Онищенко Г.Б. Электрический привод

Подождите немного. Документ загружается.

ных схемах невозможно. Следовательно, отсутствует режим рекуперативного

торможения. В случае необходимости изменения направления вращения при-

водного двигателя в нереверсивных приводах по системе ТП-Д изменяют на-

правление тока в обмотке возбуждения двигателя.

Для того, чтобы получить электропривод, работающий по всех четырех

квадрантах поля М-ω, необходимо использование реверсивного тиристорного

преобразователя, обеспечивающего

протекание тока якоря в обоих направлени-

ях. Реверсивные тиристорные преобразователи содержат две группы тиристо-

ров, включенные встречно-параллельно друг другу. Наиболее распро-

страненная схема реверсивного тиристорного электропривода показана на

рис.5.10,в. В этой схеме два тиристорных преобразователя UZ(B) и UZ(Н), соб-

ранные каждый по трехфазной мостовой схеме, включены параллельно друг

другу

с противоположной полярностью на стороне выпрямленного тока. Пода-

вать отпирающие импульсы одновременно на обе группы тиристоров нельзя,

т.к. произойдет короткое замыкание. Поэтому в данной схеме может работать

только одна группа тиристоров UZ(B) или UZ(H); другая группа должна быть

закрыта (отпирающие импульсы сняты). Такая реверсивная схема называется

схемой с раздельным управлением группами тиристоров

При раздельном управлении включается только та группа тиристоров,

которая в данный момент должна проводить ток. Выбор этой группы зависит

от направления движения привода («вперед» или «назад») и от режима работы:

двигательный режим или рекуперативное торможение. В соответствии с этим

выбор нужной группы вентилей можно представить в виде таблицы 5.2.

Таблица 5.2.

Режим

работы

Направление движения

Двигательный Тормозной

Вперед UZ(B) UZ(Н)

Назад UZ(Н) UZ(B)

В системах управления выбор и включение нужной группы тиристоров

производится автоматически посредством логического переключающего уст-

ройства ЛПУ, принцип построения которого показан на рис.5.14.

Примем

направление тока якоря

при работе «вперед» в

двигательном режиме за

положительное. При

положительном сигнале

задания скорости ω

зад

соответствующем движению вперен, и сигнале ошибки по скорости, которая в

двигательном режиме также будет (ω

зад

- ω) ≥ 0, сигнал, поступающий на ЛПУ

от регулятора тока, будет иметь знак (+), В соответствии с этим ЛПУ включит

электронный ключ К(В), который подает отпирающие импульсы на тиристор-

ную группу UZ(B). Угол управления а

, устанавливается системой автоматиче-

ского регулирования в соответствии с сигналом выхода регулятора тока РT.

Обе СИФУ (В) и (Н) работают согласованно - так, что сумма углов

нв

аа (5.23)

Таким образом, на тиристорную группу, работающую в выпрямитель-

ном режиме, подаются отпирающие импульсы с углом

2/0

а . При этом

СИФУ(Н) вырабатывает импульсы управления с углом

вн

аа −=

, т.е. с углом

управления, соответствующем инверторному режиму работы преобразователя

UZ(H). Однако, поскольку электронный ключ К(Н) разомкнут, импульсы

управления на тиристоры группы UZ(H) не поступают. Преобразователь UZ(H)

закрыт, но подготовлен к работе в инверторном режиме.

Такой принцип согласованного управления, определяемый (5.23) позво-

ляет согласовать механические характеристики привода в двигательном и тор-

мозном режимах

, что показано на рис.5.15.

При необходимости торможения привода уменьшается сигнал задания

скорости ω

зад

. Ошибка по скорости меняет знак (ω

зад

- ω)<0, и на входе ЛПУ

знак сигнала изменяется с (+) на (-), в соответствии с чем отключается контакт

К(В) и включается кон-

такт К(Н). Однако

включение контакта

К(Н) происходит не

сразу, а с некоторой

выдержкой времени,

которая необходима,

чтобы ток якоря

уменьшился до нуля и

тиристоры UZ(B)

восстановили за-

пирающие свойства. Спадание тока до нуля контролируется

датчиком тока ДТ

и нуль-органом НО (в других схемах для этой цели используются датчики про-

водимости вентилей ДПВ).

