СТАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РЕВЕРСИВНЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ
Ниже рассматриваются статические характеристики реверсивных тиристорных электроприводов и особенности этих характеристик при несогласованном и раздельном управлении вентильными группами.
Для анализа статических характеристик в дальнейшем будет использована схема, представленная на рис. 12,а. На этой схеме около каждого элемента указан его коэффициент усиления в статическом режиме и размерность этого коэффициента, обозначены также параметры, от которых зависит внутреннее сопротивление преобразователя.
Регулировочные характеристики реверсивных тиристорных преобразователей
Наиболее часто применяемые способы согласования характеристик показаны на рис. 13,а. Первый случай согласования соответствует 90° (показан на рис. 13,а сплошной линией). Это значит,
Рис. 12. Реверсивный тиристорный электропривод. « — принципиальная схема; б — структурная схема. |
Что при нулевом сигнале на входе первого усилителя У J (рис. 12,а) управляющие импульсы обеих СФУ имеют одинаковый сдвиг 90° относительно точки естественного отпирания вентилей. При изменении сигнала на входе усилителя У1 фаза импульсов одной системы фазового управления уменьшается, а другой — увеличивается таким образом, что всегда выполняется соотношение
Ав + аи= 180°.
Второй случай согласования соответствует углу наиболее глубокого инвертирования (показан на рис. 13,а пунктирной линией). В этом случае при нулевом сигнале на усилителе У1 управляющие импульсы обеих СФУ имеют фазу, соответствующую углу наиболее глубокого инвертирования. При изменении сигнала на входе усилителя У1 фаза управляющих импульсов одной СФУ остается неизменной, а второй — уменьшается, при этом уже не выполняется соотношение (8).
Согласование характеристик СФУ по второму способу, получившему название несогласованного управления, является одним из
(8) |
Методов уменьшения уравнительного тока. Однако, как это будет показано ниже, оно является причиной «люфта» в нагрузочной характеристике.
По рис. 13,а может быть построена регулировочная характеристика преобразователя при разомкнутой системе автоматического регулирования. При ее построении будем считать с некоторым до-
Рис. 13. Согласование систем фазового управления реверсивного преобразователя.
А — характеристики систем фазового управления при согласованном и несогласованном управлении; б — регулировочные характеристики тиристорного преобразователя при разомкнутой системе автоматического регулирования: / — согласованное управление; 2 — несогласованное управление.
Пущением, что напряжение преобразователя Ud изменяется по линейному закону в функции UBт. Принятое допущение является близким к действительности при наличии превышающих 30° углов запаса аМИн и рмин у выпрямителя и инвертора »(рис. 13,а).
Линейная * зависимость между напряжением преобразователя Vd и U*T выполняется точно при арккосинусоидальной характеристике системы фазового управления.
Рассмотрим вначале согласованное управление. При положительных значениях входного сигнала >иЭт напряжения на вентильных группах будут также 'положительны, причем их средние значения будут равны друг другу. В этом случае первая группа будет работать в выпрямительном режиме, а вторая — в инверторном. Отрицательные значения входного сигнала [)Эт будут соответствовать отрицательным значениям напряжения на вентильных группах при одинаковой величине среднего напряжения на них, причем вторая группа будет работать в выпрямительном режиме, а первая — в инверторном. Регулировочная характеристика для согласованного управления показана на рис. 13,6, кривая 1.
Используя характеристики СФУ, согласованные в точке наиболее глубокого инвертирования, построим для этого случая регулировочную характеристику (рис. il3,6, кривая 2). При указанном согласовании характеристик средние значения напряжения вентильных групп не равны друг другу. В процессе изменения напряжения на первой вентильной группе вторая вентильная группа находится в инверторном режиме и ее напряжение максимально. При изменении напряжения на второй вентильной группе первая группа находится в инверторном режиме и ее напряжение максимально.
Кривая регулировочной характеристики имеет вид гистерезисной петли. Отрезки ed, da, ab, be на рис. 13,6 равны между собой, так как они соответствуют равным между собой отрезкам ed, da, ab, be На рис. 13,а при условии, что аМИн=!Рмин.
Статические нагрузочные характеристики при совместном управлении
При помощи регулировочных характеристик реверсивных электроприводов могут быть построены их нагрузочные характеристики.
Реверсивные тиристорные преобразователи, как правило, работают в замкнутых системах регулирования, поэтому целесообразно рассматривать нагрузочные характеристики преобразователей с учетом действия обратных связей. Для. вывода уравнений этих характеристик воспользуемся схемой преобразователя, охваченного обратной связью по напряжению, представленной на рис. 12,а (без учета ЛПУ). При выводе уравнений будем считать, что прерывистые токи отсутствуют.
Приводим схему рис. 12,а к виду, показанному на рис. 12,6. Общий коэффициент усиления прямого тракта равен произведению коэффициентов усиления отдельных звеньев:
K=Ki Кг Кз Kk.
Внутреннее сопротивление преобразователя может быть записано в виде
Где т=6 — число коммутаций вентилей за период в трехфазной мостовой схеме; ха и /?а — реактивное и активное сопротивления трансформатора и питающей сети, приведенные к вторичной обмотке трансформатора.
