3.4. Регулирование координат дпт независимого возбуждения изменением подводимого к якорю напряжения

Регулирование координат данным способом осуществляется по схеме рис. 3.12, а, в которой якорь ДПТ питается от управляемого источника постоянного тока (преобразователя) Л, образуя систему преобразователь–двигатель (П–Д). В качестве преобразователя обычно используются: электромашинные, электромагнитные, ионные и полупроводниковые преобразователи. Обмотка возбуждения0Впитается от отдельного источника постоянного тока, например от неуправляемого выпрямителя.

Преобразователь Пхарактеризуется в общем случае ЭДСE_п,внутренним сопротивлениемR_пи коэффициентом усиления,гдеU_y–входной управляющий сигнал. Напряжение на выходе преобразователя в разомкнутой схеме рис. 3.12,авследствие наличия внутреннего сопротивления зависит от токаI, т. е.

. (3.29)

С учетом (3.29) формулы (3.4) и (3.5) для электромеханической и механической характеристик ДПТ независимого возбуждения в системе П–Д принимают вид

(3.30)

(3.31)

Из (3.30) и (3.31) видно, что при изменении Е_Ппропорционально изменяется скорость идеального холостого хода₀на искусственных характеристиках, а сами характеристики имеют больший наклон из-за наличия сопротивленияR_П выражении для перепада скорости. Эти положения нашли свое отражение в характеристиках рис, 3.12,б, где для сравнения приведена также естественная характеристика ДПТ независимого воздействия при питании от источника бесконечно большой мощности (или, что то же самое, от источника с нулевым внутренним сопротивлением). Характеристики располагаются во всех четырех квадрантах параллельно друг другу; приЕ_П4=0 ДПТ работает в режиме динамического торможения.

Характеристики рис. 3.12, бсоответствуют использованию в качестве преобразователяПэлектрических машин. Схема такой системы, получившей название система генератор–двигатель (Г–Д), изображена на рис. 3.13. В этой системе якорь ДПТ непосредственно присоединяется к якорю генератораГ,который вместе с приводным двигателемM1образует электромашинный преобразовательПэлектрической энергии трехфазного переменного тока в энергию постоянного тока.

Регулирование напряжения на якоре ДПТ происходит за счет изменения тока возбуждения генератор I_В,Г, при регулировании которого с помощью потенциометраП1изменяется ЭДСЕ_ги соответственно напряжениеU.Регулирование напряжения в этой системе может сочетаться с воздействием на магнитный поток ДПТ, что обеспечивает двухзонное регулирование скорости.

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

Основным типом преобразователей, применяемых в настоящее время в регулируемом электроприводе постоянного тока, являются полупроводниковые статические преобразователи, и в первую очередь тиристорные преобразователи. Они представляют собой управляемые реверсивные или нереверсивные выпрямители, собранные по нулевой или мостовой однофазной или трехфазной схеме. Определенные перспективы развития этого вида электропривода связаны с использованием транзисторных преобразователей. В настоящее время силовые транзисторы выпускаются на напряжение до 1500 В и токи до 40 А, что делает возможным создание электроприводов мощностью до нескольких десятков киловатт. Вместе с тем их стоимость по сравнению со стоимостью тиристоров заметно выше, а выпуск ограничен, что препятствует их широкому использованию в автоматизированном электроприводе.

Принцип действия, свойства и характеристики системы тиристорный преобразователь–двигатель (ТП–Д) рассмотрим на примере схемы рис. 3.14, где в качестве преобразователя использован однофазный двухполупериодный нереверсивный выпрямитель, собранный по нулевой схеме.

Преобразователь включает в себя согласующий трансформатор Т,имеющий две вторичные обмотки, два тиристораV₁иV₂и систему импульсно-фазового управления тиристорами (СИФУ). Преобразователь обеспечивает регулирование напряженияUна ДПТ за счет изменения среднего значения ЭДС преобразователяЕ_П. Это достигается, в свою очередь, за счет регулирования угла управления тиристоров,представляющего собой угол задержки открытия тиристоровV₁иV₂относительно момента их естественного открытия. Напомним, что моментом естественного открытия управляемого вентиля (тиристора) является момент, когда потенциал анода становится выше потенциала катода.

Когда =0, т.е. тиристорыV₁иV₂получают импульсы управления от СИФУ в момент их естественного открытия, преобразователь осуществляет двухполупериодное выпрямление и к ДПТ прикладывается полное напряжение.

Если теперь с помощью СИФУ осуществлять подачу им

пульсов управления не в момент естественного открытия тиристоров V₁иV₂,а со сдвигом на угол0, то ЭДС преобразователя снизится и этому случаю будет соответствовать уже меньшее среднее напряжение, подводимое к ДПТ.

Зависимость среднего значения ЭДС преобразователя от угла управления тиристорами а имеет вид

, (3.32)

где т–число фаз;Е_тах–амплитудное значение ЭДС преобразователя;Е_cp0–ЭДС преобразователя при=0,

Ввиду пульсирующего характера ЭДС преобразователя ток в цепи якоря ДПТ также является пульсирующим. Такой характер тока оказывает вредное влияние на работу ДПТ, приводя к ухудшению условий работы его коллектора, дополнительным потерям энергии и нагреву. Для уменьшения пульсаций тока в цепь якоря обычно включается сглаживающий реактор L. Другим средством снижения пульсаций является использование многофазных схем выпрямления.

