Електроприводи по системі тиристорний перетворювач-двигун постійного струму

Для живлення двигунів постійного струму незалежного збудження використовуються регульовані джерела живлення:

· електромашинні агрегати - генератор постійного струму, якій обертається двигуном змінного струму (Г-Д);

· тиристорні перетворювачі (випрямлячі) з фазовим управлінням (ТП-Д);

· напівпровідникові випрямлячі з регулюванням величини випрямленої напруги методом широтно-імпульсного регулювання (ШІР-Д).

Система Г-Д, в якій двигун постійного струму отримує живлення від електромашинного агрегату, нині морально застаріла і в стаціонарних установках не застосовується. Система Г-Д продовжує використовуватися для мобільних установок, наприклад екскаваторів.

Основною системою регульованого електроприводу з двигунами постійного струму є система ТП-Д (тиристорний перетворювач – двигун постійного струму).

Тиристорний перетворювач в схемах електроприводу постійного струму виконує дві функції:

· випрямлення змінної напруги мережі живлення

· регулювання середньої величини випрямленої напруги.

Принцип регулювання величини середнього значення випрямленої напруги тиристорного перетворювача з імпульсно-фазовим управлінням розглянемо на прикладі однофазної мостової схеми.

Рис. 2.10 Силові схеми системи ТПЧ-Д(a- однофазна мостова нереверсивна, b-трифазна мостова нереверсивна, c- трифазна мостова реверсивна

Рис. 2.11 Епюри напруги однофазного мостового перетворювача при різних кутах управління

Якщо імпульси управління на тиристори VS1 і VS4 (і відповідно тиристори VS3 і VS2 при іншій півхвилі синусоїди живлячої напруги) подаються у момент природного відкривання, коли напруга катод-анод стає позитивною, то середня випрямлена напруга, яка визначається заштрихованою площею

(2.12)

де U_л - лінійна напруга на стороні змінного струму;

k_сх - коефіцієнт схеми випрямлення, який рівний: для однофазної мостової схеми 0,9; для трифазної мостової схеми 1,35; для трифазної нульової схеми 0,675.

Якщо імпульси управління на тиристори подаватимуться із запізнюванням відносно моменту природного відкривання на кут , то середня випрямлена напруга перетворювача зменшуватиметься. При цьому тиристори VS1 і VS2 проводитимуть струм до тих пір, поки не відкриються тиристори VS3 і VS4, тобто і в той час, коли напруга катод-анод буде негативною. Це пояснюється тим, що в колі випрямленого струму є досить велика індуктивність обмотки якоря двигуна L_а, і струм протікатиме під дією ЕРС самоіндукції. Якщо ж в колі випрямленого струму не було б індуктивності (чисто активне навантаження), то струм припинився б при переходе анодної напруги через нуль; струм в цьому випадку був би переривчастим. При великому значенні індуктивності L_а співвідношення між середньою випрямленою напругою перетворювача і кутом буде:

(2.13)

Середня випрямлена напруга визначається різницею заштрихованих площ (див. Рис. 2.11). При значенні кута регулювання середня випрямлена напруга буде дорівнює нулю.

Тиристорний перетворювач може працювати у режимах випрямляча або інвертору. Режим випрямляча має місце при кутах регулювання . При цьому середня випрямлена напруга має бути більше ЕРС в колі випрямленого струму (проти-ЕРС якоря двигуна) . Напрям випрямленого струму співпадає зі знаком випрямленої напруги перетворювача.

Якщо кут збільшити понад (), то площа негативної півхвилі, при якій відкриті тиристори, буде більше площі позитивної півхвилі (див. Рис. 2.11-d) і, отже, середня випрямлена напруга перетворювача буде негативною.

