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

о/ о

г

PH

итТТТ

Рис. 4.20. Схема релейнокоитакторного узла преобразователя.

будут открыты транзисторы 77 и Т4, а транзисторы Т2 и ТЗ— за­ крыты. Теперь уже реле РПН получает питание, в то время как реле РПВ отключается от источника питания І1К.

Длительность процессов закрывания транзистора Т2 и откры­ вания транзистора 77 определяется скоростью перезаряда соответ­ ственно конденсаторов Cl и С2. Процесс перехода в открытое со­ стояние транзистора 77 занимает больший промежуток времени вследствие более высокого начального потенциала конденсатора С2. Таким образом, в процессе переключения триггера оба транзистора оказываются закрытыми на время 6—8 мс. В течение этого вре­ мени действует и сигнал, поступающий с выхода СМЛ на клеммы 8—9. Это позволяет получить чувствительное ЛПУ с высокой по­ мехоустойчивостью, так как короткие по времени импульсы помех не могут привести к переключению триггера.

Процессы, протекающие в преобразователе при срабатывании ЛПУ, были рассмотрены в § 4.2.

Узел СМЛ представляет собой реверсивный магнитный усили­ тель. Каждый из двух однотактных магнитных усилителей, образу­ ющих реверсивный, имеет такую же схему, что и магнитный усили­ тель СМУ. Это относится и к схеме генератора повышенной ча­ стоты ГПЧ, питающего магнитный усилитель. В данном случае используются обе выходные обмотки ГПЧ.

Выходное напряжение СМЛ, пропорциональное алгебраической сумме задающего сигнала, формируемого релейно-контакторным узлом, и сигнала обратной связи по напряжению, снимаемого с якоря двигателя, поступает в ЛПУ. С изменением полярности за­ дающего сигнала выходное напряжение также меняет знак.

Обратная связь по напряжению, введенная в СМЛ, обеспечи­ вает автоматическое переключение контакторов направления, соз­ давая необходимый сигнал на входе ЛПУ (клеммы 5—9) при со­ ответствующем изменении задающего тока. Обратная связь по напряжению выпрямителя, введенная в СМУ, обеспечивает автома­ тический перевод преобразователя в инверторный режим и обратно в выпрямительный при изменении направления тока якоря дви­ гателя.

Блок питания используется для питания переменным и постоян­ ным током цепей системы управления (СМУ, СМЛ, ГПЧ, ДНТ, ЛПУ).

На рис. 4.20 приведена схема релейно-контакторного узла пре­ образователя, включающая командоконтроллер. Клеммы 25—26

скорость подъема груза при номинальном магнитном потоке. В этом положении задающий сигнал СМУ имеет максимальное отрица­ тельное значение, так как сопротивления R44—R46 в цепи данной обмотки оказываются зашунтированными; угол включения тири­ сторов составляет 30° (минимальное значение). Снижение скорости

121

может быть получено путем перевода КК в одно из положе­ ний /—3. При этом скачком снижается сигнал в задающих об­ мотках СМУ и СМЛ. Сигнал же в обмотках обратной связи как СМУ, так и СМЛ не может измениться скачком. Действие обратной связи по напряжению в СМУ приводит к увеличению угла а, кото­ рый становится больше 90°. Преобразователь подготовлен для пе­ рехода в инверторный режим.

В результате действия обратной связи в СМЛ изменяется знак его выходного напряжения, что приводит к переходу ЛПУ из пер­ вого устойчивого состояния, которое было до изменения положе­ ния КК, во второе. Переключение ЛПУ, как отмечалось выше, на­

менение направления задающего сигнала СМУ. Теперь он стал по­ ложительным, определяя соответствующую величину угла а>90° (см. рис. 4.18).

С переходом преобразователя в инверторный режим изменяется полярность выпрямленного напряжения и, следовательно, сигнала в обмотке обратной связи СМУ. В результате уменьшаются угол включения и величина выпрямленного напряжения. Одновременно

обратной связи СМЛ. Снова изменяется полярность его выходного напряжения. При снижении тока якоря до минимальной величины происходит переключение ЛПУ в прежнее первое устойчивое со­ стояние, срабатывает реверсор и преобразователь возвращается в выпрямительный режим. Частота вращения устанавливается со­ ответственно новому значению выпрямленного напряжения.