Уравнения электромеханической и механической характеристик ДПТ, питаемого от вентильного преобразователя, имеют вид

(3.33)

(3.34)

где ﷓ эквивалентное сопротивление преобразователя;x_t, R_t–соответственно приведенные ко вторичной обмотке индуктивное сопротивление рассеяния и активное сопротивление обмоток трансформатора;R_L – активное сопротивление сглаживающего реактораL.

Характеристики, соответствующие (3.33) и (3.34), приведены на рис. 3.15, а. Их особенностью является наличие области прерывистых токов, выделенной на рисунке пунктирной линией и заштрихованной. В этой области имеет место заметное изменение жесткости характеристик, вследствие чего характеристики в целом оказываются нелинейными. Вследствие односторонней проводимости преобразователя характеристики располагаются только в I и IV квадрантах. Меньшим углам управлениясоответствует более высокая скорость ДПТ; при=/2Е_П=0 и ДПТ работает в режиме динамического торможения.

На рис. 3.15, бприведена схема электропривода с трехфазным тиристорным преобразователем, собранным по мостовой схеме. Характеристики ДПТ при использовании этого типа выпрямителя аналогичны показанным на рис. 3.15,а. Вместе с тем пульсации тока в этой схеме электропривода меньше, чем в схеме рис. 3.14.

Для получения характеристик ДПТ, располагаемых во всех четырех квадрантах, используются реверсивные выпрямители, которые состоят из двух комплектов нереверсивных выпрямителей. На рис. 3.16, а–гпоказаны четыре схемы с реверсивными выпрямителями.

Отметим, что работа ДПТ в четырех квадрантах может быть осуществлена и с помощью нереверсивного однокомплектного преобразователя. Для этого должно обеспечиваться изменение направления тока возбуждения двигателя.

При управлении реверсивными вентильными преобразователями используются два основных принципа управления комплектами вентилей: совместное и раздельное. Так как использование того или иного способа управления комплектами сказывается на виде характеристик электропривода и его свойствах, остановимся подробнее на особенностях каждого из них.

Совместное управление предусматривает подачу от СИФУ импульсов управления одновременно на вентили обоих комплектов.

При этом за счет сдвига между импульсами управления двух групп, близкого к л, одна из групп работает в выпрямительном, а другая – в инверторном режимах. Между средними значениями ЭДС выпрямителя Е_cp,_ви инвертораЕ_cp,_исоблюдается соотношениеЕ_cp,_иЕ_cp,_в, однако за счет разности мгновенных значений ЭДС между комплектами протекают уравнительные токи. Для их ограничения в схемах рис. 3.16 предусмотрены уравнительные реакторыL1–L4.

Вид характеристик ДПТ зависит от способа согласования углов управления двумя комплектами вентилей. При линейном согласовании сумма углов выпрямителя ₁и инвертора₂поддерживается равной,характеристики линейны и аналогичны характеристикам системы Г–Д. Вид этих характеристик показан на рис. 3.17,а.

Для уменьшения уравнительных токов в ряде случаев используется нелинейное согласование, при котором сумма углов ₁и₂несколько отличается от. В этом случае имеет место заметное увеличение скорости ДПТ при переходе от двигательного режима к генераторному, что и отражено в характеристиках рис. 3.17,б. Нелинейное согласование в силу этого обстоятельства применяется относительно редко.

Раздельное управление используется для полного исключения уравнительных токов между комплектами реверсивного преобразователя. Сущность его состоит в том, что импульсы управления подаются только на один из комплектов, который должен в данный момент работать. 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 включение в работу и выключение комплектов с некоторой небольшой паузой в 5–10 мс. Вследствие этого при переходе ДПТ из одного энергетического режима в другой вблизи оси скорости имеет место режим прерывистых токов, что отражается на характеристиках ДПТ, показанных на рис. 3.18.

В заключение остановимся на основных свойствах системы ТП–Д.

К достоинствам рассматриваемой системы относятся:

1.Плавность и значительный диапазон регулирования скорости (до 10 и более).

2.Большая жесткость получаемых искусственных характеристик.

3.Высокий КПД электропривода, определяемый высокими КПД трансформаторов (0,93–0,98) и управляемого выпрямителя (0,9–0,92).

4.Уменьшение количества электрических машин.

5.Бесшумность в работе, простота в обслуживании *и эксплуатации.

Наряду со значительными достоинствами системе ТП–Д присущи следующие недостатки:

1.Преобразователь имеет одностороннюю проводимость. Для получения характеристик ДПТ во всех четырех квадрантах требуется использовать реверсивный двухкомплектный преобразователь.

2.Напряжение на выводах ДПТ и его ток имеют пульсирующий характер, что ухудшает условия его работы. Для сглаживания пульсаций тока в большинстве случаев необходимо применять сглаживающий реактор (см. схемы рис. 3.14 и 3.16) или многофазные схемы выпрямления.

3.Имеет место режим прерывистых токов, при котором резко падает жесткость характеристик, причем последние становятся нелинейными.

4.С ростом диапазона регулирования скорости снижается коэффициент мощностиcosэлектропривода, определяемый для системы ТП–Д по формуле

.

5.Вентильный электропривод вносит искажения в форму тока и напряжения источника питания.

6.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 таких ответственных рабочих машин как прокатные станы, металлорежущие станки, экскаваторы и т.д.