СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ТИРИСТОРАМИ В РЕВЕРСИВНОМ ТРЕХФАЗНОМ ТИРИСТОРНОМ ЭЛЕКТРОПРИВОДЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2013 года по МПК H02P7/292 

Изобретение относится к устройствам преобразовательной техники и может быть применено в реверсивных тиристорных электроприводах постоянного тока с обратной связью по скорости. Силовая схема выполнена по реверсивной трехпульсной противопараллельной схеме выпрямления с уравнительными дросселями, с естественной коммутацией и обратными шунтирующими диодами. На выпрямительную и инверторную группу тиристоров управляющие импульсы подаются одновременно с нелинейным и согласованным управлением так, чтобы эти импульсы поступали на тиристоры в одноименной фазе во время либо положительной, либо отрицательной полуволны сетевого напряжения, с целью исключения статического уравнительного тока между группами вентилей и улучшения регулировочных характеристик.

Устройство управления тиристорами состоит из силовой схемы включения тиристоров и СИФУ - системы импульсно-фазового управления, которые в изобретении рассматриваются во взаимосвязи.

Прототипом является тиристорный преобразователь для электропривода малой мощности типа «КЕМТОК» с нелинейным согласованным управлением группами вентилей на низких частотах вращения и с раздельным управлением на высоких частотах вращения (см. Чернов Е.А., Кузьмин В.П. Комплектные электроприводы станков с ЧПУ. Справочное пособие - Горький: Волго-Вятское кн. изд-во, 1989, стр.97-111). «Силовая схема выполнена по реверсивной трехпульсной противопараллельной схеме выпрямления с уравнительными дросселями».

На рис.1 приведена схема силовой части с блоками управления 1 и СИФУ 2 такого реверсивного трехфазного тиристорного электропривода. Силовая часть состоит из силового трансформатора 3, тиристоров 5, 7, 9 катодной и 4, 6, 8 анодной групп, уравнительных дросселей 10, 11 и электродвигателя 12. Блок управления 1 включает в себя регулятор скорости, регулятор тока и нелинейное токоограничение. Начальный угол открывания тиристоров устанавливается равным α_НАЧ=130°, при котором скорость электродвигателя равна нулю, тиристоры катодной группы открываются в области положительной полуволны синусоиды, а тиристоры анодной группы в области отрицательной полуволны. Нелинейное несогласованное управление группами вентилей осуществляется, когда, при отсчете углов отрывания катодной α_К и анодной α_А групп от начала естественной коммутации, их сумма в начальный момент равна 260°, а затем, для уменьшения уравнительных токов, при увеличении напряжения на входе СИФУ в инверторной группе тиристоров угол открывания увеличивается быстрее и преобразователь переходит в режим раздельного управления

На рис.2 приведена часть диаграммы напряжений СИФУ 2 (стр.108) для одной фазы а, где показан начальный угол открывания α_НАЧ=130° тиристора 5.

В СИФУ синхронизирующее напряжение U_СИНХ сдвинутое по фазе R-C цепью относительно ЭДС e_a на угол 32° поступает на входы двух компараторов, на «противоположные» входы компараторов подаются напряжения смещения разной полярности. В результате на выходах компараторов получают «взаимоинверсные» прямоугольные импульсы превышающие по длительности полупериод синусоиды, затем за счет схемы «И», выполненной на диодах, формируются короткие импульсы U_VT1 (рис.2) в моменты перехода синусоидального напряжения U_СИНХ через нуль, с помощью которых запускается генератор пилообразного напряжения, создающий линейное опорное напряжение U_ОП, которое располагается в течение каждой полуволны сетевого напряжения одноканального СИФУ. Опорное напряжение сравнивается с напряжением управления U_УПР на входе нуль органа, в результате на выходе нуль органа разнополярные импульсы напряжения U_HO прямоугольной формы.

Эти импульсы поступают на дифференцирующую R-C цепь для формирования импульсов малой длительности U_ДИФ по заднему фронту U_НО, которые затем преобразуются в прямоугольные короткие импульсы и распределяются для открывания соответствующих тиристоров в данной фазе.

В преобразователе «смещение управляющих импульсов инверторной группы вправо происходит быстрее, чем обеспечивается уменьшение уравнительных токов и переход от согласованного управления к раздельному за счет «срыва» генерации управляющих импульсов».

На рис.3 приведены осциллограммы токов катодной I_K, анодной I_A и тока якоря двигателя I_Я при начальных углах открывания тиристоров α_НАЧ=130°. На рис.4 приведены осциллограммы тока якоря при углах открывания тиристоров не равных начальным углам α≠130° (стр.122).

