3 раздел Скалярное управление

Раздел 3

СИСТЕМЫ СКАЛЯРНОГО УПРАВЛЕНИЯ ЧАСТОТНО-

РЕГУЛИРУЕМОГО АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА

текущих значений модулей переменных АД (напряжений, магнитных потоков, потокосцеплений и токов цепей двигателя). Управляемость АД при этом может обеспечиваться совместным регулированием либо частоты напряжения U1, либо частоты f1 и I1 тока статорной обмотки. Первый способ управления принято трактовать как частотное управление, второй – как частотно-токовое управление [13].

Выбор способа и принципа управления определяется совокупностью статических, динамических и энергетических требований к асинхронному электроприводу.

Скалярный принцип частотного управления является наиболее распространённым в управляемом электроприводе. Ему свойственна техническая простота измерения и регулирования переменных АД, а также возможность построения разомкнутых систем управления скоростью.

Основной недостаток подобного принципа управления заключается в трудности реализации желаемых законов регулирования скорости и момента АД в динамических режимах. Связано это с весьма сложными электромагнитными процессами, протекающими в АД.

3.2 Тиристорные преобразователи частоты с непосредственной связью

В электроприводах переменного тока получили распространение

преобразователи частоты с непосредственной связью (НПЧ) и с промежуточным звеном постоянного тока. НПЧ (или ПЧ, ведомые сетью) по существу представляют собой реверсивный тиристорный преобразователь постоянного тока (ТП) с нулевой схемой выпрямления (или с потенциально разделенными цепями питания или нагрузки). Такой преобразователь имеет специальную СИФУ, обеспечивающую регулирование напряжения с переменной частотой.

Основой непосредственного преобразователя частоты – НПЧ является реверсивный ТП с однофазным выходом (рис. 3.1).

Многофазный выход НПЧ образуется эквивалентным числом преобразователей с однофазным выходом: необходимый сдвиг выходных напряжений достигается путем соответствующего сдвига управляющих сигналов на входе НПЧ. Выходное однофазное напряжение (низкочастотный выход) U2 образуется посредством управления, осуществляемого по закону,

обеспечивающему циклическое изменение углов открытия тиристоров силовой схемы (рис. 3.2). Коммутация тока тиристорами каждой группы НПЧ одного направления осуществляется за счет напряжения сети, а

управление моментом включения обеспечивает изменение направления тока в нагрузке. Благодаря этому НПЧ может пропустить реактивную мощность нагрузки и обеспечить двусторонний обмен активной мощностью между сетью и нагрузкой. Непосредственный преобразователь частоты может быть выполнен по любой из известных в преобразовательной технике схем.

Подавляющее большинство разработанных и предложенных для реализации электроприводов НПЧ предусматривают согласованное управление противовключенными группами тиристоров, при котором системой управления обеспечивается изменение частоты выходного напряжения от нуля до максимального возможного значения.

Для того, чтобы напряжение на АД (напряжение нагрузки НПЧ) U2

поддалось регулированию по частоте, необходимо выполнение условия:

круговая частота напряжения на нагрузке, т.е. частота выходного фазного напряжения преобразователя U2 , рад/с; m1 – число фаз (показатель

«пульсности») на вторичной стороне преобразовательного трансформатора.

Характерной особенностью НПЧ является низкая частота регулирования выходного напряжения U2 и относительно невысокий

определяется режимами работы элементов силовой схемы, условиями их равномерной загрузки и, как правило, не превышает: для 3-х пульсных схем ( m1 3) – 12 Гц, а для 6-ти пульсных схем ( m1 6 ) – половины частоты питающей сети fc, т.е. 25 Гц при питании от сети промышленной частоты.

A B C

БЛЗ − блок логики запирания; BN1, BN2 − датчики нуля тока; ВIф − датчик фазного тока

Вместе с тем, большинство АД рассчитаны на управляющее напряжение промышленной частоты fc=50 Гц. В результате, при управлении от НПЧ АД недоиспользуют свои возможности при регулировании скорости.

С учетом этого большинство мощных НПЧ (Рэп>103 кВт) выполняется по эквивалентным 12-ти пульсным силовым схемам ( m1 12 ), в которых для получения 12-ти пульсного выпрямления по каждой фазе АД выходные обмотки трехобмоточных преобразовательных трансформаторов соединяют в

«звезду» и «треугольник». В 12-ти пульсных НПЧ частота выходного

напряжения U2 может быть доведена до 40 Гц.

Кратко рассмотрим процессы в НПЧ с идеальным преобразовательным

трансформатором и идеальными вентилями. Напряжение на выходе такого НПЧ можно записать в виде [4]:

где U1 — действующее значений ЭДС трансформатора; U1,0 —

среднее значение выходного напряжения при (t) 0; α — угол открытия вентилей, отсчитываемый от естественного угла начала проводимости.

Для получения знакопеременного напряжения на нагрузке углы открытия вентилей, включенных в реверсивную схему НПЧ при согласованном управлении, должны быть связаны соотношением:

1(t) 2 (t)

Поскольку в НПЧ вентили коммутируются напряжением питающей сети, закон изменения углов открытия вентилей 1(t) и 2 (t) во времени

реализуется дискретно. Если (t) в общем виде является некоторой функцией времени, задающей закон изменения напряжения на выходе НПЧ,

то при выполнении условия (3.1) выходное напряжение на нагрузке воспроизводит входной сигнал. Изменяя углы открытия вентилей по определенному закону, можно получить на выходе НПЧ напряжение,

среднее значение которого изменяется периодически по любому, в

частности синусоидальному закону.

