Системы с раздельным управлением вентильными группами

Реверсивного ТП.

Наиболее эффективным способом ограничения уравнительного тока является раздельное управление вентильными группами. В электроприводах с раздельным управлением импульсы в любом режиме работы электропривода подаются только на одну группу вентилей реверсивного преобразователя и ток протекает только через эту группу. Так как другая группа вентилей при этом заперта, то полностью исключается возможность возникновения уравнительных токов и в электроприводах с раздельным управлением не требуется установка уравнительных дросселей. Это позволяет значительно сократить объем реверсивного преобразователя и примерно в 2-4 раза его массу.

Структурная схема реверсивного вентильного электропривода с раздельным управлением приведена на рис.55. Важнейшей составной частью системы управления этих электроприводов является логическое переключающее устройство (ЛПУ). Это устройство на основании сопоставления командных сигналов (U_з) и сигналов обратных связей (U_о.н), характеризующих действительное состояние электропривода, дает разрешение на включение тиристоров той из реверсивных групп, которая должна пропускать ток, и вырабатывает запрещающий сигнал U_з.в (U_з.н) , который не допускает подачи управляющих импульсов на тиристоры неработающей группы. Последнее условие должно строго выполняться, т.к. из-за отсутствия уравнительных дросселей при одновременном включении тиристоров в реверсивных группах ТПВ и ТПН возникает междуфазное короткое замыкание.

По этой же причине недопустима подача включающих импульсов на группу, вступающую в работу, пока не прекратится протекание тока через группу, заканчивающую работу. В связи с этим в системе управления должна быть предусмотрена токовая блокировка, работающая от датчика тока ДТ, который контролирует снижение тока до нуля в группе, заканчивающей работу. Поскольку датчики тока обладают конечным порогом чувствительности, то необходима пауза между моментом отключения одной группы и моментом включения противоположной, за время которой ток заканчивающей работу группы должен упасть до нуля, а вентили восстановить запирающие свойства. Длительность бестоковой паузы обычно составляет 3…10мс.

Таким образом, для предотвращения аварийных режимов системы управления тиристорных электроприводов с раздельным управлением должны работать предельно четко и надежно и обеспечивать строгое выполнение следующих условий:

- недопустимость одновременной подачи управляющих импульсов на обе выпрямительные группы;

- поддержание подачи управляющих импульсов на тиристоры инверторной группы при наличии тока в ней;

- запрет включения одной выпрямительной группы при наличии тока в другой;

- обеспечение при переключении групп «аппаратной паузы», в течение которой снимаются управляющие импульсы с обеих групп.

В зависимости от требуемого направления вращения и уровня скорости, задаваемых командным органом, и действительного направления вращения и величины фактической скорости двигателя и направления момента нагрузки производственной машины система управления должна подключать ту или иную группу преобразователя и устанавливать необходимую величину угла управления вентилей. Выбор работающей группы осуществляет ЛПУ.

Существуют несколько систем реализации раздельного управления вентильными группами. Среди них наибольшее применение находят:

- управление, осуществляющее выбор работающей группы в зависимости от знака сигнала рассогласования заданной частоты вращения двигателя и ее фактического значения;

- система самонастройки (система «сканирующей логики»).

Системы, работающие в зависимости от знака сигнала рассогласования.

Один из возможных вариантов реализации такой системы приведен на рис.55.

На входы ЛПУ подаются два сигнала: сигнал наличия тока преобразователя и сигнал «ошибки» замкнутой системы автоматического регулирования. Сигнал, обозначенный пунктирной линией, - один из возможных вариантов подачи сигнала «ошибки» на ЛПУ. Этот вариант будет рассмотрен; он интересен в методическом плане. Будет доказана его несостоятельность. Ошибка рассогласования сигналов задания и обратной связи определяется разностью:

dU_вх = U_з - U_о.н

где U_з - задающее напряжение (задает направление вращения и уровень частоты вращения);

U_о.н - напряжение обратной связи, характеризующее действительное направление вращения и величину частоты вращения.

