РЕВЕРСИВНЫЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ
Производим и продаем электроприводы ЭТУ, ЭПУ для двигателей постоянного тока, тел./email +38 050 4571330 / rashid@msd.com.ua
В реверсивных электроприводах применяют три способа изменения направления мохмента (рис. 7):
А) изменением направления потока возбуждения двигателя без изменения направления тока в цепи якоря двигателя;
7* |
|
i |
J* |
|
Ff |
||
T |
||
■11 |
М |
|
Шш |
Рис. 7. Схемы и характеристики реверсивных тиристорных электроприводов. А — реверс возбуждения; б — реверсор в цепи якоря: в — две группы вентилей; В — выпрямитель; И — инвертор.
Б) изменением направления тока в цепи якоря двигателя с помощью переключателя (реверсора);
В) изменением направления тока в цепи якоря двигателя с помощью двух вентильных групп.
В приводах, где допустимое время реверса составляет 0,5—2,5 сек, Возможно применение схемы с реверсом возбуждения. Эта схема проще и дешевле остальных, но уступает им по динамическим показателям вследствие большой постоянной времени обмотки возбуждения.
Для приводов, гДе допустимо «мертвое» время около ОД сёЯ И более, можно использовать схему тиристорного электропривода с реверсором в цепи якоря.
Для приводов, где требуется максимальное быстродействие, применяется схема с двумя вентильными группами преобразователя, имеющая следующие исполнения:
А) встречно-параллельное включение вентильных групп с питанием от трансформатора с одним комплектом вторичных обмоток (рис. 8,а);
Б) встречно-параллельное включение вентильных групп, каждая из которых питается от отдельной вторичной обмотки трансформатора. Эта схема получила название «перекрестной» (рис. 8,6);
В) так называемая Н-схема (рис. 8,в). В этой схеме две группы вентилей, обозначенные буквой В и присоединенные к двум комплектам вторичных обмоток трансформатора, обеспечивают полярность выпрямленного напряжения одного знака, а две группы вентилей, обозначенные буквой //, — полярность выпрямленного напряжения другого знака.
Во всех схемах реверсивных тиристорных электроприводов при работе одной группы тиристоров в выпрямительном режиме другая группа находится в готовности к инверторному режиму.
Применяются два основных метода управления вентильными группами: совместное и раздельное. В свою очередь, совместное управление выполняется согласованным и несогласованным.
При согласованном управлении средние значения напряжений обеих вентильных групп равны друг другу при любых углах регулирования и противоположны по знаку, т. е. выполняется соотношение
Или
«. = Ри>
Где ав и аи — углы регулирования выпрямительной и инверторной групп; ри=180°—аи— угол опережения инверторной группы.
Однако мгновенные значения напряжений групп не равны друг другу во все моменты времени, вследствие чего в замкнутом контуре (или контурах), образуемом тиристорными группами и обмотками трансформатора, течет уравнительный ток (JI. 13]. В перекрестной схеме (рис. 8,6) имеется один контур уравнительных токов, а во встречно-параллельной (рис. 8,а) и в Н-схеме (рис. 8,в) существуют два контура уравнительных токов, образованные соответственно левыми «(вентили 1Т, ЗТ, 5Т группы В и вентили 2Т, 4Т, 6Т группы Н) или правыми (вентили 2Т, 4Т, 6Т группы В и вентили 1Т, ЗТ, 5Т группы II) полумостами.
19 |
Рассмотрим в качестве примера нашедшую наибольшее распространение встречно-параллельную схему; при этом можно ограничиться только одним контуром уравнительных токов, так как оба контура аналогичны. Для определенности примем, что группа В Работает в выпрямительном режиме, а группа Я — в инверторном. На рис. 9,а показаны диаграммы фазных напряжений и моменты коммутации вентилей выпрямительной (В) и инверторной (И) групп при различной величине углов регулирования ав и опережения Ри - Обозначения 1ТВ, 4ТИ и т. д. означают, что тиристор IT работает в выпрямительном режиме, а тиристор 4Т — в инверторном. В мо-
МеНТЫ времени /0, t2, it. и т. Д. происходят коммутации вентилей инвертора, а в моменты времени tu /з, h и т. д. — коммутации вентилей выпрямителя.
