Онищенко Г.Б. Электрический привод

Подождите немного. Документ загружается.

В режиме рекуперативного торможения уравнения (5.1) и (5.5), учиты-

вая, что ток I

, и момент М будут отрицательны, принимают вид:

яяяя

IRUЕ

)(кФ

МR

кФ

яя

Основными достоинствами рекуперативного торможения являются:

энергетическая эффективность, связанная с полезным использованием энергии

торможения; высокая жесткость механических характеристик; плавный пере-

ход из двигательного в тормозной режим на одной и той же характеристике.

Благодаря такому характеру механических характеристик улучшается качество

управления приводом. Вернемся к рассмотрению рис.5.7.

Пусть двигатель работал в т. 1 в

двигательном режиме со статическим

моментом М

Если оператор хочет уменьшить скорость, он уменьшает напряжение

источника питания с U

я1

до U

я2

. Скорость двигателя из-за механической

инерции мгновенно не может измениться, и двигатель переходит на работу в

т.2. При этом на валу двигателя возникает тормозной момент, равный сумме

тормозного момента двигателя и статического момента. Скорость двигателя

быстро снижается до скорости ω02 и далее под действием статического

момента до скорости, определяемой т.

З, где М=М

Вторым возможным тормозным режимом

является режим динамического торможения. В

этом режиме якорь двигателя отключается от

источника R

дт

постоянного тока (см. рис.5.8) и за-

мыкается на сопротивление динамического

торможения. Питание обмотки возбуждения при

этом должно быть обязательно сохранено. В

указанном режиме двигатель М работает как гене-

ратор постоянного тока, нагруженный на сопро-

тивление R

дт

Энергия торможения расходуется на нагрев сопротивления R

дт

и обмо-

ток цепи якоря двигателя.

Механические характеристики при

динамическом торможении представлены

на рис.5.9. Если Л<)т=0, якорная цепь

двигателя будет замкнута накоротко и

механическая характеристика (при Ф = Ф

)

будет иметь жесткость естественной

характеристики. При увеличении R

дт

жесткость характеристик будет

уменьшаться в соотношении

дтя

и механические характеристики будут

линейными и расходиться веером из начала координат.

Как следует из (5.5), при U

= 0 уравнение механических характеристик

динамического торможения будет:

кФ

дтя

)(

−=

Недостатками режима динамического торможения являются: потери

энергии торможения, расходуемой на нагрев элементов привода, и невозмож-

ность торможения привода до полной его остановки.

Достоинством режима динамического торможения является его высокая

надежность, определяемая тем, что этот режим может осуществляться при ис-

чезновении питающего напряжения и в случае выхода из строя источника пи-

тания цепи якоря, когда режим рекуперативного торможения становится не-

возможен. Исходя из этого, динамическое торможение в приводах постоянного

тока часто используется в качестве средства аварийного торможения.

Торможение противовключением не характерно для двигателей посто-

янного тока независимого возбуждения. Этот режим может использоваться в

приводах малой мощности с широтно-импульсным регулятором тока, позво

ляющим ограничить ток торможения допустимой величиной.

5.2. Электроприводы по системе тиристорный преобразователь-

двигатель постоянного тока

Для питания двигателей постоянного тока независимого возбуждения

используются регулируемые источники питания:

- электромашинные агрегаты - генератор постоянного тока - двигатель

переменного тока (система Г-Д);

- тиристорные преобразователи (выпрямители) с фазовым управлением

(система ТП-Д);

- полупроводниковые выпрямители с регулированием величины вы-

прямленного напряжения методом

широтно-импульсного регулирования

(ШИР-Д).

Система генератор-двигатель, в которой двигатель постоянного тока

получает питание от электромашинного агрегата, в настоящее время морально

устарела и в стационарных установках не применяется. Система Г-Д продолжа-

ет использоваться для мобильных установок, например экскаваторов.

Основной системой регулируемого электропривода с двигателями по-

стоянного тока является

система ТП-Д (тиристорный преобразователь - двига-

тель постоянного тока), наиболее распространенные схемы которой приведены

на рис.5.10.

Основу схем тиристорных преобразователей составляют полууправляе-

мые силовые полупроводниковые приборы - тиристоры. Неполная управляе-

мость тиристоров определяется тем, что включение тиристора контролируется

системой управления (СИФУ) - при подаче отпирающего импульса на управ-

ляющий электрод тиристора он

открывается и остается открытым после снятия

отпирающего импульса. Закрывается тиристор после изменения полярности

напряжения анод-катод и спадания тока до нуля. Запирание тиристоров по цепи

управления невозможно. Сказанное выше относится к однооперационным ти-

ристорам. Существуют запираемые тиристоры, которые допускают запирание

по цепи управления, однако эти приборы в системах электропривода ТП-Д пока

не применяются.

Тиристорный преобразователь в схемах электропривода постоянного

тока выполняет две функции: выпрямление переменного напряжения питаю-

щей сети и регулирование средней величины выпрямленного напряжения.

