Pankratov_V_V_Uchebnoe_posobie_po_AUEP_Avtorsk

пользуется при описании ТП моделью обобщенного преобразователя, см. раз-

дел 2.4.

В режиме прерывистого тока Rп qRф , т.к. 0 , а внешние характери-

стики ТП нелинейны. Качественно результирующий вид внешних характери-

стик ТП с учетом РПТ показан на рис. 5.6. Граница области прерывистого тока представляет собой полуэллипс [14].

Ud

Imax

min

90о

Id

90о

нач

max

Рис. 5.6 – Внешние характеристики ТП

Рабочая область ТП на плоскости внешних характеристик ограничена тремя линиями: Imax – максимально допустимым выпрямленным током преоб-

разователя, который определяется допустимым средним током тиристоров;

max , min – максимальным и минимальным углами регулирования.

Ограничение максимального угла регулирования связано с необходимо-

стью исключения аварийного режима ТП – опрокидывания инвертора, что обеспечивается выполнением во всем диапазоне выпрямленных токов преобра-

зователя так называемого условия безопасного инвертирования , где

(180о ) – угол инвертирования; – угол коммутации; 0tв – угол восстановления запирающих свойств тиристоров. Для современных выпрями-

101

тельных тиристоров достаточное для восстановления запирающих свойств вре-

мя tв составляет 200…300 микросекунд, и в системе управления ТП, как пра-

вило, задается max 160...165о .

Минимальный угол регулирования обычно ограничивается значениями

10…15 эл. град. либо (для реверсивных ТП с согласованным совместным управлением, см. следующий раздел учебного пособия) связан с максимальным

углом: min 180о max .

5.1.2. Реверсивные ТП, скоростные характеристики разомкнутой системы

«тиристорный преобразователь – двигатель»

В силу односторонней проводимости тиристоров внешние характеристи-

ки ТП, изображенные на рис. 5.6, расположены только в первом и четвертом квадрантах. Для того чтобы иметь возможность изменять направление выпрям-

ленного тока в нагрузке, что требуется, например, для реализации тормозных режимов электропривода или вращения двигателя в обратном направлении,

преобразователь должен быть реверсивным, т.е. работать во всех четырех квад-

рантах плоскости внешних характеристик.

Реверсивные тиристорные преобразователи строятся на базе двух нере-

версивных ТП, которые в данном случае называют выпрямительными (вен-

тильными) комплектами (ВК) «вперед» и «назад» (ВКВ и ВКН или UVSF и UVSR). В электроприводах малой и средней мощности применяют встречно-

параллельное соединение реверсивных вентильных комплектов, в ЭП большой мощности – перекрестные схемы соединения ВК, требующие использования многообмоточных согласующих трансформаторов (в пособии не рассматрива-

ются). В качестве примеров на рис. 5.7 приведены схемы реверсивных ТП, со-

бранных по трехфазным нулевой (а) и мостовой (б) схемам выпрямления со встречно-параллельным соединением выпрямительных комплектов.

102

T
UVSF	UVSR		-
		H	ud
			+
Lур	Lур		id
а)
L
UVSF
Lур	Lур
UVSR
	H
+	-
id
б)	ud
Рис. 5.7 – Схемы реверсивных ТП

103

В реверсивных ТП могут использоваться два принципиально различных

способа управления ВК: совместное и раздельное.

При совместном управлении в работе постоянно находятся оба ВК, их углы регулирования согласованы друг с другом, а в силовой части обязательно присутствуют уравнительные реакторы Lур, см. рис. 5.7.

При раздельном управлении в работе находится только тот ВК (ВКВ или ВКН), который проводит ток нагрузки требуемого направления, а тиристо-

ры второго ВК заперты, управляющие импульсы на них не подаются. Урав-

нительные реакторы в данном случае отсутствуют.

Остановимся на особенностях способов управления реверсивными ТП более подробно.

Совместное управление – устаревший способ, который использовался до начала 80-х гг. прошлого века. Для того чтобы совместно работающие ВКВ и ВКН создавали на нагрузке одинаковое значение средневыпрямленного напря-

жения (без учета Rп в режиме непрерывного тока), их углы регулирования в

и н должны удовлетворять условию линейного согласования регулировочных характеристик вентильных комплектов:

cos(	в	) cos(					н	)	2q Uв	,	(5.3)
									Ed 0
которое при пренебрежении относительно малой величиной Uв соответствует
			в		н	180о .					(5.4)

Таким образом, если один из ВК работает в выпрямительном режиме, то второй

– в инверторном. При этом разница мгновенных значений встречно направлен-

ных выпрямленных ЭДС ВКВ и ВКН будет порождать знакопеременную урав-

нительную ЭДС eур edв edн , вызывающую пульсирующий однополярный

уравнительный ток, который замыкается через выпрямительные комплекты,

минуя нагрузку. Величина пульсирующего уравнительного тока ограничивает-

ся на допустимом уровне (по среднему значению около 10% номинального тока

104

ТП) специальными индуктивными элементами – уравнительными реакторами

Lур, выполненными на шихтованных стальных сердечниках. Уравнительных реакторов всегда два, т.к. один из них, проводящий ток нагрузки, насыщен и имеет малую индуктивность, чтобы не увеличивать электромагнитную посто-

янную времени привода. При этом «работает» второй Lур, проводящий только уравнительный ток.

