Лекция 8

План лекции:

1. Статические характеристики системы тиристорные преобразователи – исполнительный двигатель.

1. Статические характеристики системы тиристорные преобразователи – исполнительный двигатель

При разработке мощных электроприводов, питающихся от бортовой трехфазной сети переменного тока частотой 400 Гц, нередко применяют тиристорные преобразователи (ТП), выполняющие функции управляемых выпря­мителей.

Для реверсивного управления ИД используют две группы тиристоров, каждая из которых обеспечивает свое определенное направление вращения ИД.

На практике применяют методы раздельного и совместного управ­ления тиристорными группами. При методе раздельного управления Импульсы, управляющие включением тиристоров, подаются от сис­темы фазоимпульсного управления только на тиристоры одной группы. При необходимости изменения знака вращающего момента ИД. Импульсы сигнала управления подаются на тиристоры другой груп­пы, но только после запирания тиристоров работавшей ранее группы. При совместном управлении эти импульсы подаются одновремен­но на тиристоры обеих групп.

Управление ИД от ТП является разновидностью импульсного уп­равления, поэтому при рассмотрении статических характеристик сис­темы ТП — ИД в качестве координат принимают средние значения угловой скорости _с.ср и вращающего момента М`_дв.ср.

Поскольку при создании вращающего момента ИД одного знака и использований метода раздельного управления импульсы сигнала управления подаются на тиристоры только одной группы, рассмот­рим работу ИД для этого случая. Принципиальная схема преобразо­вателя с одной (работающей) группой тиристоров показана на рис. 11.1,а, а эпюры напряжений и токов — на рис. 11.1,б. Так как тиристоры обладают односторонней проводимостью, то в схеме могут возникнуть режимы прерывистого и непрерывного токов в обмот­ке якоря ИД.

Рис. 11.1

На рис. 11.2 показаны механические характеристики системы ТП — ИД при раздельном управлении тиристорными группами. В области малых моментов нагрузки механические характеристики системы ТП — ИД нелинейны. При и все механические характеристики сходятся в точку , а при угловая скорость при идеальном холостом ходе

.

Рис. 11.2

Регулировочные характеристики _с.ср = f() системы ТП - ИД как при совместном, так и при раздельном управлении и непрерывных токах в обмотке имеют форму косинусоиды.

Для реверсивного управления ИД постоянного тока в системе ТП — ИД необходимо иметь две группы тиристоров, каждая из которых обеспечивает одно направление вращения вала ИД

Для трехфазной сети и однополупериодного выпрямления напряжения каждой фазы схема усилителя мощности (управляемого вы­прямителя) показана на рис 11.3, а, где изображены только вторичные обмотки фаз А, В, С и А', В', С' силового трансформатора. На управ­ляющие электроды тиристоров подаются импульсы сигнала управления. Изменяя моменты включения тиристоров, можно изменять среднее значение напряжения на обмотке якоря ИД, а следовательно, регулиро­вать его угловую скорость. трансформатора равны нулю. Кроме того, пульсацией угловой скорости вала ИД будем пренебрегать

Если управляющие импульсы подаются на тиристоры VS1, VS2, VS3, то в зависимости от значений угла  и угловой скорости _с (или момента сопротивления нагрузки) в системе ТП — ИД могут быть ре жимы прерывистых и непрерывных токов.

