Pakhomov_A_N__Krivenkov_M_V_Elektricheskiy_privod_uchebnoe_posobie

151

тикратное преобразование энергий: электрическая переменного трехфазного тока → механическая вращения ПД-Г → электрическая постоянного тока цепи якоря Г-Д → механическая вращения Д-СГ → электрическая переменного трехфазного тока с регулируемыми параметрами → механическая на валу АД); инерционность процесса регулирования.

В связи с наличием множества недостатков у электромашинных ЭПУ, они сняты с производства, а их применение ограничено в незначительном числе систем электропривода: прокатные станы, тепловозы, крупные экскаваторы и др. В современных разработках электроприводов такие ЭПУ заменяют на полупроводниковые.

5.3. Полупроводниковые преобразователи электрической энергии

Полупроводниковые ЭПУ имеют в своем составе полупроводниковые элементы (ключи), часто называемые вентилями. Полупроводниковый вентиль (от немецкого ventile – клапан) – это электрический прибор, обладающий односторонней проводимостью: высокой для токов одного (прямого) направления и низкой – для токов обратного направления. В качестве полупроводниковых вентилей чаще всего используются диоды, тиристоры и транзисторы.

В качестве ЭПУ преобразующего энергию переменного тока в энергию постоянного тока используются неуправляемые (на базе диодов) и управляемые (как правило, на базе тиристоров) полупроводниковые выпрямители. Поскольку управляемые выпрямители позволяют регулировать величину напряжения постоянного тока при неизменном напряжении переменного тока, они чаще всего используются для якорного управления ДПТ (рис. 5.7).

	VS1-VS6
			УВП
Uвх	СУ
	I	Eп	СР
	M
	+		LM
	Рис. 5.7

Принцип управления состоит в том, что в положительный полупериод тиристор, подобно ключу, открывается и подает напряжение к якорю лишь часть этого полупериода. Схема управления (СУ) подает отпирающий импульс на тиристор с задержкой на угол α относительно момента их естест-

152

венного включения (фазовое управление), благодаря чему изменяется выпрямленная ЭДС преобразователя Eп = Ed 0 cos α , где Ed 0 – среднее значение

ЭДС неуправляемого выпрямителя (при α = 0 ), зависящее от схемы выпрямления [6].

В электроприводе используются все типы управляемых вентильных преобразователей (УВП) – однофазные, трехфразные, многофазные; мостовые и нулевые; нереверсивные и реверсивные [11]. Выбор той или иной схемы зависит от ряда факторов. Основными из них являются: мощность двигателя, диапазон и точность регулирования, режим работы, допустимые пульсации тока и напряжения в цепях нагрузки, энергетические показатели (КПД, коэффициент мощности), простота и надежность привода.

Наиболее часто применяемые нереверсивные силовые схемы УВП приведены на рис. 5.8.

	U1
		Т
i		i2
1	zн
VS1		VS 2
	id
	а
	U1л

	U1
		Т
VS1		VS2
VS 3	Ud	VS4
zн		id
	б

Т

U1л

Т

zн

VS1 VS 2 VS 3

Ud

в

U1л

Т

3VS

−1 VSid

6

VS		zн	Ud
VS4 −		id
Ud	− VS 3		VS 4 − VS 6
VS1
zн			д
г

Рис. 5.8. Схемы нереверсивных управляемых выпрямителей: а – однофазная нулевая двухполупериодная; б – однофазная мостовая; в – трехфазная нулевая; г – трехфазная мостовая; д – трехфазная «две обратные звезды с уравнительным реактором»

153

Внулевой схеме нагрузка подключается к нулевой точке трансформатора, что и обусловило название схемы. Мостовая схема эквивалентна последовательному включению двух нулевых схем, из которых одна является катодной, а вторая – анодной. Нагрузка включается между общими точками катодной и анодной групп, а источник питания – в диагональ моста, образованного вентилями.

Мостовые схемы, содержащие только управляемые вентили, называются симметричными, а содержащие управляемые и неуправляемые вентили – несимметричными, или полууправляемыми.

