Падение напряжения за счет коммутации вентилей

DUх = Id Хт / (2p / m); (2.84)

Хт = Х₂+Х₁ (w₂ / w₁)², (2.85)

где Х1, Х2 – индуктивные сопротивления первичной и приведенное вторичной обмотки фаз трансформатора соответственно.

Введем обозначение

Rт + Хт = Rэ – эквивалентное сопротивление вентильного преобразователя. Тогда выпрямленное напряжение Uв преобразователя определится следующим образом:

Uв = Еdм cos a - DUв – Id Rэ. (2.86)

В мостовой схеме, в отличие от предыдущего случая, ток проходит через два вентиля и две фазы трансформатора под действием не фазного, а линейного напряжения и для трехфазной мостовой схемы m = 6. Следовательно, по сравнению с трехфазной нулевой схемой, эквивалентное сопротивление преобразователя будет здесь в два раза больше и значение выпрямленного напряжения Uвм определится следующим уравнением:

Uв = Еdмм cos a - 2 DUв – 2Id Rэ, (2.87)

где Еdмм – максимальная выпрямленная ЭДС при a = 0 в мостовой схеме выпрямления.

Необходимо помнить, что если в преобразователе используется последовательное или параллельное соединение нескольких тиристоров, то это необходимо учитывать при расчете падения напряжения на вентилях методами классической электротехники.

Если от вентильного преобразователя получает питание электродвигатель, то его якорная цепь описывается уравнением:

Еdм cos a - DUв – Е = Id Rяц, (2.88)

где Rяц = Rя + Rр + Rэ – сопротивление якорной цепи;

Rр – активное сопротивление реактора.

Тогда уравнения скоростной и механической характеристик имеют следующий вид:

w = (Еdм cos a - DUв – Id Rяц) / КФ; (2.89)

w = (Еdм cos a - DUв) / КФ – Rяц М / (КФ) ². (2.90)

Следует помнить, что величины Еdм, Rэ, DUв зависят от схемы соединения вентилей.

Из (2.89) и (2.90) следует, что в режиме непрерывных токов характеристики двигателя линейны и жесткость их определяется сопротивлением якорной цепи. Обычно в системе тиристорный преобразователь – двигатель жесткость характеристик ниже, чем в системе Г – Д, что объясняется повышенным сопротивлением якорной цепи, то есть наличием здесь эквивалентного сопротивления.

Из (2.89), (2.90) следует, что теоретически скорость идеального холостого хода определяется как

w ₀ = (Еdм cos a - DUв) / КФ. (2.91)

Однако на практике эта величина отличается от теоретической за счет наличия режима прерывистых токов.

Режим прерывистых токов заключается в том, что при малых значениях токов нагрузки период прохождения тока в вентиле становится меньше 2p / m, то есть отсутствует период коммутации. На рис.2.37 приведены кривые изменения напряжений и тока преобразователя для этого случая.

Ток якоря двигателя протекает под действием разницы напряжения преобразователя и ЭДС двигателя. В режимах, близких к идеальному холостому ходу, эта разница невелика и когда мгновенное значение выпрямленного напряжения становится меньше ЭДС двигателя, индуктивность якорной цепи не способна поддержать ток нагрузки до точки 2p / m, то есть ток становится прерывистым.

Границей между режимами непрерывного и прерывистого токов является режим, при котором период коммутации равен нулю (рис.2.38), называемый режимом граничного тока.

Величина граничного тока определяется углом зажигания вентилей и параметрами схемы, в частности, индуктивностью якорной цепи. При токе якоря, больше граничного, для описания скоростной и механической характеристик справедливы уравнения (2.89), (2.90). При токе якоря, меньше граничного, проводить расчет характеристик по этим уравнениям нельзя, так как в режиме прерывистых токов характеристики двигателя аналитически не описываются. Исследования показали [1], что на скоростных характеристиках точки граничных токов лежат на дуге эллипса, смещенного по оси ординат на DUв / КФ.

Рис.2.37. Кривые изменения ЭДС и тока

преобразователя в режиме прерывистых токов

Рис.2.38. Кривые ЭДС двигателя, ЭДС и граничного тока

преобразователя

Таким образом, скоростные характеристики в системе «Тиристорный преобразователь – двигатель» имеют вид, приведенный на рис.2.39. Здесь точки пересечения штрих - пунктирных продолжений линейных участков скоростных характеристик с осью ординат являются теоретическими значениями скоростей идеального холостого хода, рассчитанными согласно (2.91).

Из рис.2.39 следует, что изменение угла зажигания вентилей приводит к изменению скорости идеального холостого хода двигателя в широком диапазоне. В системе ТП-Д электрическая машина способна работать в двигательном режиме (при a < p / 2), в режиме динамического торможения

Рис.2.39. Скоростные характеристики электродвигателя в системе ТП-Д

(при a = p / 2) и в режиме рекуперации (при a > p / 2). В системе «Тиристорный преобразователь – двигатель» режим динамического торможения используется только в качестве аварийного.

