Механические характеристики двигателя в схеме «нереверсивный преобразователь — двигатель»

электропривод постоянный ток преобразователь Преобразователь включает в себя в общем случае согласующий трансформатор Т, два тиристора VS1 и VS2, сглаживающий дроссель L и систему импульсно-фазового управления (СИФУ). Преобразователь обеспечивает регулирование напряжения на Д за счёт изменения среднего значения ЭДС преобразователя. Это достигается регулированием с помощью СИФУ угла управления тиристорами (угол представляет собой угол задержки открытия тиристоров относительно момента, когда напряжение на анодах становится положительным). Зависимость среднего значения ЭДС от угла для многофазного преобразователя:

(1).

где — число фаз преобразователя;

— амплитудное значение ЭДС преобразователя;

— ЭДС преобразователя при .

В связи с пульсирующим характером ЭДС на выходе преобразователя ток в цепи Д также пульсирует. Такой характер тока оказывает вредное влияние на работу Д: ухудшаются условия коммутации, возникают дополнительные потери на нагрев. Для уменьшения пульсаций тока в цепь якоря Д включают сглаживающий дроссель. Габариты преобразователя и его вес определяются размерами дросселя и трансформатора. Уравнения электромеханической и механической характеристик имеют вид:

(2).

. (3).

Здесь:

• — эквивалентное сопротивление преобразователя;
• — число фаз преобразователя;

и — приведённые к вторичной обмотке трансформатора индуктивное сопротивление рассеянья и активное сопротивление обмотки трансформатора;

— активное сопротивление обмотки дросселя L.

Особенностью характеристик Д при питании его от управляемого выпрямителя является наличие зоны прерывистых токов, в пределах которой характеристики нелинейны. Жесткость характеристик в этой зоне резко изменяется. Вследствие односторонней проводимости преобразователя характеристики располагаются в первом и четвёртом квадранте. Меньшим углам соответствует большая ЭДС и большая частота вращения. При ЭДС преобразователя равна нулю и мы имеем режим динамического торможения.

Для получения характеристик Д во всех четырёх квадрантах используются реверсивные управляемые выпрямители, которые обычно составляют из двух нереверсивных. Работу во всех четырёх квадрантах можно также обеспечить и при использовании нереверсивных преобразователей, за счет изменения направления тока в обмотке возбуждения Д. В реверсивных преобразователях используют два основных принципа управления: совместное и раздельное.

Рис. 2. Система ТП-Д с реверсивным управляемым выпрямителем

Рис. 3. Механические характеристики двигателя в системе ТП-Д с реверсивным управляемым выпрямителем

При совместном управлении в работе участвуют все вентили (тиристоры). При этом от СИФУ импульсы управления, подаваемые на катодный комплект (VS1,VS3,VS5), и импульсы, подаваемые на анодный комплект (VS2,VS4,VS6), сдвинуты на угол, близкий к. Один комплект работает в выпрямительном режиме и проводит ток, а другой в инверторном режиме и ток не проводит. При этом между средними значениями ЭДС выпрямителя и инвертора устанавливается соотношение:

.

но за счёт разности мгновенных значений ЭДС между комплектами вентилей протекают токи, называемые уравнительными. Для их ограничения в схеме предусмотрены реакторы и. Вид механических характеристик Д зависит от способа согласования углов управления двумя комплектами вентилей. При линейном согласовании сумма углов выпрямителя и инвертора поддерживается равной (то есть). При этом механические характеристики линейны во всех четырёх квадрантах и практически соответствуют характеристикам в системе Г-Д.

В ряде случаев для уменьшения уравнительных токов используют нелинейное согласование, при котором сумма углов управления и несколько отличается от. В этом случае уравнительные токи уменьшаются, но при переходе Д из двигательного в генераторный режим имеет место заметное увеличение скорости, то есть характеристики двигателя становятся нелинейными, поэтому этот способ согласования применяется редко.

Раздельное управление используется для полного исключения уравнительных токов. Сущность его состоит в том, что импульсы управления подаются только на один комплект вентилей, который в данный момент времени проводит ток. На второй комплект импульсы не подаются, и он закрыт. Управление преобразователем в этом случае осуществляется с помощью специального логического устройства. Это устройство осуществляет контроль за током преобразователя, обеспечивает в функции входного сигнала включение и выключение комплектов вентилей с небольшой паузой в 5−10 мс. В результате при переходе из одного режима работы в другой вблизи оси скорости наблюдается режим прерывистых токов, что приводит к нелинейности характеристик.

