13. Электропривод переменного тока с широтно-импульсной модуляцией тока ротора электродвигателя.
В последние годы для регулирования координат АД широкое применение нашел импульсный способ. Сущность его заключается в периодическом (импульсном) изменении какого-либо параметра цепей АД или питающей сети. Применительно к АД чаще всего осуществляется импульсное изменение подводимого к АД напряжения или сопротивлений резисторов в цепях ротора или статора.
Развитием ПЧ со звеном постоянного тока является использование в них инверторов с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Отличительной особенностью этих инверторов является не только возможность широкого регулирования в них напряжения и частоты, но и получение формы выходного тока, близкой синусоидальной. Это позволяет обеспечить большой диапазон регулирования скорости АД и одновременно уменьшить потери в нем от высших гармоник тока. При использовании инверторов с ШИМ в схеме ПЧ может быть применен неуправляемый выпрямитель, что упрощает схему ПЧ и позволяет получить коэффициент мощности ПЧ, близкий к единице.
Еще один путь совершенствования ПЧ связан с использованием в них широтно-импульсных регуляторов напряжения (ШИР), которые устанавливаются между источником
напряжения постоянного тока и инвертором. Такие схемы целесообразно использовать в тех случаях, когда инвертор питается от сети постоянного тока или от неуправляемого выпрямителя.
Схемы с ШИР могут обеспечить широкий диапазон регулирования выходного напряжения и высокий коэффициент мощности ПЧ во всем диапазоне регулирования частоты. Недостатками ПЧ и ШИР являются необходимость усложнения силовой части ПЧ и снижение КПД ПЧ из-за дополнительных потерь мощности в ШИР.
Одна из возможных схем ШИР приведена на рис. 4.33. Ее образуют основной VS1 и вспомогательный VS2 тиристоры, ограничивающий реактор L1, реактор L2 и конденсатор С коммутирующего контура, VD – неуправляемый диод. Работа схемы происходит следующим образом. При подаче от СИФУ (на рис. 4.33 не показана) импульса управления на тиристор VS1 он открывается и к нагрузке прикладывается напряжение источника питания Е0. Для отключения нагрузки от источника питания подается импульс на VS2 и снимается импульс с VS1, после чего с помощью контура коммутации VS1 закрывается. Частота коммутации тиристоров VS1 и VS2 обычно составляет несколько сотен герц, что позволяет уменьшить габариты фильтра, установленного на ШИР.
14.Электропривод на базе асинхронного короткозамкнутого двигателя с тиристорным регулятором в статоре.
Для регулирования напряжения на выводах статора АД могут использоваться различные устройства – автотрансформаторы, магнитные усилители и тиристорные преобразователи напряжения (ТПН). Последний вид регуляторов напряжения – ТПН получил в настоящее время наибольшее распространение и серийно выпускается промышленностью. Определяется это рядом достоинств ТПН. высоким КПД, простотой в обслуживании, легкостью автоматизации работы электропривода.
На рис 4.14, а приведена силовая часть схемы регулирования напряжения на однофазной нагрузке Zн. Если на тиристоры VS1 и VS2 не подаются импульсы управления от СИФУ (на схеме не показана), то они закрыты и напряжение на нагрузке Uн равно нулю. При подаче на тиристоры импульсов управления в момент их естественного открытия (угол управления =0) они будут полностью открыты и к нагрузке будет приложено все напряжение сети U1. Если осуществлять подачу импульсов управления на тиристоры с некоторой задержкой относительно момента естественного открытия (угол управления 0), то к нагрузке будет прикладываться часть напряжения сети. Изменяя угол управления от нуля до , можно регулировать напряжение на нагрузке от полного напряжения сети до нуля.
Существенно отметить, что форма напряжения на нагрузке является несинусоидальной. Несинусоидальное напряжение можно представить как совокупность нескольких синусоидальных напряжений, каждое из которых изменяется с определенной частотой. Из приведенных рассуждений вытекает следующий вывод: кривую напряжения на нагрузке при работе схемы рис 4.14, а можно разложить на отдельные составляющие, причем частота изменения первой из них равна частоте питающего напряжения, а частоты других составляющих больше, чем первой. Указанная первая составляющая называется 1-й или основной гармоникой, а все другие составляющие называются высшими гармониками. Обычно 1-я гармоника имеет наибольшую амплитуду и по ней ведутся все основные расчеты.
