Аракелян А.К., Афанасьев А.А. Вентильные электрические машины и регулируемый электропривод. Книга 2

Подождите немного. Документ загружается.

А. K. Аракелян

А. А. Афанасьев

________________

ВЕНТИЛЬНЫЕ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ

МАШИНЫ И

РЕГУЛИРУЕМЫЙ

ЭЛЕКТРОПРИВОД

В ДВУХ КНИГАХ

Книга вторая

РЕГУЛИРУЕМЫЙ

ЭЛЕКТРОПРИВОД

С ВЕНТИЛЬНЫМ

ДВИГАТЕЛЕМ

МОСКВА

ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ

1997

УДК 621.313.315

ББК 31.261

А79

Рецензенты:

доктор технических наук, профессор Н. Ф. Ильинский,

доктор технических наук, профессор Ю. Г. Шакарян

Аракелян А. К. Афанасьев А. А.

А79 Вентильные электрические машины и регулируемый электропривод: В 2

кн. Кн. 2.: Регулируемый электропривод с вентильным двигателем. - М.:

Энергоатомиздат, 1997. — 468 с.: ил.

ISBN 5-283-00763-4

На основе современных математических методов и эксперименталь-

ных исследований рассмотрены характеристики и режимы различных

схем электроприводов с вентильным двигателем с учетом нелинейных

свойств магнито- и электропроводящих сред, упругих электромеханиче-

ских связей, а также проблемы оптимизации и синтеза систем автомати-

ческого регулирования, обусловленные многосвязностью и многомерно-

стью вентильного двигателя при управлении последним.

Для научных и инженерно-технических работников.

ISBN 5-283-00763-484  Аракелян А.К., 1997

ISBN 5-283-00761-84 Афанасьев А.А.,

Г л а в а д е с я т а я

СХЕМЫ РЕГУЛИРУЕМЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ

С ВЕНТИЛЬНЫМ ДВИГАТЕЛЕМ

10.1. Однодвигательная схема

10.1.1. Общие замечания

Регулируемые элек-

троприводы с одним

вентильным двигателем

[5, 13, 60, 62, 68, 69, 85,

92, 118, 135, 138, 143,

149, 178, 202, 223, 313,

383], несмотря на раз-

нообразные конструк-

тивные исполнения и

способы регулирования,

имеют определенную

область в отношении

состава, взаимосвязи

основных звеньев и

принципа действия. Эти

общие черты отражены

в функциональной схе-

ме (рис.10.1) и вектор-

ной диаграмме — (рис.

10.2).

Рис. 10.1. Общая функ-

циональная схема регули-

руемого электропривода с

вентильным двигателем

Рис. 10.2. Векторная диаграмма синхронной машины в схеме вен-

тильного двигателя

Обмотка якоря синхронного двигателя (СД) М питает-

ся от полупроводникового преобразователя частоты (ПЧ)

с зависимым инвертором тока (напряжения)

, обмотка

возбуждения  от статического (полупроводникового) возбу-

дителя МЕ. Управление преобразователем частоты и возбу-

дителем осуществляется схемным устройством автоматиче-

ского управления и регулирования

ACL

. В это устройство

вводится задание скорости электропривода от соответст-

вующего командоаппарата либо от вышестоящей системы

автоматического управления технологическим процессом

(АСУ ТП). В устройство управления и регулирования посту-

пает информация о положении ротора двигателя от датчика

углового положения ротора (ДПР) BG индуктивного, опти-

ческого, магниторезисторного, магнитотранзисторного и др.

принципов действия.

Информация об электрическом состоянии двигателей обес-

печивается датчиками напряжения

, тока якоря UA и возбу-

ждения

UАЕ

. Возможно использование и других датчиков.

