автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Исследование характеристик тиристорных электроприводов с повышенным коэффициентом мощности в режимах прерывистого тока

Р Г Б ОА

' ШКГ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ имени В,И.Ульянова (Ленина)

На правах рукописи

БАРРИ Абдул Азиз

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ТИРИСТОРНЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ С ПОВЫШЕННЫМ КОЭФФИЦИЕНТОМ МОЩНОСТИ В РЕМАХ ПРЕРЫВИСТОГО ГОКА

Специальность: 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 1994

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете имени В.И.Ульянова(Ленина)

Научный руководитель-кандидат технических наук доцент Яатышко В. Д

Официальные оппоненты: доктор технических наук профессор Герман-Галкин С.Г. кандидат технических наук доцент Барков А.П.

Ведущая организация: кафедра "Систем автоматического управления" Санкт-Петербургского технического университета

. Защита диссертации состоится " У^оЛСкСХ1994 г. вЬСчвс. на заседании диссертационного совета К 063.36.00 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета по адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться В библиотеке университет

Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационного совета

Балабух А.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА. РАБОТЫ

Актуальность теш. Вследствие все более широкого применения в промышленности различных систем тиристорного электропривода постоянного и переменного тока и вследствие свойственного тиристорным преобразователям недостатка - низкого значения коэффициента- мощности - в настоящее время сохраняет свою актуальность задача повышения со$у> преобразователей при глубоком ре- ' гулировании выпрямленного напряжения. Этому способствует также наблюдающиеся в современном мире обострение экономических и энергетических проблем.

Использование специальных'схем преобразователей, обеспечит вающих непосредственное повышение коэффициента мощности, является одним из наиболее экономичных и эффективных путей решения ■ этой задачи. Среди таких схем преобразователей наибольшее рас—> пространёние получили.схемы с естественной коммутацией тиристоров. Эти схемы-известны давно и их исследованию посвящено большое количество научных.работ. В большинстве из них рассматривается работа тиристорных электроприводов только в режиме непрерывного тока, а режимы их работы с прерывистыми токами исследованы недостаточно глубоко и подробно. Но реальные тиристорные электроприводы работают как в режиме непрерывного, так. и прерывистого токов, причем*работа в прерывистом режиме может занимать значительную часть рабочего цикла электропривода, иметь место в достаточно широком диапазоне изменения рабочих токов и играть существенную роль при синтезе систем управления и регулирования. Знание Особенностей режимов прерывистого тока необходимо также для осуществления раздельного управления, двумя комплектами вентилей реверсивных преобразователей. Таким образом, недостаточно полная.изученность режимов прерывистого тока электропривода с .этими типами преобразователей является одним из факторов, одерживающих их широкое применение.. Поэтому тема диссертации является актуальной.

Цель диссертационной работы. Целью диссертации является исследование характеристик электроприводов с преобразователями, выполненными по специальным схемам с повышенным коэффициентом мощности при-"естественной коиму-гацгф ве/пчшеГ; в равдмак -ВДерн-

вистого тока.

Задачами исследования являются:

- анализ перспективных вариантов схем и способов управления преобразователей с естественной коммутацией, которые имеют наибольшее практическое значение в системах электропривода и'которые можно охватить единой методикой расчета;

-''исследование режимов прерывистого и граничного токов электропривода с этими преобразователями и получение аналитических выражений для расчета статических характеристик;

- разработка методик расчета статических характеристик электроприводов в режимах граничного и прерывистого токов;

- разработка рекомендаций по. улучшению характеристик .тиристорных электроприводов с рассматриваемыми типами преобразователей.

Метода исследования. При выполнении.работы использовались методы анализа вентильных цепей, методы расчета линейных и нелинейных электрических целей, а также графо-аналитические и численные методы решения систем трансцендентных уравнений.

