Регулирование скорости электродвигателей постоянного тока изменением подводимого напряжения.

⇐ ПредыдущаяСтр 16 из 18Следующая ⇒

Для реализации данного способа регулирования скорости необходимо иметь управляемый преобразователь напряжения. Применяются электромагнитные и вентильные преобразователи напряжения. Электромашинный преобразователь напряжения представляет собой генератор постоянного тока, который приводится во вращение приводным (синхронным или асинхронным) двигателем ПД (рис.8.57). Выходное напряжение U₂ генератора регулируется за счет изменения тока i_в в обмотке возбуждения генератора ОВГ при помощи регулятора тока возбуждения РТВ.

Напряжение вентильных преобразователей регулируется изменением угла открывания вентилей (фазовое регулирование) или с помощью широтно-импульсного или амплитудно-импульсного регулировании.

При регулировании скорости ДПТ НВ изменением напряжения обычно сопротивление якорной цепи и магнитный поток двигателя остаются неизменными. В этом случае регулирование скорости двигателя происходит за счет изменения скорости холостого хода w₀. При использовании электромашинного преобразователя (система Г-Д) имеем:

(8.367)

где

(8.368)

(8.369)

(8.370)

(8.371)

E₂ – ЭДС генератора, являющаяся функцией тока возбуждения i_в,

R_я_å – суммарное сопротивление якорной цепи двигателя и генератора,

Ф_д – магнитный поток ДПТ НВ,

K – конструктивная постоянная двигателя,

b – модуль жесткости механической характеристики.

Так как b=const, то все механические характеристики двигателя в системе Г-Д будут параллельными (рис.8.58), однако, их жесткость ниже жесткости естественной механической характеристики ДПТ НВ из-за более высокого сопротивления якорной цепи. Из уравнения механических характеристик (8.367) получаем уравнение регулированных характеристик (рис.8.59):

(8.372)

регулирование скорости ДПТ НВ в системе Г-Д осуществляется вниз от основной при постоянном магнитном потоке (Ф=Ф_ном) двигателя, а вверх от основной – при постоянном (номинальном) напряжении и ослаблении магнитного потока. В разомкнутой системе Г-Д диапазон регулирования скорости за счет изменения ЭДС генератора составляет примерно 8, а за счет изменения тока возбуждения двигателя – 2, что дает общий диапазон 16: 1. Нижний предел регулирования скорости ограничивается остаточным намагничиванием и статическим падением скорости, а верхний – условиями коммутации и механической прочностью креплений якоря.

Установленная мощность электрических машин в системе Г-Д (без учета к.п.д.)

где Р_ПД, Р_г, Р_д – соответственно мощности приводного двигателя, генератора и ДПТ НВ.

С учетом к.п.д. и дискретности ряда мощностей электрических машин имеем

Недостатки системы Г-Д: 1) большая установленная мощность электрических машин, 2) низкий к.п.д. в установившемся режиме (меньше 80%), 3) влияние остаточного намагничивания, 4) меньшая по сравнению с естественной жесткость механических характеристик, 5) большая постоянная времени цепи возбуждения генератора.

Система Г-Д имеет и преимущества: 1) широкий диапазон регулирования скорости, 2) плавности регулирования, 3) простота реализации рекуперативного торможения и реверса, 4) экономичность пускотормозных режимов.

В замкнутой по скорости системе Г-Д большинство недостатков разомкнутой системы можно преодолеть и достичь диапазона регулирования скорости до 2000: 1. Однако установленная мощность и к.п.д. остаются прежними.

Система Г-Д до настоящего времени удерживает свои позиции в электроприводах большой мощности, где требуется высокая надежность динамических режимов (экскаваторы, шахтные подъемные машины, гребные электрические установки, прокатные станы и др.).

Для регулирования выпрямленного напряжения используют большое количество разных схем вентильных преобразователей. Все это разнообразие схем можно разделить на два класса: 1) схемы с нулевым выводом, в которых используется одна полуволна переменного тока, и 2) мостовые схемы, где используются две полуволны переменного тока.

Нулевая схема (ри.8.60) характеризуется следующими параметрами:

1) числом пульсов выпрямленного тока m=3, 2) максимальной величиной выпрямленной ЭДС U_d₀=1, 17E₂, 3) эквивалентным сопротивлением выпрямленному току

(8.373)

где

(8.374)

(8.375)

W₁, R₁, X₁ – число витков, активное и индуктивное сопротивления первичной обмотки трансформатора,

W₂, R₂, X₂ тоже вторичной обмотки.

