suep_metod_sem2 / suep_metod_sem2 / 5.2 - Электропривод по схеме ТПН-АД

Управление асинхронным двигателем с помощью тиристорного преобразователя напряжения

Тиристорный преобразователь напряжения как объект регулирования Тиристорный преобразователь напряжения (ТПН) предназначен для пре-

образования напряжения, неизменного по амплитуде и частоте, в напряжение, регулируемое по амплитуде, а также для двухфазного выпрямления напряжения питающей сети. Используется в системах асинхронного ЭП в основном для реализации схем плавного пуска АД и динамического тороможения, реже – при построении САР скорости.

Наиболее распространенная схема реверсивного ТПН представлена на рис.5.6. Для вращения двигателя в одном направлении отпирающие импульсы

~

подаются

на

тиристоры

Т1…Т6, для вращения в обрат-

А1

В1

С1

ном направлении – на тиристо-

ры Т5…Т10. В ЭП механизмов,

С

Т1

Т2 Т3

Т4 Т5

Т6

не требующих частого ревер-

сирования, изменение направ-

Uу

И

ления вращения АД может дос-

Ф

Т7

Т8

Т9

Т10

тигаться за счет использования

реверсивного контактора в ста-

У

торной цепи вместо дополни-

тельных

групп

тиристоров

Uсм

Т7…Т10.

А2

В2

С2

Принцип

работы

ТПН

основан на регулировании дей-

ствующего

значения

первой

M

гармоники напряжения US на

статоре АД за счет изменения

угла регулирования , относи-

Рис.5.6. Силовая схема реверсивногоТПН,

тельно фазного

напряжения

	питающегоасинхронный двигатель.	питающей сети – так наз. фазо-
		вое управление, при котором к

АД подводятся участки синусоидального напряжения сети. Введение в СИФУ напряжения смещения Uсм задает угол регулирования max , при котором

обеспечивается минимальное выходное напряжение ТПН и соответствующий момент трогания АД.

Наличие активно-индуктивной нагрузки, какой является и АД, обеспечивает отставание по фазе тока от напряжения на угол , зависящий от параметров нагрузки (АД). Такой ток (іН на рис.5.7) будет протекать в двигателе и при питании от ТПН, если обеспечить открывание тиристоров точно в моменты времени, соответствующие min . При этом угол проводимости тири-

сторов максимален ( ), и к двигателю подводится напряжение, максимальное по среднему значению за полупериод UScp.max 2UC. max .

u, i

uвых

uC

iвых

iн

t

0

Рис.5.7. Графики изменения напряжений и токов для одной фазы ТПН.

При увеличении угла от значения min до значения max угол

проводимости будет уменьшаться от до нуля, а среднее за полупериод напряжение двигателя – от UScp. max до нуля. При этом ток нагрузки івых имеет

прерывистый характер (рис.5.7), а возникающие пульсации токов высших гармоник существенно снижают к.п.д. ТПН.

В общем случае отношение амплитуды 1-й гармоники напряжения нагрузки USm(1) к амплитуде номинального фазного напряжения сети UCm.Hf яв-

ляется функцией переменных и (рис.5.8).

Рис.5.8. Зависимости выходного напряжения ТПН от углов регулированияи нагрузки .

Реализация режима динамического торможения возможна при использовании специального блока логики управления тиристорами ТПН, причем возможна реализация одноили двуполупериводного выпрямления (рис.5.9), когда в двух фазах двигателя работают два или четыре тиристора соответственно. Вторая схема (рис.5.9б), применяемая в реверсивных ТПН, является более эффективной.

Как динамический объект ТПН может быть представлен инерционным звеном с ПФ:

W	p	U	S	p		k	,
ТПН		U y p				T p 1

причем постоянная времени T определяется инерционностью СИФУ ТСИФУ, а также максимальным временем запаздывания з , которое для схемы ТПН, представленной на рис.5.6, составляет з 0,033 с [Терехов, Осипов]. Тогда

	T ТСИФУ з .
	А1	~В1 С1
~	Т1	Т4
А1 В1	С1	Т8 Т9
Т3	Т6

Коэффициент	передачи
k dUSm(1) dU y	является функ-

цией углов и (см. рис.5.8), последний из которых является, в свою очередь, функцией скольжения двигателя s (рис.5.10). Линеаризация регулировочной характеристики ТПН возможна только в ограниченном диапазоне изменения углов и , тогда можно счи-

тать, что k USmH U y.H const .

M	M
а)	б)

Рис.5.9. Схемы реализации динамического торможения при питании от ТПН.

Рис.5.10. Зависимость угла нагрузки от скольжения s.

Регулирование скорости в разомкнутой системе «ТПН – АД»

Реализуется путем плавного изменения напряжения управления Uy (рис.5.6) в некотором диапазоне – является простейшим способом выполнения схемы плавного пуска АД. Можно показать, что снижение напряжения US статора двигателя при неизменной его частоте fS приводит к соответствующему снижению магнитного потока двигателя, что чревато дополнительным перегревом двигателя из-за возрастания потребляемого тока.

К тому же, при использовании короткозамкнутого АД возможности регулирования скорости при работе в пределах линейных участков характеристик ограничены (рис.5.11а) из-за того, что критический момент двигателя пропорционален квадрату приложенного напряжения, а критическое скольжение от него не зависит. Регулирование же скорости в зоне k обычно связано с

протеканием в обмотках двигателя больших токов, и поэтому не применяется из энергетических соображений.