Научная новизна работы состоит 6 следующем:

1. Исследованы режимы прерывистого тока тиристорных электро приводов с преобразователями, выполненными по трем наиболее распространенным типам специальных схем с повышенным коэффициентом мощности при естественной Коммутаций вентилей. Выявлено 14 типов прерывистого режима и предложена Система их классификации. Дня всех типов схем преобразователей и всех типов режима прерывистого тока при любых возможных сочетаниях углов регулирования'получены в обдем виде аналитические выражения, определявшие значения выпрямленных напряжйния и тока. Установлены особенности прерывистых режимов у каящого из трех типов специальных схем преобразователей .

2. Для всех типов режима прерывистого тока электропривода получены математические соотношения, определяющие условия их существования.

3. Для всех принятых к рассмотрению специальных схем тиристорных преобразователей исследованы режимы граничного тока электропривода. Для каждого из трех возможных типов граничного, режима получены математические соотношения, определяющие условия его существования и соответствующие ему значения выпрямленного тока.

4. Установлено, что при трех типах режима прерывистого тока передаточный коэффициент тиристорного преобразователя равен нулю, а еще при пяти типах может принимать нулевое значение. Выявлены причины этого явления, ухудшающего статическую точность и динамические свойства электропривода, и предложен способ управления, устраняющий эти недостатки на основной части диапазона регулирования.

Практическая значимость диссертационной работы заключается в создании инженерной методики расчета статических характеристик электропривода с рассматриваемыми типами преобразователей с noy вышенным коэффициентом модности в режимах прерывистого тока и в разработке устройства для поочередного изменения углов регулирования преобразователей, обеспечивающего улучшение характеристик электропривода во всех основных типах режима граничного и прерывистого тока и облегчающего, построение систем управления реверсивным электроприводом.

В.целом, полученные результаты позволяют расширить область практического применения специальных схем преобразователей с повышенным коэффициентом мощности для электроприводов, работающих с малыми токами и обеспечивающих высокую, статическую точность. ~

Апробация работы. Основные результаты диссетрационной работы докладывались и^обсуждались на научно-технических конференциях СПбГЗТУ ,в 1990 - 1991 г.г.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав," заключения, списка литературы из 94' наименований и четырех приложений. Она содержит 133 страницы основного текста, 75 рисунков и две таблицы на 75 страницах и 20 страниц приложений. Обдий объем работы 246 страниц;

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Результаты анализа прерывистых и граничных режимов ти-ристорных электроприводов с рассматриваемыми типами преобразователей с повышенным коэффициентом мощности, включая классификацию этих режимов, математические критерии их существования, уравнения мгновенных значений выпрямленного тока и напряжения, определяюцие статические характеристики электропривода.

2, Графо-аналитический метод расчета статических характеристик электропривода п режимах прерывистого тока и алгоритмы

их расчета на ЭВМ.

3. Рекомендации ло улучшению характеристик в режимах прерывистого тока, включая способ и устройство его реализующее для поочередного изменения углов регулирования преобразователя.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность ■Темы диссертационной работы, сформулирована цель исследования и научные положения, выносимые'на защиту, и в краткой форме изложено содержание про-'веденных в работе исследований.

В первой главе проведен сравнительный анализ схем и характеристик преобразователей с повышенными энергетическими показателями и осуществлен выбор для дальнейших исследований определенных типов схем из числа наиболее перспективных для практического использования в системах автоматизированного электропривода,

Среди разных типов таких преобразователей наибольшей простотой при значительной эффективности характеризуются специальные схемы преобразователей, работающих при естественной коммутации вентилей. К их числу относятся схемы с поочередным, несимметричным и пофазным управлением и схемы с нулевыми или шунтирующими вентилями.

Из всех возможных вариантов схем выбранных типов для дальнейшего анализа приняты схемы, которые яри поочередном, несимметричном и пофазном управлении состоят или могут быть представлены состоящими из двух вкюченных последовательно или параллельно одинаковых т - фазных вентильных групп, а для преобразователей с нулевыми или шунтирующими вентилями - схемы, которые можно представить в виде т -фазной нулевой вентильной группы с нулевыми вентилем.

Эквивалентные схемы всех принятых к рассмотрению типов преобразователей содержат две группы вентилей, и вентили включаются при двух значениях угла регулирования с^и о^ . В преобразователях с поочередным управлением напряжения вентильных групп могут либо совпадать по фазе, либо быть сдвинутым* на угол £ = .

