Отрицательное влияние на cos(ϕ) ТП оказывают высшие гармоники в кривой тока, потребляемого преобразователем от сети. Основная причина низкого значения cos(ϕ) ТП при глубоком регулировании заключается в сильном возрастании потребляемой реактивной мощности при снижении выпрямленного напряжения.

Функциональная схема ТП представлена на рис. 2.2.1.5. ТП состоит из блоков Б1 (система импульсно-фазового управления (СИФУ)), Б2 (вентильная группа (ВГ) – состоит из комплекта тиристоров, предназначенных для определенного направления тока нагрузки), БН (блок нагрузки). На вход Б1 подается напряжение управления Uy, Б1 преобразует его в угол открывания тиристоров α. Выходной блок Б2 преобразует угол α в ЭДС ТП. На Ed ТП оказывает влияние возмущающее воздействие — ток нагрузки Id, который через БН поступает на вход блока Б2. Влияние Id на Ed проявляется только в режиме прерывистых токов. В режиме непрерывных токов Ed ТП является функцией только угла открывания.

		Б1		Б2
	Uу		α		Ed
		СИФУ

БН ВГ

µ(Id)

Id

Рис. 2.2.1.5. Функциональная схема ТП

Уравнения и режимы работы ДПТ независимого возбуждения

Рассмотрим структурную схему ДПТ НВ при питании от выпрямителя рис. 2.2.1.6.

Выпрямитель может быть полуили полностью управляемым. Обмотка возбуждения двигателя питается от сети переменного тока через диодный мост.

Основные уравнения для ДПТ НВ имеют вид.

Ток якоря двигателя постоянного тока определяется его ЭДС eя, сопротивлением якоря Rя и индуктивностью Lя.

Электродвижущая сила якоря выражается зависимостью [4]

eя = cФω,

(2.2.1.1)

где с — коэффициент, определенный конструкцией; Ф — поток двигателя.

15

uRя

~uвх	Выпрями-	uLя
	тель

Рис. 2.2.1.6. Структурная схема ДПТ НВ с однофазным силовым преобразователем

Среднее значение ЭДС якоря
Eя = cФωср .	(2.2.1.2)
Электромагнитный момент
M = cΦiя .	(2.2.1.3)
Среднее значение момента
M ср = cΦI я .	(2.2.1.4)

Напряжение якорной цепи двигателя можно представить следующим образом (2 закон Кирхгофа для контура, изображенного пунктирной линией на рис. 2.2.1.6):

uя = Rяiя	+ Lя	diя	+ eя .	(2.2.1.5)
Среднее значение		dt
	= RяI я + Eя .
U я				(2.2.1.6)

Заметим, что индуктивность Lя в это выражение не входит. Из (2.2.1.2) и

(2.2.1.6) можно найти выражение для средней угловой скорости двигателя
ωср = (U я − RяI я ) cФ.	(2.2.1.7)

Уравнения (2.2.1.2), (2.2.1.4), (2.2.1.6), (2.2.1.7) описывают связь между средними значениями переменных, мгновенные значения которых могут меняться по любому закону.

Согласно (2.2.1.7), скорость ДПТ можно регулировать тремя способами: изменением подводимого напряжения; изменением потока (тока возбужде-

16

ния IВ); изменением сопротивления цепи якоря. Рассмотрим возможности регулирования скорости двигателя изменением подводимого напряжения.

На рис. 2.2.1.7 показаны четыре квадранта механической характеристики двигателя. Квадранты I и III характеризуют двигательный режим работы ДПТ и прямую передачу энергии. Электрическая энергия от питающей сети через преобразователь поступает к электрической машине и через ее вал в виде механической энергии передается к приводному механизму.

Квадранты II и IV – генераторный режим работы ДПТ, который предполагает создание усилия на ротор двигателя. В системе осуществляется обратная передача энергии: двигатель получает механическую энергию от приводного механизма и отдает ее в виде электрической энергии через преобразователь в питающую сеть или другому потребителю. ДПТ работает в генераторном режиме.