Для остановки двигателя командоконтроллер переводится в ну­ левое положение, при этом разрываются цепи питания задающих обмоток СМУ и СМЛ, что равносильно скачкообразному снижению задающего сигнала до нуля. Преобразователь переходит в инвер­ торный режим, двигатель тормозится по характеристике отсечки, расположенной во I I квадранте. При снижении скорости до опре­ деленного предела контакты контактора Т в цепи катушки тормоза размыкаются и происходит наложение дискового тормоза. Одно­ временно замыкаются контакты контактора Т в схеме СФУ (в СФУ преобразователя крана вместо контактов PB включены контакты Т, рис. 2.7) и блокируются управляющие импульсы силовых тиристо­ ров, в результате чего преобразователь выключается. При сниже­ нии тока якоря до нуля произойдет переключение ЛПУ и соответ­ ствующих контакторов и реле направления.

122

При реверсе двигателя с подъема на спуск и обратно процессы в преобразователе протекают аналогично рассмотренным.

Защита и сигнализация в преобразователе аналогичны защите и сигнализации преобразователя привода швартовной лебедки. Это относится и к узлам защиты силовых тиристоров от перенапря­ жений.

В 1970 г. на теплоходе «Волгалес» были проведены испытания в эксплуатационных условиях опытного образца тиристорного элек­ тропривода судовой грузовой лебедки другого типа [19]. Принцн-

Рис. 4.21. Схема тиристорного привода грузовой лебедки.

пиальная схема электропривода представлена на рис. 4.21. Пре­ образователь имеет следующие основные данные:

Нереверсивный преобразователь для питания цепи якоря выпол­ нен на шести тиристорах типа ТЛ-200; величина напряжения сети, равная 220 В, позволила отказаться от силового трансформатора. Обмотка возбуждения питается от реверсивного преобразователя (тиристоры типа ВКДУ-50). Обмотка электромагнитного тормоза ТМ получает питание через тиристорный выпрямитель — выключа­ тель (тиристоры типа ВКДУ-50). Охлаждение вентилей — есте­ ственное, воздушное.

123

Внешние характеристики якорного преобразователя распола­ гаются в I и IV квадрантах. Регулирование скорости осуществ­ ляется изменением напряжения, подводимого к якорю, а также изменением магнитного потока. Реверс двигателя производится с помощью изменения направления тока возбуждения. Блок токо-

ного напряжения якорного преобразователя. В результате пуск двигателя в режиме подъема осуществляется при максимальном моменте, включая и тот случай, когда рукоятка поста управления резко переводится из нулевого положения в крайнее. В крайнем положении рукоятки регулирование частоты вращения достигается ослаблением поля, однако при пуске БТО одновременно с ограни­ чением тока якоря увеличивает поток двигателя до номинального значения, обеспечивая постоянство пускового момента.

При спуске пустого гака якорный преобразователь работает в выпрямительном режиме, при спуске груза — в инверторном.

Испытания показали, что переходные режимы протекают без больших бросков тока. В то же время, если длительность пуска двигателя, управляемого по штатной системе Г—Д, в режиме подъема номинального груза составляла 2,16 с, то при тиристорном управлении — только 0,94 с.

Отметим, что разработанные промышленные образцы также отличаются плавностью переходных процессов [57]. Жесткие (на ра­ бочем участке) механические характеристики, а также интенсив­ ный пусковой режим позволили повысить производительность ле­ бедки на 15—20% по сравнению с производительностью при штат­ ном приводе. Стоимость привода не превысила стоимости системы Г—Д. Результаты испытаний показали целесообразность создания серийных образцов тиристорных приводов рассмотренного типа.

Тиристорные приводы постоянного тока применены и в кранах «Gemini», используемых на судах, предназначенных для перевозки контейнеров и тяжелых штучных грузов [76]. Для управления дви­ гателями подъема груза и поворота платформы применены неревер­ сивные трехфазные мостовые преобразователи с контакторным ре­ версором в цепи якоря. Кроме того, предусмотрено ослабление тока возбуждения с помощью тиристорного возбудителя.

Элементы управления двигателя подъема груза размещены на платформе стрелы, двигателем поворота платформы — в колонне крана. Удобство в размещении явилось одной из причин, благодаря которой было отдано предпочтение тиристорному приводу.

§ 4.6. Преобразователи частоты для управления электроприводом судовых грузоподъемных механизмов

Использование двигателей постоянного тока с тиристорным управлением значительно повышает технико-экономические пока­ затели регулируемых приводов, но не устраняет ряда существен­ ных недостатков, обусловленных конструкцией машин постоянного

124

тока. В силу этого более целесообразным является использование в таких приводах асинхронных двигателей. Однако, как упомина­ лось выше, современный привод переменного тока с многоскорост­ ными асинхронными короткозамкнутыми двигателями недостаточно полно удовлетворяет требованиям, предъявляемым к судовому ре­ гулируемому электроприводу, и прежде всего к приводу грузо­ подъемных механизмов.

