«62-83(07) Д729 Г.И. ДРАЧЕВ 1. ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА Учебное пособие Часть 2 Челябинск Издательство ЮУрГУ 2006 УДК 62-83.01(075.8) Драчев Г.И. Теория электропривода: Учебное пособие. – Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2006. ...»

На рис.5.16 приведены трехфазные схемы выпрямления (а – нулевая, б – мостовая) и в – диаграмма напряжения для трехфазной нулевой схемы.

Рис. 5.16. Системы ТП–Д со схемами преобразователей:

а – трехфазная нулевая схема; б – трехфазная мостовая схема;

в - диаграмма напряжений и токов трехфазной нулевой схемы Схемы выпрямления включают в себя:

– силовой трансформатор TV, обеспечивающий необходимое для двигателя переменное напряжение, потенциальное разделение питающей сети и цепей двигателя и обладающий необходимым индуктивным сопротивлением для ограничения токов при коммутации вентилей (последнее назначение может выполнять токоограничивающий реактор, если удовлетворены два первых);

– управляемый выпрямитель UZ, позволяющий регулировать напряжение на якоре двигателя в необходимых пределах;

– сглаживающий дроссель Ld, выполняющий сглаживание переменной составляющей тока до приемлемой для нормальных условий коммутации в цепи якоря;

– якорь двигателя М с дополнительными полюсами и компенсационной обмоткой, обеспечивающий электромеханическое преобразование электрической энергии в механическую.

В выпрямительном режиме источником энергии является трансформатор. В трехфазной мостовой схеме (рис. 5.16,б) ток от обмотки одной из фаз трансформатора ТV протекает через тиристор управляемого выпрямителя UZ, обмотку якоря, дроссель Ld, и через открытый в настоящий момент времени тиристор другой фазы возвращается к другой обмотке трансформатора, замыкаясь далее через две обмотки трансформатора. На основании такого пути протекания тока на рис.5.17 построена схема замещения системы ТП-Д.

На схеме замещения (рис.5.17) приведены:

rЯ, LЯ – невыключаемые сопротивление и индуктивность якоря двигателя;

Rd, Ld – сопротивление и индуктивность сглаживающего дросселя;

RЭ – эквивалентное сопротивление, учитывающее падение напряжения в преобразователе, для трёхфазной нулевой схемы выпрямления определяется по формуле приведенное ко вторичной обмотке. Определяется при отсутствии каталожных данных приближенно через потери короткого замыкания РКЗ и номинальный ток I2н вторичной обмотки трансформатора;

Второй член в формуле (5.9) учитывает снижение выпрямленной ЭДС Еd при коммутации тока с вентиля на вентиль (площадь между ed и ud на рис.5.16,в).

форматора, приведенное ко вторичной обмотке, деляется через напряжение короткого замыкания UК% и номинальные данные трансформатора.

В мостовой схеме Rэ увеличивается в два раза.

Е = кФН – ЭДС двигателя;

Ed – среднее выпрямленное значение ЭДС, регулирующее напряжение на якоре двигателя, где EdО –напряжение на выходе преобразователя при = m – пульсность преобразователя, исчисляемая числом полуволн выпрямленной ЭДС за период питающего напряжения;

Для трёхфазной нулевой схемы (m=3) Для трёхфазной мостовой схемы (m=6) ИВ – идеальный вентиль, пропускает ток только в одном направлении;

UВ = (0,5…1,0) В – падение напряжения на вентилях (для мостовой схемы – 2·UВ);

Постоянные составляющие (средние значения) напряжения ud(t) и тока id(t) называют выпрямленным напряжением Ud и током Id.

Средние значения определяются схемой выпрямления преобразователя и параметрами трансформатора.

Структурная схема системы ТП-Д. На рис. 5.16 представлены схемы систем ТП-Д, в которых ДНВ получает питание от управляемого тиристорного преобразователя, обеспечивающего регулирование момента и скорости путем изменения напряжения на якоре.

Для изучения процессов в этой системе составляется система дифференциальных уравнений, описывающих поведение элементов системы электропривода в динамике.

В системе приведены уравнения, известные для ДНВ, в которых учтены дополнительные элементы: эквивалентное сопротивление преобразователя RЭ, индуктивности обмотки якоря, трансформатора и дросселя.

Запишем систему дифференциальных уравнений в операторной форме:

и составим структурную схему системы ТП-Д (рис.5.18), которая включает в себя структурную схему двигателя Д и структурную схему преобразователя ТП.

Разделение на структурные схемы Д и ТП выполнено условно, так как в элементах структурной схемы Д (RЯЦ, LЯЦ) учтены сопротивления и индуктивности преобразователя и дросселя. Анализ процессов в ДНВ на основе структурной схемы мы рассмотрели ранее, в главе 3 [26]. В структурной схеме на рис.5.18 появился новый элемент – ТП.

Тиристорный преобразователь как объект системы регулирования.

Функциональная схема ТП представлена на рис.5.19. Входной координатой ТП является напряжение управления UУ, выходной координатой – выпрямленная ЭДС, определяемая как средняя на интервале проводимости величина Еd и в переходных процессах ed.

Система импульсно-фазового управления СИФУ преобразует величину UУ в угол открывания тиристоров = f(UУ). Вентильная группа ВГ преобразует величину в ЭДС ТП Еd = Еdо·cos и представляет собой комплект тиристоров, предназначенных для определенного направления тока нагрузки, например

СИФУ ВГ

Если на вход ТП подать переменный сигнал управления с частотой, большей частоты питающей сети fУ > fc, то в выходной ЭДС ТП может появиться постоянная составляющая. Это означает, что преобразование входного сигнала в выходной сопровождается существенными искажениями. Теоретически ТП полностью теряет управляемость при fу > fc m/2 ( по теореме Котельникова). Практически полоса пропускания ТП ограничивается частотой питающей сети. В этой полосе силовая часть ТП может рассматриваться как безынерционное звено с косинусоидальной зависимостью средней ЭДС от угла открытия.

В отличие от силовой части ТП СИФУ может вносить заметные фазовые сдвиги величины относительно управляющего напряжения. Они определяются инерционностью элементов, входящих в состав СИФУ. СИФУ как инерционное звено обычно приводится к виду апериодического звена с чистым запаздыванием.

С учетом инерционности СИФУ передаточная функция ТП для режима непрерывных токов имеет вид где ТП = 0,01…0,015 с; = 0,007…0,015 с; к = ТП.

Нелинейную связь между Еd и Uу (рис.5.18) можно учесть в более точных расчетах, если охватить преобразователь нелинейным звеном UУ = f(Ed).

Таким образом, тиристорный преобразователь как объект управления может быть представлен безынерционным звеном силовой части кТП и апериодическим звеном с чистым запаздыванием СИФУ.

5.6.2. Механические характеристики двигателя в системе ТП-Д Механические характеристики двигателя постоянного тока независимого возбуждения описываются уравнением В системе тиристорный преобразователь – двигатель (ТП-Д) регулирование координат осуществляется изменением напряжения на якоре U. При этом регулировании в цепь якоря включаются дополнительные элементы, обладающие собственным сопротивлением, на которых при протекании тока якоря создается падение напряжения. Поток двигателя будем считать постоянным кФ = кФН = const.

Таким образом, при питании якоря двигателя от преобразователя в выражении механической характеристики изменяются напряжение U и сопротивление якорной цепи R.

ЭДС источника Еd уравновешивается (см. рис.5.17) Подставляя в (5.11) получим выражения электромеханической характеристики и механической характеристики двигателя в системе ТП – Д Из полученных выражений следует, что при работе преобразователя в режиме непрерывных токов электромеханические и механические характеристики электропривода в системе ТП-Д представляют собой прямые линии, наклон которых определяется величиной суммарного сопротивления RЯ.

Модуль жёсткости характеристик в системе ТП-Д меньше, чем у естественной характеристики двигателя и /m=60о (трехфазная нулевая схема) в режиме прерывистого тока скорость идеального холостого хода составляет 02 = 0,5·0МАКС, а при =150о эта скорость 02 = 0. На рис. 5.23 приведены зависимости О (), при этом характеристика О1() построена по формуле (5.12) для режима непрерывного тока, а характеристика О2() для режима прерывистого тока проходит значительно выше характеристики О1().

