Эксплуатация крановых тиристорных электроприводов - Тиристорные электроприводы с низкочастотными преобразователями частоты

ПРИНЦИП РАБОТЫ И ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ДЛЯ КРАНОВЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ
Низкочастотные преобразователи частоты (ПЧН) выполняют преобразование напряжения питающей сети частотой Д в напряжение меньшей частоты /2 при помощи тиристоров. На рис. 26 показаны структурная схема ПЧН с трехфазными входом и выходом, питающего асинхронный короткозамкнутый двигатель М, и осциллограммы выходного напряжения одной фазы преобразователя. Силовая схема одной фазы ПЧН по существу представляет собой реверсивный преобразователь постоянного тока. Коммутация тиристоров в ПЧН, как и в преобразователе постоянного тока, осуществляется напряжением сети.
Рис. 26. Структурная схема преобразователя частоты (о) и осциллограмма выходного напряжения и тока (б)

Поэтому они часто называются преобразователями с естественной коммутацией или с непосредственной связью с сетью. Если управляющие импульсы от системы управления (СУ) поданы на группу тиристоров UZ1, напряжение UR на фазе двигателя положительно и в течение времени tj, (рис. 26, б) происходит нарастание тока нагрузки 1а. Для обеспечения отрицательного участка напряжения тиристоры группы UZ1 переводятся сначала в инверторный режим, когда напряжение и ток отрицательны по знаку, а после снижения тока 7Д до нуля в момент времени t2 включается группа вентилей UZ2. Эта группа переводится в инверторный режим в момент времени t3. Частота выходного напряжения определяется длительностью пропускания тока обоими группами UZ1 и UZ2, а его значение - изменением угла открывания тиристоров. Полупериод выходного напряжения формируется из отрезков синусоид питающего напряжения, поэтому выходная частота ниже частоты питания, а их отношение зависит от схемы преобразователя. Работа тиристорных групп ПЧН и преобразователей постоянного тока в выпрямительном и инверторном режимах полностью аналогична.
Промышленностью выпускаются для крановых электроприводов преобразователи типа ТТС, технические данные которых приведены в табл. 6.
Таблица 6. Технические данные преобразователей с непосредственной связью

СИЛОВЫЕ СХЕМЫ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
Преобразователи частоты ТТС-40К и ТТС-100К построены соответственно по 18-вентильным нулевой или мостовой (рис. 27) схемам и связаны с сетью через трансформатор Т или токоограничивающий дроссель L. Для обоих преобразователей применено раздельное управление группами тиристоров, причем для ТТС-40К - по заданной программе, а для ТТС-100К переключение групп осуществляется при наличии разрешения от датчика нулевого тока так, как это выполняется для преобразователей постоянного тока. Трансформатор и дроссель в комплект преобразователя не входят и поставляются отдельно. В схеме электропривода должны быть предусмотрены также автоматические выключатели, 

Рис. 27. Силовые 18-вентильные схемы преобразователей частоты:
а — нулевая; 6 — мостовая
защищающие тиристоры. Охлаждение тиристоров - естественное воздушное. ПЧН с наиболее простой нулевой схемой используется в электроприводах мощностью от 5 до 40 кВт, в том числе в качестве низкочастотного источника напряжения, обеспечивающего получение малых скоростей комплекса механизмов кранового устройства. Преобразователи по мостовой схеме используются для механизмов подъема кранов мощностью от 40 до 75 кВт, в которых по условиям эксплуатации необходимо применение наиболее надежных асинхронных короткозамкнутых двигателей.
ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
Функциональная схема ПЧН типа ТТС представлена на рис. 28. В системе частотного регулирования для надежной работы двигателя каждому значению выходной частоты преобразователя должно соответствовать определенное значение выходного напряжения. Поэтому функциональная схема включает в себя два канала управления: напряжением и частотой. В канал управления напряжением входят следующие функциональные узлы: U1 — задатчик интенсивности; U2- регулятор напряжения, на вход которого подаются задающий сигнал от Ш и сигналы обратных связей от датчика напряжения LJ3 и датчика тока UA1 (только для преобразователя ТТС-100) и узел фазоимпульсного управления АИ.

