ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЭЛЕКТРО­ПРИВОД

КЛАССИФИКАЦИЯ И ОСНОВНЫЕ СХЕМЫ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

При использовании вентильных преобразователей управление электроприводом осуществляется путем изменения продолжитель­ности проводящего и непроводящего состояний силовых полупро­водниковых элементов (тиристоров, симисторов, транзисторов), включенных в цепи асинхронного двигателя (статорные, ротор­ные), что приводит к чередованию различных схем включения асинхронной машины и к изменению интервалов времени работы этих схем, т. е. полупроводниковые преобразователи являются дискретными устройствами, осуществляющими импульсное воз­действие на асинхронный двигатель.

В схемах преобразователей для параметрического управления статорными и роторными цепями асинхронных двигателей при­меняются различные полупроводниковые элементы (приборы с полной и неполной управляемостью), способы управления, час­тоту коммутации вентильных элементов /к целесообразно сравни­вать с частотой переменного напряжения fu. Причем управ­ляемые вентили включаются в цепи как переменного, так и выпрямленного тока. В первом случае может быть использован отдельный прибор для коммутации каждой из полуволн перемен­ного напряжения (например, тиристор) или один прибор для ком­мутации обеих полуволн переменного напряжения (например, си - мистор или униполярный вентиль, включенный в диагональ одно­фазного мостового выпрямителя). Во втором случае коммутирую­щий элемент включается на выходе трехфазного мостового вы­прямителя.

Используя совокупность указанных признаков, полупроводни­ковые преобразователи можно укрупненно разделить на следую­щие классы:

1. Преобразователи на основе вентильных элементов с непол­ной управляемостью (тиристоров или симисторов), включаемых в цепи переменного тока и работающих в режиме естественной коммутации. Этот тип преобразователей реализует так называе­мое фазовое управление (ФУ) в статорных (ФУС) или роторных (ФІУР) цепях асинхронного двигателя [6, 7]. Частота fK жестко связана с fu. Так, при коммутации каждой полуволны отдельным элементом fK—fu, при использовании одного полупроводникового прибора для коммутации обеих полуволн fK—2fu. Управление дви­

гателем осуществляется за счет изменения угла управления вен­тилей а, отсчитываемого обычно от нулевого значения соответст­вующего фазного напряжения.

2. Преобразователи на основе полностью управляемых вен­тильных элементов (тиристоров с искусственной коммутацией или силовых транзисторов). Этот тип преобразователей можно на­звать системами импульсного управления в статорных (ИУС) или роторных (ИУР) цепях асинхронного двигателя [8, 9]. На практике применяются, как правило, системы с широтно-импульс­ной модуляцией, когда при неизменном периоде коммутации Тк= = 1//к полностью управляемого ключа воздействие на электро­привод осуществляется за счет изменения tp — времени проводя­щего состояния ключа. В этом случае параметром регулирования является относительное время проводимости ключа y—tp/TK. До последнего времени системы импульсного управления применя­лись в основном в цепях выпрямленного тока, однако с появле­нием силовых транзисторов возникли возможности и для создания систем импульсного управления в цепях переменного тока [10]. Принципиально соотношение частот fK и fu (/к и 2fu) при исполь­зовании широтно-импульсных преобразователей (ШИП) может быть любым, однако отнесем к этому классу системы, удовлетво­ряющие условию /к>/ы (/к>2/м).

Рассмотрим основные схемы преобразователей различных классов.

На рис. 1.1 приведены схемы для фазового управления статор­ными цепями, в этом случае величина fu остается неизменной в процессе работы преобразователя и равна частоте питающей се­ти /о- Схемы рис. 1.1 различаются числом коммутируемых фаз статора при управлении двигателем и структурой однофазного коммутирующего элемента. В ряде схем используется два тирис­тора, соединенных встречно-параллельно и включаемых в три

