Студопедия Главная Случайная страница Обратная связь

Разделы: Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Общие принципы построения и типы систем управления




 

Наиболее эффективным способом ограничения уравнительного тока является раздельное управление вентильными группами. В электроприводах с раздельным управлением импульсы в любом режиме работы электропривода подаются только на одну группу вентилей реверсивного преобразователя, и ток протекает только через эту группу. Так как другая группа вентилей при этом заперта, то тем самым, полностью исключается возможность возникновения уравнительных токов, и в электроприводах с раздельным управлением не требуется установка уравнительных дросселей. Это позволяет значительно сократить объем реверсивного преобразователя и примерно в (2¸4) раза его массу.

Структурная схема реверсивного вентильного электропривода с раздельным управлением приведена на рис 55:

 

Важнейшей составной частью системы управления этих электроприводов является логическое переключающее устройство- ЛПУ. Это устройство на основании сопоставления командных сигналов (Uз ) и сигналов обратных связей ( Uо.н.), характеризующих действительное состояние электропривода, дает разрешение на включение тиристоров той из реверсивных групп, которая должна пропускать ток, и вырабатывает запрещающий сигнал Uз.в. (Uз.н.) , который не допускает подачи управляющих импульсов на тиристоры неработающей группы. Последнее условие должно строго выполняться, т.к. из-за отсутствия уравнительных дросселей при одновременном включении тиристоров в реверсивных группах ТПВ и ТПН возникает междуфазное короткое замыкание.

По этой же причине не допустима подача включающих импульсов на группу, вступающую в работу, до тех пор, пока не прекратится протекание тока через группу, заканчивающую работу. В связи с этим в системе управления должна быть предусмотрена токовая блокировка, работающая от датчика тока ДТ. Последний контролирует снижение тока до нуля в группе, заканчивающей работу. Поскольку датчики тока обладают конечным порогом чувствительности, то необходима пауза между моментом отключения одной группы и моментом включения противоположной, за время которой ток заканчивающей работу группы должен упасть до нуля, а вентили восстановить запирающие свойства. Длительность бестоковой паузы обычно составляет (3¸10) миллисекунд.

Таким образом, для предотвращения аварийных режимов системы управления тиристорных электроприводов с раздельным управлением должны работать предельно четко и надежно и обеспечивать строгое выполнение следующих условий:

1. Недопустимость одновременной подачи управляющих импульсов на обе выпрямительные группы;

2. Поддержание подачи управляющих импульсов на тиристоры инверторной группы при наличии тока в ней;

3. Запрет включения одной выпрямительной группы при наличии тока в другой;

4. При переключении групп должна обеспечиваться “аппаратная пауза”, в течение которой снимаются управляющие импульсы с обеих групп.

В зависимости от требуемого направления вращения и уровня скорости, задаваемых командным органом, и действительного направления вращения и величины фактической скорости двигателя и направления момента нагрузки производственной машины система управления должна подключать ту или иную группу преобразователя и устанавливать необходимую величину угла управления вентилей. Выбор работающей группы осуществляет ЛПУ.

Существуют несколько систем реализации раздельного управления вентильными группами. Среди них наибольшее применение находят два способа раздельного управления:

1. Управление, осуществляющее выбор работающей группы в функции знака сигнала рассогласования заданной частоты вращения двигателя и ее фактического значения;

2. Система самонастройки (система “сканирующей логики”).

 

3.6.5.2. Системы, работающие в зависимости от знака сигнала рассогласования.

 

Один из возможных вариантов реализации такой системы приведен на структурной схеме (рис 55).

На входы ЛПУ подаются два сигнала:

1. Сигнал наличия тока преобразователя;

2. Сигнал “ошибки” замкнутой системы автоматического регулирования. Сигнал, обозначенный пунктирной линией, - один из возможных вариантов подачи сигнала “ошибки” на ЛПУ. Этот вариант будет рассмотрен; он интересен в методическом плане. Будет доказана его несостоятельность.

dUвх = Uз - Uо.н. (3-54)

где: Uз - задающее напряжение. Оно задает направление вращения и уровень частоты вращения.

