см. временную диаграмму на рис. 1.99).

Рис. 1.97. Временное расположение импульсов управления тиристорами

Рис. 1.98. Диалоговое окно настройки СИ ФУ

Анализ показывает, что в начальный момент включения схемы СИФУ формируются импульсы управления по всем каналам одновременно. Это обстоятельство приводит к аварийному режиму работы преобразователя.

Теоретически режим упорядочивания моментов включения интеграторов (процесс синхронизации) длится один период питающего напряжения 0,02 с. Практически, введение блокировки формирования импульсов по входу Block на время 0,01 с, исключает аварийный режим.

На рис. 1.100 представлена схема модели нереверсивного трёхфазного мостового тиристорного преобразователя с модернизированной СИФУ.

Рис. 1.99. Временная диаграмма расположения импульсов управления при заданном угле управления 30 градусов

Рис. 1.100. Схема модели нереверсивного трёхфазного мостового тиристорного преобразователя с модернизированной СИФУ (Figl lOO)

Рис. 1.101. Модернизированная схема модели системы импульсно-фазового управления SIFU LM

Предлагаемая схема повторяет схему по рис. 1.91, за исключением модели СИФУ, схема модели которой переработана и предлагается к применению (рис. 1.101).

Временная диаграмма работы отдельных наиболее важных элементов показана на рис. 1.102.

Запуск интеграторов Integratorl осуществляется импульсами перехода синусоидальных синхронизирующих напряжений через ноль в положительном направлении путём записи единицы в триггеры Flip-Flop1. Именно с этого момента начинается рост напряжения интеграторов каждого из шести каналов. Данный факт наглядно подтверждается второй диаграммой па рис. 1.102. Через 5/6 периода питающего напряжения через селектор триггеры Flip-Flopl сбрасываются на ноль, рост напряжений на интеграторах прекращается. Однако это обстоятельство не вносит ограничений на формирование импульсных сигналов необходимой фазы, так как ограничение интеграторов наступает в зоне углов, значительно превышающих максимальный угол я.

Следует отметить, что триггерами Flip-Flopl можно и не управлять по входу /?, так как очередным сигналом с блока Hit Grossing интегратор перезапустится.

Рис. 1.102. Временная диаграмма работы SIFU LM

Рабочий сигнал управления тиристором в этой схеме формируется триггерами Flip-Flop2, в которые записываются единицы по моменту равенства напряжений интегратора Integrator1 и напряжения, пропорционального заданному углу управления. После записи единицы в соответствующий триггер Flip-Flop2 запускается интегратор Integrator2, задающий длительность управляющего сигнала на включение тиристора. Сбрасываются на ноль триггеры Flip-Flop2 сигналами схем сравнения Relational Operator2. Рост напряжений интеграторов ограничивается. Однако очередным сигналом схемы сравнения Relational Operator! интеграторы Integrator2 перезапускаются, а задающее напряжение обеспечивают триггеры Flip-Flop2 после записи единицы.

Рис. 1.103. Запуск преобразователя при напряжении управления +10 В

На рис. 1.103 представлены результаты моделирования процесса включения преобразователя при минимальном угле управления на активноиндуктивную нагрузку. Напряжение управления преобразователем +10 В.

Важно отметить, что задержка в управлении обусловлена дискретностью управления преобразователем и не является следствием блокировки по входу Block.

Известно, что синхронные импульсно-фазовые устройства реализуются по принципу вертикального управления с линейным и косинусоидальным опорными напряжениями. СИФУ с линейным опорным напряжением были рассмотрены выше. В составе библиотеки SimPowerSystems СИФУ с косинусоидальным опорным напряжением нет. Проведём разработку этого вопроса и рассмотрим один из возможных способов реализации такого типа СИФУ (СИФУ А).

На рис. 1.104 представлена схема модели тиристорного преобразователя с косинусоидальным опорным напряжением. Синхронизирующие и опорные напряжения вырабатываются с помощью дополнительного трёхфазного источника с амплитудным напряжением 10 В (например, вторичная обмотка силового трансформатора).

Рис. 1.104. Нереверсивный тиристорный преобразователь с СИФУ косинусоидального типа SIFU A (Figl₁₀₄)

Основные параметры SIFU А вводятся через диалоговое окно (рис. 1.105), открываемое двойным щелчком правой кнопки мыши по изображению блока SIFU А.

Через окно вводится частота синхронизирующего напряжения, длительность импульсов управления и начальный угол управления преобразователем в градусах. Для управления мостовым тиристорным преобразователем необходимо кнопку Double pulsing включить.

Рис. 1.105. Окно ввода параметров

На рис. 1.106 показана схема модели разработанной системы импульсно-фазового управления с косинусоидальным опорным напряжением S1FU А.

Проследим процесс формирования импульсного сигнала только, но первому каналу на временной диаграмме (рис. 1.107).

Синхронизирующие и одновременно опорные напряжения с выхода мультиплексорной шины поступают на схемы сравнения Relational Operator с напряжением управления Uy и на схему выделения отрицательного перепада опорного напряжения (Derivative с усилителем, инвертирующим знак производной). После выполнения равенства опорного напряжения управляющему на выходе схемы сравнения Relational Operator формируется логический сигнал единичного уровня и подаётся на второй вход логической схемы AND. В этот же интервал времени формируется логический сигнал единичного уровня, подтверждающий, что сравнение произошло на участке отрицательного перепада опорного напряжения. Этот логический сигнал подаётся на четвёртый вход схемы AND. По положительному перепаду сигнала на выходе схемы сравнения Relational Operator сбрасывается на ноль интегратор Integrator 1 и записывается единица в триггер Flip-Flop по входу S.

Рис. 1.106. Схема модели системы импульсно-фазового управления с косинусоидальным опорным напряжением SIFU А

Puc. 1.107. Временная диаграмма формирования сигнала управления по первому каналу.

Рис. 1.108. Схема подключения осциллографа для построения временной диаграммы работы первого канала SIFU А

На вход интегратора поступает задающее напряжение и начинается процесс формирования заданной длительности pwidth импульса управления включением тиристора. По достижению текущего значения выходного напряжения интегратора равного напряжению, заданного pwidth, сигналом с выхода Relational Operatorl по входу R триггер FlipFlop возвращается в нулевое состояние. Выход триггера Flip-Flop коммутирует первый вход логической схемы AND и по существу определяет появление выходного сигнала СИФУ по соответствующему каналу, фаза которого (угол управления) определяется напряжением управления и уставкой начального угла. Схема подключения осциллографа показана на рис. 1.108.

Рис. 1.109. Ток и напряжение тиристорного преобразователя при линейно нарастающем напряжении управления (а₀ = 90 град).

На рис. 1.109 показаны результаты моделирования работы тиристорного преобразователя, управляемого СИФУ с косинусоидальным опорным напряжением при подаче на вход линейно нарастающего напряжения управления.

Анализ полученного результата моделирования позволяет утверждать, что коэффициент усиления тиристорного преобразователя при рассматриваемом способе управления является постоянной величиной.