Для вращения двигателя в прямом направлении (квадрант I) Uя, Ея и Iя должны быть положительными; скорость и момент также положительными. При торможении из прямого вращения (квадрант II) двигатель вращается в прямом направлении, при этом ЭДС остается положительной. Для обеспечения отрицательного момента и рекуперации энергии ток якоря должен быть отрицательным, питающее напряжение Uя должно поддерживаться меньше,

чем ЭДС Ея.

При вращении в обратном направлении (квадрант III) Uя, Ея и Iя отрицательны. Чтобы момент также был отрицательным, и энергия передавалась бы от источника к двигателю, ЭДС должна удовлетворять условию |Uя| > |Ея|. Полярность Ея должна быть изменена на обратную путем изменения полярности тока возбуждения или переключением зажимов обмотки якоря. При торможении из обратного вращения (квадрант IV) Uя и Ея остаются отрицательными. Для создания положительного момента и передачи энергии от двигателя к источнику ток якоря должен быть положительным. В этом случае наведенная ЭДС Ея должна удовлетворять условию |Uя| < |Ея|.

Возможность работы электропривода в одном или нескольких квадрантах определяется схемой преобразователя.

Преобразователи для регулирования скорости ДПТ делятся на однофазные и трехфазные. Выбор подходящей схемы для соответствующего применения преобразователя зависит от числа фаз питающей сети, мощности привода, допустимых пульсаций напряжения, необходимости изменения направления вращения и рекуперации энергии в сеть.

Полууправляемый преобразователь обеспечивает работу электропри-

вода лишь на электрических характеристиках, расположенных в одном квадранте, так как направление напряжения и тока на его выходе неизменны.

Полностью управляемый преобразователь обеспечивает работу в

двух квадрантах, поскольку он дает возможность изменять по направлению

17

напряжение на якоре двигателя, однако однонаправленная проводимость тиристоров не позволяет изменить направление тока через якорь двигателя.

Рис. 2.2.1.7. Условия работы двигателя постоянного тока независимого возбуждения в различных режимах

Преобразователи с двумя комплектами тиристоров позволяют регу-

лировать скорость двигателя во всех четырех квадрантах.

Двухкомплектные схемы с полууправляемыми мостами обеспечи-

вают работу электропривода в двух квадрантах.

Однофазный и трехфазный силовой преобразователь

Рассмотрим управление скоростью ДПТ НВ, с помощью однофазного полууправляемого и полностью управляемого силового преобразователя при допущении непрерывности тока [4].

Полууправляемый силовой преобразователь

В полууправляемом преобразователе (рис. 2.2.1.8) тиристор VS1 откры-

вается в момент времени, соответствующий углу α, a VS2 — углу α + π относительно напряжения питания u. Двигатель подключен к сети в течение фазового интервала α < Ωt < π через тиристор VS1 и диод VD2. Напряжение на двигателе uя равно питающему u. При Ωt > π напряжение u изменяет полярность, а прямое падение напряжения на обратном диоде VD0 переводит его в открытое состояние. Ток якоря iя, протекающий ранее от сети через VS1, теперь проходит через VD0 (тиристор VS1 закрыт). Цепь якоря

18

Рис. 2.2.1.8. Регулирование скорости ДПТ НВ однофазным полууправляемым преобразователем: а — схема СЧ; б — диаграммы токов и напряжений для режима непрерывного тока

19

двигателя в течение интервала π < Ωt < π + α закорочена на обратный диод, поэтому uя = 0. Когда тиристор открыт (α < Ωt < π), энергия из сети передается в якорную цепь, превращаясь в энергию электромагнитного поля (ЭМП) в индуктивностях якоря Lя, кинетическую энергию вращения механических частей электропривода и полезную работу. Когда тиристор закрыт между фазами π и π + α, запасенная в индуктивностях энергия ЭМП превращается в механическую, а протекающий по якорной цепи ток iя создает электромагнитный момент. Энергия в сеть не возвращается.

