рования. Недостатком АВ является потребность в большой мощности управления, достигающей 50...80% номинальной мощности возбудителя.

Рис. 2.2.1.36. Бесконтактная синхронная машина с асинхронным (а) и синхронным (б) возбудителями

Синхронные возбудители имеют в 10...15 раз большие постоянные времени, чем у АВ. Это является их недостатком. Но у СВ существенно меньшей является мощность управления, определяемая потерями в обмотке возбуждения СВ. Чтобы повысить быстродействие, СВ могут выполняться без демпферных обмоток. Это приводит к увеличению индуктивного фазного сопротивления коммутации, определяемого значением переходного индуктивного сопротивления СВ, и к ухудшению режима коммутации вращающегося ППВ.

Одним из эффективных способов улучшения показателей синхронных машин со статическими системами возбуждения является снижение напряжения на обмотке возбуждения ОВ при соответствующем росте тока. Понижение напряжения на ОВ облегчает условия охлаждения машины благодаря уменьшению числа витков и увеличению сечения проводников ОВ, увеличивает полезное сечение ОВ на 60...80 % за счет уменьшения объема изоляции.

Однако для получения токов возбуждения в тысячи ампер при значительно меньших значениях токов, допускаемых тиристорами, приходится применять параллельное соединение тиристоров в ППВ, что вызывает определенные трудности с равномерным распределением токов между тиристорами параллельных ветвей. Это объясняется неодинаковыми параметрами тиристоров, что приводит к перегрузке по току тиристоров, имеющих более крутые ветви прямой вольт-амперной характеристики.

Тиристорные системы самовозбуждения

Кроме независимой вентильной системы возбуждения, применяются и системы самовозбуждения. Преимуществом таких систем является то, что они не имеют электромашинного возбудителя; необходимая для возбуждения синхронной машины энергия отбирается от главной или дополнительной

73

обмотки якоря. В результате повышается надежность системы, уменьшается ее стоимость.

На рис. 2.2.1.37 показана схема тиристорного самовозбуждения турбогенератора ТГВ-300.

Рис. 2.2.1.37. Тиристорная система самовозбуждения:

РР — разрядник, защищающий обмотку возбуждения от перенапряжения; ГС — гасящее сопротивление; КС — контактор (ГС и КС используются

при включении турбогенератора в сеть способом самосинхронизации) 74

Система возбуждения имеет две группы тиристоров, одна из которых (РГВ) образует рабочий выпрямитель, а другая (ФГВ) — форсировочный. Рабочая группа тиристоров, обеспечивающая в основном нормальный режим работы, присоединена к ответвлению трансформатора ВТ, подключенного к выводам обмотки статора турбогенератора. К форсировочной группе тиристоров подводится геометрическая сумма напряжений двух трансформаторов: выпрямительного ВТ и последовательного СТ. Первичная обмотка последовательного трансформатора — СТ1 — включена последовательно в цепь статора турбогенератора, а вторичная — СТ2 — последовательно со вторичной обмоткой выпрямительного трансформатора. Благодаря этому выпрямленное напряжение зависит не только от напряжения турбогенератора, но и от тока его обмотки статора. Это позволяет обеспечить как нормальные режимы работы турбогенераторов, так и форсировку тока ротора при удаленных и близких коротких замыканиях. При этом в случае удаленных КЗ форсировка тока возбуждения создается напряжением выпрямительного трансформатора ВТ, а при близких КЗ — напряжением последовательного трансформатора. Поэтому требуемая кратность форсировки достигается во всех случаях. Применяются также схемы только с выпрямительным трансформатором. Они проще, однако при КЗ вблизи генератора напряжение на его выводах снижается, что приводит к снижению напряжения и на тиристорах. Таким образом, последовательный трансформатор обеспечивает более надежное возбуждение при близких КЗ. Как рабочий, так и форсировочный выпрямители имеют по шесть параллельных ветвей в каждом плече и в каждой ветви по три тиристора, включенных последовательно. Распределение тока по ветвям достигается индуктивными делителями тока. В каждой ветви установлены предохранители для защиты от коротких замыканий внутри преобразователя. Система возбуждения сохраняет свою работоспособность при выходе из строя одной из параллельных ветвей в плечах мостов преобразователей. Для измерений токов ротора рабочей и форсировочной групп тиристоров в схеме установлены измерительные шунты Ш1...ШЗ. Отключение одного моста или автоматического регулятора возбуждения АРВ в двух групповой схеме не приводит к потере возбуждения турбогенератора. Управление тиристорами и током возбуждения осуществляется от систем управления СУТР и СУТФ. При пуске турбогенератора, когда напряжение на обмотке статора отсутствует, ток в ротор подается от постороннего источника включением контактора 1К. Схема начального возбуждения автоматически отключается после начала процесса самовозбуждения. Гашение поля производится автоматом гашения поля АГП с одновременным переводом тиристоров в инверторный режим. Контактор 2АВ переключает обмотку ро-