(схема ЗТТ, рис. 1.1,а), две (схема 2ТТ, рис. 1.1,в) или одну (схе­ма ITT, рис. 1.1,г) фазу статорных обмоток. Отметим, что вместо структуры ТТ может использоваться один симистор. В схеме рис. 1.1,6 применен тиристорно-диодный коммутирующий эле­мент, включенный во все три фазы статора (схема ЗТД). Преоб­разователи рис. 1.1,а — г могут подключаться как между питаю­щей сетью и статорными обмотками, так и за статорными обмот­ками. Включение преобразователя по второму способу возможно, если выводятся все шесть концов обмоток статора, что выполня­ется не у всех типов асинхронных двигателей, поэтому первый вариант включения является более универсальным. Эта схема включения наиболее приемлема еще и потому, что позволяет из­менять (при некотором усложнении преобразователя) порядок подключения фаз двигателя к трехфазному питающему напряже­нию. Показанная на рис. 1.1,д схема кольцевого тиристорого ком­мутатора (КТК), которая по воздействию на двигатель аналогич­на схеме рис. 1.1,6 [11], может быть включена только за статор­ными обмотками. Применительно к схеме соединения обмоток статора в звезду без нулевого провода (а именно эти схемы будут рассматриваться в дальнейшем) при ФУ в статорных цепях в об­щем случае происходит чередование режимов подключения трех фаз к питающей сети (ЗФ — С), когда по всем фазам статора протекает ток; подключения двух фаз статора к сети (2Ф — С), когда ток протекает по каким-либо двум фазам статора, и режи­ма отключения всех фаз статора от питающей сети (ОФ/—С), когда по всем трем фазам статора ток не протекает. Таким обра­зом, при работе на регулировочных характеристиках по фазам статора протекает прерывистый ток и к ним приложено несинусо­идальное напряжение.

Основные виды преобразователей для ИУС показаны на рис. 1.2. На рис. 1.2,а приведена схема с использованием полно­стью управляемого ключа К в цепи выпрямленного тока. Преоб­разователь включается в рассечку нулевой точки обмоток стато­ра. Ключ К может конструктивно выполняться на основе тиристо­ров с искусственной коммутацией (рис. 1.3,а) или силовых транзисторов (рис. 1.3,6). Основной недостаток схемы рис. 1.2,а — большие перенапряжения на коммутирующем элементе при пери­одических отключениях двигателя от сети, что приводит к значи­тельному усложнению исходной структуры [9]. Для успешного

Рис. 1.3. Ключи постоянного (а, б) и переменного (в, г) тока, используемые в ШИП

применения полупроводниковых ШИП необходимо существенно снизить или устранить перенапряжение на коммутирующих эле­ментах при отключениях двигателя от сети, что можно достичь, если обеспечить неразрывность цепей статорных обмоток в тече­ние существования в них тока. Эту задачу можно решить с по­мощью коммутаторов, имеющих устройство для закорачивания нагрузки при разрывах цепи питания [12].

Схема ШИП с использованием полностью управляемых клю­чей в цепях переменного тока показана на рис. 1.2,6 [13]. Преоб­разователь включается между питающей сетью и обмотками ста­тора. Ключи К1 и /С-2, коммутируемые одновременно, подключа­ют двигатель к питающей сети. Ключи КЗ и К4 включаются при отключенных К1 и К2 и служат для закорачивания фаз статора при отключении двигателя от сети. В этом случае управление двигателем осуществляется за счет изменения величины у для ключей /С/, К2. При работе ШИП происходит периодическое че­редование схем включения ЗФ — Си трехфазного короткого замы­кания статорных цепей (ЗКЗ — С), причем режим ЗКЗ— С насту­пает при токах в фазах статора, отличных от нуля. Схемы ключей К1 — К4 с использованием транзисторов показаны на рис. 1.3,в, г. Схема рис. 1.3,в предпочтительнее, так как при этом требуется меньшее количество управляемых элементов. Вместо КЗ и К4 может быть использован трехфазный короткозамыкатель с одним ключом (рис. 1.2,а). Чтобы фазные напряжения двигателя были симметричны и не содержали постоянной составляющей, необхо­димо обеспечить fK=6nfo [10], где п— 1, 2, 3...

Укажем, что, используя приведенные схемы преобразователей для статорных цепей и обеспечивая частоту коммутации fK<fo, можно реализовать не рассматриваемые здесь способы квазичас - тотного управления асинхронным двигателем.

При использовании асинхронных двигателей с контактными кольцами преобразователи для параметрического управления можно включать в роторные цепи. Основное отличие (по сравне­нию с коммутацией в статорных цепях) связано с тем, что в этом случае частота fu, равная частоте переменного напряжения в ро-

торных цепях fr, не остается постоянной, а зависит от скорости двигателя, так как

/r = /»S = f„^ = /c?!^y=^. (1-1)

2С Qo/Ai

где s== (йс—й)/йс — скольжение асинхронного двигателя; fic= —&о/рп— синхронная угловая скорость двигателя (угловая час­тота электромагнитного поля в статоре), рад/с; рп — число пар полюсов; йо — угловая частота напряжения питающей сети, рад/с; Q — текущая угловая скорость двигателя, рад/с.