Uо.н. - напряжение обратной связи, характеризующее действительное направление вращения и величину частоты вращения.

Изменение состояния выходов ЛПУ, т.е. разрешение (сигнал) на переключение вентильных групп, наступает только в том случае, если:

1. Ток работающей группы стал равен нулю;

2. Произошла смена полярности сигнала “ошибки”.

Связь между знаком сигнала рассогласования и работающей группой для электроприводов со структурной схемой (рис 55) можно установить из рассмотрения таблицы (Табл. 1). В этой таблице дается состояние отдельных элементов электропривода с раздельным управлением для наиболее характерных режимов работы.

Таблица 1. Состояние отдельных элементов реверсивного тиристорного ЭП для характерных режимов работы.

В- вращение “вперед”; Н- вращение “назад”- колонка №2.

В- выпрямительный; И- инверторный; Д- двигательный;

Т- тормозной режимы - колонка №5.

При составлении таблицы принято, что электропривод имеет замкнутую систему управления, и что вращению двигателя в направлении “Вперед” (В) соответствует положительное значение задающего напряжения Uз , получаемого с командного органа.

Из анализа таблицы видно, что состояние логического переключающего устройства, определяющее выбор той или другой реверсивной группы, а следовательно, и направление тока и момента двигателя, однозначно связано с полярностью напряжения, подаваемого на вход усилителя системы управления,

dUвх = Uз - Uо.н. (3-55)

т.е. включению группы “Вперед” соответствует положительное значение dUвх , работе группы “Назад” - отрицательное.

Эта возможность и используется в электроприводе рассматриваемого типа.

Существует большое количество различных схем и конструкций логических переключающих устройств ЛПУ. Действие ЛПУ, применяемых в подобных схемах, основано на использовании изменения полярности сигнала ошибки регулирования при необходимости переключения групп и контроле наличия тока преобразователя. Оно должно выполнять все перечисленные ранее условия нормального функционирования электропривода. Рассматривать какие- либо конкретные схемы ЛПУ не имеет смысла из-за многочисленности их вариантов.

Безаварийная работа преобразователя в большой степени зависит от надежности действия датчика нулевого тока, сигнал с которого поступает на один из входов ЛПУ. От чувствительности датчика тока зависит время бестоковой паузы.

К датчику нулевого тока предъявляются следующие основные требования:

1. Высокое быстродействие;

2. Высокая чувствительность;

3. Потенциальная развязка силовой цепи преобразователя от цепей управления;

4. Способность насыщаться при больших токах преобразователя.

Существует большое количество типов датчиков нулевого тока. Простейшие из них основаны на использовании обычных трансформаторов тока, первичная обмотка которых включена в цепь питания ТП со стороны переменного тока, и полупроводниковых диодов, выпрямляющих вторичный ток.

В последнее время все чаще в качестве датчиков нулевого тока используются датчики состояния тиристоров. При снижении тока до нуля тиристоры, пропускавшие этот ток, запираются и между анодом и катодом тиристоров появляется напряжение. Если на всех тиристорах вентильной группы есть напряжение того или иного знака, следовательно, ток в этой группе отсутствует и при высоком быстродействии прохождения сигнала бестоковая пауза может быть минимальной (до 3-х миллисекунд).

Для получения безлюфтного сопряжения характеристик двигательного и тормозного режимов и предотвращения больших толчков тока при переходе от выпрямительного режима к инверторному, осуществляемому вторым комплектом вентилей, (или при обратном переходе), напряжение вновь вступающей в работу реверсивной группы в момент переключения должно быть согласовано по величине и направлению с ЭДС двигателя.

Если в системе управления не предусмотреть устройств для выполнения этого условия, то может возникнуть ряд нежелательных явлений.

Если, например, систему управления углами a1 и a2 реверсивных групп выполнить так же, как и для систем совместного управления с одним реверсивным усилителем, воздействующим на СИФУ обеих реверсивных групп, и установить угол начального согласования фазовых характеристик равным 90° (этот вариант показан на рис 55 пунктиром), то переход из двигательного режима в тормозной при изменении знака момента нагрузки (например, при движении в стволе порожних сосудов с тяжелым канатом) будет происходить неудовлетворительно.

