Современные силовые преобразователи

СОВРЕМЕННЫЕ СИЛОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

МОЩНЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ
СОДЕРЖАНИЕ

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СОВРЕМЕННЫХ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДАХ 1

2. ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ В ГОРНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ.. 9

3. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ СКАЛЯРНОГО УПРАВЛЕНИЯ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ.. 12

4. ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ 17

5. ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД С ВЕНТИЛЬНЫМ ДВИГАТЕЛЕМ 21

6. ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ РОССИЙСКИХ ИЗГОТОВИТЕЛЕЙ 25

7. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ КОНЦЕРНА ABB.. 28

8. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ ФИРМЫ «SIEMENS». 34

9. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ КОМПАНИИ «SCHNEIDER ELECTRIC». 43

10. ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВОК МАГИСТРАЛЬНОГО ТРАНСПОРТА УГЛЕВОДОРОДНОГО СЫРЬЯ.. 47

11. ПРЕИМУЩЕСТВА УСТРОЙСТВ ПЛАВНОГО ПУСКА ПО СРАВНЕНИЮ С ТРАДИЦИОННЫМИ ПУСКОВЫМИ УСТРОЙСТВАМИ.. 61

12. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ.. 64

13. ДИАГРАММА ИЗМЕНЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ НА ЗАЖИМАХ СТАТОРА ДВИГАТЕЛЯ. ОСНОВНЫЕ СПОСОБЫ УПРАВЛЕНИЯ.. 68

14. КРИТЕРИИ ВЫБОРА УСТРОЙСТВА ПЛАВНОГО ПУСКА.. 71

15. ОСОБЫЕ СЛУЧАИ ПРИМЕНЕНИЯ.. 76

16. ФУНКЦИИ ЗАЩИТ УСТРОЙСТВА ПЛАВНОГО ПУСКА И ДВИГАТЕЛЯ.. 78

17. ФУНКЦИИ КОНТРОЛЯ.. 82

18. ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА НАСТРОЙКИ.. 84

19. СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ.. 87

20. ВЫПРЯМИТЕЛИ.. 98

21. ИНВЕРТОРЫ... 107

22. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ... 111

23. РЕВЕРСИВНЫЕ ТИРИСТОРНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ.. 117

24. СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНКОВЫМИ ПРЕОРАЗОВАТЕЛЯМИ.. 122

25. ЗАЩИТА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ.. 126

27. РЕВЕРСИВНЫЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА ПО СИСТЕМЕ ТИРИСТОРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ - ДВИГАТЕЛЬ. 130

28. СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ ЭЛЕТРОПРИВОДА С ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ.. 135

29. ВОСЬМИРАЗРЯДНЫЕ МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ КОМПАНИИ FREESCALE SEMICONDUCTOR В КОРПУСАХ С МАЛЫМ ЧИСЛОМ ВЫВОДОВ.. 137

30. МОДЕЛЬНЫЙ РЯД МК.. 138

31. ТРИ ПРОЦЕССОРНЫХ ЯДРА HC08. 140

32. ПОДСИСТЕМА РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ.. 145

 

 

 

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ В ГОРНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

В настоящее время на всех стадиях добычи, первичной переработки и транспортировки горного сырья в ос­новном применяются электроприводы переменного тока с асинхронными и синхронными электродвигателями.

Основные направления развития электропривода техноло­гических установок горной промышленности совпа­дают с общей тенденцией развития электропривода на со­временном этапе - все более широким применением регу­лируемого электропривода и компьютерных средств автома­тизации при создании нового и модернизации действующего технологического оборудования. Также следует отметить спе­цифические для горной промышленности направления дальнейшего совершенствования электропривода — повыше­ние надежности и взрывозащищенности. Перечислим эти направления.

1. Широкое применение полупроводниковых преобразова­телей для регулирования координат (скорости, положения, момента) электроприводов.

2. Стандартизация и унификация силового электрообору­дования, повышение степени его заводской готовности.

3. Повышение КПД, коэффициента мощности и других технико-экономических показателей.

4. Создание серии комплектных электроприводов, вклю­чающих силовое электрооборудование, системы автоматиче­ского управления, контроля, защиты и диагностики.

5. Унификация и миниатюризация аппаратуры управления.

