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

Таким образом, граничные точки внешних характеристик пре­ образователя, в соответствии с (4.4), лежат на дуге эллипса.

В инверториом режиме максимальное значение угла включе­ ния, при котором еще не наступает опрокидывание, составляет

«иакс = Я — (Т+0 0 ) .

Соответствующее этому углу уравнение линии предельного режи­ ма инвертирования, показанной на рис. 4.8 штрихпунктирной пря­ мой, имеет вид

Появление области прерывистых токов обусловлено тем, что индуктивность цепи нагрузки преобразователя, число фаз и часстота сети питания имеют конечную величину. Для заданной сети пита­ ния с неизменной частотой ширина

мость среднего значения выпрямлен­ ного напряжения от тока, при этом с изменением тока якоря на­ пряжение преобразователя меняется весьма существенно, что объясняется спецификой режима прерывистых токов. Чем уже импульсы и чем больше паузы между ними, тем большее нужно напряжение, чтобы скомпенсировать прерывистость тока благо­ даря амплитуде импульсов и получить требуемое среднее значение тока. Отрицательные последствия работы в таком режиме прояв­ ляются и в замкнутых системах с вентильными преобразовате­ лями. Система автоматического регулирования при холостом ходе привода оказывается практически разомкнутой из-за наличия ре­ жима прерывистых токов, поэтому при набросе нагрузки происхо­ дит беспрепятственное снижение скорости привода, пока преобра­ зователь не войдет в зону непрерывного тока [68].

100

Формулы (4.3) не учитывают активного сопротивления цепи нагрузки и для двигателей относительно небольшой мощности дают заметную погрешность. В таких случаях для построения внешних характеристик в режиме прерывистых токов необходима обращаться к более строгой методике расчета [56].

ш, рад/с

Рис. 4.9. Экспериментальные механические характеристики дви­ гателя П32М, управляемого тиристорный преобразователем.

Рассмотренным характером внешних характеристик преобра­ зователей определяется соответствующий вид механических харак­ теристик двигателей [63]. На рис. 4.9 приведены эксперименталь­ ные механические характеристики двигателя типа П32М мощ­ ностью 2 кВт при питании его от симметричного (сплошные кривые) и несимметричного (штриховые кривые) трехфазного мостового тиристорного выпрямителя при отсутствии сглаживаю­ щего дросселя. Видно, что в случае несимметричной схемы преры­ вистые токи имеют более широкую зону.

101

В силу отмеченных недостатков на практике стремятся избе­ жать работы в области прерывистых токов. В реверсивных преоб­ разователях с совместным управлением эту область устраняют благодаря протеканию уравнительных токов, а в преобразовате­ лях с раздельным управлением и в нереверсивных в цепь якоря включают сглаживающий дроссель с достаточно большой индук­ тивностью. Критическую индуктивность, т. е. такое минимальное значение результирующей индуктивности цепи якоря, которое обеспечивает непрерывность тока во всем диапазоне регулирова­ ния, при различных схемах преобразования можно рассчитать с помощью метода, изложенного в [47]. При применении трехфаз­ ной мостовой симметричной схемы в некоторых случаях отпадает необходимость в дополнительном сглаживающем дросселе, так как индуктивность якоря оказывается достаточной для обеспечения требуемого непрерывного режима.

Для получения нужных характеристик в схемах тиристорного электропривода предусматриваются обратные связи. Ввиду этого судовой тиристорный привод, как правило, работает в замкнутой системе автоматического регулирования.

При высоких требованиях к жесткости механических характе­ ристик вводится обратная связь по частоте вращения. В качестве датчика частоты вращения обычно используется тахогенератор. В приводах с преобразователями типа НТП подобная обратная связь обеспечивает стабилизацию частоты вращения с точностью, равной 5% [24].

В системах, не предъявляющих высоких требований к диапа­ зону и точности регулирования, вводится обратная связь по на­ пряжению. Следует отметить, что если при обратной связи по частоте вращения механические характеристики могут иметь жест­ кость более высокую, чем жесткость естественной характеристики, то при обратной связи по напряжению этого получить не удается.