Пусть в схеме (рис 55) применена обратная связь по напряжению и при нулевом сигнале на вход усилителей “УВ” и “УН” угол управления обеих групп равен 90° и их фазовые характеристики согласованы по линейному закону. (Выше было показано, что в схемах с совместным управлением подобное согласование обеспечивает практически безлюфтовое сопряжение характеристик).

В целях упрощения не будем учитывать прерывистость тока в области малых нагрузок и примем, что общий передаточный коэффициент системы постоянен.

Переход привода из двигательного режима в тормозной проследим по диаграммам. (Рис 56).

Проследим изменение величин Uя и Ed при перемещении подъемного сосуда в стволе с какой- то точки нижнего положения (т.S1) до точки равновесия в середине ствола (т.S7), а также изменение Uо.н. и dUвх при том же перемещении:

При движении от т.1 до т.2 величина рассогласования dUвх 1, воздействуя на ТПВ через усилитель УВ, систему управления СИФУ -В, обеспечивает ЭДС этого преобразователя Ed1. По мере приближения к точке равновесия величина рассогласования снижается и система автоматического регулирования, реагируя на это изменение (dUвх ), изменяет величину ЭДС ТПВ.

Рассмотрим работу системы на двух участках пути: 1) когда поднимающийся сосуд находится в нижней части шахтного ствола и двигателю приходится развивать значительный момент, связанный с неуравновешенностью концов каната двух подъемных сосудов, и 2) когда движущийся вверх подъемный сосуд приближается к точке равновесия (к середине ствола) и момент статической нагрузки на двигатель- незначителен.

Предположим, что чувствительность системы регулирования чрезвычайно низка и для снижения рассогласования до величины dUвх 2 ,система “заметила” это уменьшение входного сигнала и отреагировала на него, снизив ЭДС ТПВ до величины Ed2. Уменьшение ЭДС преобразователя влечет уменьшение тока двигателя, вращающего момента, частоты вращения и напряжения Uя Рассогласование увеличивается и в т.3 система реагирует на него, повышая ЭДС преобразователя (Ed3).

По мере движения подъемного сосуда в стволе и приближения его к точке равновесия “замечаемое” рассогласование dUвх уменьшается и снижение ЭДС ТПВ становится все более глубоким.

На участке пути вблизи области равновесия из-за малой величины dUвх ЭДС ТПВ становится меньше ЭДС двигателя, вентили этой группы запираются встречной ЭДС якоря двигателя и группа ТПВ не участвует в регулировании частоты вращения.

Если переключение групп вентилей (с ТПВ на ТПН) осуществлять при смене знака dUвх, окажется, что в момент переключения напряжение на якоре двигателя полное, а на ТПН равно нулю. Наступит режим короткого замыкания. Для исключения этого режима и получения безлюфтового сопряжения характеристик необходимо, чтобы сигнал управления переключающим устройством (dUЛПУ) менял знак при меньшем напряжении двигателя еще не доходя до точки равновесия. Это достигается введением в схему звена “УЛ”, передаточный коэффициент которого меньше единицы. Согласование работы реверсивных групп должно быть не стандартным “симметричным”, а характеристики должны быть “подогнаны” одна к другой, что может быть обеспечено использованием для каждой группы вентилей отдельных СИФУ, каждая из которых управляется от своего нереверсивного усилителя (УВ и УН).

Действие корректирующего устройства УЛ основано на том, что на вход ЛПУ подается не разность задающего напряжения Uз и напряжения обратной связи (dUвх), а преобразованные сигналы. На вход ЛПУ подается разность выходного напряжения корректирующего устройства УЛ и напряжения обратной связи. Корректирующее устройство УЛ представляет собой преобразователь, в котором выходное напряжение составляет к/(к+1) от входного, т.е. устройство, понижающее напряжение.

Системы управления, вырабатывающие сигнал на переключение реверсивных групп в зависимости от сигнала рассогласования работают в большинстве случаев достаточно четко и надежно, но не свободны и от некоторых недостатков:

1. Усложнение связей электропривода и преобразователя при необходимости получения безлюфтового сопряжения характеристик двигательного и тормозного режимов;

2. Возможность ложных переключений при высоких значениях коэффициента усиления из-за действия случайных помех.

