Электроприводы с тиристорными преобразователями

Использование тиристорных преобразователей для регулировки скорости вращения двигателей будем рассматривать для асинхронных приводов, поскольку они составляют более 80% всех крановых электроприводов.

Для регулировки скорости вращения двигателей используются тиристорные преобразователи частоты и тиристорные регуляторы напряжения ТРН, включаемые в цепь статора, а так же тиристорные регуляторы тока ТРТ, включаемые в цепь ротора, последние также называют импульсными регуляторами сопротивления.

Наиболее простыми являются тиристорные регуляторы напряжения, они серийно выпускаются промышленностью. Объясняется это их высоким КПД, простотой обслуживания и легкостью автоматизации работы электропривода.

Силовая часть простейшей схемы тиристорного регулятора напряжения ТРН-АД изображена на рис.2.7.

Рисунок 2.7. Схема тиристорного регулятора напряжения

Она содержит по два встречно-параллельных тиристора в каждой фазе статора. Такое включение обеспечивает поочередную работу одного из тиристоров в течении одного полпериода напряжения питания. Иногда вместо пары тиристоров используют симисторы. Величина напряжения, прикладываемого к ТАД, регулируется симметричным изменением углов открывания тиристоров α. Управляющие импульсы от системы импульсно-фазового регулирования СИФУ подаются на пары тиристоров не одновременно, а со сдвигом на 120⁰. Если на тиристоры не подаются управляющие импульсы от СИФУ, то они закрыты, и практически все напряжение падает на тиристорах, а на обмотке статора ТАД равно нулю.

П ри подаче управляющих импульсов в момент времени, когда начальная фаза напряжения питания равна нулю, т. е., когда α=0, тиристоры полностью открываются, через фазы статора ТАД протекает непрерывный синусоидальный ток, и к двигателю прикладывается полное напряжение сети. При увеличении α форма кривой напряжения, приложенного к статору, искажается, среднее значение напряжения снижается, что приводит к уменьшению частоты вращения ТАД. Механические характеристики при таком регулировании получаются мягкими и кратность максимального момента с ростом угла открывания тиристоров  уменьшается. Характеристики располагаются в I и III квадрантах плоскости координат (рис.2.8). Диапазон регулирования ограничивается реостатной характеристикой, снятой при номинальном напряжении. То есть диапазон регулирования ограничивается величиной развиваемого двигателем момента, который в переходных режимах (при s1) работы пропорционален сопротивлению в цепи ротора, и для расширения диапазона регулирования частоты вращения его необходимо изменять.

В связи с этим для крановых механизмов создаются системы асинхронных электроприводов, в которых управление двигателем осуществляется путем сочетания импульсного регулирования сопротивления в цепи ротора, регулирования напряжения в цепи статора и режима динамического торможения. Этим достигается заполнение всех квадрантов механических характеристик.

Схема такого управления приведена на рисунке иллюстративно-графического материала под названием: «Схема тиристорного кранового электропривода спуска-подъема» (рисунок 5).

Для регулирования скорости в зонах между реостатными характеристиками и осью скоростей в I и III квадрантах (заштрихованы горизонтальными линиями на рисунке 6), а также для реверсирования двигателя используется ТРН. ТРН состоит из пяти пар тиристоров (рисунок 5), включенных встречно-параллельно: 1-2; 4-5; 6-7; 8-9 и 11-12. Изменение напряжения, подводимого к статору, осуществляется путем регулирования угла открывания тиристорных пар 1-2, 6-7 и 11-12 для одного направления вращения и 4-5, 6-7 и 8-9 для другого направления вращения.

Режим динамического торможения осуществляется путем подключения к сети двух включенных последовательно обмоток статора через тиристоры 1, 3, 4 и 9, 10, 12. С помощью данных тиристоров создается однополупериодная схема трехфазного управляемого выпрямителя, ток, которого протекая по двум обмоткам статора, создает постоянное магнитное поле, затормаживающее ротор двигателя. Механические характеристики двигателя в этом режиме находятся во II и IV квадрантах.

Рисунок 2.8. Схема тиристорного кранового электропривода спуска - подъема

В роторную цепь включена схема импульсного регулирования сопротивления в цепи выпрямленного тока. Параметры схемы выбраны такими, что она обеспечивает работу двигателя в I и III квадрантах, в зонах между реостатными и естественной характеристиками (заштрихованы вертикальными линиями на рисунке 6). Работа схемы построена на широтно-импульсном способе регулирования сопротивления в роторной цепи. Тиристор Т1 выполняет функцию ключа. Попеременное включение и отключение тиристора Т1 изменяет эквивалентное дополнительное сопротивление в роторной цепи в пределах от нуля, когда тиристор открыт, до значения R1, когда тиристор закрыт. Управление тиристором Т1 осуществляется с помощью второго блока управления БУ2, который вырабатывает сигналы управления определяемые датчиком тока ДТ. При напряжении с датчика

Рисунок 2.9. Области регулирования при комбинированном управлении ТАД

тока u_дт0 БУ2 подает импульс, открывающий тиристор Т1. Через открывшийся тиристор Т1 происходит заряд конденсатора С от дополнительного источника U_п (полярность без скобок). Когда напряжение с датчика тока ДТ становится меньше нуля u_дт0, БУ2 подает управляющий сигнал на тиристор Т2, который открываясь создает цепь для разряда конденсатора С. В результате положительный потенциал с конденсатора С через открытый тиристор Т2 прикладывается к катоду тиристора Т1 и закрывает его. В результате в цепь ротора включается сопротивление R1. После запирания тиристора Т1 конденсатор С начинает перезаряжаться от напряжения роторной цепи и после окончания процесса перезаряда тиристор Т2 запирается (полярность в скобках). Введенное сопротивление R1 уменьшает ток в цепи ротора и когда напряжение с ДТ вновь становится u_дт0 БУ2 формирует импульс, открывающий тиристор Т1. При этом образуется колебательный контур C-L и конденсатор С быстро перезаряжается и остается перезаряженным со знаком “+” на нижней обкладке. Диод Д1 прекращает процесс перезаряда, как только ток конденсатора снизится до нуля. Если напряжение с датчика тока ДТ становится меньше нуля u_дт0 БУ2 вновь формирует импульс, открывающий Т2 и т. д.

Включенный в цепь трехфазного выпрямителя дроссель Др снижает пульсации выпрямленного тока, а следовательно и момента.

Таким образом, при периодической подаче сигналов на тиристор Т1 какую-то часть периода в роторе протекает ток, определяемый сопротивлением резистора R1. В другую часть периода цепь ротора оказывается замкнутой и двигатель работает на естественной механической характеристике. Изменяя относительную продолжительность включения тиристора Т1 в течении периода, можно получать средний момент двигателя от значения, соответствующего работе на реостатной характеристике до момента, соответствующего работе на естественной характеристике. Путём использования различных О.С. можно получить характеристики желаемого вида в области, ограниченной реостатной и естественной характеристиками.

Тиристорные электроприводы постоянного тока по своим характеристикам в наибольшей мере удовлетворяют требованиям, предъявляемым к крановым механизмам. Однако применение их оправдано только для крановых механизмов средней и большой мощности (50 кВт и выше), а также в случаях, когда требуется большой диапазон регулирование скорости (более 10:1) и специальные механические характеристики.