Изменение состояния выходов ЛПУ, т.е. разрешение (сигнал) на переключение вентильных групп, наступает только в случае, если ток работающей группы стал равен нулю или произошла смена полярности сигнала «ошибки».

Связь между знаком сигнала рассогласования и работающей группой для электроприводов со структурной схемой (см.рис.55) можно установить из рассмотрения таблицы 1. В этой таблице дается состояние отдельных элементов электропривода с раздельным управлением для наиболее характерных режимов работы.

При составлении таблицы принято, что электропривод имеет замкнутую систему управления, и что вращению двигателя в направлении «вперед» соответствует положительное значение задающего напряжения U_з, получаемого с командного органа.

Из анализа таблицы видно, что состояние логического переключающего устройства, определяющее выбор реверсивной группы, а следовательно, и направление тока и момента двигателя, однозначно связано с полярностью напряжения, подаваемого на вход усилителя системы управления:

dU_вх = U_з - U_о.н.

т.е. работе группы «вперед» соответствует положительное значение dU_вх , работе группы «назад» - отрицательное. Это соответствие и используется в электроприводе рассматриваемого типа.

Существует большое количество различных схем и конструкций логических переключающих устройств. Действие ЛПУ, применяемых в подобных схемах, основано на использовании изменения полярности сигнала ошибки регулирования при необходимости переключения групп и контроле наличия тока преобразователя. Оно должно выполнять все перечисленные ранее условия нормального функционирования электропривода. Рассматривать какие-либо конкретные схемы ЛПУ не имеет смысла из-за многочисленности их вариантов.

Безаварийная работа преобразователя в большой степени зависит от надежности действия датчика нулевого тока, сигнал с которого поступает на один из входов ЛПУ. От чувствительности датчика тока зависит время бестоковой паузы

К датчику нулевого тока предъявляются следующие основные требования:

- высокое быстродействие;

- высокая чувствительность;

- потенциальная развязка силовой цепи преобразователя от цепей управления;

- способность насыщаться при больших токах преобразователя.

Простейшие датчики нулевого тока основаны на использовании обычных трансформаторов тока, первичная обмотка которых включена в цепь питания ТП со стороны переменного тока, и полупроводниковых диодов, выпрямляющих вторичный ток.

Таблица 1. Состояние отдельных элементов реверсивного тиристорного ЭП для характерных режимов работы.

Примечание. Принятые обозначения: В- выпрямительный режим; И- инверторный; Д- двигательный; Т- тормозной.

В последнее время все чаще в качестве датчиков нулевого тока используются датчики состояния тиристоров. При снижении тока до нуля тиристоры, пропускавшие этот ток, запираются и между анодом и катодом тиристоров появляется напряжение. Если на всех тиристорах вентильной группы есть напряжение того или иного знака, следовательно, ток в этой группе отсутствует и при высоком быстродействии прохождения сигнала бестоковая пауза может быть минимальной (до 3 мс).

Для получения безлюфтного сопряжения характеристик двигательного и тормозного режимов и предотвращения больших толчков тока при переходе от выпрямительного режима к инверторному, осуществляемому вторым комплектом вентилей (или при обратном переходе), напряжение вновь вступающей в работу реверсивной группы в момент переключения должно быть согласовано по величине и направлению с ЭДС двигателя. Если в системе управления не предусмотреть устройств для выполнения этого условия, то может возникнуть ряд нежелательных явлений.

Например, если систему управления углами a₁ и a₂ реверсивных групп выполнить так же, как и для систем совместного управления с одним реверсивным усилителем, воздействующим на СИФУ обеих реверсивных групп, и установить угол начального согласования фазовых характеристик равным 90° (этот вариант показан на рис. 55 пунктиром), то переход из двигательного режима в тормозной при изменении знака момента нагрузки (например, при движении в стволе порожних сосудов с тяжелым канатом) будет происходить неудовлетворительно.