тора на резервный возбудитель. Недостатком системы самовозбуждения

является относительно низкая стабильность напряжения.

75

Системы частотного управления синхронным двигателем

Использование полупроводниковых преобразователей частоты открывает большие возможности при создании электромеханических систем с синхронными двигателями (СД). Эти системы обладают такими несомненными достоинствами, как стабильность угловой скорости независимо от момента нагрузки во всем диапазоне регулирования угловой скорости, большими значениями моментов на ползучих скоростях при регулировании напряжения и тока возбуждения. Они позволяют получить высокую точность синхронного движения управляемых машин.

Напомним, что электромагнитный момент синхронного двигателя с явно выраженными полюсами определяется следующей зависимостью:

	3UE	0		3U 2		1		1
M =			sin(θ)+				−		sin(2θ),	(2.2.1.63)
	ω0 xd
				2ω0 xq				xd

где U — напряжение якоря; Е0 — ЭДС, индуцируемая в обмотке якоря; ω0 — угловая скорость магнитного поля; xd — синхронное индуктивное сопротивление по продольной оси; xq — синхронное индуктивное сопротивление по поперечной оси; θ — угол нагрузки.

Это выражение удобно представить, пренебрегая насыщением в виде

	UI	B	U			2
M = A			sin(θ)+ B			sin(2θ),	(2.2.1.64)
	f			f

где IВ — ток возбуждения синхронного двигателя; А и В — постоянные величины.

Рассмотрим режим работы СД при f = const; U = var; IB = var. Этот режим является наиболее характерным для нерегулируемых систем с синхронными двигателями. Формула электромагнитного момента для этого случая имеет вид:

M = C1UIB sin(θ)+ C2U 2 sin(2θ),

(2.2.1.65)

где C1 = A/f; C2 = B/f2.

Для характеристики электромеханических свойств удобно рассматривать регулирование синхронного двигателя отдельно при Iв = var; U = const и Iв = const; U = var. Моментно-угловые характеристики при этом соответственно представлены на рис. 2.2.1.38 и рис. 2.2.1.39. При частотном регулировании СД, когда U/f = const; IB = var, аналитическая зависимость для момента

имеет вид
M = C1IB sin(θ)+ C2 sin(2θ),	(2.2.1.66)

где C1=AU/f; C2 = B(U/f)2.

Характеристики для этого случая представлены на рис. 2.2.1.40. Рассмотрим режим частотного регулирования СД при U = const; Iв = const; f = var. Формула электромагнитного момента:

	M =	C1	sin(θ)+	C2	sin(2θ),	(2.2.1.67)
		f		f 2
			76

где C1=AUIB; C2 = BU2.

Из последнего выражения видно, что при сниженных угловых скоростях (частотах напряжения статора) синхронный двигатель обладает значительным максимальным моментом. Моментно-угловые характеристики для случая изменения только частоты приведены на рис. 2.2.1.41.

Рис. 2.2.1.38. Моментно-угловые характеристики синхронного двигателя при IВ = var; U = const: 1 — нормальное возбуждение; 2

—повышенное возбуждение; 3

—пониженное возбуждение; М1

—момент от поля возбуждения;

М2 — момент от явнополюсности; М — суммарный момент

Рис. 2.2.1.39. Моментноугловые характеристики синхронного двигателя при IВ =

const; U = var: 1 - U = Uном; 2 – U > UHOМ, 3 - U< UHOM; M1 —

момент от поля возбуждения; M2 — момент от явнополюсности; M — суммарный момент

Увеличение максимального момента при снижении угловой скорости (частоты статорного напряжения) СД, но при неизменном напряжении связано с большим значением тока статора, которое определяется уменьшением противоЭДС и реактивных сопротивлений машины.

