Файл: Электрический привод.pdf

64
Ток возбуждения двигателя можно увеличить до номинального значения, после чего торможение ведётся понижением тока возбуждения генератора так, чтобы его ЭДС оставалась меньше ЭДС двигателя до полной остановки.
Достоинствами системы генератор-двигатель являются:
ƒ
возможность работы двигателя в четырёх квадрантах механической характеристики;
ƒ
возможность плавного регулирования скорости вращения в значи- тельных пределах – до 1:30;
ƒ
относительно малая мощность аппаратуры, т.к. управление пуском, торможением и реверсом осуществляется в цепях обмоток возбуж- дения;
ƒ
малые потери в переходных режимах по сравнению с реостатным управлением.
К недостаткам системы следует отнести:
ƒ
высокую установленную мощность оборудования, превышающую минимум в три раза мощность двигателя;
ƒ
высокую стоимость оборудования;
ƒ
относительно малую жёсткость механических характеристик;
ƒ
относительно низкий КПД, вследствие трёхкратного преобразования энергии.
Существует целый ряд машин и механизмов, работающих с частыми и большими перегрузками, в широком диапазоне скоростей вращения вплоть до полной остановки. К ним относятся одноковшовые экскаваторы, винты ледоко- лов, ножницы прокатных станов, нажимные винты и др. Особенностью техно- логических циклов этих механизмов является наличие в них режимов работы на упор, т.е. создания усилия в неподвижном состоянии, чередующихся с режимами дви- жения с нормальной скоростью. Двигатели независимого, последовательного и смешан- ного возбуждения не могут применяться в таких условиях, т.к. остановка двигателя, ра- ботавшего с высокой скоростью, вызовет по- явление в цепи якоря тока короткого замы- кания и соответствующего момента, недо- пустимого по условиям прочности рабочего механизма и двигателя.
Для обеспечения производственного процесса в этих условиях необходим электропривод, который при остановке двигателя вследствие перегрузки имел бы ограниченный ток и развивал мо- мент, допустимый с точки зрения прочности механизма и двигателя и называе- мый моментом упора.
Механическая характеристика такого привода, называется экскаваторной характеристикой (рис. 2.20). Она имеет участок ab с высокой жёсткостью, на
Рис. 2.20.

65
котором привод работает до нагрузки близкой к моменту упора у
M , после чего на участке bc скорость привода снижается до нуля с практически постоянным моментом.
В системе генератор-двигатель со специальным типом генератора, имею- щего три обмотки возбуждения: независимую, параллельную самовозбуждения и последовательную, можно получить экскаваторную механическую характе- ристику. Однако в современных приводах для этой цели используют статиче- ские полупроводниковые преобразователи с нелинейной обратной связью по току якоря типа «насыщение», с помощью которой создают режим ограничения тока, называемый также режимом «отсечки».
2.2.5.2. Характеристики приводов с управляемыми выпрямителями
В современных электроприводах управление потоком электрической энер- гии производится с помощью электронных импульсных устройств. Это приво- дит к некоторым особенностям характеристик двигателя и требует их учёта при проектировании и эксплуатации приводов. В мощных электроприводах регули- рование напряжения производится с помощью управляемых выпрямителей, а в приводах малой и средней мощности с помощью широтно-импульсных преоб- разователей.
Рис. 2.21