6. Применение средств вычислительной техники, исполь­зование модульного принципа построения систем управления.

7. Разработка типовых структур электроприводов.

8. Совершенствование конструкции двигателей, полупроводниковых преобразователей и аппаратуры управления с целью повышения надежности, взрывозащищенности и уменьшения массогабаритных показателей.

В ближайшие годы основной объем внедрения регулируе­мых электроприводов в горной промышленности будет связан с ее реконструкцией. При этом наряду с заменой из­ношенного или морально устаревшего оборудования возмож­на модернизация существующих электрических машин и систем управления полупроводниковыми преобразователями и другими компонентами регулируемого электропривода. При этом ожидаемая экономия электроэнергии за счет внедрения регулируемого электропривода может составить до 40 % от ожидаемой экономии по всей совокупности мероприятий.

Применение в горной промышленности регулируе­мых электроприводов позволяет повысить производительность рабочих машин и механизмов, автоматизировать многие технологические процессы, уменьшить энергопотребление и другие материальные затраты.

Рис. 13. Диаграмма изменения напряжения на зажимах статора двигателя, реализуемая устройством плавного пуска

Приведем параметры пусковой диаграммы изменения напряжения, реализуемой УППТ концерна ABB. Первоначальная уставка пускового начального напряжения может варьироваться в пределах 10-60 % от номинального значения, что обеспечивает необходимый уровень пускового момента АД. Если при пуске АД требуется создать увеличенный пусковой момент для преодоления момента сопротивления, обусловленного силами трения покоя, то возможно кратковременное в течение времени = 0,5 с приложение к статору импульса напряжения с амплитудой 90 % от . Продолжительность пуска может варьироваться в пределах от 0,5 до 60 с, а продолжительность торможения — от 0 до 240 с. Пусковой ток АД может устанавливаться в пределах (2 – 5) , а диапазон изменения конечного напряжения — 30—100 % от .

В случае снижения нагрузки на валу АД УППТ автоматически снижает напряжение на зажимах статора АД до значения 0,6 , что приводит к увеличению коэффициента мощности () и экономии электроэнергии без ущерба работоспособности привода. Однако это снижение напряжения возможно не ранее чем через 60 с после завершения разгона двигателя. Режим энергосбережения становится недоступен, если в системе управления предусмотрен шунтирующий контактор, который подключает напрямую по окончании процесса пуска АД к питающей сети в обход УППТ.

В УППТ могут быть реализованы следующие способы управления: напряжением на зажимах статора, током двигателя, моментом двигателя.

Управление напряжением обеспечивает плавный пуск двигателя, однако ток и момент двигателя при пуске не контролируются. Поскольку отсутствуют обратная связь по току и контроль момента двигателя, при пуске возможны броски тока (рис. 14, а). Данный способ управления не пригоден для электроприводов с тяжелым пуском.

Управление током обеспечивает при пуске ограничение пускового тока. Изменение напряжения на зажимах статора происходит таким образом, что в течение большей части времени пуска ток двигателя поддерживается постоянным (рис. 14, б).

Уровень ограничения пускового тока является основным параметром пуска и устанавливается пользователем в зависимости от конкретного применения.

Рис. 14. Графики изменения во времени тока при пуске электродвигателя от УППТ при способах управления: а — напряжением на зажимах статора; б — током; в — моментом двигателя; — ток полной нагрузки

Осциллограмма пускового тока двигателя, управляемого от устройства плавного пуска при управлении током, показана на рис. 15.

 

Рис. 15. Осциллограмма пускового тока двигателя, управляемого от устрой­ства плавного пуска при управлении током

 

Управление моментом является наиболее совершенным способом пуска. В этом случае УППТ следит за требуемым значением момента, обеспечивая пуск с минимальным значением тока. Применение системы управления с контролем момента двигателя обеспечивает линейный график изменения скорости во времени, т.е. пуск при постоянном ускорении.

В некоторых УППТ возможна реализация специальной функции управления насосом. График изменения во времени тока для такого управления показан на рис. 14, в.

В случае пробоя тиристора предусмотрена функция аварийного прямого пуска двигателя, которая доступна только при управлении напряжением. При аварийном пуске управление (режим энергосбережения) и функции управления торможением двигателя блокируются.