Когда ток спадет до нуля, по прошествии некоторой выдержки времени,

включается ключ К(Н) и вступает в работу преобразователь UZ(H), уже подго-

товленный к работе в инверторном режиме. Привод переходит в режим

рекупе-

ративного торможения. Общее время переключения тиристорных групп со-

ставляет 5-10 миллисекунд, что является в большинстве случаев допустимым

для обеспечения высокого качества управления.

При работе в двигательном режиме в направлении «назад» знак задания

скорости отрицателен, а абсолютное значение ошибки по скорости |ω

зад

– ω| по-

ложительно, поэтому на вход ЛПУ поступает отрицательный сигнал, и включа-

ется ключ К(Н). Работает преобразователь UZ(H) в выпрямительном режиме.

Логические правила работы ЛПУ иллюстрируются таблицей 5.3.

Находят применение также и другие схемы ЛПУ. Механические харак-

теристики реверсивного привода ТП-Д с раздельным управлением показаны на

рис.5.15. При непрерывном токе

якоря они описываются уравнением (5.21).

Таблица 5.3.

Знак

зад

Знак

|ω

зад

-ω|

Знак на входе

ЛПУ

Включен

ключ

Работает пре-

образователь

Режим работы

привода

+ + + К(В) UZ(B) Двигательный

+ - - К(Н) UZ(H) Тормозной

- + - К(Н) UZ(H) Двигательный

- - + К(В) UZ(B) Тормозной

В режиме прерывистых токов в области малых значений момента ли-

нейность характеристик нарушается. В современных замкнутых по току и ско-

рости системах регулирования, благодаря применению адаптивных регулято-

ров, удается линеаризовать механические характеристики и при малых значе-

ниях момента.

Тиристорные преобразователи в приводе ТП-Д получают питание либо

от трансформаторов, согласующих напряжение

питающей сети с номинальным

напряжением двигателя постоянного тока, либо, если такое согласование не

требуется, от однофазной или трехфазной сети 380/220В. В последнем случае

на входе преобразователя используются реакторы (см. рис. 5. 10).

Мощность трансформатора при трехфазной мостовой схеме преобразо-

вателя определяется выражением

птрмин

dнdн

IUК

ηη

cos

3−

≥ , кВА.

Здесь U

dн

, I

dн

, - номинальные выпрямленное напряжение и ток транс-

форматора;

=1,05 - коэффициент, учитывающий искажение формы тока;

мин

- минимальный угол управления тиристорами, соответствующий

номинальному выпрямленному напряжению;

тр

, η

- кпд трансформатора и кпд преобразователя.

Кпд тиристорного электропривода определяется произведением кпд его

узлов, преобразующих энергию

Кпд трансформатора лежит в пределах 0,9-0,95, увеличиваясь с возрас-

танием мощности. Потери в тиристорном преобразователе невелики, т.к. они

определяются, главным образом, потерями мощности в полупроводниковых

приборах. Для мостовой схемы

тирdнп

UIР

2 ,

где: ΔU

тир

≈2В - падение напряжения на открытом тиристоре.

Обычно кпд преобразователя составляет 0,95-0,98. Принимая средний

кпд двигателя постоянного тока η

дв

=0,88, получим, что кпд привода ТП-Д при

номинальной нагрузке составляет порядка η

ТП-Д

=0,78÷0,82, что является высо-

ким показателем.

Недостатком привода ТП-Д с энергетической точки зрения является

низкое значение средневзвешенного коэффициента мощности и искажение

формы тока в питающей сети.

Тиристорные преобразователи искажают форму тока в питающей сети

переменного тока, делая форму тока отличной от синусоиды. Несинусоидаль-

ный ток можно разложить на ток первой

гармоники с частотой сети и токи

высших гармоник, частота которых превышает частоту сети в (пт+1) раз, где т

- число пульсаций выпрямленного напряжения за один период частоты сети, п -

натуральные числа 1, 2, 3 и т.д. Переменный ток мостовых преобразователей

имеет примерно трапецеидальную форму, его можно разложить на сумму тока

первой гармоники и

токов высших гармоник

)7sin()5sin(sin

77551

+= tItItII

mmmнс

и т.д.

