Устройство стабилизатора напряжения системы однополярного шунтирования мощных тиристоров в реверсивном трехфазном электроприводе

Полезная модель относится к устройствам преобразовательной техники и может быть применено в реверсивных тиристорных электроприводах постоянного тока с обратной связью по скорости.

Устройство однополярного шунтирования тиристоров в реверсивном трехфазном тиристорном электроприводе предназначено для своевременного шунтирования токов обусловленных ЭДС самоиндукции, устраняя тем самым отрицательные составляющие выпрямленного напряжения катодной группы тиристоров и положительные составляющие анодной группы, в результате получены регулировочные характеристики с минимальной зоной нечувствительности, электропривод отрабатывает синусоидальный сигнал на входе СИФУ, имеет одинаковое время разгона и торможения при одинаковом ступенчатом увеличении и уменьшении входного сигнала. Технический результат достигается за счет применения шунтирующих элементов в катодной и анодной группах тиристоров, состоящих из последовательно включенных биполярного транзистора и диода, параллельно которым включается варистор для ограничения перенапряжений. Шунтирующие элементы управляются логическим устройством, на входах которого сравниваются сигналы с переключающего устройства, контролирующего полярность на входе СИФУ, и сигналы с выходов датчиков проводимости токов анодной и катодной групп тиристоров.

Полезная модель 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 тиристоров. На выпрямительную и инверторную группу тиристоров управляющие импульсы подаются раздельно с целью исключения статического уравнительного тока между группами вентилей и уменьшения зоны нечувствительности регулировочных характеристик вход-выход.

Рассмотрим этот вопрос подробнее. В книге (Зимин Е.Н. и др. Электроприводы постоянного тока с вентильными преобразователями / Е.Н.Зимин, В.Л.Кацевич, С.К.Козырев. - М.: Энергоиздат, 1981. - 192 с, ил.) приведены графики напряжений (стр.86) трехфазного реверсивного электропривода, при линейном, совместном и согласованном управлении, с углами открывания катодной (выпрямительной) группы a_B=60⁰ и анодной (инверторной) группы a _И=120⁰, которые приведены на рис.2. Начальные углы открывания равны 90°.

Анализ графиков показывает, что в инверторной группе нарушен закон сохранения, по закону Ленца энергия запасенная в индуктивности уравнительного дросселя на отрезке времени t₁ отрицательной полуволны синусоиды, не может захватывать большую область на отрезке времени t₂ положительной полуволны синусоиды. Экспериментально установлено, что графики напряжений анодной группы будут как показано на рис.3, то есть среднее напряжение в пределах а _И>90° будет равно нулю. Так как среднее напряжение выпрямительной группы >0, то неизбежен прорыв инвертора.

На практике (см., Чернов Е.А., Кузьмин В.П. Комплектные электроприводы станков с ЧПУ. Справочное пособие - Горький: Волго-Вятское кн. изд - во, 1989, стр.97-111) устанавливают начальные углы открывания а_НАЧ=132° и применяют нелинейное согласованное управление с переходом затем к раздельному управлению.

На рис.4 приведены регулировочные характеристики катодной группы при а_НАЧ=130° (сплошные линии). Максимальное значение опорного напряжения СИФУ UОПmax=8,0 В. Из графиков видно, что характеристика вход - выход U_dСР(U_У ) имеет зону нечувствительности равную 2,0 В. Симметрично в четвертом квадранте будет характеристика анодной группы.

Таким образом, если на вход СИФУ подать синусоидальное напряжение малой частоты (0,1 Гц) с амплитудой 2,0 В, то на выходе тиристорного преобразователя будет нулевое напряжение. Зона нечувствительности является существенной нелинейностью.

Уменьшение зоны нечувствительности можно сделать за счет своевременного шунтирования нагрузки полупроводниковыми приборами однонаправленной проводимости, в выпрямленном напряжении не будет отрицательных составляющих обусловленных ЭДС самоиндукции, начальные углы открывания a_НАЧ=150°. Регулировочные характеристики показаны на рис.4 пунктирными линиями.