66
Простейший управляемый выпрямитель (рис. 2.21, а) представляет собой тиристор с естественной коммутацией, в анодную или катодную цепь которого включена нагрузка н
R . Регулирование напряжения осуществляется за счёт из- менения длительности проводящего состояния тиристора, которая, в свою оче- редь, определяется фазой или углом включения. Выключение тиристора при ес- тественной коммутации происходит в момент снижения тока нагрузки до нуля, точнее до минимального значения, называемого током удержания.
Формирование импульсов, определяющих момент включения тиристора, осуществляется системой импульсно-фазового управления (СИФУ), которая строится по вертикальному или горизонтальному принципу.
Наиболее распространённым принципом управления является вертикаль- ный принцип (рис. 2.21, б). Он реализуется путём формирования сигнала ли- нейной развёртки р
( )
u t , синхронизированного с напряжением питающей сети c
( )
u t . Мгновенное значение сигнала развёртки в некотором масштабе р
m соот- ветствует фазе напряжения сети р
р c
( )
u t
m
t
=
ω . Это значение сравнивается с ре- гулируемым уровнем сигнала управления у
u и в момент их равенства, т.е. в момент, когда фаза напряжения питания соответствует значению, заданному сигналом управления, формируется короткий импульс ут
u , включающий тири- стор.
В горизонтальной СИФУ для формирования импульса управления исполь- зуется синусоидальное напряжение фв
( )
u t , смещённое по фазе относительно се- тевого напряжения на заданный угол
α (рис. 2.21, в). Фазовое смещение созда-
ётся устройством, называемым фазовращателем. Пример простейшего фазов- ращетеля приведён на рис. 2.21, г. Он представляет собой мостовую схему из трёх резисторов и конденсатора. Годографом вектора падения напряжения на переменном резисторе R является полуокружность, точки которой представля- ют собой потенциал точки p относительно точки n, принятой за точку нулевого потенциала. Потенциал в точке q делителя напряжения, составленного из двух одинаковых резисторов r, равен половине напря- жения источника питания
c
U . Поэтому разность потенциалов между точками p и q геометрически представляет вектор
pq
U , равный радиусу полу- окружности годографа, т.е. половине модуля век- тора напряжения источника питания
c
U , и со- ставляющий с ним угол 0
≤ α ≤ π . Если к точкам
p и q моста фазовращателя подключить, напри- мер, импульсный трансформатор, то на его вто- ричной обмотке будут формироваться импульсы напряжения в моменты, когда фв
( ) 0
u t
= , т.е. со смещением по отношению к сети на угол
α.
Рис. 2.22.

67
После включения тиристора на нагрузке возникает падение напряжения н
( )
u t , соответствующее части полуволны синусоиды от угла включения
α до угла выключения, который в случае активной нагрузки равен
π. Длительность включённого состояния соответствует углу проводимости
λ = π − α .
Рассмотренные процессы соответствуют работе однополупериодного вы- прямителя, практически неиспользуемого в электроприводе. Если же к нагрузке через второй тиристор подключить второй источник питания, например, вто- рую обмотку (полуобмотку) трансформатора, и сформировать импульсы управ- ления, смещенные на половину периода, то мы получим двухполупериодный управляемый выпрямитель.
Среднее и действующее значения напряжения в нагрузке двухполуперид- ного выпрямителя равны
(
)
2 1
1 cos
( )
sin
(1 cos )
(0)
(0)
( );
2 1
sin 2
(0)
sin 2
( )
sin
(0)
( )
2 2
2
m
m
m
m
U
U
U
d
U
U
U
U
U
U
d
U
π
α
π
α
+
α
α =
ϑ ϑ =
+
α =
=
⋅ υ α
π
π
α
α
α =
ϑ
ϑ =
π − α +
=
π − α +
=
⋅ υ α
π
π
π
∫
∫
(2.61)
Ток в активной нагрузке в точности повторяет по форме падение напряже- ния, поэтому его среднее и действующее значения будут соответственно:
( )
( )
( )
; ( )
L
L
U
U
I
I
R
R
α
α
α =
α =
(2.62)
Выражения (2.61) представляют собой регулировочные характеристики двухполупериодного управляемого выпрямителя, показанные в относительных единицах на рис.2.22.
Процессы в цепи якоря при питании его от управляемого выпрямителя го- раздо сложнее, чем в резистивной нагрузке. Схему замещения якоря можно представить сопротивлением R, нелинейной индуктивностью L и противоэдс
E k
= ω (рис. 2.23, а).
Падение напряжения на открытом тиристоре можно считать постоянным независящим от протекающего тока. Оно составляет 0,75
…1,1 В. Его можно учесть вместе с падением напряжения на щётках двигателя источником ЭДС в
const
U
Δ
=
Для того, чтобы при подаче управляющего импульса тиристор открылся необходимо, чтобы потенциал точки a был выше потенциала точки b (рис. 2.23,
б), т.е. c
( )
v
u t
E
U
> + Δ
. Полагая, что скорость вращения в пределах периода на- пряжения сети меняется мало, т.е. ( ) const
E
ω =
, можно найти диапазон углов, в пределах которого возможно включение. Он ограничен точками пересечения синусоиды c
( )
u t и линией
v
E
U
+ Δ на рис. рис. 2.23, б:
[
]
1 2
1
arcsin (
) /
v
m
E
U
U
α =
+ Δ
< α < α = π − α . (2.63)

