книги из ГПНТБ / Анисимов Я.Ф. Особенности применения полупроводниковых преобразователей в судовых электроустановках

К группе преобразователей, служащих для управления нере­ версивными приводами, относятся тиристорные выпрямители типа НТП [24]. Тиристорное управление нереверсивных приводов осу­ ществляется с помощью более простых систем, в которых при мощ­ ности привода в пределах 3 кВт могут использоваться однофазные,

[24, 58]. При больших мощностях применяются, как правило, только трехфазная мостовая симметричная и другие схемы с ше-

тока в цепи якоря с помощью контакторного или тиристорного переключателя.

В первом случае для питания обмотки возбуждения может быть применен реверсивный преобразователь, каждая из групп которого

проста и экономична, но вследствие большой постоянной времени обмотки возбуждения двигателя снижаются динамические показа­ тели привода, однако это снижение незначительно в приводах от­ носительно малой мощности (до 100 кВт) [55].

Применение реверсивного преобразователя в цепи якоря, вы­ полняемого в виде двух вентильных групп, обеспечивает макси­ мальное быстродействие. Существуют различные схемы включения вентильных групп [22, 62], но все они могут быть сведены к двум классам:

а) встречно-параллельные с питанием вентильных групп от общей вторичной обмотки силового трансформатора (рис. 4.2, а) ; б) перекрестные с питанием каждой из вентильных групп от

отдельной вторичной обмотки трансформатора (рис. 4,2,6").

Если один из мостов в приведенных на рис. 4.2 схемах работает в выпрямительном режиме, обеспечивая вращение двигателя в тре­ буемом направлении, то другой находится в готовности к инвер-

90

торному режиму. Этим создается возможность осуществления генераторного торможения. С изменением направления вращения при реактивном статическом моменте сопротивления Мс наблю­ дается переход каждого из мостов в противоположный режим ра­ боты; при активном моменте работавший в выпрямительном ре­ жиме мост переходит в инверторный режим.

На рис. 4.3 приведены внешние характеристики преобразова­ теля, составленного из двух вентильных групп. Первой группе соответствуют характеристики I и IV квадрантов, второй — I I и

5)

ВЗ

менения, a следовательно, и связанный с этим переход на другие характеристики должны быть такими, чтобы пусковые токи не пре­ восходили заданных величин.

Частота вращения двигателя изменяется при изменении угла включения. Пусть, например, точка а соответствует некоторому установившемуся режиму двигателя. При увеличении угла вклю­

дить рекуперативное торможение двигателя, которое прекра­ щается при снижении тока до нуля. Если возникает задача тор­ можения двигателя до полной остановки, то необходимо, например,

91

в точке в увеличить угол инвертирования (опережения) вентилей второй группы, связанный с углом включения соотношением

ß= 180° — а,

стем, чтобы перейти на более низко расположенную характери­ стику. Этот переход связан с броском тока и последующим его снижением. Скорость изменения угла ß (скорость торможения) определяется заданным значением тока торможения, а также зна­

Схема тиристорного привода с нереверсивным преобразователем и контактным реверсором в цепи якоря приведена на рис. 4.4.

Характеристики преобразователя располагаются в I и IV квад­ рантах (рис. 4.5), однако схема обеспечивает все режимы работы двигателя, в том числе и режим генераторного торможения. Если в точке а имеет место установившийся режим, то при увеличении

92

с рекуперацией энергии в сеть. Эффективность торможения можно изменить с помощью угла ß. В реверсивном электроприводе поло­ жение переключателя будет зависеть от направления вращения двигателя.

Схема с реверсором в цепи якоря является простейшей и самой дешевой схемой реверсивного тиристорного электропривода. Стои­ мость реверсора составляет примерно 14% от стоимости преобра­ зователя. Однако эта схема обладает более низкими динамиче­ скими показателями и может применяться в приводах, где допус­

тимо «мертвое» время не менее 0,1 с. Вместо контактного ревер­ сора может быть применен тиристорный переключатель.

В судовых тиристорных приводах постоянного тока наряду с генераторным и механическим используется динамическое тор­ можение. С помощью соответствующих аппаратов и узлов преду­ сматривается защита преобразователя от токов короткого замы­ кания, перегрузок, перенапряжений, а также нулевая защита и вводятся соответствующие блокировки.

В данной главе рассмотрены тиристорные выпрямители, при­ меняемые для управления конкретными судовыми приводами по­ стоянного тока. К этой группе относятся преобразователи типа ВАКЭП, электроконтроллеры типа ЭВП, разработанные на за­ воде «Динамо» им. С. М. Кирова коллективом конструкторов под руководством А. Г. Яуре на базе соответствующих схем ГПЙ «Тяжпромэлектропроект». Исходные схемы указанных преобра­ зователей приведены в [38, 62]. Рассмотрим также схемы преоб-

93

разователей частоты, применяемые для управления судовым асин­ хронным приводом.

Большинство судовых приводов с тиристорным управлением имеет такую мощность, что возникает необходимость рассматри­ вать их влияние на сеть и принимать меры для ограничения этого влияния. Указанный вопрос возникает при применении приводов как постоянного, так и переменного тока.

