Силовые преобразователи энергии

Силовые преобразователи энергии (СПЭ) служат для преоб- разования электрической энергии промышленной питающей сети в электрическую энергию с параметрами, отличающимися от па- раметров питающей сети. Преобразованная энергия отличается видом напряжения, уровнем, частотой и др. В результате СПЭ вы- полняет функции своеобразного силового адаптера, обеспечиваю- щего в общем случае возможность регулирования этих величин для управления ЭИМ.

Применительно к ПИМ и ГИМ силовые преобразователи энергии в сочетании с ЭИМ обеспечивают необходимое давление и расход сжатого газа (жидкости) с помощью компрессоров и на- сосов.

В СУИМ применяют следующие типы СПЭ:

– электромагнитные усилители (в настоящее время не выпус- каются вследствие низких энергетических и регулировочных пока- зателей);

– электромашинные усилители-преобразователи (электрома- шинные усилители, электромашинные генераторы и др.) для пита- ния ЭИМ передвижных, подъемно-транспортных установок, мощ- ных ЭИМ в бумагоделательной, металлургической промышленно- сти и т.п.;

– полупроводниковые (тиристорные, транзисторные, сими- сторные) для питания ЭИМ самого широкого назначения;

– электрические, пневматические, гидравлические СПЭ и их сочетания для питания ПИМ и ГИМ.

Электромашинные преобразователи. Системы регулирова- ния ряда электроприводов ИМ могут содержать в качестве силово- го регулируемого преобразователя электромашинный агрегат, со- держащий гонный двигатель и генератор постоянного тока, выходная ЭДС которого регулируется изменением тока возбужде- ния. Функциональная схема такого электромашинного агрегата приведена на рис. 4.14.

~

Рис. 4.14. Функциональная схема силового электромашинного преобразователя

 

Якорь генератора приводится во вращение с постоянной ско- ростью с помощью гонного асинхронного двигателя (АД). Обмот- ка возбуждения (ОВГ) генератора питается от регулируемого ти- ристорного возбудителя (ТВ). При определении ММ преобразова- теля будем полагать, что w_г = const, а также примем следующие допущения:

– пренебрегаем реакцией якоря;

– пренебрегаем влиянием вихревых токов (для машин малой мощности это допущение является общепринятым).

Для определения ММ СПЭ требуется найти зависимость е _п =

= ¦(U _ув). Запишем соотношения для приращений координат, пред- полагая, что СУИМ работает в «малом»:

D е _п = С _егw_гDФ_г;

DФг = K фг w вгD i вг,

где w _вгD i _вг = D F _г, С _егw_г = const,

 

K фг

= DFг» Fгн = const; С _ег – кон-

D F г                    F гн

структивная постоянная; w _вг – число витков обмотки возбуждения генератора.

Коэффициент K _фг линеаризует кривую насыщения магнитной цепи генератора.

Математическая модель процессов в цепи возбуждения гене- ратора аналогична ММ цепи возбуждения электродвигателя и представляет собой апериодическое звено первого порядка:

W   (Р) = D i вг (  Р) =      ,

вг                D e

(Р)

T P + 1

вг                   вг

где R _вг, T _вг – эквивалентные параметры цепи возбуждения генера- тора.

С учетом приведенных соотношений ММ генератора может быть представлена в виде передаточной функции:

W (Р) =

e _п (Р) =

 

K г   ,

 

г               U   (Р) T P + 1

ув                   вг

где K _г – коэффициент передачи генератора,

г

K =  K тв С ег wг w вг K фг,

R вг

где K _тв – коэффициент передачи тиристорного возбудителя.

Для генераторов средней и большой мощности влияние вих- ревых токов отразится на увеличении Т _вг на величину постоянной времени вихревых токов. Иногда их модель представляют в виде апериодического звена второго порядка [17, 18].

Тиристорные преобразователи. Тиристорные преобразователи (ТП) применяются в качестве источников регулируемого напряжения для питания якорной цепи или цепи возбуждения коллекторных электродвигателей постоянного тока (ДПТ) ИМ. Для управления асинхронным двигателем (АДКР) тиристорный преобразователь применяется в качестве управляемого выпрямителя для регулирова- ния напряжения в цепи постоянного тока частотного преобразователя со звеном постоянного тока. На рис. 4.15 приведена обобщенная функциональная схема тиристорного преобразователя.

Тиристорный преобразователь (ТП) как элемент системы управления должен быть описан в статике и динамике.

Статическая модель. Статическая характеристика представ- ляет собой регулировочную характеристику е _п = ¦(U _у).

Разобьем ТП на два основных модуля – систему импульсно- фазового управления (СИФУ) и силовую часть (см. рис. 4.15).

~380 В

 

СИФУ a Силовая часть ТП

U _у                                                                                                   e _п

 

 

Рис. 4.15. Упрощенная функциональная схема тиристорного преобразователя

 

ММ силовой части. Схемотехника силовой части представля- ет собой один или два комплекта управляемых вентилей, вклю- ченных по нулевой или мостовой схеме (встречно-параллельной или перекрестной).

