Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины т 2

Подождите немного. Документ загружается.

370

последовательные обмотки возбуждения для формирования соответ-

ствующих свойств.

67.2. Принцип работы и оммтация вентильноо двиателя

Принципиальная схема ВД представлена на рис. 67.1 (выпрями-

тель в схеме не показан), где обозначено: И — инвертор; ЭМП —

электромеханический преобразователь (двигатель); ДПР — датчик

положения ротора; СУ — система управления инвертором. В послед-

нее время в качестве ДПР обычно используются фотоэлектрические

или магнитомодуляционные датчики.

В качестве управляемых ключевых элементов в инверторах и вы-

прямителях небольшой мощности применяют транзисторы, которые

можно считать полностью управляемыми элементами, так как тран-

зистор можно включать и отключать в произвольные моменты време-

ни, подавая и снимая потенциал с его базы.

При значительных мощностях управляемых преобразователей в

них используются тиристоры, которые являются лишь частично

управляемыми приборами, поскольку их отключение не может осу-

ществляться в произвольные моменты времени с помощью управ-

ляющего электрода. Для отключения тиристора необходимо создать

паузу рабочего тока (10—30 мкс), причем для восстановления управ-

ляющих свойств после закрытия вентиля прикладываемое к нему на-

пряжение должно быть отрицательным. Это возможно, если выход-

ной переменный ток инвертора опережает по фазе выходное напря-

жение и угол опережения достаточно велик. Наиболее рациональный

способ отключения тиристоров в ВД обеспечивается в схемах с есте-

ственной коммутацией (называемой также машинной). Суть ее за-

ключается в использовании ЭДС вращения, наводимой в якорных

обмотках, для принудительного уменьшения тока в отключаемой

фазе, перевода его на дру-

гую фазу и создания паузы

тока в закрывающемся тири-

сторе. В тиристорных инвер-

торах ВД может использо-

ваться и искусственная ком-

мутация, при которой пауза

тока в тиристорах создается

с помощью специальной

электрической схемы.

Рассмотрим для примера

совместную работу тиристор-

ного трехфазного мостового

–

ЭМП

ДПР

СУ

Рис. 67.1. Принципиальная схема вентиль-

ного двигателя

371

инвертора тока с трехфаз-

ным двигателем (рис. 67.2);

коммутация естественная. Бу-

дем считать, что фазные ЭДС

двигателя, наведенные его по-

лем, синусоидальны, а выход-

ной ток инвертора сглажен и

не имеет пульсаций. При за-

данной форме тока кривая на-

пряжения на зажимах двигате-

ля формируется в зависимости

от параметров двигателя и может быть определена путем решения диф-

ференциальных уравнений синхронной машины.

Вентили 1, 3, 5 анодной группы подключены к плюсовому зажиму

источника постоянного тока; вентили 2, 4, 6 катодной группы — к ми-

нусовому зажиму. Потенциал нулевой точки якорной обмотки будем

считать нулевым. При отсутствии регулирования со стороны СУ и

мгновенной коммутации всегда были бы включены два вентиля —

один из анодной группы и один из катодной группы, а коммутация

происходила бы в моменты пересечения кривых фазных ЭДС. Для

обеспечения нормальной работы тиристоров система управления

должна подавать импульсы управления на управляющие электроды

тиристоров с опережением по отношению к указанным моментам

времени. Угол опережения β

(рис. 67.3) должен перекрывать угол

коммутации γ, в течение которого происходит перевод тока с одной

фазы на другую, и угол запаса δ, соответствующий времени между

окончанием коммутации и переходом отрицательного запирающего

напряжения на отключаемом тиристоре (в таковое образуется именно

из-за опережающего начала коммутации) через нуль:

= γ + δ.

Обычно δ ≈ 20—25°, β

= 40—50°.

Угол коммутации γ зависит от индуктивностей машины, опреде-

ляемых с учетам роторных контуров — так называемых переходных,

а при наличии демпферной обмотки — сверхпереходных индуктив-

ностей (см. гл. 73). Для уменьшения времени коммутации индуктив-

ность якоря нужно уменьшать, прибегая к особым конструктивным

решениям, в частности применяя демпферную обмотку.

