3.1. Эволюция преобразователей в системах электропривода

Рассматривая современные электромеханические системы, следует иметь в виду не только электродвигатель, но и совокуп­ность преобразователь - двигатель. Свойства системы в значи­тельной мере определяются характеристиками преобразователя. В настоящее время в любой позиционной, а тем более следящей системе используются индивидуальные преобразователи, управ­ляющие работой двигателя. Отличающиеся простотой исполне­ния релейные системы, которые до середины 20-го столетия ино­гда находили применение, в настоящее время практически не используются. Они обладают рядом недостатков, обусловлен­ных свойствами релейного элемента, а именно: зоной нечувстви­тельности, гистерезисной характеристикой. Единственное их до­стоинство - быстрая отработка рассогласования. Другие вари­анты систем без преобразователей практически не существуют.

Первой электромеханической системой с индивидуальным преобразователем являлась система генератор -двигатель, в ко­торой наряду с исполнительным двигателем постоянного тока использовался машинный агрегат, состоящий из двигателя пере­менного тока (асинхронного или синхронного) и генератора по­стоянного тока, от которого непосредственно питается рабочий двигатель, стыкуемый с осью механизма (рис. 3.1). В автономных установках, удаленных от электрических сетей, вместо электро­двигателя преобразовательный агрегат может вращаться двига­телем внутреннего сгорания или дизелем.

Система генератор - двигатель (ГД) обладает достаточно высокими техническими характеристиками, особенно при ис­пользовании жесткой обратной связи, которая всегда присут­ствует в позиционных и следящих системах. Система ГД имеет достаточно жесткие механические характеристики, широкий диапазон регулирования скорости, обеспечивает тормозной режим с рекуперацией энергии.

Рис. 3.1. Система ГД

U_y - напряжение управления

Основным недостатком системы ГД является ее существен­ная инерционность, обусловленная большой постоянной времени обмотки возбуждения генератора. Для частичного преодоления ее приходится использовать средства форсирования нарастания тока в цепи возбуждения. К недостаткам системы также следует отнести наличие трех машин примерно равной мощности, вместо одной, а также необходимой для их размещения соответству­ющей площади, сложность технического обслуживания и т. д. Необходимо отметить, что, несмотря на отмеченные недостатки, система ГД до 50-х годов использовалась весьма широко во всех отраслях промышленности. Других вариантов преобразовате­лей в это время не было. Электронные лампы, существовавшие тогда, не могли использоваться в силовых преобразователях.

Первые преобразователи без вращающихся машин могли быть построены в 40-50-х годах на базе ионных аппаратов: управляемых ртутных выпрямителей, тиратронов, игнитронов и др. Однако практическое использование подобных преобразо­вателей ограничилось только небольшим числом опытных уста­новок, что было обусловлено неудобством эксплуатации ион­ных приборов. Они требуют сохранения высокого вакуума, для чего используется стеклянная колба либо вакуум поддержива­ется непрерывной работой соответствующих насосов, причем обычно в двухступенчатом варианте.

Более перспективными, казалось бы, должны быть магнитные усилители и действительно их использование совместно с двух- фазными асинхронными двигателями позволяет иметь достаточ­но быстродействующие позиционные и следящие системы для мощностей до 150 Вт (рис. 3.2). Создать на базе магнитных усилителей систему с двигателем постоянного тока практически оказалось невозможным. Коэффициент полезного действия устройства с магнитным усилителем не может быть выше 20%, что обусловлено неизбежными уравнительными токами, возни­кающими вследствие невозможности как полного закрытия це­пей, так и обеспечения проводимости, стремящейся к бесконечности. Только при использовании мостовой схемы Скотта с че­тырьмя магнитными усилителями становится возможным при­близить величину КПД к 50%.

Рис. 3.2. Система магнитный усилитель - двухфазный двигатель

Т_р - трансформатор; ДД - двухфазный двигатель; ОВ_д и ОУ_д - его обмотки: возбуждения и управления; МУ - магнитный усилитель; ОР - рабочие обмотки МУ; ОУ_у - обмотки управления МУ; ОС_у - обмотки смещения; С - конденсаторы

Недостатки преобразователей с ионными, магнитными и другими приборами заставили техническую мысль вновь вер­нуться к электромашинным преобразователям. Были созданы в ряде вариантов электромашинные усилители (ЭМУ), среди которых широкое применение получили только электромашин­ные усилители с поперечным полем. Этот ЭМУ представляет собой двухкаскадный электромашинный усилитель, выполнен­ный на базе машины постоянного тока, в которой полезно ис­пользуется поток реакции якоря по поперечной оси и практиче­ски устранено влияние потока реакции якоря по продольной оси за счет использования компенсационной обмотки с настраи_: вающимся контуром (рис. 3.3).

