Тиристорное управление двигателем переменного тока: 16.6. Тиристорное управление электроприводом – Тиристорное управление двигателем переменного тока — groupnk.ru — Группа НК — комплексные поставки электрооборудования в Москве и регионах

Содержание

16.6. Тиристорное управление электроприводом

Основными факторами, обусловившими быстрое развитие тиристорного электропривода, являются следующие: высокий КПД тиристорного преобразователя (0,95—0,97), относительно малые габариты, масса и инерционность тиристоров, незначительная мощность устройств управления.

Использование тиристоров и соответствующих систем управления позволяет получать все требуемые регулировочные характеристикии динамические режимы двигателей как переменного, так и постоянного тока.

преобразователя (регулятора) переменного напряжения на обмотках статора асинхронного двигателя с двумя встречно-параллельными тиристорами в каждой фазе. Устройство управления синхронно открывает тиристоры в порядке чередования фаз. Изменяя момент времени включения тиристоров (рис. 10.17), можно регулировать амплитуду напряжения основной гармоники. Выключение тиристоров осуществляется автоматически при изменении полярности напряжения соответствующей фазы. Такой режим называется
естественной коммутацией.

Искусственной коммутациейназывается выключение тиристора посредством подключения к его выводам какого-либо источника энергии, создающего в нем ток обратного направления. Примером может служить тиристорное управление в цепи ротора асинхронного двигателя (рис. 16.10). Рабочий тиристор Т, замыкающий цепь выпрямленного тока через резистор r₁ имеет узел искусственной коммутации. Узел искусственной коммутации содержит вспомогательный тиристор T_вс, резистор г₂

^и конденсатор С.

Пусть первоначально рабочий тиристор Т открыт, а вспомогательный Т_вс закрыт. В это время конденсатор С заряжается через резистор г₂ так, как показано на рис. 16.10. Подадим теперь на управляющий электрод вспомогательного тиристора Т_вс отпирающий сигнал из устройства управления. Вспомогательный тиристор включится, и конденсатор начнет разряжаться через него и рабочий тиристор. Так как при этом разрядный ток конденсатора направлен навстречу прямому току рабочего тиристора, то последний выключается. После этого конденсатор перезаряжается через резистор r

1 и открытый вспомогательный тиристор.

Чтобы вновь включить рабочий тиристор, на его управляющий электрод надо подать сигнал из устройства управления. При этом конденсатор своим разрядным током выключает вспомогательный тиристор, а сам конденсатор перезаряжается, возвращаясь к состоянию, показанному на рисунке.

Следующий цикл начинается с подачи сигнала из устройства управления на управляющий электрод вспомогательного тиристора.

квивалентное сопротивление цепи ротора зависит от отношения интервалов времени открытого и закрытого состояний рабочего тиристора. Регулируя это отношение, можно регулировать среднее значение тока ротора и, следовательно, момент, развиваемый асинхронным двигателем.

Одним из наиболее перспективных способов регулирования частоты вращения асинхронных двигателей является изменение частоты напряжения на обмотках статора. Для этой цели широко используются тиристорные автономные инверторы, т. е. устройства преобразования постоянного напряжения в переменное с любым числом фаз.

Рассмотрим простейшую схему однофазного автономного инвертора (рис. 16.11), в которой источник постоянного напряжения

Е соединен со средней точкой первичной обмотки трансформатора. Когда тиристор T₁ включается сигналом блока управления, а тиристор Т₂ закрыт, то источник постоянного напряжения Е подключается к левой половине первичной обмотки трансформатора. Ток этой части •первичной обмотки возбуждает магнитный поток в магнитопроводе трансформатора. При этом во вторичной обмотке трансформатора индуктируется ЭДС, а конденсатор С заряжается, как показано на рисунке.

Если управляющий сигнал включает тиристор Т₂, то перезарядка конденсатора С закрывает тиристор T₁ аналогично рис. 16.10, а источник постоянного напряжения

Е подключается к правой половине первичной обмотки. В магнитопроводе возбуждается магнитный поток противоположного направления, чему соответствует и изменение направления ЭДС, индуктируемой во вторичной обмотке ω₂. Частота переменного напряжения, получаемого от инвертора, определяется частотой генератора управляющих сигналов, включающих поочередно тиристоры.

Описанный инвертор может быть использован для плавной регулировки частоты вращения однофазных и двухфазных асинхронных двигателей (см. § 14.18).

Е используется выпрямленное напряжение сети переменного тока. Если для этой цели, так же как и для инвертирования, использовать тиристоры, то выпрямленное напряжение можно регулировать в широких пределах (см. рис. 10.17). Это дает дополнительные возможности для управления асинхронным двигателем.