В промежутки времени to—tu ^з и т. д. вследствие неодновременного включения вентилей выпрямительной и инверторной групп, присоединенных к одной фазе питающего напряжения, возникает уравнительное напряжение иур, представляющее собой разность фазных напряжений, и протекает урав« нительный ток /ур. Если при« нять, что контур уравнительного тока имеет только индуктивное сопротивление, то ток достигнет максимума в момент перехода напряжения иур через нуль и станет равным нулю в момент времени t (или U и т. д.), когда площадь, ограниченная кривой ulv под осью абсцисс, станет равной площади, ограниченной кривой иур над осью абсцисс. При углах <хв и ри<60° уравнительный ток имеет прерывистый характер, а в кривой уравнительного напряжения есть нулевые участки (в отрезки времени t—h—U и т. д.) при ав=^ри=60°, и более уравнительный ток становится непрерывным.
•Величина уравнительного тока может быть ограничена с помощью уравнительных дросселей, индуктивность которых выбирается такой, чтобы уравнительный ток не превысил 10% от номинального тока. Уравнительные дроссели включаются в контур уравнительного тока по одному или по два на группу (рис. 8).
Yjt, |
Рис. 8. Схемы реверсивных тири |
Во встречно-параллельной схеме при включении уравнительных дросселей по два на группу (рис. 8,а) они выполняются насыщающимися при протекании тока нагрузк-и. На-
АрйМё|э, при работе группы Ё насыщаются уравнительные Дроссёлй УД1 и УД2, а дроссели УДЗ и УД4 остаются ненасыщенными и ограничивают уравнительный ток. В случае включения уравнительных дросселей по одному на группу в этой же схеме они располагаются согласно рис. 8,а (дроссели УД1 и УДЗ) и не должны насыщаться при протекании по ним тока нагрузки. Так как индуктивность дросселя, необходимая для ограничения уравнительного тока, обычно больше той, которая нужна для ограничения пульсаций выпрямленного тока, то ненасыщающиеся уравнительные дроссели могут одновременно выполнять роль сглаживающих.
В перекрестной схеме уравнительные дроссели располагаются как показано на рис. 8,6. В этом случае они могут быть насыщающимися или ненасыщающимися. При насыщающихся дросселях необходим дополнительный сглаживающий дроссель, показанный на рис. 8,6 пунктиром.
В Н-схеме (рис. 8,в) возможно применение четырех насыщающихся или двух ненасыщающихся уравнительных дросселей, соединенных аналогично дросселям во встречно-параллельной схеме.
Однако наиболее рациональным является включение одного ненасыщающегося уравнительного дросселя между нулевыми точками вторичных обмоток трансформатора, так как по нему наряду с током нагрузки протекают уравнительные токи обоих контуров (рис. 8,в). Этот дроссель одновременно выполняет роль сглаживающего.
В реверсивных тиристорных электроприводах наибольшее распространение получила встречно-параллельная схема соединения вентильных групп, так как она имеет ряд преимуществ перед другими схемами, а именно:
Сторных преобразователей и расположение в них дросселей. |
А) содержит простой двухобмоточный трансформатор, который может быть применен как в реверсивном, так и в нереверсивном электроприводе и имеет наименьшую типовую мощность по сравнению с трансформаторами в других схемах;
Рис. 9. Уравнительные напряжения и токи во встречно-параллельной схеме.
А — при согласованном управлении; б — при несогласованном управлении.
Б) может питаться непосредственно от трехфазной сети через анодные токоограничивающие реакторы;
В) позволяет унифицировать конструкции реверсивного и нереверсивного электроприводов.
