Pankratov_V_V_Uchebnoe_posobie_po_AUEP_Avtorsk

5.ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ РЕГУЛИРОВАНИЯ СКОРОСТИ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА

СТИРИСТОРНЫМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ

Первые коммерческие образцы кремниевых триодных тиристоров (silicon controlled rectifier – SCR) были представлены фирмой General Electric (США) в 1958 г., и уже через несколько лет построенные на базе аналогичных приборов различных производителей тиристорные преобразователи электрической энер-

гии прочно завоевали свою нишу в практике силовой электроники и автомати-

зированного электропривода. С середины 60-х гг. 20-го века и до настоящего времени тиристорные (вентильные) преобразователи являются основным типом силовых преобразовательных устройств в регулируемом электроприводе посто-

янного тока. Это связано, прежде всего, с высокой надежностью и кратковре-

менной перегрузочной способностью триодных тиристоров по току, простотой построения системы управления тиристорным преобразователем (ТП), одно-

кратным преобразованием электрической энергии и низким прямым падением напряжения на тиристорах, что обусловливает высокий КПД преобразователя в целом, и, наконец, возможностью двустороннего обмена энергией между пита-

ющей сетью и нагрузкой. Вместе с тем триодные тиристоры (в дальнейшем термин «триодный» будем опускать) являются однооперационными, т.е. полуу-

правляемыми приборами с односторонней проводимостью, что налагает суще-

ственные ограничения на возможности тиристорных преобразователей как объ-

ектов автоматического управления. В настоящей главе пособия обсуждаются особенности структуры и расчета параметров САР скорости ЭП постоянного тока с питанием цепи якоря двигателя от ТП, которые учитывают главные ре-

гулировочные свойства тиристорного преобразователя – дискретность, полуу-

правляемость, нелинейность и неоднозначность статических и динамических характеристик.

91

5.1. Общие сведения о тиристорных преобразователях как объектах

автоматического управления

Кратко приведем основные сведения из теории управляемых тиристор-

ных преобразователей, необходимые для понимания последующих разделов пособия – схемы выпрямления, их характеристики, математические модели ТП в системах регулируемого электропривода и т.д. Тиристорные преобразователи при этом рассматриваются как управляемые преобразователи электрической энергии переменного тока с фиксированными напряжением и частотой в элек-

трическую энергию постоянного тока с регулируемым напряжением и обратно.

5.1.1. Схемы выпрямления, регулировочные и внешние характеристики

тиристорных преобразователей

Обобщенно силовая часть тиристорного преобразователя состоит из двух основных устройств – непосредственно выпрямительного агрегата, образован-

ного в свою очередь одним или несколькими тиристорными (вентильными)

комплектами и имеющего выходные клеммы для подключения нагрузки посто-

янного тока, и силового согласующего устройства, соединяющего выпрями-

тельный агрегат с питающей сетью переменного тока. Часто силовое согласу-

ющее устройство (ССУ) представляет собой трансформатор (Т) с необходимым количеством вторичных обмоток, который выполняет две основные функции.

Во-первых, он согласует напряжение питающей сети с требуемым напряжени-

ем на нагрузке (с учетом схемы выпрямления), а во-вторых, ограничивает темп нарастания токов тиристоров, в том числе – аварийных токов при внутреннем коротком замыкании ТП, с целью обеспечения запаса времени, достаточного для надежного срабатывания электронных защит. На практике также распро-

странено и бестрансформаторное включение ТП, когда в качестве согласующе-

го устройства используются так называемые анодные ректоры – индуктивные элементы, выполняющие только вторую функцию ССУ, а также обеспечиваю-

92

щие требуемую электромагнитную совместимость ТП с питающей сетью

(сужающие гармонический состав фазных токов сети и уменьшающие коэффи-

циент их несинусоидальности). Для использования бестрансформаторных схем ТП необходимо, чтобы номинальное напряжение нагрузки было согласовано с номинальным напряжением питающей сети. Так, например, бестрансформатор-

ное включение ТП, запитанных от общепромышленной сети 220/380 В, 50 Гц и собранных по трехфазной мостовой схеме выпрямления, рекомендуется для пи-

тания ДПТ с номинальным напряжением 440 В.

В тиристорных электроприводах малой и средней мощности (от одного до нескольких сотен киловатт), как правило, применяются трехфазные схемы выпрямления – нулевая (с нулевым выводом) и мостовая. В качестве примеров на рис. 5.1 изображены схемы силовой части двух ТП – а) нулевого с согласу-

ющим трансформатором, вторичные обмотки которого включены с целью устранения одностороннего подмагничивания магнитопровода по схеме «звезда

– зигзаг», и б) мостового с анодными реакторами (L). Тиристоры в нулевой схеме соединены катодами в так называемую катодную группу, нагрузка (Н)

включена между общей точкой группы тиристоров и средней точкой вторичной обмотки трансформатора. Мостовая схема состоит из двух групп вентилей – ка-

тодной и анодной, между общими точками которых включена нагрузка. На схемах также показаны полярность напряжения на нагрузке ud и направление выпрямленного тока id . Нумерация тиристоров (VS) соответствует последова-

тельности их вступления в работу.

