С использованием ТПЧ

Управление пуском и торможением АД

с использованием ТПЧ

Применение ТПЧ улучшает также другие качественные показатели регулируемого ЭП: прежде всего это относится к пусковым и тормозным режимам АД.

Следует отметить, что пуск АД проводят при уменьшенной частоте и по мере его ускорения частоту тока, подаваемого на статор, увеличивают.

Увеличенный пусковой момент способствует большему ускорению ротора АД и уменьшает время пуска, что очень важно для ЭП работающих в повторно-кратковременном режиме. В последующем для увеличе­ния угловой скорости ротора АД до номинальной частоту тока статора постепенно увеличивают. Если в процессе ускорения враще­ния ротора частоту увеличивать медленно, то при работе на каждой частотной характеристике АД достигает угловой скорости на ее рабочей части и переход на большую скорость не сопровождается большими бросками тока. Такой частотный пуск называется «мягким». При «мягком» пуске АД потери энергии и потребляемая энергия сравнительно невелики, но увеличивается время пускового процесса. Если же скорость изменения частоты тока статора боль­шая, то ротор АД не успевают достичь скорости, соответствующей критическому скольжению и переход с одной частотной характеристики на другую происходит в области их неустойчивых частей. Такой режим частотного пуска, характерный большими значениями тока и потерь, называют «жестким».

Очевидно, в ТПЧ наиболее рационально устанавливать такую скорость изменения частоты тока, при которой переход с одной частотной механической характеристики на другую будет происхо­дить при максимальных моментах. Указанное условие будет выполняться, когда темп или ускорение частоты тока в статоре будет одинаковым с ускорением ротора.

На судах ТПЧ применяют в основном в реверсивных ЭП для которых характерны режимы торможения противовключением и рекуперативный.

Применение ТПЧ позволяет предварительно понизить частоту тока, подаваемого на статор АД, при этом пропорционально уменьшится индуктивное сопротивление ротора, соs ф увеличится и это приведет к увеличению тормозного момента (соответственно время тормозного процесса со­кращается). Одновременно при уменьшении частоты тока мгновен­но снижается угловая скорость поля статора и скорость ротора оказывается выше скорости поля статора. Это способствует работе АД на небольшом отрезке времени в режиме рекуперации, что дополнительно сокращает время реверса.

Режим рекуперации может быть не только при реверсе, но и при регулировании угловой скорости в сторону уменьшения, когда приходится снижать частоту тока статора. В подобных случаях, так же как и в предыдущем, переход работы АД с одной механической характеристики на другую происходит в зоне рекуперативного торможения, Переход сопровождается бросками тока, значения которых зависят от скорости изменения частоты. Аналогично, как и при пуске, переходный режим может быть «мягким» и «жестким». Для уменьшения бросков тока и потерь при регулировании стремят­ся скорость уменьшения частоты иметь небольшую, т.е. переход­ный процесс выполняют по возможности «мягким». Задавая опре­деленные законы изменения частоты с помощью системы управле­ния ТПЧ, можно получить гамму механических характеристик АД, отвечающих оптимальному режиму работы АД.

2. Регулирование угловой скорости АД с помощью тиристоров

Кроме рассмотренного частотного управления АД, тиристор­ные схемы позволяют изменять угловую скорость АД и другими способами. Регулирование угловой скорости благодаря переклю­чающим способностям тиристоров в этих схемах построено на изменении рабочих параметров АД, которое достигается:

1.измене­нием напряжения, подаваемого на статор:

2.импульсным регулирова­нием в цепи ротора;

3.введением добавочной ЭДС в цепь ротора.

Изменения напряжения, подаваемого на статор. При изменении напряжения тиристорным регулятором изменяется магнитный по­ток статора, а это приводит к изменению вращающего момента АД: тем самым нарушается условие равновесия, которым характе­ризуется установившееся движение. В случае уменьшения напряже­ния вращающий момент становится меньше момента сопротивле­ния и ротор АД будет замедляться. Уменьшение скорости приводит к увеличению скольжения, ЭДС, тока ротора и вращающего мо­мента, Когда при замедлении наступит равновесие моментов, то ротор АД будет вращаться с новой установившейся скоростью, которая будет меньше, чем до снижения напряжения на зажимах статора.

Применение тиристорных регуляторов напряжения позволяет осуществлять плавный пуск АД путем постепенного уменьшения угла α, а также динамическое торможение.

Устройство регуляторов напряжения значительно проще и де­шевле описанных ранее схем ТПЧ. Однако КПД двигателей с регуляторами напряжения невысок, поэтому приходится увеличи­вать габаритные размеры АД во избежание превышения допусти­мой температуры вследствие роста тока и ухудшения вентиляции.

На судах тиристорные регуляторы напряжения используются в ЭП кранов и лебедок, где большие моменты при малых угловых скоростях требуются лишь в течение небольшой части рабочего цикла.

Импульсное регулирование в цепи ротора. Сущность импульсного регулирования состоит в том. что для изменения угловой скорости АД осуществляется периодическое кратковременное изменение его параметров, благодаря чему дозируется поток энергии, передавае­мой от сети к АД и в обратном направлении.