Пусть в схеме (см.рис.55) применена обратная связь по напряжению и при нулевом сигнале на вход усилителей УВ и УН угол управления обеих групп равен 90° и их фазовые характеристики согласованы по линейному закону. (Выше было показано, что в схемах с совместным управлением подобное согласование обеспечивает практически безлюфтовое сопряжение характеристик).

В целях упрощения не будем учитывать прерывистость тока в области малых нагрузок и примем, что общий передаточный коэффициент системы постоянен.

Переход привода из двигательного режима в тормозной проследим по диаграммам (рис.56). Кроме того, проследим изменение величин U_я и E_d при перемещении подъемного сосуда в стволе с какой- то точки нижнего положения (т.S₁) до точки равновесия в середине ствола (т.S₇), а также изменение U_о.н и dU_вх. при том же перемещении.

При движении от т.1 до т.2 величина рассогласования dU_вх.1, воздействуя на ТП-В через усилитель УВ и систему управления СИФУ-В, обеспечивает ЭДС этого преобразователя E_d1. По мере приближения к точке равновесия величина рассогласования снижается и система автоматического регулирования, реагируя на это изменение (dU_вх. ), изменяет величину ЭДС ТП-В.

Рассмотрим работу системы на двух участках пути: когда поднимающийся сосуд находится в нижней части шахтного ствола и двигателю приходится развивать значительный момент, связанный с неуравновешенностью концов каната двух подъемных сосудов, и когда движущийся вверх подъемный сосуд приближается к точке равновесия (к середине ствола) и момент статической нагрузки на двигатель незначителен.

Предположим, что чувствительность системы регулирования чрезвычайно низка и при снижении рассогласования до величины dU_вх.2 система «заметила» это уменьшение входного сигнала и отреагировала на него, снизив ЭДС ТП-В до величины E_d2. Уменьшение ЭДС преобразователя влечет за собой уменьшение тока двигателя, вращающего момента, частоты вращения и напряжения U_я Рассогласование увеличивается и в т.3 система реагирует на него, повышая ЭДС преобразователя E_d3.

По мере движения подъемного сосуда в стволе и приближения его к точке равновесия «замечаемое» рассогласование dU_вх. уменьшается и снижение ЭДС ТП-В становится все более значительным.

На участке пути вблизи области равновесия из-за малой величины dU_вх. ЭДС ТП-В становится меньше ЭДС двигателя, вентили этой группы запираются встречной ЭДС якоря двигателя и группа ТП-В не участвует в регулировании частоты вращения.

Если переключение групп вентилей (с ТП-В на ТП-Н) осуществлять при смене знака dU_вх., то окажется, что в момент переключения напряжение на якоре двигателя будет полным, а на ТП-Н равно нулю. Наступит режим короткого замыкания. Для исключения этого режима и получения безлюфтового сопряжения характеристик необходимо, чтобы сигнал управления переключающим устройством (dU_ЛПУ) менял знак при меньшем напряжении двигателя еще не доходя до точки равновесия. Это достигается введением в схему звена УЛ, передаточный коэффициент которого меньше единицы. Согласование работы реверсивных групп должно быть не стандартным симметричным, а характеристики должны быть «подогнаны» одна к другой, что может быть достигнуто использованием для каждой группы вентилей отдельных СИФУ, каждая из которых управляется от своего нереверсивного усилителя (УВ и УН).

Корректирующее устройство УЛ представляет собой преобразователь, в котором выходное напряжение составляет к/(к+1) от входного, т.е. устройство, понижающее напряжение. Действие корректирующего устройства УЛ основано на том, что на вход ЛПУ подается не разность задающего напряжения U_з и напряжения обратной связи (dU_вх), а преобразованные сигналы. На вход ЛПУ подается разность выходного напряжения корректирующего устройства УЛ и напряжения обратной связи.

Системы управления, вырабатывающие сигнал, вызывающий переключение реверсивных групп, в зависимости от знака ошибки рассогласования, работают в большинстве случаев достаточно четко и надежно, но не свободны и от некоторых недостатков:

1. усложнение связей электропривода и преобразователя при необходимости получения безлюфтового сопряжения характеристик двигательного и тормозного режимов;

2. возможность ложных переключений при высоких значениях коэффициента усиления из-за действия случайных помех.