Преимуществами совместного управления являются простота реализации и практически непрерывный характер тока ТП, обеспечивающий однозначность регулировочных характеристик. Недостатки этого способа управления ревер-

сивным ТП вытекают из наличия уравнительного тока, который дополнительно загружает ССУ и тиристоры, а также требует наличия уравнительных реакто-

ров. Как следствие большие масса и габариты, невысокий КПД преобразовате-

ля, завышенные установочная мощность и стоимость всего силового оборудо-

вания.

Для снижения уравнительных токов и их негативного влияния на потре-

бительские показатели ТП с совместным управлением без увеличения Lур мо-

гут применяться нелинейное согласование регулировочных характеристик вен-

тильных комплектов, при котором в н 180о , и бóльшая «часть» уравни-

тельной ЭДС смещается в непроводящее направление тиристоров, а также его предельный случай – «глубокое инвертирование». Однако эти приемы следует рассматривать лишь как полумеру, т.к. они, уменьшая уравнительный ток и вы-

званные им дополнительные потери, нивелируют преимущества совместного управления, создавая значительную область прерывистых токов.

Так как благодаря уравнительному току реверсивные ТП с совместным управлением практически всегда работают в режиме непрерывного тока, выра-

жение для электромеханической (скоростной) характеристики разомкнутой си-

стемы «тиристорный преобразователь – двигатель» при постоянстве магнитно-

го потока возбуждения легко получить из формулы внешней характеристики

(5.2):

105

Ud Ed 0 cos( ) q Uв RпIя Uя Eя RяIя ,

откуда

Ed 0 cos( ) q Uв RэIя , cФн

где Rэ Rп Rя qRф Rк Rя – эквивалентное активное сопротивление

якорной цепи системы «ТП – ДПТНВ» в РНТ. Вид идеализированных электро-

механических характеристик для положительного направления вращения дви-

гателя качественно показан на рис. 5.8. Здесь ВКВ работает в выпрямительном режиме, а ВКН – в инверторном, причем в первом квадранте ток нагрузки (яко-

ря ДПТНВ) протекает через ВКВ, а во втором квадранте – через ВКН.

2q Uв	1

cФн

2

Iя

Рис. 5.8 – Электромеханические характеристики разомкнутой системы

«ТП – ДПТНВ»: 1 – при линейном согласовании в соответствии с (5.3); 2 – для приближенно линейного согласования по формуле (5.4)

Во всех современных системах автоматизированного ЭП с реверсивными тиристорными преобразователями применяется только раздельное управление ВК, полностью исключающее уравнительные токи и обеспечивающее наилуч-

шие потребительские свойства ТП. Вместе с тем, ТП с раздельным управлени-

ем имеют значительную область прерывистого тока, неоднозначные регулиро-

вочные характеристики и поэтому применяются только в составе замкнутых систем регулирования.

Как уже отмечалось ранее, при раздельном управлении реверсивным ТП в работе может находиться только один из ВК, проводящий ток нагрузки тре-

106

буемого направления. Включение и выключение выпрямительных комплектов

(разрешение и запрет подачи на их тиристоры управляющих импульсов) осу-

ществляет алгоритм (возможно, реализующее его устройство) логики раздель-

ного управления. В общем случае алгоритм логики выполняет следующие три

функции.

1.Надежную и своевременную подачу управляющих импульсов (без про-

пусков) на тиристоры «работающего» ВК при наличии тока хотя бы в од-

ном из его тиристоров.

2.Надежный запрет подачи управляющих импульсов на тиристоры «нера-

ботающего» ВК при наличии тока хотя бы в одном из тиристоров другого ВК.

3.Формирование бестоковой паузы при «переключении» выпрямительных комплектов (смене «работающего» ВК), достаточной для восстановления

запирающих свойств тиристоров отключаемого комплекта.

Первая из этих функций необходима для исключения явления опрокидывания инвертора при преждевременном снятии управляющих импульсов. Вторая – для недопущения короткого замыкания между ВК. Третья – для исключения самопроизвольного открытия тиристоров ранее работавшего комплекта при от-

пирании вводимого в работу второго ВК.

