1. Цель работы

Изучить способы регулирования скорости двигателя постоянного тока (ДПТ).

2. Теоретические пояснения

В станочных электроприводах используют два способа регулирования скорости двигателя независимого возбуждения – изменением напряжения якоря (якорный способ) и изменением потока возбуждения (полюсный способ). Якорный способ регулирования реализуется в системе «преобразователь – двигатель» (П – Д). Схему разомкнутой системы П – Д можно представить в виде рис. 2.1,а, где преобразователь обозначен как П1, а ДПТ – как М1.

В идеальном случае преобразователь можно представить как регулируемый источник ЭДС с внутренним сопротивлением и коэффициентом передачи . При этом ЭДС преобразователя:

, (2.1)

где – сигнал управления.

Напряжение на выходе преобразователя:

. (2.2)

И

14

13

сходя из (1.6), (1.7) и (2.2), получим уравнение электромеханической и механической характеристик системы П – Д:

Рис. 2.1.

(2.3)

Семейства электромеханических и механических характеристик системы П – Д при различных значениях имеют вид параллельных прямых 2–5 (см. рис. 2.1, б). Наклон характеристик за счет внутреннего сопротивления преобразователя больше, чем естественных характеристик ДПТ.

К основным достоинствам системы П – Д следует отнести высокую точность, большой диапазон регулирования скорости, высокое быстродействие.

В качестве преобразователя может использоваться тиристорный преобразователь (ТП), широтно-импульсный преобразователь (ШИП), генератор (Г), электромагнитный усилитель (ЭМУ) и др. В соответствии с типом преобразователя выделяют системы ТП – Д, ШИП – Д, Г –Д, ЭМУ –Д. К современным относятся системы ТП –Д и ШИП – Д.

Принцип действия тиристорного преобразователя можно пояснить на примере двухполупериодной схемы выпрямления со средней точкой – рис. 2.2.

Схема содержит согласующий трансформатор TV1, два тиристора VS1, VS2 и систему импульсно-фазового управления СИФУ. Выходные выводы ТП обозначены как D, E. В качестве обобщенной нагрузки ТП изображены якорь ДПТ с последовательно включенным сглаживающим дросселем CД.

Рис. 2.2.

Н

16

15

а рис. 2.2 применены следующие обозначения: , – токи управления тиристорами; , – мгновенные значения ЭДС обмоток трансформатора; – мгновенное значение выходного напряжения ТП (выпрямленное напряжение); – мгновенное значение тока нагрузки; , – токи тиристоров; – напряжение на входе СИФУ.

Диаграммы, поясняющие работу ТП при различных видах нагрузки, приведены на рис. 2.3. Мгновенные значения выпрямленной ЭДС обозначены как .

Для ЭДС трансформатора , (рис. 2.3,а) можно записать:

, (2.4)

где , – амплитуда и частота.

Период изменения ЭДС обозначен как .

Угол управления отсчитывается от точки естественной коммутации до переднего фронта управляющих импульсов – рис. 2.3,б.

Диаграммы напряжений и токов ТП зависят от вида нагрузки. На рис. 2.3,в изображены графики напряжений и токов при активной нагрузке и условии, что индуктивность рассеяния трансформатора .

В интервалах , тиристоры VS1, VS2 заперты и токи , равны нулю. В момент отпирается VS1, на нагрузку действует ЭДС , соответственно через VS1 и нагрузку протекает ток.

Тиристор закрывается, когда его ток спадает до значений, меньших тока удержания. Практически можно принять, что тиристор запирается при токе равном нулю. Исходя из принятого допущения, при активной нагрузке тиристор VS1 закрывается в момент .

В интервалах , мгновенное значение выпрямленной ЭДС совпадает с . Напряжение меньше на величину падения напряжения на внутреннем сопротивлении трансформатора и сопротивлении тиристора.

Р

18

17

ис. 2.3.

В интервале напряжение . В момент отпирается тиристор VS2, на нагрузку действует напряжение , ток протекает через тиристор VS2.

