7. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЭНЕРГИИ ПРИВОДОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Создание преобразователя энергии в приводе переменного тока представляет весьма трудную техническую задачу, не получившую до сих пор окончательного решения. Объясняется это тем, что приходится преобразовывать энергию промышленных источников напряжений в энергию источников, регулируемых по частоте и напряжению (току). Преобразователь энергии может быть выполнен на базе вращающихся электромеханических элементов (электромашинные преобразователи энергии) или с использованием элементов электроники (статические преобразователи энергии).

Электромашинные преобразователи энергии. В электромашинных преобразователях энергия промышленного источника напряжения преобразуется сначала в механическую энергию вращающегося вала, а затем в электрическую энергию источника регулируемой частоты и напряжения. В приводах переменного тока используют электромашинные преобразователи двух групп.

Энергия промышленного источника напряжения в преобразователях первой группы превращается в энергию вала, вращающегося с постоянной скоростью. Дальнейшее преобразование энергии ведется с помощью коллекторного генератора частоты, устанавливаемого на вращающемся валу. Такой преобразователь энергии аналогичен электромашинному усилителю (ЭМУ), применяемому в приводах постоянного тока.

Энергия промышленного источника в преобразователях второй группы превращается сначала в энергию вала, частота вращения которого регулируется, а затем преобразование энергии ведется с помощью синхронного или асинхронного генераторов, соединяемых с вращающимся валом.

Электромашинные преобразователи энергии находят основное практическое применение в нереверсивных приводах с частотным управлением, предназначенных для использования в разомкнутых системах регулирования скорости большого числа согласованно работающих механизмов, например веретен крутильных и прядильных машин текстильной промышленности, роликов рольгангов прокатных станов металлургической промышленности и т. д. [20]. Электромашинные преобразователи достаточно громоздки, имеют невысокий к. п. д. и малое быстродействие. По этим причинам они не получили широкого промышленного применения.

Рис. IV. 15. Функциональная схема однофазного преобразователя энергии для частотного управления

Статические преобразователи энергии. В настоящее время уделяется большое внимание статическим преобразователям энергии, которые могут быть выполнены на таких элементах, как, например, ионные приборы, транзисторы, тиристоры (управляемые диоды) и магнитные усилители. Особенно перспективными элементами являются тиристоры, на базе которых могут быть созданы статические преобразователи энергии мощностью в несколько десятков и сотен киловатт. Тиристоры и транзисторы работают в схемах преобразователей в качестве полупроводниковых ключей и обеспечивают высокий к. п. д.

Устройство и принцип действия статических преобразователей для частотного и частотно-токового управления рассмотрим на примерах преобразователей для питания однофазной нагрузки. Число однофазных преобразователей в приводе определяется числом фаз электродвигателя. На рис. IV. 15 и IV. 16 даны функциональные схемы однофазных преобразователей энергии для частотного и частотно-токового управления соответственно, которые предназначены, например, для питания фазы А электродвигателя (см. § 3 и 4 настоящей главы).

Основным элементом преобразователей является силовой усилитель напряжения (УН), который питается от промышленного источника

питания (ИП) [7], [19], [22]. УН управляется напряжением поступающим с выхода сравнивающего элемента через схему формирования формирующую сигналы управления силовыми элементами (например, тиристорами) УН. На СЭ поступает сигнал управления являющийся входным для одной фазы преобразователя энергии. В установившихся режимах работы привода сигнал является синусоидальным напряжением круговой частоты . В приводе с частотным управлением величина этого сигнала определяет величину фазового напряжения электродвигателя , а величина фазового тока определяется величиной эквивалентного сопротивления фазы электродвигателя

В приводе с частотно-токовым управлением сигнал определяет фазовый ток электродвигателя во всех режимах работы, а необходимое напряжение на фазе электродвигателя формируется автоматически в зависимости от сопротивления фазы Вследствие этого, схемы рис. IV. 15 и IV. 16 отличаются друг от друга.

Рис. IV. 16. Функциональная схема однофазного преобразователя энергии для частотно-токового управления

В схеме рис. IV. 15 в СЭ поступает напряжение некоторой высокой постоянной частоты от вспомогательного генератора В схеме рис. IV. 16 в поступает напряжение обратной связи образуемое на выходе измерителя тока (ИТ), который преобразует мгновенное значение тока нагрузки в мгновенное значение напряжения с коэффициентом преобразования Благодаря обратной связи по току в схеме рис. IV. 16 соблюдается связь между сигналом и током