Выражение механической характеристики в режиме прерывистого тока достаточно сложное [2], в замкнутых системах Рис. 5.23. Зависимости О() для непрерывного О и прерывистого О2 режимов снижается, скорость его уменьшается. Под действием активного статического момента двигатель еще при положительном напряжении на якоре остановится ( =0 – режим моментного тормоза) и начнет вращаться в обратную сторону (0>>C – режим противовключения). При =90о напряжение на якоре становится равным нулю уже при отрицательной скорости ( = – C – динамическое торможение). При дальнейшем увеличении угла >90о и ||>C двигатель переходит в режим рекуперативного торможения, а преобразователь – в инверторный режим, преобразуя постоянный В инверторном режиме источником напряжения является ЭДС двигателя Е, которая больше выпрямленной ЭДС преобразователя Еd.

На рис. 5.24 приведена трехфазная нулевая схема выпрямления и диаграмма напряжений инверторного режима работы. Обратите внимание, что по условиям рис.5.20 скорость двигателя изменила направление, а ЭДС двигателя Е изменила знак. Ток I протекает под действием ЭДС двигателя Е. При этом в обмотках трансформатора в большей части периода ток протекает навстречу ЭДС фазных обмоток. Средняя выпрямленная ЭДС преобразователя Ed = ЕdOcos – отрицательна, так как >90.

а – трёхфазная нулевая схема;

коммутации тиристоров. Чтобы тиристор успел закрыться, необходимо выполнить следующие условия:

– напряжение на открываемом вентиле должно быть больше напряжения на закрываемом вентиле;

– должен возникнуть режим коммутации, в котором ток выключаемого тиристора снижается, а ток включаемого тиристора нарастает, происходит переход тока с одного тиристора на другой (время коммутации определяется углом );

– по окончании протекания тока должно быть предоставлено время tВ = 100…150 мкс (угол ) для восстановления управляющих свойств тиристора, когда на тиристоре необходимо наличие отрицательного напряжения.

Если эти условия не будут выполнены, тиристор останется открытым. Фазная ЭДС трансформатора снижается и через некоторое время, после прохождения её через нуль, будет совпадать с направлением ЭДС двигателя. В цепях вентилей возникнет ток, значение которого в несколько раз превысит значение тока в рабочем режиме. Произойдёт аварийный режим – опрокидывание инвертора. Большие броски тока могут привести к выходу из строя преобразователя и в первую очередь самих вентилей, в связи с чем опрокидывание инвертора является аварийным режимом.

Предельное значение угла управления необходимо ограничивать Угол коммутации зависит от индуктивного сопротивления трансформатора xT и величины коммутируемого тока Id. Чем больший ток нужно коммутировать, тем больше нужно времени на коммутацию ( = 15о…18о).

Угол определяется временем восстановления tВ запирающих свойств тиристора и зависит от его свойств. К примеру, при tВ = 150 мкс и частоте сети Таким образом, предельный угол управления тиристорного преобразователя МАКС 160о…165о, а предельное значение выпрямленной ЭДС в режиме инвертирования При I=0 предельный угол МАКС ограничивается только, с ростом тока растёт, внешняя характеристика в зоне предельного инвертирования Наибольшее значение скорости электропривода, соответствующее надежному процессу инвертирования, согласно (5.12), Электромеханическая характеристика ИМАКС = f(I), ограничивающая зону предельного инвертирования, приведена на рис. 5.20 пунктиром внизу рисунка.

При увеличении тока изменяется угол коммутации, изменяется и предельный угол МАКС.

В большинстве систем управления преобразователями независимо от нагрузки ограничивают МАКС = const, тогда характеристика предельного инвертирования рассчитывается по (5.12) при = МАКС и принимает вид характеристики МАКС (см. рис.5.20).

Рассчитать угол управления, напряжение управления UУ, механическую и электромеханическую характеристики электропривода по системе ТП-Д, обеспечивающие работу в заданной точке зад = 0,7 и МС= 0,5.

Каталожные данные тиристорного преобразователя ТПЕ-25/25- Сопротивление Выражение естественной электромеханической характеристики двигателя в о.е.

Сопротивление якоря двигателя в о.е.

Номинальная скорость двигателя в о.е.

Выражение электромеханической характеристики в системе ТП – Д (5.12) Выражение электромеханической характеристики в режиме непрерывного тока (без учета UВ) в о.е.

Напряжение на выходе преобразователя при =0 для трёхфазной мостовой схемы (m=6) или в о.е. E do = E do / UН = 277 / 220 = 1,26.

Активное сопротивление фазы трансформатора, приведенное к вторичной обмотке, Полное сопротивление фазы трансформатора Индуктивное сопротивление фазы трансформатора, приведенное к вторичной обмотке, Эквивалентное сопротивление преобразователя Сопротивление якорной цепи системы ТП-Д (двигатели типа Д при питании от мостовой схемы выпрямления допускают работу без установки сглаживающего дросселя, Ld = 0, Rd = 0) или в о.е. R Я = R Я / R Н = 0,904 / 8,98 = 0,1.

Угол управления и напряжение управления UУ, обеспечивающие работу электропривода в заданной точке Значение скорости идеального холостого хода непрерывного режима работы при полученном значении угла управления Значение скорости идеального холостого хода прерывистого режима работы при полученном значении угла управления Величина граничного тока при полученном значении угла управления Индуктивность обмотки якоря ориентировочно можно оценить по эмпирической формуле Уманского[1] Значение скорости перехода в прерывистый режим при токе Idгр Получили три точки характеристики двигателя в системе ТП=Д, обеспечивающей работу в заданной точке. Качественный вид характеристик демонстрирует рис. 5.20. Электромеханические и механические характеристики в о.е. при постоянстве потока Ф = ФН совпадают M = I.

Тиристорный преобразователь ТП, рассмотренный выше, пропускает ток только в одном направлении (ТП обладает односторонней проводимостью). Для обеспечения торможения и реверса двигателя при питании от ТП необходимо изменить направление момента двигателя. Момент ДПТ зависит от потока Ф и тока якоря I, поэтому для реверса необходимо изменить направление потока или тока якоря.

Изменение направления потока Ф выполняется изменением полярности напряжения на обмотке возбуждения двигателя LM переключением контакторов В и Н (Рис. 5.26,а) при неизменном направлении тока якоря. При реверсе потока вначале уменьшают угол, снижается до нуля ток якоря I = 0, переключают контакторы В и Н, поток меняется на противоположный Ф -Ф, затем углом управления ТП переводится в инверторный режим, осуществляется торможение и пуск в обратную сторону.

Время реверса потоком достаточно велико из–за значительной величины электромагнитной постоянной времени обмотки возбуждения (ТВ = 0,5…2,5 с), поэтому такой способ управления применяют лишь как наладочный в нереверсивном электроприводе, или в установках, где время реверса не влияет на технологические требования.

Изменение направление тока якоря можно выполнить переключением реверсивных контакторов В и Н в цепи якоря (рис. 5.26,б). Время реверса (tРЕВ 0,1 с) существенно меньше, чем при реверсе потока, но нужны коммутирующие устройства (контакторы) высокого быстродействия, на большие токи и на большое число включений. Переключение контакторов В и Н выполняется при нулевом токе I =0, поддерживаемом системой управления электроприводом.

Преимуществом первых двух способов является использование одного преобразователя.

Для приводов, где требуется максимальное быстродействие при реверсе, а так же в двигательном и тормозном режиме при одном направлении движения, используется способ изменения полярности напряжения на якоре с помощью двухкомплектного ТП (рис. 5.26,в). Включение одной или другой группы обеспечивает протекание тока через якорь в разных направлениях, что создаёт эффект двусторонней проводимости ТП.

Всё многообразие схем реверсивных ТП сводится к двум схемам включения:

– встречно-параллельной (противопараллельной);

– перекрёстной (восьмеричной).

а) переключением обмотки возбуждения двигателя;

в) использованием двух комплектов преобразователей В электроприводах применяются в основном трехфазные мостовые схемы выпрямления, имеющие по сравнению с нулевыми схемами минимальные габариты трансформатора, более высокое выпрямленное напряжение при одинаковом с нулевыми фазным напряжением, меньшую амплитуду и более высокую частоту пульсаций выпрямленного напряжения,, позволяющих снизить индуктивность и габариты сглаживающего и уравнительных реакторов. Трехфазные нулевые схемы находят применение при небольшой мощности и низких напряжениях двигателей из-за их простоты и меньшего количества вентилей.