Під дією негативної напруги перетворювача струм не може піти через тиристори тому, що вони мають односторонню провідність. Тому інверторний режим перетворювача можливий при дотриманні трьох умов:

· У колі випрямленого струму має бути джерело ЕРС, величина якої перевершує середнє значення напруги інвертора; у схемах приводу тиристора постійного струму ЕРС якоря двигуна має бути більше U_d інвертора

· Джерело ЕРС (якір двигуна) має бути підключений до перетворювача таким чином, щоб було можливе протікання струму під дією ЕРС якоря.

· Кут управління тиристорами має бути більше

При дотриманні цих умов двигун постійного струму працюватиме в генераторному режимі, виробляючи енергію постійного струму, яка перетвориться в енергію змінного струму і віддається в мережу. Інверторний режим перетворювачів використовується в приводах для здійснення рекуперативного гальмування двигунів.

Як джерело напруги постійного струму, перетворювач характеризується ЕРС Е_d, яка регулюється за допомогою кута управління , і внутрішнім опором R_n, що складається з двох доданків.

(2.14)

R_a - активний опір джерела живлення на стороні змінного струму (мережевого реактора або трансформатора);

R_y - умовний опір, пов'язаний з падінням напруги в процесі комутації тиристорів.

Перетворювачі під'єднуються до живлячої мережі або через трансформатор, що служить для узгодження напруги живлячої мережі і двигуна, або через мережевий реактор.

Мережеві реактори в безтрансформаторних схемах живлення виконує дві функції: обмежують струм короткого замикання перетворювачі і зменшують негативний вплив перетворювача на живлячу мережу. І трансформатори, і реактори мають активний і індуктивний опір.

Активний опір фази трансформатора, приведене до вторинної обмотки, може бути визначений по паспортних даним трансформатора

де: - номінальний фазний струм вторинної обмотки трансформатора;

- втрати короткого замикання трансформатора.

Рис. 2.12 Процес комутації тиристорів

Процес комутації тиристорів пояснюється (Рис. 2.12). Повернемося до схеми (Рис. 2.10-а). Нехай перетворювач працює з кутом . До моменту t₁ струм проводять тиристори VS1 і VS4.У момент часу t₁ подаються відмикаючі імпульси на тиристори VS3 і VS2. Останні відпираються. Проте через наявність індуктивності на стороні мережі струм через тиристори VS1 і VS4 не може миттєво впасти до нуля, і деякий час, що вимірюється кутом комутації , одночасно будуть відкритий усі чотири вентилі, які шунтують коло навантаження. В результаті середня випрямлена напруга знижується на величину, пропорційну заштрихованій площі. Це падіння напруги залежить від величини випрямленого струму I_d і дорівнюватиме:

Умовно величину можна прийняти за деякий опір R_у, зухвале падіння напруги в перетворювачі

(2.15)

де:

m - число комутації за період;

Х_a - індуктивний опір на стороні змінного струму

Слід мати на увазі, що падіння напруги на опорі R_у не пов'язане з втратами потужності в нім, оскільки воно викликане індуктивним опором на стороні змінного струму; воно погіршує коефіцієнт потужності перетворювача.

Таблиця 2.1.- Основні показники схем випрямляння

Схема						m
Однофазна мостова	0,9	1,57	1,0	1,11
Трьохфазна мостова	1,35	1,045	0,815	1,045

I_i - струм в лінії на стороні змінного струму

S_m - потужність трансформатора, Вт;

U_вмакс - максимальна напруга, що прикладається до тиристорів

R_m - опір вторинної обмотки трансформатора (чи реактора).

Таким чином, середнє значення напруги перетворювача в режимі безперервного струму (зовнішня характеристика перетворювача, як джерела напруги) буде:

(2.16)

Випрямлений струм має безперервний характер, якщо індуктивність у колі випрямленого струму досить велика (.)

Індуктивність якірного кола двигуна постійного струму незалежного збудження може бути визначена за формулою:

,

де: конструктивний коефіцієнт; для компенсованих машин приймається (0,1 0,25), для некомпенсованих (0,5+0,6);

номінальні напруга, струм якоря і кутова швидкість двигуна;

- число пар полюсів.

