1.1.    ТИРИСТОРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ – УПРАВЛЯЕМЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Регулировать значение подводимого к двигателю напряжения можно за счет включения в цепь статора дополнительных элементов (резисторов, дросселей насыщения) или с помощью тиристорных регуляторов напряжения (ТРН). Использование ТРН по сравнению с другими способами регулирования напряжения дает ряд преимуществ: электроприводам:

· повышает коэффициент полезного действия (КПД);

· осуществляет бесступенчатое регулирование;

· понижает инерционность;

· уменьшает массо-габаритные показатели.

Существует большое разнообразие схем (рис. 1.1) включения силовых вентилей (тиристоров, диодов), позволяющих осуществить бесконтактную коммутацию статорных цепей, асинхронных двигателей и регулировать уровень подводимого напряжения [62]. В приведенных схемах статорные обмотки соединены как в звезду, так и треугольник.

Тиристорные регуляторы напряжения выполняют по симметричным и несимметричным схемам. В симметричных схемах (рис. 1.1 а, б, г, д) коммутирующий элемент состоит из двух встречно-параллельных тиристоров в каждой фазе, при этом управляющие импульсы подаются на тот тиристор, к аноду которого в данный момент времени приложен положительный потенциал сетевого напряжения. В несимметричных схемах (см. рис. 1.1, в) в каждой фазе коммутирующий элемент представлен встречно-

параллельно включенными тиристором и диодом. Наличие диода в коммутирующем элементе упрощает схему управления ТРН, повышает надежность, но несколько снижает диапазон регулирования выходного напряжения.

Во всех приведенных схемах регулирование выходного напряжения достигается за счёт изменения угла сдвига отпирающих импульсов тиристоров с помощью системы импульсно-фазового управления (СИФУ).

Задача точного определения напряжения, подводимого к статору двигателя при фазовом управлении, достаточно сложна, так как её решение связано с учётом взаимосвязанных электромагнитных процессов, происходящих в цепях ротора и статора. Поэтому точное математическое описание электромагнитных процессов используется при углубленных исследованиях электропривода с ТРН. Для приближенных инженерных расчетов асинхронный двигатель может быть представлен в виде трехфазной активно-индуктивной нагрузки, параметры которой определяются из схемы замещения двигателя, Т-образной (рис.1.2, а) и Г-образной (рис. 1.2, б).

Работу ТРН на активно-индуктивную нагрузку удобно рассмотреть для случая симметричной схемы. Если симметричная активно-индуктивная нагрузка включена в звезду по нулевой схеме, то ток в каждой фазе не зависит от тока других фаз.

В схеме включения одной фазы (рис.1.3, а) в каждый момент времени значение действующего напряжения сети  уравновешивается падением напряжения на вентилях и на элементах RL-цепи:

,                                                     (1.1)

где  – падение напряжения на вентиле; i – ток нагрузки;  – соответственно, активное сопротивление и индуктивность двигателя;  – амплитуда фазного напряжения.

При закрытых тиристорах падение напряжения на вентиле равно:

.                                                    (1.2)

При открытом тиристоре, например, VS1 в предположении, что вентили идеальные (прямое сопротивление равно 0), в положительный полупериод напряжение сети можно записать:

.                                             (1.3)

Решение уравнения (1.3) относительно тока нагрузки (i) имеет две составляющие: принужденную (iпр) и свободную (icв):

i = iпр + icв.                                                            (1.4)

Принужденная составляющая определяется фазным напряжением и сопротивле-нием нагрузки:

src=http://electrono.ru/wp-content/image_post/sistupravlelpriv/pic3_9.gif>,                                                 (1.5)

где  – полное сопротивление цепи нагрузки (двигателя);  – угол сдвига между током и напряжением.

Свободная составляющая тока определяется электромагнитной постоянной времени цепи нагрузки ():

,                                                   (1.6)

где tвкл – момент включения тиристора.