Управляемые вентили осуществляют поочередное попарное вклю-

чение фаз обмотки якоря, которые при этом соединяются последова-

тельно. Если пренебречь временем коммутации, то продолжитель-

ность включения каждого вентиля соответствует временному интер-

валу в 120°, а совместной работы каких-либо двух фаз — 60°. При уче-

–

U' И

U''

Рис. 67.2. Трехфазный тиристорный мос-

товой инвертор тока

372

те времени коммутации эти интервалы обращаются в (120° + γ) и в

(60° + γ) соответственно. Вне зависимости от продолжительности ком-

мутации через каждые 60° одна из двух фаз отключается и вместо нее

включается новая.

К моменту времени t

, отмеченному на рис. 67.3, когда противо-

ЭДС фазы А (–e

) наиболее положительна, а (–e

) наиболее отрица-

тельна, система управления должна обеспечить включенное состоя-

(–e

)

(–e

)(–e

)

б)

MК

в)

)

д)

U

R/3 R/3 R/3



Рис. 67.3. Кривые напряжений, ЭДС и токов вентильного двигателя

373

ние вентилей 1 и 6. При этом ток течет по фазам А и C (см. рис. 67.2).

Протекание тока через тиристоры 1 и 6 обеспечивается тем, что по-

тенциал верхнего зажима инвертора (общего анода) больше (–e

)

на значение внутреннего падения напряжения в вентиле и падения

напряжения на активном сопротивлении фазы А:

= – e

+ i

+ R),

где r

— сопротивление вентиля в проводящем состоянии, т.е. к вен-

тилю 1 приложено прямое напряжение. Аналогично потенциал

нижнего зажима инвертора (общего катода) несколько ниже (–e

), и

к вентилю 6 также приложено прямое напряжение. Разность U

= , равная входному напряжению на тиристорном мосте, ме-

няется во времени, но ее среднее значение равно напряжению пита-

ния U. Ординаты кривой U

(t) показаны в правой части рис. 67.3, а

вертикальными линиями. Отличие мгновенных значений U

(t) от U

покрывается за счет ЭДС самоиндукции в индуктивности L.

Положим, что в момент времени t

, соответствующий определен-

ному значению угла опережения β

по отношению к моменту пере-

сечения кривых (–e

) и (–e

), на управляющий электрод тиристора 3

фазы B подается импульс управления. Вентиль включается, так как в

момент t

к нему приложено прямое напряжение – (– e

). Посколь-

ку при t = t

вентиль 1 остается включенным, образуется короткозамк-

нутый контур: вентиль 3 — фаза В — фаза А — вентиль 1 (рис. 67.4, а).

В контуре действует линейная ЭДС e

= (e

– e

), под воздействием

которой возникает коммутационный ток i

, уменьшающий ток в отклю-

′

″

′

″

–

′

–

а) б)

Рис. 67.4. Схема включения фаз и кривые изменения токов фаз А и В при их ком-

мутации

374

чаемой фазе А и вентиле 1, равный току во включаемой фазе В и вен-

тиле 3. Этот ток за время, соответствующее углу коммутации γ, на-

растает от нуля до тока I

dβ

, который задается внешним источником

тока. В период коммутации напряжение коммутирующих фаз равно

среднему значению U

ср

= 0,5(e

– e

), а потенциал анодного зажима

практически совпадает с ним.

После окончания коммутационного процесса в фазе А ток через

вентиль 1 прекращается и в течение промежутка времени, соответст-

вующего углу запаса δ, к нему прикладывается обратное напряжение

(см. рис. 67.3, а). Если угол δ меньше, чем это требуется для восста-

новления управляющих свойств вентиля, полное отключение тири-

стора не происходит, и, так как за точкой пересечения кривых (–e

) и

(–e

) к вентилю 1 опять будет приложено прямое напряжение, он

опять включится, что приведет к так называемому срыву инвертора,

равносильному КЗ входной цепи постоянного тока.

