RU132931U1

RU132931U1 - DEVICE OF SINGLE-POLAR BYPASSING OF THYRISTORS IN REVERSE THREE-PHASE ELECTRIC DRIVE

Info

Publication number: RU132931U1
Application number: RU2013105824/07U
Authority: RU
Inventors: Вячеслав Семенович Осипов; Виктор Иванович Котенев; Александр Александрович Базаров
Priority date: 2013-02-12
Filing date: 2013-02-12
Publication date: 2013-09-27

Abstract

Устройство однополярного шунтирования тиристоров в реверсивном трехфазном электроприводе, состоящее из последовательно включенных биполярного транзистора и диода и параллельно им варистора, соединено с выходом катодной группы тиристоров и нулевой точкой силового трансформатора, шунтируя тем самым якорь электродвигателя и уравнительный дроссель, аналогично устройство обратной проводимости соединено с выходом анодной группы тиристоров и нулевой точкой силового трансформатора, входы устройств однополярного шунтирования соединены через усилители мощности с выходом логического устройства, служащим для своевременного включения устройств однополярного шунтирования, входы логического устройства соединены с выходами датчиков проводимости токов групп тиристоров, а также соединены с выходом переключающего устройства, вход которого соединен с входом СИФУ, контролируя тем самым полярность на входе СИФУ и включение в работу отдельных групп тиристоров, чем, в отличие от электроприводов без шунтирования, достигается установка начальных углов открывания тиристоров 150° и уменьшение зоны нечувствительности регулировочных характеристик.A device for unipolar shunting of thyristors in a reversible three-phase electric drive, consisting of a bipolar transistor and a diode connected in series and a varistor in parallel with it, is connected to the output of the cathode group of thyristors and the zero point of the power transformer, thereby shunting the motor armature and surge choke, similarly, the reverse conductivity output device is connected to anode group of thyristors and a zero point of a power transformer, the inputs of unipolar shunt devices are connected through power amplifiers with the output of the logic device, which serves for timely switching on of unipolar shunt devices, the inputs of the logic device are connected to the outputs of the conductivity sensors of the currents of the thyristor groups, and are also connected to the output of the switching device, the input of which is connected to the input of the SIFU, thereby controlling the polarity at the input of the SIFU and the inclusion in the work of individual groups of thyristors, which, in contrast to electric drives without shunting, achieves the installation of the initial opening angles of thyristors of 150 ° and reduction of the dead zone adjustment characteristics.

Description

Полезная модель относится к устройствам преобразовательной техники и может быть применено в реверсивных тиристорных электроприводах постоянного тока с обратной связью по скорости. Силовая схема выполнена по реверсивной трехпульсной противопараллельной схеме выпрямления с уравнительными дросселями, с естественной коммутацией тиристоров. На выпрямительную и инверторную группу тиристоров управляющие импульсы подаются раздельно с целью исключения статического уравнительного тока между группами вентилей и уменьшения зоны нечувствительности регулировочных характеристик вход-выход.The utility model relates to devices of converting technology and can be used in reversible thyristor DC drives with speed feedback. The power circuit is made according to a reversible three-pulse antiparallel rectification circuit with equalizing chokes, with natural switching of thyristors. The control pulses are supplied to the rectifier and inverter group of thyristors separately in order to eliminate the static equalizing current between the valve groups and reduce the deadband of the input-output control characteristics.

Рассмотрим этот вопрос подробнее. В книге (Зимин Е.Н. и др. Электроприводы постоянного тока с вентильными преобразователями / Е.Н.Зимин, В.Л.Кацевич, С.К.Козырев. - М.: Энергоиздат, 1981. - 192 с, ил.) приведены графики напряжений (стр.86) трехфазного реверсивного электропривода, при линейном, совместном и согласованном управлении, с углами открывания катодной (выпрямительной) группы a_B=60⁰ и анодной (инверторной) группы a_И=120⁰, которые приведены на рис.2. Начальные углы открывания равны 90°.Let's consider this question in more detail. In the book (E. Zimin and others. DC electric drives with valve converters / E.N. Zimin, V.L. Katsevich, S.K. Kozyrev. - M .: Energoizdat, 1981. - 192 p., Ill. ) shows the voltage graphs (p. 86) of a three-phase reversible electric drive, with linear, joint and coordinated control, with the opening angles of the cathode (rectifier) group a _B = 60 ⁰ and the anode (inverter) group a _И = 120 ⁰ , which are shown in Fig. .2. The opening opening angles are 90 °.

