3 раздел Скалярное управление

Рассмотрим некоторые варианты схем силовых цепей НПЧ АД.

Определяющее влияние на установленную мощность силового оборудования НПЧ оказывают схема на стороне, связанной с питающей сетью, и способ

согласования и управления группами вентилей.

В электроприводах НПЧ выполняются по трехфазным мостовым (при

схемы нашли ограниченное применение: в установках небольшой мощности и преимущественно при автономных источниках питания повышенной частоты. Это обусловлено более высоким качеством тока в питающей сети и выходного напряжения, а также высокими значениями коэффициентов преобразования тока и напряжения НПЧ на основе мостовых схем.

Схема силовой части НПЧ разрабатывается с учетом мощности электропривода, необходимости компенсации влияния на питающую сеть,

схемы цепей нагрузки.

Непосредственная связь цепей нагрузки и питающей сети в НПЧ делает необходимым выбор силовой схемы и закона управления вентилями с учетом ограничения влияния НПЧ на питающую сеть. Влияние проявляется в трех аспектах:

1) в потреблении из питающей сети реактивной мощности сдвига

(характеризуется коэффициентом сдвига cos f1);

2)в появлении в кривой первичного тока широкого спектра высших гармонических составляющих (высших гармоник) с частотами, кратными частоте питающей сети;

3)в амплитудной и фазовой модуляции основной гармонической составляющей (основной гармоники) первичного тока.

Форма кривой тока, потребляемого НПЧ из питающей сети;

характеризует качество использования энергии. Не оказывая практического влияния на коэффициент мощности установки (снижение % при трехфазных

мостовых схемах не превышает 3÷4 %, а при эквивалентных двенадцатифазных − 1%), высшие гармоники тока вызывают искажения кривой питающего напряжения.

Анализ известных разработок НПЧ, выполненных для электропривода,

показывает преимущественное применение трансформаторных схем на стороне, связанной с питающей сетью, что обусловлено в первую очередь

необходимостью согласования напряжений сети и двигателя.

В трехфазно-многофазном НПЧ форма кривой падения напряжения определяется коммутацией тока в тиристорах всех фаз нагрузки. При мостовых схемах НПЧ коммутация тока тиристорами, связанными со своей фазой нагрузки, определяет активную составляющую кривой падения напряжения, которая зависит от тока нагрузки, а коммутация тока тиристорами других фаз нагрузки − реактивную составляющую, зависящую

от коэффициента мощности нагрузки и глубины регулирования x.

Взаимное влияние НПЧ на внешнюю характеристику и кривую выходного напряжения U2 может быть сведено к минимуму путем питания каждого трехфазно – однофазного НПЧ от отдельного трансформатора. При многообмоточных трансформаторах относительная автономность работы каждого трехфазно-однофазного НПЧ достигается путем выполнения специальных требований к компоновке обмоток трансформатора.

На рис. 3.6 и 3.7 приведены возможные варианты схем силовых цепей асинхронных ЭП на основе НПЧ, выполненных по мостовым схемам.

Трехфазная схема АД требует потенциального разделения НПЧ вентильных групп НПЧ по цепи питания за счет применения трех двухобмоточных преобразовательных трансформаторов (либо одного четырехобмоточного трансформатора) (см. рис. 3.6). Вместе с тем выполнение схемы трехфазного АД с выведенными началами и концами обмоток управления позволяет применить один двухобмоточный преобразовательный трансформатор (см.

рис. 3.7).

На рис. 3.8 показан вариант силовой цепи ЭП с НПЧ, выполненной по эквивалентной двенадцатифазной схеме (12-ти пульсная схема выпрямления). В такой схеме НПЧ содержит двенадцать пар трехфазных мостов управляемых вентилей. Схема предусматривает применение двух семиобмоточных трансформаторов, трехфазные системы вторичных напряжений которых сдвинуты на 30о несущей частоты f1. От каждой вторичной обмотки питается один трехфазный мост. Соседние вентильные мосты, питающие одну фазу АД от каждого трансформатора, управляются со сдвигом в 180о. Конструктивные многообмоточные преобразовательные трансформаторы выполняются с двумя активными частями в одном кожухе.