Даже в установившемся режиме работы с неизменным моментом

сопротивления на валу ω

= const в ВД происходят непрерывные пе-

реходные процессы, особенно во время коммутации какой-либо па-

ры фаз. Нормальный режим работы ВД сопровождается периодиче-

ски повторяющимися двухфазными КЗ через два одновременно от-

крытых вентиля. Эти КЗ имеют место во время коммутационного

интервала, продолжительность которого соответствует углу γ. Кро-

ме двух коммутирующих вентилей в этот отрезок времени остается

открытым и третий вентиль, через который протекает ток третьей

фазы. Например, в момент времени t

начинают коммутировать фазы

А и В через вентили 1 и 3 и остается включенной фаза С через вен-

тиль 6 (рис. 67.3, б, в, г, рис. 67.4, а). По истечении коммутационного

интервала, соответствующего углу γ, наступает межкоммутацион-

ный интервал, продолжающийся до момента времени t

, когда от-

крыты только два вентиля 3 и 6, а ток протекает только через фазы В

и С. Оба интервала в сумме образуют угол π/ 3. В момент времени t

подается сигнал на включение вентиля 2 и начинается новый комму-

тационный процесс, во время которого постоянный ток переводится

из фазы С (вентиля 6) в фазу A (вентиль 2). В моменты времени t

поступают сигналы на включение вентилей 5 и 4 соответственно и

начинаются очередные коммутационные процессы. Вентили сменя-

ют друг друга в работе по круговой системе, циклически. Начала ра-

боты вентилей одной и той же фазы смещены на π. За период по вы-

ходной частоте инвертора происходит шесть коммутаций, соверша-

ется полный цикл. Кривые разных токов сдвинуты на 2π/3, т.е.

′

375

инвертор обеспечивает преобразование постоянного тока в перемен-

ный трехфазный.

Использование естественной (машинной) коммутации тиристоров

под воздействием наводимой в обмотках якоря ЭДС является наибо-

лее простым и удобным. Однако такая коммутация невозможна при

пуске ВД, когда ЭДС в якоре не наводится. Поэтому для обеспечения

пуска ВД необходимы специальные меры, например асинхронный

пуск либо переключение инвертора с помощью пусковой автоматики

в режим искусственной коммутации, обеспечиваемой коммутирую-

щими конденсаторами.

67.3. Особенности физичесих процессов и теории

вентильных двиателей

К процессам в вентильных двигателях и их описанию можно под-

ходить с двух точек зрения, рассматривая эти двигатели или как ма-

шины постоянного тока, или как синхронные двигатели.

При первом подходе могут быть учтены лишь постоянные состав-

ляющие (средние значения) входных величин инвертора. При этом не

учитываются весьма заметные пульсации входных напряжений в ин-

верторе тока или входных токов в инверторе напряжения.

Более точная математическая модель вентильного двигателя мо-

жет быть построена на основе второго подхода, в котором вентиль-

ный двигатель рассматривается как синхронный двигатель. При этом

в состав переменных включаются не входные величины инвертора, а

фазные токи и напряжения якоря двигателя, при несинусоидальном

характере которых можно использовать такой мощный и общеприня-

тый метод, как гармонический анализ.

Основная пространственная гармоника МДС якоря, создаваемая

его фазными токами (см. рис. 67.3, б, в, г), перемещается в простран-

стве неравномерно, делая за время коммутации поворот на электри-

ческий угол, равный 60°, а в течение межкоммутационного интервала

остается недвижной (при идеальном сглаживании тока). Положения

пространственного вектора МДС якоря во время межкоммутаци-

онных интервалов показаны на рис. 67.5. Если временем коммутации

пренебречь, то можно считать, что переход вектора из одного по-

ложения в другое осуществляется скачком. Однако если учитывать

только первые временные гармоники фазных токов, то получим

обычную равномерно вращающуюся волну МДС, скорость вращения

которой определяет скорость вращения возбужденного ротора, вра-

щающегося синхронно с МДС якоря. Как уже отмечалось, при изме-

нении режима работы частота вращения ротора, а вслед за ней и час-

–

376

тота токов якоря соответствующим образом изменяются, и ВД, не-

смотря на синхронное вращение ротора и поля якоря, не обладает

свойствами синхронного двигателя, а в зависимости от внешних воз-

действий (значения напряжения, потока возбуждения, момента сопро-

тивления, угла опережения β

) свободно переходит от одной скоро-

сти к другой.

