2. Переходные процессы в асинхронном электроприводе

Электромагнитные переходные процессы описываются системой (вообще говоря нелинейных) дифференциальных уравнений достаточно высокого (обычно 5-го) порядка, и их анализ обычно выполняется численно либо с помощью моделей.

Переходные токи и моменты содержат принужденную и свободную составляющие, и изменяются по сложным колебательным зависимостям.

Для примера на рис. 5.1 приведены, полученные с помощью Matlab, графики зависимости скорости (t) и момента М(t) от времени при прямом пуске асинхронного короткозамкнутого двигателя.

Рис. 5.1 Графики зависимости скорости ω(t) и момента М(t) от времени

Рис. 5.2 Зависимость момента от угловой скорости М(ω).

В процессе моделирования вначале выполнялся прямой пуск АД, а затем – наброс (скачкообразное увеличение) нагрузки до номинальной. На графиках хорошо видны (в соответствующий момент времени t = 1) уменьшение скорости и рост момента

С помощью зависимостей (t) и М(t) можно построить так называемую динамическую механическую характеристику АД М() (рис.5.2), представляющую собой фазовую траекторию переходного процесса пуска АД.

Сравнивая эту характеристику со статической механической характеристикой, можно заметить весьма существенные отличия.

В первую очередь они связаны с колебаниями динамического момента, причем максимальные значения переходного момента весьма значительны, и могут в несколько раз превосходить максимальный момент статического режима.

В некоторые моменты времени динамический момент может даже стать отрицательным (тормозным), что можно видеть на начальном участке кривой момента.

Другое существенное отличие динамической механической характеристики от статической заключается в том, что она определяется не только параметрами самой машины, но и моментом нагрузки и моментом инерции электропривода. И, разумеется, характер кривых зависит от вида переходного процесса (пуск, наброс нагрузки, реверс, торможение).

Сравнение графиков различных переходных процессов позволяет отметить следующую закономерность: при увеличении как момента инерции, так и момента нагрузки увеличивается длительность как механического, так и электромеханического переходного процесса.

Для переходных процессов в системе ПЧ – АД характерны существенно меньшие броски тока и момента, чем в случае прямого пуска двигателя. Задавая желаемый закон изменения частоты и напряжения, можно реализовать требуемые графики изменения скорости АД в переходном процессе.

6. Силовые преобразователи электропривода постоянного тока

В регулируемых электроприводах постоянного тока силовые вентильные преобразова­тели применяются не только для выпрямления переменного тока в постоянный, как в обычных выпрямителях. Их главная задача – плавно изменять величину выпрямленного напряжения U_d.Управляемые выпрямители делятся на две большие группы – нулевые и мостовые, которые в свою очередь могут однофазными и трехфазными (рис.6.1).

Нулевая схема (с выводом нулевой точки трансформатора) однофазного управляемого выпрямителя приведена на рис. 6.1а. Для уменьшения пульсаций тока в цепь нагрузки обычно включается сглаживающий реактор L.

От неуправляемого выпрямителя он отличается тем, что неуправляемые вентили (диоды) заменены управляемыми (тиристорами), управляющие электроды которых свя­заны с системой импульсно-фазового управления СИФУ.

Рис.6.1 Силовые схемы управляемых выпрямителей: а) однофазная нулевая,

б) трехфазная нулевая, в) однофазная мостовая и г) трехфазная мостовая

Она формирует, синхронно с напряжением источника питания, управляющие импульсы Е_y, одновременно позволяя изменять их фазу (рис.6.2).

Рассмотрим работу нулевой схемы однофазного управляемого выпрямителя подроб­нее В момент времени t₁ (рис.6.2б) на управляющий электрод тиристора VS1 поступает отпирающий импульс Е_y1, он вентиль откроется и подключит нагрузку R_н к ЭДС Е₂ вто­ричной обмотки трансформатора.

а) б)

Рис. 6.2 Однофазный управляемый выпрямитель с нулевой точкой: а – схема; б – диа­грамма работы на активную нагрузку

Угол отставания α, отсчитываемый от начала полупериода до момента отпирания вен­тилей, называется углом управления или регулирования.

В момент времени t₁,соответствующий углу α, напряжение на нагрузке скачком воз­растет, и далее изменяется по кривой Е₂. В конце полупериода ( ωt = π) Е₂ меняет знак, и тиристор VS1 запирается. Затем, через интервал Δωt = π управляющий импульс подается уже на тиристор VS2 и он вступает в работу. Далее процессы повторяются.

При работе выпрямителя на активную нагрузку форма кривой тока полностью повто­ряет форму кривой напряжения (см. график тока на рис. 6.2б).