Однофазные (нулевые и мостовые) схемы применяют в приводах небольшой мощности (до 10 кВт) при невысоких требованиях к статическим и динамическим характеристикам. Это связано с несимметричной нагрузкой трехфазной сети и большими, по сравнению с другими схемами, пульсациями тока и напряжения нагрузки.

Вэлектроприводах большой мощности распространены трехфазные схемы, обладающие, по сравнению с однофазными, такими преимуществами, как меньшая величина высших гармоник в кривых выпрямленного напряжения и потребляемого тока, хорошее использование трансформатора и вентилей, симметричная нагрузка фаз питающей сети.

Трехфазные нулевые схемы рекомендуется применять при мощности нагрузки до 50 кВт [11]. Для приводов мощностью 50 – 100 кВт необходимо применять трансформатор с обмотками «звезда» или «треугольник», «двойной зигзаг», что обеспечит компенсацию токов вынужденного намагничивания и более жесткую внешнюю характеристику.

Для тиристорных преобразователей наиболее перспективна трехфазная мостовая схема, имеющая достаточно жесткую внешнюю характеристику и хорошее использование типовой мощности трансформатора. Кроме того, мостовая схема по сравнению с трехфазной нулевой обеспечивает меньшие пульсации и обратные напряжения, имеет более высокий коэффициент мощности и меньшую зону прерывистых токов и дает возможность перехода к бестрансформаторной схеме с двигателем 440 В [5]. Трехфазные мостовые схемы рекомендуется применять при мощности нагрузки до 3000 кВт, причем для мощных установок мостовые схемы могут соединяться последовательно или параллельно. Для питания нагрузки большей мощности применяют схемы «две обратные звезды» с уравнительным реактором, мостовые с уравнительным реактором (на рис. 5.8. не приведены). Для нагрузки, не требующей изменения полярности выпрямленного напряжения (рекуперативного торможения) можно использовать несимметричные мостовые схемы выпрямления. Однако при этом снижается частота и увеличивается амплитуда пульсаций выпрямленного тока. Поэтому подобные схемы применяют главным образом

вприводах с небольшим диапазоном регулирования.

При выборе силовой схемы необходимо учитывать не только энергетические показатели, но и требования к регулировочным показателям проекти-

154

руемой системы электропривода. Так, в приводах серии ПТ [11] при мощности двигателя до 10 кВт для нереверсивного привода с диапазоном регулирования скорости до 200 принята трехфазная мостовая симметричная схема, для реверсивного с диапазоном регулирования до 2000 – трехфазная мостовая реверсивная схема.

Изменение направления момента и скорости вращения двигателя достигается в реверсивных электроприводах тремя способами:

1)изменением направления потока возбуждения двигателя без изменения направления тока в цепи якоря двигателя. В этом случае используется однокомплектный нереверсивный управляемый преобразователь для питания якоря двигателя, реверс потока возбуждения осуществляется с помощью бесконтактного или контактного реверсора;

2)изменением направления тока в якоре двигателя с помощью реверсо-

ра;

3)изменением направления тока в цепи якоря двигателя с помощью двух вентильных групп, обеспечивающих противоположную полярность на его зажимах и протекание тока в обоих направлениях.

В системах автоматизированного электропривода, как правило, изменяют полярность напряжения якоря в связи с неудовлетворительными регулировочными свойствами привода при изменении полярности напряжения возбуждения. В реверсивных приводах с малым быстродействием применяют однокомплектные вентильные преобразователи с реверсом (контактным или бесконтактным) в цепи якоря. Если требуется высокое быстродействие, для построения реверсивного преобразователя используют две группы вентилей с противопараллельным включением.

Схемы реверсивных тиристорных преобразователей приведены на рис. 5.9.

	Т
I	II
	M
Lу1	iур
	Lу2
	а

I

iур

Lу1

Т

II

Lу2

M

б

Рис. 5.9

Наибольшее распространение в реверсивных тиристорных двухкомплектных преобразователях получила встречно-параллельная схема (рис. 5.9, а) соединения групп вентилей (встречно по отношению друг к другу, параллельно к нагрузке), так как в ней используется более простой двух-

155

обмоточный трансформатор и, кроме того, она допускает применение бестрансформаторного питания вентильных групп непосредственно от сети переменного тока через анодные реакторы, что экономически эффективно. В перекрестной схеме (рис. 5.9, б) обязательным является трансформатор с двумя комплектами вторичных обмоток (трехобмоточный трансформатор), что ведет к усложнению конструкции, увеличению габаритной мощности, удорожанию трансформаторов и, следовательно, к ограничению сферы их применения.