Закон регулирования напряжения и тока возбуждения неявно полюсного синхронного двигателя или приближенный закон регулирования для крупных явно полюсных синхронных двигателей при изменении угловой скорости (частоты) и момента нагрузки и заданном запасе статической устойчивости найдем, воспользовавшись первой составляющей (2.2.1.64) для электромагнитного момента.

При постоянстве угла нагрузки синхронного двигателя закон регулирования напряжения и тока возбуждения находим следующим образом:

1sin(θном )= AUном IВ.ном (fномMном )= AU IB (fM ),

77

откуда

UIB (UномIВ.ном )= f M (fномMном ).

(2.2.1.68)

При U/f = Uном/fном = const получим зависимость регулирования тока возбуждения синхронного двигателя от момента на валу:

Рис. 2.2.1.40. Моментно-угловые		Рис. 2.2.1.41. Моментно-
характеристики	частотно-	угловые	характеристики син-
регулируемого	синхронного	хронного двигателя при U =
электропривода при U/f= const; Iв		const; Iв = const; f = var: M1 —
= var: 1 — нормальное возбуж-		момент от поля возбуждения,
дение; 2 — повышенное возбуж-		M2 — момент от явнополюс-
дение; 3 — пониженное возбуж-		ности; М — суммарный мо-
дение; М1 — момент от поля		мент
возбуждения; М2 — момент от
явнополюсности; М — суммар-
ный момент	Iв/Iв.ном = M/Мном.		(2.2.1.69)
Из выражения (2.2.1.69) следует,		что при постоянном отношении U/f

возбуждение синхронного двигателя должно изменяться прямо пропорционально изменению момента на валу.

Для Iв = Iв.ном = const из (2.2.1.68) следует, что U/f = Uном/fном = const, и

регулирование производится при постоянном моменте.

При постоянной мощности регулирование осуществляется изменением только частоты при неизменном возбуждении и напряжении.

78

f = const при Р = Рном = const; U/f2

По аналогии с двухзонным регулированием двигателей постоянного тока независимого возбуждения можно осуществить двухзонное регулирование угловой скорости синхронных двигателей; при постоянном моменте используется регулирование в зоне до номинальной угловой скорости, а при постоянной мощности — в зоне регулирования выше номинальной угловой скорости.

Для синхронных двигателей с явно выраженными полюсами при существенном влиянии реактивной составляющей момента закон регулирования напряжения определяется таким же образом, как и для неявно полюсной машины. Из уравнения (2.2.1.63) при условии постоянства угла θ и тока возбуждения (IВ = const), приняв в ограниченном диапазоне регулирования угловой скорости E ≈ U, получим

U	=	f	M ,	(2.2.1.70)
Uном		fном	M ном

т. е. закон регулирования имеет тот же вид, что и для асинхронного двигателя при частотном управлении. Следовательно, и частотные законы регулирования для различного вида нагрузок будут одинаковыми для обоих типов машин:

U/f = const при М = Мном = const, U/ = const при вентиляторной нагрузке.

При низких частотах пренебрежение активным сопротивлением статорной обмотки вносит значительное искажение в расчетное значение электромагнитного момента. Однако отрицательное влияние активного сопротивления статора на характеристики синхронного двигателя проявляется в меньшей степени и при относительно более низких частотах, чем в случае асинхронного двигателя, и может быть в определенной мере скомпенсировано регулированием возбуждения.

Частотное регулирование, являясь практически единственным способом регулирования угловой скорости синхронных двигателей, характеризуется в основном такими же показателями, что и частотное регулирование асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором.

Современные электромеханические системы с СД, несмотря на разнообразие вариантов, имеют определенные общие черты в отношении состава, взаимосвязи основных частей, принципа действия [4], которые отражены на функциональной схеме, представленной на рис. 2.2.1.42.

Обмотка якоря двигателя М питается от полупроводникового преобразователя частоты UF, обмотка возбуждения — от полупроводникового возбудителя ME. Управление преобразователем частоты (ПЧ) и возбудителем осуществляет устройство автоматического регулирования ACL. В это устройство вводится задание скорости системы от органа ручного управления АСН или от системы автоматического управления скоростными режимами технологического агрегата.