Для ограничения тока якоря при перегрузках и в переходных режимах вводится обратная связь с отсечкой по току якоря. В ка­ честве датчиков тока используются трансформаторы постоянного тока, включаемые в выходную цепь преобразователя, или транс­ форматоры тока, включаемые в цепь переменного тока. Принцип токовой отсечки состоит в том, что при достижении током якоря заданного значения (уставки) вступает в действие обратная связь, увеличивая угол включения тиристоров, что приводит к ограни­ чению выпрямленного тока. Особую роль играет узел токовой от­ сечки в защите. С помощью этого узла можно ограничить вели­ чину тока при коротком замыкании, сдвинув управляющие им­ пульсы по фазе в сторону снижения выпрямленного напряжения. При достаточном быстродействии токовой отсечки происходит уве­ личение угла включения уже у тех тиристоров, которые вклю­ чаются первыми после короткого замыкания. Однако токовая отсечка при любом ее быстродействии в принципе не может огра­ ничить ток через тиристоры, которые были уже открыты в момент короткого замыкания. Ограничение тока данных тиристоров мо-

102

жет быть получено благодаря индуктивности рассеяния обмоток трансформатора и дросселя в цепи постоянного тока. Индуктив­ ность дросселя с учетом ограничения тока короткого замыкания может быть найдена по формулам, приведенным в [62]. Обратная связь по току может быть введена и с целью стабилизации тока в определенных режимах.

Если преобразователь, выполненный по симметричной схеме, работает только в выпрямительном режиме, то система фазового управления должна обеспечить диапазон изменения угла вклю­ чения, равный 90°. Если преобразователь работает и в выпрями­ тельном, и в инверторном режимах, то требуемый диапазон изме­ нения угла а близок к 180°. При правильно выбранном соотноше­ нии между мощностью силового трансформатора и преобразователя

с совместным управлением, однако, как упоминалось выше, в су­ довых преобразовательных устройствах обычно предусматривается некоторый запас по углу включения.

Кроме СФУ, системы управления включают магнитные сумми­ рующие устройства, функциональные преобразователи, формирую­ щие устройства для получения необходимого закона изменения во времени задающих сигналов, к которым относятся также усили­ тельные и корректирующие звенья [68]. В реверсивных приводах с переключением групп или реверсора используются логические переключающие устройства. Сигнал, воздействующий на переклю­ чение, формируется с помощью соответствующих обратных связей.

Одним из основных показателей системы управления тиристор­ ный преобразователем является ее быстродействие. Этот показа­ тель играет важную роль, например, для судовых грузоподъем­ ных устройств. С целью увеличения быстродействия применяются безынерционные полупроводниковые системы фазового управле­ ния, высокочастотные магнитные суммирующие устройства, позво­ ляющие достичь практической безынерционное™ тиристорного преобразователя.

Безынерционность преобразовательного звена, однако, обуслов­ ливает ряд дополнительных требований к тиристорный электро­ приводам. Прежде всего это относится к ограничению пускового тока. В настоящее время в тиристорных приводах постоянного тока, в том числе и судовых, достаточно широкое распространение получил способ пуска с использованием токовой отсечки, причем пуск производится практически с неизменным значением тока.

§ 4.4. Выпрямители для управления электроприводом якорно-швартовных устройств

Работа электропривода якорно-швартового устройства харак­ теризуется широким диапазоном изменения момента и скорости двигателя. Основная задача системы управления приводом заклю-

103

чается в ограничении момента двигателя при возрастании на­ грузки, а также в регулировании скорости в необходимых преде­ лах, вплоть до стоянки под током в течение 0,5 мин и более.

В настоящее время в якорно-швартовых устройствах наиболее широкое применение находит электропривод переменного тока с ис­ пользованием многоскоростных короткозамкнутых асинхронных двигателей. Применяется и привод постоянного тока.

Для управления приводом мощностью до 10 кВт наибольшее распространение получили контроллерные схемы, от 11 до 60 кВт— релейно-контакторные. В приводах мощностью свыше 50 кВт на­ шли применение электромашинные (генератор—двигатель) систе­ мы управления. С развитием силовой полупроводниковой техники стали использоваться и тиристорные системы управления, в част­ ности, ими заменяются системы генератор — двигатель.

