СИНТЕЗ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТИРИСТОРНЫМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ ДЛЯ ДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА

В системах регулируемого электропривода широко распространены тиристорные электроприводы постоянного тока, хотя с распространением IGBT-транзисторов и их удешевлением перспективны вентильные двигатели и преобразователи частоты со звеном постоянного тока.

Наиболее общие сведения об отечественных тиристорных электроприводах даны в работе [33]. Более подробно в этом справочнике изложены сведения о сериях отечественных электроприводов КТЭУ (150 ¸ 1200 кВт) , КТЭ (150 ¸ 1000 кВт) , ЭКТ (150 ¸ 2000 кВт) , ТЕ, ТЕР (23 ¸ 825 кВт) , ЭПУ1 (25 ¸ 630 А) , ЭПУ2 (5 ¸ 25 А) , тиристорных преобразовательных агрегатах для электроприводов ТПП-1 (1000 ¸ 13000 кВт) , ТВ, ТВР (750 ¸ 13000 кВт).

Например, электроприводы ЭПУ1 для приводов подач обеспечивают [15, 16]:

- диапазон регулирования скорости 1:104 при минимальной частоте вращения 0,1 об/мин ;

- полосу пропускания замкнутой по скорости САР 35 Гц при амплитуде входного сигнала 0,1 В ;

- изменение скорости при набросе и сбросе нагрузки 0,5Мном относительно уровня 0,5Мном при w = 0,001wном не превышает 100%, а время восстановления скорости 0,15 с;

- суммарную погрешность скорости относительно установленной, вызванная изменением нагрузки, напряжения сети, температуры окружающей среды, составляет, % :

w_max - 0,5;         0,5w_max - 2;        0,1w_max - 2,5;

0,01w_max - 5;     10^-3w_max - 15;     10^-4w_max - 25.

Для электроприводов, замкнутых по ЭДС, суммарная погрешность скорости в диапазоне 1:20 не превышает 10 %.

Системы импульсно-фазового управления (СИФУ) перечисленных преобразователей исполнены как синхронные многоканальные с «вертикальным» управлением [34]. В них отсчет угла отпирания тиристоров a осуществляется от момента естественного отпирания для каждого плеча моста. СИФУ состоит из следующих узлов:

- формирователи опорных напряжений;

- компараторы для сравнения опорных напряжений Uоп и напряжений управления;

- формирователи импульсов управления тиристорами;

- гальваническая развязка;

- ограничители изменения угла a;

- логические переключающие устройства (реверсивные электроприводы).

В СИФУ широко используются операционные усилители серий К153, К140, логические интегральные микросхемы К511, К155, гибридные микросхемы. В последнее время используются специальные БИС, микропроцессорные устройства.

Рис. 4.1. Структура системы управления тиристорным преобразователем.

Схема управляемого выпрямителя дана на рис. 4.1,

где : ГПН - генератор пилообразного напряжения;

СУ - синхронизирующее устройство, управляет работой генератора пилообразного напряжения ГПН;

СС - схема сравнения (компаратор) сигналов пилы и управляющего напряжения;

ФИ - формирователь импульсов.

На рис. 4.2 приведены основные временные диаграммы работы основных элементов системы управления тиристорным (транзисторным) преобразователем.

Рис. 4.2. Временные диаграммы работы элементов ТП.

Приведенные временные диаграммы характерны для «вертикального» принципа управления при многоканальных системах формирования фазового сдвига импульсов (канал на каждый вентиль). Подобные системы наиболее распространены в настоящее время, так как они проще по техническому устройству. Но такие системы обладают большой асимметрией по углу a от канала к каналу, аппаратно избыточны.

Существует и «интегральный» принцип управления асинхронной одноканальной системой формирования фазового сдвига (рис. 4.3). В данной системе одно фазосмещающее устройство (ПНЧ) осуществляет фазовый сдвиг всех управляющих импульсов, а их распределение по вентилям производит специальный коммутатор. Устройство ограничения диапазона (УОД) пропускает импульсы в строго заданном диапазоне 30° < a < 120°.