Принцип регулирования среднего значения выпрямленного напряжения

тиристорного преобразователя с импульсно-фазовым управлением рассмотрим

на примере

однофазной мостовой схемы (рис.5.10а).

Если отпирающие импульсы на тиристоры VS1 и VS4 (и соответствен-

но тиристоры VS3 и VS2 при другой полуволне синусоиды питающего напря-

жения) подаются в момент естественного открывания, когда напряжение катод

- анод становится положительным, то среднее выпрямленное напряжение, оп-

ределяемое заштрихованной площадью на рис.5.11.а), будет максимальным и

равным:

лсхd

UкЕ

(5.14)

где U

, - линейное напряжение на стороне переменного тока;

сх

- коэффициент схемы выпрямления, который равен: для однофазной

мостовой схемы - 0,9; для трехфазной мостовой схемы - 1,35; для трехфазной

нулевой схемы - 0,675.

Если

отпирающие

импульсы на

тиристоры будут

подаваться с запазды-

ванием относительно

момента

естественного

открывания на угол а

(угол управления

тиристорами), то

среднее выпрямленное

напряжение преобразователя будет уменьшаться, как это показано на

рис.5.11,б

,в. При этом тиристоры VS1 и VS4 будут проводить ток до тех пор,

пока не откроются тиристоры VS3 и VS2, т.е. и в то время, когда напряжение

катод-анод будет отрицательным. Это объясняется тем, что в цепи выпрямлен-

ного тока имеется достаточно большая индуктивность обмотки якоря двигателя

, и ток будет протекать под действием э.д.с. самоиндукции. Если же в цепи

выпрямленного тока не было бы индуктивности (чисто активная нагрузка), то

ток прекратился бы при переходе анодного напряжения через нуль; ток в этом

случае был бы прерывистым. При достаточно большом значении индуктив-

ности L

, соотношение между средним выпрямленным напряжением преобра-

зователя и углом а будет:

aEЕ

cos

(5.15)

Среднее выпрямленное напряжение определяется разностью заштрихо-

ванных площадей. При значении угла регулирования а = π/2 среднее выпрям-

ленное напряжение (см.рис.5.11,в) будет равно нулю.

Тиристорный преобразователь может работать в выпрямительном и в

инверторном режимах. Выпрямительный режим имеет место при углах регули-

рования а = 0 ÷ π/2 . При этом среднее выпрямленное напряжение

должно быть

больше э.д.с. в цепи выпрямленного тока (противоэ.д.с. якоря двигателя) E

. Направление выпрямленного тока совпадает со знаком выпрямленного на-

пряжения преобразователя.

Если угол а увеличить сверх π/2 (а = π/2 ÷ 11π/12), то площадь отрица-

тельной полуволны, при которой открыты тиристоры, будет больше площади

положительной полуволны (см.рис.5.11,г) и, следовательно, среднее выпрям-

ленное напряжение преобразователя будет отрицательным, что следует также

из формулы (5.15). Возникает инверторный режим работы преобразователя, ко-

торый может быть использован для обеспечения рекуперативного торможения

привода.

Под действием отрицательного напряжения преобразователя ток пойти

не может из-за односторонней проводимости тиристоров. Поэтому инвертор-

ный режим преобразователя возможен при соблюдении трех условий:

1. В цепи выпрямленного тока должен быть источник э.д.

с., величина

которой превосходит среднее значение выпрямленной противоэ.д.с. инвертора;

в схемах тиристорного привода постоянного тока - э.д.с. якоря двигателя долж-

на быть больше E

инвертора Е

>|E

2. Источник э.д.с. (якорь двигателя) должен быть так подключен к пре-

образователю, чтобы было возможно протекание тока под действием э.д.с. яко-

ря.

3. Угол управления тиристорами должен быть больше π/2(а>π/2).

При соблюдении этих условий двигатель постоянного тока будет рабо-

тать в генераторном режиме, вырабатывая энергию

постоянного тока, которая

преобразуется тиристорным преобразователем в энергию переменного тока и

отдается в питающую сеть. Электропривод ТП-Д, в котором двигатель питается

от двух встречно-включенных преобразователей, называется реверсивным (см.

рис.5.10,в).

Как источник напряжения постоянного тока тиристорный преобразова-

тель характеризуется э.д.с. E

, регулируемой посредством угла управления а, и

внутренним сопротивлением R

состоящим из двух слагаемых.

RRR

ап

(5.16)

- активное сопротивление источника питания на стороне переменно-

го тока (сетевого реактора или трансформатора);

- условное сопротивление, связанное с падением напряжения в про-

цессе коммутации тиристоров.

Преобразователи подсоединяются к питающей сети или через транс-

форматор, служащий для согласования напряжения питающей сети и двигате-

ля, или через сетевой реактор.

Сетевые реакторы в бестрансформаторных схемах питания выполняют

две функции: ограничивают ток короткого замыкания в преобразователе и

уменьшают

негативное влияние преобразователя на питающую сеть. И транс-

форматоры, и реакторы обладают активным и индуктивным сопротивлением.

