Элементы автоматизированного электропривода

УДК 612.395.64.001.3

Министерство образования Российской Федерации

Пермский государственный технический университет

Кафедра МСА

Электропривода.

Силовой преобразователь является элементом, обеспечивающим требуемые параметры и количество электроэнергии, подводимой к электрической машине (напряжение, ток, частота переменного тока). От точности реализации заданных параметров зависит точность технологических операций, их быстродействие и качество.

Характер требуемого преобразования энергии определяется двумя факторами:

1. параметрами электрической энергии питающей сети;

2. параметрами электрической энергии, потребляемой или вырабатываемой электрической машиной.

При питающей сети переменного тока (f=const, u=const) и при использовании в качестве электрической машины - машины постоянного тока силовой преобразователь (СП) должен выполнять функцию управляемого выпрямителя или ведомого сетью инвертора. Именно такой вид преобразователей будет нами рассматриваться и изучаться в начале нашего курса.

При питающей сети постоянного тока и электрической машины постоянного тока, напряжение к ней может подводиться через импульсный преобразователь, который, в этом случае, выполняет функцию регулятора напряжения. В связи с этим, нами будут изучаться импульсные преобразователи постоянного тока.

При питающей сети переменного тока и использовании электрической машины переменного тока регулировать поток энергии можно двумя способами:

1. Регулированием подводимого к электрической машине уровня переменного напряжения без изменения его частоты. Эту функцию могут выполнять регуляторы переменного напряжения;

2. Регулированием частоты, подводимого к электрической машине переменного напряжения с одновременным регулированием величины (амплитуды) этого напряжения. Эта функция может быть выполнена преобразователями частоты переменного напряжения.

2.0.Некоторые сведения о свойствах и характеристиках силовых полупроводниковых приборов.

Реализация всех устройств силовых преобразователей, которые рассматриваются и изучаются в данном курсе, осуществляется на базе силовых полупроводниковых приборов, которые получили в настоящее время широкое распространение. Такими приборами являются: силовые неуправляемые вентили, тиристоры и силовые транзисторы. Каждый из названных приборов имеет свои достоинства и недостатки и свою область применения. Но наиболее широкое применение получили силовые полупроводниковые управляемые вентили - тиристоры. Но рассмотрение свойств и характеристик полупроводниковых приборов начнем с силовых неуправляемых вентилей.

Неуправляемый полупроводниковый вентиль представляет собой нелинейное несимметричное активное сопротивление, величина которого зависит от величины и знака (полярности) приложенного к прибору напряжения. При одной полярности (прямой), когда к аноду подключен положительный полюс источника питания (+), а к катоду отрицательный, вентиль имеет малое сопротивление.

При противоположной полярности питающего напряжения сопротивление вентиля большое. Такая полярность напряжения называется обратной.

Вольт - амперная характеристика вентиля имеет прямую ветвь, расположенную в 1- ом квадранте координат “U - I” и обратную - в 3- ем квадранте. Масштабы при графическом изображении вольт - амперной характеристики принимают различные. Прямое напряжение (+U) измеряется единицами, или, даже, долями вольт, обратное напряжение (-U) - сотнями, или тысячами вольт. С другой стороны, прямые токи (+iв) могут составлять сотни ампер, обратные (-i_в) - десятки миллиампер. На прямой ветви вольт - амперной характеристики можно выделить два участка: участок большого сопротивления (А) и участок малого сопротивления (Б). Участок Б близок к прямолинейному, поэтому часто пользуются приемом “спрямления” вольт - амперной характеристики вентиля, представляя его схему замещения при рассмотрении прямой ветви характеристики в виде последовательно включенных идеального вентиля, источника порогового напряжения (U₀) и линейного сопротивления (R_д).

Рис 2 Рис 3

Обратная ветвь вольт - амперной характеристики может быть разбита на три участка: В - участок высокой проводимости (малого сопротивления)

Рис 8

3.1.3. Трехфазная нулевая схема выпрямления.

