Онищенко Г.Б. и др. Автоматизированный электропривод промышленных установок

Подождите немного. Документ загружается.

s >

K.U.Uю-,

кПА

eosor

Л//,

Здесь Uj

, 1д, - номинальные выпрямленное напряжение и

ансформатора:

1,05 коэффициент, учитывающий искажение формы тока,

C«uw, - минимальный угол управления тиристорами, соответ-

тций номинальному выпрямленному напряжению.

mfn

//„ - кпд трансформатора и кпд преобразователя

Кпд тиристорного электропривода определяется произведе-

м кпд составляющих элементов, преобразующих энергию

Птл-д ~ Ч^ЛЛы

Кпд трансформатора лежит в пределах 0,9-0,95, увеличива-

с возрастанием мощности. Потери в жрисгориом преобразо-

"е невелики, т.к. они определяются, главным образом, поте-

it мощности в полупроводниковых приборах.

| Для мостовой схемы АР

= 2/^

Af/

ffIIV

ДС/ = 2В - падение напряжения на открытом тиристоре.

[ Обычно кпд преобразователя составляет около 0,98. Прини-

! средний кпд двшателя постоянного тока //,„=0,88. получим,

кпд привода ТП-Д при поминальной нагрузке составляет no-

il /7777-4^0,78+0,82, что является высоким показателем.

Недостатком привода ТП-Д с энергетической точки зрения

"Летея низкое значение средневзвешенного коэффициента

«ости

искажение формы тока в питающей сети

Тиристорные преобразователи искажают форму тока в пн-

ей сети переменного гока, делая форму тока отличной от

соиды. Гак. на стороне переменного тока мостовых преобра-

слей ток имеет примерно трапецеидальную форму. Реаль-

ток трапецеидальной формы можно разложить на сумму то-

высших гармоник

А* = /„, sinor + /„j sin(5*uf

-+ <Р})

+ /

п7

sin(7<ur + <p

) и т.д.

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

оделяемая высшими гармониками тока и напряжением первой

^Моники, образует так называемую мощность искажения, кото-

j по существу является реактивной (ее среднее значение равно

дю). Мощность искажения оказывает вредное воздействие на

эщую сеть и потребители электроэнергии, включенные па-

Иёдьно тиристорному преобразователю. Степень искажения

ка оценивают коэффициентом искажения v

у = )

Коэффициент искажения тока для трехфазных мостовых

схем составляет порядка 0,95.

11од коэффициентом мощности тиристорного преобразовате-

ля будем понимать произведение cos© для первой гармоники тока

по отношению к первой гармонике напряжения, умноженному на

коэффициент искажения

ЩАщ = ищщ. (6.20)

Гок в цепи питания тиристорного преобразователя отстает от

соответствующего напряжения на угол запаздывания открывания

тиристоров (угол управления «). Поэтому можно приближенно

считать, что

cos^,=coscr (6.21)

Т.к. cos а = ——, то при работе привода на высоких скоро

стях, когда Ej примерно равно номинальному напряжению якоря

двигателя, cose будет близок к единице и коэффициент мощности

тиристорного преобразователя будет высоким. По мере снижения

скорости будет уменьшаться выпрямленное напряжение преобра-

зователя и соответственно снижаться cospt. Можно приближенно

О)

полагать, что cosp, —.

Если привод I I1-Д длительное время работаете пониженны-

ми скоростями, то средневзвешенный коэффициент .мощности

будет низким. Поэтому энергетические показатели привода ТП-Д

следует оценивать не по номинальному значению, когда cos^i

высокий, а по его средневзвешенному значению. Особенно низ-

кое значение cosipi будет при пуске привода. Поэтому для мощ-

ных тиристорных приводов пуск сопровождается значительными

бросками реактивной мощности.