В силовых цепях приводов с частотным управлением (рис. IV.3) тоже применяются измерители тока, но они используются для получения сигнала, пропорционального э. д. с. электродвигателя, и для ограничения тока нагрузки в переходных режимах работы привода. Рассмотрим некоторые общие вопросы работы преобразователей энергии, показанных на рис. IV. 15 и IV. 16. Усилитель напряжения должен не только обеспечивать потребление энергии, но и возвращение ее обратно в ИП. Это требование предъявляется к УН не из желания улучшить энергетические показатели привода, например к. п. д. Оно диктуется в первую очередь необходимостью рекуперативного торможения электродвигателя, что важно для получения высоких показателей качества регулирования при использовании привода в замкнутых

системах регулирования. Возможность рекуперации положительно сказывается и на надежности работы УН, так как в противном случае в схеме будут возникать напряжения, не предусмотренные номинальным режимом работы привода, что приведет к выходу из строя элементов усилителя. УН могут питаться от промышленных источников постоянного напряжения и от источников переменного напряжения с частотами, например 50 и 400 Гц.

При питании от сети постоянного напряжения используются УН с принудительной коммутацией силовых элементов [19], [22]. УН питающиеся от сети переменного тока, разделяются на два типа. Первый тип усилителей непосредственно преобразует переменное напряжение постоянной частоты в переменное напряжение регулируемой частоты — усилители с непосредственным преобразованием. Для обеспечения режима рекуперации силовые элементы усилителя, например тиристоры, должны работать в инверторном режиме. На практике, при питании усилителей первого типа от промышленных источников частоты 400 Гц из-за наличия значительного индуктивного сопротивления этих источников трудно обеспечить надежную работу тиристоров в инверторном режиме. При питании же усилителей первого типа от мощной промышленной сети 50 Гц диапазон регулируемых частот усилителя оказывается малым Гц) и не всегда пригодным для решения целого ряда практических задач.

В усилителях второго типа, питающихся от сети переменного напряжения, преобразование идет в две ступени — сначала переменное напряжение выпрямляется, а затем постоянное напряжение преобразуется в переменное регулируемой частоты. Эти усилители — усилители с промежуточной цепью постоянного напряжения — состоят из двух устройств: выпрямителя и усилителя с принудительной коммутацией силовых элементов [7], [22]. УН второго типа представляются более перспективными по следующим причинам. Во-первых, их можно питать от мощной сети частотой 50 Гц, что облегчает решение задачи инвертирования. Во-вторых, верхний предел регулируемых частот получается значительным (50 Гц и более) ввиду применения усилителя с принудительной коммутацией при питании от постоянного напряжения. УН с принудительной коммутацией используется в основном в таком режиме работы, когда включение и выключение силовых элементов усилителя любой фазы электродвигателя может осуществляться многократно за время периода круговой частоты и независимо от включения и выключения силовых элементов усилителей других фаз. В этом случае при питании усилителя постоянным нерегулируемым напряжением за счет изменения отношения времен нахождения силовых элементов во включенном и выключенном состояниях можно регулировать величину и обеспечивать требуемую форму тока нагрузки.

Все рассмотренные УН по принципу работы являются импульсными. В усилителях с непосредственным преобразованием переменного напряжения на нагрузку поступают широтно-модулированные импульсы, представляющие собой части синусоид напряжения источника питания. В усилителях с принудительной коммутацией на нагрузку

поступают прямоугольные широтно-модулированные импульсы, величина которых определяется величиной постоянного напряжения источника питания. В схеме рис. IV. 15 при использовании усилителя с непосредственным преобразованием генератор Г вырабатывает, например, пилообразное напряжение частоты питающей сети, которое сравнивается с напряжением в СЭ. На выходе СЭ получим широтно-модулированные прямоугольные импульсы, с помощью которых СФ вырабатывает сигналы управления силовыми элементами УН и задает широтную модуляцию напряжения на выходе УН. Если используется УН с принудительной коммутацией, то, поскольку частота напряжения, питающего УН, равна нулю, генератор Г настраивают на некоторую заданную частоту.

В схеме рис. IV. 16 формирование широтно-модулированных напряжений на выходе УН происходит иначе. Рассмотрим это на примере УН с принудительной коммутацией.