68
Уравнение Кирхгофа для схемы замещения при открытом тиристоре имеет вид c
c
( )
sin(
)
m
v
di
u t
U
t
E
U
iR L
dt
=
ω + α = + Δ
+
+
. (2.64)
Наличие индуктивности в цепи приводит к тому, что после снижения на- пряжения сети до нуля ток в якоре продолжает протекать, поддерживаемый
ЭДС самоиндукции. В результате угол проводимости по сравнению с резистив- ной нагрузкой увеличивается и составляет
λ = β − α , где
β > π – угол запирания тиристора.
С момента открытия тиристора и до точки e, где значение тока достигает максимума, ЭДС самоиндукции действует встречно по отношению к направле- нию протекания тока, а в магнитном поле якоря происходит накопление энер- гии. После этой точки ток начинает уменьшаться, ЭДС меняет направление и ток поддерживается в якоре накопленной ранее энергией магнитного поля.
Чтобы определить угол проводимости
λ нужно решить уравнение (2.64).
Пренебрегая активным сопротивлением цепи якоря, получим
(
)
c sin sin
0
m
v
m
v
di
L
U
E
U
d
U
E
U d
α+π
α
ω
=
ϑ − − Δ
ϑ
⇓
ϑ − − Δ
ϑ =
∫
(2.65)
Интеграл в (2.65) является площадью фигуры, заштрихованной на рис.
2.23, б. Слева от точки e она имеет положительное значение, а справа – отрица- тельное.
Электромагнитный момент имеет импульсный характер и его среднее зна- чение определяется как
Рис. 2.23.

69 0
( )
k
M
i
d
β−α
=
λ ⋅ λ
π
∫
Прерывистый характер тока якоря и, соответственно, электромагнитного момента искажают механическую характеристику привода. Она становится не- линейной и напоминает характеристику двигателя последовательного возбуж- дения. Кроме того, спектр тока содержит большое количество высших гармо- ник, значительно ухудшающих энергетические характеристики. Для повыше- ния качества преобразования энергии в приводе необходимо увеличивать фаз- ность и пульсность выпрямителя. Поэтому все современные управляемые вы- прямители в приводах средней и большой мощности многофазные.
Простейшим и одним из наиболее распространённых схем управляемого выпрямителя является трёхфазный выпрямитель со средней точкой (рис.2.24,
а). Упрощённая схема замещения которого приведена на рис. 2.24, б. В этой схеме параметры первичной обмотки трансформатора приведены ко вторичной цепи:
(
)
(
)
2 2
2 1
2 1
2 1
2 1
/
;
/
tr
tr
r
r
r w w
x
x
x w w
= +
=
+
Управляемый выпрямитель может работать в дух режимах:
1)
непрерывного тока в цепи якоря (рис. 2.24, в);
2)
прерывистого тока (рис. 2.24, г).
Режим непрерывного тока якоря.
В общем случае установившийся режим можно описать дифференциаль- ными уравнениями для двух характерных интервалов работы каждого тиристо- ра: а) интервал коммутации тока между тиристорами в ветвях фазных обмоток
p и q, где , , ;
, , ;
p a b c q a b c p q
=
=
≠ (угол γ на рис. 2.24, в): c
c
2
c c
2
;
;
p
d
tr
tr p
d
p
q
d
tr
tr q
d
q
p
q
d
di
di
L
r i
L
Ri
e
E
d
d
di
di
L
r i
L
Ri
e
E
d
d
i
i
i
⎫
ω
+
+ ω
+
=
− ⎪
ϑ
ϑ
⎪
⎪
ω
+
+ ω
+
=
−
⎬
ϑ
ϑ
⎪
+ =
⎪
⎪
⎭
отсюда
(
)
(
)
2 2
c
/ 2
/ 2 2
p
q
d
tr
tr
d
e
e
di
L L
R r
i
E
d
+
ω
+
+
+
=
−
ϑ
(2.66) а) интервал одиночной работы тиристора в ветви фазной обмотки p:
(
)
(
)
c
2
d
tr
tr
d
p
di
L L
R r i
e
E
d
ω
+
+
+
=
−
ϑ
(2.67)
Решение уравнений (2.66) и (2.67) в общем случае 0
; 0
tr
tr
r
L
< < ∞ <
< ∞ не позволяет найти зависимость
( , )
d
d
U
f I
=
α . Однако при тр
0;
r
L
=
= ∞ ток якоря