Одноканальные асинхронные ФСУ функционируют обычно в замкнутых системах регулирования a. Структура управления имеет изначально астатизм первого порядка (т. е. структура с И-регулятором) и поэтому имеет высокую помехозащищенность. Подобные структуры перспективны для цифровых систем управления тиристорными преобразователями, в особенности для контура тока.

Рис. 4.3. Интегральный принцип управления ТП

Преобразователи для реверсивных электроприводов с совместным управлением группами вентилей из-за своих недостатков в настоящее время не выпускаются. Раздельное управление реверсивным преобразователем характеризуется следующими преимуществами перед совместным управлением:

- полное использование трансформатора;

- исключение уравнительных реакторов;

- исключение уравнительных токов, уменьшение потерь и увеличение КПД привода;

- возможность использования одного комплекса СИФУ;

- снижение вероятности опрокидывания инвертора.

Недостаток раздельного управления - снижение полосы пропускания (с 40 Гц до 30 ÷ 35 Гц) за счет необходимости бестоковой паузы при переключении групп вентилей. Однако данный недостаток преодолевается применением в настоящее время силовых преобразователей с повышенной полосой пропускания: ШИМ-Д, вентильный двигатель, частотный преобразователь со звеном постоянного тока – асинхронный двигатель.

Рассмотрим алгоритм работы логического переключающего устройства (ЛПУ) реверсивного тиристорного электропривода. Возможны несколько вариантов информационных сигналов для ЛПУ:

- логический сигнал с одного датчика тока в цепи якоря двигателя (iдтя);

- логический сигнал с двух датчиков проводимости вентилей о наличие тока в цепи одной или второй групп вентилей (iдт1 , iдт2) ;

- логический сигнал задания направления тока в двухконтурных системах регулирования с выхода регулятора скорости iзтя («1» – задание тока для одной группы, «0» – задание тока для другой группы).

Структура системы измерения и управления представлена на рис. 4.4 , где в1 = 1 при разрешении работы первой группы, в2 = 1 при разрешении работы второй группы.

Рис. 4.4. Структура системы управления реверсивным ТП.

Составим таблицу состояния в предположении, что есть сигналы iдт1 , iдт2 , iзтя (табл. 4.1):

Из таблицы состояний составим формулу разрешения включения первой группы вентилей:

Учтем, что

Тогда (1)

Таблица состояний ЛПУ ТП. Таблица 4.1.

№ п/п	iДТ1	iДТ2	iЗТЯ	в1	в2	Примечание
1	0	0	1	1	0	Тока в группах нет, задание для первой группы, разрешение для первой группы
2	0	0	0	0	1	Тока в группах нет, задание для второй группы, разрешение для второй группы
3	1	1	0	0	0	Ток в обеих группах (авария), запрет работы групп
4	1	1	1	0	0
5	1	0	1	1	0	Ток в первой группе, задание для первой группы, подтверждение работы первой группы
6	0	1	0	0	1	Ток во второй группе, задание для второй группы, подтверждение работы второй группы
7	1	0	0	1	0	Ток в первой группе, задание для второй группы, разрешение работы первой группы с ожиданием первой бестоковой паузы для разрешения включения второй группы
8	0	1	1	0	1	Ток во второй группе, задание для первой группы, разрешение работы второй группы с ожиданием первой бестоковой паузы для разрешения включения первой группы

Упрощение (1) проследим по релейной схеме рис. 4.5:

 

Рис. 4.5. Релейное представление логического выражения (1)

Разрешение работы первой группы будет в двух случаях:

- при отсутствии тока во второй группе и задании тока для первой группы;

- при задании тока для второй группы, но протекании тока в первой группе.

Аналогично для второй группы:

Реализацию ЛПУ по подобному алгоритму назвали позиционной логикой (рис. 4.6 а). Бывает двухпозиционная и трехпозиционная логика в зависимости от характеристики позиционного устройства (ПУ) (см. рис. 4.4). В некоторых ЛПУ при несоответствии знака iзтя и работающего выпрямительного моста при уменьшении тока нагрузки до минимального уровня импульсы с еще работающего моста снимаются для ускорения переходных процессов переключения мостов.

Если в системе управления нет контура тока, то нет и сигнала Uзт, при наличии которого формируется логическое задание тока iзтя в первой или второй группе. Для включения той или иной группы в этом случае используется сканирующая логика.