Таким образом, в приведенном прототипе имеют место следующие характеристики: в силовой схеме нет обратных шунтирующих диодов, СИФУ для открывания тиристоров в одной фазе сетевого напряжения одноканальное, синхронизирующее напряжение сдвинуто по фазе на 32° для создания начальных углов открывания тиристоров 130°, синхронизирующие положительные импульсы следуют в моменты перехода синхронизирующего напряжения через нуль, пилообразное опорное напряжение располагается в течение каждой полуволны синхронизирующего напряжения, длительность управляющих импульсов на тиристоры не регулируемая и зависит от свойств дифференцирующей R-C цепи, переход к раздельному управлению анодной или катодной группами тиристоров производится на высоких частотах вращения, осуществляется нелинейное несогласованное управление группами вентилей, когда, при отсчете углов отрывания катодной α_К и анодной α_А групп от начала естественной коммутации, их сумма в начальный момент равна 260°, а затем, для уменьшения уравнительных токов, при увеличении напряжения на входе СИФУ в инверторной группе тиристоров угол открывания увеличивается быстрее и преобразователь переходит в режим раздельного управления без контроля величины напряжения на якоре двигателя.

Недостатки управления тиристорами в прототипе

Наличие знакопеременного напряжения и тока якоря электродвигателя при нулевой скорости. Не исключаются статические уравнительные токи.

Преждевременный переход в режим раздельного управления не позволяющий на высоких скоростях получить одинаковое время разгона и торможения при отклонениях скорости от заданной.

Главным недостатком является нелинейность и нестабильность регулировочных характеристик и как следствие варьирование коэффициента усиления тиристорного преобразователя в зависимости от угла открывания тиристоров и от силы тока якоря, что не позволяет получить оптимальные переходные характеристики при стандартных настройках. На рис.5 показана диаграмма напряжений для катодной группы тиристоров работающей в выпрямительном режиме с углами открывания тиристоров α_К=90°, что соответствует гранично-непрерывному току, когда на рис.1 вместо двигателя включено активное сопротивление. В этом режиме уравнительный ток достигает значительной величины, поэтому в преобразователе электропривода «Кемток» принят начальный угол α_НАЧ=130°. Очевидно, что при углах открывания тиристоров в пределах от 90° до 130° будет прерывистый ток независимо от его величины. Внешняя характеристика тиристорного преобразователя, при фиксированном значении угла открывания тиристорв, для прерывистых токов приведена на рис.6. При уменьшении тока от номинального I_H до тока холостого хода I_XX величина напряжения на выходе тиристорного преобразователя резко возрастает на величину ΔU за счет уменьшения отрицательных составляющих напряжения обусловленных ЭДС самоиндукции и энергией запасенной в индуктивности I²L/2.

Регулировочная характеристика тиристорного преобразователя, зависимость выходного напряжения U_d от угла открывания тиристора, приведена на рис.7. На этом рисунке кривая 1 соответствует известному выражению для непрерывного тока

U_d=E_d0cosα,

кривая 2 соответствует прерывистому току при I_H, а кривая 3 соответствует прерывистому току при I_XX.

Анализ регулировочной характеристики показывает, что коэффициент усиления тиристорного преобразователя зависит не только от угла открывания тиристоров, но и от силы тока якоря двигателя в режиме прерывистых токов и варьирует в больших пределах. Настройка замкнутой системы на технический оптимум при максимальном коэффициенте усиления для непрерывного тока приводит к неудовлетворительным переходным характеристикам на малых скоростях при прерывистом токе.

Технический результат: исключение статических уравнительных тков, исключение знакопеременного напряжения и тока при нулевой скорости двигателя, устранение зависимости коэффициента усиления тиристорного преобразователя от силы тока нагрузки и от режима прерывистости и непрерывности тока и, как следствие, улучшение динамических характеристик во всем диапазоне регулирования.

Предлагается устанавливать в силовой схеме шунтирующие устройства 13, 14 (рис.8), которые своевременно шунтируют отрицательные составляющие ЭДС самоиндукции катодной и анодной групп тиристоров, а начальные углы открывания тиристоров, при отсчете угла открывания от момента естественной коммутации, для выпрямительной и инверторной групп равные α_НАЧ.В=150°, α_НАЧ.И=150°, а также производить контроль напряжения на якоре двигателя с целью перевода тиристорного преобразователя на раздельное управление при номинальном напряжении на якоре двигателя.

При начальных углах открывания, равных 150°, отсчитываемых от момента естественной коммутации, не будет статических уравнительных токов и знакопеременного напряжения на якоре двигателя. В выпрямленном напряжении, с шунтирующими устройствами, не будет отрицательных составляющих обусловленных ЭДС самоиндукции, поэтому жесткость внешней характеристики тиристорного преобразователя будет определяться только активным сопротивлением преобразователя как при непрерывном, так и при прерывистом токе, поэтому коэффициент усиления тиристорного преобразователя не будет зависеть от силы тока якоря двигателя.