Рисунок 3.6 − Схема силовых цепей трехфазно-трехфазного 6-ти пульсного НПЧ АД с раздельным управлением и с потенциально разделенными по цепи питания мостовыми вентильными группами

Отметим, что в схеме на рис. 3.8 исключается питание фазы АД от одной вторичной обмотки трехфазных мостов, проводящих в течение части периода вторичной частоты одновременно ток нагрузки, так как это

приводит к потере управляемости части вентилей (внутренних по отношению

к нагрузке) на время их совместной работы.

Рисунок 3.7 − Схема силовых цепей трехфазно-трехфазного 6-ти пульсного НПЧ АД с раздельным управлением и с потенциально разделенными по цепи нагрузки мостовыми вентильными группами

Рисунок 3.8 − Схема силовых цепей трехфазно-трехфазного 12-ти пульсного НПЧ АД с потенциальным разделением мостовых вентильных групп и по цепи питания, и по цепи нагрузки

Встречно-параллельная схема питания трехфазных мостов требует при

раздельном управлении выравнивания потенциалов средних точек

противовключенных вентильных групп для исключения перенапряжений на

вентилях непроводящего комплекта (см. дроссели L1 и L2 на рис. 3.8).

3.3 Особенности статических и динамических характеристик

непосредственных преобразователей частоты

При синтезе САУ электроприводов переменного тока должны быть учтены некоторые особенности статических и динамических характеристик НПЧ.

Наличие бестоковой паузы переменной длительности при раздельном управлении противовключенными группами, разброс характеристик СИФУ,

несимметрия фаз НПЧ и двигателя, наличие зоны прерывистых токов

ограничивается условиями фильтрации высших гармонических составляющих в сигнале обратной связи по току, которые при определенных условиях приводят к искажению статической характеристики преобразователя, и условиями устойчивости замкнутого контура регулирования фазного тока с учетом дискретного характера работы НПЧ (в

линеаризованной системе в режиме малых отклонений от установившегося значения НПЧ может быть аппроксимирован импульсным звеном).

Более жестким оказывается ограничение по второму условию, при этом

что примерно в два раза меньше граничной частоты ωгр , определяемый

формулой (3.8). В этом случае минимальное значение постоянной времени фильтра Tμ,i,min , которое следует ввести в прямой канал регулирования

фазного тока, составит:

для НПЧ, выполненного по трехфазной мостовой (трехпульсной) схеме

( m1 3):

для НПЧ, выполненного по трехфазной мостовой (шестипульсной)

схеме ( m1 6 ):

для НПЧ, выполненного по эквивалентной двенадцатифазной схеме ( m1 12 ):

Результаты экспериментальных исследований показывают, что дискретность НПЧ не оказывает существенного влияния на процессе в системе, если быстродействие внутренних контуров в 1,5÷2 раза ниже

предельного.

Таким образом, окончательно для частоты среза контуров фазных токов ωср,i можно принять:

для НПЧ, с m1 3:

рад

ωср,i,факт 125 с ;

Tμ,i,факт 4 10 3c;

для НПЧ, с m1 6 :

рад

ωср,i,факт 250 с ; Tμ,i,факт 2 10 3c;

для НПЧ, с m1 12 :

рад

ωср,i,факт 500 с ; Tμ,i,факт 1 10 3c;

Эти настройки следует использовать при расчете параметров внутренних контуров фазных токов асинхронного ЭП с НПЧ, в том числе и системах частотно-токового управления.

На основе НПЧ реализуются разные по своему назначению и техническим характеристикам системы электропривода: НПЧ-синхронный двигатель, НПЧ-асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором,

машина двойного питания. Укажем некоторые производственные механизмы, для которых эти электроприводы разрабатываются или перспективны:

система НПЧ-синхронный двигатель – для главных приводов станов:

обжимных, широкополосных, универсальных раскатных, непрерывных редукционных трубопрокатных; приводов основных механизмов прокатных станов (летучих ножниц, нажимных винтов); приводов крупных размольных мельниц повышенной производительности цементной и горнорудной промышленности; приводов крупных подъемных машин, гребных винтов;

система НПЧ – асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором

–для приводов низкоскоростных рольгангов, малых подъемных машин и