Анализ графиков показывает, что в инверторной группе нарушен закон сохранения, по закону Ленца энергия запасенная в индуктивности уравнительного дросселя на отрезке времени t₁ отрицательной полуволны синусоиды, не может захватывать большую область на отрезке времени t₂ положительной полуволны синусоиды. Экспериментально установлено, что графики напряжений анодной группы будут как показано на рис.3, то есть среднее напряжение в пределах а_И>90° будет равно нулю. Так как среднее напряжение выпрямительной группы >0, то неизбежен прорыв инвертора.The analysis of the graphs shows that the conservation law is violated in the inverter group, according to Lenz’s law, the energy stored in the inductance of the equalizing inductor in the time interval t _{1 of the} negative half wave of the sine wave cannot capture a large area in the time interval t _{2 of the} positive half wave of the sinusoid. It was established experimentally that the graphs of the stress of the anode group will be as shown in Fig.3, i.e. the average voltage in the range A _and> 90 ° is zero. Since the average voltage of the rectifier group is> 0, an inverter breakthrough is inevitable.

На практике (см., Чернов Е.А., Кузьмин В.П. Комплектные электроприводы станков с ЧПУ. Справочное пособие - Горький: Волго-Вятское кн. изд - во, 1989, стр.97-111) устанавливают начальные углы открывания а_НАЧ=132° и применяют нелинейное согласованное управление с переходом затем к раздельному управлению.In practice (see, Chernov EA, Kuzmin VP Complete electric drives of CNC machine tools. Reference manual - Gorky: Volga-Vyatka book publishing house, 1989, pp. 97-111) set the initial opening angles a _NAV = 132 ° and apply non-linear coordinated control with the transition then to separate control.

На рис.4 приведены регулировочные характеристики катодной группы при а_НАЧ=130° (сплошные линии). Максимальное значение опорного напряжения СИФУ UОПmax=8,0 В. Из графиков видно, что характеристика вход - выход U_dСР(U_У) имеет зону нечувствительности равную ≈2,0 В. Симметрично в четвертом квадранте будет характеристика анодной группы.Figure 4 shows the adjustment characteristics of the cathode group at a _NAV = 130 ° (solid lines). The maximum value of the SIFU reference voltage UOPmax = 8.0 V. From the graphs it can be seen that the input-output characteristic U _dСР (U _У ) has a deadband of ≈2.0 V. Symmetrically in the fourth quadrant there will be a characteristic of the anode group.

Таким образом, если на вход СИФУ подать синусоидальное напряжение малой частоты (0,1 Гц) с амплитудой ≤2,0 В, то на выходе тиристорного преобразователя будет нулевое напряжение. Зона нечувствительности является существенной нелинейностью.Thus, if a sinusoidal voltage of low frequency (0.1 Hz) with an amplitude of ≤2.0 V is applied to the input of the SIFU, then the output of the thyristor converter will have a zero voltage. The deadband is significant non-linearity.

Уменьшение зоны нечувствительности можно сделать за счет своевременного шунтирования нагрузки полупроводниковыми приборами однонаправленной проводимости, в выпрямленном напряжении не будет отрицательных составляющих обусловленных ЭДС самоиндукции, начальные углы открывания a_НАЧ=150°. Регулировочные характеристики показаны на рис.4 пунктирными линиями.The reduction of the dead zone can be done due to timely shunting of the load by semiconductor devices of unidirectional conductivity, in the rectified voltage there will be no negative components due to the EMF of self-induction, the initial opening angles a _NAV = 150 °. The adjustment characteristics are shown in dashed lines in Fig. 4.

В процессе разработки полезной модели экспериментально исследовано несколько вариантов.In the process of developing a utility model, several options were experimentally investigated.

