ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЭЛЕКТРО­ПРИВОД

СХЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ

Схемы управления преобразователями, обеспечивающие в за­висимости от напряжения управления (Uy) на входе изменение угла управления а (при фазовом управлении) или относительного времени проводимостей ключей у (при импульсном управлении), играют существенную роль в обеспечении надежной работы полу­проводниковых асинхронных электроприводов.

Системы управления преобразователями, предназначенными для фазового управления, так называемые СИФУ (схемы им­пульсно-фазового управления) должны реализовать необходимый диапазон изменения угла а (фазовый сдвиг управляющих импуль­сов) и требуемое значение длительности (>-) управляющего сиг­нала при работе двигателя в различных режимах на естественной и регулировочных характеристиках.

Обычно СИФУ тиристорных преобразователей для фазового управления в статорных цепях по принципу действия являются синхронными системами, а в качестве синхронизирующего (опор­ного) напряжения используется напряжение той фазы сети, в ко­торую включен тиристор. По отношению к нулевому значению соответствующих полуволн фазного напряжения и происходит отсчет углов открытия вентилей а [так, для тиристора 5 (рис. 1.7,а)—это положительная полуволна иА, для 6 — отрица­тельная полуволна ил]. Для формирования фазового сдвига управляющих импульсов применяется вертикальный принцип управления [26]. Теоретически при управлении углом а должно быть обеспечено изменение напряжения на выходе преобразова­теля ОТ U вых—Un до U вых — 0. (Укажем, что напряжение U ВЫХ 0

может быть получено не во всех схемах рис. 1.1, а только в тех, где обеспечивается режим 0Ф — С, т. е. в структурах рис. 1.1,а,

б, в, д.) При 11вых=им двигатель работает на естественной харак­теристике и угол а==Ф, где ф — фазовый угол нагрузки. При чисто активной нагрузке минимальный угол aw! n=0, а в СИФУ для управления асинхронными двигателями amin = 15-ь-20о. Предель­ный угол апР, при котором ивык=0, зависит от структуры преоб­разователя. Так, для схем рис. 1.1,a апр=150°, для схем рис. 1.1,6,

в, д апр=210°. Для схемы рис. 1.1,г апр=180°, при этом а — ток той фазы статора, в которую включены тиристоры, равен нулю и име­ет место режим 2Ф — С. Анализ значений выходного напряжения показывает [6], что уже при углах a<anp выходное напряжение преобразователя столь мало, что асинхронный двигатель практи­чески не развивает момента. Если принять за минимальное напря­жение преобразователя £/вых=0,Шл/, когда момент асинхронного двигателя на регулировочной характеристике Мр=0,0Ше, где Ме — момент по естественной характеристике, то для схем рис. 1.1,а необходимый максимальный угол управления вентилей Clmax составит 120°, для схем рис. 1.1,6 — д— 180°, что и определя­ет диапазон изменения угла а, т. е. значений аты и атах.

От структуры преобразователя (числа управляемых вентилей и фаз, коммутируемых тиристорами) зависит количество фазных напряжений сети, необходимых для синхронизации работы СИФУ, и подход к построению схем вертикального управления. При про­стейшей структуре преобразователя (см. рис. 1.1,г) требуется в качестве опорного использовать только одно из фазных напряже­ний питающей сети и отпадает необходимость в симметрировании углов управления вентилей по разным фазам, что упрощает схе­му фазосдвигающего устройства. Во всех других схемах рис. 1.1 необходимо выбрать такую схему фазосдвигающего устройства,, чтобы обеспечить минимальную асимметрию в углах открытия вентилей по разным фазам (очевидно, это в большей степени тре­буется для схемы рис. 1.1,а, содержащей шесть управляемых вен­тилей). Для исключения асимметрии, обусловленной различием характеристик каналов управления, целесообразно применять одноканальные синхронные системы управления [26], в которых фазовый сдвиг управляющих импульсов разных фаз формируется с помощью одного устройства, в связи с чем возможное изменение параметров цепи временной задержки не приводит к разбросу в значениях угла а по отдельным фазам.