В реверсивных УВП применяют два основных способа управления группами вентилей: совместное и раздельное.

При совместном управлении управляющие импульсы подаются одновременно на тиристоры обеих групп, одна из которых в выпрямительном, другая в инверторном режимах. Совместное управление характеризуется соотношением углов управления αв выпрямительной группы и опережения

управления βи инверторной группы. В зависимости от этого соотношения

различают три разновидности согласования.

Согласованное управление предполагает равенство средних значений ЭДС выпрямительной и инверторной групп (при αв +βи =180о). Однако мгно-

венные значения ЭДС не равны, и в контуре, образованном двумя преобразователями, протекает уравнительный ток.

Для ограничения этого тока применяют уравнительные реакторы, индуктивность которых выбирается такой, чтобы уравнительный ток не превышал 10 % от номинального значения. Для уменьшения веса и габаритов реакторов в приводах малой мощности иногда допускают увеличение уравнительного тока до 30 % от номинального.

При несогласованном управлении ЭДС инверторной группы выше, чем ЭДС выпрямительной во всех режимах работы. При этом αв +βи >180о. Такое

управление приводит к уменьшению массогабаритных показателей уравнительных реакторов, но при этом усложняется настройка системы управления и ухудшаются статические и динамические характеристики привода.

Совместное управление с регулированием уравнительного тока применяют в приводах средней и большой мощности. Такое управление обеспечивает поддержание уравнительного тока на уровне 4 % от номинального значения во всех режимах работы, хорошее сопряжение характеристик преобразователей при переходе групп вентилей из одного режима в другой.

Полное исключение уравнительного тока достигается в реверсивных преобразователях при раздельном управлении группами. При таком управлении в любой момент времени работает только одна группа вентилей в выпрямительном или инверторном режимах. Управляющие импульсы на другую группу не подаются. Задачу включения той или иной группы решает логическое переключающее устройство в зависимости от сигнала задания и направления тока нагрузки. При реверсе тока нагрузки снижают ток работающей

156

группы до нуля и через 5-10 мс подают управляющие импульсы на вентили другой группы. Бестоковая пауза необходима для надежного запирания вентилей ранее работавшей группы, хотя она и ухудшает динамические свойства привода.

В реверсивных тиристорных электроприводах применяют все рассмотренные способы управления группами вентилей. Схемы с совместным согласованным управлением наиболее просты, имеют наилучшие регулировочные свойства, но наличие уравнительных реакторов приводит к увеличению массы и габаритных размеров привода. Совместное несогласованное управление применяется редко из-за сложности схемных решений и ухудшения динамических характеристик привода вследствие появления «люфта» в регулировочной характеристике преобразователя. Раздельное управление группами применяют в электроприводах, допускающих бестоковую паузу.

Преимущества статических ЭПУ: отсутствие вращающихся машин; неприхотливость в обслуживании; высокое быстродействие. Недостатки: низкий коэффициент мощности (см. разд. 8.3); искажение напряжения питающей сети, трудно компенсируемое при значительных мощностях; необходимость в двух комплектах вентилей для работы в четырех квадрантах; необходимость в уравнительных и сглаживающих реакторах (СР), утяжеляющих конструкцию. Кроме того, со снижением нагрузки M с уменьшается количество энер-

гии, запасенной в индуктивностях цепи якоря, что приводит к возникновению режима прерывистого тока при отрицательных напряжениях на анодах вентилей УВП. Это приводит к увеличению среднего выпрямленного напряжения за время работы вентиля (нет тока – нет падения напряжения на сопротивлениях цепи якоря), а, следовательно, и скорости идеального холостого хода