Следящие системы с ЭМУ в 50-60-е годы нашли широкое применение как в промышленности, так и в боевой технике. В этих системах с ЭМУ были использованы средства форсирова­ния процессов, токоограничение и т. п. Мощность установок была ограничена 10 кВт.

В результате широкого фронта работ в области силовой полупроводниковой техники в 60-е годы были созданы тири­сторы, с использованием которых были построены преобразо­ватели как для систем постоянного, так и переменного тока.

Рис. 3.3. Система ЭМУ - двигатель

ОК- обмотка компенсационная; ОУ- обмотка управления; ООС- обмотки обратных связей

Тиристор представляет собой не полностью управляемый прибор, включение которого осуществляется подачей соответствующего импульса на управляющий электрод, а отключение может быть осуществлено только за счет снятия напряжения в силовой цепи. В связи с этим преобразователь на тиристорах обычно работает как преобразователь с импульсно-фазовым управлением и имеет достаточно сложную систему управления.

На базе тиристоров были построены системы как с двигате­лями постоянного тока, так и с асинхронными. Системы посто­янного тока с тиристорными преобразователями имеют характе­ристики, аналогичные характеристикам системы генератор -двигатель: жесткие механические характеристики, широкий диапазон регулирования скорости, торможение в режиме реку­перации и т. п. В реверсивных системах, к которым всегда при­надлежат позиционные и следящие системы, приходится использовать два преобразователя (рис. 3.4), включенных по крестообразной схеме. Второй преобразователь необходим так­же и для создания тормозного режима.

Для упрощения на рис. 3.4 приведена схема преобразователя с нулевой точкой, которая обладает некоторыми отрицатель­ными свойствами, рассмотренными ниже. В основном находят применение преобразователи с мостовыми схемами включения полупроводниковых аппаратов.

Рис. 3.4. Реверсивная схема тиристорного привода (в однофазном исполнении)

L - сглаживающие реакторы

Рис. 3.5. Схема одной фазы преобразователя НПЧ

Появление тиристоров позволило также создать и системы переменного тока с частотным управлением асинхронными двигателями. При этом нашли применение два варианта систем: со звеном постоянного тока и с непосредственной связью (НПЧ). В системе со звеном постоянного тока сетевое напряжение выпрямляется и после фильтра используется в автономном инвер­торе напряжения, от которого непосредственно питается асин­хронный двигатель. Для создания реверсивной схемы и обеспе­чения тормозного режима, как и на постоянном токе, требуются два преобразователя (АИН).

В системе с непосредственным преобразователем частоты кри­вая напряжения низкой частоты как бы нарезается из отрезков синусоидальной кривой напряжения частоты сети. При этом да­же для одной фазы требуется шесть приборов (рис. 3,5). В трех­фазной установке соответственно должны быть использованы 18 приборов (тиристоров). Основной недостаток системы с НПЧ - невозможность использования ее при частоте, близкой к сетевой. Практически система может работать при частотах 0-20 Гц.

К началу 90-х годов ряд электротехнических фирм освоил изготовление транзисторов на токи до 20-50 А при напряжении до 500 В. Это позволило создать преобразователи для уста­новленной мощности до 20 кВт. С этого момента началось посте­пенное прекращение функционирования всех других ранее использовавшихся типов преобразователей. На постоянном токе в основном стали использоваться широтно-импульсные преоб­разователи (ШИП), работающие на частоте несколько килогерц. При этом существенно снизились помехи и потери, обусловлен­ные пульсациями выпрямленного тока. В выпрямительных схемах даже при мостовой трехфазной схеме частота первой гармоники составляет 300 Гц, что на порядок меньше, чем частота, используемая в транзисторных ШИП (3-5 кГц).

Широтно-импульсные преобразователи первоначально стали использоваться в локальных установках, питаемых от се­ти, напряжение в которой поддерживается постоянным. Это бы­ла единственная возможность создания регулируемых электро­механических систем для подобных условий работы. Обладая существенными преимуществами по сравнению с управляемыми выпрямителями, они быстро стали вытеснять последние и в про­мышленности. Также и в системах частотного управления двига­телями переменного тока преимущественно стали использо­ваться автономные инверторы напряжения (АИН) с широтноимпульсной модуляцией. В настоящее время широко использу­ются АИН с синусоидальной формой напряжения, применение которых уменьшает потери в двигателе.