С помощью УППТ могут быть реализованы следующие способы торможения двигателя:

• скатом (плавным изменением напряжения на зажимах статора АД);
• свободным выбегом (отключением АД от сети);
• динамическим торможением (подачей в обмотку статора АД постоянного тока);
• противовключением.

Для предохранения двигателя от замерзания и перепадов температуры, что может привести к образованию конденсата и вследствие этого к увлажнению изоляции, предусмотрен предварительный обогрев двигателя.

При этом в обмотку статора заторможенного двигателя подается небольшой ток. Значение тока и время подогрева настраиваются программными средствами. При предварительном подогреве двигателя защита от тепловой перегрузки блокируется.

 

ОСОБЫЕ СЛУЧАИ ПРИМЕНЕНИЯ

Параллельное подключение нескольких двигателей допускается в пределах мощности УППТ (суммарный ток подключенных двигателей должен быть равен или меньше номинального тока УППТ).

Двигатель с фазным ротором с закороченной обмоткой ротора развивает слабый пусковой момент. С целью увеличения пускового момента целесообразно в цепь ротора ввести небольшое сопротивление. Возможен пуск двигателя с фазным ротором при закороченной обмотке ротора. Однако пусковой ток в этом случае может достичь 7-кратного значения, что потребует применения УППТ на одну ступень выше по мощности.

Двухскоростной двигатель. В избежание больших бросков тока, обусловленных противофазным состоянием ЭДС двигателя и напряжения сети, переход с одной скорости на другую осуществляется с выдержкой времени. Устройство, переключающее число полюсов, должно быть подключено между выходом УППТ и двигателем.

Шунтирование устройства с помощью контактора. По окончании процесса пуска УППТ может быть зашунтировано контактором. В отличие от сетевого контактора, рассчитанного на режим АС-3 (пусковой ток), шунтирующий контактор может быть рассчитан на режим АС-1, так как пропускает номинальный ток. Шунтирующий контактор управляется УППТ, причем функции защит остаются активными после шунтирования. При работе с шунтирующим контактором сохраняются все виды останова двигателя (свободный выбег, динамическое торможение). Если после завершения пуска УППТ закорочено и следующий пуск двигателя осуществляется из холодного состояния УППТ, то можно повысить типоразмер подключаемого двигателя. Если же УППТ работает без шунтирования после завершения пуска, то завышать типоразмер подключенного двигателя не следует.

Устройство плавного пуска, включаемое последовательно с обмоткой двигателя в каждой фазе, соединенное по схеме треугольник (внутренний треугольник). Кроме наиболее часто встречающихся схем управления двигателем, обмотка которого соединена по схеме звезда или треугольник, УППТ Altistart 48 может включаться по схеме, представленной на рис. 17. В этом случае он обтекается током в 1,7 раза меньше линейного, что позволяет использовать УППТ меньшей мощности. Для этих целей используются специальные УППТ Altistart...Q, имеющие в обозначении букву Q. Такой способ допускает останов двигателя только на свободном выбеге и не совместим с функцией предварительного подогрева двигателя перед пуском. При этом настройки номинального тока и тока ограничения остаются выраженными в значениях линейного тока, что дает возможность пользователю не прибегать к вычислениям.

 

 

Рис. 17. Соединение обмоток статора двигателя с устройством плавного пуска последовательно в каждой фазе по схеме треугольник

 

Подключение нескольких устройств плавного пуска к одному источнику питания. Для обеспечения требований электромагнитной совместимости между сетевым контактором и УППТ устанавливается сетевой дроссель. Использование сетевых дросселей особенно рекомендуется в случае подключения нескольких УППТ к одному источнику сетевого питания.

Другие рекомендации по применению. Нельзя от УППТ питать никакие другие приемники, кроме двигателей. Например, запрещено подключать тепловые приборы. Нельзя к клеммам двигателя подключать компенсаторы реактивной мощности. При использовании компенсаторов реактивной мощности они должны устанавливаться на входе УППТ и подключаться к питанию только после завершения процесса пуска двигателя.

Активизация функции каскадного пуска. Активизация этой функции позволяет последовательно осуществлять пуск нескольких двигателей одинаковой мощности от одного УППТ. В этом случае тепловая защита двигателя по математической модели теплового состояния исключается, а реле R1 (см. рис. 12) должно быть сконфигурировано в качестве реле изолирования.

