СИСТЕМЫ ЧАСТОТНОГО УПРАВЛЕНИЯ СИНХРОННО-РЕАКТИВНЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ

Система частотного управления с преобразователем, обеспечивающим на выходе синусоидальную форму напряжения

Транзисторные преобразователи частоты для систем частотного управления могут быть изготовлены по аналогии с ионными или тиристорными путем преобразования переменного напряжения про­мышленной частоты в переменное напряжение пониженной частоты. Силовая часть преобразователей такого типа обычно выполняется по встречно-параллельной схеме, т. е. содержит два управляемых выпрямителя, каждый из которых поочередно работает на общую
нагрузку в один из полупериодов низкой частоты [Л. 61; 62]. Од­нако использование таких схем для систем частотного управления, построенных на транзисторах, требует значительного усложнения силовой части преобразователя и системы его управления.

Рассматриваемая ниже система частотного управления с пре­образователем, обеспечивающим на выходе напряжение практиче­ски синусоидальной формы, построена с помощью трех управляе­мых выпрямителей, среднее значение выпрямленного напряжения на выходе которых регулируется по синусоидальному закону, и трех однофазных инверторов, коммутирующих эти напряжения (см. § 9, рис. 20) в каждый полупериод их изменения. Принципиальная схема одной фазы этой системы частотного управления показана на рис. 69, а управляемого выпрямителя — на рис. 70. На рис. 71 представ­лена функциональная схема системы в трехфазном исполнении.

Сигнал управления системы в виде постоянного напряжения Ubx подается одновременно на вход звена регулирования напря­жения ЗРН (см. рис. 58) и датчика низкой частоты ДНЧ (см. рис. 56). Выходное напряжение UA (Ub, Uc) демодулятора Д (Дз, Д5) датчика используется для управления выпрямителем УВХ (УВ2, УВ3), а вместо демодулятораД2 (Ді, Де) ко вторичной об­мотке трансформатора Трб, (Тр7, Тр8) датчика подключен фазо­чувствительный усилитель ФЧУХ (ФЧУ2, ФЧУ3).

Управление транзисторами Г]—Т3 каждого управляемого 'вы­прямителя (рис. 70) производится с помощью полупроводниковых реле Р1 — Р3, к выходу каждого из которых подсоединены усили­тели У] — У3. Управление транзисторами Тц — Ти каждого одно­фазного инвертора (рис. 69) осуществляется с помощью цепочки устройств, состоящей из упомянутого выше фазочувствительного усилителя ФЧУ, коммутируемого напряжением трансформатора Тр9 датчика низкой частоты (см. рис. 56), полупроводниковых реле Р и Р2, фазоинвертора ФИ, полупроводниковых ключей К, К2 и поеобразователей напряжения П и П2.

Остановимся сначала на принципе работы системы управление выпрямителем (о принципе работы выпрямителя см. в § 10).

На вход полупроводникового реле Р (рис. 70), управляющего в конечном итоге транзистором Ті выпрямителя, подаются следую­щие сигналы:

1) выпрямленное напряжение UBCо от выпрямителя В2, питае­мого напряжением Uco от той же сети, что и трансформатор Тр1 выпрямителя (это напряжение отстает от напряжения, питающего трансформатор Тр1 фазы А выпрямителя, на угол 60°эл.);

2) напряжение U3, запирающее реле Р при отсутствии напря­жений на других входах;

3) напряжение {Уві с выхода выпрямителя Ви питаемого на­пряжением Uа с выхода демодулятора Ді датчика низкой частоты.

Для уяснения принципа действия системы управления обра­тимся к рис. 72. На рис. 72, в, <5, ж приведены диаграммы изменения напряжений Uв СО) Ubao и UbBо на выходах выпрямителей Ви В2, В3. В случае отсутствия напряжения Usі реле Р, Р2 и Р3 заперты напряжением U3. Если теперь на вход реле подать постоянное по величине напряжение t/Bь то, например, реле Рі будет срабатывать в моменты времени t, ti и т. д. и запираться в моменты времени /3, te и т. д. В результате диаграмма тока г'і управления транзисто­ром Tj выпрямителя будет иметь вид, приведенный на рис. 72,6,

О Рис. 69. Принципиальная схема одной фазы частотного управления с преобразователем, обеспечивающим на выходе-

напряжение синусоидальной формы.

Токи i2 и г'з управления транзисторами Т'2 и Г3 выпрямителя показаны на рис. 72, г, е. Для этого случая форма кривой

напряжения £/в на выходе управляемого выпрямителя при дан­ном значении напояжения £/ш изобпажена на рис 72, а сплош­

ной линией (пунктирными линиями показаны синусои­дальные полуволны вторич­ных обмоток трансформато­ров Тр1). Величина напря­жения изменяется в соот­ветствии с уравнением UB~ — Ud. cos а (см. § 10).