Появление прерывистого тока объясняется способностью тиристора проводить ток только в одном направлении Поясним это Пусть при некотором значении угловой скорости ИД Г2_ДВ [ и соответствующей ей противо - ЭДС С_е_дв1 (см рис. 11.3, б) тиристор VS1 включается в момент времени 1 Под действием разности напряжений U_А. С_е_дв1 ток в обмотке якоря нарастает вследствие работы контура U_А. — VS1 — Я— U_А Поскольку фазное напряжение изменяется по синусоиде, то в некоторый момент времени ток в обмотке якоря достигает максимума, а затем уменьшается. Начиная с момента времени 2 (когда С_е_дв1 = U_А) до момента 4 ток в обмотке якоря поддерживается за счет ЭДС самоиндукции этой обмотки. От момента 4 до момента 5, когда включается тиристор фазы В, ток в обмотке якоря равен нулю. Таким образом, в области прерывистых токов ток в обмотке якоря нарастает каждый раз с момента времени, соответствующего углу Ω, если в момент подачи импульса сигнала управления соблюдается условие u_фаз>С_е_дв1. На интервале времени 3 … 4 энергия, запасенная в электромагнитном поле якоря, рекуперируется в источник питания. Импульсы сигнала управления ТП должны быть достаточной дли­тельности, так как в момент подачи этого импульса на тиристор мо­жет быть u_фаз<С_е_дв и тиристор может не включиться. Поэтому угловая скорость _дв под действием момента сопротивления нагрузки на валу ИД будет уменьшаться до тех пор, пока в момент подачи им пульса сигнала управления на тиристор какой-либо фазы не окажется, что u_фазС_е_дв и тиристор включится. Затем угловая скорость вала ИД начнет увеличиваться. Но при этом в следящем приводе возникнут автоколебания выходного вала. Для их исключения при любых угловых скоростях ИД минимальная длительность импульсов сигнала управления должна быть близка к значению /т, где т - число фаз.

Если при том же угле включения тиристора а под влиянием момента сопротивления нагрузки на валу ИД его угловая скорость стала меньше, т.е. уменьшилось значение С_е_дв, то ток в обмотке якоря после смены знака фазного напряжения питания может не успеть, умень­шиться до нуля к моменту включения тиристора следующей фазы Тогда тиристор предыдущей фазы (например, VSI) закроется в мо­мент включения тиристора последующей фазы (например, VS2) Тири­стор VSI закроется под действием суммы напряжений и_А + и_В. Эпюры напряжений и токов ТП при прерывистых и непрерывных токах в об­мотке якоря ИД показаны на рис. 11.3, б.

Рис. 11.3

При раздельном управлении тиристорными группами генератор­ное торможение ИД невозможно, так как тиристоры открываются только при положительной полуволне фазного напряжения и_фаз а при С_е_дв>u_фаз когда требуется изменение направления тока якоря, тиристоры закрыты напряжением С_е_дв – u_фаз.

Механические характеристики системы ТП — ИД в области не­прерывных токов в обмотке якоря ИД линейны. В области прерывистых токов механические характери­стики нелинейны. Для обеспечения режимов генераторного торможения ИД при раздельном управлении тиристорными группами используют вторую группу тиристоров (например, VS4, VS5, VS6 на рис. 11.3, а), которая работает в инверторном режиме. Инверторным называют такой режим, когда с помощью импульсов сигнала управления тиристоры открыты большую часть времени в области отрицательных полуволн фазных напряжений питания. При этом направление тока в обмотке якоря противоположно знаку напряжения инверторной группы и соответствует знаку противо-ЭДС ИД, работающего в генераторном режиме.

Как и в простейшем варианте, для исключения аварийных режимов работы ТП при его раздельном управлении импульсы сигнала управления подаются на инверторную группу тиристоров только при умень­шении тока в выпрямительной группе до нуля, и наоборот, — сигналы управления поступают на выпрямительную группу только при отсутст­вии тока в инверторной группе. Отсутствие тока в группах тиристоров ТП фиксируется датчиками тока, а снятие (блокирование) импульсов сигнала управления с неработающей в данный момент группы тири­сторов осуществляется с помощью логических переключающих уст­ройств.

Электромагнитные процессы в системе ТП — ИД при работе выпря­мительной группы ТП те же, что и при простейшем варианте работы ТП. При работе инверторной группы тиристоров положение импульсов сиг­нала управления отсчитывается обычно от точек пересечения отрица­тельных полуволн фазных напряжений, а углы включения тиристоров носят название углов опережения включения  (см рис. 11.3, в). Как и ранее, в зависимости от угла  и величины противо-ЭДС С_е_дв (или величины момента на валу ИД) при работе ТП с инверторной группой могут быть режимы прерывистых и непрерывных токов в обмотке якоря (см. рис. 11.3, в).