Рис 9

Это трехфазная схема однополупериодного выпрямления. Частота пульсаций напряжения на нагрузке в схеме в три раза выше частоты сети. Поэтому имеет место дальнейшее (по сравнению с предыдущими схемами) снижение пульсаций тока нагрузки. В схеме обеспечивается равномерная загрузка фаз, но остается асимметрия “внутри” каждой фазы. Это приводит к неудовлетворительному режиму работы питающего трансформатора, который в данной схеме обязателен. Необходимость питающего трансформатора обусловлена тем, что только при его наличии есть возможность подключить нагрузку к нулевой точке звезды на вторичной стороне.

3.1.4. Трехфазная мостовая схема выпрямления.

Схема получила самое широкое распространение на практике и применяется как для преобразователей небольшой мощности, так и средней и, даже большой мощности (до 12000 квт в серии АТ).

Эта схема характеризуется:

а) Повышенной (шестикратной по отношению к частоте сети) частотой пульсаций напряжения и тока нагрузки. Но, как известно, чем выше частота пульсаций, тем легче она может быть сглажена известными методами.

б) Возможностью подключения питающего напряжения как непосредственно от сети, так и через согласующий трансформатор.

в) Минимальной мощностью (по сравнению с другими схемами) согласующего трансформатора.

г) Симметрией как в загрузке отдельных фаз, так и “внутри” каждой фазы.

д) Наилучшим использованием вентилей по напряжению.

Рис 10

3.2. Рабочие процессы, основные соотношения и статические характеристики силовых вентильных преобразователей постоянного тока.

Рассмотрение всех перечисленных вопросов выполним на примере трехфазной нулевой схемы. Эта схема очень удобна для изучения всех перечисленных вопросов. Она достаточно сложна, чтобы на ее примере показать общие закономерности в процессах, происходящих в вентильных преобразователях постоянного тока и, вместе с тем, достаточно проста, чтобы эти закономерности не затемнялись какими- то особенностями более сложных схем. Эти особенности будут рассмотрены отдельно. Рабочие процессы пока будем рассматривать на примере выпрямительного режима работы вентильного преобразователя и вида нагрузки, характерной для электропривода постоянного тока. Такой нагрузкой может быть якорь, или обмотка возбуждения электрической машины постоянного тока. Следовательно, нагрузка может быть представлена активно- индуктивным сопротивлением (R_d, L_d) и источником противо ЭДС (E_дв). Последняя в частном случае может быть нулевой.

Рабочий процесс

Рабочие процессы рассмотрим в трехфазной нулевой схеме при следующих допущениях:

а) Неуправляемые вентили идеальные. Это значит, что при протекании через них тока в проводящем направлении их сопротивление считается равным нулю и, значит, падение напряжения на них отсутствует. При приложении к ним обратного напряжения их сопротивление считается бесконечно большим, и, значит, обратный ток (i_обр) считается равным нулю.

б) Питающий трансформатор- идеальный. (Активное сопротивление обмоток трансформатора равно нулю и, главное, индуктивность рассеяния первичных и вторичных обмоток трансформатора равна нулю.) Это значит, что токи в анодных цепях вентилей могут изменяться мгновенно, т.е. скачком.

в) Ток нагрузки идеально сглажен. Это могло бы иметь место при бесконечно большой индуктивности в цепи нагрузки. При этом, Пульсирующая ЭДС преобразователя не будет вызывать пульсаций тока нагрузки.

Рис 11

Фазные ЭДС вторичных обмоток трансформатора представлены тремя синусоидами, сдвинутыми каждая относительно предыдущей на угол 120° (электрических).

Направление фазных ЭДС определяют в зависимости от их полярности по отношению к проводящему направлению вентилей. Так на интервале 0 £ Q £ p ЭДС e_a имеет прямую полярность по отношению к вентилю V_d₁, на интервале (2/3)p £ Q £ (5/3)p ЭДС e_b - прямой полярности по отношению к вентилю V_d₂ и т.д. На первом интервале фазная ЭДС e_a, а на втором интервале e_b положительны. Рассмотрим состояние схемы на интервале Q₁£ Q£ Q₂. Здесь ЭДС e_a имеет прямую полярность по отношению к V_d₁. Учитывая, что на этом интервале e_a > e_b и e_a > e_c, к вентилям V_d₂ и V_d₃ приложены результирующие ЭДС обратной полярности и они заперты. Открыт и пропускает ток нагрузки только вентиль V_d₁.