Принципиально любой из типов преобразователей, показанных на рис. 1.1, можно использовать для фазового управления в ротор­ных цепях. При этом возможны различные модификации, так как в роторные цепи помимо преобразователя могут быть включены еще и добавочные сопротивления RA. На рис. 1.4 показаны схемы преобразователей при использовании исходной структуры рис. 1.1,а. Управление в роторных цепях по схеме рис. 1.4,а реа­лизуется без использования добавочного сопротивления, на схе­ме рис. 1.4,6 коммутирующий элемент каждой фазы включен по­следовательно с Rn, а на схеме рис. 1.4,в — параллельно с /?д. Возможны также варианты подключения преобразователей не только между контактными кольцами и добавочными сопротивле­ниями (как показано на рис. 1.4,6), а за добавочными сопротив­лениями, подключенными к выводам фазового ротора.

При работе таких систем имеют место различные схемы вклю­чения роторных цепей в процессе управления. Так, в схеме рис. 1.4,а происходит чередование следующих схем включения: протекание тока по всем трем фазам ротора (ЗФ — Р), протека­ние тока по двум фазам ротора (2Ф — Р), отсутствие тока на всех трех фазах ротора (ОФ — Р). Схемы подключения роторных цепей при работе преобразователя рис. 1.4,6 аналогичны, с той лишь разницей, что при протекании тока по фазам ротора к ним подключено добавочное сопротивление. В схеме рис. 1.4,в ток всегда протекает по всем трем фазам ротора, однако при откры-

тых тиристорах сопротивление RA в соответствующей фазе зашун - тировано, при закрытых — в фазу включено Ra. В схеме рис. 1.4,в чередуются следующие схемы трехфазной проводимости роторных цепей: ЗФ — Р (Ra во всех фазах зашунтированы): ЗФ— Р, 3Rr (7?д включены во все три фазы ротора); ЗФ — Р, 1 Rr (Rr вклю­чено в одну фазу).

Преобразователи для импульсного управления в роторных це­пях показаны на рис. 1.5. В этом случае частота fK, не связанная с fu, всегда больше fu, что позволяет обеспечить высокую частоту коммутации управляемых ключей в цепи выпрямленного (рис. 1.5,а) и переменного (1.5,6) токов ротора даже при больших скоростях двигателя, когда частота fu мала. При построении клю­ча К на основе тиристоров с искусственной коммутацией (рис. 1.3,а) частота fK ограничена и в реальных схемах составля­ет 300—400 Гц, поэтому для ограничения амплитуды пульсаций выпрямленного тока ротора в эту цепь вводят дроссель (Ьл, рис. 1.5,а). При использовании транзисторного ключа К (рис. 1.3,6) значение fK может быть значительно повышено, что позволяет исключить из схемы La. В схеме рис. 1.5,6 транзистор­ные ключи К1 и К2 в цепи переменного тока (рис. 1.3,в, г) управ­ляются одновременно, обеспечивая чередование в роторных цепях режимов: ЗФ’ — Р, ЗФ — Р, 3RA. Для унификации с ШИП в ста­торных цепях неизменную частоту коммутации ключей К1 и К2 можно выбрать из условия: /K=6nfo-

При использовании двигателей с фазовым ротором возможно осуществлять совместное, или комбинированное, управление [14, 15]. В этом случае полупроводниковые преобразователи включа­ются в статорные и роторные цепи, что позволяет при одновремен­ном управлении ими улучшить в ряде случаев энергетические показатели электропривода [16]. Сочетая преобразователи раз­личных типов для управления статорными и роторными цепями, можно получить большое число модификаций комбиниоо-

ванного управления. Для иллюстрации на рис. 1.6 приведен один из возможных вариантов такой системы.

Системы электропривода, построенные с использованием раз­ных преобразователей, имеют различные свойства, при оценке ко­торых целесообразно руководствоваться такими показателями, как количество силовых, в том числе управляемых, полупровод­никовых элементов, необходимых для построения преобразовате­ля; требования к номинальным параметрам вентилей (ток и на­пряжение и их производные); требования к системам управления преобразователями; возможный диапазон изменения скорости и момента; степень управляемости двигателя (обеспечение режи­мов пуска, торможения,_ реверса при использовании исходной структуры преобразователя или части ее силовых элементов); быстродействие при отработке изменяющихся входных сигналов; энергетические показатели (КПД и коэффициент мощности); ам­плитуда и частота пульсаций момента при вентильном управлении электроприводом; равномерность загрузки отдельных фаз двига­теля и др.

Анализируя совокупность этих факторов и производя их срав­нительную оценку для различных типов преобразователей, можно в общем виде определить наиболее рациональные структуры по­лупроводниковых преобразователей для параметрического управ­ления асинхронными электроприводами. Такой анализ проведен в гл. 2.