§ 4.2. Принципы управления преобразователями

Для получения оптимальных характеристик реверсивного при­ вода тиристорные преобразователи должны управляться по опре­ деленному закону. В реверсивных преобразователях для регули­ рования привода постоянного тока применяются два основных метода управления: раздельное и совместное.

При раздельном управлении импульсы подаются только на ту группу вентилей, которая в данный момент должна работать. На вентили второй группы импульсы не подаются, она должна на­ ходиться в выключенном состоянии. Система управления такого типа содержит логическое переключающее устройство (ЛПУ), ко­ торое снимает (блокирует) управляющие импульсы неработающей

вточку г.

Вточке а мост / (рис. 4.2) работает в выпрямительном ре­ жиме, мост / / выключен. Данному режиму схемы преобразования соответствуют кривые фазных э. д. с. и выпрямленного напряже­

из сети к двигателю. При увеличении угла включения первого моста cti э. д. с. двигателя превысит напряжение на его выходе,

ления инверторного режима. В момент равенства тока нулю ло­ гическое переключающее устройство блокирует управляющие им­ пульсы первого моста и после некоторой паузы разрешает их подачу на тиристоры второго моста. Пауза обычно не превышает 5—10 мс. Запаздывание во времени необходимо потому, что дат­ чик, осуществляющий контроль нулевого тока, как правило, имеет некоторую нечувствительность. До тех пор, пока протекает ток в одной из групп, устройство ЛПУ осуществляет запрет на пере­ ключение групп, даже если управляющий сигнал на входе преоб­ разователя изменяет свой знак.

94

ние Udii становится отрицательным, причем При этих условиях изменяется направление тока якоря, теперь уже энергия от двигателя, который работает в генераторном режиме, посту пает в сеть.

Рис. 4.6. Кривые фазных э. д. с. и выпрямленного напряжения в вы­ прямительном (а) и инверторном (6) режимах.

81'

86'

••н

Рис. 4.7. Цепь протекания тока при работе двух вентилей в выпрями­ тельном (а) и инверторном (б) режимах.

Схема, приведенная на рис. 4.7, иллюстрирует переход преоб­ разователя из выпрямительного режима в инверторный на при­ мере цепи протекания тока при работе двух вентилей: В6—В1 в мосту I (точка а — выпрямительный режим) и соответственно

95

при постоянном знаке управляющего сигнала. При реверсе знак управляющего сигнала изменяется.

Переключение вентильных групп может осуществляться с по­ мощью различных схем логических устройств ЛПУ и может быть реализовано различными способами. Для обеспечения четкого уп­ равления тиристорами в комплект преобразователя вводятся дат­ чики состояния тиристоров (датчики нулевого тока).

Пока ток якоря не изменяет своего знака, статические и дина­ мические характеристики силовой схемы реверсивного преобразо­ вателя с раздельным управлением не отличаются от характеристик нереверсивного преобразователя. Специфические особенности ре­ версивного преобразователя проявляются лишь в момент переклю­ чения групп, и эти особенности в первую очередь зависят от спо­

групп может быть выполнено по любому произвольному закону. Наиболее приемлемым является такое согласование, когда сумма

В этом случае при переключении напряжение инверторной группы оказывается равным напряжению выпрямительной группы, поэто­ му отсутствует скачок напряжения преобразователя. Иногда при­ меняют способ согласования, при котором

в инверторный характеризуется люфтом во внешних характери­ стиках [62], что приводит к ухудшению динамических свойств электропривода [68].

При раздельном управлении:

1) исключается протекание уравнительных токов между вен­ тильными группами, что позволяет обойтись без уравнительных дросселей (Ы—L4 на рис. 4.2, а и Ы, L2 на рис. 4.2, б). Это при­ водит к снижению массы, габаритов, стоимости, а также к повы­ шению к. п. д. установки;

96

2) уменьшается вероятность опрокидывания инвертора, т. е. аварийный переход его в выпрямительный режим, вследствие мень­

•соответствующий времени восстановления запирающей способно­ сти тиристоров.

Нарушение данного соотношения может быть вызвано различ­ ными причинами [62]. В судовых условиях в этом отношении ста­ новятся особо опасными провалы напряжения сети, приводящие к увеличению тока инверторной группы и, следовательно, угла коммутации у, который может превысить угол опережения.

Недостатком раздельного управления является наличие паузы при переключении групп, что снижает динамические качества пре­ образователя, а также усложнение системы управления, обуслов­ ленное, в частности, необходимостью введения логического пере­ ключающего устройства и достаточно совершенного датчика со­

величины и полярности соответствующая группа вентилей перево­ дится в выпрямительный режим, а другая — в инверторный. Сов­ местное управление может быть согласованным и несогласован­ ным.

