27. Раздельное управление реверсивными группами. Автоматический выбор работающей группы в зависимости от знака ошибки регулирования.

Наиболее эффективным способом ограничения уравнительного тока является раздельное управление вентильными группами. В электроприводах с раздельным управлением импульсы в любом режиме работы электропривода подаются только на одну группу вентилей реверсивного преобразователя, и ток протекает только через эту группу. Так как другая группа вентилей при этом заперта, то тем самым, полностью исключается возможность возникновения уравнительных токов, и в электроприводах с раздельным управлением не требуется установка уравнительных дросселей. Это позволяет значительно сократить объем реверсивного преобразователя и примерно в (24) раза его массу.

Структурная схема реверсивного вентильного электропривода с раздельным управлением приведена на рис 55:

Важнейшей составной частью системы управления этих электроприводов является логическое переключающее устройство- ЛПУ. Это устройство на основании сопоставления командных сигналов (U_з ) и сигналов обратных связей ( U_о.н.), характеризующих действительное состояние электропривода, дает разрешение на включение тиристоров той из реверсивных групп, которая должна пропускать ток, и вырабатывает запрещающий сигнал U_з.в. (U_з.н.) , который не допускает подачи управляющих импульсов на тиристоры неработающей группы. Последнее условие должно строго выполняться, т.к. из-за отсутствия уравнительных дросселей при одновременном включении тиристоров в реверсивных группах ТПВ и ТПН возникает междуфазное короткое замыкание.

По этой же причине не допустима подача включающих импульсов на группу, вступающую в работу, до тех пор, пока не прекратится протекание тока через группу, заканчивающую работу. В связи с этим в системе управления должна быть предусмотрена токовая блокировка, работающая от датчика тока ДТ. Длительность бестоковой паузы обычно составляет (310) миллисекунд.

Для предотвращения аварийных режимов системы управления тиристорных электроприводов с раздельным управлением должны обеспечивать выполнение следующих условий:

1. Недопустимость одновременной подачи управляющих импульсов на обе выпрямительные группы;

2. Поддержание подачи управляющих импульсов на тиристоры инверторной группы при наличии тока в ней;

3. Запрет включения одной выпрямительной группы при наличии тока в другой;

4. При переключении групп должна обеспечиваться “аппаратная пауза”, в течение которой снимаются управляющие импульсы с обеих групп.

В зависимости от требуемого направления вращения и уровня скорости, и действительного направления вращения и величины фактической скорости двигателя и направления момента нагрузки производственной машины система управления должна подключать ту или иную группу преобразователя и устанавливать необходимую величину угла управления вентилей. Выбор работающей группы осуществляет ЛПУ.

Существуют два наиболее применяемых способа раздельного управления:

1. Управление, осуществляющее выбор работающей группы в функции знака сигнала рассогласования заданной частоты вращения двигателя и ее фактического значения;

2. Система самонастройки (система “сканирующей логики”).

Системы, работающие в зависимости от знака сигнала рассогласования.

На входы ЛПУ подаются два сигнала:

1. Сигнал наличия тока преобразователя;

2. Сигнал “ошибки” замкнутой системы автоматического регулирования.

U_вх = U_з - U_о.н

где: U_з - задающее напряжение. Оно задает направление вращения и уровень частоты вращения.

U_о.н. - напряжение обратной связи, характеризующее действительное направление вращения и величину частоты вращения.

т.е. включению группы “Вперед” соответствует положительное значение U_вх , работе группы “Назад” - отрицательное.

Эта возможность и используется в электроприводе рассматриваемого типа.

+ раздельного управления:

• Отсутствие уравнительного тока

• Более высокий КПД

• Возможность полного использования трансформатора по U S

• Меньше вероятность опрокидывания инвертора

- :

• Усложнение системы управления

• Необходима пауза между работой групп

• Возможность возникновения толчков тока при переключении групп

28. Системы самонастройки (сканирующей логики) при раздельном управлении ТПР.

Работа систем самонастройки основана на автоматическом “поиске” группы, в которой существуют условия для протекания тока нагрузки.

Структурная схема реверсивного вентильного электропривода с одной из более простых систем самонастройки показана на рис 57а. На рисунке 57б приведены диаграммы, поясняющие ее работу.

Рис 57 б)

Переключения реверсивных групп осуществляются с помощью блока реверса БР, состоящего из логического переключающего устройства ЛПУ и мультивибратора МВ. Работа ЛПУ происходит, в основном, так же, как и в ранее рассмотренной схеме. Отличие состоит лишь в том, что на его переключающий вход здесь поступает не сигнал рассогласования, а знакопеременное напряжение от внешнего источника- мультивибратора МВ.(В качестве источника переменного переключающего напряжения U_пер иногда используется питающая сеть 50 Гц).