Во встречно-параллельных схемах (рис. 5.27) преобразователи соединены параллельно, подключены к вторичной обмотке трансформатора и обеспечивают протекание через якорь двигателя как положительного тока (при включении в работу преобразователя UZ1), так и отрицательного тока (при включении UZ2).

Для сглаживания пульсаций тока в цепь якоря включают сглаживающий дроссель Ld. Один из преобразователей (к примеру, UZ1) работает в выпрямитель ном режиме. Ток от вторичной обмотки трансформатора протекает через работающий тиристор катодной группы преобразователя UZ1, уравнительный реактор L3, обмотку якоря М, сглаживающий реактор Ld, уравнительный реактор L2 и через работающий тиристор анодной группы преобразователя UZ1 возвращается к другой фазе трансформатора. Другой преобразователь UZ2 должен быть надежно закрыт или подготовлен к работе в инверторном режиме, причем его ЭДС EdИ должна больше ЭДС EdВ преобразователя, работающего в выпрямительном режиме целью исключения передачи энергии, преобразованной выпрямителем, в сеть переменного тока через инвертор.

При реверсе двигателя необходимо изменить полярность напряжения на якоре. Система управления уменьшает напряжение управUZ1 ления UZ1, увеличивается угол 1, снижается Рис. 5.27. Встречноэлектропривода, и при необходимости – пуск в параллельная схема включения комплектов обратную сторону.

преобразователя Преобразователь UZ1 либо закрыт, либо двигательном режиме с соблюдением соотношения (5.15).

В перекрёстной схеме (рис. 5.28) применяется трехобмоточный трансформатор. Преобразователи UZ1 и UZ2 получают питание от изолированных групп вторичных обмоток трансформатора. Ток от вторичной обмотки трансформатора протекает через работающий преобразователь, уравнительный реактор L1 (L2), сглаживающий реактор Ld, обмотку якоря М и возвращается к другой фазе трансформатора. Другой преобразователь работает также, как во встречнопараллельной схеме. В реверсивных вентильных преобразователях наибольшее распространение получила встречно-параллельная схема соединения комплектов благодаря ряду преимуществ по сравнению с перекрестной:

– меньшей типовой мощности трансформатора (1.05·Рd против 1,26 Рd);

– более простому по конструкции двухобмоточному трансформатору в отличие от трехобмоточного;

– возможности непосредственно (или через токоограничивающие реакторы) присоединения к питающей сети;

– меньшим суммарным массогабаритным показателям трансформаторов и реакторов.

соблюдением соотношения (5.15). Но при этом в силовой цепи возникают уравнительные токи в связи с разностью мгновенных значений фазных ЭДС. Эти токи протекают от одного комплекта к другому, минуя якорь двигателя. На схеме замещения реверсивной системы ТП-Д (рис.5.29) видно, что уравнительный ток замыкается по ее внешнему контуру, минуя цепь якоря, и создается мгновенными значениями ed и ed2. Для ограничения уравнительного тока в схему преобразователя включают уравнительные реакторы: L1 и L2 (рис. 5.28) и L1…L4 (рис. 5.27).

Вид механических характеристик реверсивного электропривода существенно зависит от способа согласования углов управления 1 и 2 обоими комплектами.

Для того, чтобы постоянная составляющая уравнительного тока была равна нулю, принимаем равным нулю среднее значение уравнительного напряжения. В этом случае должна быть равна нулю сумма выпрямленных ЭДС (для упрощения пренебрегаем падением напряжения на вентилях UВ) а углы управления 1, 2 преобразователями UZ1 и UZ2 связаны следующим соотношением:

Рис.5.29. Схема замещения реверсивной Рис. 5.30. Регулировочные характеристики Еd () и Еd (UУ) реверсивного ТП сказывается на регулировочных и электромеханических характеристиках системы ТП-Д, исключая зону прерывистого тока при идеальном линейном согласовании. Электромеханические характеристики не имеют излома при переходе из выпрямительного режима Рис. 5.31. Электромеханические выпрямительном режиме характеристики реверсивной системы ТП–Д при линейном согласовании индуктивность якорной цепи, ухудшается быстродействие системы электропривода;

3. уравнительным током (~10%) подгружается трансформатор и вентили.

С целью уменьшения уравнительных токов используют нелинейное (неполное) согласование углов управления, выполняя следующее условие:

Регулировочная характеристика Еd(UУ) при нелинейном согласовании приведена на рис. 5.32. При постоянном напряжении управления UУ ЭДС преобразователя инверторного режима работы возрастает, в результате уравнительный ток уменьшается. Если принять = 120, то уравнительный ток будет равен нулю. В этом случае во время работы преобразователя выпрямительного режима угол управления инверторного преобразователя принимают равным МАКС.

При таком согласовании переход привода из двигательного в тормозной режим с отдачей энергии в сеть сопровождается искажением электромеханических характеристик в областях, близких к идеальному холостому ходу (см. рис.5.32).

Если изменять автоматически как функцию какого-либо параметра схемы, например уравнительного тока, то можно снизить габаритные размеры уравнительных реакторов.

Стремление избавиться от уравнительных токов, а также прогресс в развитии полупроводниковой техники привели к внедрению систем раздельного управления комплектами преобразователей. При раздельном управлении управляющие импульсы подаются только на один комплект при надежно закрытом другом комплекте, уравнительный ток отсутствует, из цепи якоря исчезли уравнительные реакторы (их наличие в схеме означает совместное управление комплектами).

При переходе в режим рекуперативного торможения нужно включить второй комплект с обратным направлением тока. Для этого снимается управляющий сигнал с работавшего комплекта. Когда ток работавшего комплекта снизится до нуля, с помощью логического переключающего устройства с выдержкой времени Рис. 5.32. Регулировочные характеристики Еd (UУ) реверсивного ТП и электромеханические характеристики системы ТП-Д при нелинейном согласовании и совместном управлении Рис. 5.33. Регулировочные характеристики при раздельном управлении t = 5…10 мсек, необходимой для полного закрытия тиристоров работавшего комплекта, подаются управляющие импульсы на второй комплект.

Регулировочная характеристика Еd(), одинаковая в зоне непрерывных токов для обоих комплектов, в зоне прерывистых токов имеет неоднозначное соответствие выпрямленной ЭДС Еd и напряжения управления UУ, (сплошные линии на рис. 5.33,а).

При раздельном нелинейном согласовании управляющих импульсов (рис.5.33,б) имеет место зона нечувствительности в регулировочной характеристике.

Рис. 5.34. Механические характеристики при раздельном управлении и согласовании углов: а – линейном; б – нелинейном Механические характеристики имеют вид, показанный на рис. 5.34. В непрерывном режиме работы эти характеристики аналогичны как для совместного, так и для раздельного управления. Но эти характеристики крайне нелинейны при переходе из одного режима в другой.

Раздельное управление характеризуется следующими преимуществами:

– возможность полного использования трансформатора;

– полным исключением уравнительных реакторов;

– снижением вероятности опрокидывания инвертора;

– уменьшением потерь и увеличением КПД привода.

Вместе с тем, этот способ управления предъявляет высокие требования к надежности переключающего устройства, нарушение работы которого приводит к аварии.

Условия предотвращения аварийных режимов в реверсивном ТП при раздельном управлении:

– недопустима одновременная подача управляющих импульсов на оба комплекта;

– запрет включения одного комплекта при наличии тока в другом;

– запрет снятия управляющих импульсов с работающего комплекта.

Перевод электропривода из двигательного режима в тормозной сопровождается паузой, что увеличивает его инерционность. Наличие бестоковой паузы tП при переключении комплектов снижает динамические качества ТП, так как его реакция возможна лишь на сигналы гармонического воздействия с частотами f IСР КВ ПРЕОБР).

Выбор трансформатора (токоограничивающего реактора) производится из условия обеспечения номинального напряжения на якоре двигателя при допустимых колебаниях напряжения сети (–10% +15 %) и номинальном токе якоря.

Практически при номинальном напряжении на якоре двигателя Uн = 220 В применяют трансформатор, при Uн = 440 В – токоограничивающий реактор.

Пользуясь полученными расчетными данными, по справочникам [21] или каталогам выбирают силовой трансформатор при SТН SТ. В тиристорных преобразователях мощностью от 10 до 400 кВА применяются трансформаторы типа ТСП (трансформатор сухой для полупроводниковых выпрямителей открытого исполнения) и ТСЗП (защищенного исполнения). Для комплектного электропривода выбор трансформатора упрощён, если он включён в комплект.