Показатель функции в выражении (1.6) можно представить в виде:

,                                         (1.7)

где α = ω tвкл – угол открывания тиристора.

Подставляя в выражение (1.4) значение свободной составляющей тока из выражения (1.6) и принужденной из выражения (1.5) получим:

 .                                             (1.8)

Значение коэффициента A можно найти из условия, что в момент срабатывания тиристора (w t = a) ток в нагрузке скачком измениться не может (i = 0):

                                                    (1.9)

Окончательно уравнение для тока и напряжения нагрузки будет иметь вид:

                           (1.10)

Отсюда

U = Um×sin(w×t)       при     a £ w×t £ a + l;

I = 0  или U = 0     при     a + l – p < w×t < a.

Угол проводимости (l) зависит от a и j и может быть определён из уравнения, которое получается подстановкой в выражение тока (i) значения угла w t = a + j:

sin(a+l-j) – sin(a -j)× e-l/tg = 0.                                           (1.11)

Зависимость l от a и j может быть найдена с помощью ЭВМ.

Аналогичные выражения можно получить при анализе процессов в нагрузке при открывании тиристора VS2 (avs2 = p + avs1).

Графики изменения токов и напряжений при коммутации RL-нагрузки показаны на рис.1.3, б. Графики построены для случая, когда угол отпирания тиристора VS1 превышает угол сдвига (j) между током и напряжением. Угол a = j является минимальным углом открывания тиристоров. Действительно, если a < j, то угол проводимости каждого тиристора должен превышать половину периода l > p. При этом на некоторых отрезках времени оба тиристора должны проводить ток одновременно, что невозможно, так как падение напряжения на проводящем вентиле создает обратную полярность напряжения на закрытом вентиле.

Максимальный угол отпирания тиристоров для рассматриваемой схемы (см. рис.1.1, а) a = p. При изменении угла регулирования в пределах j £ a £ p к нагрузке приложено несинусоидальное напряжение, и протекает прерывистый ток. Гармонический состав токов и напряжений на нагрузке зависит от схемы включения ТРН.

Характеристики ТРН рассматриваются, в виде семейства характеристик Uтрн=f(a,j) [63]. Обычно выходное напряжение ТРН представляют только его первой

гармоникой, так как другие гармоники (высшие нечётные) оказывают незначительное влияние на момент двигателя.

Для управляемого электропривода целесообразно построить семейство характеристик управления:

U1* = U1/Uном = f(a)

при фиксированных значениях угла нагрузки j = const [62]. На рис.1.4. приведены регулировочные характеристики ТРН для двух вариантов схем построения преобразователя: симметричной (см. рис.1.1, б) и несимметричной (см. рис.1.1, в).

Система импульсно-фазового управления принципиально не отличается от СИФУ тиристорного преобразователя постоянного тока. Обычно она строится по вертикальному принципу, при этом на неё накладываются требования по ширине отпирающих импульсов. С учетом того, что значения угла нагрузки для асинхронных двигателей

наПодпись:  
Рис. 1.4. Регулировочные характеристики ТРН: (---) – для симметричной схемы; 
(—) – для несимметричной схемы
ходятся в пределах от jmin ~20° до     jmax ~ 90°, ширина отпирающих импульсов должна быть больше:

jmax  – (amin= jmin) &s
up3; 70°.

Подпись:  

Рис. 1.5. Принципиальная схема одноканальной СИФУ
Одноканальная асинхронная СИФУ, используемая в промышленных тиристорных регуляторах напряжения типа тиристорные станции управления (ТСУ) СИФУ – аналогово-цифровые с вертикальным принципом управления         (рис. 1.5), состоит из пяти основных узлов: аналогово-цифрового преобразователя, генератора, счетчика, дешифратора и шести схем «ИЛИ». По каждому синхроимпульсу «Синх.» в соответствии с сигналом управления аналогово-цифровой преобразователь вырабатывает импульс, который устанавливает счётчик в нулевое состояние, при этом запускается генератор, и счётчик начинает подсчитывать импульсы, вырабатываемые генератором. В соответствии с содержанием счётчика выдаётся сигнал с соответствующего выхода дешифратора (длительность 60º).