При кінцевих значеннях індуктивності в колі випрямленого струму на умову безперервності струму також впливає мінімальне значення струму і кут регулювання. Граничне (мінімальне) значення струму, при якому струм ще залишається безперервним:

(2.17)

Найчастіше застосовуються силові схеми електроприводу тиристора постійного струму (ТП-Д), які наведені на (Рис. 2.10). Схеми а і b відносяться до нереверсивних електроприводів. У цих схемах зміна полярності живлячої напруги і напряму струму в якірному колі неможлива. Механічні характеристики нереверсивного приводу ТПД показані на (Рис. 2.13).

Рис. 2.13 Механічні характеристики нереверсивного приводу ТПД

Якщо вважати, що привід працює в режимі безперервного струму (при ), то механічні характеристики матимуть вид паралельних похилих прямих, причому зменшується у міру зменшення випрямленої напруги(збільшення кута ).

Механічні характеристики описуються в цьому випадку наступною формулою:

(2.18)

При кінцевих значеннях індуктивності якірного кола L_d в області малих значень моменту (струму) якоря - лівіше за граничну лінію М(I)_гр механічні характеристики втрачають лінійність і загинаються вгору. Це є наслідком переходу в зону переривчастих струмів. У цій зоні середнє значення випрямленої напруги перетворювача зростає в порівнянні з режимом непереривного струму і визначається (2.17)

Виходячи з бажання зменшити зону переривчастих струмів послідовно з якорем двигуна включають згладжуючий дросель, величина індуктивності якого може бути визначена по формулі:

,

де - необхідне значення граничного струму при =0. Помітимо, що механічні характеристики нереверсивного приводу ТП-Д не переходять вісь ординат, оскільки зміна напряму струму в нереверсивних схемах неможлива. Отже, відсутній режим рекуперативного гальмування. У разі потреби зміни напряму обертання приводного двигуна в нереверсивних приводах за системою ТПД змінюють напрям струму в обмотці збудження двигуна.

Рекуперація енергії гальмування в нереверсивних приводах ТПД можлива при роботі приводу в IV квадранті в режимі протягуючого вантажу. Це своєрідний режим проти вмикання, який виникає тоді, коли привод включають в напрямку "вгору", а під дією активного статичного (наприклад - спуск вантажу) привод обертатиметься в зворотному напрямку. При цьому ЕРС. двигуна Е_а змінить свій знак. Якщо при цьому нереверсивний перетворювач перевести в інверторний режим, встановивши кути управління тиристорами , то під дією ЕРС якоря струм протікатиме проти середньої ЕРС перетворювача, і енергія гальмування віддаватиметься у мережу. Механічні характеристики, відповідні цьому режиму, показані на (Рис. 2.14)

Рис. 2.14 Механічні характеристики нереверсивного приводу ТП-Д

Для того, щоб отримати електропривод, що працює в усіх чотирьох квадрантах поля , потрібне використання реверсивного перетворювача тиристора, що забезпечує протікання струму якоря в обох напрямах. Реверсивні перетворювачі тиристорів містять дві групи тиристорів, включені зустрічно-паралельно один одному.

Найбільш поширена схема реверсивного електроприводу тиристора показана на (Рис. 2.10 – с). У цій схемі два перетворювачі тиристорів UZ1 і UZ2, зібрані кожен за трифазною мостовою схемою, включені паралельно один одному з протилежною полярністю на стороні випрямленого струму. Подавати імпульси відкриття одночасно на обидві групи тиристорів не можна, оскільки станеться коротке замикання. Тому в цій схемі може працювати тільки одна група тиристорів UZ1 або UZ2; інша група має бути закрита (відмикаючі імпульси зняті). Така реверсивна схема називається схемою з роздільним управлінням групами тиристорів. При роздільному управлінні включається тільки та група тиристорів, яка в даний момент повинна проводити струм.

Рис. 2.15 Принцип дії ЛПП

Вибір цієї групи залежить від напряму руху приводу("вперед" або "назад") і від режиму роботи: двигунний або режим рекуперативного гальмування. Відповідно до цього вибір потрібної групи вентилів можна представити у вигляді таблиці.