Самый простой вариант - это включение шунтирующих диодов 13, 14 как показано на рис.5. Если работает катодная группа тиристоров 5, 7, 9, а на анодную группу 4, 6, 8, управляющие импульсы не подаются, что равносильно разомкнутым контактам 15, то якорь двигателя оказывается подключенным на делитель напряжения из уравнительных дросселей 10, 11. В этом случае электропривод может работать в области прерывистых токов, на низких скоростях, при углах открывания тиристоров от 90° до 150°. При других углах открывания, напряжение на якоре с делителя может составлять≈30% от номинального, при этом из сети потребляется увеличенный ток. На низких скоростях в указанных пределах углов открывания нормальные динамические характеристики.The simplest option is to turn on the shunt diodes 13, 14 as shown in Fig. 5. If the cathode group of thyristors 5, 7, 9 is working, and control pulses are not supplied to the anode group 4, 6, 8, which is equivalent to open contacts 15, then the motor armature is connected to the voltage divider from surge chokes 10, 11. In this case the electric drive can operate in the field of intermittent currents, at low speeds, with the opening angles of the thyristors from 90 ° to 150 °. At other opening angles, the voltage at the armature from the divider can be ≈30% of the nominal, while the increased current is consumed from the network. At low speeds, within the specified range of opening angles, normal dynamic characteristics.

Вторым вариантом является включение шунтирующих тиристоров вместо диодов. При этом применялись оптронные тиристоры, которые управлялись с помощью двух последовательно включенных компараторов. На вход компараторов подавался входной сигнал U_У СИФУ 2, а с выходов подавался на управляющие электроды шунтирующих тиристоров - так контролировалось направление вращения. При работе катодной или анодной группы подаются напряжения на управляющие электроды соответствующих шунтирующих тиристоров.The second option is to include shunt thyristors instead of diodes. In this case, optocoupler thyristors were used, which were controlled using two sequentially connected comparators. The input signal U _U SIFU 2 was fed to the input of the comparators, and from the outputs it was fed to the control electrodes of the shunt thyristors - this way the direction of rotation was controlled. When the cathode or anode group is operating, voltages are applied to the control electrodes of the corresponding shunt thyristors.

В результате получено, что электропривод может работать по следующему циклу: подается сигнал задания, вступает в работу, например, катодная группа тиристоров и соответствующий шунтирующий тиристор - электродвигатель разгоняется, затем можно увеличить сигнал задания - электродвигатель увеличит скорость. После подается сигнал задания равный нулю - электродвигатель быстро останавливается, так как за счет обратной связи изменится полярность сигнала на входе СИФУ и вступит в работу анодная группа, создавая режим торможения противовключением. Затем можно подавать задающий сигнал другой полярности - вращение в обратном направлении. Если же после разгона уменьшить сигнал задания не до нуля, то скорость электродвигателя быстро уменьшится за счет кратковременного открывания тиристоров анодной группы и открывания соответствующего шунтирующего тиристора. Однако после снижения скорости двигателя этот шунтирующий тиристор не закроется, так как у ЭДС двигателя полярность не изменялась и будет контур тока через шунтирующий тиристор - преобразователь перейдет в режим работы с двумя открытыми шунтирующими тиристорами, то есть в режим с шунтирующими диодами.As a result, it was found that the electric drive can operate according to the following cycle: the reference signal is supplied, for example, the cathode group of thyristors and the corresponding shunt thyristor - the electric motor is accelerated, then the reference signal can be increased - the electric motor will increase speed. After that, the reference signal equal to zero is applied - the electric motor stops quickly, since due to the feedback, the polarity of the signal at the input of the SIFU will change and the anode group will come into operation, creating an anti-trip braking mode. Then you can apply the driving signal of a different polarity - rotation in the opposite direction. If, after acceleration, the reference signal is not reduced to zero, then the speed of the electric motor will quickly decrease due to the short-term opening of the anode group thyristors and the opening of the corresponding shunt thyristor. However, after shunting the motor speed, this shunt thyristor will not close, since the polarity of the motor EMF has not changed and there will be a current loop through the shunt thyristor - the converter will enter the mode of operation with two open shunt thyristors, i.e., the mode with shunt diodes.

Электропривод не сможет отрабатывать синусоидальный сигнал задания.The drive will not be able to process a sinusoidal reference signal.

Очевидно, что в качестве шунтирующих элементов необходимо применение полностью управляемых полупроводниковых приборов - транзисторов. Этот вариант рассматривается в полезной модели.It is obvious that as shunting elements it is necessary to use fully controllable semiconductor devices - transistors. This option is considered in a utility model.

Устройство управления тиристорами состоит из силовой схемы включения тиристоров, системы импульсно-фазового управления (СИФУ) и устройства однополярного шунтирования выпрямительной и инверторной групп тиристоров (рис.1).The thyristor control device consists of a power circuit for turning on the thyristors, a pulse-phase control system (SIFU) and a device for unipolar shunting of the rectifier and inverter groups of thyristors (Fig. 1).