ω0 . Нарушение непрерывности

ω		выпрямленного		тока	приводит к
		неудовлетворительной форме ме-
		ханических		характеристик
		(рис. 5.10), вызывает дополни-
		тельные гармоники тока, увеличи-
		вающие нагрев ДПТ. Для сужения
	M	зоны прерывистого тока увеличи-
		вают	индуктивность		цепи якоря
		(СР), что, в свою очередь, умень-
		шает cos ϕ . Применяя специаль-
		ные СУ с искусственной комму-
		тацией вентилей, можно сущест-
		венно	улучшить		коэффициент
		мощности системы УВП-ДПТ.
Рис. 5.10			Рассмотренные		управляе-
		мые	выпрямители,		характерной

157

особенностью которых является фазовое управление выпрямленным напряжением, т. е. включение очередного ключа при некоторой определенной фазе переменного напряжения, определяемой заданным углом α , как отмечалось, естественны при переменном напряжении источника питания. При источнике с постоянной ЭДС (неуправляемый выпрямитель, сеть постоянного тока, часто используемая в городском и магистральном электрическом транспорте, аккумуляторная батарея) управление выходным напряжением удобно осуществлять посредством так называемых импульсных преобразователей.

Принцип действия импульсных преобразователей поясним на простейшей схеме (рис. 5.11, а). С помощью ключа K нагрузка – якорь ДПТ (цепь R – L – Е) – поочередно подключается к источнику питания Еп и отключается от него, вследствие чего напряжение к нагрузке прикладывается в виде импульсов и(t) или, как иногда говорят, модулируется (рис. 5.11, в).

	K	L	R
iп			i
Eп	u	VD	E
		iд
		а

Eп

u	Uср
	t
i

			t
	K	K3	iп
	1	Z
	Eп		t
	K2	K4	iд
			t
	б		в
			Рис. 5.11

Среднее значение напряжения на нагрузке определится как

Uср = Eп t1 = γEп ,

T

где γ – скважность импульсов.

Итак, простой импульсный преобразователь осуществляет модуляцию напряжения питания таким образом, что среднее напряжение на нагрузке мо-

158

жет изменяться от нуля (нагрузка всегда отключена) до напряжения источника (нагрузка всегда подключена). Нагрузка шунтирована диодом VD, благодаря чему при размыкании ключа ток в нагрузке продолжает протекать за счет энергии, запасенной в индуктивности L. Ток в нагрузке изменяется по отрезкам экспонент (рис. 5.11, в).

Различают два вида модуляции: частотную, когда время включенного (или отключенного) состояния ключа неизменно, а период Т или частота f = 1/T меняется, и широтную, когда Т и f постоянны, а время включенного состояния (ширина импульса) меняется. Предпочтителен последний вид модуляции – широтно-импульсная модуляция (ШИМ), а реализующие ее устройства широко используются не только в приводах постоянного тока, но, как будет показано ниже, и в приводах переменного тока.

Нетрудно видеть, что простейший преобразователь (см. рис. 5.11, а) может управлять процессами лишь в первом квадранте плоскости U – I, что соответствует двигательному режиму привода: однонаправленная проводимость ключа исключает возврат энергии в сеть при Е > Еп, а изменение знака Е образует независимый от ключа контур, соответствующий неуправляемому режиму динамического торможения. Для расширения возможностей привода нужно несколько видоизменить основную схему. На рис. 5.11, б приведен ва-

риант схемы широтно-импульсного преобразователя, обеспечивающей все возможные энергетические режимы электропривода.

Ток в нагрузке может быть как непрерывным (этот случай показан на рис. 5.5), так и прерывистым, когда вид характеристик резко меняется – они становятся нелинейными (область внутри пунктирной линии на рис. 5.10). В правильно спроектированном приводе зона прерывистых токов не должна быть рабочей – частота переключений и индуктивность цепи нагрузки должны быть выбраны исходя из этого условия.

Большинство современных полупроводниковых преобразователей частоты (ПЧ) от долей кВт до сотен кВт построены одинаково (рис. 5.12) с двукратным преобразованием электроэнергии [6].