93

A		B		C

A B C

T	L
	VS1	VS4
	VS3	VS6
	-

		H	VS5	VS2
			ud
			+
VS1	VS2	VS3		H
			+	-
			id
			id	ud

a)

б)

Рис. 5.1 – Силовые схемы трехфазных тиристорных преобразователей

Lф	Rф	ea	ea	Rф	Lф
Lф	Rф	eb	eb	Rф	Lф
Lф	Rф	ec	ec	Rф	Lф

		H
	-		+

id

ud

Рис. 5.2 – Схема замещения трехфазного мостового ТП (для 60o )

94

а)	ea	eb	ec

ud

ic

ia

ib

id

УИa

УИb

УИc

0t

б)	ea	eb	ec

ud

id ic	id ia	id ib
УИc	УИa	УИb

0t

Рис. 5.3 – Временные диаграммы работы ТП, построенного по трехфазной нулевой схеме выпрямления: а) 60о ; б) 120о

95

eab	eac		ebc		eba	eca	ecb
			ud
ea			eb			ec
	u
			u
ic	ia				ib

id

УИ5,6 УИ1,6 УИ1,2 УИ3,2 УИ3,4 УИ5,4

0t

Рис. 5.4 – Временные диаграммы работы ТП, построенного по трехфазной мостовой схеме выпрямления

Расчетная схема замещения более сложного для изучения мостового пре-

образователя может быть представлена последовательным соединением нуле-

вых схем, как показано на рис. 5.2, поэтому временные диаграммы, иллюстри-

рующие режимы работы ТП, как правило, изображают для нулевых схем вы-

прямления, хотя на практике используются они значительно реже и только в ЭП малой мощности. В качестве примера на рис. 5.3 приведены временные диаграммы одного периода выпрямительного режима работы трехфазного ТП с нулевым выводом, нагруженного на активно-индуктивную цепь: а) в режиме

96

непрерывного тока (РНТ); б) в режиме прерывистого тока (РПТ). На диаграм-

мах изображены: фазные ЭДС ea , eb , ec и токи ia , ib , ic силового согласующего устройства, выпрямленные напряжение ud и ток id , а также условно показаны управляющие импульсы (УИ) на входах импульсных усилителей, формирую-

щих токи управляющего электрода тиристоров, которые установлены в цепях соответствующих фаз ССУ. Угол регулирования ТП и угол коммутации тока в фазах ССУ обозначены как и ; 0 – круговая частота напряжений питаю-

щей сети.

Чтобы совсем не оставить без внимания характер процессов в трехфазной мостовой схеме выпрямления, на рис. 5.4 изображены временные диаграммы одного периода выпрямительного режима работы мостового ТП при активно-

индуктивной нагрузке и угле регулирования 60о . Кроме величин, уже ис-

пользованных на рис. 5.3, здесь показаны линейные ЭДС ССУ ( eab , eac , ebc , eba , eca , ecb ), а также потенциалы общих точек катодной u и анодной u групп тиристоров относительно общей точки вторичной обмотки согласующего трансформатора или (при бестрансформаторном включении ТП)

нейтрали питающей сети. Нумерация сдвоенных управляющих импульсов со-

ответствует обозначениям тиристоров, принятым на рис. 5.1б.

С позиций теории автоматического регулирования нагрузка тиристорных преобразователей в системах ЭП постоянного тока – электрические цепи якоря или обмотки возбуждения двигателя, а также подсистема механического дви-

жения привода – являются фильтрами нижних частот, реагирующими, в основ-

ном, на медленно изменяющуюся, усредненную за период повторения состав-

ляющую выпрямленного напряжения или тока ТП. В этой связи установившие-

ся режимы работы тиристорного преобразователя принято описывать регулиро-

вочной характеристикой – зависимостью среднего значения выпрямленной ЭДС Ed от угла регулирования. В общем случае регулировочные характери-

стики ТП существенно зависят от характера и параметров нагрузки – активного

97

сопротивления Rd , индуктивности Ld , их соотношения (постоянной времени),

величины противоЭДС ( Eя ), а также индуктивности ССУ.