Рис. 28. Функциональная схема преобразователя частоты
В канал управления частотой входят задатчик интенсивности U4 и узел управления частотой AV. Оба канала управления замыкаются на общие узлы управления: блок управления фазами U5 и выходной каскад U6. На U5 поступает также сигнал от узла защиты U8, блокирующий импульсы управления при превышении максимального тока и по минимуму напряжения. Узлы связи, показанные пунктиром, входят только в схему преобразователя ТТС-100. Такими узлами являются блок раздельного управления тиристорными группами U7 с входным сигналом от датчика нуля тока UA2 и блок переключения режимов U9, обеспечивающий бесконтактный реверс привода при выходной частоте преобразователя, равной частоте сети. Питание узлов системы управления осуществляется от блока U10, включающего стабилизированные источники постоянного напряжения ±12,6 В; +5 В и -27 В и дестабилизированный источник +27 В. Так же как для преобразователя постоянного тока, ниже приводятся схемы отдельных узлов ПЧН в упрощенном виде без корректирующих и помехозащищающих устройств.
ЗАДАТЧИК ИНТЕНСИВНОСТИ С УЗЛОМ УПРАВЛЯЮЩИХ СИГНАЛОВ
Схемы задатчиков интенсивности (ЗИ) в каналах управления напряжения (Ш) и частоты (174) одинаковы. Однако в U4 дополнительно введен узел для формирования сигналов на реверс привода и блокировки управляющих сигналов. Схема ЗИ с этим узлом приведена на рис. 29. По принципу действия приводимая схема аналогична рассмотренной для преобразователя постоянного тока. Задатчик реализован на двух операционных усилителях, из которых А1 является усилителем входного сигнала и работает в релейном режиме, а А2 - в режиме интегратора с конденсатором С1 в цепи отрицательной обратной связи. Напряжение управления Uy  через ограничитель уровня R1-VD1 подается на неинвертирующий вход А1.

Рис. 29. Схема задатчика интенсивности с узлом управляющих сигналов
Отрицательное напряжение с выхода А1 через делитель R5, R6 поступает на инвертируемый вход А2 и линейно возрастает до напряжения переключения, осуществляемого через резистор R14 положительной обратной связью. При появлении положительного напряжения на выходе А1 линейно спадает напряжение на выходе А1. Темп нарастания и спадания выходного напряжения регулируется резисторами R4 и R5. Узел ограничения V4-V6, R12 в цепи обратной связи А2 осуществляет отсечку отрицательного значения выходного напряжения -U3ll. Реле К1-КЗ, входящие в состав узла, переключаются в зависимости от положения командоконтроллера и управляют через усилители АЗ-А6 реверсом преобразователя (К2 и КЗ), а на нулевой позиции блокируют (К1) управляющие импульсы и устанавливают через диод V4 U3Vl = 0. Усилитель D7 задает опорное напряжение на A3 и А4. Система фазоимпульсного управления канала регулирования напряжения включает трехканальный по числу фаз узел синхронизации и шестиканальный узел фазового сдвига для управления шестью группами тиристоров (по две группы в каждой фазе). Схема узла синхронизации для одной из фаз (Л) приведена на рис. 30, а одного канала узла фазового сдвига - на рис. 31. Узел синхронизации преобразует положительные и отрицательные волны синусоидального напряжения каждой фазы

Рис. 30. Схема узла синхронизации для одной фазы
питающей сети в две последовательности прямоугольных импульсов, синхронизированных относительно момента перехода через нуль или равенства фазных напряжений. Преобразование синусоидального напряжения в фазное осуществляется операционным усилителем A3, работающим в релейном режиме, а в две последовательности прямоугольных импульсов, сдвинутых на 180° - микросхемами И-НЕ, А4-А6. Для фильтрации коммутационных искажений в схему введены два последовательно включенных активных фильтра на операционных усилителях А1 и А2: охваченных положительными гибкими обратными RC-связями (CI, С2, R8 и СЗ, С4, R4). Эти усилители охвачены также жесткими отрицательными обратными связями через резисторы R3, R7 и RIO, R11 для обеспечения линейности характеристик. Симметрирование импульсов осуществляется потенциометром R1. При замыкании контактов 1-2 или 1-3 выходные импульсы синхронизированы соответственно или относительно моментов перехода через нуль фазы А, или относительно моментов равенства напряжений в фазах А и В.
В узле фазового сдвига формируются последовательности прямоугольных импульсов с регулируемым сдвигом относительно выбранных моментов отсчета.