При работе системы электропривода в режиме рекуперации электрическая энергия постоянного тока, генерируемая электрической машиной, преобразуется вентильным преобразователем в энергию переменного тока и передается в сеть. При этом преобразователь работает в режиме инвертора.

Инверторный режим является одним из важнейших в системе ТП-Д. Из (2.91) следует, что он возможен при a > p / 2, когда ЭДС двигателя больше выпрямленного напряжения. При этом ток в обмотках трансформатора направлен встречно их ЭДС и определяется ЭДС двигателя. Кривые ЭДС тиристорного преобразователя в режиме инвертирования приведены на рис.2.40.

Рис.2.40. Кривые ЭДС преобразователя и двигателя в режиме

инвертирования

Из совокупности кривых следует, что существует верхний предел изменения угла зажигания тиристора, а именно, если к моменту w t = q, который отстоит от точки естественного зажигания на p + 2p / m, ток в данном работающем тиристоре не снизится до нуля и он не будет надежно заперт, то при w t > q потенциал его анода станет выше потенциала анода тиристора следующей фазы, то есть тиристор следующей фазы не откроется, а будет продолжать работу данный тиристор. При этом ток якорной цепи определится не разностью, а суммой ЭДС преобразователя и двигателя и может достичь недопустимо большой величины. Такой режим называется «опрокидыванием инвертора» и является аварийным. Для его предотвращения необходимо, чтобы максимальный угол зажигания aмакс не превышал определенной величины, а именно:

aмакс £ p - (g + d), (2.92)

где d - время восстановления запирающих свойств тиристора, равное трем градусам.

Обычно для предельно допустимых значений тока якоря и реальных параметров трансформатора максимальный угол коммутации примерно равен 15 – 18 °. При этом для тиристорных преобразователей

aмакс» 160 °.

Энергетические показатели системы ТП-Д –КПД и cos j сравнительно высоки и зависят от скорости электродвигателя и его нагрузки. При постоянной нагрузке КПД увеличивается при увеличении скорости. Коэффициент мощности снижается при увеличении угла зажигания и тока нагрузки и, в общем случае ниже, чем в системе Г-Д в результате наличия значительной индуктивности цепи и высших гармонических составляющих.

Для расширения диапазона регулирования скорости электродвигателя в системе ТП-Д также применяется двухзонное регулирование.

2.10.3. Способы и схемы реализации реверсивной системы «Тиристорный преобразователь – двигатель»

Так как любой вентиль, в том числе и тиристор, является элементом с односторонней проводимостью, то необходимы специальные меры для реализации реверсивных приводов, которые требуются для большего числа рабочих механизмов.

Для осуществления реверса может быть применен один из следующих способов:

- изменение направления магнитного потока электродвигателя. В этом случае при неизменном направлении тока изменяется знак момента;

- изменение полярности напряжения на двигателе;

- применение двух групп вентилей, то есть фактически двух преобразователей для одного и другого направлений вращения двигателя.

Первый и второй способ намного дешевле третьего, но в первом случае велико время реверса из-за наличия большой индуктивности обмотки возбуждения двигателя, а во втором – из-за необходимости жесткой последовательности операций и наличии времени восстановления запирающих свойств тиристора. Поэтому, в подавляющем большинстве случаев применяется третий способ, то есть используются две реверсивные группы вентилей. Все существующие схемы реверсивных преобразователей можно объединить в две группы: перекрестные и встречно-параллельные. На рис.2.41 и рис.2.42 приведены перекрестные и встречно-параллельные схемы соответственно реверсивного электропривода: а – на базе нулевых, б – на базе мостовых схем. Если электрическая машина работает в двигательном режиме, то один комплект тиристоров работает в режиме выпрямления, а второй закрыт или подготовлен к инверторному режиму. Во втором случае для предотвращения передачи энергии первого преобразователя в сеть через второй необходимо, чтобы ЭДС Еdи второго комплекта была не меньше ЭДС Еdв первого, то есть

Еdи ³ Еdв. (2.93)

При работе электропривода в режиме рекуперации первый из комплектов работает в инверторном режиме, а второй заперт или подготовлен к работе в выпрямительном режиме. Здесь также должно соблюдаться условие (2.93).

Следовательно, углы зажигания реверсивных групп вентилей должны находиться в некотором взаимоотношении, которое определяется способом управления группами. Существуют совместный и раздельный способы управления.

При совместном управлении управляющие сигналы подаются на обе группы вентилей таким образом, чтобы соблюдалось условие (2.93). Но при этом существует разность мгновенных значений ЭДС групп вентилей за счет которой по цепи преобразователя протекают так называемые уравнительные токи, являющиеся паразитными. Для их уменьшения в цепь включаются уравнительные реакторы.

Взаимное расположение скоростных и механических характеристик зависит от способа согласования углов зажигания групп вентилей.

Если управление осуществляется на основании условия равенства нулю среднего уравнительного напряжения, то такое согласование называется линейным. Для его реализации необходимо, чтобы

aи +aв = p, (2.94)

где aи, aв – углы зажигания инвертора и выпрямителя соответственно.

Скоростные характеристики при этом способе согласования представлены на рис.2.43.