При отсутствии тока в преобразователе, мультивибратор работает в режиме автоколебаний и ЛПУ непрерывно переключается, периодически выдавая запрещающие сигналы U_з.в и U_з.н на соответствующие группы вентилей, разрешая, тем самым, попеременно работать то одной, то другой.

Если подать команду на пуск двигателя в направлении “Вперед”, то под действием напряжения управления U_У угол управления группы ТПВ _в уменьшится, а угол управления группы ТПН увеличится. Тогда при очередном включении группы “Вперед” в ней возникнет ток, и двигатель начнет разгоняться в направлении “Вперед”. Одновременно с этим с датчика тока ДТ на мультивибратор и ЛПУ будет подан сигнал токовой блокировки U_i , который запретит дальнейшее переключение как мультивибратора, так и ЛПУ. Тем самым будет зафиксирована работа группы “Вперед” и заблокирована работа группы “Назад”. Это состояние будет сохраняться на протяжении всего времени протекания тока в группе “Вперед” (интервал t₁- t₂).

Если за счет уменьшения управляющего напряжения U_У будет подана команда на снижение частоты вращения (момент времени t₂), то угол управления группы ТПВ увеличится, а группы ТПН - уменьшится. ЭДС группы “Вперед” сделается меньше ЭДС двигателя, и ток якоря начнет снижаться. После снижения последнего до значения тока удержания i_уд снимется токовая блокировка с мультивибратора, последний переключится в противоположное состояние, и на ранее работавшую группу с ЛПУ поступит запрещающий сигнал U_з.в . По истечение времени аппаратной паузы t_н, необходимой для снижения тока от значения тока удержания i_уд до нуля, снимется запрещающий сигнал U_з.н с группы ТПН (момент времени t₃). Если при этом ЭДС этой группы окажется меньше ЭДС двигателя, то через группу “Назад” потечет ток и вновь вступит в действие токовая блокировка. Последняя на этот раз зафиксирует работу группы “Назад” и запретит переключение мультивибратора и ЛПУ в противоположное состояние до тех пор, пока будет существовать ток в этой группе. Если управляющее напряжение будет изменяться в прежнем направлении, то двигатель вначале будет тормозиться в режиме рекуперативного торможения, а затем, после изменения полярности управляющего напряжения начнет разгоняться в противоположном направлении.

В системе самонастройки переключения групп начинается при любой частоте вращения и любом направлении вращения двигателя после снижения тока до нуля. Поэтому, если при снижении величины “ошибки” U_вх ЭДС работающей вентильной группы ТПВ окажется ниже ЭДС двигателя, и ток снизится до нуля, то сразу же автоматически, независимо от того, изменился знак U_вх, или нет, произойдет переключение групп, и двигатель перейдет в режим рекуперативного торможения. В рассмотренном ранее примере работы шахтной подъемной установки при приближении подъемных сосудов к точке “равновесия” может произойти несколько смен режимов работы электропривода- с двигательного на тормозной и обратно.

30. КПД и коэффициент мощности тиристорного электропривода постоянного тока

Понятие мощности, выделяемой в цепи нагрузки постоянного тока, может иметь двоякий смысл.

С одной стороны- это мощность P_d , определяемая как произведение постоянных составляющих (средних значений) выпрямленного тока I_d и напряжения U_d :

P_d = U_d * I_d (3-56)

С другой стороны, действительная полная мощность P_d, выделяемая в нагрузке, определяется как средняя мощность от мгновенных значений тока i_d и напряжения u_d в нагрузке за период повторяемости формы выпрямленного напряжения:

(3-57)

где T - период повторяемости формы выпрямленного напряжения.

Разница в значениях этих мощностей обусловлена наличием пульсаций в выпрямленном напряжении и в токе нагрузки. Так, если обозначить пульсации в виде переменных составляющих i_d и u_d, то можно записать:

(3-58)

Очевидно, что в случае идеально сглаженного тока нагрузки, когда i_d равен нулю (u_d может быть не равен нулю), значения мощностей P_d и P_d совпадают.

Основные потери активной мощности имеют место в следующих частях тиристорных преобразователей:

• В трансформаторе P_т ;

• В тиристорах преобразователя P_в;

• Во вспомогательных устройствах P_всп (в системах управления, защиты, охлаждения, сигнализации и др.);

• Дополнительные потери P_доп (потери, обусловленные пульсациями напряжения и тока на нагрузке, потери при переключениях вентилей).

С учетом этих составляющих для преобразователя КПД определяется из следующего соотношения:

 = (U_d I_d) / (U_d I_d + P_т +P_в +P_всп +P_доп) (3-59)

Изготавливаемые в настоящее время ТП большой мощности имеют КПД в пределах (0.850.9). ТП малой и средней мощности имеют КПД (0.70.8).