Устройства, сочетающие в себе тиристорные выпрямители и тиристорные инверторы, принято называть шириапорными преобразователями. В электроприводе иногда используют и более сложные тиристорные преобразователи, например тиристорные выпрямитель — инвертор — выпрямитель.

Применение различных способов тиристорного управления позволяет плавно и экономично регулировать частоту вращения асинхронных двигателей в диапазоне до 50 : 1 и выше.

Тиристорный электропривод постоянного тока. При необходимости регулирования частоты вращения двигателя постоянного тока и получения специальных характеристик в настоящее время широко используются тиристорные преобразователи. С их помощью двигатели постоянного тока можно подключить к сети переменного тока.

Одна из простейших схем включения двигателя постоянного тока в трехфазную цепь переменного тока приведена на рис. 16.12. Управляющее устройство синхронно включает тиристоры в порядке чередования фаз в положительные полупериоды фазных напряжений (рис. 10.17). В отрицательные полупериоды фазных напряжений происходит естественная коммутация, и тиристоры соответствующих фаз закрываются.

Среднее значение выпрямленного напряжения трех фаз равно напряжению на якоре двигателя постоянного тока (10.10):

где α — угол запаздывания включения тиристоров.

Изменяя угол запаздывания с помощью блока управления, можно изменять постоянное напряжение на якоре двигателя, т. е. постоянный ток в цепи якоря I_я. В свою очередь это приводит к изменению вращающего момента на валу двигателя (13.2).

Индуктивная катушка в цепи якоря служит для уменьшения пульсаций тока.

Тиристорные схемы управления двигателями переменного тока

June 25, 2013 by admin Комментировать »

В самых первых грубых схемах управления двигателями переменного тока использовался тиристорный преобразователь переменного тока в постоянный, большой дроссель и набор из шести тиристоров в качестве инвертора (преобразователя постоянного тока в переменный). Эта схема, извес-

Рис. 10.21. Схема управления двигателем постоянного тока с реверсированием и рекуперированием

тная под названием токовый инвертор (CSI — current source inverter), была очень терпима к авариям в нагрузке и могла работать в широком диапазоне частот на выходе. Она изображена на Рис. 10.22. Узел преобразователя работает в режиме регулировки выходного напряжения с ограничением тока нагрузки. Напряжение определяется требованиями нагрузки и обычно пропорционально выходной частоте. Принципиальными недостатками этой схемы являются цена, размеры и вес дросселя, а также плохой коэффициент мощности при малых выходных напряжениях. Кроме того, эта схема создает большие гармонические составляющие в токе потребления. Несмотря на эти недостатки, она была весьма популярна в свое время.

Рис. 10.22. Схема управления двшателем переменного тока с токовым инвертором

Другая схема управления двигателями переменного тока приведена на Рис. 10.23. Она носит название инвертор с естественной коммутацией (LCI — load-commutated inverter) и применима для управления синхронньши двигателями. В ней управление тиристорами обеспечивается напряжением, развиваемым в двигателе под воздействием магнитного поля возбуждения. При запуске двигателя возбуждается одна фаза, в то время как с инвертора поступает серия импульсов с очень низкой частотой, так что вал двигателя более или менее подталкивается к вращению. Ток инвертора при этом прерывистый. Когда напряжение в конструкции достигнет значений, достаточных для получения сигналов управления тиристорами, инвертор переходит в режим работы с переменным током и разгоняет двигатель до его рабочей скорости вращения. Недостатками этой схемы, как и предыдущей, являются плохой коэффициент мощности и высокий уровень гармонических составляющих в токе потребления. Толчки вала при запуске тоже могут доставить неприятности. Но, несмотря на недостатки, обе эти схемы широко используются уже много лет.

Рис. 10.23. Схема управления двигателем переменного тока с естественной коммутацией

Источник: Сукер К. Силовая электроника. Руководство разработчика. — М.: Издательский дом «Додэка-ХХI, 2008. — 252 c.: ил. (Серия «Силовая электроника»).

Тиристорный регулятор: схемы, управление, быстродействие

Тиристорный регулятор – устройство для подстройки мощности передаваемой электрической энергии, использующее в конструкции тиристорный силовой ключ. Применяется для изменения скорости вращения двигателей, силы светимости приборов иллюминации и прочих целей.

Общие сведения

Все современные технические решения образованы в начале второй половины XX века. Глупо считать учебники того времени устаревшими. Нельзя обойти благодарностью Шубенко В.А., Браславского И.Я. и остальной коллектив авторов, приготовивших для читателей столь замечательный материал.