Регулировочной характеристикой ТП называется зависимость среднего значения выпрямленной ЭДС от угла управления . В соответствии с рис. 2.3,в:

, (2.5)

где – значение ЭДС при .

Графики на рис. 2.3,г иллюстрируют работу ТП при активно-индуктивной нагрузке . Среднее значение ЭДС при этом:

. (2.6)

Угол определяется моментом спада тока до нуля и зависит от параметров нагрузки.

На рис. 2.3,д представлены графики напряжений и токов ТП при условии, что индуктивность сглаживающего дросселя , а индуктивность .

Среднее значение выпрямленной ЭДС в этом случае:

. (2.7)

Уравнение регулировочной характеристики (2.7) справедливо для режима непрерывных токов.

Из (2.7) следует, что выпрямительный режим ТП, когда , имеет место для режима непрерывных токов, если .

При работе на якорь ДПТ режим непрерывных токов возможен и при , если направление ЭДС якоря совпадает с направлением тока . В этом случае , т.е. ТП работает в инверторном режиме, когда энергия ДПТ, работающего в режиме рекуперативного торможения, отдается в питающую сеть.

Графики на рис. 2.4 иллюстрирует работу ТП на якорь ДПТ при условии, что , .

Из-за наличия индуктивности токи , не могут изменяться скачком, что приводит к появлению угла коммутации . Во время коммутации открыты оба тиристора VS1, VS2 и напряжение нагрузки равно нулю.

Графики на рис. 2.4 приведены для случая, когда , т.е. ТП работает инверторном режиме. Инверторы обычно характеризуются не углами управления , а углами опережения . Устойчивость работы инвертора

Рис. 2.4.

о

20

19

пределяется величиной угла , в течение которого после спада тока тиристора до нуля между его анодом и катодом сохраняется отрицательное напряжение и восстанавливаются запирающие свойства тиристора. Необходимо, чтобы выполнялось условие , где – время восстановления запирающих свойств тиристора.

При наступает аварийный режим – опрокидывание инвертора, когда тиристоры не закрываются и инвертор переходит в режим короткого замыкания.

С увеличением среднего тока нагрузки при угол возрастает, а угол уменьшается и может достигать минимально допустимого значения. Этим и определяется допустимый ток, превышение которого приводит к опрокидыванию инвертора.

Внешней характеристикой ТП называют зависимость выпрямленного напряжения от среднего тока нагрузки при постоянном значении угла управления. Для практических расчетов обычно принимают:

, (2.8)

где – внутреннее сопротивление преобразователя.

Величину определяют как:

, (2.9)

где , – активное и индуктивное сопротивления трансформатора; – число фаз выпрямления ТП.

Семейство внешних характеристик ТП (), работающего на якорь ДПТ, приведено на рис. 2.5.

Пунктирной линией показана граница зоны непрерывных токов, штрихпунктирной – ограничительная характеристика инвертора.

Как следует из (2.8) при постоянстве внешняя характеристика линейна. Однако при , если ток нагрузки непрерывен. В режиме прерывистых токов появляется некоторый угол (рис. 2.3, г). Как следует из сравнения графиков на рис. 2.3, г, д, среднее значение ЭДС при растет с ростом угла .

Рис. 2.5. В свою очередь угол при работе на якорь ДПТ увеличивается с уменьшением тока нагрузки. Описанный эффект объясняет нелинейность внешних характеристик в зоне прерывистых токов. Уравнения электро-механической и меха-нической характеристик разомкнутой системы ТП – Д:

(2.10)

где – активное сопротивление сглаживающего дросселя.

Графики семейств электромеханических и механических характеристик подобны внешним характеристикам тиристорного преобразователя (см. рис. 2.5).

Р

22

21

егулировочной характеристикой разомкнутой системы ТП – Д может быть названа зависимость скорости от напряжения управления при постоянном моменте нагрузки. Во многих случаях эта характеристика является нелинейной, что обусловлено нелинейностью регулировочной характеристики тиристорного преобразователя.