На рис.9 показаны начальные углы открывания α_НАЧ=150° для катодной и анодной групп тиристоров, углы открывания, когда катодная группа является выпрямительной, а анодная инверторной, приведено расположение управляющих импульсов при начальных углах открывания фазы а и направление их перемещения при положительном входном напряжении. Среднее напряжение не превышает мгновенных значений напряжений в анодной группе тиристоров, поэтому эти тиристоры не открываются. Регулировочную характеристику целесообразно рассчитывать по формуле

,

где E_d0=k_CXU_2Ф, h_CX=1,17.

Эта регулировочная характеристика в рабочем диапазоне практически линейна, что позволяет аналитически точно рассчитать параметры регулятора замкнутой системы и получить стабильные динамические характеристики.

Принципиальная схема устройства (СИФУ) представлена на рис.10 (нумерация элементов сначала), которая в отличие от прототипа, двухканальная и имеет отдельные каналы для тиристоров, включенных в одноименной фазе, имеет два напряжения смещения U_CM разной полярности. Диаграммы напряжений, поясняющие работу этого устройства показаны на рис.11.

Синхронизирующее переменное напряжение (например фазы а), подается на клемму 1 - входы не инвертирующего и инвертирующего компараторов 2 и 3. На входе компаратора 2 включена фазосдвигающая цепь 4, 5, которая осуществляет сдвиг синхронизирующего напряжения по фазе на 2-3 градуса. На выходах компараторов будут разнополярные прямоугольные импульсы U_DA1 и U_DA2, которые суммируются на входе усилителя 6. В результате суммирования на выходе 6 будут короткие разнополярные импульсы U_DA3 (рис.11). Положительные короткие импульсы совпадают по фазе с началом положительной полуволны синхронизирующего напряжения и поступают через 7, 8 на базу транзистора обратной проводимости 9 для запуска генератора пилообразного напряжения на операционном усилителе 10 канала управления тиристором в катодной группе. Это пилообразное (опорное) напряжение U_DA4 линейно возрастающее и положительное, по фазе до очередного запуска занимает полный период синусоиды.

Отрицательные короткие импульсы совпадают по фазе с началом отрицательной полуволны синхронизирующего напряжения и поступают через 11, 12 на базу транзистора прямой проводимости 13 для запуска генератора пилообразного напряжения на ОУ 14 канала тиристора в анодной группе. Это пилообразное напряжение U_DA10 линейно возрастающее отрицательное так же занимает полный период синусоиды. Пилообразные напряжения поступают на входы нуль - органов 15 и 16, где они сравниваются с отрицательным напряжением смещения U_CM с резистора 17 и положительным U_CM с резистора 18, и входным напряжением СИФУ U_ВХ на клемме 19. Резисторами 17 и 18 устанавливаются начальные углы открывания тиристоров 150°.

На рис.11 показаны исходные значения U_CM при U_ВХ=0. В момент равенства напряжений U_CM и пилообразного происходит переключение нуль - органа и вырабатывается управляющие импульсы U_VD5 для тиристора в катодной группе и U_VD9 в анодной группе.

Если катодная группа работает в выпрямительном режиме, тогда при увеличении положительного U_ВХ управляющие импульсы, формируемые нуль - органом 15, будут сдвигаться влево от π, 3π в области положительной полуволны синусоиды. При этом управляющие импульсы анодной группы, формируемые 16, будут сдвигаться вправо от 0, 2π также в области положительной полуволны синусоиды. Так как тиристоры в одноименной фазе, то уравнительного тока не будет, а тиристоры в анодной группе открываться при положительном напряжении на катодах не будут.

Диаграммы напряжений формирования управляющего импульса, например, в катодной группе после нуль - органа 15, приведены на рис.12. Разнополярное напряжение прямоугольной формы после 15 преобразуется с помощью диодов 20, 21 в два напряжения разной полярности U_VD2 и U_VD3. Напряжение U_VD2 подается на запуск второго генератора пилообразного напряжения на ОУ 22. Пилообразное напряжение U_DA6 с 22 сравнивается с напряжением установки резистором 23 длительности импульсов - на входе нуль - органа 24. Разно-полярное напряжение прямоугольной формы с 24 ограничивается диодом 25, а затем инвертируется усилителем 26. Напряжения U_VD3 и U_DA8 разной полярности суммируются на входе усилителя 27, затем напряжение с 27 ограничивается диодом 28. В результате получаем управляющие импульсы U_VD5, которые затем поступают на логические элементы 29, 30 для блокировки импульсов инверторного режима при номинальном напряжении на якоре и перевода на раздельное управление. После элемента 30 импульсы поступают на усилитель мощности с гальванической развязкой 31. Напряжение, пропорциональное напряжению на якоре двигателя, подается на клемму 32 - входы компараторов 33, 34, где оно сравнивается с заданным напряжением с резисторов 35, 36. С выходов компараторов 33, 34 производится управление элементами 29, 30 для перехода на раздельное управление.