В асинхронных приводах грузоподъемных механизмов наиболее рационально применять частотное регулирование. К этим приво­ дам предъявляются следующие требования, определяющие повы­ шение производительности механизмов: величина максимальной статической мощности порядка 50 кВт; плавное регулирование ча­ стоты вращения в диапазоне (8—10): 1 под нагрузкой и (12—15): 1 на холостом ходу; режим рекуперативного торможения, высокие надежность и быстродействие систем в переходных режимах при средней величине ускорения крюка 1,5—2 м/с2 и общем числе пусков и торможений до 1000 включений в час. В наибольшей сте­ пени данные требования выполняются приводом с односкоростным асинхронным короткозамкнутым двигателем, регулируемым с по­ мощью преобразователя частоты с промежуточным звеном по­ стоянного тока [42, 43].

На рис. 4.22 приведена схема преобразователя частоты со зве­ ном постоянного тока, разработанная для частотного управления асинхронным приводом судовой грузовой лебедки [73]. Основным звеном преобразователя является автономный инвертор, в состав которого входят силовые тиристоры В1—В6, отсекающие диоды В7—В12, тиристоры подпитки В13—В18, а также диоды В25—ВЗО, образующие обратный выпрямитель. Инвертор выполнен по схеме с отделенными от нагрузки конденсаторами и одноступенчатой междуфазовой коммутацией.

Регулирование напряжения осуществляется амплитудным спосо­ бом, в связи с чем звено постоянного тока выполнено на тиристо­ рах (В19—В24). Схема привода обеспечивает режим генераторного торможения. Так как рекуперация энергии в сеть через управ­ ляемый выпрямитель В19—В24 невозможна, возникла необходи­ мость введения дополнительного звена — зависимого инвертора В31—В36, преобразующего постоянное напряжение обратного вы­ прямителя в переменное. В рассматриваемой схеме цепь возврата энергии потенциально отделена от сети с помощью трансформа­ тора Тр.

Система управления преобразователем представляет совокуп­ ность трех каналов. Один канал служит для управления автоном­ ным инвертором. Основным его узлом является блок управления

канала осуществляется регулирование выходной частоты преобра­ зователя в пределах 5—75 Гц. Изменение частоты производится путем изменения положения сельсинного командоконтроллера КК,

125

который воздействует на задатчик частоты 34. Командоконтроллер имеет одно нулевое положение и по шесть положений на подъем и спуск груза.

Другой канал служит для управления выпрямителем В19—В24. Он включает блок управления выпрямителем БУВ, блок сравнения БС1, датчик напряжения ДН, датчики тока ДТ1 и ДТ2, сигналы

Рис. 4.22. Схема преобразователя частоты для управления приводом грузовой лебедки.

на которые подаются от соответствующих трансформаторов тока. Задающий сигнал / 3 подается на вход блока БС1 и суммируется с сигналами, поступающими по цепям обратных цепей. Цепь об­ ратной связи, составленная из блоков ДН, БС1, БУВ, обеспечивает

где i/o — начальное напряжение, соответствующее / с = 0; b — коэф­ фициент пропорциональности. Данный закон обеспечивает работу двигателя с минимальными потерями в двух характерных и наибо­ лее продолжительных режимах: при подъеме номинального груза

126

и в режиме переноса порожнего крюка. Этот закон наиболее рацио­ нален при практической реализации [43].

Напряжение автономного инвертора рассматриваемого типа ме­ няется с изменением выходного тока, появляется необходимость регулирования напряжения Uc при неизменной частоте, но при ме­ няющейся нагрузке. Данная задача решается путем введения в БС1

Третий канал — блок сравнения БС2, блок управления БУВИ — служит для управления ведомым инвертором. Необходимое соот­ ношение между углами включения (В19—В24) и опережения (В31—В36) тиристоров поддерживается с помощью сигналов, про­ порциональных напряжениям обратного моста и управляемого вы­ прямителя.

Система управления обеспечивает плавный пуск, торможение, реверс двигателя (путем изменения порядка включения тиристоров автономного инвертора), автоматический переход на повышенную скорость перемещения порожнего гака. В схеме привода преду­ смотрена защита от токов короткого замыкания и перегрузки дви­ гателя с помощью специального блока защиты (на рис. 4.22 не по­ казанного), блокирующего управляющие импульсы выпрямителя В19—В24, и зависимого инвертора при превышении током опре­ деленной величины. Предусмотрена также защита вентилей от пе­ ренапряжений с помощью цепочек, показанных для тиристоров автономного инвертора на примере В2 и для вентилей других звень­ ев на примере В29.

