Онищенко Г.Б. Электрический привод

Подождите немного. Документ загружается.

способа регулирования показаны на рис.5.22,6. Шунтирование якоря позволяет

получить устойчивую пониженную скорость при отсутствии нагрузки на валу

двигателя. В данной схеме возможен переход двигателя в режим рекуператив-

ного торможения при скорости ω > ω

, или ω > ω

. Существенным недостат-

ком рассматриваемого способа регулирования является его неэкономичность,

обусловленная большими потерями энергии в шунтирующем сопротивлении.

Для двигателей последовательного возбуждения характерны два режи-

ма торможения: противовключением и динамический. В режиме противовк-

лючения необходимо включение добавочного

сопротивления в цепь якоря двигателя. На

рис.5.23 показаны механические ха-

рактеристики для двух вариантов режима

противовключения. Характеристика 1

получается, если при работе двигателя в

направлении «вперед» (точка в) изменить

направление тока в обмотке возбуждения и

одновременно ввести в цепь двигателя добавочное сопротивление. При этом

двигатель переходит в режим противовключения в точке а с тормозным момен-

том М

торм

, под действием которого будет происходить торможение двигателя.

При этом благодаря тому, что в цепь двигателя включено большое до-

бавочное сопротивление (которому соответствует характеристика 2), двигатель

под действием момента, создаваемого грузом, вращается в обратном направле-

нии и будет работать в точке б, в которой активный статический момент М

груз

уравновешивается тормозным моментом двигателя, работающего в режиме

противовключения. Режим противовключения сопряжен со значительными по-

терями энергии в цепи двигателя и добавочного сопротивления.

Режим динамического торможения для двигателей последовательного

возбуждения возможен в двух вариантах. В первом - якорь двигателя замыкает-

ся на сопротивление, а обмотка возбуждения питается от сети через добавочное

сопротивление.

Характеристики двигателя в этом режиме подобны характери-

стикам двигателя независимого возбуждения в режиме динамического тормо-

жения. Во втором варианте, схема которого показана на рис.5.24, двигатель

работает как генератор с самовозбуждением. Особенность данной схемы

состоит в том, что при переходе из двигательного

режима в режим динамического торможения

необходимо сохранить направление тока в

обмотке возбуждения во избежание

размагничивания машины. При

размыкании

контактора КМ ток в обмотке возбуждения

становится равным нулю, но, так как магнитопровод машины был намагничен,

то сохраняется остаточный поток возбуждения, благодаря которому в обмотке

якоря вращающегося двигателя наводится э.д.с., под

действием которой при замыкании контактов KB в цепи

обмотка якоря - обмотка возбуждения - сопротивление R

протекает ток, и машина

самовозбуждается. Этот процесс

происходит, если скорость двигателя будет больше

граничной скорости ω

гр

. Механические характеристики в

режиме динамического торможения с самовозбуждением

показаны на рис.5.25.

Режим рекуперативного торможения в обычной

схеме включения двигателя последовательного

возбуждения невозможен. Для его осуществления необходимо шунтирование

якоря двигателя, либо применение отдельной дополнительной обмотки неза-

висимого возбуждения.

5.4. Электроприводы постоянного тока с широтно-импульсным ре-

гулированием

Развитие силовой преобразовательной техники,

прежде всего силовых

транзисторов с изолированным затвором (IGBT - биполярные транзисторы с

изолированным затвором) открыло широкие возможности создания регулируе-

мых источников постоянного напряжения (тока), которые находят широкое

применение в электроприводах постоянного тока.

Основные достоинства IGB-транзисторов: высокие параметры силовой

цепи (напряжение до 1500B, ток до 500А с возможностью параллельной рабо-

ты), малая мощность управления; высокая частота переключений - десятки кГц;

модульная конструкция, объединяющая транзистор, быстродействующий об-

ратный диод и элементы цепей управления и

защиты, - делают эти приборы

идеальными ключами, позволяющими с высокой частотой производить комму-

тацию электрических цепей.

Принцип работы

привода с двигателем

постоянного тока независимого

возбуждения и транзисторным

широтно-импульсным

регулятором напряжения уясняется из рассмотрения схемы рис.5.26.