Рис. 31. Схема канала фазового сдвига
На схеме рис. 31 усилитель A3 с емкостной обратной связью С1 является интегратором фазовой развертки, который запускается по неинвертируемому входу в момент наступления логического нуля (менее 0,4 В) синхронизирующего импульса на входе триггера А1. Напряжение на выходе A3 линейно возрастает с темпом, задаваемым потенциометром R4, от отрицательного потенциала насыщения (примерно -10 В) до уровня переключения релейного усилителя А4 при равенстве напряжений на его входах. При этом напряжение ±Г7упр уставки фазового сдвига подается на вход через R11. При переключении А4 через дифференцирующую цепочку R12-C2 переключается триггер А1, и интегратор A3 интенсивно перезаряжается до фиксированного отрицательного напряжения насыщения на входе. На выходах микросхем И—НЕ А2 и А5 при этом формируются последовательности прямоугольных импульсов с нулевыми уровнями, в течение которых подаются управляющие импульсы выпрямительного и инверторного режимов на соответствующие тиристоры преобразователя.
РЕГУЛЯТОР НАПРЯЖЕНИЯ (РН)
Регулятор осуществляет поддержание заданного значения выходного напряжения преобразователя в замкнутой системе автоматического регулирования, схема его приведена на рис. 32. Сигнал управления выходным напряжением от ЗИ подается на инвертирующие входы операционных усилителей D1 и D2. Сигнал обратной связи по выходному напряжению преобразователя поступает от трансформаторов Т1-ТЗ через выпрямительный мост UZ и резисторно-ем- костный фильтр R4, R5, С1. Необходимая точность поддержания выходного напряжения и качество протекания переходных процессов обеспечиваются выбором резисторов и конденсаторов в обратных связях усилителей. Выходное напряжение усилителя D2/Ua управляет углом включения тиристоров в выпрямительном режиме работы преобразователя, а напряжение управления фазовым углом U^ в инвер- торном режиме задается вручную потенциометром R26. В регуляторе предусмотрены: ограничение верхнего и нижнего уровней выходных напряжений, задаваемых потенциометрами R16 и R19 и реализуемых открыванием диодов VI и V2; уменьшение уставки нижнего уровня выходного напряжения в зоне действия отсечки по току преобразователя - открыванием транзистора VT; снижение значения напряжения и частоты на выходе преобразователя при уменьшении частоты питающей сети.

Рис. 32. Схема узла фазового сдвига

УЗЕЛ УПРАВЛЕНИЯ ЧАСТОТОЙ
Этот узел включает генератор регулируемой частоты, высокочастотный генератор заполнения и блок формирования режимов. Генератор регулируемой частоты (рис. 33) выполнен на основе интегрирующего операционного усилителя D1 с релейной положительной обратной связью, реализованной посредством усилителя D2. Входной сигнал от ЗИ иш подается на мостовую схему из резисторов R1-R3 и транзистора VT1. При закрытом транзисторе VT1 сигнал на входе и более положителен, чем на н, и на выходе D1 линейно возрастает отрицательное напряжение. В момент равенства на D2 входных напряжений его напряжение выхода меняет знак скачком с отрицательного до положительного потенциала насыщения. При этом открывается транзистор VT1 и на выходе D1 возрастает положительное напряжение до момента срабатывания D2. В результате на выходе D1 формируется периодическое треугольное напряжение, частота которого определяется значением {7ЗИ. С целью уменьшения емкости конденсатора С1 возбуждаемая частота в 2 раза выше требуемой.

Рис. 33. Схема генератора регулируемой частоты 
Рис. 34. Схема высокочастотного генератора заполнения

Поэтому на выходе генератора с помощью триггера D2 осуществляется деление частоты на 2. Высокочастотный генератор заполнения, схема которого приведена на рис. 34, обеспечивает генерацию импульсов частотой 5 кГц, которые подаются на управляющие переходы тиристоров преобразователя. Генератор реализован на основе мультивибратора, собранного на микросхемах И-НЕ D1-D3 с конденсатором С1, и формирователя импульсов на транзисторе VT1, микросхемы D5 и резисторно-емкостной цепи Rl, R2, СЗ. Блокировка импульсов заполнения производится подачей нулевых потенциалов на входы D1 при срабатывании узлов защиты, а также при установке командоконтроллера в нулевое положение.
Блок формирования режимов представлен на рис. 35. Он обеспечивает выделение и распределение импульсов, длительность которых составляет 100° в выпрямительном и 60° в инверторном режимах работы. Входные импульсы от генератора регулируемой частоты распределяются счетчиком А1 по шести каналам с делением частоты на 6. Затем в другом счетчике А2 производится деление на 3 импульсов одного из каналов. Логические элементы Dl-1 - Dl-3, D2-1 - D2-3, D3-1 - D3-3, D4-1 - D4-3 совмещают выходные импульсы с четырех каналов счетчика А1 и трех каналов счетчика А2 и образуют таким образом последовательности импульсов, в которых кодируется информация о длительности интервалов 100 и 60° в положительных и отрицательных полуволнах выходного напряжения. Съем этой информации осуществляется переключением 12 триггеров в сборке A3.