Исходя из изложенного, рекомендуется совместно с тири-

сгорными преобразователями включать фильтрокомпенсирукь

щие устройства, которые повышают coses преобразователей и

улучшают гармонический состав тока в питающей сети, тем Л-

мым, компенсируя вредное влияние преобразователей на питаю-

щую сеть

6.3. Электроприводы постоянного тока с широт но-

нмпульсным регулированием

Развитие силовой преобразовательной техники, прежде всего

овых транзисторов с изолированным затвором (IGBT - бипо-

<ые транзисторы с изолированным затвором) открыло широ-

возможности создания регулируемых источников постоянно-

^напряжения (тока), которые находят широкое применение в

строприводах постоянного тока.

Основные достоинства IGB-транзисторов; высокие парамет-

силовой цепи (напряжение до 1500В, ток до 500А с возмож-

ю параллельной работы), малая мощность управления; вы-

кая частота переключений - десятки кГц; модульная конетрук-

объединяющая транзистор, быстродействующий обратный

~д и элементы цепей управления и защиты, - делают эти прн-

>ы идеальными ключами, позволяющими с высокой частотой

изводить коммутацию электрических цепей.

Принцип ра-

I привода с

игателсм По-

линою тока

•внеимого

Суждения и

нзисторным

ротно-им-

ьсным peiy-

1'ис.6Т7. Схема зпектроприкола постоянноготокае

широтно-нмн> ihCHMM регулятором напряжения

ром напряжения уясняется из рассмотрения схемы рнс.6.17.

В этой схеме якорная цепь двигателя периодически подклю-

ся к источнику питания постоянного тока (неуправляемый

ямитель UZ), имеющею постоянную величину напрялсения

», Включение - отключение напряжения питания осуществляег-

ключом - транзистором VT. Частота коммутаций цепи посто-

ная, равная = —.

" г.

Величина среднею напряжения, поступающего к якорю дви-

еля, определяется отношением времени включенного состоя-

я ключа ко времени периода коммутаций Т

= +, как

о показано на рис,6.18. Если время включенного состояния ве-

ико и составляет порядка /

= 0,957\.. то среднее напряжение,

поступающее на двигатель, будет максимально и составлять

U^OflSU,. Если уменьшать время включенного состояния

ключа VT, то среднее значение напряжения будет уменьшаться

(оно пропорционально заштрихованной площади на рис.6.18, де-

ленной на время Т

Из рис.6.18 следует, что среднее напряжение широтно-

импульеного регулятора равно

V = . (6.22)

Величину у - называют скважностью импульсов.

а)

--i

-Ucp

—

*—>

<—

<г

fib

*в Т

Тц Тк t

Тк

Рис.6.18 Нринцнтг широтно-импульсного регулирования напряжения

При размыкании ключа VT ток в якорной цепи двигателя

прекратится мгновенно не

может, т.к. цепь якоря

обладает значительной ин-

дуктивностью. 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 ди-

аграммами, представлен-

ными на рис.6.19. Вели-

чина пульсаций тока зави-

сит от частоты коммутаций

со,.

- чем выше частота, тем меньше

шхротно-импульсной регуляторе

нтуда пульсаций. В настоящее время широтно-импульсные

ляторы (ШИР) проектируются с частотой 2-ЮкГц и более.

|| высоких частотах амплитуды пульсаций тока будут незначи-

мыми и существенно меньше, чем при использовании тири-

1ых преобразователей с импульсно-фазовым управлением,

шихся от промышленной сети напряжением частотой 50Г ц.

реднее напряжение, поступающее на якорную цепь двнга-

L будет равно U

=U„Y и, следовательно, механические ха-

ристики электропривода в данной схеме будут описываться

снием

- и

КМ

кФ (кФ)

Заметим, что величина скважности у можег изменяться от О

(0,95. Величина U

завнетгт от схемы выпрямления. При доста-

о мощном фильтровом конденсаторе она приближается к

Ьнтудному значению линейною напряжения переменного

^Механические характеристики нереверсивного привода по-

' :ного тока независимого возбуждения с ШИР регулятором

1ження аналогичны характеристикам на рис.6 13.