В процессе разработки полезной модели экспериментально исследовано несколько вариантов.

Самый простой вариант - это включение шунтирующих диодов 13, 14 как показано на рис.5. Если работает катодная группа тиристоров 5, 7, 9, а на анодную группу 4, 6, 8, управляющие импульсы не подаются, что равносильно разомкнутым контактам 15, то якорь двигателя оказывается подключенным на делитель напряжения из уравнительных дросселей 10, 11. В этом случае электропривод может работать в области прерывистых токов, на низких скоростях, при углах открывания тиристоров от 90° до 150°. При других углах открывания, напряжение на якоре с делителя может составлять30% от номинального, при этом из сети потребляется увеличенный ток. На низких скоростях в указанных пределах углов открывания нормальные динамические характеристики.

Вторым вариантом является включение шунтирующих тиристоров вместо диодов. При этом применялись оптронные тиристоры, которые управлялись с помощью двух последовательно включенных компараторов. На вход компараторов подавался входной сигнал U_У СИФУ 2, а с выходов подавался на управляющие электроды шунтирующих тиристоров - так контролировалось направление вращения. При работе катодной или анодной группы подаются напряжения на управляющие электроды соответствующих шунтирующих тиристоров.

В результате получено, что электропривод может работать по следующему циклу: подается сигнал задания, вступает в работу, например, катодная группа тиристоров и соответствующий шунтирующий тиристор - электродвигатель разгоняется, затем можно увеличить сигнал задания - электродвигатель увеличит скорость. После подается сигнал задания равный нулю - электродвигатель быстро останавливается, так как за счет обратной связи изменится полярность сигнала на входе СИФУ и вступит в работу анодная группа, создавая режим торможения противовключением. Затем можно подавать задающий сигнал другой полярности - вращение в обратном направлении. Если же после разгона уменьшить сигнал задания не до нуля, то скорость электродвигателя быстро уменьшится за счет кратковременного открывания тиристоров анодной группы и открывания соответствующего шунтирующего тиристора. Однако после снижения скорости двигателя этот шунтирующий тиристор не закроется, так как у ЭДС двигателя полярность не изменялась и будет контур тока через шунтирующий тиристор - преобразователь перейдет в режим работы с двумя открытыми шунтирующими тиристорами, то есть в режим с шунтирующими диодами.

Электропривод не сможет отрабатывать синусоидальный сигнал задания.

Очевидно, что в качестве шунтирующих элементов необходимо применение полностью управляемых полупроводниковых приборов - транзисторов. Этот вариант рассматривается в полезной модели.

Устройство управления тиристорами состоит из силовой схемы включения тиристоров, системы импульсно-фазового управления (СИФУ) и устройства однополярного шунтирования выпрямительной и инверторной групп тиристоров (рис.1).

Технический результат полезной модели - получение регулировочных характеристик с минимальной зоной нечувствительности, электропривод должен отрабатывать синусоидальный сигнал на входе СИФУ, а также иметь одинаковое время разгона и торможения при одинаковом ступенчатом увеличении и уменьшении входного сигнала, то есть электропривод представляется линейным звеном и может применяться в следящих системах. Технический результат можно получить путем своевременного шунтирования токов обусловленных ЭДС самоиндукции, устраняя тем самым отрицательные составляющие выпрямленного напряжения катодной группы тиристоров и положительные составляющие анодной группы.

Технический результат достигается тем, что устройство однополярного шунтирования тиристоров в реверсивном трехфазном электроприводе, состоящее из последовательно включенных биполярного транзистора и диода и параллельно им варистора, соединены с выходом катодной группы тиристоров и нулевой точкой силового трансформатора, шунтируя тем самым якорь электродвигателя и уравнительный дроссель, аналогично устройство обратной проводимости соединены с выходом анодной группы тиристоров и нулевой точкой силового трансформатора, входы устройств однополярного шунтирования соединены через усилители мощности с выходом логического устройства, служащим для своевременного включения устройств однополярного шунтирования, входы логического устройства соединены с выходами датчиков проводимости токов групп тиристоров, а также соединены с выходом переключающего устройства, вход которого соединен с входом СИФУ, контролируя тем самым полярность на входе СИФУ.

