книги из ГПНТБ / Головин Ю.К. Судовые электрические приводы. Устройство и эксплуатация учебник

Степень запаздывания влияет на величину выпрямленного напряже­ ния н будет тем меньше, чем больше угол а (рис. 127, б, в). Четкость

момента зажигания (открывание вентиля) достигается тем, что управ­ ляющий импульс имеет высокую крутизну, в идеальном случае прямо­ угольной формы, как показано на рис. 127, б. Это может быть получе­

но с помощью электромагнитных (магнитных) усилителей или полу­ проводниковых элементов. На приведенной схеме управления (рис. 128) подобная форма сигнала обеспечивается генератором им­ пульсов, который построен с помощью маломощного тиристора. Здесь

от переменного напряжения через диод Д1 проходит заряд конден­ сатора С /, последовательно в цепь включена первичная обмотка wx импульсного трансформатора ТИ, собранного на тороидальном сердеч­ нике. Параллельно конденсатору С1 и обмотке wl включен маломощ­

ный тиристор 77, номинальный ток которого, однако, значительно превосходит по величине импульс управляющего тока. Во время заря­ да конденсатора С1 тиристор 77 заперт.

После окончания заряда конденсатора и накопления в нем доста­ точного количества энергии на управляющий электрод 77 можно по­ дать входной сигнал, получающийся в устройстве сравнения, тири­ стор 77 при этом открывается, давая возможность конденсатору С1 разрядиться на обмотку wl импульсного трансформатора. Импульс, возникающий на вторичной обмотке w‘2 трансформатора, через диод Д2 и резистор R1 передается на управляющий электрод главного тиристора Т2\ резистор R2 обеспечивает нагрузку на выходе при обры­

ве цепей управления. В зависимости от типа тиристорного преобра­ зователя различают одно- и трехфазные, одно- и двухполупернодные схемы.

Простые однофазные схемы используются в установках малой мощ­ ности, а трехфазные— в установках сравнительно большей мощности.

Простейшая однополупериодная схема с широтно-импульсным управлением посредством быстродействующего магнитного усилителя приведена на рис. 129.

210

Когда ток управления равен нулю, выходной ток ненасыщенного магнитного усилителя М У создает падение напряжения в сопротивле­ нии R2 меньшее, чем пороговое напряжение диода Д у, и ток управле­

ния тиристора близок к нулю.

При насыщении усилителя падение напряжения в ветви R2 и вмес­

те с ним ток управления возрастают и тиристор открывается. Емкость С1 служит для снижения потерь мощности в управляющем переходе

вентиля. Эта емкость заряжается в начале процесса открытия и затем разряжается через сопротивление R1. Угол отпирания тиристора регу­ лируется током управления МУ

и достигает величины осгаах =

=150 ч -160°.

Однополупериодная схема ти­

редно открывают тиристоры через каждую треть периода, т. е. со сдви­ гом по фазе 2/3я. Тиристоры управляются посредством однополупериодных трехфазных магнитных усилителей. На рис. 130 показана схема

тивление его рабочей обмотки велико и на меньшем по величине сопро­ тивлении R1 напряжение незначительно. При насыщении М У напря­

жение на этом сопротивлении, подводимое к тиристору, сильно возрас­ тает вследствие снижения сопротивления рабочей обмотки усилителяТок в этой обмотке имеет одно направление, определяемое диодом Д2.

Диод Д1 защищает тиристор от возможного отрицательного потен­

циала на его управляющем электроде. Угол открывания а тиристора регулируется изменением момента времени его насыщения. Необходи­ мое смещение углов открывания тиристоров на 120° обеспечивается схемой соединения тиристоров с автотрансформатором АТр и сфазированным с ним трансформатором Тр. Запаздывание процесса управле­

ния в системе ограничено одной третью периода напряжения сети. Такая несимметричная схема дает большие пульсации в кривой

выпрямленного напряжения и исключает также ее использование в

211

режиме реверса. Поэтому для реверсируемых электроприводов приме­ няют симметричные схемы преобразователей с шестью тиристорами (рис. 131, а). Как отмечено выше, средняя величина выпрямленного на­

пряжения зависит от угла запаздывания и определяется по формуле

где UM — средняя величина выпрямленного напряжения при отсут­

ствии запаздывания.

тельным и тиристорный преобразователь переходит из выпрямитель­ ного в инверторный режим. В этом случае при сохранении прежнего направления э. д. с. двигателя и изменении полярности выпрямленного напряжения ток якоря изменяет направление и через преобразова­ тель возвращается в сеть. Возврат тока в сеть возможен благодаря при­ менению двух групп вентилей, включенных между собой встречно.

