РЕВЕРСИВНЫЙ ТИРИСТОРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ БЕЗ УРАВНИТЕЛЬНЫХ РЕАКТОРОВ
REVERSIBLE THYRISTOR CONVERTER WITHOUT PARALLELING REACTORS

Изобретение относится к области преобразовательной техники, получающей применение в реверсивном электроприводе постоянного тока. В указанной области широкое применение получают реверсивные вентильные преобразователи (РВП) на однооперационных тиристорах, выполняемые, как правило, по встречно-параллельной схеме соединения двух вентильных комплектов (ВК), работа которых происходит при совместном или раздельном управлении (см. Розанов Ю.К. и др. Силовая электроника. - М.: Издательский Дом МЭИ, 2007). Наиболее близкое решение представлено в книге (Лебедев А.М. и др. Следящие электроприводы станков с ЧПУ. - М.: Энергоатомиздат, 1988, стр.172, рис.7.1).
Силовая часть данного преобразователя содержит силовой согласующий трансформатор с двумя трехфазными вторичными обмотками, соединенными по схеме «две противофазные звезды с объединенными нулевыми выводами» и тиристорный преобразователь, выполненный по шестифазной нулевой встречно-параллельной схеме соединения катодной и анодной групп тиристоров. Полюса этих групп объединены с помощью двух последовательно соединенных уравнительных реакторов. Их средняя точка подключена к первому зажиму цепи нагрузки, роль которой часто выполняет якорная обмотка двигателя постоянного тока, второй зажим которой соединен с нулевым выводом вторичных обмоток трансформатора. Управляющая часть данного преобразователя выполнена в виде шестиканальной системы импульсно-фазового управления (СИФУ), основным звеном каждого канала которой служит фазосдвигающее устройство (ФСУ). Каждое ФСУ имеет два входа, один из которых подключен в параллель к общему источнику задающего сигнала, а другой - к источнику опорного сигнала, роль которого в данном случае выполняет понижающий маломощный трансформатор управляющей части. У каждого канала ФСУ имеется два выхода, один из которых связан с управляющим электродом одного из двух тиристоров разных комплектов, подключенных к работающим в противофазе вторичным обмоткам силового трансформатора.
1
2
1
2
Работа известного реверсивного преобразователя происходит при совместном согласованном управлении вентильными комплектами. Это означает, что на выходах ФСУ формируются две шестифазные последовательности управляющих импульсов, одна из которых с фазовыми углами 0≤α<π предназначена для управления тиристорами первого вентильного комплекта (ВК1), а другая с фазовыми углами 0≤α<π - для управления тиристорами второго вентильного комплекта (ВК2). Регулировочные характеристики ФСУ согласованы таким образом, что при каждом значении управляющего сигнала сумма указанных углов управления должна оставаться постоянной α+α=π. При равенстве средних значений выпрямленного напряжения на выходах вентильных комплектов данный закон управления не обеспечивает равенства мгновенных значений этих напряжений, в результате в уравнительной цепи между полюсами комплектов присутствует уравнительное напряжение. Под воздействием уравнительного напряжения в силовой схеме РВП кроме тока нагрузки протекает уравнительный ток, ограничение которого требует применения уравнительных реакторов. Наличие данных элементов ведет к существенному снижению технико-экономических и массогабаритных показателей РВП и электроприводов на их основе, являясь главным недостатком рассматриваемых преобразователей.
Таким образом, причина главного недостатка известного РВП связана с несовершенством традиционного управления вентильными комплектами. Предпосылки для устранения этих причин содержатся в способе управления вентильными комплектами РВП (см. Патент РФ №2235409. Опубл. в БИ №24, 2004).