Таким образом, изме­нение величины напряже­ния Usi на входах реле Pi — Рз приводит к изме­нению величины напряже­ния Uи на выходе управ­ляемого выпрямителя.

Для выявления формы кривой выпрямленного на­пряжения, подаваемого на вход однофазного инверто­ра ОИ (см. рис. 69) при управлении выпрямителем УВи обратимся к рис. 73 На этом рисунке кривая 1 представляет собой зависи­мость среднего значения на­пряжения £/в на выходе уп­равляемого выпрямителя от величины напряжения Uні на выходах реле Pi — Р3. Поскольку синусоидаль­ное напряжение Uа с вы­хода демодулятора датчика низкой частоты меняется с частотой, определяемой ско­ростью вращения его сель­сина, напряжение U-ai на выходе выпрямителя Вх имеет форму выпрямленно­го напряжения двухполупе - риодного выпрямителя (кри­вая 2 на рис. 73). Если теперь это напряжение по-

дать на входы реле Рі — Рз управляемого выпрямителя, то при ра боте выпрямителя на линейном участке кривой 1 среднее значение напряжения иь на его выходе будет меняться по такому же за­кону (кривая 3 на рис. 73). Очевидно, в зависимости от величины входного сигнала с/вх системы частотного управления меняются величина и частота пульсации напряжения выпрямителя.

Рассмотрим принцип работы системы управления инвертором (см. рис. 69).

Как уже было упомянуто, в качестве демодуляторов Д2, Ді, Д6 датчика низкой частоты использованы фазочувствительные двухпо- лупериодные усилители по схеме с недифференциальной нагрузкой (см. § 11). Напряжение с выхода ФЧУХ (см. рис. 69) подается на вход реле Р и через фазоинвертор ФИ — на вход реле Р2 Эти реле управляют ключами К и /С2, подключающими постоян­ное напряжение к преобразо­вателям напряжения Пі и Я2, которые, в свою очередь, уп­равляют соответственно тран­зисторами Тц, Тп и Т15, Т is однофазного инвертора.

Обратимся к рис 74 На верхней оси этого рисунка при­ведены формы кривых напря­жения UА на выходе датчика низкой частоты, напряжения UB на выходе управляемого выпрямителя УВі и напряже­ния t/фА на выходе однофаз­ного инвертора ОИ, на ниж­ней оси — формы кривых на­пряжения Uі на выходе ФЧУь ТОКОВ 114, in, управляющих транзисторами Тц, Тп, и то­ков tis, і'іє, управляющих тран­зисторами Тis, 74їв однофазно­го инвертора ОЙ. Согласно этому рисунку, напряжение И син - фазно с напряжением UА, а следовательно, и с напряжением С/в (синфазность обеспечена тем, что перечисленные напряжения обра­зуются из напряжения, снимае­мого с сельсина датчика низкой частоты)

В момент времени t сраба­тывает реле Р и открывает ключ Kv. В результате этого возбуж­дается преобразователь напряже­ния Пі, токи 1ц и in на выходе которого отпирают транзисторы Тн и Тп инвертора. В момент t2 реле Р отпускает, и эти транзи­сторы запираются. Благодаря на­личию фазоинвертора ФИ реле Р2 срабатывает в момент времени ti. Это реле отпирает ключ К2, в результате чего возбуждается преобразователь П2 и токи і^ и і!6 отпирают транзисторы Т15 и TS инвертора. В момент времени t2 эти транзисторы запираются Далее процесс протекает аналогично описанному

Поскольку коммутация транзисторов инвертора происходит в моменты времени, когда напряжение UB близко к нулю, на­пряжение С/фА на выходе инвертора имеет вид синусоидального

переменного напряжения, повторяющего в каждом полупериоде фор­му кривой напряжения UB. Вьгбор потенциалов срабатывания реле Pi и Р2 позволяет обеспечить промежутки времени At, когда все тран­зисторы инвертора заперты, что исключает возникновение «сквоз­ных» токов. Благодаря большой частоте напряжения на выходе преобразователей Пі и П2 (—2000 гц) транзисторы инвертора ра­ботают в ключевом режиме (см. гл. 4).

В трехфазной схеме (см. рис. 71) управление каждой фазой инвертора протекает аналогично описанному, но со сдвигом на 120° и 240° эл. относительно фазы А.