Механические характеристики электродвигателя постоянного тока с независимым возбуждением питающегося от трехфазного тиристор­ ного преобразователя с симметричной схемой показаны на рис. 131, б.

Ввиду большей величины сопротивления токовой цепи, включающей обмотки якоря, реактора, синхронного генератора и т. д., крутизна

212

механических характеристик будет больше, чем у соответствующего исполнительного двигателя системы Г—Д. Крутизна механической ха­ рактеристики резко возрастает в области малых нагрузок. Это объ­ ясняется тем, что выпрямленное напряжение U„ пульсирует, а э. д. с.

в силу инерционности якоря в течение полупериода остается практи­

изменяется. Если в области больших нагрузок благодаря запасенной энергии изменение тока незначительно, то в области малых нагрузок

Рис. 131. Тиристорный электропривод:

а — симметричная схема включения; б — механические характеристики двига­ теля при тиристорном управлении

его величина колеблется в широких пределах. Колебание величины тока при малых нагрузках приводит к колебаниям вращающего момен­ та и к значительному изменению частоты вращения, что соответствует менее устойчивой работе в данной части.

§ 52. Преобразователи частоты на тиристорах

Одной из проблем, возникших в связи с широким применением переменного тока на судах, является обеспечение регули­ рования частоты вращения электроприводов с к. з. трехфазными асин­ хронными двигателями. Как известно, наиболее плавное регулирование частоты вращения двигателей переменного тока в широком диапазоне позволяет получить частотное регулирование. Однако из-за недостат­ ков, присущих вращающимся электромашпнным преобразователям частоты, данный вид регулирования может найти применение только в случае использования статических преобразователей, построенных на тиристорах.

Статические преобразователи частоты подразделяются на две основ­ ные группы: без явновыраженного и с явновыраженным звеном посто­ янного тока.

213

А. Преобразователи частоты с неявновыраженным звеном постоянного тока

В этой системе выпрямление и инвертирование осуществляются одним устройством, основным блоком которого являет­ ся управляемая трехфазиая однополуперподная группа с тремя тири­ сторами. В каждой фазе системы — две такие группы Т+ и Т_, включен­ ные встречно (рис. 132, а). Всего имеется 6 групп с 18 вентилями. Ком­

мутация (переключение) тока производится за счет напряжения сети. Когда работает одна группа, выпрямляются положительные полуволны напряжения, при работе другой группы — отрицательные полуволны

Рис. 132. Трехфазный преобразователь частоты без явиовыражсшюго звена постоянного тока:

а — схема включения тиристоров; б — кривая выходного напряжения

напряжения (рис. 132, б). Выходная частота зависит от числа выпрям-

т

ленных полуволн напряжения сети за время у . Регулирование выход­

ной частоты достигается изменением времени работы групп выпрями­ телей, для чего предусматривается специальное управляющее устрой­ ство. Переключение вентилей в принципе в каждой группе такое же, как и в трехфазной выпрямительной схеме. Естественный угол отпи­ рания приборов составляет 60°. Переход от положительной к отрица­ тельной полуволне выпрямленного напряжения может сопровождаться одновременным включением двух приборов разных групп, принадле­ жащих к различным фазам сети, вследствие чего возникает короткое замыкание сети. Ограничение токов при переключении групп и улуч­ шение формы кривых напряжения достигаются посредством дроссе­ лей Др. Этот преобразователь обладает свойством двустороннего про­

пускания активной и реактивной мощностей без дополнительных средств при условии перехода от работы одной группы к другой в мо­ мент прохождения тока через ноль.

Еще одно положительное свойство данной схемы — возможность регулирования частоты в широких пределах, начиная с ее малых ве­ личин. Для этого, а также с целью получения более благоприятной

214

формы выходного напряжения требуется повышенная частота источ­ ника питания по сравнению с выходной.

Ценными свойствами преобразователей с неявным звеном постоян­ ного тока, в которых коммутация осуществляется естественно за счет напряжения сети, являются высокий к. п. д. из-за однократного пре­ образования энергии, широкий диапазон регулирования, а также возможность двустороннего протекания реактивной энергии в цепи источник питания — нагрузка.

Недостатки схемы: наличие большого числа управляемых венти­ лей (не менее 18); необходимость в источнике питания повышенной час­ тоты; отсутствие возможности независимого регулирования частоты и напряжения преобразователя.