Среднее значение выпрямленного напряжения нулевой схемы

(8.376)

где a - угол открывания вентилей, задаваемый системой управления СУ преобразователя,

DU_в – падение напряжения на силовом вентиле (DU_в=0, 5¸ 1В).

Мостовая схема (рис.8.61) будет иметь такие параметры: m=6; U_d₀=1, 35E_2л=2, 34E₂; R_Э2=2R_Э1.

Для режима непрерывного тока можно составить эквивалентную схему для системы “управляемый вентильный преобразователь – двигатель постоянного тока” (УВП-Д) – рис.8.62. Для данной эквивалентной схемы можно записать уравнение электрического равновесия

(8.377)

где

(8.378)

(8.379)

Е – противо-ЭДС ДПТ НВ.

На основании (8.377) и (8.379) находим электромеханическую характеристику ДПТ НВ:

(8.380)

Учитывая, что в системе УВП-Д электромагнитный момент двигателя

(8.381)

получаем уравнение механической характеристики

(8.382)

Жесткость механических характеристик ДПТ НВ в разомкнутой системе УВП-Д меньше жесткости механических характеристик в разомкнутой системе Г-Д по причине большего суммарного сопротивления якорной цепи.

Регулирование скорости двигателя в системе УВП-Д осуществляется изменением угла открывания вентилей a, что приводит к изменению среднего значения выпрямленной ЭДС Е_пр. В выпрямительном режиме УВП угол a изменяется от 0 до p/2, а в инверторном – от p/2 до p-(g+d), где g - угол коммутации (g_max»15¸ 18 эл.гард.), d - угол восстановления запирающих свойств вентилей (d_max»2 эл.гард.). В режиме инвертирования выпрямленная ЭДС Е_d отрицательная.

Скорость идеального холостого хода ДПТ НВ в двигательном режиме

(8.383)

в тормозном режиме

(8.384)

где

(8.385)

a_и – угол инвертирования.

Однако скорость идеального холостого хода является фиктивной величиной, ибо при I_d< I_kp (I_kp – критический непрерывный ток) наступает режим прерывистого тока, для которого приведенные выражения не будут справедливыми. Режим прерывистого тока обусловлен тем, что со снижением нагрузки уменьшается количество энергии, запасенной в индуктивностях якоря и дросселя Др, и наступает момент, когда создаваемая в индуктивностях ЭДС самоиндукции оказывается недостаточной для поддержания тока при отрицательных напряжениях на анодах вентилей. Это приводит к увеличению среднего выпрямленного напряжения за время работы вентиля, а значит, и скорости идеального холостого хода. При углах открывания a вентилей менее p/m скорость двигателя стремится к некоторому максимуму, который определяется амплитудой напряжения, а при больших a – до граничного значения, которое определяется мгновенным напряжением вторичной обмотки трансформатора в момент подачи управляющего импульса. В результате жесткость механических характеристик при малых нагрузках резко снижается, и они напоминают характеристики двигателя последовательного возбуждения (площадь, ограниченная штриховой линией на рис.8.63). Нарушение непрерывности выпрямленного тока приводит к неудовлетворительной форме механических характеристик, вызывает дополнительный гармоники тока, которые увеличивают нагрев двигателя. Чем меньше пульсность m выпрямления, тем раньше наступает режим прерывистого тока. Чтобы сузить зону прерывистых токов, необходимо увеличивать индуктивность дросселя.

Коэффициент мощности первичной цепи трансформатора, который питается синусоидальным напряжением, выражается формулой (6.119)

При большой индуктивности в цепи выпрямленного тока фазовый сдвиг первой гармоники тока относительно напряжения равен углу открывания вентилей, т.е. a=j₍₁₎. Следовательно, коэффициент мощности тиристорного преобразователя можно записать в виде

(8.386)

но

(8.387)

тогда

(8.388)

т.е. коэффициент мощности пропорционален коэффициенту несинусоидальности тока К_I и степени снижения скорости. Поэтому разрабатывают специальные системы управления, которые обеспечивают лучший коэффициент мощности, а также применяют средства компенсации реактивной энергии. Существенно улучшить коэффициент мощности в системе УВП-Д можно за счет применения искусственной коммутации вентилей.