С учетом сказанного выше по приведенной на рис. 12,6 схеме Может быть составлено уравнение статической нагрузочной характеристики при согласованном управлении вентильными группами:
И*= 1 +ks v**-1 1 + ккш • (9)
Первый член травой части уравнения определяет напряжение преобразователя при холостом ходе, второй — изменение напряжения преобразователя при изменении его тока.
Для упрощения дальнейших рассуждений примем коэффициент усиления Кь равным единице. В результате получим схему с единичной обратной связью. При этом уравнение (9) запишется следующим образом:
При работе преобразователя с несогласованным управлением вентильными группами в замкнутой системе автоматического регулирования выходное напряжение преобразователя при одном и том же значении £/эт будет зависеть от того, в каком режиме он находится — в выпрямительном или инверторном, вследствие неоднозначной зависимости между входным сигналом и выходным напряжением.
Представим преобразователь как одно звено, охваченное единичной отрицательной обратной связью, подобно тому как это было сделано в предыдущем случае. Характеристика этого звена «вход — выход» показана на рис. 14,а. Из этого рисунка видно, что если коэффициент усиления на линейной части характеристики преобразователя равен К и наибольшее выходное напряжение преобразователя равно f/ймакс, то величины отрезков da, ab, be должны быть равны UdM&KclK.
Найдем величину выходного напряжения преобразователя при его работе на линейной части характеристики первой вентильной группы в режиме выпрямителя (область характеристики 1В). Пусть на вход преобразователя
Подано напряжение Uqt тогда учитывая, что при этом на выходе преобразователя установится напряжение Uau может быть составлено следующее уравнение:
Откуда
П — II К Ud макс
Udi-U*r+K 1 + /С * (П)
При работе преобразователя в инверторном режиме на линейной части характеристики в области 2И при той же величине заданного сигнала £/Эт уравнение, связывающее £/Эт и выходное напряжение, запишется следующим образом:
Откуда
// _ TJ К _L Маке 0
— ^эт l T - j •
На основании выражений (11) и (12) построим регулировочную характеристику преобразователя при охвате его единичной жесткой обратной связью (рис. 14,в). Из рис. 14,в следует, что при одном и
Ш)
Ю
Рис. 14. Реверсивный тиристорный преобразователь с несогласованным управлением в замкнутой системе автоматического регулирования. А — структурная схема с единичной обратной связью при холостом ходе преобразователя; б — структурная схема с единичной обратной связью с учетом тока нагрузки преобразователя; в — регулировочная характеристика; г — нагрузочная характеристика. |
Том же значении входного сигнала Оат - напряжение на выходе преобразователя будет разным в зависимости от того, в каком режиме он находится — в выпрямительном или инверторном. Вследствие этого при переходе из выпрямительного режима в инверторный в 'нагрузочной характеристике преобразователя появится люфт. Величина люфта при изменении UЭт в пределах от —^макс до - Ь^макс будет равна, как это следует из рис. 14,я и формул (11) и (12),
21/, |
D макс |
I ^л I = I VМ I - I UAl | =
При значениях, С/Эт больших, чем £/амакс, величина Uл будет уменьшаться и в соответствии с рис. 14,в при положительных значениях напряжения на преобразователе выразится следующим образом:
При U9T<^ 0 и, следовательно, отрицательных значениях напряжения преобразователя
Величина люфта будет равна нулю, когда U9T достигнет значения
Vd макс—^— • Причина возникновения люфта состоит в том, что
При изменении U3т от —ймакс до +UdM&uc напряжение инвертора по абсолютной величине всегда больше напряжения выпрямителя. Уменьшение люфта возникает вследствие того, что максимальное напряжение на инверторе ограничено. При достижении этого же максимума напряжения на выпрямителе люфт исчезает полностью.
Структурная схема преобразователя при несогласованном управлении вентильными группами с учетом тока нагрузки представлена на рис. 14,6. Звено W на этом рисунке имеет такую же характеристику, как и звено W на рис. 14,а. Тогда с учетом тока нагрузки могут быть записаны следующие уравнения: для выпрямительного режима
Где Ј/di(x. x) — напряжение холостого хода на выходе звена при работе в выпрямительном режиме, откуда
3—1333 зз
Длй инверторногб режима
Где Ud2(x. x) — напряжение холостого хода на выходе звена при работе в инверторном режиме, откуда
Окончательно уравнение статической характеристики может быть Записано следующим образом:
Знак минус перед вторым слагаемым соответствует выпрямительному режиму работы преобразователя, знак плюс — инвертор - ному. По уравнению (15) построены статические нагрузочные характеристики рис. 14,г. Характеристики имеют разрыв при переходе от выпрямительного режима к инверторному. Величина люфта и его изменение с ростом значения, иэт были рассмотрены выше. Отношение величины люфта к статическому падению напряжения при номинальном токе есть величина постоянная при любом значении коэффициента усиления системы управления преобразователем, если
Особенности статических нагрузочных характеристик при раздельном управлении вентильными группами
Работа реверсивного тиристорного преобразователя при раздельном управлении, в котором используется в качестве сигнала, управляющего ЛПУ, разность эталонного сигнала и сигнала обратной связи имеет некоторые особенности. В этом случае даже при согласовании углов регулирования систем фазового управления по уравнению (8) и идеальной чувствительности ЛПУ в статической нагрузочной характеристике будет иметь место люфт. Последнее связано с тем, что при переходе от выпрямительного режима к инверторному (или наоборот) напряжение вновь вступающей в работу группы не соответствует напряжению на нагрузке.