Технические данные некоторых трансформаторов приведены в [21]. Для дальнейших расчетов используются номинальные данные трансформатора:

– полная мощность SТН;

– номинальные линейные напряжения U1ЛН, U2ЛН;

– номинальные линейные токи I1Н, I2Н;

– потери холостого хода Рхх при U1ЛН;

– потери короткого замыкания РКЗ при I1Н;

– напряжение короткого замыкания UК %;

– ток холостого хода IО %.

Выбор токоограничивающих реакторов, включаемых в цепь переменного тока мостовой схемы выпрямления тиристорного преобразователя, производится по номинальному току, потребляемому из сети переменного тока при номинальном напряжении. Для тиристорных преобразователей используют реакторы серии РТСТ (реактор трехфазный сухой токоограничивающий). Индуктивность обмотки токоограничивающего реактора приводится в каталогах [21]. Индуктивное сопротивление реакторов соответствует напряжению короткого замыкания (для номинального тока), равному 5,5 % [21].

Сглаживающий реактор в цепи постоянного тока преобразователя сглаживает пульсации выпрямленного тока, уменьшает зону прерывистых токов и ограничивает скорость нарастания аварийного тока через тиристоры при коротком замыкании на стороне выпрямленного тока. За счет пульсаций тока якоря нагрев двигателя вырастает на 2–3% при коэффициенте пульсаций g = 0,15, на 5 – 7 % – при g = 0,25, на 15 – 22% – при g = 0,35 [25].

Рост коэффициента пульсаций тока и напряжения ухудшает процесс коммутации двигателя, вынуждает снижать предельные значения тока якоря. При расчете индуктивности сглаживающего реактора исходят из допустимого уровня пульсаций выпрямленного тока в установившемся режиме при номинальном напряжении на якоре. Обычно действующие значения основной гармоники пульсаций выбираются в пределах g% = 2...15 % номинального тока двигателя [24] в зависимости от мощности, диапазона регулирования скорости и условий коммутации двигателя.

Необходимая индуктивность цепи выпрямленного тока Ld может быть определена [26] по амплитудному значению первой гармоники выпрямленного напряжения Udm(1) и заданному коэффициенту пульсаций g:

где m – пульсность (для трехфазной мостовой схемы m = 6);

= 2·f1 = 314 рад /c – угловая частота сетевого напряжения;

IН – номинальный ток двигателя, А.

Для трехфазной мостовой схемы:

Величина Ld может быть также рассчитана по соотношению [18] Практически выпрямленный ток в трехфазной мостовой схеме выпрямления протекает через обмотку якоря и две обмотки силового трансформатора (токоограничивающего реактора). Индуктивное сопротивление рассеяния этих обмоток участвует в сглаживании пульсаций и индуктивности этих обмоток (LЯ + 2LТ) должны быть учтены при выборе сглаживающего реактора.

Индуктивность обмотки якоря рассчитывают по формуле [1]:

где UН, IН, Н – номинальные напряжение, ток и частота вращения двигателя;

рП – число пар полюсов;

k – коэффициент, который принимают равным k = 0,6 для двигателей без компенсационной обмотки, и k = 0,25 – для компенсированных машин [1].

Индуктивность обмотки трансформатора рассчитывают по каталожным данным трансформатора (см. п. 5.6.2).

Если необходимая индуктивность Ld > LЯ + 2·LТ, то требуется установка сглаживающего реактора с индуктивностью Сглаживающий реактор выбирается по каталогу или справочнику [21] по номинальному току двигателя IН и проверяется на допустимые перегрузки по максимуму тока перегрузки и времени действия перегрузки.

Двигатели постоянного тока серии Д (краново-металлургическая серия) допускают питание от преобразователей постоянного напряжения, соединенных по трехфазной мостовой схеме, без применения сглаживающих реакторов, при этом коэффициент пульсаций g < 7 % [25].

Система ТП – Д широко используется в настоящее время в большинстве регулируемых электроприводов, обеспечивая:

поддержание скорости на заданном уровне;

поддержание постоянства момента при пуске и торможении;

ограничение допустимых токов двигателей по перегрузочной способности.

Напомним, что при регулировании скорости в системе ТП–Д изменяется ЭДС Еd, в результате изменяется скорость идеального холостого хода О, а наклон характеристик при этом не изменяется.

1. Точность регулирования МАКС оценивают отклонением скорости от заданного значения при воздействии на систему возмущающих воздействий. Точность зависит от жёсткости механической характеристики двигателя. Будем определять точность при возмущающем воздействии МС = ± МН. В этом случае момент двигателя изменяется от М=0 до М=2МН (см. рис.5.35), а отклонение скорости двигателя от скорости О при М= 2МН составляет 2МАКС ТП-Д. Из выражения механической характеристики двигателя в системе ТП–Д Рис.5.35. Определение точности регулирования МАКС заданной.

абсолютная точность в системе не изменяется при изменении скорости, а относительная точность уменьшается. Стабильность работы на заданной скорости достаточно высокая.

2. Диапазон регулирования скорости двигателя определяется отношением Максимальная скорость МАКС в системе ТП–Д при регулировании скорости изменением напряжения (возможен и режим ослабления поля) определяется естественной механической характеристикой.

Минимальная скорость МИН определяется по характеристике, на которой при М = 2·МН скорость равна нулю = 0. Лишь в этом случае двигатель остается в работе при возможных возмущающих воздействиях. При меньшей скорости МИН двигатель может остановиться.

Диапазон регулирования Если r я = 0,03...0,08 (при РН > 20 кВт), то (r я + R э ) (2…3)rЯ, и диапазон регулирования скорости двигателя в системе ТП–Д составляет Д = (15…5) : 1. Такое значение диапазона регулирования достаточно мало для многих ответственных механизмов, поэтому разомкнутая система ТП–Д применяется редко.

Для увеличения диапазона регулирования используются различные обратные связи.

Плавность регулирования – высокая, управление системой ТП–Д осуществляется устройствами малой мощности, обеспечивающими плавное регулирование напряжения управления ТП.

Допускаемые нагрузки определяют способность двигателя длительно работать не перегреваясь в заданном диапазоне регулирования.

Р,М Рис.5.36. Допускаемые нагрузки двигателя Экономичность регулирования оценивается капитальными затратами на приобретение, установку и наладку системы электропривода и эксплуатационными расходами в процессе её работы в технологическом комплексе.

Стоимость и массогабаритные показатели можно условно выразить через установленную мощность привода [1, п.4.1].

Установленная мощность преобразователя при однокомплектном ТП при двухкомплектном преобразователе – РНТП = 2·РН.

Установленная мощность электропривода с системой ТП–Д составляет что в 3 раза больше мощности двигателя. Но стоимость ТП больше стоимости двигателя, в этом условность такого метода оценки капитальных затрат.

Эксплуатационные расходы оцениваются потерями энергии через энергетические показатели электропривода –, cos.

КПД системы ТП–Д ТП-Д () рассчитаем как отношение электромагнитной мощности двигателя к активной мощности, потребляемой системой из сети. При этом потери холостого хода МХХ относим к МС, а снижение ЭДС преобразователя Еd во время коммутации вентилей учитываем Выразим полученное отношение через скорость.

и в относительных единицах Обратите внимание, что в полученном выражении RЯ’ не учитывает Ed (на снижение Еd при коммутации вентилей не расходуется активная мощность).

Если принять средние значения сопротивлений силовой цепи то при M = 1 и R ЯЦ = 0,1 получим численные значения ТП-Д () для двигательного режима работы, приведенные в таблице 5.1.

На рис. 5.37 показан качественный вид приведенных зависимостей ТП-Д ().

При МАКС КПД системы ТП–Д ТП-Д ниже номинального КПД двигателя НД из-за потерь в трансформаторе и вентилях. Потери мощности в вентилях малы 1%, в трансформаторе – до 5%. Значение ТП–Д достаточно высоко по сравнению с реостатным регулированием скорости РЕОСТ.

При регулировании скорости двигателя в системе ТП-Д коэффициент мощности электропривода определяется отношением активной мощности, потребляемой системой из сети, к полной потребляемой мощности.