Технический результат полезной модели - получение регулировочных характеристик с минимальной зоной нечувствительности, электропривод должен отрабатывать синусоидальный сигнал на входе СИФУ, а также иметь одинаковое время разгона и торможения при одинаковом ступенчатом увеличении и уменьшении входного сигнала, то есть электропривод представляется линейным звеном и может применяться в следящих системах. Технический результат можно получить путем своевременного шунтирования токов обусловленных ЭДС самоиндукции, устраняя тем самым отрицательные составляющие выпрямленного напряжения катодной группы тиристоров и положительные составляющие анодной группы.The technical result of the utility model is to obtain adjustment characteristics with a minimum deadband, the drive must process a sinusoidal signal at the input of the SIFU, and also have the same acceleration and deceleration time with the same stepwise increase and decrease in the input signal, that is, the drive appears as a linear link and can be used in tracking systems. The technical result can be obtained by timely shunting the currents due to EMF of self-induction, thereby eliminating the negative components of the rectified voltage of the cathode group of thyristors and the positive components of the anode group.

Технический результат достигается тем, что устройство однополярного шунтирования тиристоров в реверсивном трехфазном электроприводе, состоящее из последовательно включенных биполярного транзистора и диода и параллельно им варистора, соединены с выходом катодной группы тиристоров и нулевой точкой силового трансформатора, шунтируя тем самым якорь электродвигателя и уравнительный дроссель, аналогично устройство обратной проводимости соединены с выходом анодной группы тиристоров и нулевой точкой силового трансформатора, входы устройств однополярного шунтирования соединены через усилители мощности с выходом логического устройства, служащим для своевременного включения устройств однополярного шунтирования, входы логического устройства соединены с выходами датчиков проводимости токов групп тиристоров, а также соединены с выходом переключающего устройства, вход которого соединен с входом СИФУ, контролируя тем самым полярность на входе СИФУ.The technical result is achieved by the fact that the device for unipolar shunting of thyristors in a reversible three-phase electric drive, consisting of a bipolar transistor and a diode connected in series and parallel to it with a varistor, is connected to the output of the cathode group of thyristors and the zero point of the power transformer, thereby shunting the motor armature and surge choke, reverse conductivity device connected to the output of the anode group of thyristors and the zero point of the power transformer, the inputs of the device Unipolar shunting devices are connected through power amplifiers to the output of the logic device, which serves for timely switching on of unipolar shunting devices, the inputs of the logic device are connected to the outputs of the conductivity sensors of the currents of groups of thyristors, and also connected to the output of the switching device, the input of which is connected to the input of the SIFU, thereby controlling polarity at the input of SIFU.

Описание работы устройства полезной модели.Description of the operation of the device of the utility model.