Бо’льший практический интерес с точки зрения увеличения диапазона регулирования скорости представляет случай использования АД с фазным ротором, когда можно искусственно смягчить характеристики за счет введения в

цепь ротора добавочного реостата RR.доб вплоть до того, чтобы обеспечитьk 0 ( sk 1) (рис.5.11б). Прерывистые линии показывают множества точек,

соответствующих работе двигателя с фиксированными значениями тока статора IS. Как следует из графиков, наиболее благоприятным условиям по нагреву двигателя соответствует нагрузка с вентиляторным характером изменения момента сопротивления.

0		0
		IS=ISН

k= 0(1-sk)

min	EX	min	EX
			IS=2ISН
max		max

M	M
MC	MC MН
а)	б)

Рис.5.11. Механические характеристики разомкнутой системы «ТПН – АД» при RR.доб=0 (а) и RR.доб>0 (б)

Недостатками разомкнутой системы, кроме малого диапазона регулирования скорости, являются также низкие энергетические показатели и малая жесткость механических характеристик.

Регулирование скорости в замкнутой системе «ТПН – АД»

Повысить жесткость механических характеристик, а значит, добиться устойчивой работы (том числе и в зоне k ) можно, если использовать отрица-

тельные обратные связи по напряжению статора АД, току и скорости. Зона регулирования скорости k при этом также является нежелательной, поэтому

используют искусственное смягчение характеристик за счет введение в цепь ротора добавочного реостата.

Рассмотрим один из наиболее распространенных вариантов системы с основной обратной связью по скорости и с обратной связью с токовой отсечкой

(ТО) (рис.5.12).

На входе промежуточного усилителя РТ, выполняющего функции П- регулятора тока, суммируются выходные напряжения регулятора скорости РС и отрицательной ОС по току с ТО. Измерение тока выполнено с помощью трансформаторов тока ТА1, ТА2 и ТА3, диодного моста VD. На входе РС суммируются напряжение задания UЗ.с скорости и напряжение Uо.с обратной связи по

скорости, получаемое с помощью тахогенератора на валу АД.

~

Синтез регуляторов

до получения достаточно

VD

TA1

качественной

системы

регулирования не может

Uд.т

быть выполнен на осно-

TA2

вании структурной

схе-

мы

рис.5.5,

поскольку

она

даже

при

-Iomc

Uomc

TA3

S

2 f

S

const остает-

TO

ся существенно нелиней-

Iomc

ной.

Поэтому наиболее

Uт.о

ТПН

UЗ

UЗ.с

Uу

часто используют линеа-

ЗИ

РС

РТ

ризацию уравнений дви-

3ф. ~

гателя в окрестности не-

U о.с

которой рабочей точки.

US

Из

последней

M

структурной

схемы дви-

w

гателя (рис.5.5) видно,

MG

RR.доб

что,

если

пренебречь

ДН

электромагнитным

пере-

ДС

ходным

процессом

Рис.5.12. Функциональная схема замкнутой системы

(TЭ 0), то для момента

двигателя

справедливым

«ТПН – АД».

является уравнение:

M

3z p

sUS2 , т.е. момент является нелинейной функцией двух пере-

2Rдв S

менных – напряжения US и скольжения s.

Выполняя

разложение

в

ряд Тейлора в окрестности

рабочей

точки

US USo ;

s so ;

M M o , можно получить уравнение в приращениях:

M kU US ,

где k

3z p

soU o – коэффициент, отражающий приращение по моменту от

U

Rдв S

S

конечного изменения напряжения US при 0 ;

3z2p

USo 2 – коэффициент, отражающий приращение по моменту от

2R

2

дв

S

конечного изменения скорости при US 0 , численно равный расчетной жесткости характеристик M , принятой при линеаризации.

С учетом этого может быть изображена структурная схема системы (символы приращений опущены), представленная на рис.5.13. Здесь введено обозначение механической постоянной времени привода TM J . Кроме того,

электромагнитная постоянная времени TЭ отнесена к малой некомпенсируемой (теперь T TСИФУ з TЭ ).

		k			1
W p
	kPT		kU
		T p 1
PC					T p
					M

kд.с

Рис.5.13. Линеаризованная структурная схема системы «ТПН – АД», замкнутой по скорости.

Коэффициент передачи РТ выбирается, исходя из желаемого статизма токовой отсечки [Терехов, Осипов]:

	kPT		US		,
			k kд.тIотс I	Iотс жел
	где kд.т – коэффициент передачи датчика тока;				Iотс – значение тока отсечки;

I – желаемое превышение током статора двигателя уровня отсечки, приводящее к снижению напряжения US .

Тогда на основании структурной схемы рис.5.13 может быть определена ПФ регулятора скорости:

WPC p TM p 1			TM	1	,
	TРC p		TРC	TРC p
где TРC kU k kPT kд.сTC	– постоянная времени интегрирования РС;

TC – эквивалентная постоянная времени интегрирования разомкнутого кон-

тура скорости.

Для обеспечения приемлемых динамических свойств системы рекомендуют принимать TC 3 5 T .

Система обладает в этом случае абсолютно жесткими механическими характеристиками (рис.5.14). При введении в РС только пропорциональной составляющей (П-РС) жесткость характеристик будет конечной.

При отсутствии добавочного реостата (рис.5.14б) длительность работы системы в зоне k должна быть ограничена.

		UЗ.с1
0
			ЕХ
		UЗ.с2<UЗ.с1	min
		max UЗ.с3<UЗ.с2
				І = Іотс
		UЗ.с4<UЗ.с3
0(1-sk)		UЗ.с5<UЗ.с4		M

І = Іотс

0 UЗ.с1

UЗ.с2<UЗ.с1

0(1-sk)

UЗ.с3<UЗ.с2

max min

UЗ.с4<UЗ.с3

UЗ.с5<UЗ.с4

M

а) б)

Рис.5.14. Механические характеристики в замкнутой системе «ТПН – АД» при RR.доб>0 (а) и RR.доб=0 (б).