цУТ. VT

<2>

V*A

J v i j

^Zy^k VT ,

ft ^ ^ frwft

6,20. Схема реверсивного элсктропрнвола постоянного тока с шнрогно-

( импульсным

регулятором

напряжения

Важным достоинством схем с широшо-импульсным регули-

1нем напряжения является то, что на входе преобразователя

вливается неуправляемый выпрямитель, вследствие чего

!S^>i (по первой гармонике) близок к единице, а коэффнци-

'ошности будет не ниже 0.95.

Дня реализации реверсивного привода с ШИР-регулятором

ения используется мостовая схема включения силовых

сторных ключей, показанная на рис.6.20. В этой схеме

рь двигателя включен в диагональ моста ключей VTj+VT,,.

кание тока в одном направлении происходит через транзи-

с торные ключи VTpVTj, в другом

—

через ключи VIVV1V Для

обеспечения непрерывности тока служат диоды VD.

Шмротно-имнул ь-

сное регулирование fu„

напряжения может

в данной схеме про-

изводиться двумя

способами: первый

аналогичен рассмо-

тренному для нере-

версивных схем

(рис.6.18), второй

предусматривает

двуполярную ком-

мутацию за время

каждого периода

заданной тактовой

частоты (рис.6.21).

У*

Г/"

Тк

-Un

Ркс.6.21. Днвгрдмыа азириженнй

ШИР при

двупапяриой

коммутации

В последнем случае в течение времени г. включены ключи VTi и

, а в геченис времени включены ключи VT

и VT,»,

Среднее напряжение на нагрузке (якорной цепи двигателя) будет

пропорционально разности заштрихованных площадей. Когда

/, > 0,57",. напряжение положительно, когда /„ = 0,57\ оно рав-

но нулю; когда < 0,57', среднее напряжение отрицательно. Не-

достатком данного алгоритма ШИР являегся необходимость пре-

дусматривать некоторую паузу при переключении ключей.

Величина среднею напряжения при двухполярной коммута-

ции будет:

(2y-\).

где: у = — - отношение времени включенного состояния

ключей TV|-TVj ко времени периода.

Применяется также комбинированный алгоритм коммута-

ции, когда при значениях U<0,5U„ производится двуполярная

коммутация, а при U>0,5U

- однополярная, или когда на части

периода

Ч\

открыты ключи VT2-VT4, на части все ключи закрь^г

В схемах с широтно-нмпульсными рег>'ляторамн и нерегу -

лируемым источником постоянного тока режим рекуперативного

торможения невозможен. Поэтому .тля приводов небольших

мощностей используется режим протнвовключения с ограниче-

м тока якоря величиной скважности. Энергия торможения

одуется в якорной цепи двигателя, вызывая нагрев обмоток

можен режим динамического торможения, когда якорная цепь

^ателя замыкается на тормозной резистор R через транзисгор-

!Й

ключ VTj,

6.4. Двигатель постоянного тока как динамическое звено

Для того,

гтобы оценить динамические характеристики элек-

приводов на базе двигателей постоянного тока с независимым

"ужденисм составим структурную схему данного двигателя.

Электромеханические процессы при постоянном потоке воз-

~ения описываются следующей системой уравнений:

dl.

М = кФ1

(6.23)

Электромагнитная и механическая инерционности двигателя

ажаются соответственно электромагнитной Т

и элекгромеха-

сской Тщ постоянными времени (см.главу 5). Для двигателя

~ояиного тока

(6.24)

Т =

(кФf

(6.25)

Решая уравнения (6.23) с учетом (6.24) и (6.25), получим

co ,„ dco

где: (0

v m

СЛ.

кФ

(кФ)

Мы видим, что полученное уравнение совпадает с уравнени-

ем (3 10), .т.е является общим для двигателей с линейной меха-

4ческой характеристикой, вид которой определяется величиной

! жесткости fi

Переходя к операторной форме записи, полагая — = р. по-

лучим исходную для построения структурной схемы систему

уравнений

=k<!>co

+ RJ,

р1

кФ1,

окфу

м-м

(6.26)

Данная система уравнений отражается структурной схемой,

состоящей из типовых динамических звеньев (рис.6.22).