Рассмотрим это явление более подробно. Анализ будет проводиться для системы с одноконтурным регулированием. Используем для этого схему рис. 12,а, приведенную к виду, показанному на рис. 12,6.
Внешняя характеристика преобразователя при согласовании СФУ В точке 90° без учета действия переключающего устройства в соот-
Ветствии с (9) пересекает ось ординат в точке i ^^^ при
Входном сигнале, равном U9т. Разность эталонного сигнала и сигнала обратной. связи &U, управляющая ЛПУ, в этом случае положительна и равна:
AU = U9T-KtUd. (16)
Выразив Ud через U9Т и значения коэффициентов усиления К И Кьу получим:
И |
•и» |
A U = UW |
ККш
При наличии ЛПУ одна из групп будет заблокирована, и так как сигнал AU не меняет свой знак при переходе от выпрямительного режима к инверторному (или наоборот), то переключение ЛПУ не произойдет. Для его переключения необходимо, чтобы напряжение на яко^е двигателя возросло на величину, равную или
Большую, чем т. е. до значения, равного или большего
£/эт//(5, как это следует из выражения (16). При этом ток вентильной группы остается все время равным нулю, так как напряжение на якоре двигателя выше напряжения вентильной группы и направлено навстречу ему.
При напряжении на якоре, равном IWtfs, разность между эталонным напряжением и напряжением обратной связи равна нулю, что соответствует равенству нулю напряжения на преобразователе.
Таким образом, оказывается, что в момент переключения ЛПУ напряжение на якоре полное, а на вентильной группе, вступающей в работу, рав* но нулю; при этом в момент переключения наступает режим короткого замыкания. Для исключения этого режима необходимо, чтобы при холостом ходе преобразователя сигнал управления переключающим устройством менял знак.
Рис. 15. Включение корректирующих звеньев для исключения люфта в статической нагрузочной характеристике. |
Это может быть достигнуто несколькими способами [Л. 15], представленными на рис. 15, где приведены структурные схемы преобразователей с различными корректирующими устройствами, обвези
печивающими исключение описанного выше режима. Преобразователь представлен в виде одного звена с коэффициентом усиления /С. Коэффициент усиления К$ принят равным единице. Рассмотрим случай, когда ток преобразователя равен нулю.
Первый способ заключается в том, что на вход переключающего устройства подается разность двух сигналов: эталонного, уменьшенного
В | д. раз, и сигнала обратной связи (рис. 15, а). Тогда сигнал,
Воздействующий на логическое переключающее устройство А£/Лпу ПРИ нулевом токе преобразователя, будет равен:
Длпу — 91 i д - — Ud — U9T j д - — иЭт j
Таким образом, в момент переключения напряжение на нагрузке окажется в точности равным напряжению преобразователя. Второй путь достижения этого же результата (рис. 15, б) сводит - 1 +К
Ся к тому, что в —^— раз увеличивается сигнал обратной связи, т. е. при входном напряжении, равном £/Э1,
Д»т „ 1 + к г. п тт К 1 +к А^лпу = и*т — К иа = U 9Т — иэ1 { +к к = 0.
Третий путь решения задачи (рис. 15,в) заключается в увеличении в К раз сигнала ошибки системы автоматического регулирования и сравнения этого сигнала с сигналом обратной связи:
АТГ 1ГКГ1 ТТ п
Д£/лпУ = KAU — иа = Y-J-JC — Г+Х =0-
Для получения безлюфтовых характеристик необходимо применить дополнительное звено, которое может включаться по одному из трех перечисленных выше способов.
При рассмотрении статических нагрузочных характеристик мы считали, что ЛПУ имеет идеальную чувствительность, т. е. его переключение происходит при как угодно малом отклонении входного сигнала от нуля. На самом деле ЛПУ обладает определенной нечувствительностью, и его переключение наступает при некотором уровне входного сигнала Л£/Лпу. Наличие зоны нечувствительности у ЛПУ приводит к люфту в статической нагрузочной характеристике, так же как и рассмотренные выше причины.
Снижение величины люфта в этом случае может быть достигнуто увеличением чувствительности переключающего устройства или включением на вход ЛПУ дополнительного усилителя с коэффициентом усиления, большим единицы.
Реверсивные преобразователи, построенные с использованием изложенных способов коррекции, по своим статическим характеристикам близки к преобразователям с согласованным управлением и вместе с тем сохраняют все преимущества преобразователей с раздельным управлением.