Схема устройства приведена на рис.1. Шунтирующие элементы 1 - для катодной группы 2 и элемент 3 - для анодной группы 4 представляют собой последовательно включенный диод и биполярный транзистор, параллельно которым включаются варисторы для ограничения перенапряжений при коммутации транзисторов. Направление вращения электродвигателя 5 задается сигналом задания U_З, который на входе сумматора 6 суммируется с сигналом обратной связи U_OC, поступающим с датчика обратной связи 7. Сигнал с выхода сумматора поступает на вход корректирующего устройства 8. С корректирующего устройства сигнал через фильтр 9 поступает на вход СИФУ 10. Полярность на входе СИФУ определяет подачу управляющих импульсов либо на катодную группу тиристоров 2, либо на анодную 4. Если уменьшить сигнал задания, то за счет обратной связи изменится полярность сигнала на входе СИФУ, что приводит к закрыванию тиристоров, например, катодной группы 2 и соответствующего шунтирующего элемента 1 и открыванию анодной группы 4 и шунтирующего элемента 3. В СИФУ имеется логическое устройство, позволяющее блокировать управляющие импульсы на одну группу тиристоров, пока не закроются все тиристоры другой группы. Изменение полярности на входе СИФУ контролируется переключающим устройством 11, которое представляет собой два последовательно включенных усилителя на основе операционных усилителей. Если сигнал на входе СИФУ равен нулю, то на обоих выходах переключающего устройства нулевой сигнал, а при появлении сигнала на входе СИФУ ≤±0,1 В, то на выходах сигналы ±10,0 В. Эти сигналы сравниваются на входе логического устройства 12 с сигналами ±10,0 В с выходов датчиков проводимости тока 13, 14. С логического устройства два сигнала поступают на два канала усилителя мощности 15 с гальванической развязкой для открывания соответствующего транзистора в шунтирующем устройстве. Первичными датчиками проводимости тока являются резисторы 16, 17, включенные последовательно с уравнительными дросселями 18, 19. С первичных датчиков сигналы поступают на гальванически развязывающие усилители 20, 21, а затем на датчики проводимости тока, которые настраиваются на ток <0,1 А. Так как настройку на нулевое значение тока сделать нельзя, устанавливается фильтр 9 на входе СИФУ с постоянной времени 0,02 с.The device diagram is shown in Fig. 1. Shunt elements 1 for cathode group 2 and element 3 for anode group 4 are a diode and a bipolar transistor connected in series, parallel to which varistors are switched on to limit overvoltages when switching transistors. The direction of rotation of the electric motor 5 is set by the reference signal U _З , which is summed at the input of the adder 6 with the feedback signal U _OC coming from the feedback sensor 7. The signal from the output of the adder is fed to the input of the correction device 8. From the correction device, the signal through the filter 9 is fed to input of the SIFU 10. The polarity at the input of the SIFU determines the supply of control pulses to either the cathode group of thyristors 2 or to the anode 4. If the reference signal is reduced, then the polarity of the signal at the input will change due to feedback de SIFU, which leads to the closing of the thyristors, for example, the cathode group 2 and the corresponding shunt element 1 and the opening of the anode group 4 and the shunt element 3. The SIFU has a logic device that allows you to block control pulses on one group of thyristors until all thyristors of the other are closed groups. The change in polarity at the input of SIFU is controlled by a switching device 11, which is two series-connected amplifiers based on operational amplifiers. If the signal at the input of the SIFU is equal to zero, then the signal at both outputs of the switching device is zero, and when the signal at the input of the SIFU is ≤ ± 0.1 V, then the outputs are ± 10.0 V. These signals are compared at the input of the logic device 12 s signals ± 10.0 V from the outputs of the current conductivity sensors 13, 14. From the logic device, two signals are fed to two channels of the power amplifier 15 with galvanic isolation to open the corresponding transistor in the shunt device. The primary current conductivity sensors are resistors 16, 17, connected in series with equalizing reactors 18, 19. From the primary sensors, the signals are fed to galvanically isolated amplifiers 20, 21, and then to current conductivity sensors that are tuned to a current <0.1 A. So it is impossible to make a setting for a zero current value, a filter 9 is installed at the SIFU input with a time constant of 0.02 s.

В результате электропривод, с минимальной зоной нечувствительности, отрабатывает синусоидальный сигнал низкой частоты амплитудой 0,5 В. Самый неприятный режим работы, когда привод работает в установившемся режиме, а затем ступенчато уменьшается сигнал задания, и в то время когда вступит в работу другая группа тиристоров, что наблюдается по осциллографу, вновь ступенчато увеличивается задающий сигнал. В этом случае возможно возникновение кратковременных динамических уравнительных токов.As a result, the drive, with a minimum deadband, processes a low-frequency sinusoidal signal with an amplitude of 0.5 V. The most unpleasant mode of operation is when the drive is operating in steady state, and then the reference signal decreases stepwise, and while another group of thyristors comes into operation , which is observed by the oscilloscope, again the master signal increases stepwise. In this case, the occurrence of short-term dynamic equalizing currents.

Принципиальные схемы элементов рис.1 приведены на рис.6, 7, 8, 9, 10.Schematic diagrams of the elements of Fig. 1 are shown in Fig. 6, 7, 8, 9, 10.

Claims

A device for unipolar shunting of thyristors in a reversible three-phase electric drive, consisting of a bipolar transistor and a diode connected in series and a varistor in parallel with it, is connected to the output of the cathode group of thyristors and the zero point of the power transformer, thereby shunting the motor armature and surge choke, similarly, the reverse conductivity output device is connected to anode group of thyristors and a zero point of a power transformer, the inputs of unipolar shunt devices are connected through power amplifiers with the output of the logic device, which serves for timely switching on of unipolar shunt devices, the inputs of the logic device are connected to the outputs of the conductivity sensors of the currents of the thyristor groups, and are also connected to the output of the switching device, the input of which is connected to the input of the SIFU, thereby controlling the polarity at the input of the SIFU and the inclusion in the work of individual groups of thyristors, which, in contrast to electric drives without shunting, achieves the installation of the initial opening angles of thyristors of 150 ° and reduction of the dead zone adjustment characteristics.