Революционные изменения в преобразователях как для си­стем постоянного тока, так и переменного происходят в настоя­щее время в связи с появлением мощных силовых транзисторов: полевых и типа IGBT, при этом преобразователи существенно упрощаются. В связи с большими номинальными токами и напряжениями силовых транзисторов отпадает необходимость в использовании различных сборок из нескольких транзисторов и соответственно специальных схем для согласования работы относительно маломощных транзисторов.

Существенно облегчается выбор силовых транзисторов для конкретной установки за счет экспериментальных характерис­тик, которые фирма-изготовитель прикладывает к прибору и которые позволяют весьма просто определить ожидаемые тепло­вые режимы. Расширяется возможность контроля работы уста­новки за счет непосредственного измерения теплового состояния приборов. Открываются широкие перспективы для использова­ния микропроцессоров и компьютеров для контроля режимов работы силовых транзисторов, оптимизации их работы, диаг­ностики, прогнозирования и т. п.

В связи с организацией производства силовых транзисторов некоторое применение стали находить приводы постоянного тока с линейными усилителями, однако в ограниченных объемах, так как КПД установок с усилителями недостаточно высок.

3.2. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ПОСТОЯННОГО ТОКА

3.2.1. СИСТЕМЫ УПРАВЛЯЕМЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ - ДВИГАТЕЛЬ

В прецизионных системах электропривода постоянного тока в настоящее время используется два типа преобразователей: управляемый выпрямитель и широтно-импульсный преобразо­ватель (совместно с неуправляемым выпрямителем). Оба типа преобразователей теперь строятся на базе применения транзис­торных силовых полупроводниковых элементов: полевых транзисторов и биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT).

Для управляемых выпрямителей в основном используются мостовые трехфазные схемы (рис. 3.6), которые обеспечивают малые пульсации выходного напряжения [8]. Первая гармоника частотой 300 Гц имеет амплитуду, составляющую 5,7% от уровня выпрямительного напряжения, в то время как при использова­нии схемы с нулевой точкой она составляет 20%. Существенно также то обстоятельство, что для мостовой схемы напряжение

Рис. 3.6. Управляемый выпрямитель на транзисторах

вторичной обмотки трансформатора в два раза меньше, чем для схемы с нулевой точкой. В связи с этим имеется и отрицательная особенность мостовых схем - необходимость применения уд­военного числа полупроводниковых аппаратов.

Применение схем с нулевой точкой, аналогичных показан­ной на рис. 3.4, практически исключается, так как работа их связана с наличием постоянной составляющей токов во вторич­ных обмотках трансформатора. При этом возникающая МДС возбуждает магнитный поток, который вынужден замыкаться через воздушное пространство. Повышение индукции и насыще­ние магнитопровода приводит к отрицательным результатам - большим потерям, нагреву элементов магнитопровода и др. Использование их может быть допущено только в установках малой мощности.

Недостатком управляемых выпрямителей на транзисторах являются существенные потери в транзисторах, работающих в режиме усилителя. К преимуществам следует отнести более про­стую схему управления.

Как позиционная, так и следящая системы должны обла­дать реверсивными свойствами. Естественно, без коммутаци­онных переключений обеспечить изменение полярности на­пряжения на выходе выпрямителя не представляется возмож­ным, поэтому, как правило, в системах используется два управ­ляемых выпрямителя, включенных по крестообразной или встречно-параллельной схемам. По своим свойствам они равно­ценны (рис. 3.7).

Непременным условием работы следящей системы является возможность автоматического перевода ее в процессе слежения в тормозной режим. Так как полупроводники обладают уни­полярной проводимостью, то переход преобразователя в инверторный режим возможен только при использовании отрицатель­ных полуволн напряжения. К такому режиму всегда подготовлен второй преобразователь, предназначенный для обеспечения вращения якоря двигателя в обратном направлении. Торможе­ние всегда происходит в режиме с рекуперацией энергии. Запасенная во вращающихся элементах энергия возвращается обратно в сеть переменного тока. В итоге система всегда может плавно переходить из одного состояния в другое, из двигатель­ного режима в тормозной и обратно, обеспечивать реверс и другие режимы.

Рис. 3.7. Управляемые выпрямители в реверсивных системах электро­привода:

a - крестообразная схема; б - встречно-параллельная

Средствами управления, однако, должна быть гарантирована невозможность возникновения сквозного короткого замыкания, причиной которого может быть слишком поздняя команда на включение в работу второго преобразователя для тормозного режима. Если ток не успеет перейти на второй преобразователь и останется в работе ранее действующий полупроводниковый прибор первого преобразователя, то напряжение в контуре этого прибора будет больше и при отсутствии сигнала на его отклю­чение величина тока может достичь недопустимого уровня. Это явление может быть особенно опасным в тиристорном варианте выполнения преобразователя, когда отключение ранее работавшего тиристора может быть осуществлено лишь при разрыве цепи или резком снижении напряжения (за счет предваритель­ного вступления в режим коммутации ранее работавшего и вступающего в действие тиристоров).