Система электропривода УВП-Д должна обладать свойствами обратимости, т.е. должна иметь возможность работать как в двигательном, так и в тормозном режимах. По экономическим условиям в качестве тормозного режима следует выбирать рекуперативное торможение с передачей энергии от двигателя постоянного тока в сеть переменного тока. Режим работы УВП в этом случае называется инверторным. В инверторном режиме постоянный ток передается в сеть переменного тока в отрицательные полупериоды напряжения (a> p/2). Переключение этих полупериодов осуществляется сетью с заданной периодичностью, при этом коммутация называется естественной, а преобразователь – инвертором, ведомым сетью.

Существует отличие в переходе двигателя в режим рекуперативного торможения в системе Г-Д и в системе УВП-Д. В системе Г-Д, которая имеет двухстороннюю проводимость, переход двигателя в режим рекуперативного торможения происходит естественным путем за счет изменения направления тока в якорной цепи, что возможно, если ЭДС двигателя Е больше приложенного напряжения U (рис.8.64).

Система УВП-Д с двойным комплектом вентилей имеет двухстороннюю проводимость для тока якоря двигателя: в двигательном режиме через выпрямительный комплект, а в генераторном – через инверторный. Электропривод может работать в четырех квадрантах плоскости w-M.

В системе УВП-Д с одним комплектом вентилей нельзя изменить направление тока в силовой цепи, т.е. получить режим работы во втором и третьем квадранте. Тем не менее, инверторный режим работы возможен и при неизменном направлении тока (рис.8.65). Если в системе УВП-Д двигатель Д работает в двигательном режиме (первый квадрант), ток якоря направлен согласно с выпрямленным напряжением U_d. Для перехода двигателя в генераторный режим необходимо, чтобы ЭДС Е по модулю была больше выпрямленного напряжения U_d, т.е. |Е|> |U_d|. Если направление Е и U_d оставить прежними, как в двигательном режиме, то ток якоря будет стремиться изменить направление, что, однако, невозможно, так как УВП имеет одностороннюю проводимость. Поэтому работа двигателя в режиме рекуперативного торможения возможна только в четвертом квадранте плоскости w-M. Чтобы сохранить направление тока в инверторном режиме таким же, как и в двигательном, необходимо изменить направление ЭДС Е и направление выпрямленного напряжения U_d, выполняя условие |Е|> |U_d|. При изменении направления только ЭДС Е ток якоря сохранит свое направление, но двигатель перейдет в режим противовключения, так как ЭДС Е и напряжение U_d будут суммироваться.

Для рекуперативного торможения необходимо, чтобы ток, который проходит по вторичным обмоткам трансформатора УВП, и напряжение на этих обмотках находились в противофазе. Поэтому одновременно с изменением направления ЭДС необходимо изменить и направление (полярность) выпрямленного напряжения U_d, сделав его инверторным, с помощью угла открывания вентилей a> p/2. направление ЭДС Е изменяется с помощью переключения выводов обмотки якоря или изменения направления тока в обмотке возбуждения двигателя.

Для ограничения токов короткого замыкания в системе УВП-Д выбирают трансформатор с увеличенным напряжением короткого замыкания (U_K=8¸ 10%). При бестрансформаторном питании в цепь переменного тока включают токоограничивающие реакторы, активное и индуктивное сопротивления которых близки по величине сопротивлениям короткого замыкания трансформатора.

Среднее значение подводимого к двигателю напряжения можно регулировать также импульсным методом, когда двигатель периодически подключается к источнику питания, а затем отключается. В период, когда двигатель подключен к источнику питания, энергия передается от источника к электроприводу, где она главным образом преобразуется в механическую, а часть ее запасается в виде кинетической и электромагнитной энергии. Если же двигатель отключен от источника питания, электропривод продолжает работать за счет запасенной энергии.

Среднюю величину напряжения можно регулировать разными способами. В электроприводе используется в основном широтно-импульсное регулирование (ШИР), когда среднее напряжение на якоре двигателя регулируется за счет изменения продолжительности (ширины) импульса при неизменном периоде, а значит, и частоте коммутации. Существует и частотно-импульсное регулирование (ЧИР), когда продолжительность подключения якоря двигателя к источнику питания остается в каждом периоде неизменной, а изменяется сам период, а значит, и частота переключений. Из-за технических ограничений ЧИР используется реже.