Автоматический повторный пуск. Эта функция доступна при 2-проводном управлении. Ее активизация позволяет после блокировки по неисправности провести несколько последовательных попыток пуска с установленным интервалом времени (в УППТ Altistart 48 шесть пусков с интервалом 60 с) при условии, если неисправность устранена и команды управления сохраняются. После последней попытки пуска УППТ блокируется и требуется устранить неисправность перед повторным пуском.

Толчковый режим на малой скорости. Некоторые УППТ, например MSF фирмы «Emotron», имеют возможность получения толчкового режима работы при медленной скорости с запретом команды вращения двигателя назад или вперед. Этот режим необходим для рабочих машин, требующих точного позиционирования исполнительного органа.

 

ФУНКЦИИ КОНТРОЛЯ

 

Система контроля УППТ позволяет персоналу следить за многими параметрами электропривода и технологического процесса, а при выходе их за допустимые пределы своевременно сигнализировать об этом. При аварийном отключении оператор может выяснить причины аварии и просмотреть содержание архива неисправностей, хранящихся в памяти системы управления УППТ.

В процессе функционирования УППТ на экран индикатора может быть выведена следующая информация:

• состояние УППТ: готовность к пуску двигателя, режим ускорения (замедления), установившийся режим, УППТ в ограничении по току, направление вращения двигателя (порядок чередования фаз), последняя неисправность и др.;
• значение коэффициента мощности ();
• фазные токи, потребляемые двигателем;
• тепловое состояние двигателя в % от номинального зна­чения;
• активная мощность, потребляемая двигателем в кВт и % от номинального значения;
• момент, развиваемый двигателем в % от номинального значения;
• израсходованный двигателем моторесурс;
• количество энергии, потребленной двигателем в кВт-ч;
• фазные и линейные напряжения на зажимах статора.

При срабатывании защит на экране индикатора УППТ возможно отображение информации об отключениях по следующим причинам:

• неисправность питающей сети;
• перегрев двигателя;
• перегрев УППТ;
• заклинивание ротора двигателя;
• перегрузка двигателя;
• недогрузка двигателя;
• несимметрия напряжений трехфазной сети;
• превышение напряжения сети выше допустимого максимального значения;
• снижение напряжения сети ниже допустимого минимального значения;
• большое число пусков в час.

Системы защит и контроля УППТ могут настраиваться:

• только сигнал тревоги, без отключения системой защиты;
• только отключение, без подачи предварительного сигнала тревоги;
• предварительный сигнал тревоги с последующим отключением защитой;
• отключение (блокировки) защиты.

В памяти системы управления УППТ в процессе эксплуатации могут накапливаться следующие данные: общее время работы, общее число пусков, общее число остановов, продолжительность последнего пуска, максимальный ток при последнем пуске и др.

Устройство плавного пуска и торможения может иметь систему защит самого себя, двигателя и механизма Сигналы тревоги УППТ подразделяются на три категории:

Категория 1. Сигналы, приводящие к останову двигателя и требующие перезапуска до подачи следующего сигнала пуска.

При появлении сигнала тревоги категории 1 работа УППТ останавливается. В этом случае требуется сигнал перезапуска прежде, чем может быть принята команда на пуск. Перезапуск возможен с клавиатуры (нажатием клавиши RESET). Перезапуск будет выполнен только в том случае, если причина ошибки и сигнала тревоги устранена. После перезапуска реле неисправностей возвращается в неактивное состояние, индикация ошибки исчезает и на дисплее появляется стандартное окно меню. После перезапуска система готова к новой команде пуска.

Категория 2. Сигналы, приводящие к останову двигателя и допускающие сигналы пуска без перезапуска

При появлении сигнала тревоги категории 2 работа УППТ останавливается. Можно сразу подать команду на пуск, при этом реле неисправностей возвращается в неактивное состояние, индикация ошибки исчезает и на дисплее появляется стандартное окно меню. В этом случае возможна также подача команды на перезапуск как и для сигналов тревоги категории 1, если пуск в данный момент не требуется.

