Система "тиристорный преобразователь-двигатель"

В автоматизированных электроприводах с широким диапазоном регулирования скорости система ТП-Д постоянного тока является в настоящее время преобладающей. На рис. 4.4 приведены схемы электропривода с тиристорными преобразователями, собранными по трехфазной нулевой схеме выпрямления.

Рис. 4.4. Схемы электроприводов с тиристорными преобразователями: а – трехфазный нулевой нереверсивный преобразователь; б – трехфазный нулевой реверсивный преобразователь

Применяемые в преобразователях тиристоры – полууправляемые полупроводниковые приборы. Они включаются по цепи управляемого электрода положительным импульсом управления, а выключаются тогда, когда анодный ток тиристораспадает ниже тока удержания (см. рис. 4.3, 6).

Управляющие импульсы подаются на тиристоры поочередно в моменты времени, зависящие от напряжения управления тиристорным преобразователем. Изменяя напряжение управления, можно менять угол α открытия тиристоров и, следовательно, регулировать действующее выпрямленное напряжение на нагрузке. Диаграммы напряжений на выходе нереверсивного нулевого тиристорного преобразователя приведены на рис. 4.5.

Рис. 4.5. Диаграммы напряжений на выходе нулевого тиристорного преобразователя в выпрямительном режиме

Тиристорный преобразователь работает в выпрямительном режиме при угле управленияэл.град. В пределах угла перекрытия γ два тиристора нулевой схемы выпрямления будут открыты одновременно и подключены к одной нагрузке – якорю двигателя. Мгновенное значение выпрямленного напряжения при этом снижается на полуразность мгновенных значений фазных напряжений. Как следует из рис. 4.5, тиристоры открыты и при отрицательных фазных напряжениях вторичной обмотки трансформатора TVI. Это возможно только в том случае, когда в цепи выпрямленного тока большая индуктивность и ток в цепи обмотки якоря поддерживается за счет ЭДС самоиндукции. При малой индуктивности якорной цепи двигателя тиристоры при отрицательных напряжениях на вторичной обмотке трансформатора 7У1 закрываются, а ток в якорной цепи прерывается. Для уменьшения зоны прерывистого тока в якорную цепь электродвигателя включают дополнительную индуктивность L.

При активной нагрузке на валу двигателя тиристорный преобразователь может перейти в инверторный режим работы. Перевод преобразователя из выпрямительного режима работы в инверторный происходит при увеличении угла управления а свыше 90 эл.град. В инверторном режиме работы преобразователя с трехфазной нулевой схемой выпрямления электрическая машина постоянного тока становится генератором, а тиристоры открываются при отрицательных значениях напряжения вторичной обмотки трансформатора TVI. При работе тиристорного преобразователя как в выпрямительном, так и в инверторном режимах ток через тиристоры протекает только в одном направлении.

Диаграммы напряжений на выходе нереверсивного нулевого тиристорного преобразователя при его работе в инверторном режиме приведены на рис. 4.6.

Рис. 4.6. Диаграммы напряжений на выходе нереверсивного нулевого тиристорного преобразователя при его работе в инверторном режиме

Среднее напряжение тиристорного преобразователя в режиме непрерывного тока может быть найдено из уравнения

 (4.2)

где – ЭДС тиристорного преобразователя, зависящая от схемы выпрямления; – эквивалентное активное сопротивление тиристорного преобразователя.

Электромеханическая и механическая характеристики электропривода ТП-Д в режиме непрерывного тока определяются выражениями:

 (4.3)

 (4.4)

Электромеханические характеристики нереверсивного электропривода, выполненного по схеме ТП-Д, приведены на рис. 4.7.

Характеристики расположены в первом и четвертом квадрантах правой декартовой системы координат, когда ток через двигатель протекает только в одном направлении. В четвертом квадранте электропривод работает за счег спускающегося груза при активной нагрузке на валу электродвигателя и инверторном режиме работы тиристорного преобразователя.

Пунктирной линией на рис. 4.7 ограничена зона прерывистого тока. В зоне прерывистого тока тиристорный преобразователь обладает дополнительным внутренним сопротивлением, которое в значительной степени уменьшает жесткость электромеханических характеристик.