П3 ЗТВ Яа 1L |
* в •/>*'> |
Перекрестная схема уступает встречно-параллельной по техническим и весовым показателям, так как она имеет трехобмоточный
Трансформатор, сложный по конструкции и имеющий большую типовую мощность, чем во встречно-параллельной схеме (1,262 от мощности на стороне выпрямленного тока против 1,05 у встречно - но-параллельной схемы). Перекрестная схема не позволяет широко унифицировать реверсивные и нереверсивные электроприводы и питать реверсивный электропривод непосредственно от сети через анодные токоограничивающие реакторы. Суммарный вес трансформатора и дросселей в перекрестной схеме больше, чем во встречно - параллельной, несмотря на меньшие размеры и вес уравнительных дросселей.
Н-схема, как и перекрестная, содержит трехобмоточный трансформатор, у которого напряжение каждой вторичной обмотки также соответствует полному выпрямленному напряжению, однако в ней может быть один дроссель, в то время как в перекрестной схеме их два (ненасыщающихся) либо три (два насыщающихся и один сглаживающий).
При несогласованном управлении среднее значение напряжения инверторной группы превышает напряжение выпрямительной группы. При изменении угла регулирования выпрямительной группы угол опережения инверторной группы поддерживается неизменным и равным (Ри. мин. На рис. 9,6 показаны диаграммы токов и напряжений, построенные аналогично рис. 9,а для несогласованного управления при 'Ри. мин= 15°, ав = 15° и ав=60°. Из диаграмм видно, что при неизменном угле опережения |Ри=|Ри. мин и угле регулирования ав, меняющемся от 'ав=|ри. мин до ав = 60°, величина уравнительного тока остается неизменной. При дальнейшем увеличении угла регулирования iaB до 90° уравнительный ток также меняться не будет. Угол Ри. мин является при несогласованном управлении величиной, определяющей уравнительный ток. Чем меньше угол Ри. мин, тем меньше уравнительный ток, и в пределе при Ри. мин=0 уравнительный ток также будет равен 0.
Для ограничения величины уравнительного тока при несогласованном управлении и рИ.мин>0 также необходимо включение Дросселей в контур уравнительного тока, однако индуктивность их оказывается значительно меньшей, чем при согласованном управлении. В тех случаях, когда по условиям коммутации имеется возможность установить угол Ри. мин, блИЗКИЙ К НуЛЮ, МОЖНО ВООбще Отказаться от уравнительных дросселей |JT. 14].
При согласовании характеристик систем фазового управления в соответствии с равенством
IaB+iaH=300°
Уравнительный ток становится равным нулю во всем диапазоне регулирования. Поэтому отпадает надобность в использовании уравнительных дросселей (Л. 41].
К несогласованному управлению вентильными группами относится способ ограничения уравнительных токов с помощью регуляторов [Л. 13].
Разница между этими способами заключается лишь в методе задания минимального угла инвертирования Ри. мин.
При несогласованном управлении угол Ри. мин, определяющий величину уравнительного тока, задается параметрически. При ИСПОЛЬЗОВаНИИ регуЛЯТОрОВ уравнительного ТОКа УГОЛ Ри. мин с их помощью устанавливается такой величины, чтобы уравнительный ток до превосходил заданного. значения. .
Для полного исключения уравнительных токов используется раздельное управление вентильными группами, которое позволяет обойтись без уравнительных дросселей. Раздельное управление заключается в том, что управляющие импульсы подаются только на ту группу вентилей, которая в данный момент должна работать. На неработающей группе импульсы сняты (заблокированы). Снятие (блокирование) управляющих импульсов производится логическим переключающим устройством, которое определяет момент равенства нулю тока преобразователя, блокирует импульсы ранее работавшей группы и после некоторой паузы разрешает подачу импульсов на вентили другой группы. Пауза обычно не превышает 5—10 мсек. Запаздывание во времени необходимо для снижения тока до нуля после срабатывания датчика, осуществляющего контроль нуля тока и имеющего, как правило, некоторую нечувствительность.
При раздельном управлении уменьшается вероятность опрокидывания инвертора вследствие меньшего времени работы вентильной группы в атом режиме по сравнению с совместным управлением, уменьшаются потери электроэнергии и повышается к. п. д. электропривода из-за исключения уравнительных токов.
