- •Глава 5. Регулируемые электроприводы с двигателями постоянного тока
- •5.1. Электромеханические характеристики двигателей постоянного тока независимого возбуждения
- •5.2. Электроприводы по системе тиристорный преобразователь-двигатель постоянного тока
- •Основные показатели схем выпрямления
- •5.3. Электропривод с двигателями постоянного тока с последовательным возбуждением
- •5.4. Электроприводы постоянного тока с широтно-импульсным регулированием
- •Контрольные вопросы
Основные показатели схем выпрямления
Схема |
m | |||||
Однофазная мостовая |
0,9 |
1,57 |
1,0 |
1,11 |
1 |
2 |
Трехфазная мостовая |
1,35 |
1,045 |
0,815 |
1,045 |
2 |
6 |
I1 – ток в линии на стороне переменного тока;
Sт – мощность трансформатора, ВА;
Uвмакс – максимальное напряжение, прикладываемое к тиристорам;
Rm – сопротивление вторичной обмотки трансформатора (или реактора).
Таким образом, среднее значение напряжения преобразователя в режиме непрерывного тока (внешняя характеристика преобразователя, как источника напряжения) будет:
. (5.18)
Выпрямленный ток имеет непрерывный характер, если индуктивность в цепи выпрямленного тока достаточно велика . Если ток якоря принимает прерывистый характер, тогда механические характеристики привода становятся нелинейными (см. рис.5.13).
Индуктивность якорной цепи двигателя постоянного тока независимого возбуждения может быть определена по формуле:
, (5.19)
где: кL – конструктивный коэффициент; для компенсированных машин принимается (0,1÷0,25), для некомпенсированных (0,5÷0,6);
Uн, Iн, ωн – номинальные напряжение, ток якоря и угловая скорость двигателя;
рп – число пар полюсов.
При конечных значениях индуктивности в цепи выпрямленного тока на условие непрерывности тока оказывают также влияние величина тока и угол регулирования. Граничное (минимальное) значение тока, при котором ток еще остается непрерывным определяется соотношением
. (5.20)
Влияние режима прерывистого тока проявляется в увеличении среднего значения выпрямленного напряжения в зоне прерывистого тока. Механические характеристики нереверсивного привода ТП-Д показаны на рис.5.13.
Наиболее часто применяемые силовые схемы тиристорного электропривода постоянного тока (ТП-Д) показаны на рис. 5.10. Их показатели даны в табл.5.1. Схемы 5.10,а и 5.10,б относятся к нереверсивным электроприводам. В этих схемах изменение полярности питающего напряжения и направления тока в якорной цепи невозможно.
Если полагать, что привод работает в режиме непрерывного тока (при ), то механические характеристики будут иметь вид наклонных прямых параллельных друг другу, причем ω0 уменьшается по мере уменьшения выпрямленного напряжения (увеличения угла α).
Механические характеристики описываются в этом случае следующей формулой, полученной на основе (5.5)
. (5.21)
При конечных значениях индуктивности якорной цепи Ld в области малых значений момента (тока якоря) – левее граничной линии Iгр – механические характеристики теряют линейность и загибаются вверх. Это является следствием перехода в зону прерывистых токов. Линия, определяющая границу непрерывного тока, определяется уравнением (5.20).
При желании уменьшить зону прерывистых токов последовательно с якорем двигателя включают сглаживающий дроссель, величина индуктивности которого может быть определена по формуле:
, (5.22)
где: Iгр – требуемое значение граничного тока при ω=0.
Заметим, что механические характеристики нереверсивного привода ТП-Д не переходят ось ординат, т.к. изменение направления тока в нереверсивных схемах невозможно. Следовательно, отсутствует режим рекуперативного торможения. В случае необходимости изменения направления вращения приводного двигателя в нереверсивных приводах по системе ТП-Д изменяют направление тока в обмотке возбуждения двигателя.
Для того, чтобы получить электропривод, работающий во всех четырех квадрантах поля М-ω, необходимо использование реверсивного тиристорного преобразователя, обеспечивающего протекание тока якоря в обоих направлениях. Реверсивные тиристорные преобразователи содержат две группы тиристоров, включенные встречно-параллельно друг другу. Наиболее распространенная схема реверсивного тиристорного электропривода показана на рис.5.10,в. В этой схеме два тиристорных преобразователя UZ(B) и UZ(H), собранные каждый по трехфазной мостовой схеме, включены параллельно друг другу с противоположной полярностью на стороне выпрямленного тока. Подавать отпирающие импульсы одновременно на обе группы тиристоров нельзя, т.к. произойдет короткое замыкание. Поэтому в данной схеме может работать только одна группа тиристоров UZ(B) или UZ(H); другая группа должна быть закрыта (отпирающие импульсы сняты). Такая реверсивная схема называется схемой с раздельным управлением группами тиристоров.
