Назначение, основные требования и элементная база систем управления преобразователями

1. Назначение, основные требования и элементная база систем управления преобразователями.

2. Принципы построения структурных схем систем управления силовыми цепями и широтно-импульсных преобразователей.

3. Структурные схемы систем управления одно- и многофазными частотно-импульсными преобразователями.

4. Структурные схемы систем управления автономными инверторами.

Система управления преобразователем предназначена для:

– обработки поступающей информации от датчиков и задатчиков уставок (тока, напряжения, температуры и т.д.), контролирующих состояние электрического оборудования и режимов движения подвижного состава;

– выработки сигналов управления полупроводниковыми ключами достаточной длительности и мощности;

– обеспечения нормального функционирования и защиты элементов преобразователей и потребителей от нештатных ситуаций путём подачи и снятия импульсов управления с полупроводниковых ключей в строго определённой последовательности;

Рекомендуемые материалы

– сигнализации о состоянии элементов преобразователя и самой системы управления.

 Поскольку система управления, как правило, не может быть выполнена в едином блоке (датчики и распределители импульсов расположены в силовом блоке преобразователя, задатчики уставок – в кабине водителя и т.д.), то она должна удовлетворять требованиям, предъявляемым к преобразователям (см. лекцию 1).  Кроме того, к системе управления предъявляются дополнительные требования:

– система должна обеспечивать гальваническую развязку высоковольтных цепей преобразователя и низковольтных цепей управления;

– система управления должна обладать высокой степенью помехозащищённости;

– система управления преобразователем должна быть совместимой с цепями управления остальным оборудованием подвижного состава, а также с аналогичными системами управления других единиц подвижного состава (для работы по системе многих единиц).

Элементной базой цепей системы управления преобразователем являются, как правило, серийно выпускаемые функционально законченные элементы – микросхемы, транзисторы, резисторы, конденсаторы, дроссели, трансформаторы и т.д. Однако в последнее время наметилась тенденция на сокращение внешних электрических связей между узлами системы управления путём разработки специализированных больших интегральных микросхем (промышленных контроллеров), на входы которых подаются сигналы от датчиков и задатчиков, а с выхода сигналы управления соответствующими ключами преобразователя.

Независимо от элементной базы сильноточных цепей преобразователей, количества фаз, типа подвижного состава и т.д., все без исключения системы управления должны содержать определённый набор функционально законченных блоков. Вместе с тем, нельзя не отметить, что структура системы управления преобразователем существенно зависит от схемного решения конкретного преобразователя. Поэтому разработка структурной схемы системы управления начинается с анализа режимов работы силовых цепей преобразователя.

В качестве примера рассмотрим принципы разработки структурной схемы двухфазного широтно-импульсного преобразователя с общим узлом емкостной коммутации на SCR-тиристорах, работающего на раздельную (пофазную) нагрузку (см рис. 55). Диаграммы электромагнитных процессов в цепях преобразователя, приведённые там же, отражают характер процесса перезаряда коммутирующего конденсатора С, токов фаз и времена подачи отпирающих импульсов на управляющие электроды тиристоров. Схема не содержит целого ряда электрических и электронных аппаратов, необходимых для нормального функционирования преобразователя. Так, в частности, отсутствуют датчики тока, напряжения, температуры и т.д., необходимые для сбора информации о состоянии цепей всего подвижного состава и элементов самого преобразователя. Однако, при разработке структурной схемы они будут учтены. Преобразователь не содержит цепей ослабления поля электрических двигателей в целях упрощения изложения принципов разработки структурной схемы управления и может быть дополнен студентом самостоятельно.

Источником питания ИП1 системы управления преобразователем (см. рис. 56) должен служить автономный источник, в качестве которого целесообразно использовать аккумуляторную батарею. Поскольку элементы системы управления требуют в большинстве своём различные уровни питающего напряжения, то возникает необходимость согласования напряжения источника питания с их напряжением, для чего в системе управления используются маломощные преобразователи, питающие конкретных потребителей. В схеме они сведены в один блок ИП2.

Поскольку основное назначение структурных схем заключается в обозначении путей информационных каналов, то связи ИП2 с блоками системы управления условно не показаны.