Для устранения недостатков РВП, на основе указанного решения, предлагается силовую часть преобразователя с совместным управлением выполнить в виде шести вентильных пар, каждая из которых образована встречно-параллельным соединением двух тиристоров без применения уравнительных реакторов. При этом каждая вентильная пара одним выводом должна быть присоединена к одной из вторичных обмоток согласующего трансформатора, а другим выводом - к первому зажиму цепи нагрузки. Второй зажим нагрузки, так же как в схеме прототипа, соединяется с нулевым выводом вторичных обмоток силового трансформатора. В состав управляющей части введен шестиканальный импульсный селектор, каждый канал которого, посредством расширителя управляющих импульсов, входами присоединен к выходам одного из каналов ФСУ в составе СИФУ. Выход каждого канала селектора соединен с управляющими электродами обоих тиристоров в составе той или иной вентильной пары.
Технический результат данного предложения состоит в том, что подключение вентильных комплектов друг к другу в силовой схеме предлагаемого устройства осуществляется без уравнительных реакторов, аналогично тому как это происходит в схемах РВП с раздельным управлением. Такая возможность появляется в новой конструкции РВП в связи с исчезновением в силовой схеме уравнительного напряжения и тока. Одновременно с этим в отличие от РВП с раздельным управлением исключается причина появления прерывистого тока нагрузки, что как известно, благоприятно влияет на статические и динамические свойства преобразователей и систем электропривода на их основе. Таким образом, предлагаемый преобразователь сочетает достоинства известных аналогов и не содержит их недостатков.
На фиг.1 изображена схема ближайшего аналога изобретения, принятого за прототип. Схема предлагаемого варианта преобразователя приведена на фиг.2. Представленные на фиг.3 диаграммы напряжений, токов и управляющих импульсов иллюстрируют работу известного (фиг.3а, б) и предлагаемого (фиг.3в, г) преобразователей. На фиг.4 представлены полученные компьютерным моделированием диаграммы напряжения и тока на выходе нового преобразователя в режиме отработки управляющего сигнала гармонической формы (фиг.4а) и нулевого управляющего сигнала (фиг.4б).
1
3
5
7
9
11
2
4
6
8
10
12
1
2
Силовая часть ближайшего аналога содержит трехобмоточный трансформатор (1) с двумя трехфазными вторичными обмотками, соединенными по схеме «две противофазные звезды с объединенными нулевыми выводами». К концам обмоток присоединены первый (2) и второй (3) вентильные комплекты (ВК1 и ВК2) в виде шестифазной катодной группы тиристоров v1-v6 и аналогично выполненной анодной группы тиристоров v7-v12. Полюсы вентильных комплектов объединены с помощью двух последовательно включенных уравнительных реакторов (4, 5). Цепь нагрузки (6), представленная якорной обмоткой двигателя постоянного тока, одним зажимом присоединена к средней точке уравнительных реакторов, а другим зажимом - к нулевой точке вторичных обмоток согласующего трансформатора. Управляющая часть данного преобразователя в виде аналоговой СИФУ (7) состоит из шести одинаково выполненных каналов ФСУ1-ФСУ6. На общий вход СИФУ с потенциометрического задатчика скорости привода (ЗС) подается управляющий сигнал (Uу). Вторые входы каналов ФСУ служат для подачи опорного сигнала (Uоп) с вторичных обмоток управляющего трансформатора (8). Для пояснения работы известного преобразователя в двух характерных режимах при положительном и нулевом значениях управляющего сигнала служат диаграммы на фиг.3 (а, б). Полагается, что работа СИФУ происходит по известному вертикальному принципу, согласно которому выработка управляющих импульсов происходит в моменты равенства сигналов Uу=Uоп. Благодаря симметричной форме опорных сигналов, выработка первой (U, U, U, U, U, U) и второй (U, U, U, U, U, U) импульсных последовательностей происходит с фазовыми углами управления α+α=π.