К. п. д. рассмотренного преобразователя при номинальной на­ грузке изменяется в пределах от 0,76 на частоте 6 Гц до 0,82 на частоте 50 Гц. Суммарные потери в двигателе за цикл снижаются примерно в 2,8—3,0 раза, при этом в переходных режимах — при­ мерно в 6 раз по сравнению с потерями, выделяемыми за анало­ гичный цикл в многоскоростном двигателе. Это дает возможность снизить массу исполнительного двигателя на 40%, а маховый мо­ мент— в 2 раза. Применение частотно-регулируемого электропри­ вода позволяет увеличить производительность грузоподъемного ме­ ханизма на 35—40% [43].

Асинхронный электропривод с частотным управлением перспек­ тивен и для других палубных механизмов, в частности, для руле­ вого устройства [59]. Разработанный для регулирования данного привода преобразователь частоты с промежуточным звеном по­ стоянного тока во многом аналогичен рассмотренному. Он выпол­ нен на основе автономного инвертора напряжения с отделенными от нагрузки коммутирующими L—С-контурами и с междуфазовой коммутацией. Инвертор содержит обратный выпрямитель. Способ регулирования напряжения — амплитудный, т. е. звено постоянного тока представляет собой управляемый выпрямитель, подключенный к сети без входного трансформатора. В системе электропривода предусмотрена обратная связь по току, служащая для автоматиче-

127

ского снижения частоты и напряжения в случае чрезмерного уве­ личения нагрузки, при этом мощность двигателя поддерживается постоянной. Система управления обеспечивает изменение частоты в пределах от 5 до 75 Гц.

Ранее отмечалось, что выходное напряжение преобразователей частоты с промежуточным звеном постоянного тока искажается под воздействием несимметрии напряжений сети управления вы­ прямителем. В асинхронном приводе с частотным управлением гар­ моники напряжения, возбуждаемые указанной несимметрией, со­ здают дополнительные потери и добавочные составляющие вра­ щающих моментов, действующие как в прямом, так и в обратном направлениях.

§ 4.7. Выпрямители для управления электроприводом траловых лебедок

Основным производственным механизмом современного рыбо­ ловного траулера является траловая лебедка, мощность привода которой соизмерима с мощностью судовой электростанции [17]. Для управления приводом траловых лебедок используются различ­ ные модификации системы Г—Д.

Внастоящее время в электроэнергетических системах трауле­ ров применяют переменный ток. Перспективно внедрение на этих судах единых электроэнергетических установок, когда все потреби­ тели, включая гребную установку и привод траловых лебедок, по­ лучают питание от общей электростанции. В этих условиях при­ менение тиристорного управления приводами траловых лебедок ввиду его достоинств приобретает особую важность. Использование тиристорного управления позволяет успешно решать одну из наи­ более актуальных проблем — осуществить автоматическое управле­ ние траловыми лебедками.

Впервые тиристорный привод был установлен на борту траулера «Тико I» (ФРГ) [77]. Судовая электростанция переменного тока мощностью около 3000 кВт обеспечивает работу двух гребных электродвигателей мощностью 800 кВт и двух двигателей ваерных барабанов траловой лебедки мощностью 220 кВт. На рис. 4.23 при­ ведена принципиальная схема тиристорного управления двигате­ лем траловой лебедки.

Вякорную цепь двигателя включен реверсивный тиристорный преобразователь. В схеме отсутствует силовой трансформатор, ограничение токов короткого замыкания и скорости нарастания то­ ков тиристоров di/dt в анодные цепи осуществляется тремя дроссе­ лями L I . В цепь выпрямленного тока включен сглаживающий дроссель L2.

В приводе осуществлена обратная связь по частоте враще­ ния (и) с помощью тахогенератора ТГ для стабилизации частоты

ния постоянства мощности, потребляемой из сети.

128

Управление приводом производится с помощью поста управле­ ния ПУ, который воздействует на систему управления СУ, в ре­ зультате чего задаются желаемое направление и требуемая ча­ стота вращения двигателя.

Система управления приводом обеспечивает пуск, регулирова­ ние частоты вращения, генераторное торможение с рекуперацией энергии в сеть, реверс двигателя. Регулирование частоты вращения осуществляется не только изменением величины выпрямленного

Рис. 4.23. Схема привода траловой лебедки.

напряжения в цепи якоря, но и ослаблением магнитного потока двигателя с помощью управляемого выпрямителя ВЗ.

В приводе траловых лебедок траулера «Ньюфаундленд» об­ мотка возбуждения двигателя питается от сети переменного тока через реверсивный тиристорный выпрямитель, что позволяет произ­ водить реверс двигателя магнитным потоком.

Траулеры-электроходы с единой электроэнергетической уста­

все положительные качества, присущие традиционным электро­ приводам траловых лебедок по системе Г-—Д, и в то же время вместо трех электрических машин большой мощности используется только одна.

129