Активное сопротивление фазы трансформатора, приведенное по вто-

ричной обмотке, может быть определено по паспортным данным трансформа-

тора

кз

где: I

2ф

- номинальный фазный ток вторичной обмотки трансформатора;

∆Р

кз

- потери короткого замыкания трансформатора.

Процесс коммутации тиристоров поясняется рис.5.12. Вернемся к рас-

смотрению схемы рис.5.10,а. Пусть преобразователь работает с углом а. До

момента t

ток проводят тиристоры VS1 и VS4. В момент времени t

подаются

отпирающие импульсы на тиристоры VS3 и VS2. Последние отпираются. Од-

нако из-за наличия индуктивности на стороне сети ток через тиристоры VS1 и

VS4 не может мгновенно упасть до нуля, и некоторое время, измеряемое углом

коммутации у, одновременно будут открыты

все четыре вентиля, которые шунтируют цепь

нагрузки. В результате среднее выпрямленное

напряжение снижается на величину,

пропорциональную заштрихованной площади.

Это падение напряжения зависит от величины

выпрямленного тока I

и будет равно:

=Δ

Условно величину

можно принять за некоторое сопротивление R

вызывающее падение напряжения в преобразователе

(5.17)

где: m - число коммутаций за период;

- индуктивное сопротивление на стороне переменного тока;

кф

100

≈

здесь U

2ф

- фазное напряжение вторичной обмотки трансформатора;

- напряжение короткого замыкания трансформатора, %.

Следует иметь в виду, что падение напряжения на сопротивлении R

не

связано с потерями мощности в нем, поскольку оно вызвано индуктивным со-

противлением на стороне переменного тока; оно ухудшает коэффициент мощ-

ности преобразователя.

Таблица 5.1.

Основные показатели схем выпрямления

Схема

сх

максв

dнd

Однофазная

мостовая

0,9 1,57 1 1,11 1 2

Трехфазная

мостовая

1,35 1,045 0,815 1,045 2 6

- ток в линии на стороне переменного тока;

- мощность трансформатора, ВА;

в.макс

- максимальное напряжение, прикладываемое к тиристорам;

- сопротивление вторичной обмотки трансформатора (или реактора).

Таким образом, среднее значение напряжения преобразователя в режи-

ме непрерывного тока (внешняя характеристика преобразователя, как источни-

ка напряжения) будет:

nddd

RIaEU

−

cos

(5.18)

Выпрямленный ток имеет непрерывный характер, если индуктивность в

цепи выпрямленного тока достаточно велика

∞

→

L . Если ток якоря принима-

ет прерывистый характер, тогда механические характеристики привода стано-

вятся нелинейными (см. рис.5.13).

Индуктивность якорной цепи

двигателя постоянного тока независимого

возбуждения может быть определена по фор-

муле:

нтн

Lя

кL

= (5.19)

где: к

— конструктивный

коэффициент; для компенсированных машин

принимается (0,1÷0,25), для некомпенсированных (0,5÷0,6);

, I

, ω

- номинальные напряжение, ток якоря и угловая скорость дви-

гателя;

- число пар полюсов.

При конечных значениях индуктивности в цепи выпрямленного тока на

условие непрерывности тока оказывают также влияние величина тока и угол

регулирования. Граничное (минимальное) значение тока, при котором ток еще

остается непрерывным определяется соотношением

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−=

ctg

aЕ

гр

ππ

314

sin

(5.20)

Влияние режима прерывистого тока проявляется в увеличении среднего

значения выпрямленного напряжения в зоне прерывистого тока. Механические

характеристики нереверсивного привода ТП-Д показаны на рис.5.13.

Наиболее часто применяемые силовые схемы тиристорного электро-

привода постоянного тока (ТП-Д) показаны на рис. 5.10. Схемы 5.10,а и 5.10,б

относятся к нереверсивным электроприводам. В этих схемах

изменение поляр-

ности питающего напряжения и направления тока в якорной цепи невозможно.

Если полагать, что привод работает в режиме непрерывного тока (при

∞→

L ), то механические характеристики будут иметь вид наклонных прямых

параллельных друг другу, причем ω

уменьшается по мере уменьшения вы-

прямленного напряжения (увеличения угла а).

Механические характеристики описываются в этом случае следующей

формулой, полученной на основе (5.5).

кФ

aЕ

nяd

)(cos

−=

(5.21)

При конечных значениях индуктивности якорной цепи L

в области ма-

лых значений момента (тока якоря) — левее граничной линии I

гр

- механиче-

ские характеристики теряют линейность и загибаются вверх. Это является

следствием перехода в зону прерывистых токов. Линия, определяющая границу

непрерывного тока, определяется уравнением (5.20).

При желании уменьшить зону прерывистых токов последовательно с

якорем двигателя включают сглаживающий дроссель, величина индуктивности

которого может быть определена по формуле:

грc

ctg

mIf

−−

⋅

≥ )1(

ππ

(5.22)

где I

гр

- требуемое значение граничного тока при ω = 0.

Заметим, что механические характеристики нереверсивного привода

ТП-Д не переходят ось ординат, т.к. изменение направления тока в нереверсив-