Работу системы управления необходимо привязать к опорному генератору временного интервала, которым в преобразователях с широтной модуляцией является длительность периода регулирования, а в частотных – диапазон изменения частоты регулирования. Длительность периода регулирования в широтно-импульсных преобразователях и максимальная частота в частотно-импульсных определяются параметрами силовых полупроводниковых приборов, используемых в качестве ключей сильноточных цепей преобразователя. Обычно генератором временного интервала является генератор прямоугольных импульсов, называемый генератором тактовых импульсов (ГТИ) или задающим генератором (ЗГ). Выполнение одного из основных требований, предъявляемых к системе управления – стабильности выходных параметров, однозначно определило элементную базу ЗГ: кварцевый резонатор. Так как частоты генерации импульсов кварцевых резонаторов лежит в пределах десятков килогерц … сотен мегагерц, а рабочая частота тиристоров не превышает 1…2 кГц, то в задающем генераторе предусматривается применение делителей частоты, понижающих выходную частоту ЗГ до приемлемого значения.

Для обеспечения жёсткой фиксации периода регулирования по фазам со сдвигом друг относительно друга на 180⁰ эл. в схеме предусмотрено формирование импульсов на гасящие тиристоры VS4 и VS5 первой фазы и VS3 и VS6 второй фазы по переднему и заднему фронтам тактовых импульсов соответственно. При формировании переднего фронта тактового импульса сигнал поступает на формирователь импульсов ФИ, где вырабатывается сигнал оптимальной для наилучшего отпирания тиристоров формы и длительности, откуда он поступает на усилитель мощности УМ и блок задержки . Усилитель необходим для того, чтобы сформировать мощный сигнал, достаточный для отпирания нескольких тиристоров (например, при работе по системе многих единиц – СМЕ, либо при последовательном включении нескольких тиристоров).

В целях обеспечения гальванической развязки низковольтных цепей системы управления и высоковольтных – преобразователя, подача отпирающих импульсов на управляющие электроды тиристоров осуществляется через распределитель импульсов РИ, откуда – на тиристоры  VS4 и VS5 первой фазы.

Применение блока задержки вызвано необходимостью стабилизации времени импульса. Для этого поступивший с формирователя импульс задерживается на период времени Δt=t_сх (на диаграмме рис. 55 – интервал t₀ – – t₁), в течение которого тиристору VS1 предоставлено время для запирания. По истечении времени задержки усиленный отпирающий импульс через распределитель поступает на управляющий электрод тиристора VS7 цепи ускоренного перезаряда. Если конденсатор С в этот момент сохранил заряд, то с этого момента начинается принудительный его перезаряд по контуру конденсатор С – дроссель L – тиристор VS7 – конденсатор С. К моменту времени t₃ процесс перезаряда заканчивается и гасящие тиристоры запираются, отключая тяговый двигатель от источника питания. Для поддержания в двигателе средней за период регулирования величины тока в момент времени t₄ отпирается главный тиристор VS1. Для определения времени отпирания тиристора в системе управления используется элемент сравнения тока первой фазы ЭСТ1_ф (называемый иногда нуль-органом). На него поступают сигналы от датчика тока фазы  ДТФ₁ и задатчика уставки  тока (контроллера водителя) ЗУТ. В момент равенства нулю разности сигналов с датчика и задатчика (например, в момент времени  t₄) с элемента сравнения поступает сигнал на формирователь импульса канала главного тиристора, он вырабатывает импульс, который после усиления через распределитель поступает на тиристор  VS1. Увеличение тока уставки приводит к более раннему появлению импульса управления (момент времени t₄ на диаграмме сдвигается влево). Уменьшение тока уставки, либо возрастание тока двигателя приводит к уменьшению периода проводящего состояния главного тиристора, т.е – к смещению момента времени t₄ на диаграмме вправо. 

Аналогично устроен блок управления тиристорами второй фазы с той лишь разницей, что сигнал на запуск формирователя второй фазы поступает не по переднему, а по заднему фронту тактового импульса ЗГ.

Система управления преобразователем, как известно, должна выполнять и защитные функции. Защите подлежат, как элементы собственно преобразователя, так и аппараты силовых цепей подвижного состава. Особое значение на транспорте имеет приоритетность режимов движения: в любых ситуациях режим торможения является приоритетным по отношению к пуску и выбегу. Поэтому при нажатии на педали «Пуск» и «Торможение» должна собираться только схема торможения.

Электрооборудование подвижного состава необходимо защищать от:

– чрезмерных токов перегрузки (I_макс);

– повышения напряжения сверх допустимой величины (U_макс);

– чрезмерного понижения напряжения (U_мин);

– превышения скорости движения (v_констр);

– перегрева (t⁰).

На некоторых видах подвижного состава необходима защита от повышения давления, понижения уровня жидкости и т.д.