При Q= Q₂ e_а= e_в, а при Q> Q₂e_в> e_а. Начиная с этого момента будет открыт вентиль V_D₂, ток нагрузки будет протекать по контуру фазы “b”, а к вентилям V_D₁ и V_D₃ будет приложено обратное напряжение и они окажутся заперты.

Далее, аналогично написанному, ток нагрузки перейдет на фазу “с” и процессы в схеме будут повторяться. Таким образом, на интервале Q₁£ Q£ Q₂ e_d = e_а на интервале Q₂£ Q£ Q₃e_d = e_ви на интервале Q₃£ Q£ Q₄e_d = e_с. Мы видим, что ЭДС преобразователя изменяется по огибающей синусоид фазных ЭДС. Моменты, когда фазные ЭДС равны (моменты пересечения синусоид фазных ЭДС) носят название моментов (или точек) естественной коммутации. Сам же переход тока с вентиля предыдущей фазы на вентиль последующей фазы называется коммутацией. Таким образом, в неуправляемом выпрямителе с идеальным питающим трансформатором коммутация вентилей мгновенная и происходит в моменты естественной коммутации. Ток каждого из вентилей при указанных выше условиях и допущениях будет иметь форму прямоугольных импульсов угловой длительностью l_им= (2/3)p, чередующихся с паузами, длительностью l_пауз= (4/3)p.

Напряжения на вентилях.

Обратимся к диаграмме напряжения (рис 11). Рассмотрим, как изменяется напряжение, прикладываемое к вентилю V_D₁. На интервале Q₁£ Q£ Q₂ вентиль открыт, напряжение на нем равно нулю. Начиная с момента Q= Q₂ к вентилю V_D₁ прикладывается обратное напряжение, изменяющееся, так как изменяется разность мгновенных значений ЭДС e_а и e_b. Эта разность есть не что иное, как линейное напряжение между фазами “а” и “b”. Указанное линейное напряжение прикладывается к вентилю V_D₁ в непроводящем направлении, т.е. является для него обратным напряжением. Это напряжение действует в интервале Q₂- Q₃Начиная с момента Q₃включается вентиль V_D₃, а вентиль V_D₂выключается. С этого момента к V_D₁ прикладывается обратное напряжение U_ca. Как видно из диаграммы напряжений максимальное значение обратного напряжения на вентиле в трехфазной нулевой схеме равно амплитуде линейного напряжения на вторичной стороне питающего трансформатора.

U_обр._max = Ö 3*Ö 2* U_{2 ф} = 2, 45* U_{2 ф} = 2, 09 E_d₀. (3-4)

Мгновенной коммутации.

Как было показано, неуправляемый выпрямитель может обеспечить только одно значение ЭДС на выходе (e_d₀), т.е. максимально возможное в схеме. Для получения возможности регулирования величины ЭДС преобразователь выполняют управляемым, включая вместо неуправляемых вентилей, тиристоры. Естественно, при этом, необходимо организовать систему управления тиристорами, однако, на начальном этапе рассмотрения работы управляемого преобразователя, будем предполагать, что включение тиристоров, т.е. подачу на их управляющие электроды импульсов, мы можем обеспечить в любой, желательный для нас, момент времени.

Рис 14

Если управляющие импульсы подавать на управляющие электроды тиристоров в моменты естественной коммутации, то получим также, как и при неуправляемых вентилях, максимально возможную ЭДС E_d₀. Регулирование ЭДС в сторону ее снижения осуществляется за счет задержки включения тиристоров относительно момента естественной коммутации. Величину этой задержки характеризует угол управления тиристорами преобразователя, обозначаемый в литературе буквой a.

Угол управления преобразователем (a) - это угол, выраженный в электрических градусах, отсчитываемый от точки естественной коммутации двух чередующихся фаз до момента включения тиристора последующей фазы.

Пусть управляющий импульс на тиристор V_S₁подан в момент Q = Q₁. Обратим внимание на то, что к моменту подачи управляющего импульса на V_S1 ток в фазе “С” протекает встречно с фазной ЭДС за счет энергии, накопленной в индуктивности нагрузки рабочим током. Подача управляющего импульса на V_S1 включает его, а тиристор V_S3 - выключается. Далее при Q = Q₂ с тем же углом задержки (a) подается управляющий импульс на V_S2 и ток с фазы “А” коммутируется на фазу “В” и т.д.