Опишем статическую зависимость е _п = ¦(a).

Для зоны непрерывного тока

e п = е d 0 cos a,

е d 0 =  K сх Е 2ф,

где e_{d 0} – максимальное средневыпрямленное (среднее) значение ЭДС преобразователя; Е _2ф – вторичная фaзная ЭДС силового трансформатора; K _сх – коэффициент схемы силового комплекта вентилей, K _сх = 2,34 – для мостовой схемы, K _сх = 1,17 – для нуле- вой схемы.

Для зоны прерывистых токов

2cos (l 2 + a - p  m)sin (l 2)

е п = Е d 0                                      l                ,

где l – интервал проводимости тока; m – пульсность выпрямлен- ного напряжения преобразователя (l < p/ m).

Заметим, что в зоне непрерывного тока l = m.

ММ СИФУ. Статическая зависимость a = ¦(U _у) при наиболее распространенном вертикальном способе управления СИФУ опре- деляется видом опорного напряжения СИФУ.

При пилообразном (линейном) опорном напряжении искомая статическая зависимость будет иметь вид

ç

÷

a= p  æ1 - U у ö.

2  U

è   оп м ø

Следует заметить, что реальный диапазон изменения угла от- пирания тиристоров, как правило, не превышает 5°–175°. Мини- мальный (5°) угол отпирания определяется максимальной ЭДС тиристорного преобразователя, а ограничение максимального угла (175°) предохраняет реверсивный тиристорный преобразователь от

«прорыва» инвертора. Кроме того, важен правильный выбор на- чального угла отпирания тиристоров a_нач, зависящего от способа управления комплектами тиристоров реверсивного преобразовате-

ля и параметров активно-индуктивной нагрузки преобразователя. В любом случае этот угол равен полусумме углов отпирания тири- сторов обоих комплектов вентилей, т.е.

a = a1 + a2 ,

нач             2

где a₁, a₂ – углы отпирания тиристоров выпрямительной и инвер- торной групп вентилей. Как правило, начальный угол отпирания тиристоров a_нач находится в диапазоне 90°–125°, причем a_нач = 90° выбирается только при совместном согласованном управлении комплектами вентилей.

При гармоническом (косинусоидальном) опорном напряжении статическая характеристика преобразователя будет характеризо- ваться зависимостью

U

a= arccos æ U у ö,

ç    ÷

è оп м ø

где U _{оп м} – максимальное значение опорного напряжения СИФУ.

Результирующие статические зависимости е _п = ¦(U _у) можно получить, например, графоаналитическим способом [17, 18]. Они характеризуются аналитическими зависимостями:

е = Е

sin æ p  U U ö, е

= K U,

п        d 0      ç 2 y     оп м ÷ п         тп у

è            ø

где K _тп – коэффициент передачи тиристорного преобразователя, определяемый выражением K _тп = Е_{d 0}/ U _{оп м}. В современных СПЭ статические зависимости е _п = ¦(U _у) методами технической линеа- ризации удается свести к линейным зависимостям.

Динамическая модель. Модель ТП в динамике с учетом его временных или частотных свойств выбирается в зависимости от характера решаемой задачи.

Для целей синтеза САУ на практике применяют три модели:

1. В виде безынерционного звена:

W (p) = E_d (P)/ U _у(P) = E_{d 0}/ U _{оп м} = K _тп.          (4.19)

2. В виде инерционного звена первого порядка (апериодиче-

ского звена):

W (P) =

K тп   .

Т тп  Р + 1

 

(4.20)

Постоянная времени T _тп тиристорного преобразователя опре- деляется выражением

 

Т тп

= 1 2 mf c

+ T ф СИФУ,

где m – пульсность преобразователя (m = 3 для нулевых, m = 6 для мостовых схем выпрямителей); первое слагаемое – среднестатисти- ческое запаздывание преобразователя; f _c – частота питающей сети (50 Гц для отечественных преобразователей); T _{ф СИФУ} – постоянная времени фильтра на входе СИФУ. Для большинства тиристорных преобразователей величина T _тп находится в диапазоне 1–10 мc.

3. В виде звена чистого запаздывания:

тп

W (p) =  K е ^{- Т} тп Р.

(4.21)

Эти модели применимы как для целей синтеза, так и для це- лей анализа САУ. Для целей анализа могут применяться более сложные модели, учитывающие влияние дискретного характера работы преобразователя, неполную управляемость тиристоров, а также аспекты, связанные с характером нагрузки ТП.

Более подробно с аспектами описания тиристорных преобра- зователей как объектов управления в различных системах управ- ления ЭИМ (автоматизированными электроприводами постоянно- го тока) можно ознакомиться в источниках [17, 18, 20, 23].