Системы самонастройки или сканирующей логики.

Работа систем самонастройки основана на автоматическом поиске группы, в которой существуют условия для протекания тока нагрузки. Известно довольно большое количество различных модификаций самонастраивающихся систем раздельного управления.

Структурная схема реверсивного вентильного электропривода с одной из более простых систем самонастройки показана на рис.57,а, на рис.57,б приведены диаграммы, поясняющие ее работу.

Переключения реверсивных групп осуществляются с помощью блока реверса БР, состоящего из ЛПУ и мультивибратора МВ. Работа ЛПУ происходит, в основном, так же, как и в ранее рассмотренной схеме. Отличие заключается лишь в том, что на его переключающий вход поступает не сигнал рассогласования, а знакопеременное напряжение от внешнего источника - мультивибратора МВ.(В качестве источника переменного переключающего напряжения U_пер иногда используется питающая сеть 50 Гц).

При отсутствии тока в преобразователе мультивибратор работает в режиме автоколебаний и ЛПУ непрерывно переключается, периодически выдавая запрещающие сигналы U_з.в и U_з.н на соответствующие группы вентилей, разрешая, тем самым, попеременно работать то одной, то другой. Период переключающего устройства обычно составляет 5…20мс. Время включенного состояния каждой группы t_в (t_н) меньше полупериода переключающего напряжения на величину аппаратной паузы dt_н.

Подобный режим может, например, иметь место, если управляющее напряжение U_У , поступающее с выхода усилителя У равно нулю, угол управления обеих вентильных групп равен 90° (или более, в зависимости от начального угла рассогласования), а двигатель неподвижен в интервал времени 0-t₁.

Если подать команду на пуск двигателя в направлении «вперед», то под действием напряжения управления U_У угол управления группы ТП-В a_в уменьшится, а угол управления группы ТП-Н увеличится. Тогда при очередном включении группы ТП-В в ней возникнет ток и двигатель начнет разгоняться в направлении «вперед». Одновременно с этим с датчика тока ДТ на мультивибратор и ЛПУ будет подан сигнал токовой блокировки U_i , который запретит дальнейшее переключение как мультивибратора, так и ЛПУ. Тем самым будет зафиксирована работа группы ТП-В и заблокирована работа группы ТП-Н. Это состояние будет сохраняться на протяжении всего времени протекания тока в группе ТП-В (интервал t₁- t₂).

Если за счет уменьшения управляющего напряжения U_У будет подана команда на снижение частоты вращения (момент времени t₂), то угол управления группы ТПВ увеличится, а группы ТПН - уменьшится. ЭДС группы ТП-В сделается меньше ЭДС двигателя, и ток якоря начнет снижаться. После снижения последнего до значения тока удержания i_уд. снимется токовая блокировка с мультивибратора, последний переключится в противоположное состояние и на ранее работавшую группу с ЛПУ поступит запрещающий сигнал U_з.в.. По истечении времени аппаратной паузы dt_н, необходимой для снижения тока от значения тока удержания i_уд. до нуля, снимется запрещающий сигнал U_з.н. с группы ТПН (момент времени t₃). Если ЭДС этой группы окажется меньше ЭДС двигателя, то через группу ТП-Н потечет ток и вновь вступит в действие токовая блокировка. Последняя на этот раз зафиксирует работу группы ТП-Н и запретит переключение мультивибратора и ЛПУ в противоположное состояние до тех пор, пока будет существовать ток в этой группе. Если управляющее напряжение будет изменяться в прежнем направлении, то двигатель вначале будет тормозиться в режиме рекуперативного торможения, а затем, после изменения полярности управляющего напряжения, начнет разгоняться в противоположном направлении.