Как это следует из векторной диаграммы (рис. 10.2), ра-

бота вентильного двигателя (ВД) в электроприводе основана

на периодической скачкообразной коммутации фаз обмотки

якоря с помощью ключевых полупроводниковых элементов

— такой характер коммутации, как было показано в мате-

риалах глав 1—8, приводит к мгновенному изменению про-

странственной ориентации магнитной оси обмотки якоря и

обусловливает постоянное протекание несимметричных пе-

реходных процессов. Однако в целях интегральной оценки

рабочих электромеханических характеристик в установив-

шемся и переходном режимах далее воспользуемся обосно-

ванным выше и известным в литературе [2, 3, 10, 13, 26, 36,

52, 55, 85, 92, 143, 178 ] методом эквивалентной синхронной

машины. Это позволяет реальный вентильный двигатель за-

менить синхронным с синусоидальными напряжениями,

ЭДС и токами, величины которых соответствуют первым

гармоникам напряжений (

), ЭДС (

) и токов

) реаль-

ного ВД, а частота вращения соответствует частоте вращения

ротора ( 

Воспользуемся указанным методом для сравнительного

анализа характеристик ВД при работе совместно с зависи-

мыми инвертором тока и инвертором напряжения.

В первом случае (рис. 10.3.) к фазе обмотки якоря ВД

прикладывается прямоугольный (точнее  трапецеидаль-

ный)

Рис. 10.3. Временные диаграммы переменных выходной цепи мос-

тового зависимого инвертора тока: фазных напряжений, ЭДС и

сверхпереходных ЭДС (а) и токов обмоток — (б)

импульс тока. Ширина импульса тока определяется схемой

инвертора и обмотки якоря, а момент его подачи по отно-

шению к угловому положению ротора определяется угловым

положением ДПР. Если разложить прямоугольный импульс

тока в гармонический ряд (см. гл.11), то момент времени,

когда

i I

1 1

 , совпадает с серединой межкоммутационного

интервала. Следовательно, при питании СД от зависимого

инвертора тока ДПР регулирует и фиксирует временной угол

между вектором тока

и ЭДС E

m 0

, т.е. углом регулиро-

вания (углом опережения отпирания вентиля  ), подавае-

мый от

ACL

, является угол 



1 1 0

   

I E

m m

, const . ( . )101

Характерно, что напряжение на выходе инвертора тока

повторяет форму ЭДС синхронного двигателя, т.е. является

синусоидальным. Во втором случае к фазе обмотки якоря ВД

прикладывается прямоугольный импульс напряжения, ши-

рина которого зависит от схемы инвертора, режима его рабо-

ты и числа фаз якоря ВД. Момент подачи прямоугольного

импульса напряжения на обмотку по отношению к угловому

положению ротора также определяется ДПР. При разложе-

нии прямоугольного импульса напряжения в гармонический

ряд момент времени, когда

U U

1 1

 , совпадает с серединой

коммутационного интервала. В этом случае ДПР регулирует

и фиксирует временной угол между векторами приложенного

напряжения

и ЭДС

, т.е. углом регулирования 

является угол нагрузки 



1 1 0

  

U E

m m

, const . ( . )10 2

Векторная диаграмма эквивалентной синхронной маши-

ны неизменна для обоих режимов питания. Однако при пи-

тании (СД) от зависимого инвертора тока угловое перемеще-

ние ДПР приводит к регулированию и фиксации 

, а из-

менение момента сопротивления на валу — к изменению

1 1

, ,  . При питании же СД от зависимого инвертора на-

пряжения перемещение ДПР приводит к регулированию и

фиксации 

, а изменение внешней нагрузки на валу двига-

теля — к изменению

1 1

,  , 

Устройства синхронизации вала СД с инвертором других

типов состоят из датчиков магнитной индукции (датчиков

Холла), устанавливаемых в воздушном зазоре СД, или спе-

циальных обмоток управления, закладываемых в пазы якоря

вместе с рабочими обмотками. В первом случае управляемы-

ми параметрами ВД для ПЧ с инвертором тока являются



 1 1 1

   

I E

, ,const

а для ПЧ с инвертором напряжения 



 1 1 1

  

U E

, const .

Во втором случае соответственно:

 

1 1 1 1 1 1

      

I E t U E

m m m m

, , , .cons const

Источником напряжения синхронизации может служить

и непосредственно рабочая обмотка якоря. В этом случае у

ВД, питаемого от ПЧ с инвертором тока, с помощью устрой-

ства синхронизации второго типа задается фазный угол меж-

ду основными гармониками тока и напряжения якоря:



1 1 1

   

I U

m m

, .const ( . )103

Как известно, в режиме зависимого инвертора тока мо-

жет работать и ПЧ с непосредственной связью [132, 142, 150,

219, 371].