Особенно проявляются 5, 7 и 11 гармоники тока. Мощность, опреде-

ляемая высшими гармониками тока и напряжением первой гармоники, образу-

ет так называемую мощность искажения, которая по существу является реак-

тивной (ее среднее значение равно нулю). Мощность искажения оказывает

вредное воздействие на питающую сеть и потребители электроэнергии, вклю-

ченные параллельно тиристорному

преобразователю. Степень искажения тока

оценивают коэффициентом искажения ν

...

+++

mmm

III

Коэффициент искажения тока для трехфазных мостовых схем составля-

ет порядка 0,95.

Под коэффициентом мощности тиристорного преобразователя будем

понимать произведение cosφ для первой гармоники тока по отношению к пер-

вой гармонике напряжения, умноженному на коэффициент искажения

cos

ТП

КМ (5.23)

Ток в цепи питания тиристорного преобразователя отстает от соответ-

ствующего напряжения на угол запаздывания открывания тиристоров (угол

управления а). Поэтому можно приближенно считать, что

acoscos

(5.24)

Т.к. cos a = Е

/Е

, то при работе привода на высоких скоростях, когда

примерно равно номинальному напряжению якоря двигателя, cosa будет

близок к единице и коэффициент мощности тиристорного преобразователя бу-

дет высоким. По мере снижения скорости будет уменьшаться выпрямленное

напряжение преобразователя и соответственно снижаться cosφ

. Можно при-

ближенно полагать, что cosφ

≈ ω/ω

Если привод ТП-Д длительное время работает с пониженными скоро-

стями, то средневзвешенный коэффициент мощности будет низким. Поэтому

энергетические показатели привода ТП-Д следует оценивать не по номиналь-

ному значению, когда cosφ

, высокий, а по его средневзвешенному значению.

Особенно низкое значение cosφ

будет при пуске привода. Поэтому для мощных

тиристорных приводов пуск сопровождается значительными бросками реак-

тивной мощности.

Исходя из изложенного, рекомендуется совместно с тиристорными пре-

образователями включать фильтрокомпенсирующие устройства, которые по-

вышают cosφ преобразователей и улучшают гармонический состав тока в пи-

тающей сети, тем самым, компенсируя вредное влияние преобразователей на

питающую сеть

5.3. Электропривод с двигателями постоянного тока с по-

следовательным возбуждением

В рассматриваемых двигателях постоянного тока обмотка возбуждения

включается (рис.5.16) последовательно с обмоткой якоря, в результате

чего ток возбуждения равен току якоря и создаваемый им поток Ф будет про-

порционален току якоря

аIФ

(5.25)

Здесь а - нелинейный коэффициент а = f(I

); нелинейность этого

коэффициента связана с формой кривой намагничивания и размагничивающим

действием реакции якоря; оба этих фактора проявля-

ются при больших токах I

> 0,7 - 0,8 I

ян

; при малых

токах якоря коэффициент а можно считать

величиной постоянной. При токах якоря I

> 2 I

ян

машина насыщается, и величина потока мало

зависит от тока якоря. Зависимость потока

возбуждения от нагрузки (см. 5.25) определяет своеобразие электромеханиче-

ских характеристик двигателя постоянного тока последовательного возбужде-

ния.

Для изменения направления вращения двигателя последовательного

возбуждения недостаточно изменить полярность напряжения, подводимого к

двигателю, т.к. при этом изменится одновременно и

направление тока

в обмотке якоря и полярность потока

возбуждения. Поэтому для реверсирования двигателя

нужно изменить направление тока в одной из частей

машины, например в обмотке возбуждения, оставив

направление тока в обмотке якоря неизменным, как это

показано на схеме рис.5.17.

Подставив (5.25) в (5.2) и (5.3), получим основные

соотношения для рассматриваемых двигателей.