Кривая напряжения на нагрузке является по существу кривой средних значений напряжений реверсивного преобразователя. При конечном числе m1

фаз преобразователя кривая вторичного напряжения представляет собой участки питающего напряжения несущей частоты и состоит из конечного числа этих участков (см. рис. 3.2).

При формировании выходного напряжения U2с огибающей синусоидальной формы углы открытия вентилей (t) должны изменяться во времени по следующим законам:

где (0≤ ≤1) – глубина регулирования напряжения на нагрузке:

max – предельно допустимый уровень открытия вентилей.

Значения (t) записаны для двух интервалов работы НПЧ, когда функция непрерывна, так как при формировании каждой полуволны кривой

низкочастотной синусоиды угол α сначала убывает до предельно допустимого значения, а затем возрастет до начального значения / 2 .

В идеальном случае ( 1) из (3.3) и (3.4) имеем:

для 0 2t 2 :

(t) 1(t) 2t ;

2

для 2t :

2

(t) 2 (t) 2t 2 .

Как следует из изложенного, функция (t) при m1 1 2 реализуется дискретными углами фазовых сдвигов моментов пересечения синусоид с угловой частотой 1 , фиксированных относительно соответствующих фаз питающей сети или трансформатора (т.е. сигнала синусоидальных опорных напряжений), и синусоиды с частотой 2 (т.е. управляющего напряжения).

Изменение фазы и амплитуды напряжения на нагрузке осуществляется регулированием фазы и амплитуды низкочастотной синусоиды управляющего сигнала при фиксированном положении и амплитуде синусоид опорных напряжений. Таким образом, система управления НПЧ

должна обеспечивать модуляцию фазы отпирающих импульсов по определенному закону, а также некоторые параметры этих импульсов.

Структура системы управления качественно не зависит от числа фаз на входе и выходе НПЧ. Число фаз влияет только на количество идентичных каналов управления.

При практической реализации систем управления НПЧ в СИФУ вентилями объединяют: генератор опорных напряжений, узел сравнения управляющих и опорных сигналов, а также устройство формирования импульсов для включения вентилей. На вход для СИФУ вводится регулируемый по амплитуде и частоте сигнал управления.

Характеристика управления [закон изменения угла управления вентилей (t) НПЧ] определяет гармонический состав кривой выходного напряжения, характер уравнительных напряжений в реверсивном контуре

(при совместном управлении группами вентилей), использование элементов силовой схемы НПЧ по напряжению и току, характер изменения составляющих полной мощности в питающей сети и габаритную мощность приводного электродвигателя (ЭД).

В современных системах ЭП переменного тока НПЧ, охватывается пофазно жесткой обратной связью по выходному току (рис. 3.3). Высокое быстродействие контуров регулирования фазного тока и компенсация возмущающих воздействий в нем позволяют условно считать такое устройство управляемым «источником тока», управляющее воздействие на который поступает от САУ электропривода. Тогда форма кривой управляющего воздействия характеризует гладкую составляющую кривой выходного тока НПЧ.

Режим работы вентилей каждой группы определяется коэффициентом мощности нагрузки cos н .

В реальных схемах НПЧ следует применять специальные меры для устранения (или ограничения) взаимного влияния вентильных групп,

включенных в реверсивную схему НПЧ. В зависимости от способа

ограничения уравнительного тока НПЧ разделяются на НПЧ с совместным и

сраздельным управлением группами вентилей.

ВНПЧ с совместным управлением (рис. 3.4) для ограничения уравнительных токов служат ограничивающие реакторы, индуктивность которых Ly выбирается с учетом двух противоречивых требований: с одной

стороны, ограничить уравнительный ток значением, не вызывающим большого увеличения мощности преобразовательного трансформатора и загрузки вентилей, а с другой стороны, падение напряжения от нагрузочного тока, которое растет с ростом вторичной частоты, не должно вызывать значительного увеличения напряжения преобразовательного трансформатора.

Наличие реакторов в схеме НПЧ обусловливает появление во внутреннем контуре не скомпенсированной ЭДС самоиндукции реакторов e

(см. рис. 3.4) и динамической составляющей уравнительного тока.

Ограничивающие реакторы увеличивают массу и габаритные размеры НПЧ,

среднее значение тока силовых вентилей, габаритную мощность преобразовательного трансформатора (за счет статических и динамических уравнительных токов) и снижают его энергетические показатели.

В НПЧ с раздельным управлением принципиально устраняется контур уравнительного тока за счет попеременного снятия отпирающих импульсов с той группы вентилей, через которую в данный момент не протекает ток нагрузки. Снятие и восстановление импульсов в цепях управляющих электроприводов тиристоров производится логической схемой блока запирания БЛЗ с частотой вторичной сети (рис. 3.5). НПЧ с раздельным управлением нашли преимущественное применение в электроприводах, так как применение в НПЧ совместного управления увеличивает мощность установленного оборудования (в зависимости от верхнего предела 2 ) на

20%÷40%.