Тиристоры так часто используются в регуляторах, что давно уже вытеснили транзисторы. Это объясняется высокими эксплуатационными и энергетическими характеристиками в роли управляемых вентилей. Основным преимуществом считается плавность настройки параметров. Хотя в ранних моделях и современных это реализуется принципиально иными путями. В результате привод характеризуется рядом положительных качеств:

Повышенный КПД;
Быстродействие;
Резко очерченная форма управляющего сигнала;
Дешевизна;
Простота;
Небольшие размеры.

Тиристорные регуляторы сегодня найдутся везде. В стиральных машинах изменяют плавно скорость вращения вала путём отсечки тока, в кухонных комбайнах по величине искрения подстраивают потребляемую мощность для стабилизации оборотов. Ранее тиристорные регуляторы применялись исключительно для асинхронных двигателей, преимущественно в паре с короткозамкнутым ротором. Сегодня принципиально новые технические решения намного раздвинули границы указанной отрасли. Уже в 60-е годы схемы применялись по двум направлениям:

Настройка амплитуды питающего напряжения.
Преобразование частоты питающего напряжения.

Первая методика считается универсальной и годится для абсолютного большинства двигателей. Вторая демонстрирует ограничения, на современном этапе в бытовых приборах встречается крайне редко, отвоевав сегмент среди промышленных применений. В домашнем оборудовании нынче применяется иная методика – отсечка тока (фазовый метод). Часть периода ключ пропускает переменное напряжение, в остальное время закрывается. Такой режим характеризуется минимальными затратами энергии при приемлемых характеристиках.

Типичная схема использования

В большинстве случаев схема применения тиристорного регулятора остаётся прежней, мало меняющейся с годами:

Программные установки (ПУ) в виде кода закладываются в память арифметического устройства (АУ) электронного блока. В стиральной машине это самая дорогая часть. Настолько, что замена часто нецелесообразна.
Тиристорный регулятор служит вводным устройством (ВУ), куда поступает управляющий сигнал.
Изменённое напряжение воздействует на сервисный привод (СП), обмотки двигателя, коллектор и пр. Линия обратной связи показывает, что малая нестабильность компенсируется непосредственно без участия центрального процессора. Выше уже говорилось про величину искрения.
Механизм (М) отрабатывает команды. На валу стоит централизованный датчик положения (ЦДП), по которому процессор понимает, что происходит в результате подачи команд. При необходимости алгоритм корректируется.

До тиристорных регуляторов использовались генераторы с непосредственным управлением либо ртутные выпрямители, с легко изменяемыми характеристиками. Но указанные устройства работали лишь в паре с коллекторными двигателями. Следовательно, простота, дешевизна, неприхотливость асинхронных оказывались не востребованы до появления тиристорных регуляторов.

Схема фазного управления двигателем

На рисунке представлена простейшая тиристорная схема для управления движением вала. Через ветки проходят импульсы обеих полярностей. При необходимости тиристор возможно запереть. В зависимости от совокупности управляющих сигналов изменяется порядок чередования фаз, что обеспечивает возможность реверсирования вала. Первая схема решает указанную задачу, вторая одновременно задаёт угол отсечки.

Безусловным плюсом такого технического решения считается возможность безболезненного отключения двигателя от сети на период торможения. Этим блокируется возврат энергии в сеть. Становится возможным режим противовключения. При открытых тиристорах 1 и 7 на одну обмотку приложены все напряжения. Как результат, образуется ощутимая постоянная составляющая. Продуцируемое ею магнитное поле служит интенсивному динамическому торможению вала, обусловленному потокосцеплением. Эта схема по-другому называется в литературе двухпульсным питанием в сети с изолированной нейтралью.

Интенсивность тормозящего магнитного поля регулируется введением в фазу А дополнительного резистора, не участвующего в работе, но только в останове. Одновременно тиристоры 9 и 10 полностью закрыты, току не остаётся другого пути. Это нужно, чтобы избежать перегрева и отдачи большого пика реактивной мощности в цепь. Управляющие цепи для упрощения на рисунке не показаны.

Тиристоры характеризуются конечным временем переключения, остаётся возможность создания ситуации, когда один ключ ещё работает, а второй уже включился. Что приведёт немедленно к межфазному короткому замыканию. В результате оба тиристора выйдут из строя из-за перегрева, ведь полупроводниковый p-n-переход теряет свойства необратимо в последнем случае. Кремниевые приборы предпочтительнее, выдерживают нагрев почти до 150 градусов Цельсия. Разумеется, силовые ключи снабжаются мощными радиаторами.

