РЕГУЛИРОВАНИЕ ПЕРЕМЕННЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ИЗМЕНЕНИЕМ НАПРЯЖЕНИЯ НА ЯКОРЕ ДВИГАТЕЛЯ. СИСТЕМА «ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ — ДВИГАТЕЛЬ»

Данный способ широко используется для регулирования любых переменных ЭП во всех возможных режимах при высоких требованиях к показателям его качества. По этой причине этот способ до недавнего времени являлся основным при создании регулируемых ЭП с двигателями постоянного тока.

Реализация этого способа предусматривает питание якоря двигателя от преобразователя, выходное напряжение которого регулируется по величине и может изменяться при необходимости по полярности. Поскольку основным источником питания ЭП служит сеть переменного тока, то таким преобразователем является управляемый выпрямитель (УВ).

Если ЭП питается от источника постоянного тока, например от аккумуляторной батареи, то в качестве преобразователя используются импульсные преобразователи с различным способом модуляции. Питание двигателя в такой системе может происходить и от преобразователя со свойствами источника тока, применение которого рассмотрено в подразделе 4.8.

Схема ЭП при питании якоря двигателя от УВ, получившая сокращенное название система УВ—Д, или система П—Д, показана на рис. 4.11, а, где Е — ЭДС преобразователя, R — его внутреннее сопротивление, к_п — коэффициент усиления преобразователя по напряжению, к_п = Е_п / ?/, U — входной сигнал управления. Напряжение на выходе преобразователя вследствие наличия его внутреннего сопротивления R определяется как

Обмотка возбуждения двигателя питается от отдельного источника постоянного тока, например неуправляемого или управляемого выпрямителя.

Формулы для электромеханической и механической характеристик получим из (4.4) и (4.5) подстановкой в них напряжения из выражения (4.29):

Из (4.30) и (4.31) видно, что при изменении ЭДС преобразователя Е пропорционально изменяется скорость идеального холостого хода со₀ на характеристиках, а их наклон не изменяется. Получаемые искусственные характеристики в соответствии с (4.30) и (4.31) представляют собой прямые линии 2—8 на рис. 4.11, б и имеют по срав-

Рис. 4.11. Схема включения двигателя (о) и его характеристики (б) при регулировании напряжения на якоре:

7 — при питании двигателя от сети с номинальным напряжением; 2-8 — при питании от преобразователя при различных значениях его ЭДС нению с естественной характеристикой 1 двигателя больший наклон из-за наличия внутреннего сопротивления преобразователя R_n (отметим, что естественная характеристика 1 соответствует питанию двигателя от источника с нулевым внутренним сопротивлением). Характеристики располагаются во всех четырех квадрантах параллельно друг другу; при Е_п = 0 двигатель работает в режиме динамического торможения (характеристика 5на рис. 4.11, б).

Характеристики 2—8 соответствуют следующим соотношениям ЭДС преобразователя: Е_п2 > Е_п3 > Е_п4; Е_п5 = 0; Е_п6 = -Е_п4; Е_п1 = -Е_п3;

^п8 ⁼ ~^п2-

Управляемый выпрямитель может быть электромашинным в системе «генератор — двигатель» (сокращенно система Г—Д) или полупроводниковым в системе «тиристорный преобразователь — двигатель» (сокращенно система ТП—Д).

Система «генератор — двигатель» (Г—Д). В этой системе (рис. 4.12) якорь двигателя 4 непосредственно присоединяется к якорю генератора 3, который вместе с приводным двигателем 1 образует электромашинный управляемый выпрямитель 2 напряжения трехфазного переменного тока в постоянный. Регулирование напряжения на якоре двигателя происходит за счет изменения тока возбуждения генератора /_{в г} с помощью потенциометра 8. Это приводит к изменению магнитного потока генератора, ЭДС генератора Е и соответственно напряжения на якоре двигателя U. Получаемые характеристики системы Г—Д соответствуют показанным на рис. 4.11, б.

Регулирование напряжения в этой системе может сочетаться с воздействием на магнитный поток двигателя, что обеспечивает двухзонное регулирование его скорости. Регулирование магнитного потока двигателя в приведенной схеме осуществляется за счет включе-

Рис. 4.12. Схема системы «генератор — двигатель»:

7 — двигатель генератора; 2 — агрегат постоянной скорости; 3 — генератор; 4 — приводной двигатель; 5 — обмотка возбуждения двигателя; 6 — добавочный резистор; 7 — обмотка возбуждения генератора, 8 — потенциометр ния в цепь обмотки 5 возбуждения двигателя резистора 6. В замкнутых ЭП питание обмотки 7 возбуждения генератора и двигателя происходит от регулируемого источника постоянного тока, например полупроводникового УВ.