Б. Преобразователи частоты с явновыраженным звеном постоянного тока

В преобразователе этого типа выпрямление и ин­ вертирование выполняются отдельными звеньями или блоками. Основ­ ные блоки преобразователя: выпрямитель В, инвертор И с управля-

Рис. 133. Преобразователь частоты с япновыраженным звеном постоянного тока:

а — структурная схема; б — схема включения тиристоров

ющнм устройством УИ, регулятор напряжения PH с управляющим устройством УР (рис. 133, а). Здесь предусматривается независимое,

раздельное управление частотой и величиной напряжения, что важ­ но для получения требуемых характеристик электропривода. В преоб­ разователе с явновыраженным звеном постоянного тока лучшей систе­ мой следует признать трехфазный мостовой инвертор на тиристорах

215

с ограниченными неизменными емкостями, позволяющий регулировать частоту в пределах 10— 100 Гц (рис. 133, б).

Инвертор работает как обращенный выпрямитель, вентили кото­ рого открываются и закрываются с необходимой последовательностью и регулируемой частотой. В схеме предусмотрено искусственное га­ шение управляемых вентилей коммутационными конденсаторами С1— С6 в момент прохождения тока через ноль. Диоды В1—В6 позволяют

конденсаторам разряжаться на нагрузку. Через выпрямительный мост В7—В 12 происходит передача реактивной энергии от сети к нагрузке и обратно. Благодаря работе диодов В1— В12 потребная емкость ком­

мутационных конденсаторов значительно снижается. Управление ча­ стотой и величиной выходного напряжения осуществляется раздельно; напряжение обычно регулируется на выходе выпрямителя, а частота— в инверторе. Наиболее рациональным способом регулирования напря­ жения в данном преобразователе является широтно-импульсный. Присоединенный к выходу неуправляемого выпрямителя широтно­ импульсный транзисторный регулятор изменяет соотношение между временем включенного и отключенного состояния цепи. Среднее зна­ чение напряжения на выходе регулятора при холостом ходе

цепи;

U — выпрямленное напряжение, подводимое к регуля­

тору.

Регулирование выходной частоты производится изменением часто­ ты импульсов, передаваемой в определенной последовательности на управляющие электроды тиристоров. В инверторе обычно одновременно работают два тиристора. Например, для одного порядка следования фаз на выходе инвертора последовательность одновременной работы

При этом должен быть обеспечен сдвиг 120° между соседними фаза­ ми. Для обеспечения импульсов обычно применяются однофазные ре­ лаксационные задающие генераторы. Трехфазная система импульсов получается посредством логических элементов или кольцевых комму­ таторов. В схемах с тиристорами используются импульсы с крутым

Рассматриваемый тип преобразователя обладает рядом положи­ тельных качеств: питание от сети промышленной частоты, сравнитель­ ная простота, возможность широкого и плавного регулирования часто­ ты выше и ниже частоты сети, независимое управление выходного напряжения, небольшие значения высших гармоник напряжения, что улучшает использование двигателей. Этому преобразователю свой­ ственны и недостатки: наличие двойного преобразования энергии, сни-

216

жающего к. п. д., необходимость компенсации реактивной мощности нагрузки, большая емкость конденсаторов при низких выходных часто­ тах (менее 10— 15 Гц).

На основании перечисленных выше достоинств и недостатков на судах для электроприводов следует предпочитать статические преоб­ разователи частоты с явновыраженным звеном постоянного тока.

§53. Аппаратура управления

сиспользованием полупроводниковых

устройств

Тиристоры и кремниевые вентили позволяют соз­ давать аппараты, осуществляющие управление двигателями как посто­ янного, так и переменного тока взамен контакторов, пусковых и пуско­

контактных элементов и искрообразоваиия; высокая надежность; большая механическая и элек­

трическая износоустойчивость; практически абсолютная вибро-и уда­ ростойкость вследствие отсутствия подвижных элементов. При созда­ нии блоков коммутации силовой цепи на постоянном и переменном то­ ке необходимо обеспечить принудительное включение тиристора в це­ пях постоянного тока и открытие тиристора в начале каждой полу­ волны переменного тока. Эти требования выполняются путем ис­ пользования различных схем включения тиристоров и схем управле­ ния ими.

Схема контактора с двусторонним пропусканием тока изображена на рис. 134. В этой схеме для обеспечения более четкой и надежной ра­ боты тиристорного контактора используется принцип последователь­ ного включения насыщающего дросселя в цепь управляющего электро-

217

да. Если на управляющие электроды тиристоров 77 и 72 подавать от­ пирающие сигналы, то тиристоры будут поочередно проводить ток при положительных и отрицательных полуволнах, обеспечивая прохожде­ ние тока через нагрузку Р п. При отсутствии отпирающих импульсов на

управляющие электроды тиристоры будут заперты, что соответствует выключенному состоянию контактора.