В этой схеме якорная цепь двигателя периодически подключается к ис-

точнику питания постоянного тока (неуправляемый

выпрямитель UZ), имею-

щему постоянную величину напряжения U

. Включение - отключение напря-

жения питания осуществляется ключом - транзистором VT. Частота коммута-

ций цепи постоянная, равная f

= 1|T

Величина среднего напряжения U

, поступающего к якорю двигателя,

определяется отношением времени включенного состояния ключа t

ко времени

периода

коммутаций

ttТ

вк

+= , как

это показано на рис.5.27.

Если время включенного

состояния велико и

составляет порядка t

0,957Т

, то среднее напряжение, поступающее на двигатель, будет максимально

и составлять U

макс

= 0,95U

. Если уменьшать время включенного состояния

ключа VT, то среднее значение напряжения будет уменьшаться (оно пропор-

ционально заштрихованной площади на рис.5.27, деленной на время Т

Из рис.5.27 следует, что среднее напряжение широтно-

импульсного регулятора равно

== (5.30)

Величину

кв

Тt /=

называют скважностью импульсов.

При размыкании ключа VT ток в якорной цепи двигателя прекратиться

мгновенно не может, т.к. цепь якоря обладает значительной индуктивностью.

Поэтому после отключения VT ток будет под действием э.д.с. самоиндукции

обмотки якоря протекать через

шунтирующий диод VD2. Переход тока

якоря от транзистора VT к диоду VD2

иллюстрируется диаграммами, пред-

ставленными

на рис.5.28. Величина

пульсаций тока зависит от частоты комму-

таций f

- выше частота, меньше амплитуда

пульсаций. В настоящее время широтно-

импульсные регуляторы (ШИР) проектируются с частотой 2-10кГц и более.

При высоких частотах амплитуды пульсаций тока будут незначительными и

существенно меньше, чем при использовании тиристорных преобразователей с

импульсно-фазовым управлением, питающихся от промышленной сети напря-

жением частотой 50Гц.

Среднее напряжение, поступающее на

якорную цепь двигателя, будет

равно

UU = и, следовательно, механические характеристики электроприво-

да в данной схеме будут описываться выражением (см.5.30)

)(кФ

МR

кФ

яц

−=

Заметим, что величина скважности у может изменяться от 0 до 0,95. Ве-

личина U

зависит от схемы выпрямления. При достаточно мощном фильтро-

вом конденсаторе она приближается к амплитудному значению линейного на-

пряжения переменного тока.

Механические характеристики нереверсивного привода постоянного

тока независимого возбуждения с ШИР регулятором напряжения аналогичны

характеристикам на рис.5.13, но зона прерывистых токов гораздо меньше.

Важным достоинством схем с широтно-импульсным регулированием

напряжения является то, что на входе преобразователя устанавливается не-

управляемый

выпрямитель, вследствие чего его cosφ

, (по первой гармонике)

близок к единице, а коэффициент мощности будет не ниже 0,95.

Для реализации реверсивного привода с ШИР - регулятором напряже-

ния используется мостовая схема включения силовых транзисторных ключей,

показанная на рис. 5.29. В

этой схеме якорь

двигателя включен в

диагональ моста ключей

÷ VT

. Протекание

тока в одном направлении происходит через транзисторные ключи VT

- VT

, в

другом - через ключи VT

-VT

. Для обеспечения непрерывности тока служат

обратные диоды VD.

Широтно-импульсное регулирование напряжения может в данной схеме

производиться двумя способами: первый

аналогичен рассмотренному для нере-

версивных схем (рис. 5. 27), второй

предусматривает двуполярную коммутацию

за время каждого периода заданной тактовой

частоты (рис. 5. 30). В последнем случае в

течение времени t

включены ключи VT

, и

, а в течение времени (Т

- t

) включены

ключи VT

и VT

Среднее напряжение U

на нагрузке (якорной цепи двигателя) будет

пропорционально разности заштрихованных площадей. Когда t

> 0,5Т

напря-

жение положительно, когда t

= 0,5Т

оно равно нулю; когда t

< 0,5Т

среднее

напряжение отрицательно.