Особого внимания заслуживает механизм реализации третьей функции алгоритма логики, который запускается при смене знака желаемого тока нагрузки. Получив команду на смену работающего ВК, алгоритм логики пере-

водит ранее работавший комплект в инверторный режим, снижая тем самым его выпрямленный ток. Момент исчезновения тока в обоих комплектах фикси-

руется специальным датчиком проводимости вентилей (датчиком состоя-

ния тиристоров), по сигналу которого запрещается подача управляющих им-

пульсов на тиристоры ранее работавшего ВК. Запускается отсчет выдержки времени на восстановление запирающих свойств его тиристоров (обычно

500…600 микросекунд). По истечении бестоковой паузы разрешается подача управляющих импульсов на тиристоры вводимого в работу ВК. Если за время

107

бестоковой паузы по каким-то причинам восстановилось исходное желаемое направление тока нагрузки, пауза немедленно прерывается и разрешается вы-

дача управляющих импульсов на тиристоры ранее работавшего комплекта. За-

метим, что в САР электроприводов, имеющих искусственную положительную обратную связь, которая компенсирует влияние ЭДС якоря, информация о же-

лаемом направлении тока якоря содержится в выходном сигнале регулятора,

непосредственно воздействующего на сигнал управления преобразователем, в

частности, в системах подчиненного регулирования с внутренним КРТ – в сиг-

нале регулятора тока якоря. Принцип работы датчика проводимости вентилей обычно основан на измерении прямого падения напряжения на тиристорах, ко-

торое в проводящем состоянии мало и составляет от 0,8 до 1,2 В.

5.1.3. Управляемый вентильный преобразователь, техническая

линеаризация регулировочных характеристик

Формирование фазы управляющих импульсов на тиристоры относитель-

но точек их естественного отпирания осуществляется специальным устрой-

ством (алгоритмом) – системой импульсно-фазового управления (СИФУ).

Большинство современных СИФУ строится на основе так называемого прин-

ципа вертикального управления. Вкратце, его смысл заключается в том, что управляющие импульсы на тиристоры (их передние фронты) формируются в моменты прохождения через ноль алгебраической суммы в общем случае трех сигналов (воздействий) – управляющего uу (t) , опорного uоп (t) и, возможно,

постоянного смещения uсм . Совокупность системы импульсно-фазового управления и силовой части ТП будем называть управляемым вентильным

(тиристорным) преобразователем (УВП), см. рис. 5.9.

108

uу							УИ		Ed
	СИФУ							Силовая
								часть ТП

Рис. 5.9 – Укрупненная структурная схема УВП

Каждый из основных узлов УВП обладает своей статической регулиро-

вочной характеристикой: силовая часть ТП – зависимостью Ed ( ) , СИФУ – за-

висимостью (uу ) . Будучи соединенными последовательно, эти узлы опреде-

ляют общую регулировочную характеристику УВП – Ed (uу ) .

СИФУ с вертикальным управлением состоит из многоканального фа-

зосмещающего узла (ФСУ), формирующего требуемую характеристику (uу ) ,

формирователей длительности импульсов (ФДИ), усилителей мощности (УМ) и

узла гальванической развязки, который, как правило, представляет собой блок импульсных трансформаторов (ИТ). В качестве примера на рис. 5.10 приведена функциональная схема трехканальной СИФУ, предназначенной для управления ТП с нулевым выводом, где К – компаратор, выделяющий момент прохождения суммы управляющего, опорного и смещающего (на рисунке не показан) сигна-

лов СИФУ через ноль; ГОС – генератор опорного сигнала. Полностью изобра-

жен только канал формирования УИ на силовой тиристор VS1 (см. рис. 5.1а),

два других канала идентичны первому. При управлении мостовыми ТП между выходом ФДИ и УМ включается логический блок, осуществляющий распреде-

ление управляющих импульсов по тиристорам с формированием подтвержда-

ющих (дублирующих) УИ, что необходимо для работы преобразователя в РПТ.

В зависимости от формы опорного сигнала различают линейные СИФУ с пилообразным кусочно-линейным uоп (t) и арккосинусные СИФУ с синусои-

дальным uоп (t) . В любом случае экстремум (минимум или максимум) опорно-

го сигнала в каждом канале СИФУ совмещается с точкой естественного отпи-

рания соответствующих тиристоров.

109

				…
	К		ИТ	VS1
		ФДИ	УМ
uоп
ГОС	ФСУа
				…
uу
	ФСУв	…
	ФСУс	…

Рис. 5.10 – Функциональная схема СИФУ

Арккосинусные СИФУ преимущественно применяют в ТП, работающих,

в основном, в режиме непрерывного тока. В этом случае регулировочная харак-

теристика СИФУ описывается выражением

uу
arccos			,
Uоп.max

где Uоп.max – амплитуда опорного сигнала,

что в комбинации с регулировочной характеристикой ТП для РНТ (5.1) позво-

ляет получить линейную регулировочную характеристику всего УВП (разуме-

ется, в ограниченном диапазоне изменений входного управляющего воздей-

ствия), которая изображена на рис. 5.11:

uу

Ed 0

E

d

E

d 0

cos arccos

u

у

k

п

u

у

.

Uоп.max

Uоп.max

Здесь kп – коэффициент передачи управляемого вентильного преобразователя.

110