Показанное на рис 4.14, а соединение тиристоров называется встречно-параллельным. Оно обеспечивает поочередную работу каждого из тиристоров в течение одного полупериода частоты сети. Такие пары встречно-параллельно соединенных тиристоров используются и для регулирования напряжения трехфазного АД. Отметим, что иногда вместо такой пары тиристоров используется симметричный тиристор (симистор), обеспечивающий такой же принцип действия преобразователя напряжения.
На рис. 4.14, б приведена практическая схема управления АД с помощью ТПН, состоящего из трех пар встречно-параллельно соединенных тиристоров, каждая из которых включена между фазой сети и фазой статора АД. Регулирование напряжения на АД в этой схеме осуществляется, как и в схеме на рис. 4.14, а, изменением угла управления, т. е. сдвигом во времени управляющих импульсов, подаваемых на управляющие электроды тиристоров.
Управляющие импульсы подаются на все тиристоры не одновременно, а со сдвигом во времени на третью часть периода частоты сети. Это определяется тем, что управляющий импульс каждого тиристора должен быть сдвинут относительно напряжения той фазы сети, к которой подключен тиристор, на один и тот же угол управления , a фазные напряжения сети сдвинуты относительно друг друга на 120°.
При изменении угла управления изменяется напряжение на фазах АД аналогично тому, как это было рассмотрено для однофазной цепи, а именно: при увеличении угла амплитуда 1-й гармоники напряжения уменьшается. На рис. 4.14, б приведены механические характеристики АД, каждая из которых соответствует одному значению угла управления . Эти характеристики аналогичны показанным на рис. 4.13, б, соответствующим случаю питания АД от идеального источника изменяющегося синусоидального напряжения.
Возникающие на выходе ТПН высшие гармоники напряжения оказывают определенное влияние на работу АД. В частности, каждая гармоника напряжения определяет прохождение дополнительного тока в обмотках АД, который вызывает соответствующие дополнительные потери в обмотках. Анализ показывает, что при питании АД от ТПН по схеме рис. 4.14, б потери на 10–20 % больше, чем при питании АД от источника изменяющегося синусоидального напряжения. Вместе с тем следует отметить, что высшие гармоники напряжения оказывают незначительное влияние на момент АД.
Как уже отмечалось, характеристики, приведенные на рис. 4.14, в, мало удовлетворяют целям регулирования скорости АД. Из графиков следует, что с увеличением угла управления снижается критический момент АД и падает жесткость его механических характеристик. Вследствие этого при возможных колебаниях момента сопротивления механизма Мс скорость его движения может резко измениться, что в большинстве случаев недопустимо.
Действительно, пусть, например (рис. 4.14, в), момент сопротивления на валу АД равен Mc1. Если угол управления равен 75°, то рабочая точка электропривода находится в положении 1. Предположим, что по каким-то причинам увеличился момент нагрузки на валу АД до значения Mc2. Двигатель при этом начнет замедляться и в конечном итоге остановится, так как его критический момент меньше момента сопротивления Mc2. В то же время по условиям производственного процесса допустимо уменьшение угловой скорости только до значения 2. Очевидно, что для выполнения этого требования должен быть уменьшен угол до 60°, при этом момент АД увеличится и рабочая точка электропривода переместится в положение 2.
Высказанные соображения показывают, что для получения благоприятных механических характеристик АД, управляемого с помощью ТПН, необходимо регулировать угол в зависимости от изменения момента Мс нагрузки. Такое регулирование можно осуществить вручную, когда за работой электропривода наблюдает оператор, который при недопустимых колебаниях скорости производственного механизма регулирует положение определенной рукоятки управления, изменяющей угол . Однако наиболее просто и с лучшими результатами эти функции могут выполнить системы автоматического регулирования, которые без участия человека обеспечивают поддержание скорости АД на заданном уровне.