В системе самонастройки переключение групп начинается при любой частоте вращения и любом направлении вращения двигателя после снижения тока до нуля. Поэтому, если при снижении величины «ошибки» dU_вх. ЭДС работающей вентильной группы ТП-В окажется ниже ЭДС двигателя и ток снизится до нуля, то сразу же автоматически, независимо от того, изменился знак dU_вх., или нет, произойдет переключение групп и двигатель перейдет в режим рекуперативного торможения. В рассмотренном ранее примере работы шахтной подъемной установки при приближении подъемных сосудов к точке «равновесия» может произойти несколько смен режимов работы электропривода - с двигательного на тормозной и обратно.

Таким образом, в системах самонастройки на закон согласования углов управления реверсивных групп не накладывается каких-либо дополнительных условий. Это позволяет, в частности, применять симметричное согласование и получать регулировочную характеристику E_d = ¦(U_У) без «люфта» и «безлюфтовое» сопряжение характеристик двигательного и тормозного режимов без применения каких-либо дополнительных устройств, контролирующих величину ЭДС двигателя в момент переключения. (На вид внешних характеристик не влияет зона прерывистых токов в двигательном и тормозном режимах).

Важнейшими параметрами систем раздельного управления являются чувствительность датчика тока и длительность паузы при переключении групп. Эти параметры взаимосвязаны. Выбор их производится из условия, что в момент отключения ранее работавшей группы допустим такой ток, который может быть сведен к нулю результирующей ЭДС в силовой цепи на протяжении одной пульсации выпрямленного напряжения. Определяющим при этом является переход из тормозного режима в двигательный (например, в конце перехода с высшей частоты на низшую).

На рис.58 изображены внешние характеристики, используемые при переходе на низшую частоту вращения реверсивного тиристорного электропривода с раздельным управлением вентильными группами.

Переход с двигательного режима в тормозной и обратно происходит при токе, равном нулю. При этом первый переход должен осуществляться с более высокого напряжения выпрямительной группы на более низкое напряжение инверторной группы, а второй - наоборот (см.рис.58). Переход же на соседние характеристики одной и той же группы (характеристики с различными значениями углов управления a и b ) происходит при одном значении напряжения, как это показано на диаграмме. Процесс изменения тока при изменении статического момента осуществляется перемещением рабочей точки вдоль внешней характеристики.

На рис.59 показаны направления и примерные соотношения мгновенных значений ЭДС преобразователя и якоря двигателя, а также направление протекания тока при его снижении в двух режимах работы преобразователя - в выпрямительном (а) и в инверторном (б). В инверторном режиме работы снижение тока происходит медленно, т.к. действует разность ЭДС инвертора и двигателя. При переходе из двигательного режима в тормозной под воздействием суммы ЭДС выпрямителя и двигателя снижение тока происходит значительно быстрее. Чувствительность датчика тока и необходимая длительность аппаратной паузы определяются соответствующими расчетами. Значения этих параметров зависят от режима работы привода, характера нагрузки, величины частоты вращения двигателя и электромагнитной постоянной времени силовой цепи.

Как было сказано ранее, на практике в качестве датчиков тока часто используют датчики состояния тиристора. Они позволяют с большой точностью установить момент времени, когда тиристор вследствие падения тока до нуля восстанавливает свои запирающие свойства, т.е. момент включения тиристоров. Это позволяет сделать аппаратную паузу минимальной - 2…3мс.

Системы раздельного управления реверсивными ТП обладают рядом достоинств:

1. Отсутствие уравнительного тока и возможность полного отказа от уравнительных дросселей.

2. Возможность полного использования питающего трансформатора по напряжению и по мощности, т.к. здесь допустима работа в выпрямительном режиме с углом управления, равным нулю.

3. Более высокий КПД электропривода, т.к. нет потерь от уравнительных токов.

4. Меньшая вероятность опрокидывания инвертора, т.к. общее время работы ТП в инверторном режиме уменьшается во много раз.

5. В некоторых случаях привод имеет лучшие динамические показатели, т.к. благодаря отсутствию уравнительных дросселей суммарная индуктивность якорной цепи оказывается меньшей, чем при совместном управлении.