Рис. 4.7. Электромеханические характеристики нереверсивного электропривода, выполненного по схеме "тиристорный преобразователь-двигатель"

Для того чтобы выполнить тиристорный электропривод реверсивным, работающим в четырех квадрантах, необходимо использовать две группы тиристоров, включив их встречно-параллельно. Схема реверсивного электропривода с нулевым тиристорным преобразователем напряжения приведена на рис. 4.4, б. Группы тиристоров работают в совместном согласованном режиме, причем тиристоры VS1 ,VS3, VS5 образуют одну группу, работающую в выпрямительном режиме, а тиристоры VS2, VS4, VS6 – другую группу, работающую в противоположном режиме, инверторном, причем

 (4.5)

где – угол управления группы тиристоров, работающих в выпрямительном режиме; – угол управления группы тиристоров, работающих в инверторном режиме.

Для другого направления вращения режимы работ групп тиристоров меняются, но условие (4.5) продолжает выполняться.

Мгновенные значения ЭДС выпрямительной и инверторной групп не равны между собой. Для уменьшения уравнительных токов, протекающих между группами тиристоров, в электропривод введены реакторы L1 и L2.

Электромеханические характеристики реверсивного электропривода ТП-Д с совместным согласованным управлением группами тиристоров приведены на рис. 4.8.

Рис. 4.8. Электромеханические характеристики реверсивного электропривода "тиристорный преобразователь-двигатель с совместным согласованным управлением группами тиристоров"

На практике применяются и другие схемы тиристорных преобразователей, например с бестрансформаторной мостовой схемой выпрямления (см. рис. 4.9). В этом случае тиристорные преобразователи получают питание через воздушные реакторы L1...L3. Сетевые реакторы L1...L3 уменьшают возможные искажения в питающей сети, создаваемые тиристорными преобразователями, и ограничивают скорость нарастания тока через открывающиеся тиристоры (эффект dI/dt ), а также ограничивают ток короткого замыкания в преобразователе на время срабатывания механических автоматов (на схеме не показаны).

Нереверсивный вариант схемы, содержащий только одну группу тиристоров VS1..VS6, приведен на рис. 4.9, а. Реверсивный вариант схемы с двумя мостовыми тиристорными преобразователями VS1...VS6 и VS7...VS12, включенными встречно-параллельно, приведен на рис. 4.9, б. В данной схеме работает всегда только одна группа тиристоров, например VSI...VS6, другая группа – VS7...VS12 – закрыта или наоборот. При подаче отпирающих импульсов на обе группы тиристоров произойдет короткое замыкание. Такое управление группами тиристоров называется раздельным управлением. Выбор для работы той или иной группы тиристоров зависит от необходимого направления вращения двигателя. За переключением групп тиристоров следит логическое переключающее устройство, которое разрешает включение последующей группы только после выключения предыдущей, по истечении некоторого времени, связанного с полным закрытием тиристоров в группе, выходящей из работы.

Рис. 4.9. Схемы электроприводов с тиристорными преобразователями: а – трехфазный мостовой нереверсивный преобразователь; б – трехфазный мостовой реверсивный преобразователь

Электромеханические характеристики нереверсивного электропривода с мостовым выпрямителем аналогичны характеристикам, приведенным на рис. 4.7, однако в случае применения мостового преобразователя зона прерывистых токов уменьшается.

Электромеханические характеристики реверсивного электропривода с мостовым выпрямителем и раздельным управлением группами тиристоров приведены на рис. 4.10.

Рис. 4.10. Электромеханические характеристики реверсивного электропривода с мостовым выпрямителем и раздельным управлением группами тиристоров

Системы "тиристорный преобразователь-двигатель" позволили:

• • расширить диапазон регулирования скорости в замкнутых системах до;
• • обеспечить плавное регулирование скорости;
• • получить необходимую жесткость механических характеристик 
• • обеспечить высокий КПД –" 0,95.

Одним из основных недостатков электроприводов с тиристорными преобразователями является низкий коэффициент мощности. Можно приближенно считать, что

Таким образом, если электропривод будет продолжительное время работать с низкими скоростями, то он будет работать и с низким коэффициентом мощности.

Мощные тиристорные преобразователи вносят искажения в форму напряжения питающей сети.

Несмотря на отмеченные недостатки, системы ТП-Д получили наибольшее распространение в конце XX века среди автоматизированных электроприводов с большим диапазоном регулирования скорости. В настоящее время они преобладают в промышленных установках.