3.6. Индуктивно-емкостные преобразователи тока.

В предыдущих параграфах данной главы рассматривались ТП постоянного тока в режимах регулируемого источника напряжения, когда при изменении тока нагрузки напряжение остается приблизительно неизменным и определяемым задающим сигналом. Однако эти ТП при определенной схеме включения, например с критической положительной обратной связью, могут работать и в режимах источника тока, когда, напротив, при изменении напряжения на нагрузке ток остается неизменным. Источник тока (ИТ) применяется для таких потребителей электроэнергии, для которых по условиям их технологического режима требуется постоянство тока, например для дуговых печей с неизменным током дуги, двигателей перематывающих устройств с постоянным нагружением, нагрузочных устройств с неизменным моментом на валу для испытательных и лабораторных стендов и т.д.

Простой и надежный ИТ может быть выполнен на основе индуктивно-емкостной цепи, настроенной на резонанс напряжений (рис. 3.42, а).

Рис. 3.42. Схема (а) и векторная диаграмма источника тока (б)

Режим работы индуктивно-емкостного ИТ описывается системой уравнений Кирхгофа

. (3.90)

Решая систему уравнений относительно I_H, получаем

. (3.91)

Принимая и , получаем

, (3.92)

где х_р- резонансное значение реактивного сопротивления реактора и конденсатора, Ом; U_C – напряжение сети, В.

Таким образом, ток в нагрузке остается неизменным и не зависит от Z_H, а следовательно, и от . Векторная диаграмма для произвольного значения U_H изображена на рис. 3.42,б. Достоинство данной схемы ИТ- простота. Недостаток – нарушение постоянства тока для нагрузки постоянного тока, включенной через выпрямительный мост и имеющей ЭДС (двигатель постоянного тока). При такой нагрузке нарушается синусоидальность токов, а следовательно, условие резонанса и постоянства тока. Наиболее неблагоприятно на свойство источника тока влияет режим прерывистых токов, возникающий в однофазной схеме ИТ при ЭДС нагрузки, большей нуля. Для устранения отмеченного недостатка переходят к многофазным схемам ИТ. На рис. 3.43 приведена схема трехфазного источника тока.

Рис. 3.43. Схема трехфазного

индуктивно-емкостного источника тока

Схема симметрична, имеет равные значения параметров одноименных элементов и равные токи в этих элементах. Поэтому для определения режимов работы данного ИТ достаточно составить уравнения Кирхгофа для какой-либо одной фазы схемы. Решая их получим

, (3.93)

где – добротность реактора; U_л – линейное напряжение сети, В. Если , то и .

Выражение (3.93) представляет собой аналитическую зависимость внешней характеристики ИТ, для которого выходной координатой является ток нагрузки, а возмущающим воздействием – напряжение нагрузки (рис. 3.44).

При

. (3.94)

Наклон характеристики определяется статизмом, который при равен:

. (3.95)

Рис. 3.44. Внешняя характеристика источника тока

Чем больше добротность реактора, тем жестче внешняя характеристика ИТ. Практически выполняемые реакторы для ИТ имеют , что соответствует статизму в характеристике ИТ менее 1%.

Явление резонанса напряжений, используемое в ИТ, сопровождается возрастанием напряжений на реакторе и конденсаторе при увеличении сопротивления нагрузки.

В связи с этим важным показателем индуктивно-емкостного ИТ является максимальное напряжение, на которое должен быть рассчитан реактор.

. (3.96)

На рис. 3.45 изображена зависимость напряжения на реакторе от напряжения на нагрузке.

Рис. 3.45. Зависимость напряжения на реакторе от напряжения

нагрузки трехфазного индуктивно-емкостного источника тока

Из графика следует, что даже для достаточно большого диапазона изменения U_н (от 0 до линейного значения напряжения сети) напряжение на реакторе остается меньше, чем U_л. Для этого диапазона U_н наибольший ток реактора, равный

, (3.97)

оказывается меньше тока нагрузки. Следовательно, и установленная мощность , определяющая габарит реактора, будет меньше мощности нагрузки.

Применительно к электроприводу типовой нагрузкой для ИТ является двигатель постоянного тока с независимым возбуждением, якорь которого подключен к ИТ через выпрямительный мост (рис. 3.46,а).

Пренебрегая величиной R_L, а также влиянием нелинейного выпрямительного моста на работу ИТ, будем иметь независимо от напряжения и, следовательно, от скорости w двигателя. При этом скоростная характеристика двигателя представляет собой вертикальную прямую (рис.3.46,б). Так как момент двигателя определяется произведением , то при момент пропорционален магнитному потоку Ф двигателя. Механические характеристики двигателя приобретают вид семейства вертикальных прямых с параметром Ф (рис. 3.46,в). Таким образом, система электропривода ИТ-Д получает свойство регулируемого с помощью тока возбуждения источника постоянного тока.

Рис. 3.46. Схема (а), электромеханическая (б) и механические (в)

характеристики системы ИТ-Д.