При равенстве пяти содержимого счетчика на шестом выходе дешифратора появляется сигнал, блокирующий работу генератора. Генератор будет находиться в заторможенном состоянии до появления следующего импульса с аналогово-цифрового преобразователя.

Схемы «ИЛИ» производят попарно логическое суммирование выходных импульсов дешифратора, обеспечивая расширение выходных отпирающих импульсов (+А, -А, +В, -В, +С, -С) до 120º.

Аналогово-импульсный преобразователь выполнен на элементах А1, А2, D1, интегрирующей цепи С1R13 и дифференцирующей цепи C2R15. Преобразователь за период напряжения сети вырабатывает один кратковременный импульс, сдвинутый от синхроимпульса на время (угол), соответствующее значениям сигнала управления и сигнала обратной связи. Усилитель А2 выполняет функцию компаратора. Генератор выполнен на элементе D6 (микросхема К155АГ3), счётчик D5 (микросхема К155ИЕ5) своим входом соединён с выходом генератора, а выходом – с дешифратором D7 (микросхемой К155ИД4).

В зависимости от входной информации с соответствующего выхода дешифратора выдается сигнал нулевого уровня.

По переднему фронту каждого синхроимпульса «Синх.» дифференцирующей цепочкой С7R5 вырабатывается импульс, по которому элементы D1.3, D1.4 кратковременно открываются, и происходит разряд конденсатора интегрирующей цепи C1R13. По окончании этого импульса через R13 начинается заряд конденсатора С1.

Потенциал на инверсном входе усилителя А2 является опорным сигналом и соответствует значению напряжения сигнала управления, поступающего на вход СИФУ (U’упр = Uупр – Uос). Когда потенциал пилообразного напряжения на конденсаторе С1 (на прямом входе усилителя А2) начнёт превышать потенциал входа 4 этого усилителя, на выходе компаратора появляется сигнал положительной полярности, а с выхода дифференцирующей цепи C2R15 выдаётся кратковременный импульс единичного уровня, по которому счётчик D5 сбрасывается в нулевое состояние (конденсатор С1 продолжает заряжаться до прихода следующего синхроимпульса).

При сбросе счётчика D5 в нулевое состояние на шестом выходе дешифратора D7 устанавливается единичный уровень. Этот сигнал подаётся на вход заторможенного генератора D6 через элементы D2.1, D2.2. При этом обеспечиваются условия для самозапуска генератора, и он начинает генерировать кратковременные импульсы нулевого уровня.

Эти импульсы подсчитываются счётчиком D5, по выходной информации которого на соответствующем выходе дешифратора D7 появляется сигнал нулевого уровня. Для большей надёжности запуска генератора через элемент D2.3 подаётся импульс с дифференцирующей цепочки C2R15. Когда генератор выработает пять импульсов, сигналом с шестого выхода дешифратора, он затормаживается. По переднему фронту очередного синхроимпульса счётчик D5 сбрасывается в нулевое состояние, на выходе 6 элемента D7 устанавливается сигнал единичного уровня, и генератор начинает выработку очередной серии импульсов. Длительность импульсов определяется цепочкой C3R16, а период – цепочкой С6R19.

Каждому уровню сигнала управления соответствует определённое значение напряжения на выходе усилителя А1, а следовательно, и фаза выходного сигнала компаратора А2. Таким образом, с изменением уровня сигнала управления изменяется фаза выходных импульсов. Диапазон регулирования угла открытия тиристоров от 0º до 240º. Ключи «Работа» и «Торможение» обеспечивают подключение входа усилителя А1 к источнику управляющего сигнала или к источнику, определяющему интенсивность торможения.