ПЧ

Сеть

Uc , fc

UПЧ=var

+	L		fПЧ= var
В	С	И	АД

Управление

Рис. 5.12

159

Сначала напряжение сети переменного тока с неизменной частотой и амплитудой преобразуется неуправляемым выпрямителем В в напряжение постоянного тока, затем сглаженное LC-фильтром постоянное напряжение поступает на автономный инвертор И, преобразуя его в переменное 3-фазное напряжение с регулируемой частотой fПЧ = var и амплитудой U ПЧ = var .

Упрощенная трехфазная схема автономного инвертора напряжения (АИН) показана на рис. 5.13, а, имеющая шесть «идеальных» ключей 1 – 6 ( на самом деле это тиристоры с узлами принудительной коммутации или транзисторы) и соединенные в звезду активные сопротивления нагрузки.

+

I

II

III

IV

V

VI

I

1

U

3

5

1

4

6

2

2

−

3

4

B

RB

5

R

RC

6

A

A

C

1, 5, 6

1, 2, 6

1, 2, 3

2, 3, 4

3, 4, 5

4, 5, 6

а

б

Рис. 5.13

При переключении каждого ключа

uA

I

II

III

IV

V VI

в порядке их номеров, указанных

на

t

рис. 5.13, а, через полпериода выходного

напряжения получается диаграмма ком-

uB

мутации,

показанная

на

рис. 5.13, б.

t

Включенное состояние ключей отмечено

на диаграмме жирными линиями; внизу

uC

каждого интервала коммутации указаны

t

номера замкнутых ключей. На интервале

I точки А и С присоединены к «+» источ-

ника

питания,

а

точка

В

–

к

«–». Сопротивление цепи между зажима-

ми «+» и «–» ( при RA = RB = RC = R ) со-

Рис. 5.14

ставит 3/2 R, а фазные напряжения будут

равны U A = 1/ 3U ,

U B = −2 / 3U и U C = 1/ 3U . На интервале II точка А связана

с «+»,

а

точки В и С – с «–»,

а фазные напряжения равны

U A = 2 / 3U ,

160

U B = −1/ 3U , U C = −1/ 3U и т. д. Полная диаграмма фазных напряжений пока-

зана на рис. 5.14.

Иногда используют коммутацию ключей при их замкнутом состоянии на протяжении двух интервалов. Нагрузка может быть при любой коммутации включена как в звезду, так и в треугольник. В этих вариантах будут несколько изменяться формы напряжений и их амплитуды, но принцип получения трехфазных (в общем случае – m-фазных) напряжений останется неизменным. При активно-индуктивной нагрузке (характерной для АД) необходимы шунтирующие ключи диоды и конденсатор для обеспечения непрерывного протекания тока и «перекачке» запасаемой в индуктивностях энергии на каждом интервале работы схемы.

Изложенный принцип работы АИН с использованием управляемых ключей используется в автономных инверторах тока (АИТ), когда на входе инвертора И (рис. 5.12) включен реактор, индуктивность которого достаточна для поддержания тока нагрузки практически неизменным в течение полупериода выходной частоты. Таким образом, в АИТ задается мгновенное значение тока, а напряжение – это зависимая переменная. Обычно нагрузка шунтируется конденсатором в целях создания условий коммутации ключей (тиристоров) и обеспечения нормальной работы при активно-индуктивной нагрузке.

Из изложенного следует, что управляемые ключи позволяют преобразовывать постоянное напряжение в m-фазное переменное напряжение нужной частоты, однако остается открытым вопрос об управлении амплитудой переменного напряжения. Принципиально есть несколько возможностей. Первая и очевидная из них – использовать для связи с сетью управляемый выпрямитель вместо неуправляемого. Эта возможность используется обычно в АИТ и в последнее время в некоторых АИН для обеспечения рекуперации энергии в сеть и снижения вредного влияния инвертора на сеть. Вторая возможность – варьирование длительности импульса внутри каждого полупериода. Третья, повсеместно используемая в современных ПЧ на основе АИН – широтно-импульсная модуляция (ШИМ).

Идею построения АИН с ШИМ проиллюстрируем на простейшей идеализированной однофазной схеме с чисто активной нагрузкой рис. 5.15, а.

+

1 R

U

4

−

а

i-1	i	i+1
U
3	Uсрi
2	ti1	ti2
	τ
	б
Рис. 5.15