Сигналы от датчиков контролируемых величин заводятся в блок защиты, в котором расположены задатчики соответствующих эталонных сигналов: задатчик максимальной величины тока поезда (ЗМТ), задатчик уставки скорости (ЗУС), задатчик уставки напряжения контактной сети (ЗУН), задатчик уставки температуры (ЗУТр). На рисунке они условно вынесены в силовой блок. При отклонении контролируемых величин от эталонных блоком защиты вырабатывается запрет сначала на формирование отпирающих импульсов в каналах главных тиристоров фаз, а по истечении одного…двух периодов регулирования – на работу ЗГ.

При разработке принципиальной электрической схемы цепей управления электрооборудования всего подвижного состава система управления преобразователем интегрируется с блоками управления другого электрооборудования. Поэтому возникает возможность перекрёстной блокировки несовместимых режимов работы. Например, блокировочные контакты контакторов, замыкающиеся в цепях, собираемых для пуска и торможения, могут быть включены в каналы системы управления.

Структурная схема системы управления однофазным преобразователем получается путём исключения каналов управления фазами, начиная со второго.

          

На рис. 57 приведена принципиальна электрическая схема т-фазного преобразователя на т+1 модуле из последовательно включённых пар IGBT-транзисторов, позволяющая осуществлять режимы пуска и торможения подвижного состава без коммутации якорной цепи электродвигателей. При пуске подвижного состава работают верхние транзисторы модулей, а в режиме торможения – нижние. Обмотки возбуждения двигателей получают питание от мостового электронного реверсора, выполненного на базе модуля т+1 из четырёх транзисторов VT1…VT4, обеспечивающего реализацию режимов пуска и торможения, а также изменение направления вращения якорей тяговых электродвигателей. Независимое питание обмоток возбуждения через электронные ключи позволяет получить любые характеристики двигателей.

Отличительной особенностью цепей преобразователя является то, что они позволяют осуществлять, как частотное, так и широтное регулирование.

 На рис. 57 приведена принципиальна электрическая схема т-фазного преобразователя на т+1 модуле из последовательно включённых пар IGBT-транзисторов, позволяющая осуществлять режимы пуска и торможения подвижного состава без коммутации якорной цепи электродвигателей. При пуске подвижного состава работают верхние транзисторы модулей, а в режиме торможения – нижние. Обмотки возбуждения двигателей получают питание от мостового электронного реверсора, выполненного на базе модуля т+1 из четырёх транзисторов VT1…VT4, обеспечивающего реализацию режимов пуска и торможения, а также изменение направления вращения якорей тяговых электродвигателей. Независимое питание обмоток возбуждения через электронные ключи позволяет получить любые характеристики двигателей.

Отличительной особенностью цепей преобразователя является то, что они позволяют осуществлять, как частотное, так и широтное регулирование.

Рассмотрим структурную схему системы управления преобразователем при частотном способе регулирования (см. рис. 58).

Назначение всех элементов системы управления аналогично рассмотренным ранее (см. рис. 56). Однако существенно отличается роль ЗГ. Если в предыдущей схеме использовался выходной сигнал постоянной частоты, передний и задний фронты которого управляли работой соответствующих фаз преобразователя, то в данной схеме с ЗГ на каждую фазу поступают сигналы по своему каналу, т.е. блок имеет т+1 выход. При этом частота следования импульсов в каждой фазе f_ф=f_ЗГ /(т_ф), а частота  м+1 модуля может быть значительно ниже. Кроме того, переход на другую элементную базу (IGBT-транзисторы) требует формирования импульсов управления значительно большей длительности (вплоть до Т_р).

В отличие от предыдущей схемы в блок системы управления включены блокировочные контакты сильноточных коммутационных аппаратов («Пуск – Торм », «Вп – Нз »), благодаря чему повышается надёжность управления режимами движения.

Самым же существенным отличием структурной схемы является то, что управление работой фаз преобразователя происходит не под действием канала регулирования тока каждой фазы, а по каналу регулирования скорости вращения осей колёсных пар. Для этого сигналы от датчиков скоростей вращения колёсных пар (или якорей машин) заводятся в блок сравнения скоростей (ЭСС), где и производится сравнение их с сигналом задания уставки скорости (ЗУС), связанным с контроллером водителя. Канал регулирования тока в данной системе выступает как ограничительный.

