13.4 Регулирование скорости в вентильном тиристорном электроприводе

13.4.1 Общие положения

В широком понимании термина «вентильный электропривод» (ВЭП) имеется в виду питание якорной цепи двигателя постоянного тока от любого управляемого вентильного преобразователя (регулируемого источника напряжения).

Еще в 30-х годах 20 века появились маломощные широтно-импульсные преобразователи (ШИП) на электронных лампах весьма небольшой мощности (десятки ватт), которые использовались для питания сервоприводов. В 40-х годах прошлого века появились ВЭП с использованием тиратронов (газонаполненные управляемые приборы), а в 50-х годах – с использованием управляемых ртутных выпрямителей различных модификаций, позволивших создание ВЭП уже на сотни киловатт. ВЭП с ртутными выпрямителями – это целая эпоха (25-30 лет) в развитии электропривода. Но в ртутных выпрямителях падение напряжения в дуге составляло примерно 20 В, что и определило поражение их в конкурентной борьбе (не рассматривая других сравнительных показателей) с появившимися в 60-х годах кремниевыми управляемыми вентилями – тиристорами, с помощью которых созданы и работают ВЭП мощностью в тысячи киловатт.

У тиристора внутреннее падение напряжения составляет всего ΔU_В=0,5-0,8 В, что резко повышает коэффициент полезного действия выпрямительного элемента ,

где U_В – выпрямленное напряжение.

В последние годы разработаны транзисторные ШИП на номинальные токи до 630 А и выходное напряжение 460 В. На базе этих элементов выпускаются комплектные транзисторные электроприводы типа ЭПУ, широко применяемые для металлорежущих станков.

Вопросы регулирования скорости в ВЭП на базе транзисторных ШИП с регулируемым выпрямленным напряжением на выходе такого преобразователя (так называемые системы ШИП-Д) будут рассмотрены в разделе 13.5 (импульсное амплитудное регулирование скорости электропривода).

Широкое распространение ВЭП с использованием тиристорных управляемых преобразователей (электроприводы по системе ВП-Д) получили благодаря ряду их преимуществ по сравнению с электроприводами по системе Г-Д, а именно:

1) Большая экономия меди и черных металлов (в 2-2,5 раза) при равной мощности сравниваемых электроприводов;

2) Меньшая стоимость оборудования: ~ 25% при Р_Н=300-500 кВт; до 40% при Р_Н≈1000 кВт; до 50-60% при Р_Н>1000 кВт;

3) ВЭП занимает меньше места, чем система Г-Д, отсутствуют громоздкие фундаменты под генератор и его приводной двигатель. Тиристорные преобразователи устанавливаются непосредственно в машинных залах или легких пристройках к ним, что значительно уменьшает капитальные затраты на строительно-монтажные работы;

4) КПД ВЭП значительно больше из-за, как указывалось выше, меньшего падения напряжения в выпрямительном элементе.

Коэффициент мощности (cos φ) в ВЭП в среднем тот же, что и в системе Г-Д с асинхронным приводным двигателем генератора.

При глубоком регулировании напряжения и скорости cos φ у ВЭП ниже, чем у системы Г-Д (это будет показано далее). Однако для современных больших промышленных предприятий с большим числом синхронных электрических машин проблема снижения cos φ в ВЭП не является острой и первоочередной;

5) Практическая безынерционность системы управления вентильным преобразователем – это основное преимущество реверсивных ВЭП. Например, время реверса тока с +I_Н до –I_Н для электропривода блюминга с двигателем 5000 кВт составляет:

- в квадратичной системе Г-Д с электромашинными усилителями	– 400 мс;
- в системе Г-Д с вентильным возбудителем генератора	– 200 мс;
- в ВЭП с двумя комплектами ВП в цепи якоря	– 50 мс.

6) Несоизмеримо меньшая по сравнению с системой Г-Д мощность управления, что позволяет убрать промежуточные усилители-возбудители и значительно упростить систему автоматического управления;

7) Большая четкость управления, чем в системе Г-Д. Для системы Г-Д при U≈0,4U_Н четкость (точность) управления значительно теряется (из-за гистерезиса в кривой намагничивания и возрастающего влияния реакции якоря), а при U≈0,1U_Н система Г-Д уже может потерять устойчивость (если нет специальных обратных связей). В современных ВЭП с системами импульсно-фазового управления точность регулирования выпрямленного напряжения очень высока. Таким образом, системы ВЭП при глубоком регулировании напряжения преобразователя имеют преимущества, несмотря на снижение cos φ;

8) Системы ВЭП позволяют получить практически любые требуемые механические характеристики двигателя (при наличии соответствующих обратных связей в системе управления).

Вместе с тем системы ВЭП имеют и ряд недостатков, а именно:

1) Относительно сложные схемные решения в узлах систем импульсно-фазового управления (СИФУ) и блоках защиты вентильных преобразователей;

2) Снижение cos φ в ВЭП при глубоком регулировании напряжения и скорости двигателя вниз;

3) Возможность такого тяжелого аварийного режима, как «прорыв, или опрокидывание инвертора» из-за неправильной настройки системы управления вентильным электроприводом;

4) Генерирование или так называемое «засорение» сетей, питающих ВЭП, высшими гармониками, ухудшающими работу всех двигателей переменного тока, получающих питание от этих сетей;

5) Необходимость в более квалифицированных специалистах для проектирования и эксплуатации ВЭП по сравнению с системами Г-Д.

Несмотря на эти недостатки, преимущества систем ВЭП по сравнению с системами Г-Д обеспечили повсеместное вытеснение систем Г-Д вентильными электроприводами. Системы Г-Д сохранились лишь на старых, но еще действующих промышленных установках и постепенно заменяются вентильными электроприводами при реконструкциях. Системы Г-Д большой мощности (тысячи кВт) сохранены как резервные при работающих ВЭП, а также в тех случаях, когда необходимо избежать засорения питающей высоковольтной сети высшими гармониками.