Различают два вида статических преобразователей для частотнотокового управления:

а) преобразователи без зоны нечувствительности по сигналу управления и (преобразователи, непрерывно переключающиеся при всех значениях сигнала в том числе и при этот вид преобразователей используется в приводах, к которым предъявляются высокие требования по качеству регулирования;

б) преобразователи с зоной нечувствительности по сигналу управления т. е. преобразователи, переключающиеся только при достижении сигналом на их входе определенной величины; этот вид преобразователей используется в приводах с менее жесткими требованиями к качеству регулирования, зато он обеспечивает малое потребление мощности приводом при нулевом сигнале на входе привода, что бывает важно для специальных объектов. В непрерывно переключающихся преобразователях, если разность достигает некоторой величины то УН переключается таким образом, что происходит увеличение (нарастание) тока в нагрузке Если разность достигает значения — то УН переключается так, что происходит уменьшение (спад) тока. Величине соответствует определенная величина приращения тока в нагрузке:

Благодаря обратной связи ток в нагрузке определяется величиной отличаясь от задаваемого значения на величину, не большую Следовательно, ток в нагрузке преобразователя имеет две составляющие: основную величина которой строго соответствует входному сигналу

и пульсирующую составляющую максимальное значение которой определяется выражением (IV.30). Частота переключений силовых элементов усилителя зависит от величины индуктивности в цепи нагрузки, от величины и от величины напряжения на нагрузке.

Преобразователь с зоной нечувствительности по входному сигналу может быть разработан, например, со следующими параметрами и логикой переключения силовых элементов. Если входной сигнал меньше некоторой величины напряжения то силовые элементы усилителя закрыты и ток в нагрузке не протекает. Если входной сигнал равен или больше величины силовые элементы включаются так, что происходит увеличение тока в нагрузке и появляется напряжение Когда разность А и станет равной силовой усилитель переключается так, что произойдет уменьшение тока и т. д.

Из описания работы схем рис. IV. 15 и IV. 16 следует, что в преобразователе для частотного управления силовые элементы УН переключаются с постоянной частотой промышленной сети или генератора Г, а в преобразователе для частотно-токового управления с переменной частотой. Это обстоятельство является достоинством преобразователей для частотно-токового управления, так как позволяет проектировать их при минимально возможной частоте переключений силовых элементов, т. е. с малыми потерями мощности в преобразователе [19].

Рис. IV. 17. Переключатель тока с нелинейными дросселями

Ниже более подробно будут рассмотрены преобразователи энергии для питания однофазной нагрузки, в которых применяются УН на тиристорах с принудительной коммутацией при питании от источника постоянного напряжения, а также УН на магнитных усилителях при питании от источника переменного напряжения. Так как преобразователь энергии состоит из отдельных элементов, например то сначала рассмотрим устройство и работу этих элементов.

Усилитель напряжения. Усилитель напряжения на тиристорах для питания реверсивной однофазной нагрузки выполняют по мостовой схеме, в которой в качестве двух смежных по нагрузке плеч моста используется реверсивный переключатель тока.

На рис. IV. 17 показан переключатель тока, который может быть использован в преобразователях энергии как для частотного, так и для частотно-токового управления. Рассмотрим работу этого переключателя тока. Управляемый диод (тиристор) обеспечивает подключение нагрузки к плюсу источника постоянного напряжения через диод нелинейный дроссель и измеритель тока обеспечивает подключение нагрузки к минусу источника напряжения через аналогичные элементы Перед началом работы переключателя сердечники нелинейных дросселей перемагничиваются в исходные состояния током, задаваемым в их вторичных обмотках источником питания с помощью резистора

Пусть, например, необходимо задать в нагрузке ток протекающий от плюса источника напряжения. Для этого подается

импульс управления на Когда откроется, напряжение источника питания поступит на дроссель перемагничивая его сердечник из исходного состояния в рабочее. После полного перемагничивания сердечника (т. е. насыщения) индуктивное сопротивление станет малым и ток нагрузки начнет нарастать.

Пусть теперь, когда ток нагрузки достигнет значения требуется установить ток Для этого необходимо подать импульс управления на . С момента открывания тиристора начинается колебательный процесс в коммутационном контуре, состоящем из конденсатора С и дросселя который длится всего один период; во время второй полуволны тока закрывается и колебательный процесс прерывается [19]. В то время, когда оба тиристора оказываются открытыми, напряжение источника питания поступает на первичную обмотку дросселя сердечник которого начинает перемагничиваться из исходного состояния в рабочее. Пока сердечник перемагничивается, индуктивное сопротивление велико и потому не происходит короткого замыкания источника напряжения через открытые тиристоры. Выбор параметров производится таким образом, чтобы время полного перемагничивания его сердечника было в раза больше времени работы коммутационного контура. После того, как тиристор закроется, ток нагрузки начинает уменьшаться, протекая по цепи: диод дроссель — нагрузка, перемагничивая сердечник При этом ток нагрузки трансформируется во вторичную обмотку и через диод поступает источник напряжения. К моменту, когда ток нагрузки уменьшится до значения тиристор оказывается закрытым напряжением на диоде Если необходимо, чтобы ток нагрузки снова начал нарастать, то при опять открывают тиристор . С этого момента ток нагрузки снова начнет увеличиваться, а сердечник дросселя будет продолжать перемагничиваться теперь уже под действием тока в цепи резистора . К моменту времени, когда выполнится равенство и потребуется включить тиристор чтобы закрыть сердечник дросселя будет перемагничен. Следовательно, когда откроется, короткого замыкания источника напряжения не произойдет. После этого переключатель тока работает аналогично описанному выше. Величина напряжения перемагничивания сердечников дросселей и определяется соотношением витков их первичной и вторичной обмоток, а время перемагничивания определяется по формуле