При использовании двух преобразователей переход из двигательного режима в тормозной и обратно может обеспечи­ваться в двух вариантах:

а) при поддержании преобразователей в раздельном режиме, когда в каждый момент участвует в работе только один преобразователь;

б) при их постоянном нахождении в совместном режиме.

В первом случае, когда система работает в двигательном режиме, преобразователь-инвертор подготовлен к работе, но не включен, поэтому никаких уравнительных токов не возникает. Однако при переходе к тормозному режиму необходимо отключение преобразователя - выпрямителя, затем должна быть бестоковая пауза и только после завершения ее ввод в работу инвертора. Для прецизионной следящей системы такая последо­вательность операций недопустима. Она, во-первых, может при­вести к колебаниям около положения равновесия и, во-вторых, при этом нельзя обеспечить малую погрешность около нулевой отметки.

Поэтому, как правило, используется совместный режим, хотя при этом неизбежны уравнительные токи между преобразо­вателями, обусловленные неидентичностью их условий работы и неполным соответствием их параметров, в результате чего мгновенные значения напряжений могут быть неравными. Для ограничения токов приходится последовательно включать реакторы (индуктивности), показанные на рис. 3.7.

Механические характеристики системы управляемый выпря­митель - двигатель жесткие, с небольшим уклоном, определя­емым падением напряжения в сопротивлениях цепи якоря, которые невелики. В тиристорном варианте выполнения преоб­разователя дополнительно сказывается падение напряжения, обусловленное последовательным переключением тока с одного полупроводникового прибора на другой. Коммутация происхо­дит не мгновенно, а за некоторый промежуток времени, в тече­ние которого ток в работавшем ранее приборе спадает, а во вступающем в действие нарастает до требуемого уровня, т. е. имеет место так называемое явление перекрытия токов (рис. 3.8). На этом отрезке времени в кривой выпрямленного напряжения

Рис, 3.8. Перекрытие токов двух последовательно включающихся тиристоров

возникает некоторая просадка, и среднее напряжение соответ­ственно уменьшается. Падение напряжения в результате процес­са коммутации составляет

где χ_тр - индуктивность короткого замыкания трансформатора, приведенная к вторичной обмотке; т - число фаз.

То же явление перекрытия токов существует и в инверторном режиме, но так как поток энергии направлен в обратную сторо­ну, то при этом выпрямленное напряжение и соответственно скорость двигателя повышаются.

Регулирование выпрямленного напряжения в тиристорном преобразователе достигается за счет импульсно-фазового управ­ления, при котором изменяется момент включения полупровод­никового прибора. Следует иметь в виду, что при снижении вы­прямленного напряжения существенно уменьшается коэффици­ент мощности и питающая сеть загружается реактивными токами. Для компенсации низкого коэффициента мощности приходилось использовать специальные средства — синхронные компенсаторы, батареи конденсаторов и др. Это являлось существенным недостатком системы тиристорный преобразователь — двигатель.

В некоторых случаях поддержание коэффициента мощности на требуемом уровне удалось обеспечить за счет искусственной коммутации, при использовании которой оказалось возможным сдвиг фаз сделать даже опережающим. Широкого применения в связи со сложностью схемы управления этот путь построения преобразователя не получил.

Еще одним недостатком системы с управляемым выпрямите­лем на тиристорах являлась нелинейность механических харак­теристик на начальном участке при малых моментах и токах. Скорость идеального холостого хода в этом случае стремится либо к скорости, соответствующей амплитудному значению напряже­ния, либо к меньшей скорости, но тоже достаточно высокой, определяемой напряжением в момент открытия тиристора.

Также недостатком управляемых выпрямителей на тиристо­рах является нелинейность характеристики управления. В выра­жение для зависимости выпрямленного напряжения от угла регулирования а, т. е. угла между точкой естественного перехода тока с одного тиристора на другой и точкой подачи отпирающе­го импульса, входит не сам угол, a cos α

Где U_b – выпрямленное напряжение; (U_в0 - то же при угле регули­рования α = 0; U₂ - действующее напряжение на вторичной обмотке трансформатора; т - число фаз.

Для линеаризации этой зависимости обычно вводят в си­стему дополнительное звено с арккосинусной характеристикой [17,25,32].