Основными достоинствами системы Г—Д являются большой диапазон и плавность регулирования скорости двигателя, высокая жесткость и линейность характеристик, возможность получения всех энергетических режимов работы, в том числе и рекуперативного торможения. В то же время для этой системы характерны такие недостатки, как утроенная установленная мощность установки, низкий КПД, инерционность процесса регулирования скорости, шум при работе.

Система «тиристорный преобразователь — двигатель» (ТП—Д). Основным типом преобразователей, применяемых в современном регулируемом ЭП постоянного тока, являются тиристорные реверсивные или нереверсивные выпрямители, собранные по нулевой или мостовой однофазной или трехфазной схемам. Для импульсного регулирования напряжения в ЭП небольшой и средней мощности применяются также и транзисторные преобразователи.

Принцип действия, свойства и характеристики системы ТП—Д рассмотрим на примере схемы рис. 4.13, а, в которой использован однофазный двухполупериодный нереверсивный тиристорный выпрямитель, собранный по нулевой схеме.

Преобразователь включает в себя согласующий трансформатор Т, имеющий две вторичные обмотки, два тиристора VS1 и VS2, сглаживающий реактор L и систему импульсно-фазового управления ти-

Рис. 4.13. Схема включения двигателя [а) и его характеристики (б) при регулировании напряжения на якоре с помощью тиристорного преобразователя:

7 — естественная характеристика двигателя; 2-7 — искусственные характеристики при различных углах регулирования тиристоров ристорами СИФУ. Преобразователь обеспечивает регулирование напряжения на двигателе за счет изменения среднего значения ЭДС преобразователя Е > достигаемое, в свою очередь, изменением угла а управления тиристорами VS1 и VS2. Угол а определяет задержку подачи импульсов управления U на тиристоры VS1 и VS2 относительно момента их естественного открытия, когда потенциал на их анодах становится положительным по сравнению с потенциалом катода.

Когда а = 0, т.е. тиристоры VS1 и VS2 получают импульсы управления от СИФУ в указанный момент, преобразователь осуществляет двухполупериодное выпрямление и к якорю двигателя прикладывается полное напряжение. Если теперь с помощью СИФУ осуществлять подачу импульсов управления U на тиристоры VS1 и VS2 со сдвигом (с задержкой) на угол а Ф 0, то ЭДС преобразователя снизится и этому случаю будет соответствовать уже меньшее среднее напряжение, подводимое к двигателю. Управление СИФУ осуществляется сигналом управления U_y.

Зависимость среднего значения ЭДС многофазного выпрямителя от угла управления тиристорами а имеет вид

где Е_ср0 — ЭДС преобразователя при а = 0.

Из-за пульсирующего характера ЭДС преобразователя ток в цепи якоря также является пульсирующим. Такой характер тока оказывает вредное влияние на работу двигателя, приводя к ухудшению условий работы его коллектора, дополнительным потерям энергии и нагреву. Для уменьшения пульсации тока в цепь якоря обычно включается сглаживающий реактор, индуктивность L которого выбирается в зависимости от допустимого уровня пульсации тока.

Уравнения электромеханической и механической характеристик двигателя (рис. 4.13, б), питаемого от тиристорного преобразователя, получим при замене в (4.30) и (4.31) Е_п на Е из (4.32):

где Я_п — эквивалентное сопротивление преобразователя, R_n = = х_т m/(2n) + R_T + R_l, х_т, R_t — соответственно приведенные ко вторичной обмотке индуктивное и активное сопротивление обмоток трансформатора; R_L — активное сопротивление сглаживающего реактора L.

Особенностью характеристик двигателя при его питании от УВ является наличие области, выделенной на рис. 4.13, б пунктирной линией и заштрихованной, где его характеристики нелинейны.

В этой области имеет место режим прерывистого тока в цепи якоря и вызванное этим заметное снижение жесткости характеристик двигателя.

Вследствие односторонней проводимости преобразователя на рис. 4.13, а характеристики двигателя располагаются только в первом (характеристики 1—3, соответствующие а = 0, 30 и 60°) и четвертом (характеристики 4—7при а = 90, 120, 150 и 180°) квадрантах. Меньшим углам управления соответствует большая Е_п и более высокая скорость двигателя; при а = к/2 Е_п = 0 и двигатель работает в режиме динамического торможения.