При согласованном управлении с изменением управляющего сигнала фаза импульсов, поступающих на одну группу, умень­ шается, на другую — увеличивается таким образом, что всегда выполняется соотношение (4.1). Хотя при таком управлении сред­ ние значения напряжений обеих вентильных групп равны друг другу и противоположны по знаку при любых углах регулирова­ ния, мгновенные значения оказываются неодинаковыми. Вследст­ вие этого по замкнутому контуру, образуемому вентилями обеих групп и обмотками трансформатора, под действием разности мгно­ венных значений напряжений, минуя цепь нагрузки, протекает уравнительный ток. В переходных режимах возникает рассогла­ сование не только мгновенных, но и средних напряжений выпря­ мителя и инвертора, в результате чего на некоторое время появ­ ляется динамическая составляющая уравнительного тока.

Уравнительный ток обусловливает дополнительные потери в об­ мотках трансформатора, вентилях и других элементах схемы. Для ограничения этого тока применяют уравнительные дроссели (см. рис. 4.2), что является недостатком таких схем. Однако наличие уравнительного тока при любых режимах исключает зону преры­ вистых токов; внешние характеристики приобретают линейный ха­ рактер (см. рис. 4.3), в то время как при раздельном управлении они имеют излом при переходе из выпрямительного режима в ин­ верторный.

97

При несогласованном управлении углы включения вентилей групп подчиняются соотношению (4.2). В этом случае в реверсив­ ном контуре создается постоянная составляющая напряжения, направленная против проводимости вентилей, благодаря тому, что среднее значение напряжения инверторной группы всегда превы­ шает среднее значение напряжения выпрямительной группы. По­ стоянная составляющая напряжения резко снижает статический уравнительный ток, что позволяет снизить массу и габариты урав­ нительных дросселей. Однако динамический уравнительный ток при таком согласовании уменьшается незначительно. Этот способ уступает способу согласованного управления по динамическим показателям из-за нарушения линейности внешней и регулиро­ вочной характеристик, а также в использовании силового транс­

с учетом режимов работы электропривода и структуры системы управления. Для судовых электроприводов в этом отношении ста­ новится существенным факт возможного снижения и колебаний напряжения сети, так как при недостаточном напряжении транс­ форматора может оказаться малым запас по углу включения. В то же время при чрезмерном завышении напряжения трансформатора существенно увеличивается его установленная мощность.

Преимущества совместного управления по сравнению с раз­ дельным заключаются в относительной простоте системы управ­ ления, отсутствии необходимости в переключениях групп, готов­ ности к переходу из одного режима в другой, линейности харак­ теристик. Схемы с совместным управлением обладают высокими динамическими показателями. В реверсивных приводах промыш­ ленных установок применяются все способы управления, предпоч­ тение тому или иному отдается в зависимости от конкретных ус­ ловий работы привода. В схемах соединения групп наибольшее распространение получил встречно-параллельный способ.

Возможность использования реверсивных тиристорных преоб­ разователей в судовых электроприводах обусловлена наличием це­ лого ряда электромеханизмов, работающих с частыми пусками, торможениями и реверсами двигателя. В судовых условиях для таких приводов наиболее целесообразным представляется исполь­ зование согласованного управления вентильными группами [73], что объясняется более высокой степенью надежности и благопри­ ятными характеристиками как в статическом, так и в динамиче­ ском режиме, а также большой простотой схемы управления. Для некоторых механизмов, например грузоподъемных, перспективны раздельный, а также комбинированный [52] способы управления. Особенностью последнего является то, что в статике тиристорные

98

Схема с контактным реверсором по своим характеристикам близка к схеме с реверсивным преобразователем при раздельном управлении. Условия работы многих судовых приводов соответ­

[14]. Поэтому в судовых реверсивных приводах в настоящее время предпочитается нереверсивная тиристорная схема с контактным переключателем в цепи якоря. С заменой контактного переклю­ чателя тиристорным появляется возможность создания безынерци­ онной схемы управления приводом, наличие тока главной цепи, в которой контролируется с помощью тока в цепи управляющий электрод—катод, имеющего направление, противоположное току управления. В этом случае отпадает необходимость применения специальных датчиков тока [71].

§ 4.3. Характеристики преобразователей в электроприводе

Внешние характеристики, приведенные на рис. 4.3 и 4.5, яв­ ляются идеализированными. Линейный характер их сохраняется только в реверсивных преобразователях с согласованным управле­ нием. Во всех других случаях как в режиме выпрямления, так и в режиме инвертирования внешние характеристики имеют две об­ ласти: непрерывного и прерывистого токов (рис. 4.8).

В режиме непрерывного тока (обл. 2) характеристики линей­ ные и могут быть выражены уравнением (1.6) или (1.10). Расчет характеристик в области прерывистого тока (обл. 1), где они не­ линейные, может быть выполнен по формулам [68]

(4.3)

где со — круговая частота питающего напряжения; ЬА—анодная индуктивность, приведенная к вторичной обмотке трансформатора; X — угол проводимости вентилей.

В выражениях (4.3) величина X выступает как параметр. Значения напряжения и тока в граничном режиме, разделяю­

щем области непрерывного и прерывистого токов (штриховая

=2л/т.

(4.4)

99