 

3.6.5.3. Системы самонастройки или сканирующей логики.

 

Работа систем самонастройки основана на автоматическом “поиске” группы, в которой существуют условия для протекания тока нагрузки. Известно довольно большое количество различных модификаций самонастраивающихся систем раздельного управления.

Структурная схема реверсивного вентильного электропривода с одной из более простых систем самонастройки показана на рис 57а. На рисунке 57б приведены диаграммы, поясняющие ее работу.

 

Рис 57 б)

 

Переключения реверсивных групп осуществляются с помощью блока реверса БР, состоящего из логического переключающего устройства ЛПУ и мультивибратора МВ. Работа ЛПУ происходит, в основном, так же, как и в ранее рассмотренной схеме. Отличие состоит лишь в том, что на его переключающий вход здесь поступает не сигнал рассогласования, а знакопеременное напряжение от внешнего источника- мультивибратора МВ.(В качестве источника переменного переключающего напряжения Uпер иногда используется питающая сеть 50 Гц).

При отсутствии тока в преобразователе, мультивибратор работает в режиме автоколебаний и ЛПУ непрерывно переключается, периодически выдавая запрещающие сигналы Uз.в и Uз.н на соответствующие группы вентилей, разрешая, тем самым, попеременно работать то одной, то другой. Период переключающего устройства обычно составляет (5¸20)мс. Время включенного состояния каждой группы tв (tн ) меньше полупериода переключающего напряжения на величину аппаратной паузы dtн.

Подобный режим может иметь, например, место, если управляющее напряжение UУ , поступающее с выхода усилителя “У” равно нулю, угол управления обеих вентильных групп равен 90° (или более, в зависимости от начального угла рассогласования), а двигатель неподвижен (интервал времени 0 - t1).

Если подать команду на пуск двигателя в направлении “Вперед”, то под действием напряжения управления UУ угол управления группы ТПВ aв уменьшится, а угол управления группы ТПН увеличится. Тогда при очередном включении группы “Вперед” в ней возникнет ток, и двигатель начнет разгоняться в направлении “Вперед”. Одновременно с этим с датчика тока ДТ на мультивибратор и ЛПУ будет подан сигнал токовой блокировки Ui , который запретит дальнейшее переключение как мультивибратора, так и ЛПУ. Тем самым будет зафиксирована работа группы “Вперед” и заблокирована работа группы “Назад”. Это состояние будет сохраняться на протяжении всего времени протекания тока в группе “Вперед” (интервал t1- t2).

Если за счет уменьшения управляющего напряжения UУ будет подана команда на снижение частоты вращения (момент времени t2), то угол управления группы ТПВ увеличится, а группы ТПН - уменьшится. ЭДС группы “Вперед” сделается меньше ЭДС двигателя, и ток якоря начнет снижаться. После снижения последнего до значения тока удержания iуд снимется токовая блокировка с мультивибратора, последний переключится в противоположное состояние, и на ранее работавшую группу с ЛПУ поступит запрещающий сигнал Uз.в . По истечение времени аппаратной паузы dtн, необходимой для снижения тока от значения тока удержания iуд до нуля, снимется запрещающий сигнал Uз.н с группы ТПН (момент времени t3). Если при этом ЭДС этой группы окажется меньше ЭДС двигателя, то через группу “Назад” потечет ток и вновь вступит в действие токовая блокировка. Последняя на этот раз зафиксирует работу группы “Назад” и запретит переключение мультивибратора и ЛПУ в противоположное состояние до тех пор, пока будет существовать ток в этой группе. Если управляющее напряжение будет изменяться в прежнем направлении, то двигатель вначале будет тормозиться в режиме рекуперативного торможения, а затем, после изменения полярности управляющего напряжения начнет разгоняться в противоположном направлении.