Выбор именно этих схем обусловлен стремлением, вб-первых, создать методику расчета прерывистых режимов для наибольшего

возможного числа различных вариантом схем и, в первую очередь, дЯя схем наиболее распространенных и перспективных для практического использования, и, во-вторых, сделать эту методику достаточно простой и единой для всех принятых к рассмотрению схем. В диссертации приведены примеры более двух десятков схем с числом фаз от двух до двенадцати, удовлетворяющих этим критериям.

Возможные различия в диапазонах и в последовательности изменения двух углов регулирования делают неоднозначными статические характеристики рассматриваемых преобразователей как в режимах непрерывного, так и в режимах граничного и прерывистого тока, что исключает возможность получения универсальных графических зависимостей,для характеристик граничного и прерывистого режимов, аналогичных зависимостям для обычных преобразователей, и создает необходимость получения аналитических зависимостей для-таких характеристик и создания соответствующей методики их расчета на ЭВМ.

Вторая глава посвящена анализу режимов прерывистого тока принятых к рассмотрению тиристорных электроприводов с повышенным коэффициентом мощности и получению математических соотношений для расчета характеристик электропривода.

Кроме обычных при анализе вентильных цепей допущений не учитывались токи намагничивания уравнительных реакторов в преобразователях с несимметричным и пофазным управлением и предпо-логалось, что при всех типах преобразователей управление тиристорами осуществляется широкими отдирающими импульсами.

В рассматриваемых преобразователях на каждой 1/т части периода ограниченной моментами поступления двух последовательных импульсов управления, соответствующих углу регулирования оС^ » имеются два временных подинтервала, разделенных моментом поступления импульса управления, соответствующего

углу ^¿з . Продолжительности подинтервалов составляйт

- *-

Параметр К представляет собой целую часть величины

Г +!!>)]. .

Для преобразователей с поочередным, несимметричным и пофаз-ным управлением мгновенные значения выпрямленной ЭДС при непрерывном выпрямленном токе на каждом из подинтервалов можно в относительных единицах записать в виде

В преобразователях с нулевыми или шунтирующими вентилями также справедливо (I) при подстановке ^ =0, к= I, а на втором подинтервале времени

еУ(со1)=о. а*

В прерывистых режимах выпрямленный ток на интервале может начинаться и прерываться один или два раза.

В результате анализа прерывистых режимов электроприводов с принятыми к рассмотрению типами преобразователей выявлены и классифицированы все возможние типы этих режимов, различаощие-ся числом импульсов тока и моментами их начала и окончания на двух временных подинтервалах 1/т. части периода. Всего в рассматриваемых преобразователях возможны 14 типов прерывистого режима. Основные параметры этих типов режима приведены, в таблице. '

В принятых обозначениях типов прерывистого режима с однократным прерыванием тока содержатся цифры "I" и "2", разделенные знаком тире и соответствующие номерам подинтервалов времени начала и конца импульсов тока. Если начало тока „не совпадает с началом подинтервала времени, то перед номером этого подинтер-вала в обозначении режима используется цифра "0". В обозначениях типов режима с двухкратным прерыванием тока записываются номера подинтервалов начала й конца вначале первого, я затем второго импульса тока.

В восьми из четырнадцати типов режима имеет место Однократное прерывание тока, в остальных шести типах ток на интервале %%/т. возникает и прерывается дважды.

мг п. п. тип РЕЖИМА 9, Л. 1'ы ¿¿(Ш^н)

1 1-1 — — 0 — •

2 (11 -1

3 1-2

4 01-2 9-0, к -Л со^

5 01'2'1 ^мГ"*' 27Г 1'<*1(<*1ш>° = + т)

6 2-2 — - — — - 0

7 02-2

8 2-1 01*' «•>**„-А. У 0)1

9 ^-1,2-2 0

Ш 1-1,02-2

И 01-1,02-2 •

а 1-2,02-2 иЛ' ы" ■

13 01-2,02-2

1ч 01-2,02-1 пГ +лг ¿¿2 =

В таблице для всех режимов приведены значения моментов времени начала и окончания импульсов тока на каждом подинтерва-ле времени.