Тиристорное управление оказывается наиболее целесообраз­ ным в приводах автоматических швартовых лебедок. В настоящее время в приводах этих лебедок применяют в основном многоско­ ростные короткозамкнутые асинхронные двигатели (например, трехскоростные на судах типа т/х «Красноград») и системы гене­ ратор—двигатель (например, система Г—Д с трехобмоточным ге­ нератором на судах типа т/х «Тукумс»). Можно отметить, что мно­ гие западноевропейские фирмы (AEG, ASEA, ТВТ) добились достаточно высоких технико-экономических показателей лебедок с использованием системы генератор—двигатель. Применение тиристорного привода постоянного тока приводит к дальнейшему повышению технико-экономических показателей рассматриваемых устройств. Тиристорный привод обеспечивает требуемые характе­ ристики как в первом режиме работы лебедки, когда судно после заводки каната на береговые кнехты с помощью обычных ручных швартовых операций подтягивается к причалу, так и во втором, связанном с автоматическим поддержанием постоянства натяже­ ния в швартовых тросах в условиях изменения осадки судна, уровня акватории и воздействия внешних возмущающих сил.

Автоматизация второго режима при применении тиристорных преобразователей может быть легко осуществлена. При нормаль­ ных усилиях в тросе тиристорный преобразователь работает в вы­ прямительном режиме. При возрастании усилия преобразователь автоматически переходит в инверторный режим, а двигатель в ге­ нераторный, при этом происходит стравливание необходимой части троса. При уменьшении натяжения до установленного уровня пре­ образователь также автоматически возвращается в выпрямитель­ ный режим, а лебедка выбирает слабину.

Основные особенности тиристорных преобразователей, приме­ няемых в приводах швартовых устройств, определяются режимом работы системы управления данным приводом и заключаются в следующем:

а) в связи с большим диапазоном частоты вращения двигате­ лей в широких пределах изменяется выпрямленное напряжение, практически от номинального до нуля;

104

б) с помощью узла токовой отсечки осуществляется ограни­ чение момента двигателя при увеличении натяжения троса;

в) по возможности предусматривается инверторный режим для обеспечения генераторного торможения двигателя.

Как указывалось ранее, тиристорные системы позволяют ус­ пешно решать задачу автоматизации приводов, что особенно важ­ но, так как в настоящее время якорно-швартовые работы наи­ более трудоемки и наименее автоматизированы.

В 1966 г. на теплоходе «Волгалес» был установлен тиристорный электропривод постоянного тока швартовного шпиля [37]. Пре­ образователь выполнен по трехфазной мостовой несимметричной схеме; катодную группу образуют лавинные тиристоры типа УПВКЛ-100-7,0; анодную — неуправляемые лавинные диоды типа ПВКЛ-100-6,0. Реверсирование двигателя производится с помощью контакторов в цепи якоря.

Линейное напряжение на вторичной стороне силового транс­ форматора при напряжении сети (7 = 380 В составляет t/2 =220 В, выпрямленное напряжение в холостом неуправляемом режиме £/do = 296 В, чем обеспечивается определенный запас по углу вклю­ чения а. В связи со значительными пульсациями выпрямленного напряжения в принятой схеме на выходе выпрямителя включен сглаживающий дроссель. В преобразователь введена обратная связь с отсечкой по току якоря, что позволяет получить «экска­ ваторные» характеристики привода.

Управление двигателем производится с помощью поста управ­ ления. В схеме предусмотрено динамическое торможение, которое может быть осуществлено при переводе рукоятки поста управле­ ния из любого рабочего положения в нулевое.

Применение лавинных вентилей не требует специальной защи­ ты от коммутационных и аварийных перенапряжений. Защита пре­ образователя от токов короткого замыкания осуществляется с по­ мощью установочных автоматов, от перегрузок — узлом токовой отсечки. В приводе предусмотрена также нулевая защита. Для более эффективного теплоотвода от вентилей служит вентилятор, приводимый во вращение асинхронным двигателем.

Описанная схема дает возможность автоматизировать швар­ товное устройство, так как система управления позволяет легко осуществлять обратные связи.

В табл. 4.1 приведены некоторые сравнительные данные штат­ ной системы управления, выполненной по схеме генератор—дви­ гатель с командоконтроллером, и тиристорного преобразователя.

Эксплуатация тиристорного привода шпиля на теплоходе «Вол­ галес», явившаяся первым опытом применения тиристорного пре­ образователя в швартовном устройстве, показала положительные результаты. Так, расходы на техническое обслуживание устрой­ ства резко сократились и составили примерно 10% по сравнению с расходами на обслуживание штатного привода.