79

В устройство регулирования поступает информация о положении ротора двигателя от датчика углового положения ротора BG, механически соединенного с двигателем, а также об электрическом состоянии двигателя от датчиков тока якоря UA и возбуждения UAE (возможно использование и других датчиков). В большинстве современных электромеханических систем с СД управление преобразователем частоты осуществляется в функции углового положения ротора двигателя. При этом в любом установившемся режиме выходная частота ПЧ в точности совпадает с частотой ЭДС вращения СД.

Рис. 2.2.1.42. Общая функциональная схема регулируемого электропривода с синхронным двигателем

Рассмотрим ПЧ, применяемые для питания якоря СД в регулируемых системах. Ими могут быть НПЧ, представляющие собой совокупность нескольких реверсивных комплектов тиристорных преобразователей, выполненных по системе выпрямитель—инвертор (ВИ).

Если имеется три реверсивных ВИ и на их входы поданы синусоидальные сигналы с одинаковой амплитудой и сдвигом на 1/3 периода, то образуется симметричный трехфазный источник с регулируемой частотой и амплитудой, который может быть использован для питания трехфазной обмотки якоря.

Коммутация тиристоров ВИ — естественная под действием напряжения источника питания. Для питания трехфазной обмотки якоря используются три ВИ; возможные варианты схемы цепей якоря показаны на рис. 2.2.1.43. На рис. 2.2.1.43,а фазы якоря изолированы друг от друга, питание же трех ВИ осуществляется от общего трехфазного источника — трансформатора или генератора. На рис. 2.2.1.43,б фазы якоря соединены друг с другом, например по схеме Y, но для питания выпрямителя необходимы три изолированных друг от друга источника — три трехфазных обмотки трансформатора или генератора.

В системах большей мощности используются ВИ по двенадцатитактной схеме: последовательной (рис. 2.2.1.44,а) или параллельной (рис. 2.2.1.44,б).

80

Формирование управляющих импульсов в НПЧ для тиристоров каждого из ВИ осуществляется СИФУ.

Рис. 2.2.1.43. Схемы главных цепей синхронного двигателя с НПЧ: а — изолированное питание обмоток; б — трехпроводная схема

Частота выходного напряжения может изменяться от нуля. По мере увеличения выходной частоты ухудшается гармонический состав выходного напряжения НПЧ и токов, потребляемых им от источника питания; нагрузка тиристоров становится неравномерной; для сглаживания пульсаций токов якоря необходимы в этом случае индуктивности.

81

Некоторую их часть составляют индуктивности рассеяния якоря. При росте частоты растет и напряжение на этих индуктивностях, режим работы электромеханической системы становится весьма неэкономичным. Эти обстоятельства ограничивают сверху частотный диапазон уровнем 1/4...1/3 частоты источника у шеститактных преобразователей, 1/3...1/2 у двенадцатитактных.

Рис. 2.2.1.44. Схемы двенадцатитактных НПЧ: а — последовательная; б — параллельная

Каждый ВИ, входящий в НПЧ, потребляет от источника реактивную мощность. Потребление реактивной мощности тем больше, чем меньше выходное напряжение.

Для питания маломощных (до 10 кВт) СД используются инверторы напряжения с широтно-импульсной модуляцией (ИН с ШИМ) (рис. 2.2.1.45,а), которые преобразуют постоянное напряжение в напряжение регулируемой частоты и амплитуды.

Силовая цепь ИН с ШИМ образуется полностью управляемыми ключевыми элементами (рис. 2.2.1.45,б). Для трехфазного якоря используется шесть ключей, соединенных по мостовой схеме. Ключ должен не только открываться, но и закрываться по сигналам управления. Наиболее перспективны ИН с ШИМ на основе полностью управляемых полупроводниковых приборов: двухоперационных тиристоров или силовых транзисторов.

