Каскады АД с машиной постоянного тока и вентильным преобразователем

⇐ ПредыдущаяСтр 24 из 35Следующая ⇒

В этом типе каскадов добавочная ЭДС вводится в цепь выпрямленного тока ротора от вспомогательной машины постоянного тока. Выпрямленный ток цепи ротора, пропорциональный фазному току ротора АД, определяется выражением

, где

Ф – магнитный поток МПТ;

K_С_X – коэффициент, зависящий от схемы выпрямления (для трехфазной мостовой схемы K_С_X=1, 35);

R_Э - эквивалентное сопротивление роторной цепи;

, где

w₀ – скорость идеального холостого хода каскада;

- индуктивное сопротивление двигателя;

r₂ - активное сопротивление фазы ротора;

r₁¢ - активное сопротивление фазы статора, приведенное к цепи выпрямленного тока ротора;

r_др – сопротивление сглаживающего дросселя;

R_я∑ – сопротивление якорной обмотки МПТ ( );

DU_в – падение напряжения на вентилях выпрямителя;

m – число пульсаций выпрямленной ЭДС ротора (m=6).

Электромагнитный момент АД в каскадной схеме º I_d

, где

Е_2н – линейная ЭДС между кольцах ротора при S=1.

Е_dp=1, 35 Е₂·S=1, 35 Е_2н (при S=1) – средняя выпрямленная ЭДС на выходе выпрямителя роторной группы вентилей при разомкнутой цепи постоянного тока и S=1.

Принципиальная схема электромеханического каскада приведена на рис. 5.15.1. Пуск этого каскада осуществляется при помощи пускового реостата R_П и невозбужденной МПТ (замыкаются контакты К при разомкнутых контактах К1). По окончании пуска ротор АД переключается к выпрямителю замыканием контактов К1 (контакты К при этом размыкаются). Двигатель при этом будет работать с наибольшей скоростью. Возбуждая МПТ и увеличивая ее ток возбуждения, можно снизить скорость АД. Таким образом, регулирование скорости АД осуществляется изменением тока возбуждения МПТ, которое ведет к изменению противо ЭДС МПТ. При отсутствии возбуждения МПТ противо ЭДС ее равна 0 и в цепь выпрямленного тока она не введена. Ток ротора в этом случае максимален, максимальна и скорость ротора АД (близка к ω _Н) Момент создается только АД. По мере увеличения тока возбуждения МПТ скорость привода будет снижаться, а момент, развиваемый МПТ – возрастать. Асинхронный двигатель при этом будет разгружаться, т.к. часть нагрузки механизма будет преодолеваться машиной постоянного тока. Момент каскада определяется суммой М_КАС=М_АД+ М_МПТ.

Если противо ЭДС МПТ будет равна выпрямленной ЭДС ротора, тока в роторной цепи АД не будет, и момент привода станет равным 0. Двигатель вращаться не будет.

Нагрузка между АД и МПТ при пренебрежениями потерями в этом каскаде распределяется следующим образом:

Мощность МПТ зависит от требуемой глубины регулирования скорости

При Р_МПТ=Р_АД, а при w < Р_МПТ> Р_АД.

Таким образом, рациональный диапазон регулирования этого каскада в разомкнутой схеме не превосходит 2: 1, ибо при Д> 2 мощность МПТ должна быть больше мощности АД.

Механические характеристики только одного АД, включенного в схему каскада, изображены на рис. 5.15.2.

Критический момент на всех регулировочных характеристиках одинаков. Пусковой момент АД также одинаков и не зависит от тока возбуждения МПТ. Это объясняется тем, что при w=0 ЭДС МПТ также равна 0 и ток I_d, а значит, и момент АД не зависят от тока возбуждения МПТ.

Уравнение статических механических характеристик данного каскада имеет вид:

, где

- скольжение, соответствующее скорости идеального холостого хода ω ₀ каскада. Механические характеристики этого каскада (см. рис. 5.15.3) характеризуются нарастанием М_кр при увеличении тока возбуждения МПТ, поскольку критический момент АД постоянен, а момент МПТ при увеличении ее тока возбуждения растет.

Критический (максимальный) момент каскада можно найти, взяв производную .

Приближенно момент этого каскада можно определить по формуле:

; где w₀(1-S)= w_МПТ.