Таблиця 2.2.- Вибір потрібної групи вентилів

Режим роботи	Двигунний	Гальмівній
Напрямок руху
Вперед	UZ1	UZ2
Назад	UZ2	UZ1

Приймемо напрям струму якоря при роботі "вперед" у двигунному режимі за позитивне. При позитивному сигналі завдання швидкості , що відповідає руху вперед, і сигналі помилки за швидкістю, яка в руховому режимі також буде (, сигнал, що поступає на ЛПП (логічний перемикаючій пристрій) від регулятору струму, матиме знак (+). Відповідно до цього ЛПП включить електронний ключ К(В), який подає відмикаючі імпульси на групу тиристора UZ1. Кут управління встановлюється системою автоматичного регулювання відповідно до сигналу виходу регулятору струму РС. Обидва СІФУ (В) і (Н) працюють погоджено так, що сума кутів

(2.19)

Таким чином, на групу тиристора, що працює у випрямному режимі, подаються відмикаючі імпульси з кутом . При цьому СІФУ(Н) виробляє імпульси керування з кутом (із запасом по куту в діапазоні , тобто кутом управління, якій відповідає інверторному режиму роботи перетворювача.

Проте, оскільки електронний ключ К(Н) розімкнутий, імпульси управління на тиристори групи UZ2 не поступають. Перетворювач UZ(2) закритий, але підготовлений до роботи в інверторному режимі.

Такий принцип узгодженого управління дозволяє погоджувати механічні характеристики приводу у двигунному і в гальмівному режимах, що показано на (Рис. 2.16)

Рис. 2.16 Механічні характеристики реверсивного приводу ТП-Д

При необхідності гальмування приводу зменшується сигнал завдання швидкості . Помилка по швидкості міняє знак ()<0, і на вході ЛГТУ знак сигналу змінюється з (+) на (-), відповідно з чим відключається контакт К(В) і включається контакт К(Н). Проте включення контакту К(Н) відбувається не відразу, а з деякою витримкою часу, яка потрібна, щоб струм якоря зменшився до нуля і тиристори UZ1 відновили замикаючі властивості. Спад струму до нуля контролюється датчиком струму ДС і нуль-органом НО (у інших схемах для цієї мети використовуються датчики провідності вентилів ДПВ).

Коли струм спаде до нуля і після деякої витримки часу, включається ключ К1 і вступає в роботу перетворювач UZ2, вже підготовлений до роботи в інверторному режимі. Привод переходить в режим рекуперативного гальмування. Загальний час перемикання груп тиристорів складає 5-10 мілісекунд, що є в більшості випадків допустимим для забезпечення високої якості управління.

При роботі у двигунному режимі в напрямі "назад" знак завдання швидкості негативний, а абсолютне значення помилки за швидкістю позитивно, тому на вхід ЛПП поступає негативний сигнал, і включається ключ К(Н). Працює перетворювач UZ2 у випрямному режимі. Логічні правила роботи ЛПП ілюструються наступною таблицею.

Таблиця 2.3. - Логічні правила роботи ЛПП

Знак	Знак	Знак на вході ЛПП	Включений ключ	Працює перетворювач	Режим роботи приводу
+	+	+	К(В)	UZ1	Двигунний
+	-	-	К(Н)	UZ2	Гальмівний
-	+	-	К(Н)	UZ2	Двигунний
-	-	+	К(В)	UZ1	Гальмівний

Знаходять застосування також і інші схеми ЛПП. Механічні характеристики реверсивного приводу ТП-Д з роздільним управлінням показані на (Рис. 2.16).

У режимі переривчастих струмів в області малих значень моменту лінійність характеристик порушується. У сучасних замкнутих по струму і швидкості системах регулювання, завдяки застосуванню адаптивних регуляторів, вдається лінеарізувати механічні характеристики і при малих значеннях моменту.