Открытое или закрытое состояние тиристоров определяется по­ лярностью управляющего импульса, подаваемого на обмотку управле­ ния ОУ насыщающего дросселя ДН1. Ввиду встречного намагничива­ ния при подаче положительного управляющего импульса ОУ дрос­ сель ДН1 будет переведен в ненасыщенное состояние, так как диод Д1 заперт и ток через рабочую обмотку Р1 не проходит. Это соответствует

наибольшему реактивному сопротивлению рабочей обмотки. В течение следующего положительного полуперпода, когда анод тиристора Т1 становится положительным и открывается диод Д1, протекание тока через обмотку Р1 вызывает перемагничнвание дросселя.

В процессе перемагничиванпя дроссель ДН1 находится в ненасы­

щенном состоянии, индуктивное сопротивление его велико, и в резуль­ тате этого происходит зарядка конденсатора С1. Через 1— 2 мс сердеч­ ник дросселя ДН1 насыщается магнитным потоком обмотки Р1, ее индуктивное сопротивление уменьшается и конденсатор С1 разряжа­ ется через эту обмотку и управляющий тиристор Т1, который откры­ вается и через обмотку К'2 дросселя ДН2 начинает протекать полный ток нагрузки. Ввиду того что магнитный поток К ‘2 действует встречно с остаточным намагничиванием от обмотки Р2, сердечник ДН2 раз­ магничивается, и индуктивное сопротивление обмотки Р2 увеличивает­

ся. Это приводит в следующий отрицательный полупериод к заряду конденсатора С2 и затем по мере уменьшения индуктивного сопротив­ ления Р2 к его разряду на управляющий электрод н открыванию ти­ ристора 72. Сердечник дросселя Д Н 1 возвращается в ненасыщенное

состояние благодаря размагничивающему действию обмотки /<7 во вре­ мя протекания тока через второй тиристор. Это приводит к отпиранию тиристора Т1 в следующий положительный полупериод и т. д. Таким образом, после отпирания Т1 оба тиристора поддерживают друг друга

в открытом состоянии. Поэтому контактор будет оставаться замкну­ тым даже тогда, когда положительный импульс с обмотки управления будет снят. Это соответствует работе обычного контактора с самоудержанием. Тиристоры схемы, приведенной на рис. 134, могут быть вы­ ключены подачей на обмотку управления ОУ импульса отрицательного напряжения. При этом сердечник ДН I насыщается к моменту наступле­ ния положительного рабочего полуперпода. Сопротивление обмотки Р1

становится небольшим, и напряжение на управляющем электроде определяется делителем на сопротивлениях Р4 и РЗ. Эти сопротивле­ ния подбираются таким образом, чтобы величина напряжения на Р4 была недостаточной для отпирания тиристора. Конденсатор С1 при

этих условиях не заряжается, так как он оказывается зашунтированным ннзкоомным сопротивлением Р4. Следовательно, тиристор 77 при

подаче отрицательного сигнала не открывается. Это приводит к по­ тере отпирающего импульса и на втором тиристоре 72. При исполь-

218

зовашш тиристоров в качестве контакторов или роле в цепях постоян­ ного тока ввиду беспрерывности тока также необходимо создать усло­ вия принудительного их запирания. На рис. 135 приведена схема тири­ сторного выключателя постоянного тока с кнопочным управлением. Открывание тиристора Т осуществляется подачей положительного на­

пряжения на управляющий электрод при помощи кнопки включения КнВ. При этом величина тока управления ограничивается сопротивле­ нием R. После включения тиристора конденсатор С заряжается до на­

пряжения источника постоянного тока. При нажатии на кнопку от-

стора.

Большие скорости переключения тиристоров дают возможность ис­ пользовать их в различных схемах защиты от перегрузок и перенапря­ жений. Схема тиристорного контактора с максимальной защитой при­ ведена на рис. 136.

При замыкании кнопки включения подается положительное напря­ жение на управляющий электрод тиристора 77 и он открывается. После включения тиристора конденсатор С заряжается до полного на­

пряжения источника постоянного тока. При возникновении в цепи на­ грузки больших токов падение напряжения на шунте R m становится больше порогового напряжения стабилитрона Cm, и он пропускает ток на управляющий электрод тиристора Т2, который при этом мгновенно открывается. При открытом тиристоре Т2 конденсатор разряжается

и тиристор ГУ запирается, прерывая аварийный ток. Нормальное от­ ключение тиристора Т1 и тиристора Т2 при аварийном режиме осуще­ ствляется кнопкой КнО.

219