При одиночных импульсах тока продолжительностью Л на ¿/т части периода моменты их начала составляют: - на первом подинтервале

wt = 0it - ¿¡ ,

при BNt < C0S[(K-1-)1 |)J

E Ф túU-arccos - , 1 cesV/z ■ *

при

ti>t'=-aiccos

¿ eos */2m

при

Y m

T

и cCz + fñ<c(.j<

Ж

Zm

-otccoi

I.Hp..

cos3r/2m '

y

на втором подинтервале

OJÍn..=

ZH

сoi*c<z+(2H-l)?ñ-tJ>, при

"к*

oút=-arceos,-

1 to&fy2m

T

2m

при

4~ -axccos—

Для режимов с двухкратным прерыванием тока на 1/пг части периода сети я таблице указаны значения моментов начала и окончания каждого из двух импульсов тока продолжительностью и X¿ . Если на каком-либо подинтервале ток прерывается ,,и возникает вновь, в соотьегстт.угацих столбцах таблицы указаны моменты начала и окончания обоих импульсов тока этого подинтервала:ut , ^1нг ' ^íkl • ^uz ~ первого подинтервала и cút2ffi ,cot¿¿2, b)t¿ > a)t¿KZ~ для второго полинтервала времени.

Наибольшим разнообразием режимов-«рздшдаторо тока характеризуются преобразователи с пю'очередййм управлением. В этих преобразователях могут наблзвдаяьея все четурадцать типов режима. Причем, в преобразователях с f) При числе фаз m > Z возможны восемь типов прерывистого режима» а при Р -Щ при любом числе фаз возможны тринадцать типов режима, т.е. все типы прерывистого режима, кроме "Ol-S",

Прерывистые' режимы преобразоваяеяей с несимметричным и с пофазным управлением аналогичны 'режимам преобразователей с поочередным управлением при ф =0.

В преобразователях с нулевшй ййй с Шунтирующими вентилями при т> 2 возможны только ПйТь ТШОй прерывистого режима, три из которых соответствуют типам прерывистого режима обычных схем преобразователей. \

э При числе фаз m. -Z ъ схемах преобразователей с поочередным управлением и *ft =0, с пофазным управлением и с нулевыми или шунтирующими вентиллш возможны шесть типов прерывистого режима ("I-I", "0I-I'\ "1-2'У'01-2"', "01-2-1" и "2-1").

. Для всех типов прерывистого режима при всех вариантах рассматриваемых схем, Для всего диапазона регулирования в общем виде, т.е. для лйбого числа фаз, для любых сочетаний углов регулирования и для обоих значений' р ( ф =0 и <р 4 щ- ) мгновенные и средние значения выпрямленного тока в относительных единицах могут быть получены из соотношений (jút

6JÍ

j[e;¿a>t)-EJcfcot * 4,/иЦ) •

f * )■ Ъ X f ] l'^Wut * Г ¿* (ui)dwt], ( 2)

{>2 cofc

- 10 -

где EHif - относительное; значение ЭДС двигателя.

Значения ty/= ^(«А^Л . Ч/С^у ) для

всех типов режима указаны в 6 и 9 столбцах таблицы.

При принятых допущениях средние значения выпрямленного напряжения

V,

<<* н* (з)

для каждого типа прерывистого режима определяются из уравнений

Найденные описанным методом значения ( 2 ), ( 3 ) представляют собой систему трансцендентных уравнений (двух - для режимов с однОкратщам прерыванием тока или трех - для режимов с двухкратным прерыванием тока), зависящих от типа прерывистого режима и содержащих подлежащие исключению параметры Xj , Для выполнения практических расчетов необходимо прежде всего опре--делить тип прерывистого режима, который зависит от роотношенйя значений углов регулирования и ЭДС двигателя.