3.6. Преобразователи частоты (ПЧ)

3.6.1. Трехфазные преобразователи частоты с

автономным инвертором

Перспективными преобразователями применительно к эл. приводу переменного тока являются вентильные преобразователи частоты (ПЧ). Основное достоинство ПЧ - возможность широкого и экономичного регулирования скорости наиболее массового, дешевого и надежного АД с КЗР. В ПЧ управлению подлежит две выходные координаты - амплитуда напряжения или тока U_m, I_m и частота изменения напряжения или тока (рис. 3.47).

Рис.3.47. Функциональная схема ПЧ

Соответственно имеется две входные координаты:

• напряжение управления напряжением или током ;

• напряжение управления частотой .

Современные ПЧ делятся на два основных класса:

• ПЧ с автономными инверторами (ПЧ с промежуточным звеном);

• ПЧ с непосредственной связью с сетью.

Функциональная схема ПЧ с автономным инвертором (АИ) имеет вид (рис. 3.48.)

Рис. 3.48. ПЧ с автономным инвертором

УИ - управляемый источник соответственно напряжения УИН или тока УИТ.

Значение U_d и I_d задаются сигналом или . Отметим, что за счет ОС по напряжению или току, входящих в состав УИ, считают, что если не зависит от U_c и тока нагрузки, мы имеем УИН, если не зависит от U_c и U_н - имеем УИТ.

Значения U_d и I_d являются входными энергетическими величинами автономного инвертора (АИ), которые выпускаются как АИН с выходными U_n и f_n, если питаются от УИН, или как АИТ с выходными I_n, f_n если питаются от УИТ.

Выходные величины U_n, I_n, f_n управляются каналом частоты, в состав которого входит система управления инвертором СУИ.

Каналы управления АИ и УИ в электроприводе взаимосвязаны - задание на уровне U_d или I_d формируется функциональным преобразователем ФП в зависимости от заданной частоты ( по U_yf ).

Для варианта ПЧ с АИН УИ должен обладать малым внутренним сопротивлением, чтобы U_d не зависело от I_d. Т.к. полярность U_d не меняется, то рекуперация энергии в сеть переменного тока возможна при изменении направления I_d, а значит, необходим реверсивный ТП с двумя комплектами вентильных групп. При этом значительно усложняется схема ПЧ с АИН, что является недостатком.

Для варианта ПЧ с АИТ УИ должен обеспечивать постоянство тока, I_d независимо от напряжения нагрузки, т.е. от скорости АД. Условию соответствует работа УИ в режиме источника тока, что достигается с помощью обратных связей и введения в цепь постоянного тока реактора с большой индуктивностью. Задаваемый ток I_d знак не меняет и режим рекуперации энергии в сеть (изменение полярности) может быть получен на той же одной вентильной группе путем перевода вентилей в инверторный режим. Это достоинство ПЧ с АИТ, т.к. меньше силовых вентилей и проще управление.

Однако ПЧ с АИТ не может работать без обратных связей по напряжению или скорости двигателя.

Регулирование частоты выходного напряжения или тока ПЧ осуществляется СУИ, функциональная схема, которой имеет вид (рис. 3.49).

Рис. 3.49. Функциональная схема СУИ

ЗГ - задающий генератор частоты, преобразует аналоговый сигнал управления U_yf в импульсы прямоугольной формы с частотой f_зг ЗГ, как функциональный элемент, представляет собой безинерционное звено с линейной характеристикой и передаточным коэффициентом

. (3.98)

РИ - распределитель импульсов, преобразует f_зг в 3-х фазную систему импульсов, синхронизированную по частоте и фазе. При этом импульсы распределяются по 6-ти каналам (по числу тиристоров).

На 6 каналах РИ по числу тиристоров выделяются узкие синхронизирующие импульсы. Возникая в каждый полупериод ЗГ импульсы передаются поочередно на выходные каналы 1, 2...6, 1,2...6 и т.д.

В результате импульсы от канала к каналу следуют с частотой 2f а в каждом отдельном канале о частотой . Таким образом РИ оказывается делителем частоты с передаточным коэффициентом

. (3.99)

ФИ - формирователь импульсов, расширяет полученные импульсы и усиливает их для надежного отпирания тиристоров. ФИ и в целом СУИ представляются линейным и безинерционным элементом с результирующими передаточными коэффициентами,

; (3.100)

. (3.101)

АИ аналогичен ТП, только напряжение и ток постоянного тока преобразуется в 3-х фазную систему переменного тока. Для АИ применяется искусственная коммутация, т.е. для запирания тиристоров необходимо с помощью специального коммутирующего устройства создать на катоде (+) относительно анода.

Рис. 3.50. Диаграммы работы ЗГ и РИ

При этом имеется возможность в любой момент не только открывать, но и запирать тиристоры, т.е. . Практически в АИ реализуется продолжительность открытого состояния тиристора в 120° и 180°. При этом схемы управления получаются симметричными и простыми.