Описание работы устройства полезной модели.

Схема устройства приведена на рис.1. Шунтирующие элементы 1 - для катодной группы 2 и элемент 3 - для анодной группы 4 представляют собой последовательно включенный диод и биполярный транзистор, параллельно которым включаются варисторы для ограничения перенапряжений при коммутации транзисторов. Направление вращения электродвигателя 5 задается сигналом задания U_З, который на входе сумматора 6 суммируется с сигналом обратной связи U_OC, поступающим с датчика обратной связи 7. Сигнал с выхода сумматора поступает на вход корректирующего устройства 8. С корректирующего устройства сигнал через фильтр 9 поступает на вход СИФУ 10. Полярность на входе СИФУ определяет подачу управляющих импульсов либо на катодную группу тиристоров 2, либо на анодную 4. Если уменьшить сигнал задания, то за счет обратной связи изменится полярность сигнала на входе СИФУ, что приводит к закрыванию тиристоров, например, катодной группы 2 и соответствующего шунтирующего элемента 1 и открыванию анодной группы 4 и шунтирующего элемента 3. В СИФУ имеется логическое устройство, позволяющее блокировать управляющие импульсы на одну группу тиристоров, пока не закроются все тиристоры другой группы. Изменение полярности на входе СИФУ контролируется переключающим устройством 11, которое представляет собой два последовательно включенных усилителя на основе операционных усилителей. Если сигнал на входе СИФУ равен нулю, то на обоих выходах переключающего устройства нулевой сигнал, а при появлении сигнала на входе СИФУ ±0,1 В, то на выходах сигналы ±10,0 В. Эти сигналы сравниваются на входе логического устройства 12 с сигналами ±10,0 В с выходов датчиков проводимости тока 13, 14. С логического устройства два сигнала поступают на два канала усилителя мощности 15 с гальванической развязкой для открывания соответствующего транзистора в шунтирующем устройстве. Первичными датчиками проводимости тока являются резисторы 16, 17, включенные последовательно с уравнительными дросселями 18, 19. С первичных датчиков сигналы поступают на гальванически развязывающие усилители 20, 21, а затем на датчики проводимости тока, которые настраиваются на ток <0,1 А. Так как настройку на нулевое значение тока сделать нельзя, устанавливается фильтр 9 на входе СИФУ с постоянной времени 0,02 с.

В результате электропривод, с минимальной зоной нечувствительности, отрабатывает синусоидальный сигнал низкой частоты амплитудой 0,5 В. Самый неприятный режим работы, когда привод работает в установившемся режиме, а затем ступенчато уменьшается сигнал задания, и в то время когда вступит в работу другая группа тиристоров, что наблюдается по осциллографу, вновь ступенчато увеличивается задающий сигнал. В этом случае возможно возникновение кратковременных динамических уравнительных токов.

Принципиальные схемы элементов рис.1 приведены на рис.6, 7, 8, 9, 10.

Устройство однополярного шунтирования тиристоров в реверсивном трехфазном электроприводе, состоящее из последовательно включенных биполярного транзистора и диода и параллельно им варистора, соединено с выходом катодной группы тиристоров и нулевой точкой силового трансформатора, шунтируя тем самым якорь электродвигателя и уравнительный дроссель, аналогично устройство обратной проводимости соединено с выходом анодной группы тиристоров и нулевой точкой силового трансформатора, входы устройств однополярного шунтирования соединены через усилители мощности с выходом логического устройства, служащим для своевременного включения устройств однополярного шунтирования, входы логического устройства соединены с выходами датчиков проводимости токов групп тиристоров, а также соединены с выходом переключающего устройства, вход которого соединен с входом СИФУ, контролируя тем самым полярность на входе СИФУ и включение в работу отдельных групп тиристоров, чем, в отличие от электроприводов без шунтирования, достигается установка начальных углов открывания тиристоров 150° и уменьшение зоны нечувствительности регулировочных характеристик.