В реверсивных тиристорных электроприводах применяются все способы управления. Каждый из них обладает своими достоинствами и недостатками, поэтому применение того или иного способа следует обосновывать в каждом конкретном случае.
Согласованное управление позволяет получить наилучшие динамические показатели, но приводит к увеличению веса и габаритов электропривода. Поэтому согласованное управление целесообразно применять только для высокоточных приводов.
Несогласованное управление может применяться в приводах, где допустим «люфт» в регулировочных характеристиках электропривода и не предъявляются жесткие требования к его динамическим показателям.
Раздельное управление целесообразно применять в тех случаях, когда допустимо «мертвое» время порядка 5—10 мсек, что приемлемо в большинстве электроприводов. Однако оно предъявляет высокие требования к надежности устройств для блокирования управляющих импульсов. Сбой в работе блокирующих устройств и появление управляющих импульсов на нерабочей группе вентилей приводит к внутреннему короткому замыканию в преобразователе, так как уравнительный ток между группами в этом случае ограничен только индуктивностью рассеяния обмоток трансформатора и достигает недопустимо большой величины.
В настоящее время созданы высоконадежные устройства для блокирования управляющих импульсов с очень малой - вероятностью сбоя или отказа.
Раздельное управление может быть реализовано несколькими способами:
1. Блокированием одной вентильной группы при наличии тока в другой вентильной группе. При отсутствии токов вентильных групп сигналы блокирования появляются попеременно с определенной частотой на одном и другом выходах. Период колебания схемы логического переключающего устройства (ЛПУ) равен
7 = 2Д/+2Д*ь
Где — запаздывание по времени, необходимое для снижения тока до нудя, соответствующее наличию блокирующих сигнадов на обеих вентильных группах; Afi— время отсутствия блокирующего сигнала в процессе колебаний ЛПУ на одной из вентильных групп.
Если за время отсутствия блокирующего сигнала Ati ток в какой-либо из групп нарастает до величины срабатывания токового запрета ЛПУ, то в другой группе фиксируется блокирующий сигнал и схема прекращает колебательное движение. Математически, в наиболее общем виде, зависимость появления блокирующих сигналов от токов и от времени выражается в виде
Ьи &2 = /(*i, *2, О»
Где Ь и Ь2—сигналы на управление блокированием первой и второй вентильных групп, принимающие значения 0 и 1; 0 соответствует отсутствию блокирования, 1 — наличию блокирования; н и h — сигналы наличия токов, принимающие значения 0 и 1 и полученные преобразованием аналоговых сигналов токов первой и второй вентильных групп в цифровые; 0 соответствует отсутствию тока, 1 — наличию тока.
Максимальное время запаздывания включения групп для этой схемы равно 2АЛ-А/4, минимальное — нулю. Изменяющаяся продолжительность запаздывания может создать трудности в построении системы регулирования.
2. На вход устройства, помимо сигналов наличия токов вентильных групп, подают сигнал ошибки системы автоматического регулирования AЈ/=iЈ/9t—Uo. c, преобразованный в цифровое значение Аи, где U эт — эталонное напряжение, U0. с — напряжение обратной связи. Положительное значение MJ соответствует Ам=1, отрицательное — Ди=0.
Изменение состояния выходов наступает только в том случае, если токи первой и. второй вентильных групп равны нулю и произошла смена полярности сигнала ошибки. Математически эта зависимость выражается
Ьи B2=f(iu i2, А и).
3. На вход системы подается сигнал наличия тока преобразователя и сигнал ошибки системы автоматического регулирования. Для возможности работы с контролем только тока преобразователя, а не тока каждой вентильной группы, необходимо, чтобы ЛПУ содержало элемент памяти предшествующего состояния блокирования вентильных групп. Математически, в наиболее общем виде, эта зависимость выражается:
&i(t+i) = fi Мн, м> &2(*+i) = f2 Р. Ди, b2t].
Предусматривается также возможность одновременной подачи блокирующих сигналов на обе вентильные группы в случае необходимости.
