СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ТИРИСТОРАМИ В РЕВЕРСИВНОМ ТРЕХФАЗНОМ ТИРИСТОРНОМ ЭЛЕКТРОПРИВОДЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ

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.