Каждая пара ключей (А1...А4, А3...А6, А5...А2) с определенной периодичностью (период модуляции) переключается. Для снижения коммутационных потерь энергии желательно иметь частоту модуляции fм как можно более низкой. Однако имеются обстоятельства, которые ограничивают снизу частоту модуляции. Объясняется это тем, что при малом отношении частоты

82

модуляции к максимальной рабочей частоте fsmax затруднено сглаживание токов якоря. Кроме того, при малом отношении частот неблагоприятно влияет дискретный характер управления ИН с ШИМ. Поэтому обычное отношение частот принимают по условию fM/fsmax ≈ 10...20.

Рис. 2.2.1.45. Схемы главных цепей синхронного двигателя, питаемого от инвертора напряжения с ШИМ

Для питания якорей СД, особенно быстроходных, широко применяются преобразователи частоты с АИТ. Схема главной цепи ПЧ с АИТ представляет собой совокупность двух нереверсивных тиристорных ВИ, один из которых — UV — подключен к источнику питания (трансформатору, генератору), другой — UZ — к якорю СД (рис. 2.2.1.46).

Рис. 2.2.1.46. Схема главных цепей синхронного двигателя, питаемого от преобразователя частоты с АИТ

В промежуточной цепи постоянного тока включен сглаживающий реактор L. В двигательном режиме СД преобразователь UV работает выпрямителем; он передает энергию от источника в цепь постоянного тока.

Преобразователь UZ работает как инвертор, он передает энергию из цепи постоянного тока в якорь синхронного двигателя. В тормозном режиме СД преобразователь UZ переходит в выпрямительный режим, а преобразователь UV — в инверторный.

83

Преобразователь UV, как и любой ВИ, подключенный к источнику, работает во всех режимах с естественной коммутацией вентилей от напряжения источника. В АИТ (преобразователь UZ) — коммутация естественная от ЭДС вращения СД. Необходимая для работы АИТ реактивная мощность поступает от синхронного двигателя, который должен работать как источник реактивной мощности с опережающим током якоря. Условия коммутации тиристоров АИТ накладывают ограничения на режимы синхронного двигателя, вследствие этого несколько ухудшаются его массогабаритные и энергетические показатели.

Современные преобразователи частоты с АИТ позволяют получить выходную частоту до 1000... 5000 Гц. Диапазон регулирования скорости сравнительно невелик — до 10:1.

Объясняется это тем, что при малых угловых скоростях ЭДС вращения недостаточна для коммутации тиристоров АИТ.

Области применения разновидностей синхронных двигателей для регулируемых систем

Каждый из видов двигателей имеет свою целесообразную область практического применения в регулируемых электромеханических систе-

мах. Для СД такой областью являются прежде всего системы средней и большой мощности (с номинальным моментом Mном > 3 кН м) и диапазоном регулирования скорости более 2:1. В этой области СД по сравнению, например, с асинхронным имеет более высокие энергетические показатели (КПД и соsϕ). Кроме того, СД обладает повышенной управляемостью. Специальные виды СД: с постоянными магнитами, с когтеобразными полюсами гомополярные машины — позволяют использовать преимущества СД и в системах малой мощности, и в мощных быстроходных и сверхбыстроходных электроприводах.

Неявнополюсный СД с электромагнитным возбуждением по одной оси имеет преимущества перед явнополюсным СД по механической надежности, но уступает ему в отношении потерь на возбуждение. Для низкочастотных высокодинамичных электроприводов существенное значение имеет и другой недостаток неявнополюсного СД: требуется повышенный запас по напряжению якоря, что вызывается повышенным эквивалентным значением поперечной составляющей индуктивного сопротивления Хmqэ. Угол θ между вектором основного потока Фδ и продольной осью СД изменяется в широких пределах при изменении момента, и для быстрого поворота вектора Фδ требуется значительное динамическое напряжение якоря. Поэтому данная разновидность СД, как и в случае питания от сети, может быть рекомендована для быстроходных приводов с максимальной частотой вращения 1500...3000 мин-1 со спокойным режимом работы, например для насосов и турбокомпрессоров.

84

Явнополюсный синхронный двигатель с электромагнитным возбужде-

нием по одной оси — основной вид СД для регулируемых электромеханических систем. Он имеет высокие энергетические показатели по сравнению с другими разновидностями СД. Эти двигатели перспективны для главных приводов и большинства механизмов прокатных станов, электроприводов крупных экскаваторов, крупных цементных и рудоразмольных мельниц.