Рассмотренная схема тиристорного привода отличается просто­ той, надежностью, достаточно высокими энергетическими показа-

105

телями, малыми габаритами и массой, но она имеет и существен­ ный недостаток — невозможность осуществления инверторного ре­ жима и, следовательно, рекуперативного торможения. Поэтому целесообразнее использовать трехфазную мостовую симметричную схему, на основе которой выполнены электроконтроллеры типа З В П завода «Динамо» им. С. М. Кирова.

На рис. 4.10 приведена блок-схема привода автоматической швартовной лебедки с электроконтроллером типа ЭВП. Двигатель Д постоянного тока независимого возбуждения питается от сети через силовой трансформатор Тр и вентильный блок ВБ. Привод

воде предусмотрено динамическое торможение, для обеспечения

106

Схема СФУ была приведена на рис. 2.7. Управляющий сигнал на вход СФУ (клеммы 12, 13) поступает от СМУ, при этом в ра­ бочем состоянии системы управления переключатель П должен на­ ходиться в положении А. Положение переключателя Р служит для проверки работы СФУ. Тогда на вход СФУ (клеммы 11, 12) по­ дается определенное постоянное напряжение и производится его регулирование с помощью потенциометра R6. При полностью наст­ роенной СФУ выпрямленное напряжение должно плавно изме­ няться от нуля до номинального. При настройке системы управле­ ния нагрузкой преобразователя может служить некоторое актив­ ное сопротивление, причем выпрямленный ток целесообразно снизить по сравнению с номинальным. Кривая выпрямленного напряжения в диапазоне 0 ^ а ^ 6 0 ° должна иметь вид, изобра­ женный на рис. 1.6, г.

Система СФУ состоит из шести однотипных каналов с общим входным узлом. На рис. 2.7 приведена схема только одного ка­ нала системы управления (KCl), другие изображены условно, для них представлены только элементы, с помощью которых осуществ­ ляется связь между каналами и с силовыми тиристорами. Это касается диодов D6 и импульсных трансформаторов ТрЗ.

такой пары управляющих импульсов каждый из трансформаторов

,с интервалом в 60 эл. град при срабатывании второго канала. На рис. 2.7 показано соединение обмоток W1 и W2 только для пер­ вого канала, для других обмотки соединяются аналогично с уче­ том изложенного выше принципа.

Каждый из импульсных трансформаторов, кроме упомянутых трех обмоток, имеет еще четвертую — W4. С помощью этой об­ мотки при включении очередного тиристора подается отрицатель­ ный импульс на другой тиристор данной фазы. Например, при включении тиристора В1 отрицательный импульс подается на ти­ ристор В4. С этой целью соединяются обмотки W3 и W4 каналов,

408

управляющих тиристорами, присоединенными к одной и той же фазе, т. е. первого и четвертого, третьего и шестого, пятого и вто­ рого каналов. (На рис. 2.7 приведено соединение названных обмо­ ток только для первого и четвертого каналов). Подобная мера предотвращает самопроизвольное открывание тиристоров и помо­ гает избежать однофазного опрокидывания при работе схемы в ре­ жиме инвертирования [62].

26 27 28

PI 1t if f M

Шб-дЩ PI

" I I « « " -

Рис. 4.12. Схема СМУ преобразователя типа ЭВП.

В систему СФУ входит также трансформатор, с помощью ко­ торого осуществляется синхронизация управляющих импульсов. Схема канала KCl иллюстрирует принцип включения вторичных обмоток данного трансформатора. Порядок включения обмоток для других каналов также приведен на рис. 2.7 в условном изображе­ нии этих каналов. Обмотки х', yr, z' включаются в обратном на­ правлении по отношению к обмоткам х, у, z.

Кроме рассмотренных элементов, в состав СФУ входит узел питания, состоящий из трансформатора и трех трехфазных мосто­ вых выпрямителей. С выходных клемм этого узла подается пита­ ние на клеммы 11—12, 14—15, 16—17.

В суммирующее магнитное устройство СМУ (рис. 4.12) входит однотактный магнитный усилитель МУ с отрицательной обратной связью и узел питания. Узел питания, в свою очередь, состоит из

109