6. Исключение возможности появления больших динамических уравнительных токов в переходных режимах работы из-за различного быстродействия систем инвертора и выпрямителя вследствие неполной управляемости вентилей и, допустимость мгновенных реверсов выходного напряжения (например, при переходе из инверторного режима в выпрямительный ).

7. Более простое соединение вентилей и возможность использования общего блока R-C- цепей для защиты вентилей обеих реверсивных групп от перенапряжений.

К недостаткам систем раздельного управления можно отнести:

1. Усложнение систем управления, обусловленное необходимостью выработки сигнала управления переключением групп и обеспечения условий для безаварийного переключения.

2. Необходимость пауз между работой групп, что снижает быстродействие.

3. Недостаточная стабильность характеристик электропривода в области малых нагрузок, т.е. из-за отсутствия уравнительных токов работа происходит в области прерывистого тока. Это затрудняет использование раздельного управления для электроприводов, которые могут работать в режиме идеального холостого хода или в режиме близком к нему, например приводы лифтов.

4. Трудность точного поддержания частоты вращения в электроприводах со знакопеременным моментом нагрузки.

5. Возможность возникновения толчков тока при переключении групп, т.к. за время паузы теряется непрерывность управления.

Отмеченные недостатки сдерживали применение систем раздельного управления и они практически не использовались до середины 60-х гг. Однако в настоящее время почти все эти недостатки в какой-то степени удается устранить или скомпенсировать и раздельное управление получает все большее применение не только в электроприводах большой мощности, где его преимущества наиболее весомы, но и в электроприводах средней и малой мощности.

КПД и коэффициент мощности тиристорного электропривода

постоянного тока.

При определении КПД управляемого выпрямителя нужно учитывать, что понятие мощности, выделяемой в цепи нагрузки постоянного тока, может иметь двоякий смысл. С одной стороны - это мощность P_d , определяемая как произведение постоянных составляющих (средних значений) выпрямленного тока I_d и напряжения U_d :

P_d = U_d * I_d

С другой стороны, действительная полная мощность P_dў, выделяемая в нагрузке, определяется как средняя мощность от мгновенных значений тока i_d и напряжения u_d в нагрузке за период повторяемости формы выпрямленного напряжения:

где T - период повторяемости формы выпрямленного напряжения.

Разница в значениях этих мощностей обусловлена наличием пульсаций в выпрямленном напряжении и в токе нагрузки. Так, если обозначить пульсации в виде переменных составляющих di_d и du_d, то можно записать

Очевидно, что в случае идеально сглаженного тока нагрузки, когда di_d равен нулю (du_d может быть не равен нулю), значения мощностей P_d и P_dў совпадают.

На практике мощность P_dў при значительных пульсациях выпрямленного напряжения и тока может быть намного больше P_d . При определении КПД преобразователя этот факт необходимо учитывать. С энергетической точки зрения боле правильно расчет КПД вести относительно мощности P_dў, хотя иногда используется и величина P_d, рассматриваемая в некотором смысле как «полезная» мощность постоянного тока. В последнем случае составляющую мощности dP_d, обусловленную пульсацией напряжения на нагрузке, относят к дополнительным потерям.

Суммарные потери активной мощности имеют место в следующих частях тиристорных преобразователей:

- в трансформаторе dP_т ;

- в тиристорах преобразователя dP_в;

-во вспомогательных устройствах dP_всп (в системах управления, защиты, охлаждения, сигнализации и др.);

- дополнительные потери dP_доп (потери, обусловленные пульсациями напряжения и тока на нагрузке, потери при переключениях вентилей).

С учетом этих составляющих КПД для преобразователя определяется из следующего соотношения

h = (U_d I_d) / (U_d I_d + dP_т +dP_в +dP_всп +dP_доп).

Изготавливаемые в настоящее время ТП большой мощности имеют КПД в пределах 0,85…0,9 , ТП малой и средней мощности- 0,7…0,8.