На рис 14 показана форма ЭДС преобразователя. Ниже показаны токи, протекающие по фазным обмоткам трансформатора в предположении идеальной сглаженности тока I_d и мгновенной коммутации фазных токов с предыдущей на последующую фазу.

Анализ диаграммы напряжения показывает:

а) При увеличении угла a, т.е. при большей задержке управляющих импульсов E_d преобразователя снижается. Величина этого снижения, определяемая вольт - секундной площадкой Sз, тем больше, чем больше угол a.

б) ЭДС преобразователя при a > 30° содержит участки как положительных (S+), так и отрицательных (S-) значений вольт - секундных площадок. С увеличением угла a (S+) уменьшаются, а (S-) - увеличиваются.

в) Импульсы фазных токов трансформатора, сохраняя прямоугольную форму, смещаются в сторону отставания на величину угла a по отношению к точке естественной коммутации.

3.2.2.1.Величина ЭДС тиристорного преобразователя.

Принцип, используемый при определении среднего значения ЭДС на выходе тиристорного преобразователя, тот же, что был использован при определении среднего значения ЭДС неуправляемого преобразователя. Заключается он в том, что определяется площадь, заключенная между кривой, отражающей функцию изменения фазной ЭДС, и осью абсцисс. Эта вольт - секундная площадь, с учетом ее знака, определяется в пределах интервала повторяемости, как определенный интеграл, нижний и верхний пределы которого соответствуют границам интервала повторяемости. Взяв отношение вычисленной площади к длине интервала повторяемости, вычисляется среднее значение ЭДС тиристорного преобразователя для интересующей нас величины Ð a.

=(m_n /2p) e_ф.м.{cos{(p(m_n -2)/2m_n )+a }- cos {(p(m_n +2)/2m_n )+a }} = e_ф.м(m_n /p) sin (p/m_n) cos a = E_d₀cos a.

Таким образом, выявлена очень простая зависимость, связывающая величину средней выпрямленной ЭДС на выходе тиристорного преобразователя E_d, величину максимально возможной ЭДС этого ТП и углом управления a:

E_d = E_d₀ * cos a.

Ее графическое представление называют регулировочной характеристикой ТП. Она имеет вид:

Рис. 15

Иногда угол a на оси абсцисс откладывается иначе (как показано на втором графике).Иногда на оси абсцисс откладывается некоторая другая переменная, связанная с Ð a линейной, или нелинейной зависимостью. Этот вопрос будет рассмотрен при изложении систем управления ТП.

3.2.2.2. Коммутация токов в фазах питающего трансформатора ТП при переключении вентилей.

Ранее процесс перехода тока с одной фазы трансформатора на другую рассматривался, как мгновенный. Это было обусловлено принятыми допущениями. В реальных схемах из-за наличия в цепях переменного тока индуктивных сопротивлений, в частности, индуктивных сопротивлений обмоток трансформатора, процесс коммутации имеет определенную длительность. Индуктивные сопротивления обмоток трансформатора, обусловленные потоками рассеяния в магнитной системе, определяются из опыта короткого замыкания трансформатора, и в расчетах учитываются в виде общей индуктивности L_s, представляющей собой суммарную индуктивность рассеяния вторичной обмотки и, приведенную к ней, индуктивность первичной обмотки. Влияние на процесс коммутации активных сопротивлений обмоток трансформатора учитывать не будем из-за незначительности этого влияния.

По-прежнему выпрямленный ток считаем идеально сглаженным (wL_н = ¥ ). На рис 16 представлена эквивалентная схема трехфазного нулевого выпрямителя и диаграммы напряжений и токов, поясняющие процесс коммутации токов.

Индуктивные сопротивления обмоток учтены введением в схему индуктивностей L_s. Предположим, что в проводящем состоянии находится вентиль V_S1. В момент Q₁ поступает включающий импульс на вентиль V_S2. Поскольку потенциал анода вентиля в этот момент положителен относительно катода, вентиль включается.