Следует отметить, что вследствие небольшого значения мощ­ности, необходимой для управления тиристорным ключом, данный способ позволяет получить бесступенчатое плавное изменение угло­вой скорости. Механические характеристики АД при данном спо­собе регулирования можно получить более жесткими по сравнению с реостатными, так как при изменении нагрузки на валу АД имеется возможность изменять управляющий сигнал таким образом, чтобы скорость практически не менялась.

Введение добавочной ЭДС в цепь ротора. Путем подключения к цепи ротора АД независимого источника энергии переменная ЭДС этого источника подается в противофазе с ЭДС ротора.

Способ регулирования введением добавочной ЭДС связан с преобразованием энергии постоянного тока в переменный или наоборот, поэтому указанные схемы имеют пониженные значения коэффициента мощности и КПД. Такой способ регулирования наиболее целесообразен лишь при небольшом диапазоне регулиро­вания скорости ЭП, что в условиях судна применимо для отдельных насосов,

3. Регулирование скорости в системе двойного рода тока ( УВП – Д )

В таких системах исполнительный двигатель постоянного тока получает питание от судовой сети через управляемый вентильный преобразователь ВП ( рис. 9.5 ).

Рис. 9.5. Структурная схема тиристорного электропривода постоянного тока

В качестве вентилей используются управляемые полупроводниковые диоды – тиристоры.

В общем случае такой электропривод состоит из следующих основных элементов:

1. силовой трансформатор Тр;

2. вентильный преобразователь ВП;

3. сглаживающий фильтр СФ;

4. электродвигатель М;

5. система управления СУ.

Силовой трансформатор Тр служит для согласования номинального напряжения двигателя с выходным напряжением преобразователя.

Вентильный преобразователь выпрямляет напряжение и регулирует его в нужных пределах. Для питания цепей якоря двигателя применяют однополупериодные схемы с нулевым выводом ( рис. 9.6, а ) или двухполупериодные мостовые схемы ( рис.9.6., б ).

Рис. 9.6. Схемы включения якоря двигателей постоянного тока на вентильный преобразователь: с нулевым выводом ( а ); мостовая ( б )

В таких схемах обмотки возбуждения двигателей обычно получают питание от общей сети переменного тока через маломощные однофазные выпрямители.

Сглаживающий фильтр ( дроссель Др на рис.9.6 ) предназначен для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения. При этом улучшаются условия коммутации и уменьшается нагрев обмотки якоря двигателя.

Система управления СУ изменяет угол отпирания тиристоров α. Вследствие чего изменяется выпрямленное напряжение на якоре исполнительного двигателя, а значит, и его скорость.

При этом, при малых скоростях якоря этот угол близок к 90º, а для разгона якоря СУ непрерывно уменьшает этот угол. При номинальном ( наибольшем ) напряжении на якоре угол α = 0º.

Механические характеристики двигателя при разных значениях угла отпирания тиристоров α приведены на рис. 9.7.

Они подобны механическим характеристикам исполнительного двигателя в системе Г – Д ( рис. 9.4 ).

Рис. 9.7. Электромеханические характеристики двигателя при разных значениях угла α

На рис. 9.7 штриховой линией показана граница между режимами непрерывного ( справа от пунктирной линии ) и прерывистого ( слева от этой линии ) токов якоря двигателя.

Электромеханические характеристики имеют такие особенности:

1. при уменьшении угла отпирания тиристоров от α = π / 2 = 90º ( характеристика 2 ) до α = 0º ( характеристика 7 ) скорость двигателя увеличивается, двигатель работает в двигательном режиме;

2. при увеличении угла α свыше 90º ( характеристика 1 ) ток якоря двигателя не изменяет направление, но двигатель реверсирует и переходит в режим тормозного спуска. при котором электромагнитный момент двигателя, направленный на подъем, ограничивает скорость спуска тяжелого груза или судового якоря с якорь-цепью.

Лекция № 8

« Аварийные режимы работы и защита полупроводниковых преобразователей»

В процессе эксплуатации полупроводниковых преобразователей воз­можно возникновение аварийных режимов. Аварийные режимы ПП, в зави­симости от места повреждения, разделяют на внешние и внутренние.

К вну­тренним относятся режимы, возникающие при повреждении полупровод­никовых вентилей в одном или нескольких плечах силовой схемы вследст­вие теплового или электрического пробоя.

Внешние аварийные режимы возникают при коротких замыканиях во входной или выходной цепи преобразователя, при перегрузке или корот­ком замыкании непосредственно у потребителя.

К основным видам аварийных режимов ПП относятся:

- внешние аварии, вызванные КЗ в нагрузке или в распределительной сети;

- внутренние аварии, вызванные отказами полупроводниковых венти­лей;

- опрокидывание инвертора (КЗ в цепи постоянного тока через инвер­тор);

- появление уравнительных токов в реверсивных преобразователях или преобразователях частоты с непосредственной связью.