Электро-

цепь якоря механический Механическая

преобразователь

часть

" 1я

Е„

р +1

кФ

атсль

ТыР

Внутренним

обратим связь

кФ

Рнс.б.22: Структурная схема двигателя постоянного тока

при постоянном потоке возбуждения

Механическая часть двш-ателя. характеризуется интегри-

рующим звеном с постоянной времени Т

. величина которой оп-

ределяется суммой момента инерции якоря двига теля и моментом

инерции всех движущихся частей рабочей машины, приведенны-

ми к валу двигателя. Электромеханическое преобразование энер-

гии отражается пропорциональным звеном с коэффициентом пе-

редачи кФ, которое указывает, что момент двигателя пропорцио-

нален току якоря. Электрическая цепь якоря двигателя представ-

лена инерционным звеном с постоянной времени Т

. Это звено

характеризует, как изменяется ток якоря при изменении разности

напряжений (U„-EД Э.д.с. якоря Е

-кФсо отражается в виде от-

рицательной обратной связи. Такая связь является внутренней,

т.к. она соответствует природе физических процессов в описы-^

ваемом объекте, а не создана системой регулирования.

Передаточная функция двигателя по управляющему воздей-

ствию при регулировании скорости изменением напряжения яко-

ря будет

co(p)

кФ

•(6.27)

(6.28)

U,(J>) Т„Т

+ Т

р +1 Т

7\р

+Т

р +1

Здесь С-цФ - машинная постоянная при неизменном потоке

уждения.

Характер переходных процессов, как было рассмотрено в

А, определяется видом корней характеристическою уравнения,

часть которого - знаменатель передаточной функции (6.27).

Выражение переходной характеристики для тока I

= f{t)

ет быть получено из уравнения движения (2.8). если в него

авить значение а) из (3.12) или (3.14). Получим

/ -

< ,

dco

" кФ кФ dt

т.е. ток является суммой двух составляющих: статического

/ =

динамического тока, который по своему ха-

ру является производной от скорости

Передаточную функцию для тока при управляющем воздей-

1и

найдем из структурной схемы рис.6.22.

= Tib

•

т /у 7

•

(б

29)

u.^f. (кФ)' Т#Т

+Т

+ 1

где: /

- статический ток. соответствующий статическому

оме и гу

На рис.6.23 показаны переходные характеристики скорости и

при пуске двигателя до некоторой скорости & = - Ae^

кФ

ЦЙ наличии на валу двигателя реактивного статического момсн-

будем полагать, что в рассматриваемом случае Тм>4Т

. В те-

Ш М

Йис времени to ток якоря нарастает до значения / = —- . На-

кФ

гание происходит по экспоненциальному закону

Когда гок станет равным статическому, начинается движе-

не вала двигателя. Динамический ток возрастает, вследствие

fcto растет ускорение двигателя. Затем под действием увеличи-

Ьющейся противоэде якоря ток начинает спадать, и скорость

двигателя асимптотически приближается к установившемуся

значению.

1я с

to (о I

а) б)

Рис 6.23. Графики переходных хиргстерпеппе дл< гоип и скораетя

а) при Тм>4Тя; б) прн Г

<4Т

Если Т

<4Т

, то в кривых тока и скорости появится колеба-

тельная составляющая (см.рнс.6.23б).

Рассмотрим те-

перь динамические

процессы при прило-

жении нагрузки к

валу двигателя при

постоянном напря- *•** г, ^ ~

жепии. подводимом к t

якорной цепи двига-

Рис 6 24 Стру(С1уркав схсма лвнга1С)1й 110СТ0

Структурная яниаго тока независимого возмущения прн

схема для этого слу- приложении вшмч-шения по нагрузке

чая представлена на

рис.6.24, а переходные характеристики

на рис.6.25. Примем, что

двигатель работал вхолостую со скоростью со. = —, ток якоря

кФ

т.к. приложенное напряжение уравновешивалось э.д.с. якоря

Если к валу двигателя скачком приложить нагрузку - стати-

ческий момент М, =кФ1

, то скорость двигателя начнет снижаться,

э.д.с. якоря будет уменьшаться и в цепи якоря начнеч нарастать

ток ф!

кФсо

-L, -

/.=— —•