где — коэффициент, показывающий во сколько раз время запирания тиристора меньше периода колебаний коммутационного контура, обычно выбирают — коэффициент трансформации дросселей и обычно выбирают

Время не должно превышать времени между двумя последовательными включениями коммутационного контура. В преобразователе без зоны нечувствительности коммутационный контур включается каждый раз при открывании любого из тиристоров

переключателя тока. В преобразователе с зоной нечувствительности коммутационный контур включается только при открывании какого-либо одного из тиристоров. Теоретические и практические исследования показывают, что при выбранном времени и при прочих равных условиях преобразователь без зоны нечувствительности будет иметь выходную частоту в 4 раза меньше выходной частоты преобразователя с зоной нечувствительности [19].

Рассмотренный переключатель тока является помехозащищенным: если один тиристор проводит ток, а на другой тиристор приходит импульс помехи, то кратковременное открывание этого тиристора вызовет лишь внеочередной колебательный процесс в коммутационном контуре.

Рис. IV. 18. Переключатель тока с дополнительными тиристорами

Рис. IV. 19. Измеритель тока

На рис. IV. 18 показан переключатель тока, в котором функции нелинейных дросселей переключателя (см. рис. IV. 17) выполняют дополнительные тиристоры Поскольку время закрывания тиристоров значительно меньше времени, необходимого для перемагничивания в исходные состояния сердечников дросселей переключатель, показанный на рис. IV. 18, является более быстродействующим. Однако у этого переключателя схема формирования сложнее, чем у рассмотренного.

Измеритель тока. На рис. IV. 19 показана схема измерителя тока нагрузки, который имеет постоянный коэффициент передачи в широком диапазоне частот изменения тока на входе измерителя. Измерение низкочастотных составляющих (включая постоянную) тока нагрузки производится с помощью дифференциального дроссельного магнитного усилителя, выполненного на четырех сердечниках. Магнитный усилитель нагружен на диодные мосты, включенные последовательно и встречно со стабилитронами. Он формирует ток определяемый током нагрузки , который воздействует на усилитель через обмотку обратной связи в цепи тока нагрузки. Для измерения

высокочастотных составляющих тока нагрузки используется дроссель Др, первичная обмотка которого включается в цепь тока Дроссель Др является сглаживающим. Напряжение со вторичной обмотки дросселя через два резистора с величиной сопротивления подается на выход магнитного усилителя. Для получения требуемой передаточной функции измерителя тока в его схеме использованы два резистора с величиной сопротивления и конденсатор С. Ток на выходе измерителя может быть определен в виде двух составляющих:

где — возникает за счет тока — создается напряжением

Если рассматривать магнитный усилитель как источник тока, дроссель Др — как источник напряжения, а входное сопротивление сравнивающего элемента принять равным нулю, то можно записать:

где

— индуктивность дросселя Др;

— коэффициент трансформации напряжения от первичной обмотки ко вторичной дросселя Др.

После подстановки выражений (IV.33) и (IV.34) в уравнение (IV.32) получим

откуда следует, что при выполнении условия

ток будет связан с током через коэффициент, не зависящий от частоты.

На практике в преобразователях для частотно-токового управления описанный измеритель тока играет одновременно и роль сравнивающего элемента. Магнитный усилитель имеет управляющую обмотку в которую задается входной ток соответствующий требуемому напряжению . В этом случае ток будет характеризовать собой разность требуемого тока и тока нагрузки и будет входным сигналом для схемы формирования (см. рис. IV. 16). Поступая строго, ток нужно было бы подавать на вход схемы сравнения переключателя тока. Однако в этом случае в измерителе токов пришлось бы иметь значительную линейную зону на выходе, что привело бы к большим потерям мощности в этом элементе. Подача входного тока в обмотку магнитного усилителя приводит к запаздыванию сигналов в канале управления током, поэтому величина емкости конденсатора С не должна быть большой. Описанный измеритель тока является универсальным. В частных случаях возможно использование измерителя

тока, выполненного на специальных трансформаторах тока [7], [18], [19].