РЕОСТ искажают синусоидальную форму напряжения и вызывают появление высших гармоник Это выражается в повышенном нагреве электродвигателей, снижении их мощности и КПД, усилении вибрации и шума при их работе, нарушении работы устройств автоматики, защиты и сигнализации, создании помех в линиях связи. Несинусоидальность напряжений и токов приводит к дополнительным погрешностям приборов, измеряющих действующие значения токов, напряжения и мощности.

Снижение коэффициента мощности увеличивает реактивную мощность системы электроснабжения, что приводит к дополнительным потерям напряжения и энергии и требует увеличения пропускной способности ее элементов.

Коэффициент мощности электропривода кМ при регулировании скорости двигателя в системе ТП-Д определяется углом сдвига 1 первой гармоники потребляемого из сети тока I1 относительно напряжения сети и коэффициентом искажения этого же тока В приведенном выражении:

I – действующее значение потребляемого из сети тока;

I1 – действующее значение первой гармоники этого тока;

, – углы управления и коммутации вентилей.

Из приведенных выражений следует, что коэффициент мощности вентильного электропривода постоянного тока зависит от скорости двигателя, определяемой углом управления, и его нагрузки, от которой зависит угол коммутации.

Снижение скорости (увеличение диапазона регулирования) или увеличение нагрузки приводит к уменьшению коэффициента мощности.

На рис.5.38 приведена зависимость кМ от скорости для М = МН, из которой следует, что уменьшение коэффициента мощности происходит пропорционально снижению скорости, что является существенным недостатком системы ТП-Д.

Коэффициент мощности при регулировании скорости можно определить приближенно при = 0 и = 1, тогда В этом приближении при максимальной скорости МАКС коэффициент мощности равен cos МИН. Минимальное значение коэффициента мощности определится коэффициентом мощности cosО холостого хода трансформатора.

MИН МАКС

– преобразователь имеет одностороннюю проводимость. Для получения характеристик двигателя во всех четырех квадрантах требуется применение реверсивного двухкомплектного преобразователя;

– напряжение на выводах преобразователя и ток двигателя имеют пульсирующий характер, что ухудшает условия работы двигателя. Для сглаживания пульсаций тока в большинстве случаев необходимо применять сглаживающий реактор;

– имеет место режим прерывистых токов, при котором резко падает жесткость характеристик, причем последние становятся нелинейными;

– с ростом диапазона регулирования скорости снижается коэффициент мощности электропривода;

– вентильный преобразователь вносит искажения в форму тока и напряжения источника питания;

– тиристорные преобразователи обладают невысокой помехозащищенностью и малой перегрузочной способностью по току и напряжению.

Несмотря на отмеченные недостатки, система ТП-Д является в настоящее время основным видом регулируемого электропривода постоянного тока и широко применяется для привода ответственных рабочих машин (прокатные станы, металлорежущие станки, экскаваторы и т.д.).

Способы повышения коэффициента мощности и уменьшения несинусоидальности тока и напряжения. В настоящее время разработаны и используются несколько способов снижения неблагоприятного влияния на сеть вентильных электроприводов.

1. Применение фильтрокомпенсирующих ФКУ и фильтросимметрирующих ФСУ устройств, обеспечивающих одновременно компенсацию реактивной мощности, фильтрацию высших гармоник, уменьшение отклонений и колебаний напряжения и его симметрирование по фазам. Фильтрокомпенсирующие и фильтросимметрирующие устройства состоят из управляемого компенсатора УК, обеспечивающего регулирование реактивной мощности, и энергетических фильтров Ф, которые служат для фильтрации высших гармоник тока, а также компенсации реактивной мощности. Схема ФКУ приведена на рис. 5.39. Фильтры Ф (резонансные L-C) настроены на частоты высших гармоник вентильного электропривода. Для каждой высшей гармоники – свой фильтр. Число параллельно включенных резонансных фильтров должно обеспечивать коэффициент несинусоидальности не более 5%. Суммарная реактивная мощность всех фильтров определяется постоянной составляющей компенсируемой реактивной мощности.

Регулирование компенсируемой мощности осуществляется с помощью УК, состоящего обычно из реактора L2 и тиристорного преобразователя ТП.

Закрыты тиристоры ТП – реактивная мощность им не потребляется – генерируемая ФКУ реактивная мощность равна мощности фильтров. Открыты тиристоры – УК потребляет реактивную энергию фильтрокомпенсирующего коммутации вентилей обеспечивается работа преобразователей не только без потребления реактивной мощности, но, при необходимости, даже с отдачей ее в сеть. Преобразователи с cos = 1 называют компенсированными, а с опережающим cos – компенсационными.

3. Традиционные способы компенсации реактивной мощности:

– синхронные компенсаторы;

– синхронные двигатели, выполняя основную функцию приводного двигателя, при перевозбуждении могут работать с опережающим cos, отдавая реактивную мощность в сеть.

Необходимо отметить, что меры по повышению коэффициента мощности требуют значительных материальных затрат, и стоимость системы ТП-Д возрастает.

1. Как изменится скорость двигателя, если в системе ТП–Д увеличить угол регулирования ?

2. Какому напряжению управления ТП соответствует угол регулирования = 90? В каком режиме при этом напряжении работает двигатель?

3. Какими условиями ограничены максимальные напряжения ТП в выпрямительном и инверторном режимах?

4. Почему механическая характеристика двигателя в системе ТП – Д мягче, чем естественная характеристика двигателя?

5. Как изменяется точность регулирования скорости при изменении напряжения управления ТП?

6. Как определить точку перехода из непрерывного режима работы ТП в прерывистый?

7. При каких условиях двигатель в системе ТП – Д с раздельным управлением переходит из двигательного режима в режим рекуперации?

8. В каком режиме работы двигателя КПД системы ТП – Д равен нулю?

Коэффициент мощности системы ТП – Д равен нулю?

9. Как изменится вид механических характеристик двигателя в системе ТП – Д, если трехфазную мостовую схему выпрямления заменить на трехфазную нулевую?

10. Как изменится амплитуда пульсаций тока якоря, если установить дополнительную индуктивность в цепь якоря? Чем вызвана необходимость снижения пульсаций тока? Как при этом изменится вид механических характеристик?

11. Покажите пути замыкания тока якоря в двигательном режиме? в режиме рекуперации?

12. Покажите пути замыкания уравнительного тока в схемах реверсивных преобразователей.

13. Назовите пути уменьшения уравнительного тока? Каковы последствия для работы системы при большой величине уравнительного тока?

14. Перечислите достоинства и недостатки согласованного и несогласованного способов управления комплектами в реверсивной системе ТП– 15. Отличаются ли КПД двигателя при его работе c номинальным моментом на естественной характеристике при питании от сети и на характеристике с = Н?

16. Каковы последствия установки трансформатора с повышенным или пониженным вторичным напряжением?

статических характеристик электропривода В разомкнутой системе при постоянном напряжении задания UЗАД выходная величина (,М) определяется параметрами двигателя, нагрузкой на валу и её изменение ничем не компенсировано при различных возмущениях (UC, MC, toОБМ). Нельзя в разомкнутой системе получить достаточную точность и поддержания момента.

В замкнутой системе необходимая координата может быть поддержана с большой точностью.

На рис.5.40 приведена механическая характеристика разомкнутой системы.

Приложение момента Мс1 приводит к снижению скорости на 1. Для поддержания скорости на заданном уровне О необходимо увеличить напряжение на якоре двигателя ЕП. Дальнейшее увеличение момента вновь потребует увеличение ЕП. Если увеличение ЕП будет обеспечивать обратная связь по моменту, то скорость двигателя О будет поддерживаться постоянной при любом изменении момента. Для повышения точности необходимо с увеличением момента статического увеличивать напряжение на выходе преобразователя.

Можно использовать различные способы регулирования (по отклонению и по возмущению), которые осуществляют применением различных регуляторов, обеспечивающих обратную связь по выходным или промежуточным параметрам (UЯ,, I, M и т.п.). Замкнутые системы увеличивают возможности электропривода, но необходимость включения дополнительных элементов (усилителей, датчиков и т.п.) приводит к удорожанию и усложнению систем электроприводов. Поэтому применяют и разомкнутые, и замкнутые системы автоматического управления, причём выбор определяется конкретной задачей.

Рассмотренные ниже примеры замкнутых систем предусматривают использование любого преобразователя (ТП, Г, ПЧ и т.п.) и показывают возможность формирования статических характеристик в любой системе электропривода, обеспечивающих заданную точность регулируемой величины. При этом динамические свойства полученных замкнутых систем не рассматриваются. Они изучаются в других дисциплинах (ТАУ, СУЭП).