70
можно считать постоянным const
d
d
i
I
=
=
. Тогда уравнение внешней характе- ристики будет иметь вид:
2 0
cos
2
d
d
tr d
m
U
U
x I
=
α −
π
, (2.68) где
2 0
2 2
sin
d
m
m
U
U
m
π
=
π
– действующее значение напряжения на якоре в режиме холостого хода при
0
α =
*
;
2
m – число фаз вторичной обмотки трансформатора, а уравнение регулировочной характеристики:
[
]
0
cos cos(
)
2
d
d
U
U
=
α +
α + γ , (2.69)
Величина
2 2
x
tr d
m
U
x I
Δ
=
π
в уравнении (2.68) является снижением напряже- ния за счёт коммутации тиристоров.
Если учесть сопротивление обмоток трансформатора
tr
r и потери напря- жения в тиристорах в
U
Δ , то можно пользоваться упрощённым уравнением внешней характеристики:
2 0
в cos
2
d
d
tr
tr
d
m
U
U
U
x
r I
⎛
⎞
≈
α − Δ
−
+
⎜
⎟
π
⎝
⎠
, (2.70)
Режим прерывистого тока якоря.
Режим прерывистого тока якоря возникает в случае, когда угол проводи- мости тиристоров становится меньше
2 2 /(
)
m q
π
, где q – пульсность выпрямите- ля, равная единице для выпрямителей со средней точкой и двум для мостовых схем.
Граничный режим области прерывистого тока соответствует условию
0
γ =
. Тогда из (2.69) получим уравнение регулировочной характеристики
0
cos
d
d
gr
U
U
=
α . (2.71)
В статическом режиме
0
cos
d
d
gr
U
U
E
=
α = . (2.72)
Это выражение определяет минимальное значение угла включения, при котором фазное напряжение на тиристоре, вступающем в работу, равно ЭДС вращения.
Уравнение (2.67) с учётом принятых допущений при отсчёте угла от нуле- вого значения тока имеет вид
(
)
c
2 2
sin
2
d
tr
m
gr
di
L L
U
E
d
m
⎛
⎞
π
ω
+
=
ϑ +
+ α
−
⎜
⎟
ϑ
⎝
⎠
. (2.73)
Отсюда можно найти мгновенное значение тока якоря
*
здесь и далее в разделе угол включения
α отсчитывается от угла естественной коммутации π/6

71
(
)
(
)
2
c
2 2
c cos cos
2 2
m
d
gr
gr
tr
tr
U
E
i
L L
m
m
L L
⎡
⎤
⎛
⎞
⎛
⎞
π
π
=
+ α
−
ϑ +
+ α
−
ϑ
⎢
⎥
⎜
⎟
⎜
⎟
ω
+
ω
+
⎝
⎠
⎝
⎠
⎣
⎦
(2.74) и среднее граничное значение
(
)
2 2
2 2
2 2
c
2 2
0 2
cos
3 2
cos cos
2 2
sin
m
m
d gr
d
gr
gr
tr
m
U
m
m
I
i d
L L m
m
m
π
π
⎡
⎤
⎢
⎥
⎛
⎞
π
π
=
ϑ =
−
α −
+ α
⎢
⎥
⎜
⎟
π
π
ω
+
π
⎢
⎥
⎝
⎠
⎢
⎥
⎣
⎦
∫
(2.75)
В области прерывистых токов якоря уравнение для граничной регулиро- вочной характеристики (2.72) преобразуется в неравенство
0
cos
d
d
U
U
E
=
α < . (2.76)
Полученные уравнения регулировочных и внешних характеристик управ- ляемого выпрямителя позволяют найти уравнения механической и скоростной характеристик системы управляемый выпрямитель-двигатель.
Напряжение на якоре равно выходному напряжению выпрямителя
d
U U
=
Пренебрегая активным и реактивным сопротивлением трансформатора, подста- вим (2.70) в уравнения (2.9) и (2.14). В результате мы получим характеристики, соответствующие режиму непрерывного тока
Рис. 2.24