В системе самонастройки переключения групп начинается при любой частоте вращения и любом направлении вращения двигателя после снижения тока до нуля. Поэтому, если при снижении величины “ошибки” dUвх ЭДС работающей вентильной группы ТПВ окажется ниже ЭДС двигателя, и ток снизится до нуля, то сразу же автоматически, независимо от того, изменился знак dUвх, или нет, произойдет переключение групп, и двигатель перейдет в режим рекуперативного торможения. В рассмотренном ранее примере работы шахтной подъемной установки при приближении подъемных сосудов к точке “равновесия” может произойти несколько смен режимов работы электропривода- с двигательного на тормозной и обратно.

Таким образом, в системах самонастройки на закон согласования углов управления реверсивных групп не накладывается каких- либо дополнительных условий. Это позволяет, в частности, применять симметричное согласование и получать регулировочную характеристику Ed = ¦(UУ ) без “люфта” и “безлюфтовое” сопряжение характеристик двигательного и тормозного режимов без применения каких - либо дополнительных устройств, контролирующих величину ЭДС двигателя в момент переключения. (На вид внешних характеристик не влияет зона прерывистых токов- в двигательном и тормозном режимах).

Важнейшими параметрами систем раздельного управления являются чувствительность датчика тока и длительность паузы при переключении групп. Эти параметры взаимосвязаны. Выбор их производится из того условия, что в момент отключения ранее работавшей группы допустим такой ток, который может быть сведен к нулю результирующей ЭДС в силовой цепи на протяжении одной пульсации выпрямленного напряжения. Определяющим при этом является переход из тормозного режима в двигательный (например, в конце перехода с высшей частоты на низшую).

На рис 58 изображены внешние характеристики, используемые при переходе на низшую частоту вращения реверсивного тиристорного электропривода с раздельным управлением вентильными группами.

Переход с двигательного режима в тормозной и обратно происходит при токе равном нулю. при этом первый переход должен осуществляться на более низкое напряжение инверторной группы, а обратный- на более высокое напряжение выпрямительной группы. Это видно из диаграммы (рис 58). Переход же на соседние характеристики одной и той же группы (характеристики с различными значениями углов управления a и b ) происходит при одном значении напряжения, как это показано на диаграмме. Процесс изменения тока при изменении статического момента осуществляется перемещением рабочей точки вдоль характеристики:

На рис 59 показаны направления и примерные соотношения мгновенных значений ЭДС преобразователя и якоря двигателя, а также направление протекания тока при его снижении в двух режимах работы преобразователя- в выпрямительном (рис 59а) и в инверторном (рис 59б). Время спадания тока в инверторном режиме работы получается большим, т.к. снижение тока происходит под действием разности ЭДС инвертора и двигателя. При переходе из двигательного режима в тормозной снижение тока происходит значительно быстрее под воздействием суммы ЭДС выпрямителя и двигателя. Чувствительность датчика тока и необходимая длительность аппаратной паузы определяются соответствующими расчетами. Значения этих параметров зависят от режима работы привода, характера нагрузки, величины частоты вращения двигателя и электромагнитной постоянной времени силовой цепи.

Как было сказано ранее, на практике в качестве датчиков тока сейчас часто используют датчики состояния тиристора. Они позволяют с большой точностью установить момент времени, когда тиристор вследствие спадания тока до нуля, восстанавливает свои запирающие свойства, т.е. момент включения тиристоров.

Это позволяет сделать аппаратную паузу минимальной- (2¸3)мс.

 

Рис 59

Системы раздельного управления реверсивными ТП обладают рядом важных достоинств:

1. Отсутствие уравнительного тока и возможность полного отказа от уравнительных дросселей;

2. Возможность полного использования питающего трансформатора по напряжению и по мощности, т.к. здесь допустима работа в выпрямительном режиме с углом управления, равным нулю;

3. Более высокий КПД электропривода, т.к. нет потерь от уравнительных токов;

4. Меньшая вероятность опрокидывания инвертора, т.к. общее время работы ТП в инверторном режиме уменьшается во много раз;

5. В некоторых случаях привод имеет лучшие динамические показатели, т.к. благодаря отсутствию уравнительных дросселей суммарная индуктивность якорной цепи оказывается меньшей, чем при совместном управлении;

6. Исключение возможности появления больших динамических уравнительных токов в переходных режимах работы из-за различного быстродействия систем инвертора и выпрямителя вследствие неполной управляемости вентилей и, как следствие, допустимость мгновенных реверсов выходного напряжения (например, при переходе из инверторного в выпрямительный режим);

7. Более простое соединение вентилей и возможность использовать общий блок R-C цепей для защиты вентилей обеих реверсивных групп от перенапряжений.