Начиная с момента Q₁ оба тиристора включены и две фазы (“а” и “b”) вторичной обмотки трансформатора оказываются замкнутыми через них накоротко. Под воздействием ЭДС обмоток этих фаз (e_а и e_b) в короткозамкнутой цепи (контура коммутации) появляется ток короткого замыкания i_k, который является коммутирующим током.

Этот ток можно в любой момент интервала коммутации (Q₂ - Q₁ ) определить по формуле:

i_k= (U_2m/2Xs)*{cos a - cos (a + Q)} (3-7)

где U₂_m -амплитудное значение линейного напряжения между фазами “a” и “b”.

Xs= wL_S (3-8)

a - угол управления.

Нужно отметить, что через вентиль V_S1 фазы “а” ток i_k протекает в непроводящем направлении. Такое возможно, т.к. вентиль V_S1 смещен прямым током I_d, протекавшем через него до начала коммутации. Ток i_k направлен от фазы “b” с большим потенциалом к фазе “а” с меньшим потенциалом. Учитывая, что выпрямленный ток I_d при wL_н = ¥ в интервале коммутации остается неизменным, можно, согласно первому закону Кирхгофа для точки 0 записать:

i_a + i_b + I_d = 0;

или с учетом направления токов:

i_a + i_b = I_d = const.

Последнее уравнение справедливо для любого момента интервала коммутации. Пока ток проводит только вентиль V_S1, получаем i_a = I_d и i_b = 0. На интервале одновременной проводимости вентилей V_S1 и V_S2 (интервал коммутации тока с фазы “а” на фазу “b”):

i_a = I_d - i_k и i_b = i_k. Когда коммутация закончится и ток будет проводить только вентиль V_S2, получим:

i_b = I_d; i_a = 0.

Из рис 16 видно, что в интервале от Q₁ до Q₂ ток i_b плавно увеличивается, а i_a уменьшается. Когда ток i_b станет равным I_d, а ток i_a снизится до нуля, вентиль V_S1 выключится и ток нагрузки будет продолжать протекать только через вентиль V_S2.

Длительность интервала коммутации характеризуется углом коммутации g, который может быть определен из следующего уравнения (для трехфазной нулевой и трехфазной мостовой схем):

обозначив угол коммутации g при угле управления a = 0 через g₀, можно записать:

Подставляя в исходное уравнение значение g₀, получаем:

g = arccos {cos a + cos g₀ - 1} - a.

Согласно последней формуле с ростом угла a (в пределах 0< a < 90°) уменьшается угол коммутации g. Физическая сущность этого явления состоит в том, что с увеличением угла a (в указанных пределах) растет напряжение, под действием которого возрастает ток i_k в контуре коммутации и, следовательно, до значения I_d он нарастает быстрее.

При дальнейшем росте угла a (90°< a< 180°) угол коммутации увеличивается.

Процесс коммутации оказывает непосредственное влияние на выпрямленное напряжение U_d. Это связано с тем, что при изменении фазных токов в зоне коммутации в индуктивностях L_s обмоток трансформатора появляются ЭДС самоиндукции. В выходящей из работы фазе ЭДС самоиндукции складывается с ЭДС “e_a”. Во вступающей в работу фазе ЭДС самоиндукции вычитается из “e_b”. Таким образом, с учетом действия ЭДС самоиндукции мгновенное значение выпрямленного напряжения на интервале коммутации тока равно полусумме ЭДС коммутируемых фаз.

U_d = (U_a + U_b)/2. (3-12)

где U_a и U_b - мгновенные значения фазных напряжений вторичной обмотки трансформатора.

Так как, в зоне коммутации мгновенное значение выпрямленного напряжения снижается, по сравнению с мгновенной коммутацией, до величины U_d, происходит уменьшение среднего значения выпрямленного напряжения. Его величина определяется выражением:

(3-14)

Из (3-7), (3-8), и (3-14) можно получить: (3-15)

Анализируя последнюю формулу, мы видим, что от двух первых множителей, стоящих в числителе, зависит ширина заштрихованной на диаграмме площадки. От значения третьего множителя (m_n) зависит количество этих площадок, приходящихся на период переменного напряжения - (2p).