Коэффициентом мощности в установках переменного тока называется отношение активной мощности, потребляемой установкой к полной.

При определении коэффициента мощности ТП необходимо учитывать несинусоидальность потребляемого им из сети тока.

На рис 60 представлены диаграммы напряжения u₁ питающей сети и тока i₁, потребляемого однофазным мостовым ТП из сети при допущении идеальной сглаженности выпрямленного тока (L_н = ) и мгновенной коммутации.

Из несинусоидального тока i₁ может быть выделена первая гармоника i₁₍₁₎, отстающая от напряжения u₁ на угол . Соответственно активная мощность P, потребляемая преобразователем, выражается следующей формулой:

P = U₁ I₁₍₁₎ cos  (3-60)

где U₁ - действующее напряжение сети;

I₁₍₁₎ - действующее значение первой гармоники тока, поступающего из сети;

 - угол сдвига первой гармоники тока по отношению к напряжению питающей сети.

Полная мощность, потребляемая выпрямителем, на основании общего определения может быть записана в виде:

(3-61)

где I₁ - действующее значение несинусоидального тока, поступающего из сети;

I_n - действующее значение его n-ой гармоники.

Коэффициент мощности преобразователя:

(3-62)

Степень несинусоидальности тока в данном случае характеризуется коэффициентом искажения формы первичного тока , определяемым как отношение действующего значения первой гармоники тока к действующему значению всего тока.

Для несинусоидального тока помимо активной мощности P и реактивной мощности Q вводится понятие мощности искажения T, определяемой как:

(3-63)

Мощность искажения T характеризует степень различия в формах кривых тока и напряжения. Для рассматриваемого случая форма кривой напряжения питающей сети- синусоидальная, а тока - прямоугольная, поэтому мощность T отлична от нуля.

Из рис 60 видно, что для идеализированной схемы однофазного выпрямителя (при L_н =  и угла коммутации  = 0) ток i₁₍₁₎ отстает от напряжения u₁ на угол , равный углу . Поэтому коэффициент мощности можно выразить как:

 =  cos  (3-64)

При синусоидальном первичном напряжении получается, что чем ближе форма первичного тока к синусоиде, тем ближе к единице коэффициент .

На рис 61 показаны формы первичного тока для различных схем преобразователей, которые получаются при идеальном сглаживании выпрямленного тока I_d. Приведены, так называемые “коммутационные функции” для однофазной мостовой (а), 3-х фазной нулевой (б), 3-х фазной мостовой (в) и для 12-ти пульсной (г) схем выпрямления.

Мы видим, что по мере увеличения пульсности форма первичного тока приближается к синусоиде и, значит, коэффициент искажения  приближается к единице.

Для более точного определения коэффициента мощности необходимо учитывать угол коммутации . В этом случае коэффициент сдвига (cos ) может быть определен по приближенной формуле:

cos  = cos ( + (/2)) (3-65)

Угол коммутации  также влияет на коэффициент , но в большинстве режимов работы, когда  не превосходит 30, это влияние незначительно.

Из вышеизложенного следует, что коэффициент мощности вентильного преобразователя носит индуктивный характер (преобразователь потребляет из сети реактивную мощность) и в основном определяется углом управления .

При определении энергетического режима работы силовой установки (тиристорного преобразователя) важно выяснить, когда она является приемником электрической энергии и когда- источником. Для определения этого необходимо воспользоваться известными признаками источника и приемника, что рассмотрено в параграфе 3.3.1. Эти признаки нужно применить к таким объектам энергетического процесса, как питающая сеть и силовая установка (ТП).

Рассмотрим диаграммы напряжения и тока, изображенные на рис 60.

Здесь питающее напряжение u₁ синусоидальное. Ток представлен первой гармоникой в общем несинусоидальном токе i₁₍₁₎ . Из диаграммы видно, что на интервале 0-1 напряжение u₁ и ток i₁₍₁₎ имеют разные знаки, т.е. их направление не совпадают. Это значит, что на интервале 0-1 сеть является приемником электроэнергии, а силовое устройство, подключенное к сети, - источником.

На участке 1-2 знаки напряжения и тока одинаковы. Напряжение и ток по направлению совпадают. Здесь сеть- источник энергии, силовая установка- приемник.

В зависимости от соотношения длительности интервалов времени 0-1 и 1-2 изменяется коэффициент сдвига (cos ). Наибольшее значение он имеет при полной сонаправленности полуволны тока с полуволной напряжения сети, или при полной противонаправленности полуволны (cos  = 1).

Наименьшее значение коэффициент сдвига имеет при отставании синусоиды тока от синусоиды напряжения на угол 90.