каIМ = (5.26)

яя

каIЕ

(5.27)

Соответственно, выражение для электромеханической и механической

характеристик двигателя последовательного возбуждения будут:

ка

каI

я Σ

−=

; или В

−=

(5.28)

ка

каМ

яя Σ

−=

; или В

−=

(5.29)

В первом приближении механическую характеристику двигателя посто-

янного тока последовательного возбуждения, если не учитывать насыщение

магнитной цепи, можно представить в виде гиперболы, не пересекающей ось

ординат, а асимптотически приближающуюся к ней.

Если положить (R

)=0, то характеристика (см. рис.5.18) не будет пе-

ресекать и ось абсцисс. Такая характеристика называется «идеальной»;

выше нее характеристики быть не могут. Ре-

альная естественная характеристика

пересекает ось абсцисс в точке,

соответствующей току короткого замыкания

(момент М

). Если учитывать насыщение

двигателя, то при моментах меньших 0,8М

характеристика криволинейна и носит

гиперболический характер; при больших

значениях тока и момента поток вследствие

насыщения становится постоянным и характеристика выпрямляется. Ха-

рактерной особенностью характеристик двигателя последовательного воз-

буждения является отсутствие точки идеального холостого хода. При умень-

шении нагрузки скорость двигателя существенно возрастает, вследствие чего

оставлять двигатель без нагрузки недопустимо.

Важным

достоинством двигателей последовательного возбуждения яв-

ляется большая перегрузочная способность на низких скоростях. При перегруз-

ке по току в 2,25-2,5 раза двигатель развивает момент 3,0-3,5 номинального.

Это обстоятельство определило широкое использование двигателей последова-

тельного возбуждения для электрических транспортных средств, где наи-

большие моменты необходимы при трогании с места. Вторым важным досто-

инством двигателей последовательного возбуждения является отсутствие ис-

точника питания для цепи возбуждения двигателя.

Искусственные механические характеристики могут

быть получены

тремя способами: включением добавочного сопротивления в цепь якоря, изме-

нением величины питающего напряжения и шунтированием обмотки якоря до-

бавочным сопротивлением.

При введении добавочного

сопротивления в цепь якоря жесткость ме-

ханических характеристик уменьшается и

уменьшается значение М

, (см. рис.5.19). Этот

способ регулирования используется при пуске

двигателя, когда ступени сопротивления

перемыкаются пусковыми контакторами Kl,

K2, КЗ. На рис.5.19 показаны пусковые

характеристики, соответствующие

трехступенчатой схеме пуска. Длительная работа на реостатных характеристи-

ках сопряжена со значительными потерями энергии в сопротивлениях.

Наиболее экономичным способом регулирования скорости двигателя

последовательного возбуждения является

изменение величины подводимого

к двигателю

напряжения. Механические характеристики, со-

ответствующие этому способу регулирования,

показаны на рис.5.20. По мере уменьшения

напряжения они смещаются вниз параллельно

естественной характеристике. Внешне

искусственные характеристики при

регулировании изменением напряжения схожи с реостатными характеристика-

ми, однако, есть существенная разница в этих способах регулирования. Рео-

статное регулирование сопряжено с потерей энергии в добавочных сопротив-

лениях, а при регулировании изменением напряжения дополнительные потери

отсутствуют.

Двигатели последовательного возбуждения часто получают питание

от сети постоянного тока или источника

постоянного тока с нерегулируемой

величиной

напряжения. Регулирование напряжения на

зажимах двигателя в этом случае целесообразно

производить способом широтно-импульсного

регулирования, который рассмотрен ниже. Уп-

рощенная схема регулируемого электропривода с двигателем постоянного тока

последовательного возбуждения и широтно-импульсным регулятором напря-

жения показана на рис.5.21.

Изменение

потока возбуждения в

рассматриваемых

двигателях возможно,

если зашунтировать

обмотку якоря

сопротивлением (см.

рис.5.22,а). В этом случае ток возбуждения будет равен

яв

т.е. содержит постоянную составляющую, не зависящую от нагрузки

двигателя. При этом двигатель приобретает свойства двигателя смешанного

возбуждения: независимого и последовательного. Благодаря независимому

возбуждению механические характеристики приобретают большую жесткость

и пересекают ось ординат. Примерные механические характеристики для этого