В завершение рассмотрения процесса коммутации фазных токов обратим внимание на то, что коммутационное снижение средней величины выпрямленного напряжения не зависит от действующего значения переменного напряжения на вторичных обмотках питающего трансформатора, а, также, от величины угла управления “a”. Оно зависит только от трех величин, входящих в формулу (3-15).

Преобразователей.

Внешней характеристикой ТП называется зависимость выпрямленного напряжения от среднего значения тока нагрузки при неизменной величине угла управления a.

U_d = ¦(I_d)

Внешняя характеристика определяется внутренним сопротивлением преобразователя, которое приводит к снижению выпрямленного напряжения с ростом нагрузки.

Снижение напряжения обусловлено тремя факторами:

1. Коммутационным падением напряжения (dU_k).

2. Падением напряжения в активных сопротивлениях цепей преобразователя, по которым протекают токи (dU_R).

3. Падением напряжения в вентилях (dU_B).

Соответственно внешнюю характеристику ТП (при wL_н = ¥ ) можно записать в виде следующего уравнения:

U_d = E_d0 cos a - dU_k- dU_R - dU_В. (3-16)

В зависимости от мощности выпрямителя влияние активных и реактивных элементов схемы в этом процессе различно. Обычно в маломощных выпрямителях преобладает влияние активного сопротивления обмоток трансформатора, а в мощных - индуктивного сопротивления.

Следует отметить, что при значениях тока нагрузки, не превышающих номинальных, внутреннее падение напряжения ТП (при a = 0), как правило, составляет не более 10 - 15% напряжения E_d₀. Однако, при перегрузках и режимах, близких к короткому замыканию, становится существенным влияние внутренних сопротивлений схемы.

Представляет также интерес вид внешних характеристик при малых токах нагрузки. Это связано с тем, что имеется много электроприводов, обслуживающих механизмы с пульсирующим, либо знакопеременным моментом, или требующим частого изменения направления скорости вращения, т.е. реверса механизма. Во всех этих случаях ток снижается до нуля, или, даже, изменяет свое направление. Для выполнения таких функций используются реверсивные ТП, состоящие из двух преобразователей, позволяющих изменять направление тока. При этом, ТП часто работает с малыми токами, имеющими, иногда, нулевое значение.

В таком случае, внешние характеристики ТП меняют свой вид, т.к. здесь в действие вступают совсем другие соотношения, которые описывают другие физические процессы.

При значительном снижении тока допущение его идеальной сглаженности, что имеет место при wL_н = ¥, принято быть не может. Реальная индуктивность нагрузки не только не в состоянии идеально сгладить выпрямленный ток, но она даже не может обеспечить его непрерывность. Ток становится прерывистым и, в этом режиме работы, внешние характеристики теряют свою линейность, внося нежелательные проблемы и трудности в способы управления преобразователями.

С уменьшением тока имеет место резкий рост напряжения ТП из-за явлений, связанных с прерывистым характером тока якоря, когда вентиль предыдущей фазы прекращает проводить ток до момента включения вентиля последующей фазы. При этом, угловая длительность прохождения тока в вентиле (l) становится меньше, чем 2p/m_n.

Эти явления особенно сильно сказываются при больших углах управления (a ) ТП. Уравнение (3-16) справедливо лишь тогда, когда ток в нагрузке протекает непрерывно. Если принято, что индуктивность L_н в цепи выпрямленного тока бесконечно большая, то непрерывность будет иметь место при любых значениях тока. Если же L_нимеет конечную величину, то непрерывное протекание тока возможно лишь при превышении последним некоторого граничного значения I_d_гр.. Величина последнего согласно (л 1) может быть подсчитана по приближенному уравнению:

(3-17)

Здесь X_тр ¢ ¢ , Xн и X_р- приведенное ко вторичной обмотке индуктивное сопротивление трансформатора, индуктивные сопротивления нагрузки и сглаживающего реактора.

В трехфазной нулевой схеме E_d₀ определяется через фазные напряжения трансформатора, в трехфазной мостовой - через линейные. При этом m_n = 6.

Для мгновенных значений напряжения якорной цепи при отсутствии перекрытия вентилей (g = 0) справедливо уравнение:

e₂ - E_я = i*R_я_._ц_. + L (di/dt) + dU_в (3-18)

где R_я_._ц_.= R_я + R_тр + R_р

L = L_я+ L_тр + L_р

dU_в - падение напряжения в вентилях;

e₂ и i - мгновенные значения вторичной ЭДС трансформатора и тока.