Категория 3. При появлении сигнала тревоги категории 3 работа УППТ продолжается. Возможно несколько способов возвращения к обычному функционированию:

• Автоматический перезапуск при подаче команды на останов;
• Ручной перевод во время работы.

После перезапуска реле неисправностей возвращается в неактивное состояние, индикация ошибки исчезает и на дисплее появляется стандартное окно меню.

Все сигналы тревоги, кроме предварительных, активизируют реле неисправностей, вызывают появление сигнала ошибки и помещаются в список сигналов тревоги. Пока сигнал тревоги активен, на дисплее не может появиться другая информация.

Рис.19. фрагмент программы контроля настройки параметров устройстваплавного пуска фирмы «Emotron»

 

Для облегчения наладки УППТ компанией «SchneiderElectrics» разработаны диалоговые средства Power Suite на базе персонального или карманного ПК, которые позволяют осуществлять подготовку файлов данных, загружаемых в УППТ.

ВЫПРЯМИТЕЛИ

С помощью выпрямителей осуществляется преобразова­ние энергии переменного тока в энергию постоянного тока.

Выпрямители широко применяются в электроприводе по­стоянного тока, в частотно-регулируемых электроприводах переменного тока, в системах возбуждения синхронных дви­гателей.

Выпрямители классифицируются по нескольким призна­кам. По числу фаз напряжения переменного тока их подраз­деляют на однофазные и трехфазные, а по виду схемы сило­вой части — на мостовые и с нулевым выводом. По управ­ляемости (возможности регулирования напряжения на выхо­де выпрямителя) их подразделяют на неуправляемые, полу­управляемые и управляемые. Выпрямители, позволяющие из­менять полярность своего выходного напряжения, называют­ся реверсивными, они обычно состоят из двух комплектов нереверсивных выпрямителей.

В силовой части неуправляемых выпрямителей использу­ются диоды и их модули, в полууправляемых — диоды и ти­ристоры, а управляемых — тиристоры. Для согласования уровней переменного (входного) напряжения и постоянного (выходного) напряжения в схемах выпрямителей используют­ся трансформаторы, которые одновременно выполняют роль гальванической развязки цепей переменного и постоянного тока.

В промышленных установках применяют различные схемы преобразования переменного тока в постоянный, каждая из которых имеет свои достоинства и недостатки. При сравне­нии различных схем выпрямления учитывают следующие их технические характеристики: число полупроводниковых при­боров, коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения, габаритную мощность трансформатора.

Рассмотрим типовые схемы выпрямления переменного тока.

Однофазная мостовая схема содержит четыре диода V1 — V4, соединенных по схеме моста и подключенных к сети переменного тока через трансформатор Т или напря­мую. Трансформатор позволяет согласовать напряжение сети и выпрямленное напряжение нагрузки. В одну диагональ моста (точки 1 и 3) включен источник переменного напряже­ния, а в другую (точки 2 и 4) — нагрузка R_H. Общая точка 2 катодных выводов служит положительным полюсом выпря­мителя, а точка 4 анодных выводов — отрицательным. В од­нофазной мостовой схеме диоды работают поочередно пара­ми VI, V3 и V2, V4.

Однофазные мостовые схемы из-за больших пульсаций выпрямленного напряже­ния применяют в основном в электроустановках малой мощ­ности.

Трехфазная нулевая схема выпрямления (рис. 5.7, а) со­стоит из трех диодов. Анодные выводы диодов обычно под­ключают к обмоткам трансформатора, а катодные выводы — к общей точке. Нагрузку включают между нулевой точкой трансформатора и общей точкой диодов. При активной на­грузке R_H ток через каждый диод протекает в течение 1/3 периода переменного тока, когда напряжение в одной фазе трансформатора больше, чем в других, а выпрямленный ток проходит по нагрузке непрерывно (см. рис. 5.7, в). В момент пересечения положительных значений напряжений каждой фазы трансформатора в точках а, б и в (см. рис. 5.7, б), назы­ваемых точками естественной коммутации диодов, ток пре­кращает проходить в одном диоде и начинает протекать че­рез другой диод. Трехфазная нулевая схема позволяет полу­чать выпрямленное напряжение более сглаженной формы с переменной составляющей U_d~ меньшей амплитуды, чем однофазная мостовая. Наибольшее обратное напряжение U_{обр. max}, поступающее на закрытый диод, равно амплитудному значению линейного напряжения (см. рис. 5.7, г).