В то же время системы раздельного управления имеют и недостатки:

1. Усложнение систем управления вследствие необходимости выработки сигнала управления переключением групп и обеспечения условий для безаварийного переключения;

2. Необходимость пауз между работой групп, что снижает быстродействие;

3. Недостаточная стабильность характеристик электропривода в области малых нагрузок, т.е. из-за отсутствия уравнительных токов работа происходит в области прерывистого тока. Это обстоятельство затрудняет использование раздельного управления для электроприводов, которые могут работать в режиме идеального холостого хода или близком к нему, например, приводы лифтов;

4. Трудность точного поддержания частоты вращения в электроприводах со знакопеременным моментом нагрузки;

5. Возможность возникновения толчков тока при переключении групп, т.к. за время паузы теряется непрерывность управления.

Отмеченные недостатки сдерживали применение систем раздельного управления и они не использовались, практически до середины 60-х гг. В настоящее время почти все имевшие место трудности преодолеваются и раздельное управление получает все большее применение не только в электроприводах большой мощности, где его преимущества наиболее весомы, но и в электроприводах средней и малой мощности.

 

3.7. КПД и коэффициент мощности тиристорного электропривода постоянного тока.

 

При определении КПД управляемого выпрямителя нужно учитывать, что понятие мощности, выделяемой в цепи нагрузки постоянного тока, может иметь двоякий смысл.

С одной стороны- это мощность Pd , определяемая как произведение постоянных составляющих (средних значений) выпрямленного тока Id и напряжения Ud :

Pd = Ud * Id (3-56)

С другой стороны, действительная полная мощность Pd¢, выделяемая в нагрузке, определяется как средняя мощность от мгновенных значений тока id и напряжения ud в нагрузке за период повторяемости формы выпрямленного напряжения:

(3-57)

где T - период повторяемости формы выпрямленного напряжения.

Разница в значениях этих мощностей обусловлена наличием пульсаций в выпрямленном напряжении и в токе нагрузки. Так, если обозначить пульсации в виде переменных составляющих did и dud, то можно записать:

(3-58)

Очевидно, что в случае идеально сглаженного тока нагрузки, когда did равен нулю (dud может быть не равен нулю), значения мощностей Pd и Pd¢ совпадают.

На практике мощность Pd¢ при значительных пульсациях выпрямленного напряжения и тока может быть намного больше Pd . При определении КПД преобразователя этот факт необходимо учитывать. С энергетической точки зрения боле правильно расчет КПД вести относительно мощности Pd¢, хотя иногда используется и величина Pd, рассматриваемая в некотором смысле как “полезная” мощность постоянного тока. В последнем случае составляющую мощности dPd, обусловленную пульсацией напряжения на нагрузке, относят к дополнительным потерям.

Основные потери активной мощности имеют место в следующих частях тиристорных преобразователей:

· В трансформаторе dPт ;

· В тиристорах преобразователя dPв;

· Во вспомогательных устройствах dPвсп (в системах управления, защиты, охлаждения, сигнализации и др.);

· Дополнительные потери dPдоп (потери, обусловленные пульсациями напряжения и тока на нагрузке, потери при переключениях вентилей).

С учетом этих составляющих для преобразователя КПД определяется из следующего соотношения:

h = (Ud Id) / (Ud Id + dPт +dPв +dPвсп +dPдоп) (3-59)

Изготавливаемые в настоящее время ТП большой мощности имеют КПД в пределах (0.85¸0.9). ТП малой и средней мощности имеют КПД (0.7¸0.8).







Дата добавления: 2014-11-12; просмотров: 1528. Нарушение авторских прав


Рекомендуемые страницы:


Studopedia.info - Студопедия - 2014-2020 год . (0.014 сек.) русская версия | украинская версия