В том случае, если роторная группа вентилей управляемая:

При пуске электрического вентильно-машинного каскада, схема которого приведена на рис. 5.15.4, вначале со стороны переменного тока разгоняется агрегат постоянной скорости ВАМ–МПТ, затем посредством реостата R_П пускается АД (как и в электромеханическом каскаде) и в конце разгона он работает на естественной характеристике. При токе возбуждения МПТ, равном 0, якорная цепь МПТ подключается к выпрямителю В, после чего пусковой реостат R_П отключается. Далее изменением тока возбуждения МПТ добиваются нужной скорости АД. Практически регулирование скорости АД осуществляется так же, как и в случае электромеханического каскада. При ЭДС МПТ=0, скорость АД при номинальной нагрузке составляет (85¸ 95)%, от синхронной. Относительно большое скольжение АД в этом каскаде объясняется явлением коммутации вентилей выпрямителя, которое приводит к уменьшению критического момента на искусственных характеристиках по сравнению с естественной на (5-15)% и влиянием сопротивлений выпрямителя и якоря МПТ.

Уравнение статической механической характеристики электрического вентильно-машинного каскада имеет вид:

, где .

Семейство механических характеристик этого каскада при разных I_в приведено на рис. 5.15.5. Нижняя характеристика соответствует I_вн.

Диапазон регулирования скорости электрического каскада в разомкнутой системе не превосходит (2¸ 3): 1. Основной недостаток вентильно-машинных каскадов – необходимость применения коллекторной МПТ.

Для увеличения диапазона регулирования неуправляемый В можно заменить управляемым. Это позволит в то же время отказаться от пускового реостата т.к. ограничение броска тока будет достигнуто регулированием угла α.

Регулируемый электропривод переменного тока с вентильным двигателем (ВД)

Единственным способом регулирования скорости синхронного двигателя является частотное, что следует из выражения для угловой скорости . Такое управление иногда применяется в разомкнутых системах электропривода с СД. Но чаще оно реализуется в электроприводах с вентильными двигателями (ВД).

Вентильный двигатель представляет собой единую систему, состоящую из синхронного двигателя СД и преобразователя частоты с промежуточным звеном постоянного тока или с непосредственной связью (НПЧ), вентили которого коммутируются в функции положения ротора или магнитного потока. Обмотка возбуждения двигателя, располагается на роторе, питается от постороннего источника постоянного тока. Есть двигатели с возбуждением постоянными магнитами. В электроприводах небольшой мощности чаще всего используется именно такое возбуждение.

Вентильный коммутатор, т.е. инвертор, управляемый в функции положения ротора, выполняет роль коллектора обычной машины постоянного тока. Он присоединяется к обмотке статора СД и осуществляет распределение постоянного тока с преобразованием его в переменный. Последовательность переключения тока статора и связанная с этим очередность включения тиристоров инвертора определяется датчиком положения ротора (ДПР).

Синхронный двигатель, работающий совместно с таким инвертором приобретает свойства машины постоянного тока и иногда его называют бесколлекторной машиной постоянного тока БМПТ. Механические характеристики ВД аналогичны характеристикам двигателя постоянного тока независимого возбуждения.

Преимущества ВД по сравнению с машиной постоянного тока – отсутствие коллектора, что повышает надежность, позволяет питать двигатель повышенным напряжением, следовательно, осуществлять бестрансформаторное подключение силовой части электропривода к сети. Так, электропривод ЭПБ-1, выполненный на базе синхронного двигателя с постоянными магнитами на роторе, питается напряжением 520В постоянного тока, что позволяет подключать к сети 380В без трансформатора.

Момент, возникающий в ВД (как синхронной машине) подчиняется зависимости

, где

q – угол между осями полей статора и ротора (между векторами потокосцеплений)

Р_П – число пар полюсов машины;

Знак минус означает, что направление момента всегда противоположно направлению угла рассогласования q.

С целью ограничения изменений момента электронная система регулирования обеспечивает изменение угла q (в окрестностях 90⁰⁾ в диапазоне ±30⁰ (в ту и другую сторону), как показано на угловой характеристике СД (рис. 5.16.1). Именно такое регулирование и осуществляется тиристорным коммутатором, т.е. инвертором, в функции положения ротора. Физическое (пространственное) положение ротора определяется с помощью датчика положения ротора (ДПР), находящегося на валу двигателя.

Датчик положения ротора состоит из трех пар светофотодиодов, жестко привязанных к статору, в зазоре между которыми вращается диск, закрепленный на валу ротора. На диске по его периметру имеются прорези (см. рис. 5.16.2).

Угловая длина прорези на диске определяется как , а угловое расстояние между парами светофотодиодов как . Так, если Р_П=1, диск имеет одну прорезь с угловым размером 180⁰, а пары светофотодиодов разнесены в пространстве на 120⁰. При Р_П=4 на диске 4 прорези (см. рис.) с угловым размером , а пары светофотодиодов отделены друг от друга в пространстве на угол .