Недостаток трехфазной нулевой схемы — прохождение через вторичные обмотки тока (i_a2, i_b2, i_c2) только в одном на­правлении, что создает магнитный поток подмагничивания, вызывающий дополнительный нагрев трансформатора. По­этому схему широко применяют только в выпрямительных установках с трансформаторами, ток вторичной обмотки ко­торых не превышает 100 А.

Трехфазная мостовая схема выпрямления (рис. 5.8, а) со­стоит из шести диодов, которые образуют две группы: с об­щим катодным выводом (V1, V3 и V5) и общим анодным вы­водом (V2, V4 и V6). Диоды подключаются непосредственно к сети или через трансформатор, первичные и вторичные обмотки которого соединены в звезду или треугольник.

В трехфазной мостовой схеме в любой момент времени при активной нагрузке ток проходит через два диода — один из нечетной, а другой — из четной группы. Диоды нечетной группы коммутируются в момент пересечения положитель­ных участков синусоид (точки а, б, в), а четной группы — в момент пересечения отрицательных участков (точки г, д, е). В результате при наличии двух групп получают шестипульсное выпрямление (кривая U_d0, см. рис. 5.8, б).

Достоинствами трехфазных мостовых схем, широко при­меняемых в выпрямительных устройствах, являются: неболь­шой коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения; малое обратное напряжение; малая габаритная мощность трансформаторов; отсутствие вынужденного подмагничивания, так как ток во вторичной обмотке трансформатора из­меняет свое направление.

Управляемые выпрямители позволяют преобразовать переменный ток в постоянный и плавно изменять выпрям­ленное напряжение от нуля до максимального значения.

В настоящее время в электроприводах постоянного тока и в системах возбуждения синхронных двигателей основной элементной базой при построении управляемых выпрямите­лей являются тиристоры.

Тиристоры — не полностью управляемые полупроводни­ковые приборы, обладающие двумя устойчивыми состояния­ми равновесия: открытым (проводящим ток) и закрытым (не проводящим тока). Тиристор (рис. 5.9, а), имеющий три элек­трода (анодный вывод А, катодный К и управляющий элек­трод У), начинает проводить ток в том случае, если к анод­ному выводу (по отношению к катодному выводу) приложен положительный потенциал и одновременно к управляющему электроду подается положительный управляющий сигнал. При приложении к анодному выводу положительного потен­циала сопротивление тиристора будет зависеть от управляю­щего тока. При отсутствии управляющего сигнала (I_у = 0) сопротивление тиристора велико. При появлении управляю­щего тока (I_у = I_ун) тиристор перейдет в открытое состояние и проводимость его будет высокой.

Тиристор отличается от транзистора тем, что ток управ­ления только открывает, но не закрывает его. Закрывается тиристор при приложении к анодному выводу отрицательно­го напряжения.

Для управления тиристором используют систему импульсно-фазного управления (СИФУ), которая формирует управ­ляющий импульс нужной формы и мощности, а также осу­ществляет сдвиг по фазе импульса относительно напряжения сети.

Рассмотрим работу тиристора, подключенного к однофаз­ной сети на активную нагрузку (см. рис. 5.9, а). Предполо­жим, что управляющий импульс в интервале Ωt₀ - Ωt₁ от­сутствует (I_у = 0). В этом случае тиристор обладает большим сопротивлением в прямом направлении и ток через нагрузку R_H практические не проходит (см. рис. 5.9, б).

После подачи управляющего импульса при номинальном токе управления (I_у = I_ун) тиристор открывается (см. рис. 5.9, в), т.е. его сопротивление в прямом направлении снижа­ется. Под действием напряжения сети U_c через нагрузку R_H проходит ток I_н (см. рис. 5.9, г), который зависит от напря­жения сети и сопротивления резистора (интервал Ωt₁ — Ωt₂). При отрицательном напряжении на анодном выводе (интер­вал Ωt₂ — Ωt₃) тиристор обладает высоким сопротивлением и ток через него не проходит. В этом случае к тиристору при­кладывается обратное напряжение U_обр (см. рис. 5.9, д). На рис. 5.9, б, д приняты обозначения: U_H — напряжение на на­грузке; U_aк — напряжение анод — катод тиристора; U_yк — управляющее напряжение между управляющим электродом и катодом.