Система поддержания скорости с отрицательной обратной связью по напряжению на якоре. Функциональная схема системы электропривода с отрицательной обратной связью по напряжению приведена на рис.5.41.

Управляемый преобразователь УП обеспечивает регулирование напряжения на якоре двигателя. Сигнал обратной связи по напряжению на якоре снимается с потенциометра R1 – R2. Датчик напряжения ДН уменьшается. Уменьшается напряжение UОН на выходе ДН, а сигнал рассогласования UВХ = UЗАД – UОН увеличивается. В результате растет напряжение управления UУ преобразователя и увеличивается его ЭДС, компенсируя падение напряжения внутри преобразователя.

Получим выражение электромеханической характеристики двигателя = f(I) в системе с ООС по напряжению.

Уравнения для статики Коэффициенты усиления элементов для линейных систем Определим ЭДС двигателя Выражение электромеханической характеристики В полученном выражении скорость идеального холостого хода О определяется напряжением задания UЗАД. Точность поддержания скорости зависит от контурного коэффициента усиления kУ·kП·kОН.

Рис.5.42. Характеристики системы характеристикой двигателя.

(рис.5.42). Система обеспечивает постоянство напряжения на якоре, точность – не велика, диапазон – небольшой, до 10:1.

Достоинства – простота, нет дополнительных сложных устройств (только делитель и датчик напряжения ДН). Предельная жёсткость – естественная характеристика двигателя.

Для увеличения точности поддержания скорости и диапазона регулирования требуется применять системы с обратной связью по выходному параметру.

Система с отрицательной обратной связью по скорости. Функциональная схема системы электропривода с отрицательной обратной связью по скорости приведена на рис.5.43. Управляемый преобразователь УП обеспечивает регулирование напряжения на якоре двигателя.

UЗАД UВХ

На входе системы напряжение UОС сравнивается с напряжением задания скорости UЗАД, и их разность в виде сигнала рассогласования (ошибки) UВХ подается на вход усилителя У, который с коэффициентом кУ усиливает сигнал рассогласования UВХ и подает его в виде сигнала управления UУ на вход преобразователя УП.

При увеличении момента на валу двигателя МС > М скорость двигателя снижается, уменьшаются напряжение тахогенератора и UОС, растет сигнал ошибки, вызывая рост UВХ и UУ и соответственно ЭДС преобразователя УП. Скорость двигателя увеличивается, восстанавливается заданное значение скорости.

Получим выражение электромеханической характеристики замкнутой системы.

Уравнения для статики имеют вид Коэффициенты усиления элементов на линейных участках работы:

ЭДС двигателя Выражение электромеханической характеристики Из полученного выражения следует, что напряжение задания UЗАД определяет скорость О, а отклонение скорости от заданной зависит в конечном Абсолютно жесткая механическая характеристика на практике из-за существенного ухудшения динамики электропривода реализуется путем введения различных корректирующих устройств.. Предельные коэффициенты усиления системы ограничиваются по условиям заданных динамических свойств электропривода.

При больших коэффициентах усиления kУ вводятся корректирующие устройства.

Диапазон регулирования в системе с ООС по скорости увеличивается за счет снижения минимальной скорости МИН, точность регулирования повышается.

Коэффициент усиления kУ часто приходится рассчитывать для обеспечения требуемого диапазона D регулирования скорости. В этом случае принимают МАКС = Н, тогда при заданном моменте МЗАД минимальная скорость равна Для обеспечения надежной работы при наличии возмущающих воздействий вторая точка механической характеристики при = 0 должна проходить через М = 2·МЗАД. Тогда при = МИН и I = IН можно определить необходимый коэффициент усиления kУ.

В последнем выражении единицей можно пренебречь, тогда контурный коэффициент а требуемый коэффициент усиления Другие коэффициенты определяются через базовые значения параметров

UОСБ UH

Напряжение задания для ОН = 200 рад/с Система поддержания скорости с положительной обратной связью по току якоря. Схема замкнутой системы с положительной обратной связью по току приведена на рис.5.45. В качестве источника сигнала по току использован шунт с сопротивлением RШ. Падение напряжения на RШ пропорциональное току якоря, усиливается датчиком тока ДТ, выходное напряжение которого определяет напряжение обратной связи по току UОТ.= кОТI. Сигнал на входе усилителя У в данной системе UВХ определяется суммой задающего напряжения

UЗАД UВХ

Уравнения для статики записываются в виде Получив выражение для ЭДС двигателя находим выражение электромеханической характеристики Как и в предыдущих системах, скорость идеального холостого хода О устанавливается напряжением задания UЗАД, а отклонение скорости зависит от тока якоря I.Числитель представляет собой разность, и при ее равенстве нулю получим нулевое отклонение скорости = 0. Изменяя кОТ, можно полностью исключить влияние нагрузки на валу двигателя на скорость его вращения = const, добиться полной компенсации.

На рис.5.46 приведены характеристики системы с недокомпенсацией, перекомпенсацией и полной компенсацией влияния нагрузки. Однако нелинейность статических характеристик элементов системы, особенно преобразователя УП, и изменяющийся коэффициент усиления не позволяет настроить полностью компенсированную характеристику (пунктир на рис.5.46).

Такая ПОС обычно используется в совокупности с другими, например с обратной связью по напряжению.

Система регулирования тока и момента с помощью отрицательной обратной связью по току. Схема замкнутой системы с отрицательной обратной связью по току приведена на рис.5.47. Эта схема повторяет схему на рис.5.45, только знак обратной связи – отрицательный. Но знак обратной связи полностью из которого видно, что первый член этого уравнения определяет ток короткого замыкания IКЗ. Величина тока короткого замыкания IКЗ определяется напряжением задания тока UЗАДТ. Второй член уравнения отражает отклонение тока I от тока короткого замыкания IКЗ, зависящее от скорости, а точнее, от ЭДС двигателя Е = кФН. Чем больше скорость, тем больше Е, тем меньше ток в цепи якоря.

При UЗАДТ = const и = 0 ток цепи якоря равен току короткого замыкания IКЗ UЗТ, отклонение тока I = 0. Появление скорости и ЭДС приводит к отклонению тока, I > 0, а величина отклонения зависит от коэффициента обратной связи кОТ. Электромеханические характеристики системы с ООС по току приведены на рис.5.48.

Если kОТ =, то I = 0, характеристика проходит вертикально. При kОТ = характеристика приобретает наклон естественной характеристики. Работа системы ограничена по скорости номинальным напряжением UН двигателя (пунктирная линия на рис.5.48).

UЗАД UВХ

I МОТС MСТОП

Пример П5.3. Рассчитать коэффициент усиления кУ, обеспечивающий I = А при скорости = ОН = 200 рад/с. Принять kП = 20, RЭ = 1 Ом, rЯ = 1 Ом, kФН = 1 В·с, IБ = 10 А, UОТ Б = 5 В.

В формуле (5.19) Полученный коэффициент усиления позволит установить ток короткого замыкания При UЗАДТ=10 в ток короткого замыкания составит IКЗ = 20 А.

Отклонение тока I при = 200 рад/с что соответствует заданию.

5.7. РЕГУЛИРОВАНИЕ СКОРОСТИ ДВИГАТЕЛЯ В СИСТЕМЕ Г – Д

Система, в которой двигатель получает питание от отдельного электромашинного генератора, называется системой Г – Д. Преобразование электрической энергии переменного тока в энергию постоянного тока выполняется преобразовательным агрегатом – приводным двигателем ПД и генератором постоянного тока Г. Приводной двигатель вращается с постоянной скоростью Г const.

Якорь двигателя М подключается к якорю генератора Г (рис.5.49).

Регулирование напряжения на якоре двигателя М осуществляется изменением ЭДС генератора путем изменения тока возбуждения генератора. Обмотка возбуждения генератора получает питание от возбудителя. В последнее время в качестве возбудителей чаще всего применяются тиристорные возбудители ТВ.

скорость вращения двигателя. Регулировочные характеристики ТВ и генератора приведены на рис. 5.50.

При работе в двигательном режиме поток мощности направлен из сети, в тормозном режиме избыточная энергия за вычетом потерь в двигателе, генераторе и приводном двигателе возвращается в сеть.