На рис. 9.12 представлены наиболее часто встречаемые на практике аварийные режимы мостового полупроводникового выпрямителя.

Рис. 9.12. Аварийные режимы трехфазного мостового выпрямителя: 1 - КЗ на шинах переменного тока; 2 - пробой тиристора; 3 - КЗ на шинах постоянного тока; 4 - КЗ вблизи потребителей.

Внутреннее короткое замыкание трехфазного мостового выпрямителя возникает при пробое тиристора одного плеча, причинами которого явля­ются перегрев структуры вентиля при перегрузке по току или пробой обратным напряжением при всплесках напряжения в судовой сети.

В случае внешнего КЗ в нагрузке происходит сравнительно плавное нарастание тока короткого замыкания выпрямителя до установившегося значения.

Причиной аварийных режимов инверторов могут быть нарушения в системе управления (пропуск одного или всех сигналов управления тири­сторами), кратковременное снижение напряжения сети переменного тока, увеличение тока и угла коммутации, пробой одного из тиристоров инверторного моста, сбои в системе управления и т.д.

В результате этих наруше­ний происходит одновременное открывание двух тиристоров в одном плече и протекание тока КЗ через инвертор. Такой аварийный режим называется опрокидывание инвертора (рис. 9.13).

Рис. 9.13. Аварийный режим опрокидывания инвертора

Опрокидывание наступает в случае, если тиристор после токопроводящего периода не запирается, а снова вступает в работу и начинает прово­дить электрический ток.

Ток КЗ при опрокидывании силовых инверторов может достигать 15 - 40-кратного значения от номинального значения, что может вызвать серьезные повреждения электрической аппаратуры.

Для ограничения скорости нарастания и величины аварийных токов после опро­кидывания в цепь постоянного тока инвертора включают реактор со значи­тельной индуктивностью.

Для автономных инверторов характерны те же аварийные режимы, что и для инверторов, ведомых сетью.

В виду чувствительности ПП к всплескам напряжения, токам пере­грузки и КЗ, к системам их защиты предъявляются жесткие требования по быстродействию, что не всегда может быть обеспечено традиционной защитно-коммутационной аппаратурой.

На рис. 9.14 приведена принципиальная схема защиты трехфазного мостового полупроводникового выпрямителя с помощью быстродейст­вующих плавких предохранителей.

Рис. 9.14. Схема защиты полупроводникового выпрямителя с помощью быстродействующих плавких предохранителей

Предохранители могут быть установлены:

- в фазных проводах переменного тока, обеспечивая отключение внешних КЗ;

- в цепях полупроводниковых вентилей для защиты от внутренних КЗ;

- в выходных цепях постоянного тока и в цепях отдельных потребите­лей.

В силовых полупроводниковых преобразователях, входящих в состав ВГУ и ГЭУ, запрещается использование плавких предохранителей, так как их перегорание приведет к обесточиванию или потере управляемости судна. В таких установках для защиты полупроводниковых преобразовате­лей применяют быстродействующие автоматические выключатели или

полупроводниковые защитные устройства (тиристорные расцепители или короткозамыкатели).

Тиристорным расцепителем называют защитное устройство выполнен­ное, как правило, на основе одно- или двухоперационных тиристоров.

В нормальных режимах эксплуатации расцепитель, как и автоматические выключатели, проводит электрический ток.

В случае возникновения ава­рийных режимов по сигналу из системы управления ПП тиристорный рас­цепитель запирается, и ток начинает проходить через токоограничивающий резистор, который устанавливается параллельно расцепителю.

Короткозамыкатель, в отличие от расцепителя, в нормальных режимах эксплуатации электрический ток не проводит, а открывается только при возникновении аварийных режимов.

На рис. 9.15, а представлен короткозамыкатель, состоящий из тиристо­ров VD 7-9, подключаемых параллельно к основным тиристорам преобра­зователя VD 1-3.

Рис. 9.15. Защита полупроводникового преобразователя с помощью короткозамыкателя (а) и тиристорного расцепителя (б)

При возникновении аварийных режимов тиристоры короткозамыкате­ля VD 7-9 открываются, а тиристоры преобразователя VD 1-3 запираются.

Аварийные токи начинают протекать через токоограничивающий резистор R, в результате чего достигается их снижение.

Полупроводниковый расцепитель на базе двухоперационного тиристо­ра показан на рис. 9.15, б.

В нормальном режиме эксплуатации тиристор расцепителя VD 7 открыт и проводит электрический ток.

При возникновении КЗ и протекании аварийных токов расцепитель по сигналу из системы управления запирается, и ток протекает через токоограничивающее сопро­тивление R.

Полупроводниковые устройства быстродействующей бесконтактной защиты используются не только для ликвидации аварийных режимов, но и для бесконтактного отключения и включения ПП в нормальных эксплуа­тационных режимах. В этом случае традиционная контактная коммутаци­онно-защитная аппаратура используется в качестве резервной.

Способ защиты и выбор схем защитных устройств ПП зависит от вида преобразователя, его мощности, количества параллельно и последовательно включенных полупроводниковых приборов, нагрузки, частоты сети и др.