Регулирование скорости вращения двигателя изменением

Напряжения, подводимого к якорной цепи

Этот способ регулирования скорости вращения является основным, поскольку он позволяет получить высокое качество регулирования при широком диапазоне регулирования и высокой жесткости характеристик [1; 14]. Потери мощности на регулировочных характеристиках практически соответствуют потерям мощности в номинальном режиме. На базе этого способа создаётся большинство замкнутых систем регулирования. Для получения регулируемого напряжения в якорной цепи используется преобразователь, в качестве которого обычно выступает управляемый выпрямитель (это связано с тем, что основным источником питания является трёхфазная сеть), а регулирование частоты вращения осуществляется вниз от номинальной, поскольку повышать напряжение выше номинального мы не можем. Допустимый момент на регулировочных характеристиках соответствует номинальному при условии, что (при этом мы полагаем, что по мере снижения частоты вращения условия вентиляции практически не меняются). Запишем уравнение электромеханической характеристики:

. (4.13)

При изменении напряжения:

, таким образом

,

т.е. изменение скорости обусловлено изменением напряжения.

Регулировочные характеристики представляют прямые линии, параллельные друг другу, следовательно, они имеют одинаковую жесткость, за счет чего обеспечивается высокая стабильность угловой скорости во всем диапазоне регулирования, который определяется выражением:

. (4.14)

В разомкнутой системе диапазон регулирования достигает 10, а в замкнутой 1000 и более.

- относительный перепад угловых скоростей (статизм). Так как и , то статизм увеличивается при снижении скорости. Изменение скорости на характеристике, которое зависит от жесткости характеристики, ограничивает диапазон регулирования скорости.

КПД двигателя в данном случае (без учёта потерь на возбуждение) равен отношению фактической угловой скорости к угловой скорости идеального холостого хода на заданной характеристике.

Потери мощности в якорной цепи при постоянном моменте нагрузки остаются неизменными при регулировании скорости и равны потерям на естественной характеристике. Но поскольку угловая скорость машины в процессе регулирования уменьшается, полезная мощность уменьшается, КПД уменьшается.

Рассмотрим два варианта управления скоростью двигателя изменением напряжения, подводимого к якорной цепи.

Система генератор-двигатель (Г-Д)

Первоначально для питания двигателей использовался электромашинный управляемый преобразователь (система «генератор-двигатель») (рис. 4.13) [1; 2; 14].

Рис. 4.13. Схема системы «генератор-двигатель».

В пунктир заключён электромашинный преобразователь, включающий в себя гонный асинхронный двигатель и генератор постоянного тока. Такой преобразователь позволяет в широком диапазоне изменять напряжение на двигателе, изменяя ток возбуждения генератора (ОВГ). Очевидно, что в данном случае напряжение на выходе преобразователя определяется ЭДС генератора. Данная система позволяет обеспечить все возможные режимы работы двигателя. Механические характеристики двигателя (рис. 4.14) располагаются во всех 4 квадрантах. Основной режим работы двигателя в такой системе – это работа с постоянным магнитным потоком, то есть . Мы можем записать уравнения электромеханической и механической характеристик двигателя, полагая, что :

; (4.15)

, (4.16)

где - магнитный поток двигателя;

R_я – сопротивление якоря двигателя;

R_г – сопротивление якоря генератора.

Рис. 4.14. Механические характеристики двигателя в системе Г-Д

Как видим, механические характеристики представляют параллельные прямые, наклон которых несколько больше, чем у естественной характеристики двигателя (жесткость меньше) при Ф=const. Мы наблюдаем их во всех четырёх квадрантах, т.е. двигатель может работать во всех возможных режимах. Реверс двигателя осуществляется за счет изменения полярности тока в обмотке возбуждения генератора (ОВГ).

Данная система позволяет осуществить двухзонное регулирование:

1 зона – за счет изменения напряжения (ЭДС генератора);

2 зона – за счёт изменения магнитного потока двигателя при

номинальном напряжении (характеристики показаны пунктиром

рис 4.14).

Достоинством данной системы являются плавность регулирования, широкий диапазон регулирования, возможность получения линейных непрерывных характеристик во всём диапазоне регулирования и получение всех возможных режимов работы двигателя.

К недостаткам данной системы можно отнести: утроенную установленную мощность машин, низкий КПД, большую инерционность.

4.7.2. Система «тиристорный преобразователь – двигатель (ТП-Д)»

Основным типом преобразователей, применяемых в настоящее время для управления ДПТ, является тиристорный преобразователь, то есть статический полупроводниковый преобразователь. Эти преобразователи представляют управляемые реверсивные или нереверсивные, однофазные или трёхфазные выпрямители, собранные по мостовой или нулевой схеме [2; 5; 14]. Определённые перспективы развития тиристорных преобразователей связаны с использованием в них транзисторов, которые в настоящее время применяются в основном для импульсного регулирования напряжения.

Рассмотрим характеристики привода на примере использования в нем простейшего нереверсивного статического преобразователя.

Рис. 4.16.Схема нереверсивного тиристорного преобразователя

Рис. 4.16. Механические характеристики двигателя в схеме «нереверсивный преобразователь – двигатель»

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:

, (4.17)

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:

, (4.18)

. (4.19)

Здесь:

- эквивалентное сопротивление преобразователя;

- число фаз преобразователя;

и - приведённые ко 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. 4.17, а. Система ТП-Д с реверсивным управляемым выпрямителем

Рис. 4.17, б. 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 (cosφ ≈ cosα; cosφ = cos(α + γ/2), где γ – угол коммутации).

7. Вентильный преобразователь вносит искажение в форму тока и напряжения источника питания.

8. Тиристорные преобразователи имеют невысокую помехозащищенность и малую перегрузочную способность.