Величина среднего напряжения при двухполярной коммутации будет:

)12(

−

nср

где: γ = t

/Т

- отношение времени включенного состояния ключей

,-TV

ко времени периода.

Применяется также комбинированный алгоритм коммутации, когда при

значениях U

< 0,5Un производится двуполярная коммутация, а при U

>0,5Un -

однополярная, или когда на части периода Т

открыты ключи VT

- VT

на части

псе ключи закрыты.

Процесс торможения в реверсивном электроприводе постоянного тока с

ШИР (см. рис.5.29) происходит следующим образом. Если в двигательном ре-

жиме для выбранного направления вращения работали транзисторные ключи

и VT

, то в режиме торможения эти ключи будут закрыты и открываются

ключи VТ

и VT

, которые также работают в широтно-импульсном режиме.

Ток в цепи якоря двигателя меняет свое направление, совпадая по направлению

с э.д.с. якоря Е

. Величина тока ограничивается на требуемом уровне посредст-

вом широтно-импульсного регулирования работы ключей VT

и VT

. Ток якоря

попеременно проходит через эти ключи, когда они открыты, и через обратные

диоды VD, включенные встречно параллельно ключам VT

и VT

(когда ключи

и VT

закрыты). В первом случае энергия торможения накапливается в ин-

дуктивности обмоток якоря. Во втором случае энергия торможения расходует-

ся на подзаряд конденсатора С, напряжение на котором под действием суммы

э.д.с. якоря и э.д.с. самоиндукции обмоток якоря растет. Благодаря этому ис-

точник питания UZ в самом начале процесса

торможения оказывается заперт.

Когда напряжение на конденсаторе достигнет определенной величины, откры-

вается транзистор VT

и происходит частичный разряд конденсатора на тор-

мозное сопротивление R.

В схемах с широтно-импульсными регуляторами и нерегулируемым ис-

точником постоянного тока режим торможения с отдачей энергии в сеть невоз-

можен.

5.5. Контрольные вопросы для самопроверки

1. Назовите основные способы регулирования скорости двигателя по-

стоянного тока независимого возбуждения?

2. Как изменится скорость двигателя постоянного тока при уменьшении

тока возбуждения, если момент на

валу не превышает номинальный?

3. Почему при регулировании скорости двигателя постоянного тока не-

зависимого возбуждения выше номинальной ослаблением поля снижается но-

минальный и максимальный момент двигателя?

4. В чем состоит способ двухзонного регулирования скорости двигателя

постоянного тока независимого возбуждения?

5. Поясните разницу в регулировании скорости с постоянным моментом

и постоянной мощностью.

Какова должна быть скорость двигателя постоянного тока независи-

мого возбуждения, чтобы он работал в режиме рекуперативного торможения?

7. В каких тормозных режимах может работать двигатель постоянного

тока независимого возбуждения?

8. Приведите классификацию управляемых тиристорных выпрямителей,

используемых в приводе ТП-Д.

9. Поясните принцип действия управляемого тиристорного выпрямите-

ля.

10. Какова особенность тиристорного преобразователя

для реверсивно-

го электропривода по системе ТП-Д?

11. Каково назначение логического переключающего устройства в ре-

версивном приводе по системе ТП-Д?

12. В чем заключается принцип раздельного управления реверсивным

тиристорным преобразователем.

13. Каково должно быть соотношение между углами управления ревер-

сивного тиристорного преобразователя, чтобы механические характеристики

привода ТП-Д в двигательном и тормозном режимах были согласованы?

14. Поясните принцип действия силового транзисторного регулятора

напряжения.

15. Что такое скважность импульсов?

16. Чему примерно равен коэффициент мощности электропривода по

системе ТП-Д?

17. Что нужно сделать,

чтобы изменить направление вращения двигате-

ля постоянного тока последовательного возбуждения?

18. Назовите способы регулирования скорости двигателя постоянного

тока последовательного возбуждения, какой из этих способов более экономич-

ный?

19. Почему двигатель постоянного тока последовательного возбужде-

ния не может работать в режиме холостого хода?