Формирование импульса для тиристора в анодной группе, после инвертирования сигнала усилителем 37, производится аналогично.

Изменяя - U_τИ резистором 23 можно устанавливать необходимую длительность управляющих импульсов. Такое формирование управляющих импульсов с регулируемой длительностью создает высокую помехозащищенность, а также позволяет увеличить их длительность для надежного открывания тиристоров в случае установки дополнительной индуктивности в якорной цепи для сглаживания пульсаций тока.

Изобретение относится к устройствам преобразовательной техники. Силовая схема выполнена по реверсивной трехпульсной противопараллельной схеме выпрямления с уравнительными дросселями, с естественной коммутацией тиристоров и шунтирующими устройствами. Технический результат: исключение статических уравнительных токов, исключение знакопеременного напряжения и тока при нулевой скорости двигателя, устранение зависимости коэффициента усиления тиристорного преобразователя от силы тока нагрузки и от режима прерывистости и непрерывности тока - достигается тем, что начальные углы открывания тиристоров от начала положительной полуволны синусоиды сетевого напряжения, при включенных шунтирующих устройствах в силовой схеме, устанавливаются для катодной группы тиристоров равные π, 3π и т.д., а для анодной группы равные 0, 2π, 4π и т.д. или равные 150° при отсчете углов открывания от момента естественной коммутации тиристоров, затем при увеличении управляющего сигнала эти импульсы смещаются по фазе, располагаясь в области либо положительной, либо отрицательной полуволны синусоиды, чем исключается уравнительный ток, регулировочную характеристику рассчитывают по формуле , которая линейна на рабочем участке, и при этом коэффициент передачи тиристорного преобразователя не зависит от силы тока и его прерывистости. 2 н.п. ф-лы, 12 ил.

1. Способ управления тиристорами в реверсивном трехфазном тиристорном электроприводе, силовая схема выполнена по реверсивной трехпульсной противопараллельной схеме выпрямления с уравнительными дросселями, с совместным нелинейным согласованным управлением, отличающийся тем, что параллельно нагрузке включаются шунтирующие устройства, которые своевременно шунтируют отрицательные составляющие ЭДС самоиндукции, начальные углы открывания тиристоров от начала положительной полуволны синусоиды сетевого напряжения устанавливаются для катодной группы тиристоров, равные π, 3π и т.д., а для анодной группы, равные 0, 2π, 4π и т.д., или равные 150° при отсчете углов открывания от момента естественной коммутации тиристоров, затем при увеличении управляющего сигнала, эти импульсы смещаются по фазе, располагаясь в области либо положительной либо отрицательной полуволны синусоиды, чем исключается уравнительный ток, регулировочную характеристику рассчитывают по формуле , которая линейна на рабочем участке, и, при этом коэффициент передачи тиристорного преобразователя не зависит от силы тока и его прерывистости.

2. Устройство для реализации способа управления тиристорами в реверсивном трехфазном тиристорном электроприводе представляет собой систему импульсно-фазового управления (СИФУ), в котором на противоположные входы двух компараторов подается сетевое синхронизирующее напряжение, для фазового сдвига на входе нуль-органа сравниваются напряжение управления и напряжение смещения с опорным линейно возрастающим положительным (пилообразным) напряжением, отличающееся тем, что синхронизирующее напряжение на входе одного компаратора сдвигается по фазе на 2-3°, затем с выходов двух компараторов разнополярные импульсы суммируются на входе усилителя, на его выходе формируются короткие синхронизирующие импульсы положительной полярности, следующие через один период синусоиды 2π, и отрицательной полярности, следующие через один период синусоиды 2π и сдвинутые относительно друг друга на полупериод π, отрицательные импульсы в другом канале подаются на запуск генератора линейно возрастающего отрицательного пилообразного напряжения для анодного тиристора, в канале анодного тиристора начальные углы открывания, равные 150°, устанавливаются напряжениями смещения отрицательной полярности, прямоугольные импульсы после нуль-органов в каждом канале подаются на запуск второго генератора пилообразного напряжения для формирования регулируемой длительности управляющих импульсов, импульсы после первого и второго нуль-органов в каждом канале суммируются на входе усилителя, на выходе которого управляющие импульсы поступают на усилитель мощности с гальванической развязкой, напряжение, пропорциональное напряжению на якоре двигателя, подается на входы двух компараторов, где оно сравнивается с заданным напряжением, выходы этих компараторов соединены с входами логических элементов, запрещающими подачу управляющих импульсов на группу тиристоров, которая работает в инверторном режиме, преобразователь тем самым при номинальном напряжении на якоре переводится в режим раздельного управления.