Необходимая ширина управляющих импульсов определяется из следующих условий:

1) при работе двигателя на естественной характеристике, ког­да в течение всего времени должен быть реализован режим ЗФ — С и коммутация тиристорого элемента в каждой из фаз происхо­дит независимо от состояния вентилей в других фазах, задавая фазовый сдвиг импульсов amin, необходимо обеспечить условие а=ф при всех скоростях двигателя, когда диапазон изменения фазового угла Aq>—q>max—Фтт может составить 60—70°. Отсюда следует, что при а=ф/ш-/г необходимая ширина выходного импуль­са Х>60—70°;

2) при работе на регулировочных характеристиках, когда реа­лизуется режим 2Ф — С, тиристоры коммутируют линейные на­пряжения сети. В некоторых структурах преобразователей (см. рис. 1.1,а, в) при реализации этого режима должны одновремен­но открываться два тиристора, например тиристоры 2 и 5 (рис. 1.7,а) при коммутации положительной полуволны линейного напряжения илв. Фазовый сдвиг выходных импульсов отсчитыва­ется от соответствующих полуволн фазных напряжений сети (для 5 — от положительной полуволны ua, для 2 — от отрицательной полуволны ив). В [6] показано, что при одинаковых а при ком­мутации линейного напряжения ил сдвиг во времени передних фронтов импульсов, поступающих на тиристоры, составляет 60°, поэтому для одновременного открытия двух вентилей необходимо обеспечить Х>60°. Аналогичные требования к значению Я, возни­кают и при реализации ряда схем динамического торможения (см. рис. 1.8,а, в), когда ил коммутируется двумя одновременно включенными тиристорами. Отметим, что при 2Ф — С угол откры­тия вентилей по отношению к линейному напряжению ал = а+30°;

3) при работе преобразователей нецелесообразно подавать на тиристор отпирающий импульс, когда к нему приложено обрат­ное запирающее напряжение.

Эти условия удовлетворяются, если обеспечить общую ширину управляющего сигнала А=180°—а [6], при этом для схем рис. 1.1,а, в с учетом того, что требуемое значение А^60°, дости­гается максимальный угол ата*=120°, обычно достаточный при управлении асинхронным электроприводом.

При построении устройств управления (УУ) необходимо учесть еще одну особенность, обусловленную применением реверсивных преобразователей для фазового управления асинхронными дви­гателями (рис. 1.7,а). В этом случае не все тиристоры, входящие в состав преобразователя, участвуют в реализации требуемого режима. Так, при работе «Вперед» управление осуществляется за счет тиристоров 1—6, «Назад» — 5—10, при режиме ДТ работают тиристоры 1, 4, 8, 9. Поэтому в УУ должна быть предусмотрена возможность выбора нужной группы вентилей в зависимости от необходимого режима работы. При решении этой задачи можно пойти по пути, часто используемому в реверсивных тиристорных преобразователях для электроприводов постоянного тока, когда - применяются две СИФУ для тиристоров выпрямителей «Вперед» и «Назад», а сигнал, разрешающий работу той или другой СИФУ, формируется в зависимости от требуемого режима работы двига­теля. Применительно к асинхронному электроприводу при таком подходе, в общем усложняющем схему УУ, требуется еще одна СИФУ для режима ДТ. Очевидно, при управлении реверсивным тиристорным преобразователем целесообразно использовать одну СИФУ и дискретное логическое устройство режима работы, раз­решающее прохождение импульсов управления только на тирис­торы, реализующие выбранный режим.

Для иллюстрации на рис. 1.11 показана функциональная схема УУ ревер­сивным тиристорным преобразователем (см. рис. 1.7,а), выполненная с учетом указанных требований [74]. Устройство управления состоит из следующих основ­ных блоков: трехфазного генератора синхронизирующих импульсов ГИ, выдаю­щего последовательность узких импульсов частоты 300 Гн, совпадающих во вре­мени с нулями фазных напряжений питающей сети; блока регулируемых времен­ных задержек БЗ, обеспечивающего сдвиг входных сигналов на угол, пропорциональный напряжению U ВХ [27]; распределителя импульсов РИ, формирующего на выходах 1—6 три пары серий прямоугольных импульсов, передние фронты которых сдвинуты на угол а по отношению к нулевым значениям соответствующих фазных напряжений; блока выбора режима БВР„_ формирующего разрешающий дискретный сигнал 1 на одном из трех выходов, В, Н или ЦТ, в зависимости от необходимого режима работы; коммутатора К, который в зависимости от команд с выхода БВР обеспечивает прохождение открывающих сигналов от РИ через соответствующие выходные усилители ВУ на необходимую группу тиристоров преобразователя. Как видно, все импульсы с ГИ проходят через одну времясдвигающую цепь БЗ, поэтому возможное изме­нение ее параметров не приведет к асимметрии углов а для тиристоров различ­ных фаз. Благодаря связи коммутаторов с ГИ (по выходам 1'—6') контроли-