Вследствие несинусоидальности токов возникают дополнительные

потери в якоре, а электромагнитный момент в установившемся режи-

ме кроме основной (постоянной) составляющей, обусловленной пер-

вой гармоникой токов якоря и полем возбуждения, будет содержать и

дополнительную, вызываемую высшими гармониками токов. Допол-

нительная составляющая включает в себя как постоянный, так и пуль-

сирующий момент. Дополнительный постоянный момент имеет со-

ставляющие, которые возникают от взаимодействия с токами ротора,

наведенными высшими гармониками токов якоря, и реактивные мо-

менты, обусловленные электрической и магнитной асимметрией рото-

ра, при которых вращающаяся волна МДС от токов якоря данной час-

тоты (k ± 1)ω

, k = 6с, c = 1, 2, 3, …, создает два вращающихся поля —

как той же частоты (k ± 1)ω

, так и «смежной» частоты (k ± 1)ω. По-

следние поля при частоте вращения ротора ω =ω

оказываются непод-

вижными по отношению к МДС от «чужого» тока частоты (k ± 1)ω

что обеспечивает возникновение асинхронного реактивного момента.

Моменты подобной же природы возникают и в асинхронном режиме

синхронной машины (§ 60.1). Обычно дополнительный постоянный

момент невелик и им можно пренебречь.

Дополнительный переменный момент может достигать по ампли-

туде достаточно существенных значений (на 3—4 порядка выше до-

полнительного постоянного момента), так как обусловлен взаимодей-

ствием основного (синхронного) поля машины с МДС основной про-

а) б) в) )

Рис. 67.5. Положения пространственных векторов МДС якоря в межкоммутаци-

онных интервалах, предшествующих моментам времени:

а — t = t

; б — t = t

; в — t = t

; г — t = t

377

странственной гармоникой, возбужденной совокупным действием

всех высших гармоник токов якоря.

Кроме того, при вращении ротора возникает переменный момент

реактивного характера из-за изменения магнитной проводимости для

поля возбуждения вследствие зубчатости якоря.

Пульсирующий электромагнитный момент нарушает точность ра-

боты механизма, вызывает шум, вибрацию отдельных частей двига-

теля и приводит к быстрому износу изоляции. Радикальное средство

снижения переменной составляющей момента — выполнение двига-

теля с двумя обмотками или двумя якорями. Для сглаживания нерав-

номерного вращения МДС и уменьшения пульсаций момента исполь-

зуется также демпферная обмотка на роторе.

Если оценивать явления в двигателе, обусловленные основными

гармониками тока и напряжения якоря, то для анализа характеристик

ВД можно воспользоваться уравнениями синхронного двигателя,

хотя свойства вентильного двигателя существенно отличаются от

свойств синхронных двигателей. В частности, будет справедливо

уравнение напряжения, подведенного к фазе статора:

,(67.1)

по которому построена векторная диаграмма рис. 67.6. Как следует из

кривых рис. 67.3, угол опережения β

определяет фазовый угол ϕ

первых гармоник фазных тока и на-

пряжения якоря, причем ток опережа-

ет напряжение (см. рис. 67.6), что не-

обходимо для нормальной работы ти-

ристоров. При опережающем токе в

СД его продольная составляющая I

создает размагничивающую реакцию

якоря, т.е. в ВД происходит размагни-

чивание двигателя его рабочим то-

ком, что сказывается на его работе и в

первую очередь на частоте вращения

и может привести к формированию

статически неустойчивых механиче-

ских характеристик. В первом при-

ближении ϕ

≈ δ + 0,5γ = β

– 0,5γ, где

угол γ, соответствующий коммутаци-

онному интервалу, должен опреде-

ляться из условия прохождения тока

отключаемой фазы через нуль.