Представленная на фиг.2 силовая часть предлагаемого устройства содержит согласующий трансформатор Т1 с аналогичной схемой соединения вторичных обмоток. К этим обмоткам присоединены шесть вентильных пар (v1,4; v5,8; v9,12; v7,10; v11,2; v3,6), каждая из которых образована встречно-параллельным соединением двух тиристоров. Цепь нагрузки одним зажимом присоединена в параллель к выходам всех указанных вентильных пар, а другим зажимом - к нулевой точке вторичных обмоток согласующего трансформатора. Управляющая часть представлена в виде одинаково выполненных шести каналов СИФУ(КУ1-КУ6). Построение и работу этих каналов рассмотрим на примере канала КУ1, предназначенного для управления тиристорами v1,4 фазы А. Из фиг.2 видно, что кроме фазосдвигающего устройства ФСУ1 (9) в этот канал введены расширители управляющих импульсов первой (10) и второй (11) импульсных последовательностей, а также подключенный к их выходам импульсный селектор (12). Выход селектора соединен с управляющими входами обоих тиристоров v1,4 в составе вентильной пары фазы А. Управляющий вход селектора подключен к выходу датчика направления тока нагрузки (ДНТ) 13.
Необходимость подключения выходов СИФУ к управляющим входам обоих тиристоров вентильных пар предусматривается согласно Патенту РФ №2235409. Этим обеспечивается равенство не только средних, но и мгновенных напряжений на выходах вентильных комплектов. В результате устраняется любая возможность появления уравнительного напряжения, а с ним и необходимость в уравнительных реакторах. Предполагается также подача на вентильные пары широких управляющих импульсов длительностью, равной их возможному проводящему состоянию. Этим достигается мгновенная готовность РВП к изменению режима работы (выпрямительного или инверторного), а заодно - устраняется возможность прерывистого тока нагрузки. Для этого в состав СИФУ введены указанные выше расширители управляющих импульсов. Чтобы обеспечить естественную (сетевую) коммутацию тиристоров при любом из двух направлений тока нагрузки предусматривается подача на вентильные пары первой импульсной последовательности при условии положительного знака тока нагрузки или второй импульсной последовательности при условии изменения знака тока на отрицательный. Указанная замена импульсов не вызывает скачка средневыпрямленного напряжения, так как импульсы первой и второй последовательностей вырабатываются симметрично относительно точек естественной коммутации. Для проведения импульсной селекции в состав каждого канала СИФУ введен специальный селектор, управляемый с помощью логического сигнала с выхода датчика направления тока нагрузки (ДНТ).
1(4)
3(6)
5(8)
7(10)
9(12)
11(2)
1
2
d
(1)4
(3)6
(5)8
(7)10
(9)12
(11)2
2
1
Из диаграмм фиг.3в, г видно, что выработка управляющих импульсов первой последовательности (U,U,U,U,U,U) происходит в моменты равенства управляющего (Uу) с опорным (Uoп) сигналом убыващей формы в диапазоне углов α>0, α<0. В канале КУ1 эти импульсы вырабатываются на выходе расширителя 10 (RS-триггер Т11) и пропускаются на входы тиристоров v1,4 селектором 12 при условии, что сигнал знака тока нагрузки Sg(i)>0, поступающий с выхода датчика ДНТ (13), имеет положительный знак. В свою очередь, управляющие импульсы второй последовательности (U,U,U,U,U,U) формируются на возрастающих участках опорных сигналов, а потому поступают с выходов расширителя 11 (RS-триггер Т21) в диапазоне углов α>0, α<0. Для проведения естественной коммутации эти импульсы должны пропускаться селектором 12 на вентильную пару v1,4 при условии, что сигнал с выхода ДНТ (13) имеет отрицательный знак. Видно также, что импульсы первой и второй последовательностей располагаются симметрично относительно точек естественной коммутации, так как опорные сигналы имеют форму равностороннего треугольника. Аналогичным образом происходит формирование управляющих импульсов в других каналах СИФУ. Подтверждением работоспособности предлагаемой схемы РВП при новом способе управления служат результаты компьютерного моделирования на фиг.4.
Таким образом, предлагаемое устройство позволяет устранить из схемы тиристорного реверсивного преобразователя уравнительные реакторы, способствуя тем самым улучшению технико-экономических и массогабаритных показателей электроприводов на его основе.