Принцип работы системы рассмотрим на примере управления первой фазой преобразователя. При установке водителем контроллера управления на любую позицию пуска подвижного состава собираются цепи пуска тяговых двигателей, что приводит к замыканию блок-контактов Пуск в системе управления преобразователем. Одновременно задаётся скорость движения и сигнал с ЗСС поступает на ЭСС. В зависимости от направления движения (Вп – Нз), задаваемого водителем, открывается канал для сигнала управления соответствующей парой транзисторов (VT1,4 или VT2,3), обеспечивая тем самым питание обмоток возбуждения тяговых двигателей. Поскольку при трогании с места сигнал с датчиков скоростей колёсных пар равен нулю, то задающий генератор начинает выдавать сигналы управления на все фазы и модуль т+1. Если ток какой-либо из фаз превысил заданную величину, происходит блокирование ФИ в этой фазе до тех пор, пока он не снизится до приемлемого значения. После этого ФИ этой фазы опять выдаёт импульсы управления на транзистор VT1своей фазы.

Аналогично система работает в режиме торможения, с той лишь разницей, что сигналы на фазы поступают по каналу режима торможения (замкнуты блок-контакты Торм, а не Пуск).

При поступлении на Блок защиты сигналов с датчиков контролируемых величин о превышении параметров происходит блокирование формирователей импульсов соответствующих фаз, при превышении величины тока в цепи обмоток возбуждения электродвигателей – в ЗГ.

Структурная схема системы управления однофазным преобразователем получается путём исключения каналов управления фазами, начиная со второго.

Структурная схема системы управления 6-фазным преобразователем на базе SCR-тиристоров приведена в методических указаниях по «Импульсным системам управления».

"20 Эмульсии" - тут тоже много полезного для Вас.

Для пояснения принципов построения структурной схемы системы управления воспользуемся принципиальной электрической схемой цепей серийно выпускаемого модуля на IGBT-транзисторах, отличительной особенностью исполнения которого является наличие встроенных датчиков фазных токов и устройства, управляющего отпиранием транзисторов (driver). В качестве прототипа используем модуль фирмы Semikron с шестью IGBT-транзисторами. Схема цепей преобразователя с подключённым к его выходу тяговым двигателем приведена на рис. 59.

Применение в качестве электронных ключей транзисторов позволяет осуществлять широтную модуляцию напряжения, подаваемого на двигатель, что очень важно при осуществлении частотного пуска, когда необходимо соблюдать известное соотношение между величинами питающего двигатель напряжения и его частотой (см. выше). Один из вариантов реализации широтно-импульсной модуляции напряжения, питающего асинхронный двигатель, приведён на рис. 60. Изменением длительности импульса и момента его появления можно регулировать амплитуду и частоту выходного напряжения инвертора.

Структурная схема системы управления преобразователем приведена на рис. 61.  Назначение элементов системы такое же, как и в предыдущих. Однако ЗГ выполнен по другой схеме: он имеет 3 выходных канала. Первый из них (верхний на схеме) обеспечивает подачу тактовых импульсов сначала на формирователь фазы а, затем – в, после чего – на фазу с тягового электродвигателя. При осуществлении пуска такая последовательность обеспечивает вращение ротора электродвигателя в одном направлении (например, вперёд). По среднему каналу тактовые импульсы поступают ан формирователи фаз в последовательности: фаза в , фаза а, фаза с, что обеспечивает вращение ротора в обратную сторону. По нижнему каналу подаются тактовые импульсы только на формирователи фаз а и в, причём только на транзисторы VT1 и VT4, что обеспечивает режим электрического торможения. Запуск формирователя импульсов, например, в фазе а начинается при поступлении первого тактового импульса с ЗГ. Запуск формирователя импульсов фазы в начинается при поступлении второго тактового импульса с ЗГ, а в фазе с – третьего. Причём, отпирающие импульсы во всех фазах поступают на транзисторы верхних плеч инвертора, т.е. на VT1, VT3 и VT5. Четвёртый тактовый импульс приходит на формирователь фазы а, что приводит  к снятию управляющего импульса с транзистора  VT1 и отпиранию транзистора VT2 этой фазы. Пятый тактовый импульс приходит на формирователь фазы в, что приводит  к снятию управляющего импульса с транзистора  VT3 и отпиранию транзистора VT4 этой фазы. С приходом шестого тактового импульса (на фазу с) запирается  VT5 и отпирается VT6. Седьмой тактовый импульс поступает на формирователь фазы а и процессы в системе управления повторяются.

Управление работой ЗГ осуществляется по скорости, а длительность (ширина) импульсов регулируется по уровню напряжения (на схеме не показано). При превышении токами фаз предельных величин корректировку в длительность проводящего состояния транзисторов вносит сигнал ограничения по току (например, в фазе а – элемент сравнения токов 1-ой фазы ЭСТ1ф).

При отклонении параметров контролируемых сигналов, поступающих с соответствующих датчиков в блок защиты, из него поступает запрет на формирование отпирающих сигналов всех каналов.