Транзисторные и симисторные преобразователи. Транзи- сторные преобразователи (ТрП) применяются в качестве источ- ников регулируемого напряжения для питания якорной цепи и це- пи возбуждения коллекторных электродвигателей постоянного тока (ДПТ), управляемых выпрямителей и инверторов для управ-

ления асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором (АДКР) и синхронными двигателями с постоянными магнитами (СДПМ), бесколлекторными двигателями постоянного тока (БДПТ) и др. Самое широкое распространение транзисторные пре- образователи получили после создания мощных силовых IGBT- транзисторов и силовых сборок на их основе, интеллектуальных драйверов контроля состояния и управления. На сегодняшний день серьезной альтернативы применению СПЭ иного типа как для приводов постоянного, так и для приводов переменного тока по совокупности критериев, включая широко применяемый критерий

«качество-надежность/цена», нет.

Благодаря полной управляемости, высокому быстродействию, хорошей интеграции в микропроцессорные системы управления транзисторные преобразователи получили заслуженную популяр- ность. В большинстве СУИМ на основе электроприводов постоян- ного (широтно-импульсные и релейные) и переменного тока (с ав- тономными инверторами напряжения и тока) СПЭ на транзисторах, как очень быстродействующие, представляют безынерционной мо- делью

W ТрП (р) =     =  K                     ,ТрП

 Y (p) X (p)

 

(4.22)

где X (p), Y (p) – соответственно входная и выходная координаты преобразователя.

Симисторные преобразователи (СП) применяются для бес- контактного управления ЭИМ постоянной скорости или фазового управления ЭИМ переменной скорости. Иногда вместо симисто- ров применяют схемотехнический аналог – встречно-параллельно включенные тиристоры. Для ЭИМ постоянной скорости модель СП аналогична модели (4.22). Для ЭИМ переменной скорости мо- дели СП аналогичны моделям ТП (4.19)–(4.21).

Отечественной промышленностью выпускаются реверсивные симисторные пускатели серий БКР, ПБР, БУЭР и др. Среди тири- сторных реверсивных пускателей наиболее распространены пуска-

тели серии ФЦ. Основное достоинство СП – коммутация вентилей в моменты времени, соответствующие переходу фазы питающего напряжения через ноль, что обеспечивает необходимые требова- ния электромагнитной совместимости СУИМ с остальным элек- трооборудованием систем управления.

 

Датчики координат СУИМ

Основными координатами СУИМ в составе технологических установок являются: скорость вращения w или линейная скорость V _лин перемещения рабочего органа, угловое положение вала j или линейное перемещение S _лин рабочего органа, вращающий мо- мент М на валу или перестановочное усилие F рабочего органа ИМ, давление P и расход Q жидкостей или газов, температура T ⁰ объекта управления и др.

Быстродействие современных датчиков первичной информа- ции, устройств преобразования, приема-передачи информации о координатах состояния ИМ достаточно высоко по сравнению с быстродействием технологических координат, на которые воз- действуют ИМ.

В связи с этим ММ датчиков координат СУИМ обычно пред- ставляются в виде безынерционных звеньев, входом которых явля- ются измеряемые координаты, а выходами – напряжения (0–10 В), токи (0–20 мА, 4–20 мА) или значения цифрового кода. Например:

K _дс – коэффициент передачи датчика скорости РО, K _дс = U _дс/ω; K _дп – коэффициент передачи датчика положения РО, K _дс =

= U _дс/φ;

K _дт – коэффициент передачи датчика тока (якоря, статора и т.п.), K _дт = U _дт/ i.

Коэффициенты передачи датчиков рассчитывают для номи- нальных значений входных и выходных координат.

При необходимости фильтрации (сглаживания пульсаций из- меряемых сигналов) ММ датчиков координат СУИМ представля- ют в виде инерционных моделей первого или более высокого по- рядка. Например, тахогенератор постоянного тока обладает обо-

ротными пульсациями вследствие неравномерности магнитного зазора, коллекторными, зубцовыми и полюсными пульсациями. В силу этого при синтезе САР скорости тахогенератор, как прави- ло, рассматривают в виде апериодического звена первого порядка:

 

W тг

(p) =  U тг (  p) =

()

w p

K тг   ,

T тг p + 1

где K _тг – коэффициент передачи тахогенератора, K _тг = U _{тг н}/ω_н; Т _тг –

постоянная времени фильтра тахогенератора.

Координаты технологической среды (давления, расхода, тем- пературы и др.) измеряются датчиками, имеющими определенную инерцию, а иногда и чистое запаздывание. В последнем случае их модель представляют в виде инерционного звена с запаздыванием. Например, термопара в капсуле, применяемая для измерения тем- пературы в топке парового котла, может быть представлена пере- даточной функцией

 

W дт

(p) =  U дт (  p) =

Т ⁰ (p)

K дт T дт p + 1

 

е -t р,

где T ⁰ – измеряемая температура, °С; U _дт – напряжение термопары, мВ; K _дт – коэффициент передачи датчика температуры, K _дт =

= U _{дт н}/ T _н⁰; T _дт, τ – соответственно постоянные времени инерции и чистого запаздывания.

Параметры датчиков приводятся, как правило, в паспортных данных, но иногда их приходится определять экспериментально.