20. Что такое инверторный режим работы управляемого тиристорного

выпрямителя, каковы

условия реализации этого режима?

Глава 6 РЕГУЛИРУЕМЫЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ С ДВИГАТЕ-

ЛЯМИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

6.1. Способы регулирования асинхронного двигателя

Асинхронный двигатель является наиболее массовым электрическим

двигателем. Эти двигатели выпускаются мощностью от 0,1 кВт до нескольких

тысяч киловатт и находят применение во всех отраслях хозяйства. Основным

достоинством асинхронного двигателя является простота его конструкции и

невысокая

стоимость. Однако по принципу своего действия асинхронный дви-

гатель в обычной схеме включения не допускает регулирования скорости его

вращения. Особое внимание следует обратить на то, что во избежание значи-

тельных потерь энергии, а, следовательно, для короткозамкнутых асинхронных

двигателей во избежание перегрева его ротора, двигатель должен работать в

длительном режиме с минимальными значениями скольжения.

Рассмотрим возможные способы регулирования скорости асинхронных

двигателей (см. рис.6.1). Скорость двигателя определяется двумя параметрами:

скоростью вращения электромагнитного поля статора ω

и скольжением S:

абс

ωωω

−=

−

(6.1)

Исходя из (6.1) принципиально возможны два способа регулирования

скорости: регулирование скорости вращения поля статора и регулирование

скольжения при постоянной величине ω

Скорость вращения поля статора определяется двумя параметрами

(см.3.3): частотой напряжения, подводимого к обмоткам статора f

, и числом

пар полюсов двигателя р

. В соответствии с этим возможны два способа регу-

лирования скорости: изменение частоты питающего напряжения посредством

преобразователей частоты, включаемых в цепь статора двигателя (частотное

регулирование), и путем изменения числа пар полюсов двигателя.

Регулирование скольжения двигателя при постоянной скорости враще-

ния поля статора для короткозамкнутых асинхронных двигателей возможно пу-

тем изменения величины

напряжения статора при постоянной частоте этого

напряжения. Для асинхронных двигателей с фазным ротором, кроме того, воз-

можны еще два способа: введение в цепь ротора добавочных сопротивлений

(реостатное регулирование) и введение в цепь ротора добавочной регулируе-

мой э.д.с. посредством преобразователей частоты, включаемых в цепь ротора

(асинхронный вентильный каскад и двигатель двойного питания).

В настоящее время благодаря развитию силовой преобразовательной

техники созданы и серийно выпускаются различные виды полупроводниковых

преобразователей частоты, что определило опережающее развитие и широкое

применение частотно-регулируемого асинхронного электропривода. Основны-

ми достоинствами этой

системы регулируемого электропривода являются:

- плавность регулирования и высокая жесткость механических характе-

ристик, что позволяет регулировать скорость в широком диапазоне;

- экономичность регулирования, определяемая тем, что двигатель рабо-

тает с малыми величинами абсолютного скольжения, и потери в двигателе не

превышают номинальных.

Недостатками частотного регулирования являются сложность и высокая

стоимость (особенно для приводов

большой мощности) преобразователей час-

тоты и сложность реализации в большинстве схем режима рекуперативного

торможения.

Подробно принципы и схемы частотного регулирования скорости асин-

хронного двигателя рассмотрены ниже.

Изменение скорости переключением числа пар полюсов асинхронного

двигателя позволяет получать несколько (от 2 до 4) значений рабочих скоро-

стей, т.е. плавное регулирование скорости и формирование

переходных про-

цессов при этом способе невозможно. Поэтому данный способ имеет опреде-

ленные области применения, но не может рассматриваться, как основа для по-

строения систем регулируемого электропривода.

Регулирование скорости асинхронного двигателя изменением величины

питающего напряжения при постоянной (стандартной) его частоте было под-

робно рассмотрено в разделе 3. Было установлено, что этот способ

регулирова-

ния для асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором имеет весьма

ограниченное применение вследствие того, что регулирование скорости здесь

сопряжено с потерями энергии скольжения, выделяющимися в роторе двигате-