Рис.2.41. Реверсивные перекрестные схемы выпрямления

Рис.2.43. Скоростные характеристики двигателя при совместном, линейно согласованном, управлении группами вентилей

Характеристики линейны и не имеют зоны прерывистых токов. Основным недостатком линейного способа согласования является наличие уравнительных токов. Для их уменьшения применяется неполное или нелинейное согласование, когда

aи +aв = p - e. (2.95)

Обычно e изменяется в функции какого-либо параметра, чаще всего уравнительного тока, с целью его минимизации. При этом характеристики теряют свою линейность в области малых токов и имеют вид, приведенный на рис.2.44.

При раздельном управлении группами вентилей управляющий импульс подается только на работающий комплект вентилей при запертом неработающем комплекте. При этом возникает режим прерывистых токов, но отсутствуют уравнительные токи. Скоростные характеристики для этого случая приведены на рис.2.45.

При раздельном управлении группами вентилей нет необходимости применения уравнительных реакторов, более полно используются трансформаторы, уменьшаются потери и увеличивается КПД в результате отсутствия уравнительных токов. К недостаткам этого способа управления можно отнести некоторое увеличение времени реверса за счет паузы в управлении при реверсе.

Рис.2.44. Скоростные характеристики двигателя при совместном, нелинейно согласованном, управлении группами вентилей

Рис.2.45. Скоростные характеристики двигателя при

раздельном управлении группами вентилей

2.10.4. Общий обзор выпускаемых преобразователей напряжения

В настоящее время преобразователи напряжения для электроприводов постоянного тока чаще всего изготавливаются на базе тиристоров различной мощности (выпускаются преобразователи, где использованы транзисторы, но в основном для приводов с мощностью несколько ватт). Осуществляется выпуск преобразователей как серийного, так и индивидуального исполнения и зарубежными и отечественными фирмами.

В нефтегазодобывающей промышленности применение электроприводов постоянного тока ограничено, в основном, из-за трудностей, возникающих при их эксплуатации в реальных условиях Тюменского севера. Однако в последние годы АООТ «Электропривод» разработал и поставляет новую модификацию комплектного тиристорного электропривода постоянного тока мощностью 560 кВт для главных механизмов буровых установок БУ – 2900. В состав комплекта входят электродвигатели с тормозными устройствами и тиристорные преобразователи со шкафами управления. Поставка осуществляется в закрытых контейнерах, благодаря чему обеспечивается работа в любых климатических условиях, полная заводская готовность и повышенная транспортабельность при перемещении установки на новую точку бурения. Преобразователи спроектированы для работы в условиях питания от слабых электрических сетей и автономных электростанций. Причем в системе электропривода используется полностью отечественное оборудование и комплектующие изделия, в том числе специальные электродвигатели, изготовленные ОАО «Электросила».

Фирма «ABB Industry» выпускает преобразователи мощностью от 6 до 4900 кВт, с током от 25 до 5150 А при величине выпрямленного напряжения от 240 до 1200 В со следующими характеристиками:

- для преобразователей всех мощностей имеется реверсивное и нереверсивное исполнение;

- система управления является цифровой с использованием программных средств «Windows»;

- имеются системы предупредительной сигнализации и аварийных отключающих защит.

Шведское отделение этой фирмы поставило на одну из шахт тиристорный преобразователь мощностью 5600 кВт, который имеет систему микропроцессорного управления, обеспечивающую оптимальный режим работы.

Фирма «SIEMENS» начала выпуск преобразователей постоянного тока «SIMOREG DC-MASTER 6RA70» мощностью от 12 до 1650 кВТ с током 1900-2000 А при выпрямленном напряжении до 875 В. Эта серия имеет следующие особенности:

- модульное исполнение;

- возможность наращивания мощности, что достигается путем параллельного включения преобразователей;

- имеются микропроцессорные системы управления и регулирования, унифицированные для преобразователей всех мощностей;

- существует возможность подключения к системам управления более высокого уровня иерархии.

Отечественными фирмами также изготавливаются преобразователи в широком диапазоне мощностей.

ОАО «Уралэлектротяжмаш» (г.Екатеринбург) выпускает преобразователи напряжения в контейнерном исполнении мощностью до 1000 кВт.

ОАО «Электросила» (г.Санкт-Петербург) изготавливаются тиристорные электроприводы постоянного тока и в контейнерном и в обычном шкафном исполнении.

ОАО «Чебоксарский электроаппаратный завод» выпускает тиристорные преобразователи напряжения средней мощности в основном для электроприводов общепромышленных механизмов, металлорежущих станков и промышленных роботов. Это преобразователи серий ЭПУ и ЭПБ, которые имеют следующие характеристики:

- имеют реверсивное и нереверсивное исполнение;

- предназначены как для однозонного, так и для двухзонного регулирования скорости;

- в зависимости от наличия или отсутствия системы силовых защит выполняются больших или меньших габаритов;

- системы управления построены на базе микропроцессорной техники и

существует возможность их соединения с системами более высокого

уровня иерархии;

- выпускаемые преобразователи имеют мощности от 6 до 400 кВт.

Дата добавления: 2015-07-15