UУН UУМАКС

При построении структурной схемы ДНВ были приняты допущения:

– поток двигателя постоянен, реакция якоря компенсирована;

– параметры цепи двигателя постоянны;

– момент инерции J = const.

В системе Г-Д якорная цепь двигателя вместо напряжения U подключена ЭДС генератора ЕГ, а в цепь якоря включено сопротивление генератора rЯГ.В результате жесткость механической характеристики двигателя меньше жесткости естественной характеристики двигателя Г-Д < Е.

Основные допущения при работе двигателя в системе Г–Д:

– скорость вращения приводного двигателя генератора постоянна;

– пренебрегаем гистерезисом, вихревыми токами и остаточным намагничиванием генератора;

– ЭДС генератора пропорциональна току возбуждения, работа выполняется на линейном участке кривой намагничивания, считаем систему линейной, – отсутствует реакция якоря в генераторе;

– сопротивления цепей постоянны Перечисленные допущения позволяют составить систему линейных дифференциальных уравнений, описывающих работу системы Г–Д по схеме рис.5.49.

Получим передаточную функцию цепи обмотки возбуждения генератора для линейной системы при ТВ =const Передаточные функции остальных элементов системы были получены ранее (см. 5.6).

Структурная схема системы Г–Д приведена на рис. 5.51. При подаче на вход системы скачка напряжения управления UУ скачком подается напряжение UВГ на обмотку возбуждения генератора. Ток возбуждения генератора iВГ нарастает по экспоненте с постоянной времени ТВ. По такому же закону будут изме няться поток и ЭДС генератора. Нарастание ЭДС генератора приводит к росту тока якоря, момента двигателя и скорость двигателя увеличивается.

Переходные процессы в системе Г – Д будут изучаться позднее, в главе 6 настоящего пособия.

Механические характеристики двигателя в системе Г– Д можно получить на основании рассмотрения структурной схемы (рис.5.51) при р = 0. Если не интересуют процессы в цепи возбуждения генератора, можно использовать уравнение равновесия напряжений якорной цепи где R ЯЦ = rЯ + rЯГ + rС ;

rС – сопротивление проводов.

Разделим на кФНДВ, получим уравнение электромеханической характеристики UC, ток в цепи прекращается и тиристор T2 закрывается.

2. Открывается тиристор T1, подключая якорную цепь на напряжение сети. Одновременно через открытый тиристор Т1 перезаряжается конденсатор СК по контуру ДК – LК – СК, при этом плюс появляется на нижней пластине.

3. Отработав заданное время, открывают Т2, конденсатор СК разряжается током, направленным навстречу току через тиристор Т1. Т1 закрывается, а СК перезаряжается через якорную цепь до плюса на верхней пластине.

Процесс повторяется.

За время перезаряда СК двигатель получает питание через СК, Т2. Конденсатор СК выбирается из условий гашения максимума тока через Т1, дроссель LК – для обеспечения быстрого перезаряда СК.

Частота колебательного контура гашения тиристора Рис.5.57. Тиристорный ключ ТК: схема и электромеханические отсюда для обеспечения перезаряда требуется определенное время, и значение скважности ограничено: > 0,1 и < 0,9.

Для повышения диапазона регулирования применяют системы с мгновенным отключением нагрузки от сети [2].

Тиристорный ключ ТК в схеме рис.5.57 обеспечивает работу двигателя только в первом квадранте механических характеристик и для обеспечения тормозного режима работы необходимо применить как минимум ещё один ТК. Схема, реализующая режим рекуперативного торможения, приведена на рис.5.58.

Схема обеспечивает двигательный режим (ТК1, Д2), и режим рекуперативного торможения (ТК2, Д1). Когда открывают ТК2, под действием ЭДС Е нарастает ток якоря I, темп нарастания тока определяется электромагнитной постоянной времени якорной цепи ТЯ. При достижении значения IЯ МАКС – ТК2 отключается, запасённая в индуктивности якорной цепи LЯ электромагнитная энергия через Д1 выдаётся в сеть (режим рекуперативного торможения).

Развитие силовой преобразовательной техники, прежде всего силовых транзисторов с изолированным затвором (IGBT), открыло широкие возможности создания регулируемых источников постоянного напряжения (тока).

Основные достоинства IGB-транзисторов:

– высокие параметры силовой цепи (напряжение до1500 В, ток до 500 А с возможностью параллельной работы);

– малая мощность управления;

– высокая частота переключений – десятки кГц;

– модульная конструкция, объединяющая транзистор, быстродействующий обратный диод и элементы цепей управления и защиты.

Указанные достоинства делают эти приборы идеальными ключами, позволяющими с высокой частотой производить коммутацию электрических цепей.

Система ШИП-Д на IGB-транзисторах для реверсивного электропривода приведена на рис.5.59. В ней используются четыре транзисторных ключа VT1…VT4, включенные по мостовой схеме. Якорь двигателя включен в диагональ моста. Протекание тока в цепи якоря в одном направлении происходит через транзисторные ключи VT1, VT4, в другом – через ключи VT2, VT3.

Для обеспечения непрерывности протекания тока якоря служат обратные диоды VD1…. VD4. Ключ VT5 включает резистор R в тормозных режимах для поглощения избыточной электрической энергии.

Широтно-импульсное регулирование напряжения на якоре двигателя в данной схеме может производиться формированием управляющих напряжений каждого из ключей несколькими способами.

При несимметричном управлении (рис. 5.59,в) используется принцип управления, описанный выше (см. рис. 5.56). Постоянно открыт ключ VT1, а ключ VT2 закрыт. Якорь двигателя в течение времени t1 подключен на полное напряжение U ключом VT4, а в течение времени t2 ключ VT4 закрывается, включается ключ VT3, напряжение снимается. Реактивный ток замыкается через диод VD3. На якоре формируются однополярные импульсы напряжения UЯ. Изменение полярности импульсов напряжения на якоре достигается при постоянно открытом ключе VT3 и постоянно закрытом ключе VT4. При несимметричном управлении возникает режим прерывистого тока, описанный выше.

При симметричном управлении (рис. 5.59,б) реализуется одновременное управление двумя диагонально расположенными ключами VT1 и VT4, а затем VT2 и VT3. В течение времени t1 включены ключи VT1, VT4, а в течение времени t2 = ТК – t1 включены VT2, VT3. При t1= t2 ( = 0,5) среднее напряжение на якоре UЯ = 0, при t1 > t 2 ( < 0,5) напряжение UЯ > 0, при t1 < t2 – >0.5, UЯ < 0. За время каждого периода заданной тактовой частоты на якорь двигателя подается двухполярное напряжение UЯ. В результате обеспечивается плавное регулирование среднего напряжения на якоре – U < UСР < U без зоны нечувствительности при = 0,5 по закону Рис.5.59. Схема системы ШИП-Д (а). Диаграммы управляющих сигналов и выходного напряжения преобразователя при управлении:

б –симметричном; в –несимметричном; г – при поочередном При двухполярных импульсах выходного напряжения выражение электромеханической характеристики При таком управлении отсутствует зона прерывистых токов, но появляется режим знакопеременного тока (рис. 5.60), а амплитуда пульсаций тока якоря увеличивается вдвое.

пульсаций характеристики системы ШИП–Д при симметричном (а) и поочередном (б) 1 (по первой гармонике) близок к единице, а коэффициент мощности будет не ниже 0,95. Остальные показатели регулирования похожи на показатели всех рассмотренных выше систем с регулированием напряжения.

Контрольные вопросы 1. Назовите достоинства и область применения системы ШИП–Д.

2. Почему в системе ШИП–Д применяют неуправляемый выпрямитель для питания ШИП?

3. Когда возникает режим прерывистого тока в системе ШИП–Д?

4. Как изменится амплитуда пульсаций тока якоря, если увеличить частоту коммутации? установить дополнительную индуктивность в цепь якоря?

5. Как изменится скорость двигателя, если в нереверсивной системе ШИП–Д увеличить скважность?

6. Покажите пути замыкания реактивного тока в схеме рис.5.59.

7. Определите приближенно скорость двигателя при работе его на холостом ходу в режимах по диаграммам б, в, г рис. 5.59.

8. Почему при двухполярном напряжении на якоре пульсации тока возрастают вдвое?

9. Чем вызвана необходимость снижения пульсаций тока?

10. Перечислите достоинства и недостатки симметричного и несимметричного способов управления ключами в реверсивной схеме ШИП–Д?