Наиболее простой способ регулирования частоты враще-

ния вентильного двигателя с коммутацией тока напряжением

или внутренней ЭДС (с естественной коммутацией) основан

на регулировании воздействием на угол опережения отпира-

ния вентилей инвертора   .

В основе этого способа лежат зависимости естественных

электромеханических (скоростных) характеристик ВД от угла

 . Поэтому регулирование по углу  не может быть энергети-

чески оптимальным во всем диапазоне регулирования скорости

вращения ВД и при различных свойствах нагрузок  моментов

сопротивления. Электромеханические процессы преобразования

энергии в вентильном двигателе при изменении угла  , воздей-

ствующем на величину и фазу продольной реакции якоря, ана-

логичны процессам, происходящим в двигателе постоянного

тока при угловом смещении траверсы щеточного механизма от-

носительно геометрической нейтрали [319]. Поэтому в режиме

работы ВД, реализуемом естественной коммутацией вентилей

инвертора, угол  должен быть принципиально опережающим,

что делает реакцию якоря размагничивающим. Эта особенность

ВД с естественной коммутацией обусловливает относительное

снижение коэффициента использования синхронного двигате-

ля, включенного по схеме вентильного двигателя, т.е.

P P

ВД СД

 1 [335].

Непосредственно с зависимостью электромеханических

характеристик ВД от угла  связано и другое естественное

свойство ВД, суть которого состоит в дискретном переходе

рабочей точки с одной электромеханической характеристики

на другую при переключении схемы соединения фаз обмотки

якоря с треугольника на звезду и обратно. Это свойство ис-

пользуется при работе ВД на внешние нагрузки, для которых

приемлемо ступенчатое регулирование скорости или момен-

та. Сочетание возможностей ступенчатого регулирования

скорости с непрерывным регулированием посредством угла

 позволяет получить оптимальные по потерям, т.е. относи-

тельно экономичные, режимы работы электропривода [510].

Сравнительно оптимальными показателями как по ис-

пользованию активных материалов электрической синхрон-

ной машины, так и по снижению уровня виброактивности

вентильного двигателя за счет снижения амплитуд и увели-

чения частоты добавочных колебательных электромагнитных

моментов, порождаемых коммутационными процессами пи-

тающего СД инвертора, обладают схемы ВД, в которых трех-

фазный синхронный двигатель имеет разрезную обмотку ста-

тора. Разрезная обмотка якоря ВД в виде двух трехфазных

звезд (рис. 10.4, а) смещается в пространстве на 30 эл.град.

Они питаются от собственных инверторов и коммутация то-

ка в звездах происходит по очереди, что обусловливает менее

резкое перемещение в пространстве магнитного потока 



якоря [92].

Если в двигателе с одной звездой вектор 



во время

коммутации перемещается на 60 эл. град, то в двигателе с

двумя обмотками, соединенными в звезду — на 30 эл. град. В

этом двигателе МДС якоря во внекоммутационный период

образуется сложением МДС двух смежных фаз, принадле-

жащих разным звездам(рис. 10.4,б). В результате такого сум-

мирования получаются МДС, которые перемещаются в про-

странстве при коммутации токов. Причем при коммутации

токов первой звезды МДС якоря перемещается на 30 эл.

град, т. к. МДС второй звезды в это время неподвижна. За-

тем коммутируется ток во второй звезде и суммарная

МДС якоря перемещается еще на 30 эл. град.

Двухзвездную схему можно применить и при параллель-

ном включении инверторов двигателя, а также увеличить

число звездных схем якоря до четырех, сместив их на 15 эл.

град. При этом, если двухзвездная схема обмотки обусловли-

вает двенадцатипульсовый режим коммутации в период



радиан, то при четырехзвездной схеме — двадцатичеты-

рехпульсовый. Переход к многопульсовым схемам от шести-

пульсной теоретически не вызывает увеличения установлен-

ной мощности вентилей инвертора, а повышает использова-

ние активных материалов двигателя, увеличивая его пуско-

вой момент, и уменьшает потери в демпферной обмотке.

Однако переход от двенадцати — к двадцатичетырехпульсо-

вой и более многофазным схемам нецелесообразен из-за ус-

ложения схемы (конструкции) вентильного двигателя. При

этом положительный эффект получается незначительным

[511].