Принципиальная схема системы “импульсный регулятор напряжения – двигатель” (ИРН-Д) показана на рис.8.66а, а эквивалентная ей схема – на рис.8.66б. В этой схеме якорь двигателя Я с помощью силового полупроводникового ключа К подключается к источнику постоянного тока с неизменным напряжением U₁. Соотношение между временем включенного состояния t₁ ключа К и периодом коммутации t₀ задается коммутатором. Это соотношение определяет среднее напряжение U_d на якоре двигателя (рис.8.67).

(8.389)

где

(8.390)

g – скважность.

На протяжении роста тока i_я двигателя в индуктивности L запасается электромагнитная энергия, а когда ток уменьшается, она отдается. Индуктивность L действует как накопитель энергии. Благодаря этому и кинетической энергии электропривода среднее значение напряжения U_я на якоре двигателя остается практически постоянным в установившемся режиме. Скорость w якоря можно также считать постоянной.

На интервале времени t₁ подключения якоря к напряжению U₁ источника питания ток якоря i_я1 определяется уравнением

(8.391)

где

(8.392)

L_д, R_д – индуктивность и активное сопротивление дросселя,

L_я, R_я - индуктивность и активное сопротивление обмотки якоря двигателя,

Е, w_ср – средние значения ЭДС и скорости.

На интервале времени t₂ отключенного состояния якоря ток i_я2 протекает через шунтирующий диод Д и уравнение якорной цепи имеет вид

(8.393)

Решениями уравнений (8.391) и (8.393) являются:

(8.394)

(8.395)

где

(8.396)

С учетом периодичности процесса имеем

(8.397)

Решая (8.397), находим

(8.398)

(8.399)

На основании этих уравнений получаем выражение для ширины колебаний тока якоря

(8.400)

Разложив показательные функции в степенные ряды и взяв первые два члена, упростим (8.400):

(8.401)

Из (8.401) видно, что ширина колебаний тока не зависит от нагрузки, а определяется величиной индуктивности L, частотой коммутации f и скважностью g. Определяя экстремум функции (8.401), можно найти, что максимальная ширина колебаний тока будет при g=0, 5. При допустимой величине индуктивности L необходимо выбирать частоту коммутации в пределах 100¸ 2000 Гц.

Механические характеристики ДПТ НВ в системе ИРН-Д выражаются (8.367), только в данном случае (рис.8.68):

(8.402)

(8.403)

При малых нагрузках может возникнуть режим прерывистого тока, когда I_min=0. При этих условиях граничный средний ток якоря должен быть равен половине ширины колебаний тока:

(8.404)

Когда I_d< I_d_{, 2}, механические и электромеханические характеристики выражаются другими уравнениями [ ]:

(8.405)

(8.406)

где

На рис.8.68 зона прерывистых токов отделена прерывистой линией.

В реверсивных электроприводах с ИРН (рис.8.69) используется двух полярные импульсы напряжения. В этом случае среднее напряжение на якоре двигателя

(8.407)

тогда при 0, 5< g£ 1 скорость идеального холостого хода w₀ будет положительной, а при 0£ g< 0, 5 – отрицательной, что позволяет изменением величины скважности реверсировать двигатель. Но при двух полярном напряжении ширина DI колебаний тока якоря увеличивается вдвое, и увеличиваются потери энергии в якорной цепи. Чтобы избежать этого в реверсивном электроприводе, иногда используют такой алгоритм работы ключей К1-К4, что при вращении якоря в одном направлении среднее напряжение формируется, как и при однополярных импульсах.

Возможности импульсного регулирования напряжения ограничены предельными значениями индуктивности L_д дросселя и частоты коммутации f. Для уменьшения колебаний тока необходимо иметь эти величины максимальными. Предельные значения L_д ограничиваются динамическими и технико-экономическими показателями электропривода, а частоты коммутации f – свойствами силовых ключей. Для транзисторных ключей частота коммутации ограничена потерями мощности в режиме переключений, а тиристоров – временем восстановления запирающих свойств.

В современных электроприводах импульсные способы регулирования напряжения весьма распространены.

В системе УП-Д с двигателями постоянного тока последовательного возбуждения (ДПТ ПВ), где регулируется ЭДС преобразователя Е_пр, жесткость

(8.408)

механических характеристик

(8.409)

при неизменной нагрузке (а следовательно, и магнитном потоке Ф) остается постоянной, поэтому механические характеристик и в области непрерывного тока представляют собой семейство конгруэнтных кривых (рис.8.70).

⇐ Предыдущая 9 10 11 12 13 14 151617 18 Следующая ⇒