На сегодняшний день система ТП-Д получила наибольшее распространение из-за следующих достоинств:

• 1. Плавность и значительный диапазон регулирования скорости.
• 2. Высокая жесткость механических характеристик.
• 3. Высокий КПД электропривода (КПД преобразователя определяют КПД трансформатора 0,93−0,98 и КПД выпрямителя 0,9−0,92).
• 4. Малая инерционность, высокое быстродействие.
• 5. Бесшумность в работе, простота в обслуживании и эксплуатации.

Но наряду с этим существуют и следующие недостатки:

• 1. Односторонняя проводимость преобразователя.
• 2. Для получения характеристик во всех четырёх квадрантах необходимость использования двухкомплектного реверсивного преобразователя.
• 3. Напряжение на якоре двигателя имеет пульсирующий характер, что ухудшает его работу.
• 4. Необходимость сглаживания пульсаций приводит к применению сложных многофазных систем выпрямления и достаточно дорогих и тяжелых дросселей.
• 5. Работа управляемого выпрямителя характеризуется режимом прерывистых токов, что приводит к нелинейности характеристик.
• 6. С ростом диапазона регулирования скорости снижается коэффициент мощности (cosц? cosб; cosц = cos (б + г/2), где г — угол коммутации).
• 7. Вентильный преобразователь вносит искажение в форму тока и напряжения источника питания.
• 8. Тиристорные преобразователи имеют невысокую помехозащищенность и малую перегрузочную способность.

Регулирование напряжения на якоре можно осуществить импульсным методом, периодически подключая двигатель к источнику питания и отключая его. В период отключения двигатель продолжает работать за счёт запасенных кинетической и электромагнитной энергий (рис. 4) .

Рис. 4. Схема включения (а) и механические характеристики (б)

Рис. 5. Графики изменения напряжения и токов.

Очевидно, что при подаче напряжения на двигатель ток замыкается по цепи якоря через источник (рис. 4, а). Параллельно якорю включается диод VD, который обеспечивает протекание тока по якорю в течение паузы. Ток протекает за счет ЭДС самоиндукции якоря, которая возникает при размыкании цепи. Кроме того, диод помогает избежать перенапряжения на якоре и существенно облегчает режимы коммутации ключа. За счет того, что ток по цепи якоря протекает непрерывно, существенно уменьшаются пульсации тока якоря (рис. 5).

Из всех видов импульсного регулирования обычно для управления Д используют широтно-импульсное. Оно характеризуется скважностью импульсов:

.

При этом частота импульсов остаётся постоянной. Среднее напряжение на якоре можем определить так:

.

В результате уравнение механической характеристики запишется следующим образом:

. (4).

Из этого выражения видно, что характеристики линейны и параллельны друг другу, а среднюю скорость можно легко регулировать, изменяя скважность импульсов. При этом жесткость достаточно высокая и соответственно высокая стабильность регулирования (рис. 4, б).

Недостатком этого метода является то, что при слишком большой паузе ток может уменьшиться до нуля и возникнет режим прерывистых токов, что приводит к нелинейности механических характеристик в заштрихованной области. В этом случае жесткость механических характеристик резко падает. Единственным способом борьбы с этим явлением является повышение частоты коммутации ключа. Она составляет 800−1200 Гц. Увеличению ее препятствует рост потерь в ключе и динамические параметры ключа.

Обычно для реализации этого способа используются тиристорные или транзисторные ключи. При включении Д по схеме представленной на рисунке (4, а), он может работать только в первом квадранте (- режим динамического торможения). Реверсирование Д возможно лишь за счет обмотки возбуждения. В настоящее время разработан ряд схем, позволяющих при импульсном регулировании напряжения обеспечить работу Д во всех четырех квадрантах, осуществлять реверсирование за счет изменения тока в цепи якоря. Этот способ получил широкое распространение в связи с его простотой, малой инерционностью привода. Широкое распространение получил этот метод в маломощных приводах, особенно при использовании автономных источников постоянного тока (аккумуляторов).