Если изменять угол управления α, то будет изменяться время открытого состояния ти­ристоров и, соответственно, средняя величина выпрямленной ЭДС

E_d = Е_d0 (1+cos α)/2, (6.1)

где: E_d0 = 0.9^.E_2ф^. – наибольшее среднее значение выпрямленного напряжения при (α=0).

Зависимость E_d(α) называется регулировочной характеристикой. Для активной на­грузки она представлена на рис.6.3а (R).

При работе управляемого выпрямителя на активно-индуктивную нагрузку индуктив­ность L_н с одной стороны препятствует нарастанию тока (непосредственно после включе­ния тиристора), а с другой – поддерживает его даже после изменения знака Е₂.

Теперь тиристор закрывается не в момент ωt = π, а в момент ωt = α+λ, где λ – длительность проводящего состояния вентилей (протекания тока), которая больше, чем π-α.

Это приводит к тому, что среднее значение выходной ЭДС снижается.

а)

б)

Рис. 6.3 Регулировочные (а) и внешние (б) характеристики однофазного управляемого выпрямителя

Возможны два режима работы управляемого выпрямителя: режим прерывистого тока и режим непрерывного тока. В режиме прерывистого тока (α > α_кр) между интервалами проводимости вентилей имеются бестоковые паузы. При увеличении индуктивности или уменьшении R_н длительность бестоковой паузы уменьшается и при λ > π и I_d > I_dкр вы­прямитель переходит в режим непрерывного тока.

Режим непрерывного тока является наиболее характерным для мощных выпрямите­лей, для которых обычно ωL_н >>R_н. В этом режиме длительность протекания тока через вентиль равна π, т.е. в любой момент времени нагрузка подключена к одной из полуобмоток трансформатора. Среднее значение ЭДС выпрямителя в этом режиме

E_d = Е_d0 cos α, (6.2)

Регулировочная характеристика выпрямителя в режиме непрерывного тока представ­лена на рис.6.3а”L”, а внешние при I_d > I_dкр – на рис. 6.3б.

Однофазная мостовая схема (рис.6.1в) имеет удвоенное число тиристоров, однако не требует применения специального трансформатора с выведенной средней точкой. Ее свойства близки однофазной нулевой схеме, в частности, она также имеет высо­кий уровень пульсации выпрямленного напряжения q (см. табл.6.1)

Для мощных установок применяются трехфазные схемы выпрямления, обеспечи­вающие значительное снижение пульсаций. Наиболее простой является схема трех­фазного нулевого преобразователя (рис.6.1б), имеющая минимально число тиристо­ров (три) и обычный двухобмоточный трехфазный трансформатор.

Здесь α_кр = 30º и при 0 < α < 30º выпрямленный ток непрерывный и зависи­мость выпрямленного напряжения от угла управления определяется выраже­нием (6.2).

При активной нагрузке область α > 30º соответствует режиму прерывистого тока:

U_d = U_d0 [1+cos ( 30º +α )]/ √2. (6.3)

Предельным углом регулирования при работе этих преобразователей на активную на­грузку является угол α = 150º. Недостатком такой схемы является сравнительно вы­сокий уровень пульсаций (q) выпрямленного напряжения (см. табл.6.1).

В трехфазном мостовом управляемом преобразователе (рис.6.1, г), одновре­менно работают два тиристора; один из катодной, другой из анодной группы. Преоб­разователь имеет удвоенное число вентилей (по сравнению с трехфазной нулевой схе­мой) и достаточно низкий уровень пульсаций выпрямленного напряжения (см. табл.6.1). Здесь α_кр = 60º и выпрямленный ток будет непрерывным при 0 < α < 60º . Зависимость выпрямленного напряжения от угла управления описывается выраже­нием (6.1). При α > 60º и активной нагрузке, кривые выпрямленного тока и напряже­ния становятся прерывистыми и выпрямленное напряжение

U_d = U_d0 [1+cos ( 60º +α )]. (6.4)

Предельным углом регулирования при работе этих преобразователей на актив­ную нагрузку является угол α = 120º.

Сравнение основных параметров, характеризующих работу различных схем преобра­зования при их работе на чисто активную нагрузку (L =0), приведены в табл.6.1.

Таблица 6.1 Сравнение параметров различных схем преобразователей при L =0

Схема	Еdo/Е2ф	I2/Id	Еобрм/Еdo	q
Однофазная нулевая	0.9	0.785	2.14	0.67
Однофазная мостовая	0.9	1.11	1.57	0.67
Трехфазная нулевая	1.17	0.585	2.09	0.25
Трехфазная мостовая	2.34	0.817	1.05	0.057

Здесь q = Е_d1m / Е_d – коэффициент пульсации, равный отношению амплитуды максимальной гармо­ники к средней ЭДС на выходе выпрямителя при α=0, а Е_обрм – максимальная обратная ЭДС, приложенная к тиристору.