Рис. 35. Схема блока формирования режимов
БЛОК УПРАВЛЕНИЯ ФАЗОЙ (БУФ)
Блок предназначен для формирования управляющих импульсов на тиристоры преобразователя по заданному алгоритму. Этот алгоритм определяется сигналами управления, поступающими в БУФ от узла формирования режимов (рис. 35), обеспечивающего работу тиристорных групп в выпрямительном и инверторном режимах в течение 100 и 60° периода выходной частоты, и от фазосдвигателя (см. рис. 32), управляющего углами включения тиристоров. Кроме того, БУФ осуществляет управление реверсом привода путем изменения чередования включения тиристоров и блокировку инверторного режима на нулевой позиции ко- мандоконтроллера по командам от узла управляющих сигналов (рис. 29). Схема БУФ канала формирования управляющих импульсов тиристоров при образовании положительных полуволн выходного напряжения фаз А и В преобразователя приведена на рис. 36. Схемы остальных каналов идентичны. Прямоугольные импульсы 100А, 100В, 100С и 60А, 60В, 60С длительностью соответственно 100 и 60° выходной частоты, сдвинутые между собой на 120°, поступают на микросхемы И-ИЛИ-НЕ Dl, D2, D5.

Рис. 36. Схема блока управления фазой канала формирования управляющих импульсов тиристоров
Триггер на микросхемах И-НЕ D4-D6 определяет порядок чередования фаз а и с выходного напряжения. В зависимости от его состояния инвертированные импульсы 100В и 60В; 100С и 60С с верхнего или нижнего выходов микросхем D1 и D2 подаются на микросхемы И-НЕ D7 и затем на микросхемы И-ИЛИ-НЕ D3, D8, D9. На выходах микросхем И-НЕ D10-D12 происходит объединение на один тиристор управляющих импульсов выпрямительного и инверторного режимов и распределение их по тиристорам, подключенным к фазам А, В, С питающей сети и формирующим напряжение на выходах фаз а, Ь, с преобразователя. Например, импульс Аа подается на тиристор, подключенный анодом к фазе А сети и катодом к фазе а нагрузки (электродвигателя). Сигналы Выпрямление А, Выпрямление В, Инвертирование А, Инвертирование В от фазосдвигателя определяют задержку управляющих импульсов, т.е. углы управления в и р.
УЗЕЛ ВЫХОДНЫХ КАСКАДОВ (УВК)
Подача управляющих импульсов на тиристоры выпрямительных групп каждой из трех фаз преобразователя осуществляется от своего узла УВК. Узел содержит шесть импульсных усилителей мощности с трансформаторными выходами и является фактически согласующим устройством между системой управления и силовой частью преобразователя. Схема одного выходного каскада приведена на рис. 37. Формирование выходного импульса происходит при подаче нулевого потенциала хотя бы на один из входов усилителя. При этом закрывается транзистор VT1 и включается составной транзистор VT2-VT3.

Рис. 37. Схема узла выходных каскадов
В коллекторную цепь транзистора VT3 включена первичная обмотка импульсного трансформатора Т, входящего в состав блока импульсных трансформаторов в силовой части преобразователя. Вторичная обмотка Т через помехозащитную цепь RIO, Rll, V7, С подключена к управляющему переходу тиристора VS силовой части преобразователя.
УЗЕЛ ЗАЩИТЫ (УЗ)
Узел защиты выполняет сеточную защиту преобразователя по максимальному значению тока и минимальному значению выходного напряжения. Схема УЗ приведена на рис. 38. Узел содержит две пороговые схемы на операционных усилителях D1 и D2, введение которых в релейный режим обеспечивается положительными обратными связями через резисторы R10 и R11. напряжение уставки максимального тока подается с делителя R2-R4 через R6 на вход D1. Пока сигнал от датчика тока (ДТ) меньше определенного значения, транзистор VT1 открыт и триггер на микросхемах И-НЕ D4-D5 позволяет прохождение импульсов высокочастотного заполнения на силовые тиристоры преобразователя. Превышение сигнала от ДТ скачкообразно изменяет пороговую схему.

Рис. 38. Схема узла защиты
При этом блокируются импульсы управления и закрываются тиристоры преобразователя. Контроль минимума выходного напряжения осуществляется аналогичным образом.
Питание узлов системы управления преобразователя производится от источников постоянного напряжения ±12,6; +5 и ±27 В. По принципу действия схемы стабилизированных источников питания одинаковы с рассмотренными на стр. 51 и отличаются только отдельными деталями схемы. Поэтому в настоящем параграфе схемы источников питания не приводятся.