В этом плане режим отсечки тока, применяемый в современных схемах, смотрится намного более привлекательным, значительную часть периода ключ отдыхает. Если брать в рассмотрение компьютерные импульсные блоки питания, охлаждением занимается небольшой вентилятор. Без него размеры радиатора тиристорного ключа пришлось бы увеличить. В современных схемах повсеместно применяется широтно-импульсная модуляция, одним из методов реализации становится отсечка тока.

Чтобы тиристоры не срабатывали одновременно, полагается управляющие сигналы подавать с задержкой. Корректировка скорости на представленной схеме выполняется чередованием режимов питания и динамического торможения. Для коллекторных двигателей это излишне. Гораздо эффективнее менять угол отсечки для корректировки подаваемой мощности. Это одновременно сберегает потребляемую энергию, увеличивая КПД установки.

Непрерывный режим питания двигателя обеспечивается выработкой управляющих импульсов согласованно с переходом напряжения через нуль. Одна из возможных схем реализации упомянутой концепции представлена на рисунке. Её вариант показан для управления встречно включёнными тиристорами, чтобы избежать одновременного открытия ключей.

Фазовое управление тиристорами

Регуляция скорости вращения при помощи тиристоров с внедрением цепи обратной связи обнаруживает ряд преимуществ. До введения подобных технических решений указанные задачи решали дроссели с работой в режиме насыщения, отличаясь рядом недостатков:

Повышенный нижний порог срабатывания.
Большие потери.
Низкое быстродействие.

Схема управления напоминает показанную выше для обеспечения динамического торможения. Единственная разница в отсутствии резистора. Впрочем, выше уже делался намёк, что представленное техническое решение годится для создания нужных углов отсечки, что аналогично по смыслу. Исходя из опытных данных, определены требования к управляющим импульсам:

Крутой фронт.
Ширина не менее 60-ти градусов.
Начальный момент включения в районе 20 градусов по фазе.

В схемах с глухозаземлённой нейтралью допустимо рассматривать каждую фазу по отдельности, словно работает обычный двигатель стиральной машины в сети 220 В. В цепях с изолированной нейтралью для правильной коммутации приходится учитывать фазовый угол каждой питающей линии и включать тиристоры попарно. С изменением задержки относительно времени прохождения напряжения через нуль варьируется передаваемая мощность. При угле сдвига фаз в 135 градусов вал переходит на минимальный режим, соответствующий холостому ходу (без нагрузки). Это верхний предел для систем фазной регулировки посредством тиристоров.

На схожем принципе действуют современные системы управления: пылесос, стиральная машина, кухонный комбайн и т.д. Минимальным углом отсечки для асинхронных двигателей считается 20 градусов. Согласно очевидным соображениям, сдвиг фаз схемы управления не должен зависеть от колебаний входного напряжения, реализуется за счёт вертикального принципа. Примеры конструкций на рисунке.

Конденсатор С1 служит для создания пилообразного напряжения. Начало импульсов синхронизировано с точкой перехода потенциала питания через нуль. Длина зуба достигает 160 градусов (почти половина периода), что и требуется, поскольку верхний порог регулирования составляет 135. Измерение текущего состояния системы производится по мостовой схеме. В нужный момент открывается ключ, формируя импульс, запускающий блокинг-генератор.

Трансформатор Тр1 питается от линии трёхфазной сети. Когда на обмотке минус, отпирается диод Д1, и питание идёт мимо конденсатора. Пилообразный импульс спадает. Заряд происходит при запертом диоде Д1. Момент открывания и, как следствие, форма зубца, регулируются подтягиванием напряжения Uy до нужного значения. Этим занимается схема управления, оценивающая одновременно скорость вращения вала. Блокинг-генератор формирует импульс заданной длины в требуемый момент времени, реализуя управление тиристорной схемой регулирования оборотов.

Оптимальное быстродействие

В системах регулирования скорости промышленного назначения не отмечается трудностей с разгоном, который легко реализуется при помощи системы реле и многоступенчатых реостатов. Когда начинается торможение, требуется вычислить момент начала подачи управляющих сигналов для снижения негативных эффектов.

Указанную задачу решает специальный блок, занимающийся оценкой текущего состояния системы. Опытным путём рассчитывается схема торможения, в управляющее устройство закладывается готовый алгоритм. При помощи датчиков определяется рассогласование между текущим состоянием и моментом начала торможения. Среди данных появляются величины – угловой путь вала до останова и прочие.