Противопоказания к применению явнополюсного СД связаны с контактным токосъемом и недостаточной механической надежностью ротора с обмотками (даже в обращенной конструкции), поэтому этот двигатель нецелесообразно применять для быстроходных систем с максимальной частотой вращения свыше 1500 мин-1.

Бесконтактный синхронный двигатель с электромагнитным возбуж-

дением применяется для систем в тех случаях, когда недопустим контактный токосъем. Такой двигатель позволяет создавать регулируемые электроприводы средней и большой мощности на большие частоты вращения — свыше 3000 мин-1. Для сверхбыстроходных систем перспективны гомополярные синхронные двигатели. Они применяются для быстроходных турбокомпрессоров, главных приводов скоростных проволочных станов.

Машины с когтеобразными полюсами отличаются более полным ис-

пользованием активных материалов. Их можно применять для электромеханических систем средней мощности и скорости. Явнополюсный компенсированный синхронный двигатель перспективен для низкочастотных сверхдинамичных электроприводов средней и большой мощности (чаще всего — в обращенной конструкции). По сравнению с некомпенсированным СД требуется пониженное динамическое напряжение якоря, поскольку вектор Фδ в целесообразных режимах компенсированного СД не отклоняется от продольной оси.

СД с постоянными магнитами — наиболее удачный вариант двигателя для электроприводов малой мощности с однозонным регулированием скорости, работающих при моментах, близких к номинальному. При недогрузке и перегрузке энергетические показатели этих двигателей заметно ухудшаются, что препятствует их применению в высокодинамичных электроприводах с частыми перегрузками, особенно при повышенных требованиях к энергетическим и массогабаритным показателям.

СД с комбинированным возбуждением не уступает по динамическим качествам СД с электромагнитным возбуждением. Так как СД с комбинированным возбуждением являются контактными, они отличаются от бесконтактных СД с электромагнитным возбуждением улучшенными энергетическими и массогабаритными показателями: вследствие применения постоянных магнитов существенно понижаются ток возбуждения и потери на возбуждение. Синхронный двигатель с комбинированным возбуждением по своим динамическим свойствам и режимам имеет преимущества по сравне-

85

нию с СД с постоянными магнитами: обеспечивает двухзонное регулирование скорости, высокоэкономичные режимы при резкопеременной нагрузке.

Итак, областью целесообразного применения СД с комбинированным возбуждением являются высокодинамичные электроприводы малой мощности с повышенными требованиями к массогабаритным и энергетическим показателям. Примером такого электропривода может служить мотор-колесо электромобиля.

2.2.1.5. Системы электропривода с шаговым двигателем. Системы электропривода с вентильным двигателем

В системах автоматики для преобразования управляющих импульсов в заданный угол поворота применяются синхронные двигатели, в которых магнитное поле статора не вращается равномерно, а поворачивается дискретно при подаче управляющего сигнала. При этом вращающий момент резко изменяется во времени и имеет форму импульсов, а ротор совершает дискретные перемещения. Такие СД называют импульсными или шаговыми

(ШД).

Статор ШД имеет две (иногда несколько) смещенные в пространстве сосредоточенные или распределенные обмотки, которые последовательно питаются постоянным током от сети постоянного тока через коммутатор. При этом полюсы ротора устанавливаются против возбужденных полюсов статора, по обмоткам которых протекает ток. При подаче тока в другие обмотки статора ротор поворачивается на один шаг в положение, при котором его полюсы устанавливаются против следующих возбужденных полюсов статора. При каждом переключении постоянного тока в обмотках статора (обмотках управления) ротор ШД поворачивается на один шаг, вследствие чего движение ротора состоит из последовательных элементарных поворотов или шагов, совершаемых по апериодическому или колебательному закону.

Функциональная схема электромеханической системы с шаговым двигателем приведена на рис. 2.2.1.47 [4].

ШД

fвх	ЭК
ФИ	(РИ)	УМ

БУ Рис. 2.2.1.47. Функциональная схема шагового привода

Состоит из ШД и электронного блока управления БУ. БУ преобразует последовательность импульсов входного сигнала fвх в многофазную систему напряжений, приложенных к фазам ШД. БУ состоит из ФИ – формирователь

86