Как следует из принципа действия системы, диапазон измене­ния частоты на ее выходе в значительной мере зависит от частоты

напряжения трехфазной сети переменного тока, питающего управ­ляемый выпрямитель. Чем больше частота трехфазной сети, тем больший диапазон регулирования можно получить, сохраняя при Ътом синусоидальность формы выходного напряжения инвертора.

В соответствии со схемой рис. 69 была изготовлена и экспе­риментально исследована рассматриваемая система частотного уп­равления. В качестве исполнительного двигателя был использован синхронно-реактивный двигатель со следующими номинальными данными (изготовлен на базе серийного асинхронного двигателя

типаА-31-4):

Мощность.......................................................................................... ' Рн=120 вт

Номинальный ток......................................................................... Адв=5,1 а

Номинальное фазное напряжение. Uф=30 в

Номинальная частота................................................................ /н=30 гц

Номинальный момент на валу. . . Мп—1,3 дж Перегрузочная способность.... Х=Л4макс/Мн=2

Управляемые выпрямители УВ і — У53 системы частотного уп­равления питались от трехфазной сети переменного тока 50 гц. В качестве заданного режима работы двигателя был выбран ре­жим, при котором поддерживалась неизменной перегрузочная спо­собность двигателя при постоянном моменте сопротивления на его валу. В соответствии! с этим требованием была установлена харак­теристика звена регулирования напряжения.

Работа управляемого выпрямителя иллюстрируется осцилло­граммами рис. 75. На осциллограммах приведены кривые напря-

Жёния UB на выходе управляемого выпрямителя, напряжения UBCo на выходе выпрямителя В2 и тока г'і, управляющего транзистором Ті. Как видно из осциллограмм, с увеличением напряжения UB уменьшается среднее значение выпрямленного напряжения от зна­чения £/в=46 в до значения UB~26 в.

Осциллограммы рис. 76 иллюстрируют работу системы управле­ния однофазным инвертором при установившемся режиме работы системы частотного управления соответственно и а частотах /~3 гц и 8 гц. На верхних осях осциллограмм изображена форма кри­вой напряжения U на выходе фазочувствительного усилителя ФЧУи на следующей оси—напряжение UBl на выходе мостового

выпрямителя В и напряжение эмиттер — база £/3-б на транзисторах Гм, jT17 инвертора. Далее показана форма кривой тока в фазе дви­гателя. Из осциллограмм следует, что моменты времени прохож­дения через нуль напряжений £/э-б и Ui совпадают с моментом равенства нулю напряжения UB и, следовательно, напряжения £/в на выходе управляемого выпрямителя.

На осциллограммах рис. 77 показаны формы кривых тока в фазах двигателя при частотах f=0,83 гц, f=10 гц и f=26 гц. Из рассмотрения формы кривых токов, приведенных на этих осцилло­граммах, видно, что с увеличением частоты форма кривой тока ухудшается. Практически синусоидальный характер изменения тока сохраняется до частот, примерно равных 15—17 гц.

Динамические свойства системы частотного управления иллю­стрируются осциллограммой рис. 78, на которой показан переход­ный процесс при реверсировании двигателя с номинальным момен­том на его валу. Реверс двигателя осуществлен путем изменения полярности напряжения на входе системы частотного управления (на входе датчика низкой частоты и звена регулирования напря­жения).

Так как система частотного управления практически безынер­ционна, а исполнительный синхронно-реактивный двигатель не мо­жет мгновенно втягиваться в синхронизм, на входе системы было включено инерционное звено, постоянная времени которого была выбрана из условия обеспечения синхронной работы двигателя. Согласно кривой изменения тока двигателя /дв, реверсирование СРД происходит за время tp = 2 сек. Для фиксации синхронной

Рис. 77. Осциллограммы кри­вых токов в фазах син­хронно-реактивного двига­теля: а — при f ==0,83 гч,

работы двигателя на его валу был установлен вспомогательный сель­син (его обмотка возбуждения запитана постоянным током, т. е. он работает в режиме синхронного генератора). Из сравнения кри­вой напряжения Uс на выходе сельсина и управляющего транзисто­ром Тц напряжения U3-б однофазного инвертора следует, что в процессе реверсирования двигатель находился в синхронизме.

Таким образом, рассматриваемая система частотного управле­ния при питании управляемого выпрямителя от сети 50 гц может быть использована в системах электропривода с диапазоном регу­лирования частоты от долей герца до 30 гц. При необходимости практически синусоидальных форм кривых тока и напряжения на зажимах двигателя диапазон изменения частоты должен быть уменьшен до 15—17 гц. Расширение этого диапазона возможно при условии питания управляемого выпрямителя от трехфазной сети повышенной частоты.