Для изменения среднего значения выпрямленного напря­жения U_d необходимо сдвинуть по фазе управляющий им­пульс. Так, для уменьшения выпрямленного напряжения не­обходимо управляющий импульс подавать с отставанием по отношению к точке естественной коммутации тиристора (см. рис. 5.9, в). Сдвиг по фазе между точкой естественной ком­мутации тиристора и моментом подачи управляющего им­пульса называется углом регулирования α.

В электроприводах находят применение также сдвоенные тиристоры, называемые симмисторами, которые обладают свойствами встречно-параллельно соединенных тиристоров, но имеют лишь один управляющий электрод. При подаче управляющего сигнала симмистор открывается для обеих по­луволн переменного тока.

Однофазный полууправляемый преобразователь пере­менного тока в постоянный. В полууправляемом однофазном преобразователе, имеющем в плечах мостовой схемы управ­ляемые и неуправляемые диоды, выходное напряжение все­гда положительно, поэтому поток энергии направлен из сети к двигателю. В электропроводах с полууправляемыми преоб­разователями рекуперация энергии в сеть невозможна.

Схема, графики токов и напряжений при симметричном управлении тиристорами и непрерывном токе якоря изобра­жены на рис. 5.10.

В полууправляемом преобразователе тиристор VS1 пере­ходит в открытое состояние в момент, соответствующий углу α, а тиристор VS2 — углу π + α относительно питающего на­пряжения u. В течение фазового интервала α < Ωt < π двига­тель подключается к сети через тиристор VS1 и диод VD2, а напряжение на зажимах якорной цепи u _я равно питающему u. При Ωt > π напряжение и изменяет полярность. Ток якоря i_я теперь потечет через обратный диод VD0, поскольку тири­стор VS1 закрыт. Обратный диод выполняет функцию защи­ты преобразователя от перенапряжений. В фазовом интервале π < Ωt < π+α цепь якоря закорочена обратным диодом, в связи с чем напряжение на якоре u _я = 0.

В интервале открытого состояния тиристора (α < Ωt < π) энергия поступает из сети и преобразуется в энергию, запасаемую в индуктивности якорной цепи L_я, кинетическую энергию движущихся частей электропривода и полезную ра­боту. В фазовом интервале π < Ωt < π + α тиристор закрыт, запасенная в индуктивности энергия преобразуется в меха­ническую, а продолжающий протекать по якорной цепи ток i_я создает электромагнитный момент. В этом интервале энер­гия в сеть не возвращается.

Таким образом, в полууправляемом преобразователе про­исходит чередование интервалов, в одном из которых двига­тель соединен с сетью через открытый тиристор, а в дру­гом — отсоединен от сети.

Уравнения для якорной цепи двигателя, управляемого от полууправляемого преобразователя, имеют вид:

где e_я — ЭДС двигателя.

При α = 0 и синусоидальной форме питающего напряже­ния среднее значение напряжения якорной цепи определяет­ся по формуле

 

где U — действующее значение напряжения переменного тока на входе преобразователя.

В связи с невозможностью рекуперации энергии в сеть электродвигатель, управляемый от полууправляемого преоб­разователя, работает только в первом квадранте механиче­ских характеристик.

Однофазный полностью управляемый полупроводнико­вый преобразователь переменного тока в постоянный. В полностью управляемом преобразователе, показанном на рис. 5.11, а, тиристоры VS1 и VS3 переходят в открытое со­стояние одновременно в фазе α, a VS2 и VS4 — в фазе π + α. В этой схеме двигатель постоянно связан с сетью через пары тиристоров, причем в фазовом интервале α < Ωt < π + α открыты тиристоры VS1, VS3. В момент, соответствующий π + α, тиристоры VS2 и VS4 переходят в открытое состоя­ние, при этом к тиристорам VS1 и VS3 через открытые тиристоры VS2 и VS4 прикладывается напряжение обратной по­лярности, которое закрывает их. Такая коммутация получила название естественной.

Ток якоря двигателей i _я, ранее протекающий через VS1 и VS3, теперь начнет протекать через тиристоры VS2 и VS4.