Рассмотрим схему 3-х фазного АИТ с ° и отделительными диодами, (коммутация поочередным вкл. тиристоров анодной и катодной групп) на рис 3.51, где:

VS1-VS6 - рабочие тиристоры;

L - реактор, обеспечивающий постоянство входного тока I_d;

C₁ - конденсаторы, участвующие в искусственной коммутации; VD - диоды, исключающие заряд конденсаторов в рабочие периоды включенных тиристоров. Процесс запирания VS происходит следующим образом: пусть работают VS1 и VS2, а С13 (+) на верхней обкладке. Сигналом на запирание VS1 служит отпирающий импульс на VS3. При этом VS3 открывается, а VS1 запирается конденсатором С13, а ток продолжает протекать по фазе «а» -VS3, С13 и VD1. Конденсатор C13 перезаряжается до (+) на нижней обкладке, при этом I_а в фазе «а» уменьшается до 0, a I_б увеличивается до I_d.

Рис. 3.51. Схема АИТ с отделительными диодами

Работа АИТ без учета времени коммутации (считаем, что С пере­заряжается мгновенно) может быть проиллюстрирована, графически (рис 3.52).

Рис 3.52. Диаграмма работы АИТ с l= 120°

В соответствии с диаграммой очередности открывания тиристоров (рис. 3.52,а) строится диаграмма включенного состояния тиристоров каждой фазы (рис. 3.52,б). Включенное состояние изображается прямоугольником "+" для тиристоров анодной группы (VSl,VS3,VS5) и "-" для тиристоров катодной группы (VS2,VS4,VS6).

В периоде работы инвертора имеет место 6 различных состояний, которые сменяются через каждые 60° (рис. 3.52,в). Для каждого состояния известно, через какую пару тиристоров и соответственно какую пару выводов двигателя и с каким направлением проходит ток (рис. 3.52,г). Относительно выводов «а», «в», «с» в пределах одного периода I_n делает один оборот, поворачиваясь мгновенно через периода на 60°. Этому соответствуют диаграммы мгновенных токов ПЧ: линейного тока для любой формы включения статорной обмотки двигателя, имеющего прямоуголь­ную форму (рис. 3.52,д.) и фазного тока для схемы "треугольник", имеющего пирамидальную форму (рис.3.52,е.).

Аналогично описанному работает АИН °, но с той разницей, что его выходной координатой будет не I_n, а вектор ЭДС ПЧ Е_П, ко­торый относительно фаз двигателя поворачивается дискретно так же как и вектор I_n в АИТ., т.е. для

Схемы «треугольник» , , фазные ЭДС для АИН 120° имеют прямоугольную форму. Для схемы «звезда» , , линейные ЭДС имеют пирамидальную форму.

Схема 3-х фазного АИН с  (рис.3.53): Коммутация осуществляется включением тиристоров из разных групп: один из анодной, другой из катодной, относящихся к одной фазе;

VS1...VS6 - рабочие тиристоры;

Со - конденсатор, обеспечивающий постоянство входного напряжения U_d (скачком не меняется);

VD1..VD6 - обратный мост (диодный), обеспечивающий возможность протекания обратного тока в процессе комму­тации тиристоров и для режима рекуперации энергии.

Рис. 3.53. Схема 3х – фазного АИН с l = 180°

Процесс запирания тиристоров осуществляется следующим образом. Пусть VS1 открыт. При этом С1 полностью разряжен (закорочен тиристором), а к верхней обкладке С4 приложен (+). Для запирания VS1 подается импульс на VS4, при этом С4 разряжается навстречу току тиристора VS4 и запирает VS1, при этом (-) на верхней обкладке Cl. С4 закорачивается и через VS4 протекает ток фазы А противоположной полярности. При открывании VS1 Сl разряжается и запирает VS4 .При работе АИН с в каждый момент открыты три тиристора: два из одной группы и один из другой (рис 3.54.).

Рис 3.54. Диаграмма работы АИН с l = 180⁰

Шести состояниям инвертора соответствует шесть положении вектора относительно выводов нагрузки (3.54,г). Линейное напряжение на нагрузке из-за поочередного объединения 2-х выводов может быть или U_d или 0 (рис. 3.54,д).

Для АИТ с °, аналогично, как и для АИН c °, но c той разницей, что его выходной координатой будет не Е_П, а векторов I_n, который относительно фаз двигателя поворачивается дискретно также как и вектор Е_П в АИН.

Для схемы Δ - , , фазные токи имеют прямоугольную форму с провалом,

Для схемы Υ - , , , т.е. линейные и фазные токи имеют пирамидальную форму без провалов;

Выводы: прямоугольная форма

АИТ (λ =120º) линейные и фазные I; АИТ ( ) фазные токи;

АИН (λ =120º) фазные ЭДС АИН;

АИН (λ =180º) линейные ЭДС;

пирамидальная форма

АИТ (Δ,λ =120º) фазные токи;

АИТ (Υ,λ =120º)линейные и фазные токи;

АИН(Δ,λ =120º) линейные ЭДС;

АИН (Υ,λ =180º) фазные ЭДС;