E_я - ЭДС якоря двигателя.

В выражении (3-18) ЭДС трансформатора изменяется по синусоидальному закону. ЭДС двигателя в установившемся режиме из-за инерционности вращающихся масс не может заметно измениться за время интервала пульсаций и считается постоянной. При этом, разность ЭДС, стоящая в левой части уравнения, в какие- то моменты положительна, а в некоторые моменты оказывается отрицательной. Однако при больших токах в индуктивностях якорной цепи запасается такое количество электромагнитной энергии, которого достаточно для поддержания тока прежнего направления в промежутках времени, когда e₂ - E_я < 0 и, даже, на протяжении части отрицательной полуволны напряжения трансформатора, когда e₂ < 0. Ток в анодной цепи вентиля поддерживается за счет ЭДС самоиндукции ( ) при убывании тока. Поэтому при достаточно больших значениях индуктивности и тока последний не прерывается, и выпрямленная ЭДС преобразователя определяется средним значением ЭДС трансформатора за интервал повторяемости выпрямленной ЭДС (T_п = 2p/m_n).

При малых нагрузках (рис 18) ток под действием противо-ЭДС двигателя снижается до нуля (момент Q₂) раньше момента включения последующего вентиля. В результате ток через якорь при малых нагрузках на валу двигателя проходит не непрерывно, а отдельными импульсами.

Кривые выпрямленного напряжения и тока, при этом, имеют вид, показанный на рисунке:

Выражение (3-18) справедливо только для интервалов времени, в течение которых ток проходит по цепи якоря. В промежутках между импульсами тока вращение якоря поддерживается за счет механической энергии вращающихся масс, а напряжение на выходных клеммах преобразователя равно ЭДС якоря двигателя (E_я ).

Этим объясняется тот факт, что в режиме прерывистого тока среднее значение выпрямленного напряжения, измеряемого на нагрузке и определяемое площадью между кривой abcde и осью абсцисс, деленной на интервал повторяемости, по мере снижения нагрузки резко возрастает. Чем меньше ток, тем раньше наступит его прерывание, и тем выше оказывается среднее выпрямленное напряжение. В результате этого крутизна внешних характеристик ТП при малых нагрузках резко возрастает.

В соответствии с рис 19 в режиме прерывистого тока среднее значение выпрямленного напряжения на зажимах двигателя определится выражением:

где e_2ф._max - амплитудное значение фазной ЭДС вторичной обмотки трансформатора;

Q₁ и Q₂ - соответственно углы включения и выключения вентилей, отсчитываемые от начала синусоиды линейной ЭДС трансформатора.

Рис 18

Рис 19

Выражение: E_d = E_d₀ cos a (3-20) получается из (3-19), как частный случай, если положить l = 2p/m_n, где l - интервал проводимости вентиля.

В режиме непрерывных токов, когда l = 2p/m_n имеет место однозначное соответствие между E_d и Ð a. В режиме прерывистого тока среднее выпрямленное напряжение на двигателе зависит не только от величины ЭДС трансформатора “e₂” и угла управления преобразователя a, но также от величины тока, т.е. от величины момента нагрузки на валу двигателя и индуктивности цепи якоря двигателя. Аналитического выражения для внешних характеристик в области прерывистого тока в явном виде получить нельзя, т.к. напряжение и ток связаны трансцендентными уравнениями.

Тем не менее, существуют методы расчета внешних характеристик и в области прерывистого тока. Они используются при выполнении курсового проекта.

3.3.Инверторный режим работы тиристорных

Преобразователей.

Инвертированием называется процесс преобразования электрической энергии постоянного тока в энергию переменного тока. Термин “инвертирование” происходит от латинского inversio - переворачивание, перестановка. Впервые этот термин в преобразовательной технике был применен для обозначения процесса, обратного выпрямлению, при котором поток энергии изменяет свое направление на обратное и поступает от источника постоянного тока в сеть переменного тока. Такой режим был назван в противоположность выпрямительному режиму инверторным, а преобразователь, осуществляющий процесс передачи энергии от источника постоянного тока в сеть переменного тока, - инвертором. Поскольку электрические параметры преобразователя на стороне переменного тока (частота переменного тока, действующее значение напряжения) в этом случае полностью определяются параметрами сети, то такой инвертор называют зависимым, или ведомым сетью.