–

– E

–

RjI

–

++ +=

(–E

f

)

(–E

5

)

Рис. 67.6. Векторная диаграмма

вентильного двигателя

378

Все уравнения и выражения, полученные в гл. 57, 58 для СД, оста-

ются справедливыми и для ВД, однако электромеханические характе-

ристики здесь имеют особый вид в связи с возможностью синхронно-

го изменения частот вращения и питания якоря.

Из общего выражения электромагнитного момента двигателя

(67.2)

и векторной диаграммы (см. рис. 67.6), соответствующей уравнению

(67.1), определяем:

= m

cos ϕ

= m

cos (π – β – θ

) + I

R ],

где E

— результирующая ЭДС фазы якоря. Следовательно, при учете

активного сопротивления якоря:

M = (m

p / ω)E

cos (π – β – θ

). (67.3)

Так как E

= ωΨ

; E

sin θ

= I

; E

cos θ

= E

– I

то из (67.3) вытекает:

M = m

p[Ψ

– (L

– L

]. (67.4)

Это выражение удобно для выявления природы обеих составляю-

щих электромагнитного момента — основной, обусловленной взаи-

модействием поля возбуждения и поперечной МДС якоря, и реактив-

ной, вызванной различием магнитных проводимостей по продольной

и поперечной осям ротора. Продольный и поперечный токи якоря,

создающие соответствующие МДС,

= – I

sin β; I

= –I

cos β.

При β = π (ЭДС E

и ток I

находятся в противофазе) весь ток якоря

будет поперечным: I

= I

, I

= 0, момент при данном I

будет макси-

мальным. Подобный случай имеет место в ДПТ при расположении

щеток на геометрической нейтрали. При использовании в ВД инвер-

тора тока угол β задается независимо и используется в качестве неза-

висимого параметра регулирования.

Реактивный момент в области устойчивой работы двигателя, где

π/2 < β < π, а θ < π/2, положителен, а при β < π/2 (θ > π/2) — отри-

цателен (если, разумеется, L

> L

; у двигателей с постоянными маг-

нитами, где L

< L

, все наоборот).

Mp/ ω()P

R–()=

379

Из сравнения (67.2) и (67.4) можно получить выражение для час-

тоты вращения:

.(67.5)

Если для упрощения считать L

= L

, то с учетом (67.3) полу-

чается следующее выражение для механической характеристики:

.(67.6)

Полученные выражения позволяют выявить механические, угло-

вые и электромеханические характеристики вентильного двигателя

при питании как от инвертора тока, так и от инвертора напряжения. В

первом случае можно независимо задавать I

и β, во втором — U

и θ.

Связь между ними следующая (см. рис. 67.6):

(67.7)

Поскольку характеристики ДПТ обычно рассматриваются при за-

данном напряжении U

якоря, то имеет смысл сравнивать их с харак-

теристиками ВД, питающегося от инвертора напряжения. В послед-

нее время в двигателях малой и средней мощности для возбуждения

применяют высококоэрцитивные постоянные магниты без полюсных

наконечников. При этом X

≈ X

из (68.4) и (68.7) получается:

.(67.8)

Пусковой момент

= .

Скорость холостого хода

Положению щеток на нейтрали в коллекторном ДПТ соответству-

ет угол θ = 0 в вентильном двигателе. При этом

cos ϕ

R–

πβ–()cos [I

–()2βsin()2⁄ ]–

----------------------------------------------------------------------------------------------------------

cos

πβ–()cos

------------------------------------

pΨ

cos βΨ

cos βθ

+()

---------------------------------------------------------------------------

–=

πβ– θϕ

;+=

θsin I

R βsin X

βcos–();=

πβ–()cos U

R θcos X

θsin+

--------------------------------------------

pΨ

---------------------------

R θcos ωL

θsin+()ωΨ

R]–=

pΨ

θsin / R

UR θcos / Ψ

θsin–()=

mpΨ

/ R=ω

/ Ψ