При сканирующей логике используется один датчик тока в якорной цепи iдт2. Пусть включается одна из групп. Если ток непрерывный, то группа остается включенной. Но при первой же паузе (прерывистый ток) включается вторая группа, правило работы которой аналогично: разрешение работы данной группы до первой паузы (см. рис. 4.6). Таким образом, в зоне прерывистых токов управляющие импульсы подаются поочередно на одну и другую группы до тех пор, пока под действием сигнала управления или нагрузки в одной из групп не установится непрерывный ток нагрузки. Максимальная частота сканирования , где mgf с - частота пульсаций ТП.

Достоинства сканирующей логики:

- универсальность (применимость для любых систем регулирования);

- линеаризация характеристик реверсивного преобразователя в зоне прерывистых токов

На рис. 4.7 представлены характеристики 1 и 2 при работе по позиционной логике выпрямительной и инверторной групп управляемого преобразователя и характеристика 3 при работе сканирующей логики.

Недостаток сканирующей логики - повышенный нагрев в зоне прерывистых токов. Группы работают поочередно (рис. 4.6, б). Потери пропорциональны квадратичной величине тока, а момент пропорционален средней величине тока. Хотя момент, развиваемый двигателем, может быть небольшим, однако потери значительны.

Рис. 4.6. Временные диаграммы работы логического переключающего устройства:

а – при позиционной логике; б – при сканирующей логике; в – при комбинированной логике.

На практике для мощных преобразователей используют комбинированную логику, объединяя достоинства позиционной и сканирующей логик. В характеристику позиционного устройства ПУ вводят зону нечувствительности (трехпозиционная логика). При (в зоне малых и средних прерывистых токов) работает сканирующая логика. В других случаях - позиционная логика (см. рис. 4.6 в). В комбинированной логике:

- линеаризованы выходные характеристики в зоне прерывистых токов (см. рис. 4.7);

- при скачке задания сразу с очередной паузой в токе включается нужная группа вентилей, в результате уменьшается возможное запаздывание в управлении.

Рис. 4.7. Выходное напряжение ТП в зависимости от нагрузки:

1, 2 – позиционная логика при работе вентилей с реверсом нагрузки;

3 – сканирующая логика с поочередной работой групп вентилей.

Отметим, что датчики наличия тока в группах вентилей выполняются как датчики проводимости вентилей (датчик запирания мостов).

Отсутствие тока еще не свидетельствует, что тиристоры закрыты. Тиристор точно закрыт, когда на нем между анодом и катодом имеется отрицательное напряжение. На этой основе и строятся датчики закрытия мостов. Их называют также датчиками проводимости или датчиков состояния тиристоров (рис. 4.8).

Рис. 4.8. Структура датчика запирания мостов.

ЛПУ обеспечивает и другие функции, в частности:

- блокировку переключения на время существования импульсов в каком - либо канале;

- временную задержку на переключение групп вентилей для надежности закрытия мостов и общей надежности работы, составляющую 0,5 ÷ 0,7 мс (имеется возможность регулировки);

- при Uзтя = 0 (Iя = 0) снятие управляющих импульсов с обеих групп для исключения ползучей скорости при нулевом задании.

Тиристорный преобразователь имеет обычно отдельный блок защиты и сигнализации (БЗС), обеспечивающий следующие виды защит:

- выход из строя тиристоров при внешних и внутренних коротких замыканиях;

- опрокидывание инвертора;

- перенапряжение на тиристоре;

- аварийная перегрузка тиристора;

- развитие аварийных процессов при исчезновении напряжения собственных нужд и силового напряжения;

- от исчезновения принудительной вентиляции (с выдержкой времени);

- превышение допустимого среднеквадратичного или мгновенного тока;

- превышение допустимой скорости в электроприводе;

- неправильное подключение преобразователя (неправильное чередование фаз) и ряд других защит.

Должна обеспечиваться селективность защит. Сначала должна сработать сетевая защита (снятие управляющих импульсов с групп), отключиться автоматический выключатель, затем перегореть предохранитель, сработать максимальные реле и т. д.

Вся аварийная и предупреждающая сигнализация должна функционировать с запоминанием, чтобы можно было быстро определить причину отказа.