Пусть в момент времени 1 (см. рис. 11.3, в) тиристор VS4 был закрыт, а на тиристор VS5 поступил отпирающий импульс сигнала управ­ления. Тогда ток в обмотке якоря начинает увеличиваться под дей­ствием суммы напряжений С_е_дв1+ u'_в до момента времени 2. На интервале 1 ... 2 имеет место режим противовключения. На интер­вале 2…3 ток в обмотке якоря определяется разностью напряжений С_е_дв1-u'_в. ИД работает в режиме рекуперативного торможения. Далее на интервале 3 … 4 ток в обмотке якоря определяется ЭДС самоиндукции обмотки якоря и также имеет место режим рекупера­тивного торможения ИД. В момент 4 ток в обмотке якоря равен нулю, тиристор VS5 закрывается. В момент 5 отпирающий импульс сигна­ла управления поступает на VS6 и т.д. Если при данном значении С_е_дв1 увеличить угол  или при неизменном  увеличится , то к моменту открывания тиристора следующей фазы ток в тиристоре предыдущей фазы может не успеть уменьшиться до нуля. Тогда в системе ТП — ИД будет иметь место режим непрерывных то­ков, чему соответствуют эпюры напряжений и токов, показанные на рис. 11.3, в. В режиме непрерывных токов тиристор предыдущей фазы напряжения питания закрывается под действием разности фазных напряжений сети питания (например, u'_с - u'_в) в момент поступления импульса сигнала управления на тиристор последующей фазы.

При этом во избежание аварийного режима ТП необходимо, что­бы минимальное значение угла  было не меньше, чем соответствующее ему время восстановления запирающих свойств тиристора. Иными сло­вами, тиристор предыдущей фазы (например, VS4) должен успеть закрыться под действием разности напряжений u'_В-u_А. До момента времени, соответствующего точке пересечения отрицательных полуволн фазных напряжений u'_А и u'_В, иначе знак разности u'_А - u'_в изменится и тиристор VS4 останется в открытом состоянии. После изменения знакам u'_А ток через тиристор VS4 резко возрастает, так как в контуре Я-u_А-VS4-Я противо-ЭДС суммируется с u'_А. К аналогичному явле­нию может привести и пропуск импульса сигнала управления на тири­сторе следующей фазы. Тогда при больших значениях С_е_дв открытый тиристор может не успеть закрыться до момента, соответствующего точке пересечения отрицательной полуволны синусоиды фазного напря­жения с линией С_е_дв (точка а на рис. 11.3). Такие режимы работы ТП являются аварийными.

Для того чтобы механические характеристики системы ТП — ИД при работе с инверторной группой тиристоров в режиме непрерывных токов ИД совпадали с аналогичными механическими характеристика­ми ИД (являлись продолжением одна другой), при работе выпрями­тельной группы необходимо, чтобы среднее значение напряжения на инверторной группе было равно среднему значению напряжения на вы­прямительной группе, что достигается при  =.

Механические характеристики системы ТП — ИД при работе с инверторной группой показаны на рис. 11.4.

Недостатками метода раздельного управления ТП с инверторной группой является относительная сложность реализации схем управления тиристорными группами, нелинейность области механических характе­ристик при малых моментах ИД (этот недостаток на практике часто устраняется введением жесткой отрицательной обратной связи по ско­рости _дв) и некоторое "мертвое" время при переключениях с одной тиристорной группы ТП на другую. Наличие "мертвого" времени ухуд­шает переходные процессы в следящем приводе, так как после подачи импульса сигнала управления на торможение ИД сначала уменьшается до нуля ток в выпрямительной группе, а только затем (после некоторой задержки времени) нарастает ток в инверторной группе.

Положительные качества этого метода состоят в высоком КПД ТП вследствие отсутствия уравнительных токов, о которых будет сказано ниже.

Рис. 11.4

Рис. 11.5

Совместное управление тиристорными группами заключается в том, что импульсы сигнала управления подаются одновременно на обе тиристорные группы (рис. 11.5, а), из которых одна работает как вы­прямитель, а другая — как инвертор. При изменении знака сигнала управления изменяется функциональное назначение этих групп. При сов­местном управлении практически отсутствует зона прерывистых токов, а механические характеристики системы ТП — ИД линейны при управ­ление как от выпрямительной, так и инверторной групп.