руется правильность распределения импульсов по вентилям преобразователя. На БВР, наряду с выбором необходимой группы тиристоров, могут быть возложены функции создания бестоковой паузы при переключениях тиристорных групп для исключения коротких замыканий сети, а также обеспечения защит и блокировок.

Таким образом, для управления реверсивным тиристорным электроприводом (см. рис. 1.7,а) на вход УУ необходимо подавать два сигнала: первый — релей­ный с БВР, определяющий режим работы, второй—аналоговый (Uy), опреде­ляющий угол управления тиристоров а. Эти сигналы могут быть сформированы как в разомкнутых, так и в замкнутых системах управления электроприводом.

Рассмотрим необходимую характеристику вход-выход СИФУ, т. е. зависи­мость a=f(Uy). Если сигнал Uy пода­вать непосредственно на вход БЗ, то эта зависимость имеет вид графика I (рис. (X І.12), т. е. при возрастании Uy угол а ог'"1 увеличивается и когда Uy—Uymax, угол а=апр, обеспечивая нулевое напряжение на выходе преобразователя. Такая зави­симость a—f(Uy) не совсем удобна, осо­бенно при работе в замкнутых САУ, ко­гда большим Uy, т. е. возросшему рассо­гласованию в системе, должно соответ­ствовать И увеличенное напряжение t/вых - Желаемый вид функции а=/(£/у) может быть получен при помощи напряжения Uсм (рис 1.11). В этом случае напряже­ние [/вх«С/см—и у, и если выбрать U СМ —
— Uymax, то при Uy=0, а=апр и Uвых=0 (график 2, рис. 1.12). Однако при управлении асинхронным электроприводом для каждого типа преобразователя существует такой атах<о, Пр, при котором U вых недостаточно для создания мо­мента, способного обеспечить трогание двигателя даже в режиме холостого хода (для схемы рис. 1.1,a umc*= 120°). В связи с этим при использовании характе­ристики 2 (рис. 1.12) в СИФУ происходит значительное запаздывание при отра­ботке возникающих в системе рассогласований (как видно из рис. 1.12, сигнал должен измениться на ДUy, чтобы началась его отработка), что особенно неже­лательно в замкнутых САУ. Поэтому целесообразно выбрать такое Ucм, чтобы при Uу=0 обеспечить условие: a=amax (график 3, рис. 1.12). Тогда будет зна­чительно повышена чувствительность преобразователя к изменению сигнала Uy. При дальнейшем рассмотрении будем считать, что характеристика вход-выход СИФУ имеет вид, показанный на графике 3 рис. 1.12.

Проанализированная схема для управления реверсивным пре­образователем, содержащим десять тиристоров, упрощается с уменьшением количества управляемых вентилей и реализуемых режимов двигателя. Исходная структура СИФУ (см. рис. 1.11) может несколько видоизменяться при использовании различных схем преобразователей или других способах организации необхо­димых режимов. Так, при реализации режима ДТ с дополнитель­ным шунтирующим тиристором (см. рис. 1.7,6), который должен открываться в отрицательные полупериоды линейного напряже­ния иве, в схеме СИФУ должны быть предусмотрены сигналы, синхронизированные с этим напряжением. При работе схемы 1.7,в в режиме полууправляемого моста схема СИФУ должна обеспе­чить открывание тиристоров 4 и 9 при нулевых значениях напря­жения иве, когда на выходе ДТ блока выбора режима (БВР) по - является разрешающий дискретный релейный сигнал 1.