При раздельном управлении включается только та группа тиристоров, которая в данный момент должна проводить ток. Выбор этой группы зависит от направления движения привода («вперед» или «назад») и от режима работы: двигательный режим или рекуперативное торможение. В соответствии с этим выбор нужной группы вентилей можно представить в виде табл. 5.2.
Таблица 5.2
Выбор группы тиристоров
Направление движения |
Режим работы | |
Двигательный |
Тормозной | |
Вперед |
UZ(B) |
UZ(H) |
Назад |
UZ(H) |
UZ(B) |
В системах управления выбор и включение нужной группы тиристоров производится автоматически посредством логического переключающего устройства ЛПУ, принцип построения которого показан на рис.5.14.
Примем направление тока якоря при работе «вперед» в двигательном режиме за положительное. При положительном сигнале задания скорости ωзад, соответствующем движению вперед, и сигнале ошибки по скорости, которая в двигательном режиме также будет , сигнал, поступающий на ЛПУ от регулятора тока, будет иметь знак (+). В соответствии с этим ЛПУ включит электронный ключ К(В), который подает отпирающие импульсы на тиристорную группуUZ(B). Угол управления αв устанавливается системой автоматического регулирования в соответствии с сигналом выхода регулятора тока РТ. Обе СИФУ (В) и (Н) работают согласованно – так, что сумма углов
. (5.23)
Таким образом, на тиристорную группу, работающую в выпрямительном режиме, подаются отпирающие импульсы с углом . При этом СИФУ(Н) вырабатывает импульсы управления с углом, т.е.c углом управления, соответствующем инверторному режиму работы преобразователя UZ(H). Однако, поскольку электронный ключ К(Н) разомкнут, импульсы управления на тиристоры группы UZ(H) не поступают. Преобразователь UZ(H) закрыт, но подготовлен к работе в инверторном режиме.
Такой принцип согласованного управления, определяемый (5.23) позволяет согласовать механические характеристики привода в двигательном и тормозном режимах, что показано на рис.5.15.
При необходимости торможения привода уменьшается сигнал задания скорости ωзад. Ошибка по скорости меняет знак (ωзад-ω)<0, и на входе ЛПУ знак сигнала изменяется с (+) на (-), в соответствии с чем отключается контакт К(В) и включается контакт К(Н). Однако включение контакта К(Н) происходит не сразу, а с некоторой выдержкой времени, которая необходима, чтобы ток якоря уменьшился до нуля и тиристоры UZ(B) восстановили запирающие свойства. Спадание тока до нуля контролируется датчиком тока ДТ и нуль-органом НО (в других схемах для этой цели используются датчики проводимости вентилей ДПВ).
Когда ток спадет до нуля, по прошествии некоторой выдержки времени, включается ключ К(Н) и вступает в работу преобразователь UZ(H), уже подготовленный к работе в инверторном режиме. Привод переходит в режим рекуперативного торможения. Общее время переключения тиристорных групп составляет 5-10 миллисекунд, что является в большинстве случаев допустимым для обеспечения высокого качества управления.
При работе в двигательном режиме в направлении «назад» знак задания скорости отрицателен, а значение ошибки по скорости положительно, поэтому на вход ЛПУ поступает отрицательный сигнал, и включается ключ К(Н). Работает преобразовательUZ(H) в выпрямительном режиме. Логические правила работы ЛПУ иллюстрируются табл. 5.3.
Находят применение также и другие схемы ЛПУ. Механические характеристики реверсивного привода ТП-Д с раздельным управлением показаны на рис.5.15. При непрерывном токе якоря они описываются уравнением (5.21).
Таблица 5.3
Правила работы ЛПУ
Знак ωзад |
Знак |
Знак на входе ЛПУ |
Включен ключ |
Работает преобразователь |
Режим работы привода |
+ |
+ |
+ |
К(В) |
UZ(B) |
Двигательный |
+ |
- |
- |
К(Н) |
UZ(H) |
Тормозной |
- |
+ |
- |
К(Н) |
UZ(H) |
Двигательный |
- |
- |
+ |
К(В) |
UZ(B) |
Тормозной |
В режиме прерывистых токов в области малых значений момента линейность характеристик нарушается. В современных замкнутых по току и скорости системах регулирования, благодаря применению адаптивных регуляторов, удается линеаризовать механические характеристики и при малых значениях момента.