Обратная связь по скорости нелинейна и, как правило, не может быть рассчитана, данные об этой зависимости вводятся в память вычислителя. Как результат, согласно имеющейся нагрузке и динамическим показателям системы вырабатывается команда останова в нужный момент времени. Учитываются факторы:

Отсутствие перегрева обмоток импульсом тока останова.
Минимизация отдачи в сеть реактивной мощности.
Продление срока эксплуатации установки.
Отсутствие условий для создания аварий и механических перегрузок.

В ходе разработки системы управления тиристорным регулятором учитывается факт невосприимчивости асинхронного двигателя к воздействующим факторам на низких оборотах. В этом случае требуется минимальное рассогласование по скорости между полями ротора и статора, обеспечивающими возникновение токов Фуко и, как следствие, наличие потокосцепления. Это существенное ограничение асинхронных двигателей, из-за которого их применение в быту сводится к минимуму.

ТИРИСТОРНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ — МегаЛекции

Тиристорный электропривод переменного тока.Для регулирования частоты вращения асинхронного двигателя тиристоры включаются в цепь статора или ротора. В первом случае с их помощью можно регулировать амплитуду (фазное регулирование) или частоту (частотное регулирование) синусоидального напряжения на обмотках статора и, следовательно, вращающий момент на валу двигателя (14.35). Во втором случае можно изменять активное сопротивление цепи ротора и таким образом (рис. 14.25) регулировать его частоту вращения. На рис. 16.9 приведена схема преобразователя (регулятора) переменного напряжения на обмотках статора асинхронного двигателя с двумя встречно-параллельными тиристорами в каждой фазе. Устройство управления синхронно открывает тиристоры в порядке чередования фаз. Изменяя момент времени включения тиристоров (рис. 10.17), можно регулировать амплитуду напряжения основной гармоники. Выключение тиристоров осуществляется автоматически при изменении полярности напряжения соответствующей фазы. Такой режим называется естественной коммутацией.

Искусственной коммутацией называется выключение тиристора посредством подключения к его выводам какого-либо источника энергии, создающего в нем ток обратного направления. Примером может служить тиристорное управление в цепи ротора асинхронного двигателя (рис. 16.10). Рабочий тиристор Т, замыкающий цепь выпрямленного тока через резистор r₁имеет узел искусственной коммутации. Узел искусственной коммутации содержит вспомогательный тиристор T_вс, резистор г₂^и конденсатор С.

Пусть первоначально рабочий тиристор Т открыт, а вспомогательный Т_всзакрыт. В это время конденсатор С заряжается через резистор г₂ так, как показано на рис. 16.10. Подадим теперь на управляющий электрод вспомогательного тиристора Т_всотпирающий сигнал из устройства управления. Вспомогательный тиристор включится, и конденсатор начнет разряжаться через него и рабочий тиристор. Так как при этом разрядный ток конденсатора направлен навстречу прямому току рабочего тиристора, то последний выключается. После этого конденсатор перезаряжается через резистор r₁и открытый вспомогательный тиристор.

Эквивалентное сопротивление цепи ротора зависит от отношения интервалов времени открытого и закрытого состояний рабочего тиристора. Регулируя это отношение, можно регулировать среднее значение тока ротора и, следовательно, момент, развиваемый асинхронным двигателем.

Рассмотрим простейшую схему однофазного автономного инвертора (рис. 16.11), в которой источник постоянного напряжения Е соединен со средней точкой первичной обмотки трансформатора. Когда тиристор T₁ включается сигналом блока управления, а тиристор Т₂закрыт, то источник постоянного напряжения Е подключается к левой половине первичной обмотки трансформатора. Ток этой части •первичной обмотки возбуждает магнитный поток в магнитопроводе трансформатора. При этом во вторичной обмотке трансформатора индуктируется ЭДС, а конденсатор С заряжается, как показано на рисунке.

Если управляющий сигнал включает тиристор Т₂, то перезарядка конденсатора С закрывает тиристор T₁ аналогично рис. 16.10, а источник постоянного напряжения Е подключается к правой половине первичной обмотки. В магнитопроводе возбуждается магнитный поток противоположного направления, чему соответствует и изменение направления ЭДС, индуктируемой во вторичной обмотке ω₂. Частота переменного напряжения, получаемого от инвертора, определяется частотой генератора управляющих сигналов, включающих поочередно тиристоры.

Инвертирование постоянного напряжения в трехфазную или многофазную систему напряжений осуществляется аналогично. Обычно в инверторе вместо источника постоянного напряжения Е используется выпрямленное напряжение сети переменного тока. Если для этой цели, так же как и для инвертирования, использовать тиристоры, то выпрямленное напряжение можно регулировать в широких пределах (см. рис. 10.17). Это дает дополнительные возможности для управления асинхронным двигателем.