Получены математические выражения, определяющие условия существования (критерии) каждого типа прерывистого режима по соотношениям между ЭДС двигателя и вспомогательными величинами.'

ej --<

"птах

р* *<>w-h

Ф к 7 V

cos у при j- ;

е, =

a*mat

cos

irrt

при

сСл< 2

■(КЧ)

£ т •

и*

WitH

+m

Ъ*т-а?гн1 . J

Для преобразователей с нулевыми или шунтирующими вентилями вместо (4.) и (¿П) справедливо

ed ("t") = eliw^J - о.

"»max а* гн

Математические критерии существования разных типов режима прерывистого тока вместе с соответствующим этим типам режима bi 'ражениям (2 ) и ( 8 ) обеспечивают возможность расчета статических характеристик электропривода при любых соотношениях углов регулирования. •

Третья глава посвящена разработке иня!^*"т,чых методов расч та статических хаюактешстик электропривода в режимах прерывистого тока.

Поскольку полученные математические уравнения для напряжений, токов и критериев существования типов режима в большинстве случаев не имеют аналитических решений и для их решения несбхо-

- 12 - с

димо использовать приближенные численные методы, расчет статических характеристик электропривода следует производить с помощью ЭВМ. В работе для всех типов прерывистого режима и всех рассматриваемых схем и способов управления преобразователей разработаны принципы токого расчета. Расчет внешних характеристик целесообразно вести при увеличении напряжения от значения, равного ЭДС граничного режима, в следующем порядке: по соотношению углов регулирования и ЭДС двигателя определяется тип режима, затем из соответствующего уравнения напряжения определяются углы проводимости и по ним находится значение выпрямленного тока.

Показано, что для большинства систем промышленного электропривода на основной части диапазона регулирования напряжения •имеют место только пять основных типов режима прерывистого тока; . "I-I", "1-2", "2-2", "2-1" и "1-1,2-2". Учитывая относительную простоту математических уравнений, соответствующих этим режимам, для них поставлена и решена задача разработки графо-анали-тического метода построения внешних и регулировочных характер ристик. Построение, внешних характеристик производится при. уменьшении ЭДС двигателя от значения, соответствующего нулевому току до значения соответствующего граничному режиму. Графические методы используются для определения типов.режима, пределов изменения угла проводимости и нахождения тока в. режиме "1-1,2-2".

• Для этих же пяти основных типов режима разработаны алго-' ритм и программа расчета характеристик электропривода на ЭВМ.

В четвертой главе исследованы границы прерывистых режимов, проведен анализ характеристик электропривода в зоне прерывистых токов и предложены пути их улучшения.

Показано, что переход от прерывистого режима к непрерывному, осуществляемый путем увеличения-выпрямленного тока при неизменных значениях углов регулирование,может происходить при трех типах прерывистого режима ("1-2", "QI-2-I" и "2-1"). Поэтому возможны три типа граничного режима (названных соответственно режимами типов "I", "01" и "2"), различающиеся расположением на двух подинтервалах времени l/т части периода сети момента равенгства нулю мгновенного значения выпрямленного тока. Для каздого из этих типов граничного режима получены математические соотношения, определяющие условия его существования и

соответствующие ему зависимости выпрямленного тона от углов регулирования.

Условия существования разных типов граничного режима можно записать в виде:

- для режима "I"

- для режима "01"

- для режима "2"

где Е^уь* - значение выпрямленной ЭДС в граничном (предельно-непрерывном) режиме..

Для преобразователей с поочередным, с несимметричным и по-фазным управлением.

а для преобразователей с нулевыми или шунтирующими вентилями

Проводен анализ регулировочных 'характеристик рассматриваемых преобразователей в режимах прерывистого тока. Показано, что в большинстве типов прерывистого режима регулировочные характеристики могут иметь участки с нулевым наклоном, т.е. передаточный коэффициент' тиристорного преобразователя по управлению, который в общем случае для " П. "-го прерывистого режима можно представить в виде

T«~ctU^ ~ 'düy * cWy *

где Vj - напряжение управления, может принимать нулевое значение.

При поочередном изменении углов регулирования равенство нулю Ктп обеспечивается на участке, изменения при oL^ccnst в режимах "OI-I", "01-2", "2-2", «02-2"» "01-1,02-2" и "01-2, 02-2", при которых ^=0 и на участие изменения оС^ при oi^con&i в режимах "í-I", "01-1", "02-2", "1-1,02-2" и "01-1, 02-2", когда =0.