Синтез схемы по этим уравнениям может быть осуществлен следующим образом: вначале строят желаемую диаграмму (рис. 10) изменения выходных сигналов Ь и Ь2 при реверсе или понижении скорости с рекуперативным торможением. На диаграмме заштрихованные площадки соответствуют наличию цифрового сигнала 1, полученного из аналогового сигнала, отсутствие площадки соответствует цифровому сигналу 0. Большими буквами обозначены аналоговые значения величин, малыми — полученные из аналоговых значений цифровые. Выходные цифровые сигналы bi и Ь2 преобразуются
в аналоговые B и В2 с помощью элементов «задержки», задерживающих исчезновение сигналов В и В2 на 5—10 мсек после исчезновения сигналов Ь и Ь2 (рис. 10). Запаздывание в исчезновении В или В2 обеспечивает одновременное снятие управляющих импульсов с обеих вентильных групп.
На основании диаграммы составлена таблица состояний, в которую вписаны все возможные комбинации цифровых значений входных сигналов i, Дм, Ьи в момент времени T. Одинаковые состояния на диаграмме и в таблице обозначены соответствующими буквами. В двух правых столбцах таблицы состояний вписаны в соответствии с диаграммой на рис. 10 желаемые состояния выхода в последующий момент времени T+. На основании полученной таблицы составляем для Ьщ+) выражение (4):
B(t+i) = iblt + Аи iht + Ди Tblt + Mlt, (4)
Пользуясь следующими правилами. Выбираем из таблицы состояний только те строки, в которых комбинация входных величин соответствует выходной величине, равной 1 (в нашем случае для bi(t+i> состояния B, G, /г, а). Символы входных величин каждой выбранной строки соединяем знаком логического умножения — операции И (знак умножения обычно опускается). В случае равенства величин нулю в строке таблицы над соответствующим символом ставим черту — знак логической операции НЕ (например, для состояния B — Аи Ibu). Полученные лошческие произведения соединяем знаком + логического сложения ИЛИ.
АО • Аи |
Рис. 10. Диаграмма состояний логического переключающего устройства при реверсе преобразователя. |
Таблица 3
Состояние |
А и |
I |
BLt |
Ь2 (t+l) |
|
D |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
С |
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
Е |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
Ь |
0 |
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
% |
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
F А |
1 |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 ° |
1 |
1 |
1 |
0 |
Преобразуем выражение (4) на основании следующих законов алгебры логики:
(X| - f - Х2) Х3 = XtX3 X2Xj x - j - ОС =: 1 xx = 0; X' 1 — x X X2 == oc �c2 bi(t+1) = blt (Au i + Au I + Au i) + Ьи (Au Г),
Au i -{- Au i - J - Au i = Au i + Au (J + i) = Aui + Au =
= А и I Au = (Au + 1) Au = Ди Дм + Au 1 = Au Г.
Подставляя полученный результат в (5), окончательно получаем:
Bi(t + 1) = blt (Au i) + Ъи (Au I). (6)
Выражение (6) является формулой триггера, на входы которого поданы величины, стоящие в скобках.
(7) |
Аналогичным образом для b2(t +1) можно получить выражение (7), учитывая, что blt=*b2t:
Bzd+i) = b2t № l) + l2t (Au Г).
На основании выражений (6) и (7) составлена схема, осуществляющая требуемые логические операции (рис. 11). В схему добавлен третий вход, при подаче сигнала на который снимаются управляющие импульсы с обеих вентильных групп.
Описанная схема ЛПУ проще в реализации, чем ранее рассмотренные схемы, позволяет жестко сблокировать выходы и получить одновременно трехпозиционное устройство. Эта схема может быть
Рис. 11. Схема логического переключающего устройства. |
DЈ/ |
--- - А/а |
Jadep&cxa на отключение
Также применена, в отличие от двух предшествующих, для управления коммутатором, осуществляющим подключение одной системы фазового управления попеременно к двум вентильным группам реверсивного преобразователя, для управления исполнительной частью реверсора и для управления динамическим торможением нереверсивного преобразователя, имеющего в качестве аппарата, подключающего сопротивление динамического торможения к якорю двигателя, тиристор и требующего блокирования вентильной группы на время торможения.