СИФУ для управления преобразователями в роторных цепях асинхронного двигателя могут строиться на основе изложенных принципов, однако имеют следующие существенные особенности по сравнению с ранее рассмотренными устройствами управления:

1) при работе преобразователей в роторных цепях тиристоры коммутируют переменное напряжение, частота которого не оста­ется постоянной, а зависит от скольжения (скорости) двигателя. Поэтому на вход ГИ (рис. 1.11) должны быть поданы синхрони - зируюиче напряжения, связанные с ЭДС вращающегося ротора;

2) при изменяющемся периоде синусоидального напряжения блок БЗ, основанный на вертикальном принципе управления, бу­дет обеспечивать разные значения угла а при постоянном Uy, т. е. разный коэффициент передачи (усиления) СИФУ [28]. Для ис­ключения этого явления, особенно нежелательного в замкнутых САУ, необходимо в функции скорости двигателя изменять кру­тизну линейно изменяющегося (пилообразного) напряжения в БЗ.

Очевидно, указанные особенности приводят к усложнению схемы СИФУ при управлении преобразователями в роторных цепях.

Для схем, показанных на рис. 1.4,а, б, и схемы рис. 1.4,в при больших характеристика СИФУ должна быть аналогичной виду графиков 2, 3 (рис. 1.12).

Устройства управления ШИП, предназначенными для управления в статор­ных и роторных цепях (рис. 1.2, 1.5, 1.7,6), значительно проще СИФУ. Действи­тельно, управляющие импульсы постоянной частоты, подаваемые на вход полу­проводниковых ключей, не нужно синхронизировать относительно напряжений питающей сети, а ключевые элементы, используемые в разных фазах двигателя (рис. 1.2,6, 1.7,6), коммутируются одновременно. Управление же двигателем осуществляется за счет изменения времени проводящего состояния ключей при неизменной частоте их коммутации.

Для иллюстрации на рис. 1.13 приведена функциональная схема устройства управления реверсивным ШИП в статорных цепях асинхронного двигателя (см. рис. 1.7,6). Г И вырабатывает импульсы, частота которых равна выбранной ча­стоте коммутации /к. Блок задержки осуществляет сдвиг импульсов, поступаю­щих с ГИ, на время /з, пропорциональное величине Uy(t3=klUy), обеспечивая регулирование y—t3/TK = t3fK. Действительно, каждый импульс с ГИ поступает на S — вход ^S-триггера, переводя его в состояние 1. Сигнал единица с выхода триггера через соответствующую логическую схему И (в зависимости от релей­ной команды с выхода БВР) и выходной усилитель обеспечивают открывание ключей К1, К2 или К5, Кб и подключение двигателя к питающей сети. Через время tз сигнал 1 подается на R — вход триггера, переводя его в состояние О, при этом закрываются ключи Kl, К2 (К5, Кб), а сигналом 1 с инверсного вы­хода триггера открываются ключи КЗ, К4, обеспечивая режим трехфазного ко­роткого замыкания. Из рассмотрения видно, что параметр управления у линейно связан с напряжением Uy(y = k2Uy). Для обеспечения полной управляемости ШИП необходимо, чтобы значение у изменялось от 0 до 1, т. е. t3 должно изме­няться ОТ О ДО Тк.

Если при использовании ШИП в Статорных цепях реализуется и режим ДТ, то структура У У несколько усложняется.

Требуемая характеристика вход-выход устройства управления, т. е. зависи­мость y=f(Uу), должна иметь вид графика 1 (рис. 1.12) для всех рассматри­ваемых структур ШИП (см. рис. 1.2,а, 6; рис. 1.5,а, 6), обеспечивая увеличение Y с ростом Uу.

Схема УУ получается особенно простой при применении ШИП в роторных цепях (см. рис. 1.6,а, 6), так как отсутствует блок выбора режима. При приме­нении в схемах ШИП тиристорных элементов с искусственной коммутацией (см.

рис. 1.3,а) разрешающий сигнал 1 с прямого выхода триггера (рис. 1.13) опре­деляет проводящее состояние тиристора 1 и значение y этого ключа, а сигнал 1 с инверсного выхода триггера открывает тиристор 2.

Таким образом, рассмотренные принципы управления различными типами полупроводниковых преобразователей позволяют обеспечить необходимые законы коммутации управляемых вентилей при реализации требуемых режимов асин­хронных двигателей.