Тиристорные преобразователи в приводе ТП-Д получают питание либо от трансформаторов, согласующих напряжение питающей сети с номинальным напряжением двигателя постоянного тока, либо, если такое согласование не требуется, от однофазной или трехфазной сети 380/220 В. В последнем случае на входе преобразователя используются реакторы (см. рис.5.10).
Мощность трансформатора при трехфазной мостовой схеме преобразователя определяется выражением
, кВА.
Здесь Udн, Idн – номинальные выпрямленное напряжение и ток трансформатора;
Кν=1,05 – коэффициент, учитывающий искажение формы тока;
αмин – минимальный угол управления тиристорами, соответствующий номинальному выпрямленному напряжению;
ηтр, ηп – кпд трансформатора и кпд преобразователя.
Кпд тиристорного электропривода определяется произведением кпд его узлов, преобразующих энергию
.
Кпд трансформатора лежит в пределах 0,9-0,95, увеличиваясь с возрастанием мощности. Потери в тиристорном преобразователе невелики, т.к. они определяются, главным образом, потерями мощности в полупроводниковых приборах. Для мостовой схемы ,
где: - падение напряжения на открытом тиристоре.
Обычно кпд преобразователя составляет 0,95-0,98. Принимая средний кпд двигателя постоянного тока ηдв=0,88, получим, что кпд привода ТП-Д при номинальной нагрузке составляет порядка ηТП-Д=0,78÷0,82, что является высоким показателем.
Недостатком привода ТП-Д с энергетической точки зрения является низкое значение средневзвешенного коэффициента мощности и искажение формы тока в питающей сети.
Тиристорные преобразователи искажают форму тока в питающей сети переменного тока, делая форму тока отличной от синусоиды. Несинусоидальный ток можно разложить на ток первой гармоники с частотой сети и токи высших гармоник, частота которых превышает частоту сети в (nm+1) раз, где m – число пульсаций выпрямленного напряжения за один период частоты сети, n – натуральные числа 1, 2, 3 и т.д. Переменный ток мостовых преобразователей имеет примерно трапецеидальную форму, его можно разложить на сумму тока первой гармоники и токов высших гармоник
и т.д.
Особенно проявляются 5, 7 и 11 гармоники тока. Мощность, определяемая высшими гармониками тока и напряжением первой гармоники, образует так называемую мощность искажения, которая по существу является реактивной (ее среднее значение равно нулю). Мощность искажения оказывает вредное воздействие на питающую сеть и потребители электроэнергии, включенные параллельно тиристорному преобразователю. Степень искажения тока оценивают коэффициентом искажения ν
.
Коэффициент искажения тока для трехфазных мостовых схем составляет порядка 0,95.
Под коэффициентом мощности тиристорного преобразователя будем понимать произведение cosφ для первой гармоники тока по отношению к первой гармонике напряжения, умноженному на коэффициент искажения
.
Ток в цепи питания тиристорного преобразователя отстает от соответствующего напряжения на угол запаздывания открывания тиристоров (угол управления α). Поэтому можно приближенно считать, что
. (5.24)
Т.к. , то при работе привода на высоких скоростях, когдаЕd примерно равно номинальному напряжению якоря двигателя, cosα будет близок к единице и коэффициент мощности тиристорного преобразователя будет высоким. По мере снижения скорости будет уменьшаться выпрямленное напряжение преобразователя и соответственно снижаться cosφ1. Можно приближенно полагать, что .
Если привод ТП-Д длительное время работает с пониженными скоростями, то средневзвешенный коэффициент мощности будет низким. Поэтому энергетические показатели привода ТП-Д следует оценивать не по номинальному значению, когда cosφ1 высокий, а по его средневзвешенному значению. Особенно низкое значение cosφ1 будет при пуске привода. Поэтому для мощных тиристорных приводов пуск сопровождается значительными бросками реактивной мощности.
Исходя из изложенного, рекомендуется совместно с тиристорными преобразователями включать фильтрокомпенсирующие устройства, которые повышают cosφ преобразователей и улучшают гармонический состав тока в питающей сети, тем самым, компенсируя вредное влияние преобразователей на питающую сеть.