В течение фазового интервала α < Ωt < π энергия из сети передается двигателю, поскольку u, i, и u _я, i _я положительны, см. рис. 5.11, б. Напротив, в течение фазового интервала π < Ωt < π + α часть энергии из якорной цепи возвращается в сеть, так как u _я и i _я, а также u и i, имеют разные знаки.

Уравнение для якорной цепи двигателя, управляемого от полностью управляемого преобразователя, имеет вид:

При синусоидальной форме питающего напряжения сред­нее значение напряжения якорной цепи для полностью управляемого преобразователя определяется по формуле

 

При α > 90° среднее значение напряжения якорной цепи становится отрицательным. Если ЭДС изменяет свою поляр­ность вследствие изменения направления вращения вала дви­гателя на противоположное, а направление тока в якорной цепи остается неизменным, то электрическая машина работа­ет как генератор, отдавая энергию в сеть. Режим работы пре­образователя, при котором энергия возвращается в сеть, на­зывается инверторным и применяется для рекуперативного торможения двигателя. Поскольку из-за односторонней про­водимости тиристоров ток якоря не изменяет свое направле­ние, а полярность напряжения якорной цепи может изме­няться, электропривод с одним комплектом полностью управ­ляемого преобразователя может работать в первом и четвер­том квадрантах механических характеристик.

В трехфазной мостовой схеме, в которой вместо диодов включены тиристоры (рис. 5.12, а), управляющие импульсы U_y1 – U_y2, поступающие от СИФУ, должны быть соответст­вующим образом сфазированы с напряжением трансформа­тора (сети), т.е. подаваться в нужные моменты времени. Сдвиг импульсов относительно базовой точки происходит в сторону отставания. За базовые необходимо брать точки а, б, в и г, д, е (см. рис. 5.12, б) естественного отпирания диодов. Если управляющие импульсы подавать на тиристоры в базо­вых точках, то получим наибольшее выпрямленное напряже­ние U_d0. При подаче управляющих импульсов с отставанием по отношению к точке естественного отпирания на угол α (рис. 5.12, б) тиристоры открываются позже, а среднее вы­прямленное напряжение U_{d ср} будет меньше, чем наибольшее выпрямленное U_d0. Среднее выпрямленное напряжение ТП определяется по формуле

U_{d ср} = U_do cosα,

где α — угол регулирования ТП.

Поскольку трехфазная мостовая схема имеет две группы тиристоров, а ток в любой момент протекает минимум че­рез два тиристора, СИФУ вырабатывает сдвоенные импульсы (см. рис. 5.12, б), сдвинутые относительно друг друга на 60 эл. град. В этом случае имеет место одновременная подача им­пульсов в тиристоры двух различных групп (V1 и V6, V1 и V2, V3 и V2, и т.д.). Наличие двух групп тиристоров обеспечивает шестипульсное выпрямление (кривая U_d, см. рис. 5.12, б).

 

ИНВЕРТОРЫ

Инвертированием называют процесс преобразования электрической энергии постоянного тока в переменный. Преобразователь, выполненный на базе полупроводниковых приборов и осуществляющий такое преобразование, называ­ется инвертором.

Автономным (самокоммутируемым и независимым) инвер­тором является преобразователь, выходные параметры кото­рого (форма, амплитуда, частота выходного напряжения) оп­ределяются схемой преобразователя, системой управления и режимом его работы в отличие от инвертора, ведомого сетью, выходные параметры которого определяются параметрами сети.

В автономных инверторах коммутация вентилей осуществ­ляется либо включением и выключением полностью управ­ляемых полупроводниковых приборов, либо с помощью уст­ройств принудительной коммутации, входящих в состав схе­мы преобразователя и создающих коммутируемое напряже­ние, обеспечивающее включение не полностью управляемых полупроводниковых приборов.

Принцип действия автономного инвертора можно проил­люстрировать рис. 5.13, а. Если переключать попарно через полупериод T/2 ключи К1, КЗ и К2, К4, то график напряже­ния U_ab на нагрузке будет прямоугольной формы с амплиту­дой U_ab = U и частотой f = 1/T (см. рис. 5.13, б). При ак­тивной нагрузке форма кривой