11. Отличаются ли КПД двигателя при его работе c номинальным моментом на естественной характеристике при питании от сети и на характеристике с = 1?

12. Назначение тиристора Т2 в схеме тиристорного ключа (рис. 5.57) 13.В каком режиме работает двигатель при = 0?

5.9. Частотное регулирование скорости 5.9.1. Расчетная схема асинхронного двигателя Наиболее простым, дешевым и надёжным двигателем является асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором (АДКЗ), поэтому его использование в регулируемом электроприводе представляет особый интерес. Возможность регулирования скорости АД изменением частоты f1 напряжения (или тока) статора следует из выражения синхронной скорости При частотном регулировании АД работает при малых значениях скольжения, потери энергии Рs = РЭМ·s оказываются небольшими, регулирование – экономичным.

Для реализации частотного регулирования скорости асинхронный короткозамкнутый электродвигатель подключается к питающей сети с номинальными напряжением U1Н и частотой f1Н через преобразователь частоты ПЧ (рис. 5.60).

Регулирование частоты f1 и амплитуды напряжения U1 (или тока I1) осуществляется напряжениями управления частотой UУЧ, амплитудой напряжения UУН (амплитудой тока UУТ) на входе ПЧ. С помощью напряжений управления формируются желаемые законы изменения момента, тока статора, скорости электропривода в статике и динамике.

Расчет механических характеристик в системе ПЧ – АД может быть выполнен различными способами. Можно составить систему уравнений Парка – Горева[1] и решать ее на каждом интервале проводимости вентилей. При этом следует определять Рис. 5.60. Система ПЧ – АД уравнений Парка – Горева.

тик системы ПЧ – АД используются схемы замещения, подобные тем, которые применялись ранее (см. п. 3.5).

Качественный анализ электромеханических характеристик двигателя при частотном регулировании проведем на основании схемы включения АД (рис.

5.61,а) и Т-образной схемы замещения (рис.5.61,б).

Для оценки влияния частотного регулирования на изменение скорости, токов статора и ротора, момента двигателя составим расчетную схему АД. Расчетная схема составляется на базе уравнений, описывающих поведение двигателя в установившихся и переходных процессах. Её отличие от знакомых нам структурных схем заключается в том, что координаты электропривода связаны между собой не типовыми звеньями, а уравнениями, содержащими переменные коэффициенты, которые изменяются в процессе расчета. Для асинхронного двигателя такими коэффициентами являются скольжение s, ток намагничивания Iµ и кривая намагничивания Е1 = f(Iµ), относительное значение частоты = f1 / f1Н.

Для расчета принимаем следующие допущения:

– ЭДС, токи, потокосцепления – синусоидальны во времени и пространстве;

– параметры цепей постоянны (активные сопротивления и индуктивности не зависят от частоты, насыщение не влияет на индуктивные сопротивления рассеяния х1 и х2);

– не учитываем моменты, создаваемые высшими гармониками потока и тока, расчет ведем по первым гармоникам токов и потоков машины;

– гистерезис и вихревые токи отсутствуют;

– механические потери на трение и вентиляцию отсутствуют (отнесены к статическому моменту).

Реактивные сопротивления двигателя, определенные при частоте f1н, изменяются пропорционально частоте: х1, х2|, хµ.

Рис.5.61. Схема одной фазы АД (а) и Т-образная схема Приложенное напряжение U уравновешивается ЭДС статора и падением напряжения на активном и индуктивном сопротивлении статора Действующее значение ЭДС зависит от частоты f1 и потока Ф. Поток машины Ф зависит от тока намагничивания Iµ по кривой намагничивания. Ток намагничивания Iµ определяется по закону полного тока векторной суммой Расчетная схема АД приведена на рис. 5.62. ЭДС статора представлена зависимостью Приложенное напряжение U1 уравновешивается ЭДС статора за вычетом падения напряжения на сопротивлениях статора Для удобства анализа цепь ротора не приведена к цепи статора. Переход в цепи ротора и обратно выполним через коэффициент трансформации по ЭДС приближенно рассчитываемый с помощью каталожного значения напряжения на кольцах заторможенного разомкнутого ротора Е20.

В роторе наводится ЭДС ротора зависящая от ЭДС Е1, частоты статора и скольжения s. Как видно, появился блок произведения, который представляет сложность простого решения задачи методами линейной ТАУ.

Момент двигателя определим через электромагнитную мощность Появился еще один блок произведения.

Полученное значение тока ротора заводим в цепи статора для расчета тока намагничивания Проинтегрируем основное уравнение движения получим значение скорости Разность О – (р) используем для текущего расчета относительного значения скольжения s. Обратите внимание, что значение s уже использовалось нами для расчета цепей ротора.

Таким образом, получили расчетную схему для одной фазы асинхронного двигателя с фазным ротором, полагая, что фазные обмотки ротора и статора симметричны и питающее напряжение синусоидально. При питании двигателя от сети (U1Н, f1н, = 1) расчетная схема позволяет рассматривать влияние параметров цепей ротора и статора на токи и момент двигателя.

Изменение частоты питающего напряжения слабо влияет на роторную цепь. Момент двигателя напрямую не зависит от, изменению подвержено лишь индуктивное сопротивление ротора s·х2, оказывающее влияние на ток ротора и cos 2. Так, при снижении растет ток ротора, увеличивается cos 2.

Изменение оказывает существенное влияние на статорные цепи. Снижение приводит к снижению ЭДС Е1, что при постоянстве амплитуды напряжения увеличивает ток статора, растет ток намагничивания и двигатель находится в режиме насыщения. Ток статора увеличивается в несколько раз. Таким образом, при частотном регулировании возникает необходимость регулирования и амплитуды напряжения на статоре U1.

Рис. 5. 62. Расчетная схема асинхронного двигателя 5.9.2. Механические характеристики при частотном регулировании Влияние изменения частоты и амплитуды напряжения на статоре на вид механических характеристик и их расчет рассмотрен в части 1 (см. 3.5.5).

Из Г-образной схемы замещения АД при изменении частоты = f1 / f1Н при = U1 / U1Н, хµ = const, r1 = 0 получены выражения механических характеристик и их составляющих:

При снижении частоты f1 и постоянстве амплитуды напряжения U1 = const снижается ЭДС статора Е1, а для ее увеличения до значения Е1 U1 необходимо увеличивать поток Ф, что влечёт за собой значительное увеличение тока статора, поэтому приходится регулировать амплитуду напряжения в зависимости от частоты.

Из анализа выражений механической характеристики был сделан вывод, что наиболее благоприятным для регулирования скорости двигателя является изменение напряжения на статоре пропорционально частоте U1 / f1 = const. Механические характеристики для такого закона регулирования приведены на рис.

5.63 (сплошные линии). Критический момент сохраняется постоянным МК = const, характеристики при уменьшении частоты параллельны естественной характеристике двигателя.

Необходимо помнить, что механические характеристики для соотношения U1 / f1 = const были получены из рассмотрения Г-образной схемы замещения АД, при этом не учитывалось активное сопротивление статора (r1 0).

В связи с этим нужно заметить, что при номинальной частоте 50 Гц индуктивное сопротивление контура намагничивания хµН на порядок (для машин малой мощности) или на два порядка (для машин большой мощности) больше, чем активное сопротивление обмотки статора r1. Поэтому при анализе и расчете характеристик асинхронных двигателей, работающих при постоянной номинальной частоте питающего напряжения, сопротивлением r1 обычно пренебрегают. Если же двигатель работает с переменной частотой напряжения, то при снижении частоты сопротивление r1 становится соизмеримым с реактивными сопротивлениями машины и учет сопротивления r1 является необходимым.

Рассмотрим влияние активного сопротивления обмотки статора r1 на вид механических характеристик.

Момент двигателя определим на основании Т-образной схемы замещения (рис. 5.61,б) через мощность скольжения, выделяемую в цепи ротора Из схемы замещения, учитывая, что отношения х1Н/ хµН и х2Н|/ хµН гораздо меньше единицы и ими можно пренебречь, определим приведенное значение тока ротора I2| Выражение механической характеристики при переменных значениях амплитуды и частоты напряжения питания Заметим, что если положить r1/xµН = 0 и = 1, то полученное выражение станет идентичным формуле механической характеристики нерегулируемого по частоте асинхронного двигателя (см. ч.1, 3.53).