Полностью управляемый силовой преобразователь

В полностью управляемом преобразователе (рис. 2.2.1.9) тиристоры

VS1 и VS3 открываются одновременно в момент времени, соответствующий углу α, a VS2 и VS4 — углу α + π. ДПТ постоянно связан с сетью через тиристоры. Тиристоры VS1 и VS3 открыты и соединяют двигатель с сетью в течение периода α < Ωt < π + α. В момент π + α тиристоры VS2 и VS4 переходят в открытое состояние, при этом к тиристорам VS1 и VS3 через открытые тиристоры VS2 и VS4 прикладывается напряжение обратной полярности и закрывает их (естественная коммутация). Ток якоря двигателя iя, протекавший через тиристоры VS1 и VS3, проходит через тиристоры VS2 и VS4. В течение фазового интервала α < Ωt < π энергия из сети передается к двигателю (как u, i, так и uя, iя положительны и обусловливают положительное направление потока энергии). В течение интервала, заключенного между π < Ωt < π + α, часть энергии из якорной цепи возвращается в сеть (u и i, а также uя и iя имеют разные направления, определяющие направление потока энергии от двигателя к сети).

На рис. 2.2.1.10 изображены диаграммы токов и напряжений для α > 90°. Среднее значение напряжения якоря Uя при этом отрицательно. Если ЭДС двигателя меняет направление, то он работает как генератор постоянного тока, отдавая энергию в сеть, т. е. работает в режиме рекуперативного торможения.

Уравнения для якорной цепи двигателя с полууправляемым преобразователем (рис. 2.2.1.8)

uя = u = Rяiя + Lя		diя		+eя ,	α < Ωt <π ;	(2.2.1.8)
		dt
uя = 0 = Rяiя + Lя		diя	+eя ,		π < Ωt <π +α.	(2.2.1.9)
		dt

Уравнение для якорной цепи двигателя с полностью управляемым преобразователем (рис. 2.2.1.10)

uя = u = Rяiя + Lя	diя	+eя , α < Ωt <π +α.	(2.2.1.10)
	dt
20

Рис. 2.2.1.9. Регулирование скорости ДПТ НВ однофазным полностью управляемым преобразователем: а — схема СЧ; б — диаграммы токов и напряжений для режима непрерывного тока в двигательном режиме

21

При синусоидальной форме питающего напряжения, когда u = 2U sin(θ),

средние значения напряжений якорной цепи в случаях полу- и полностью управляемых схем преобразователей можно определить соответственно по следующим формулам:

U я = π1 π∫			2U sin(θ)dθ =	π2U (1+cos(α));		(2.2.1.11)
		α
U я =	1	π +α	2U sin(θ)dθ =	2 2U	cos(α).	(2.2.1.12)
	π	∫		π
		α

Рис. 2.2.1.10. Диаграммы токов и напряжений для инверторного режима ДПТ НВ при питании от однофазного полностью управляемого преобразователя

Зависимость uя = f (α) для рассмотренных преобразователей представлена на рис. 2.2.1.11,а. Инверторному режиму в полностью управляемом преобразователе при непрерывном токе соответствуют углы 90° < α < 180° (участок характеристики показан штриховой линией на рис. 2.2.1.11,а).

Решение уравнений (2.2.1.4), (2.2.1.7), (2.2.1.11), (2.2.1.12) относительно угловой скорости ω позволяет получить уравнение механических характеристик для полу- и полностью управляемых схем соответственно:

ω =

2U (1+cos(α))

−

Rя

M ;

(2.2.1.13)

πcΦ

Φ

2

2U cos(α)

(c

)

ω =

2

−

Rя

M .