Наличие зон нечувствительности неблагоприятно сказывается на динамических свойствах и статической точности замкнутых систем регулирования тиристорных электроприводов.

Для устранения нежелательных особенностей прерывистых и граничных режимов работы предложено устройство, которое обеспечивает возможность реализации различных способов поочередного изменения углов регулирования при непрерывном токе электропривода и переводит преобразователь в работу с одновременными изменениями углов регулирования при малых выпрямленных токах. При этом режимы граничных и прерывистых токов становятся такими же, каК у обычных преобразователей.

Пятая глава посвящена экспериментальным исследованиям режимов прерывистого тока, которые проводились на лабораторной установке тиристорного электропривода с.преобразователем, состоящим из двух последовательно включенных и поочередно регулируемых трехфазных вентильных групп, анодные напряжения которых сдвинуты по фазе относительно друг друга на угод ¡/> = ~ . При проведении исследований были получены все возможные в данной схеме преобразователя 13 типов прерывистого и 3 типа граничного режимов.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.

В приложениях приведены: полные математические соотношения, определяющие выпрямленные напряжения, токи и критерии существования для всех типов прерывистого режима преобразовате-

лей с поочередным, несимметричным и пофазным управлением (приложение I) и преобразователей с нулевыми и шунтируюдими вентилями (приложение 2); полные математические соотношения для критериев сущесФвования разных типов граничного режима всех рассматриваемых преобразователей с повышенным коэффициентом мощности ( приложение 3)} программа расчета статичесйих характеристик электропривода для «яти основных типов режима прерывистых токов (приложение 4У.

ОСНОВНЫЕ РЕЗШЛШ И ВЫВОДЫ

1. Проведен теоретический'анализ режимов прерывистых токов гиристорного электропривода постоянного Тока с преобразователями, выполненными по трем наиболее распространенным типам схем Преобразователей с повышенным коэффициентом мощности - с поочерёдным, несимметричным и пофазным управлением и с нулевыми или шунтирующими.вентилями. Выявлены и классифицированы четырнадцать типов прерывистого режима, длд которых предложена система условных обозначений и подучена В общем виде уравнения мгновенных и- средних значений напряжений и токов и определен математические критерии существований.'

2. Для вое* типов прерывистого режима и всех типов схем тирйсторных преобразователей разработанУ общие принципы построений алгоритма расчета статических характеристик электропривода на.ЭВМ. Для Пяти основных типов прерывистого режима разработаны графо-аналитический метод расчета Статических характеристик электропривода, а.также алгоритм и программа их расчета на ЭВМ,.

3. При всех рассматриваемых типах тиристорных преобразователей выявлены и классифицированы три типа режимов граничного тока°электропривода, получены уравнения токов в этих режимах и математические критерии их существования.

"4. В результате анализа статических характеристик электропривода установлено, что в большинстве типов режима прерывистого тока регулировочные.характеристики могут:иметь участки с. нулевым наклоном, что соответствует нулевому значению передаточного коэффициента тиристорного преобразователя; выявлены причи-

ны этого явления,

5. Предложены способ и устройство, ера реализующее для поочередного изменения, двух углов регулирования ти^аслорных преобразователей с повышенным коэффициентом, мощности, обеспечива-т ющие улучшение статических характеристик Электропривода в режимах граничного и прерывистого ток§ путем, плавного перехода от поочередного к одновременному изменению, углов регулирования в функции якоря двигателя.

6. Проведенные экспериментальные исследования режимов пре.г-рывистого тока электроприводе о преобразователем, состоящим из двух вентильных групп с поочередным управлением, подтвердили основные положения, полученные в результате теоретического анализа.

Подписано в печать 21.10.94. Формат 60x84 1/16 Офсетная печать. Уч.-изд. 1,0', Тираж 100 экз. Зак. №,772

Ротапринт МГП "Полисом" 197376, Санкт-Петербург, ул.Проф. Попова, 5