Исторически термин “инвертор” в преобразовательной технике распространился на все виды статических преобразователей электрической энергии постоянного тока в переменный.

3.3.1. Источник и приемник энергии постоянного тока.

Рис 20

Для рассмотрения и выяснения признаков источника и приемника электрической энергии рассмотрим работу электромашинной системы, используемой на подъемных установках, например, шахтных подъемников. Иногда на шахтах возникает необходимость выполнить, так называемую операцию “перегон порожних подъемных сосудов”.

В исходном состоянии правый подъемный сосуд находится в верхнем положении, левый- в нижнем. Цель “перегона”- поменять подъемные сосуды местами: правый- переместить вниз, левый- поднять вверх. Вес пустых подъемных сосудов одинаков и они уравновешивают друг друга, если не учитывать веса подъемного каната. Но не учитывать этого веса нельзя, т.к. на глубоких шахтах он может иметь большие значения (до нескольких тонн). В начале “перегона” электрическая машина “=М”должна развивать двигательный момент для движения вверх “левого” сосуда вместе с тяжелым подъемным канатом. Когда подъемные сосуды окажутся в середине шахтного ствола, напротив друг друга, левая и правая ветви уравновесятся, а при дальнейшем движении правая, более длинная ветвь каната, спускаясь, будет раскручивать шкив “Ш ”, а значит, и якорь машины “=М”, под действием спускаемого подъемного сосуда и более длинной ветви каната. Машина “=М”должна оказывать тормозное воздействие на раскручиваемый грузом шкив.

Рассмотрим виды преобразования энергии и направление этой энергии при выполнении операции “перегона”.

В начале этой операции электрическая машина “~М”, потребляя из сети переменного тока электрическую энергию, т.е. работая в режиме электрического двигателя, преобразует ее в механическую энергию вращающегося вала, который вращает якорь электрической машины постоянного тока G. Эта машина, будучи возбужденной, работая в режиме генератора постоянного тока, преобразует полученную механическую энергию в электрическую энергию постоянного тока. Эта энергия, в виде тока и напряжения по проводам поступает на якорь машины “=М”, где преобразуется в механическую энергию вращающегося шкива “Ш” и энергию, необходимую для подъема левого подъемного сосуда вместе с канатом.

Т.о. электрическая энергия потребляется из сети переменного тока, претерпевает ряд преобразований, и, в конечном счете, используется для выполнения механической работы. Назовем такое направление энергии прямым.

Теперь рассмотрим подробнее режимы работы электрических машин постоянного тока “G” и “=М”. Машина “G” работает в режиме генератора постоянного тока. Она создает ЭДС E_G, под действием которой создается ток в якорной цепи обеих машин.

В статическом режиме работы ток I_я определяется выражением:

I_я = (E_G - E_М )/ å R_я.ц.

Такое выражение для тока I_я связано с тем, что ЭДС E_М направлена встречно с ЭДС E_G и величина тока зависит от разности этих ЭДС. Т.к. в начале процесса “перегона” груз оказывает тормозящее действие на якорь машины “=М”, ее ЭДС, зависящая от частоты вращения, меньше, чем ЭДС E_G и направление тока в якорной цепи совпадает с направлением ЭДС E_G.

Эта сонаправленность ЭДС и тока являются единственным признаком источника электрической энергии постоянного тока.

Если же направление ЭДС и тока в каком- то устройстве встречное, то это означает, что перед нами- приемник электрической энергии.

Эти признаки источника и приемника электрической энергии очень важны для понимания физических процессов, происходящих во многих электротехнических устройствах.

По мере перемещения левой ветви каната, с подвешенным к ней подъемным сосудом, вверх происходит снижение нагрузки на вал двигателя “=М”, частота вращения его увеличивается, возрастает ЭДС E_М, что приводит к уменьшению тока I_я. В тот момент, когда ветви каната уравновесятся, когда подъемные сосуды окажутся в середине ствола, сравняются по величине и встречные ЭДС E_М и E_G.

12 3 4 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