(2.2.1.14)

πcΦ

Φ

2

22

(c

)

Первый член правых частей уравнений (2.2.1.13) и (2.2.1.14) представляет собой скорость идеального холостого хода, второй соответствует изменению скорости, происходящему под влиянием протекающего в якоре тока Iя или соответствующего ему электромагнитного момента М, воздействующего на вал. Скорость идеального холостого хода, как это следует из уравнений, зависит от угла управления. Механические характеристики, представленные на рис. 2.2.1.11,б, свидетельствуют о хороших регулировочных возможностях при работе системы в режиме непрерывного тока.

При больших значениях угла управления тиристоров, высоких скоростях и небольших нагрузках на валу ток якоря имеет прерывистый характер, что вызывает увеличение скоростей холостого хода по сравнению с представленными на рис. 2.2.1.11,б и уменьшение диапазона регулирования.

Рис. 2.2.1.11. Характеристики преобразователя и двигателя в режиме непрерывного тока: а — зависимость выходного напряжения преобразователя от угла управления; б — механические характеристики при различных углах управления

Взоне прерывистых токов увеличиваются отношения амплитуды и действующего значения тока якоря к его среднему значению, что отрицательно сказывается на тепловом режиме двигателя; ухудшаются его ди-

намические показатели. Целесообразно осуществлять регулирование с непрерывным током якоря, для чего в якорную цепь вводятся дополнительные сглаживающие реакторы, увеличивающие ее постоянную времени.

Врежиме непрерывного тока механические характеристики просто рассчитываются по средним значениям тока и напряжения двигателя.

23

В режиме прерывистого тока расчеты становятся громоздкими. Затрудняется нахождение среднего значения напряжения якоря Uя, поскольку фазовый угол β зависит от средних значений скорости и тока якоря Iя, а также угла управления α.

Введение дополнительной индуктивности в якорную цепь сужает зону прерывистых токов и увеличивает жесткость механических характеристик в широкой области изменения момента.

Пример 2.2.1.1. Регулирование скорости ДПТ НВ производится по схеме рис. 2.2.1.9. Номинальные данные двигателя: мощность Рном = 5,8 кВт;

напряжение Uном = 440В; угловая скорость ω = 210 рад/с; Iя.ном = 14,5 А; сопротивление якоря Rя = 0,5 Ом, постоянная двигателя сФ= 1,84В с. Напряжение питания 500 В. Индуктивность якорной цепи предполагается достаточной для обеспечения непрерывности тока якоря и отсутствия пульсаций.

1.В режиме выпрямления (двигательном режиме) для угла управления

α= 30° и номинального тока якоря необходимо рассчитать: момент и скорость двигателя, а также коэффициент мощности.

2.В режиме инвертирования (рекуперативного торможения) полярность ЭДС двигателя изменяется на противоположную, например, путем реверса потока возбуждения. Для этого режима требуется найти угол управления, при котором в якорной цепи протекает номинальный ток, а также мощность, возвращаемую в питающую сеть.

Решение.

1.Режим выпрямления (двигательный режим).

По формуле (2.2.1.4) определяем момент двигателя:

M = cФIя = 1,84 14,5 = 26,68 Н м

Напряжение на якоре определяется по формуле (2.2.1.12):

U я = 2 2 500 cos(30o )= 389,84В.

π

Из уравнения (2.2.1.6) для якорной цепи определяем Ея:

Ея = Uя – IяRя = 389,81 – 14,5 0,5 = 382,56 В

Находим угловую скорость:

ω = cEΦя = 3821,84,56 = 207,91 рад/с.

Угловую скорость можно также определить, используя зависимость по формуле (2.2.1.14).

Если ток якоря не имеет пульсаций и постоянен, то ток, потребляемый из сети, имеет прямоугольную форму и амплитуду 14,5 А.

Среднеквадратичное значение тока сети:

I = 14,5 А.

Мощность, отдаваемая сетью (полная мощность):

P =UI = 500 14,5 = 7250 Вт.

24