Для получения характеристик двигателя во всех четырех квадрантах используются реверсивные управляемые выпрямители, которые состоят из двух комплектов нереверсивных выпрямителей (рис. 4.14). Комплект тиристоров VS1, VS3 и VS5 обеспечивает работу двигателя при одном направлении тока в цепи якоря, а комплект тиристоров VS2, VS4 и VS6 — при другом направлении тока. Двигатель в такой схеме имеет характеристики, показанные на рис. 4.11, б, позволяющие кроме реверса скорости и тока обеспечивать режим торможения с рекуперацией энергии в сеть.

В реверсивных УВ используются два основных принципа управления комплектами тиристоров: совместное и раздельное. Совместное управление предусматривает подачу от системы импульснофазового управления тиристорами СИФУ импульсов управления U_a одновременно на тиристоры обоих комплектов — VS1, VS3, VS5 (так называемая катодная группа) и VS2, VS4, VS6 (анодная группа). При этом за счет наличия угла сдвига между импульсами управления двух

Рис. 4.14. Схема включения двигателя при использовании реверсивного тиристорного преобразователя комплектов, близкого к к, один из комплектов работает в выпрямительном режиме и проводит ток, а другой — в инверторном режиме и ток не проводит. За счет разности мгновенных значений ЭДС между комплектами протекает так называемый уравнительный ток, для ограничения которого в схеме рис. 4.14 предусмотрены уравнительные реакторы Ы и L2.

Для уменьшения уравнительных токов используется совместное нелинейное управление, при котором сумма углов 0Cj и а₂ несколько отличается от п. В этом случае имеет место заметное увеличение скорости двигателя при переходе от двигательного режима к генераторному, что находит отражение в нелинейности характеристик. Нелинейное согласование в силу этого обстоятельства применяется относительно редко.

Раздельное управление используется для полного исключения уравнительных токов между комплектами реверсивного У В. Сущность его состоит в том, что импульсы управления подаются только на один из комплектов, который должен в данный момент проводить ток. На второй комплект импульсы не подаются, и он не работает, «закрыт».

Управление преобразователем осуществляется при этом принципе с помощью специального логического переключающего устройства (ЛПУ). Это устройство, осуществляя контроль за током преобразователя, обеспечивает в функции входного сигнала U включение в работу и выключение комплектов с небольшой паузой в 5-10 мс. Вследствие этого при переходе двигателя из одного энергетического режима в другой вблизи оси скорости имеет место режим прерывистых токов, что отражается в нелинейности характеристик двигателя.

К достоинствам рассматриваемой системы ТП—Д относятся плавность, быстродействие, значительный диапазон регулирования скорости, большая жесткость получаемых искусственных характеристик, высокий КПД электропривода, определяемый небольшими потерями мощности в преобразователе, бесшумность в работе, простота в обслуживании и эксплуатации.

Наряду со значительными достоинствами системе ТП—Д присущи и следующие недостатки: преобразователь имеет одностороннюю проводимость; для получения характеристик во всех четырех квадрантах требуется использовать реверсивный двухкомплектный преобразователь; напряжение на якоре и ток имеют пульсирующий характер, что ухудшает условия работы двигателя; для сглаживания пульсации тока требуется применение сглаживающего реактора или более сложных многофазных схем выпрямления; работа преобразователя характеризуется режимом прерывистого тока, при котором резко падает жесткость характеристик и они становятся нелинейными; с ростом диапазона регулирования скорости снижается коэффициент мощности coscp ЭП, определяемый для системы ТП—Д по приближенной формуле coscp ~ cosa. Кроме того, рассматриваемый вентильный электропривод вносит искажения в форму тока и напряжения источника питания, что отрицательно сказывается на работе других приемников электроэнергии; полупроводниковые преобразователи обладают также невысокой помехозащищенностью и малой перегрузочной способностью по току и напряжению.

Несмотря на отмеченные недостатки, система ТП—Д является высокоэффективным регулируемым ЭП постоянного тока и широко применяется для привода таких ответственных рабочих машин, как прокатные станы, металлорежущие станки, экскаваторы и т.д.

Задача 4.12. Двигатель типа 2ПФ250 имеет следующие паспортные данные: U = 220 В; />_ном = 45 кВт; л_ном = 1000 об/мин; /_ном = 233 А; /?_я = 0,07 Ом. Рассчитать и построить электромеханическую и механическую характеристики двигателя при питании его от преобразователя с внутренним сопротивлением R = 0,1 Ом при Е = (J_H0M. Определить величину Е , при которой механическая характеристика пройдет через точку с координатами со_и = 30 рад/с, Л/_и = 400 Ими построить эту характеристику. Определить для рассчитанной Е_п угол управления тиристорами а, приняв ?_ср0 = 220 В.