Выходные сигналы ДПР схемой распределения преобразуются в 120 градусные импульсы управления тиристорами, обеспечивая, таким образом, проводящее состояние каждому тиристору в течение 120⁰ за один период сигнала ДПР. Иначе говоря, при вращении ротора 3 пары светофотодиодов вырабатывают 3 последовательных импульса, сдвинутых во времени по отношению друг к другу на 120⁰. По передним фронтам этих импульсов осуществляется включение нечетных тиристоров коммутатора (первого, третьего, пятого), а по задним фронтам – четных (второго, четвертого, шестого). Длительность включенного состояния тиристоров соответствует интервалу проводимости 120⁰. Коммутация тока происходит 6 раз за один период сигнала ДПР.

Алгоритм работы ДПР при одной паре полюсов можно проследить по схеме рис. 5.16.3. В приведенной таблице показана последовательность включений тиристоров. Во включенном состоянии одновременно находятся два тиристора из шести.

Изображенные на схеме транзисторные высокоамперные ключи КЛ1 и КЛ2 выполняют две независимые функции:

Проводящее состояние тиристоров	Направление тока через фазы статора
V1 – V6	A ® C
V3 – V6	B ® C
V3 – V2	B ® A
V5 – V2	C ® A
V5 – V4	C ® B
V1 – V4	A ® B

а) Обеспечивают режим коммутации тока с тиристора на тиристор ввиду невозможности самостоятельного выключения тиристоров, т.к. поскольку тиристоры ТК в силовой схеме подключаются к источнику постоянного напряжения, то для их отключения (и восстановления ими запирающих свойств) необходимо кратковременно разрывать силовую цепь ТК.

б) Обеспечивают поддержание заданной величины тока через обмотки двигателя, т.е. участвуют в регулировании тока.

Функция коммутации тока с тиристора на тиристор выполняется путем полного отключения ТК от источника питания. Транзисторы КЛ1 и КЛ2 в этом случае закрываются, протекание тока через тиристоры ТК прекращается, и они восстанавливают свои запирающие свойства, а реактивный ток i_L двух фаз обмоток двигателя через два диода трехфазного выпрямительного моста возврата реактивной энергии замыкается на источник питания, перезаряжая его. Время обесточенного состояния ТК составляет » 300 мкс.

В вентильных двигателях средней и большой мощности при скоростях (100¸ 3000)^об/_мин часто используют СД обычной конструкции и естественную коммутацию вентилей инвертора (ТК) в функции напряжения статора двигателя. Такие ВД применяются главным образом в приводах с мало- и медленно изменяющейся длительной нагрузкой. ВД на скорости < 100 и > 3000 ^об/_мин не могут быть выполнены на основе СД обычной конструкции. Для ВД создаются СД специальных конструкций, в частности, бесщеточные с возбуждением постоянными магнитами. Они выполняются мощностью до 30кВт с максимальной скоростью 3000 ^об/_мин, а также многополюсные тихоходные с числом полюсов более 12.

Бесконтактные (бесщеточные) СД мощностью от 30 до 200 кВт при 3000^об/_мин выполняются с обмоткой возбуждения, расположенной в тех же пазах, что и трехфазная обмотка якоря. Ротор представляет безобмоточный магнитопровод, напоминающий зубчатое колесо, через зубцы которого замыкается магнитный поток обмотки возбуждения и обмотки якоря. Ротор вращается синхронно с полем, создаваемым током трехфазной обмотки статора, является в этом случае якорем.

Т.к. ДВ имеет характеристики как у машины постоянного тока независимого возбуждения, то все способы регулирования его скорости характеризуются такими же показателями, что и у ДНВ, (изменением U и Ф). Но энергетические показатели регулирования в случае преобразователя частоты (АИН) у ВД хуже, чем у ДНВ из-за двукратного преобразования энергии. Несколько хуже и стабильность скорости и, как следствие, меньше диапазон регулирования вниз от основной скорости, т.к. механические характеристики его мягче, чем у ДНВ той же мощности.

У ВД можно получить и характеристики двигателя последовательного возбуждения, если обмотку возбуждения включить последовательно в цепь выпрямленного тока на входе инвертора. Но в отличие от свойств обычного ДПВ за счет применения системы подчиненного регулирования тиристорами управляемого выпрямителя (от которого питается инвертор), которая уменьшает напряжение на статоре и ток в нем при снижении нагрузки, характеристики вентильного двигателя оказываются примерно такими же, как и у ДНВ с w₀ и являются практически линейными. Возможен и генераторный режим с рекуперацией энергии в сеть. В этом случае УВ переводится в инверторный режим, а УИ – в выпрямительный (при w> w₀).

Применение ВД перспективно для мощных тихоходных электроприводов, например, для шаровых мельниц, и сверхбыстроходных (до 10000 ^об/_мин) сверхмощных электроприводов, например, нагнетателей, в асинхронных электромеханических каскадах. Широко применяются ВД в станочном электроприводе, в шаговом электроприводе и др.

⇐ Предыдущая 19 20 21 22 232425 26 27 28 Следующая ⇒