В режиме непрерывного тока, который формально имеет место при

Ld для любых углов регулирования, регулировочные характеристики ТП однозначны и аналитически описываются простым выражением

Ed Ed 0 cos( ) ,

(5.1)

где Ed 0 kсх Eссу – теоретически максимально возможное значение средневы-

прямленной ЭДС; kсх – коэффициент схемы выпрямления; Eссу – действую-

щее значение фазной ЭДС вторичной обмотки согласующего трансформатора или (при бестрансформаторном включении ТП) питающей сети.

Для трехфазных схем выпрямления с нулевым выводом

kсх			m				1,17 ;	m 3;	n 3;	q 1,
	2			sin
				m

для трехфазных мостовых схем ТП, выпрямляющих линейные ЭДС ССУ,

kсх

m

2,34 ;

m 6 ;

n 3;

q 2 ,

2 3

sin

m

где m nq – пульсность схемы выпрямления, равная количеству периодов пульсации выпрямленного напряжения за период напряжения сети; n – число фаз ССУ; q – число вентилей схемы выпрямления, последовательно включен-

ных в цепь выпрямленного тока на межкоммутационном интервале времени.

В режиме непрерывного тока начальный угол регулирования нач , при котором средневыпрямленная ЭДС принимает нулевое значение, равен 90 элек-

трических градусов или / 2. Начальные углы регулирования различных схем выпрямления в режиме прерывистого тока превышают данную величину. Этот факт иллюстрируют приведенные на рис. 5.5 регулировочные характеристики трехфазных ТП для РНТ (при бесконечной индуктивности цепи выпрямленного тока Ld ) и для РПТ (при Ld 0, т.е. активной нагрузке и отсутствии противо-

ЭДС). Начальные углы регулирования трехфазных мостовых ТП и преобразо-

98

вателей с нулевым выводом при конечных значениях Ld и Rd составляют 120

и150 эл. град. соответственно.

Вверхней полуплоскости регулировочных характеристик Ed 0 , и ТП

работает в выпрямительном режиме. Электрическая энергия переменного тока при этом передается нагрузке постоянного тока. Характеристика РНТ в нижней полуплоскости показана для случая работы ТП в инверторном режиме, когда

Ed 0 , и направление передачи электроэнергии противоположно. Здесь источ-

ником энергии в установившихся режимах работы ТП является включенная в проводящем направлении тиристоров (отрицательная) противоЭДС нагрузки. В

системах электропривода ее роль играет ЭДС якоря.

Ed	, о.е.	РПТ
Ed 0			m 3,	нач 150о
		(L 0)
		d
	Выпр.		m 6,		нач 120	о

РНТ

(Ld )		Инв.
нач 90	о	(Eя 0)

, эл.град.

Рис. 5.5 – Регулировочные характеристики ТП

Зависимость среднего за период повторения значения выпрямленного напряжения на нагрузке Ud от среднего значения выпрямленного тока Id

называется внешней характеристикой ТП. В режиме непрерывного тока при свойственных промышленным системам электропривода углах коммутации

4 / m [14] она с достаточной степенью точности описывается выражением

Ud Ed q Uв RфId Uк ,

99

где Uв – прямое падение напряжения на тиристоре, проводящем ток (0,8…1,2

В); Rф – активное сопротивление фазы ССУ (для трансформаторных схем ТП – приведенная ко вторичной обмотке активная составляющая сопротивления ко-

роткого замыкания трансформатора R2 R1 / kтр2 ; kтр U1 /U2 – коэффициент трансформации); Uк – падение выпрямленного напряжения за счет явления коммутации тиристоров («перекрытия вентилей»).

Возникновение Uк объясняется тем, что в течение интервала коммутации по-

тенциал точки нагрузки, к которой подключены коммутируемые тиристоры,

определяется полусуммой (средним значением) ЭДС коммутируемых фаз ССУ,

см. кривые ud (t) на рис. 5.3а и рис. 5.4. При присущих системам электропри-

вода постоянного тока средней и большой мощности соотношениях параметров и значительной нагрузке (среднем значении тока якоря), когда пульсации вы-

прямленного тока относительно малы, величина Uк практически линейно за-

висит от коммутируемого тока нагрузки, в связи с чем ее обычно представляют произведением некоторого фиктивного активного сопротивления Rк на ток Id ,

причем

Rк m20 Lф ,

где Lф – индуктивность фазы ССУ (для трансформаторных схем – приведенная ко вторичной обмотке индуктивность рассеяния (короткого замыкания) трансформатора, Lф 01(x2 x1 / kтр2 ) ).

Отсюда следует окончательное выражение для внешней характеристики ТП в РНТ

Ud Ed 0 cos( ) q Uв qRф Rк Id ,

(5.2)

т.е. с увеличением Id величина Ud линейно уменьшается за счет влияния пол-

ного внутреннего сопротивления преобразователя Rп qRф Rк , которое ис-

100