Тиристорный преобразователь 2РЕВ16

Кафедра Электроэнергетики

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к лабораторным работам

«Исследование статических режимов разомкнутой системы ТП-ДНВ»

«Исследование динамических режимов разомкнутой системы ТП-ДНВ»

«Исследование системы импульсно-фазового управления тиристорного преобразователя»

по курсу «Теория электропривода»

для студентов очной и заочной форм обучения

специальности 180400 «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов»

Тюмень 2003

ОГЛАВЛЕНИЕ

1. Цель работы 1

2. Приборы и оборудование 2

3. Основные технические данные 3

4. Теоретические сведения 4

5. Описание лабораторного

стенда 24

6. Указания по выполнению

лабораторной работы 27

7. Указания по оформлению

отчета 37

8. Контрольные вопросы 38

9. Список использованной

литературы 39

смвс - 1

1 .Цель работы

Изучение принципов действия тиристорных преобразовате­лей, режимов работы и динамических характеристик тири­сторных электроприводов постоянного тока.

смвс - 1

2.Приборы и оборудование

Лабораторный стенд СМВС-1 в составе: стойки управления с
тиристорным преобразователем КЕМЕК и
электромеханического агрегата, состоящего из двух
встречновключенных высокомоментных электродвигателей
постоянного тока типа 1ПИ 12.11-11 202 МОН.
Дополнительно необходим двухлучевой осциллограф типа
С1-83 и, в вариантном исполнении, персональная ЭВМ.

смвс - 1

3.Основные технические данные

Электропривод комплектный "КЕМЕК"

• номинальный момент, Нм 4,7/2,8

• максимальная частота вращения, рад/с 209

• диапазон регулирования > 2000

• напряжение питания В 3x380 +10%, -15%, 50 Гц ± 2%

• частота питающего напряжения, Гц 50

• управляющее напряжение, В 10

Тиристорный преобразователь 2РЕВ16

• номинальный ток, 20 А

• максимальный кратковременный ток (200 мс), А 80

• управляющее напряжение, В 10...0,2

• масса, кг 6,5

Трансформатор типа ТПЕВ-Вхп 380/105/32-1,7 кВА

• номинальная мощность, кВА 1,7

• номинальная частота, Гц 50

• номинальное первичное напряжение, В 3-380

• номинальное вторичное напряжение, В 3-105

• номинальный ток первичной обмотки, А 2,7

• номинальный ток вторичной обмотки, А 9,8

• масса, кг 18

Высокомоментныи двигатель постоянного тока 1ПИ 12.11-11 202 МОН

• номинальный момент, Нм 4,7

• номинальная частота вращения, рад/с 105

Тахогенератор

• крутизна характеристики, в/рад/с 20/105

смвс - 1

4.ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Широко распространенные в промышленности комплектные тиристорные электропривода с двигателями постоянного тока состоят из тиристорного преобразователя и двигателя по­стоянного тока (ДПТ), оснащенного необходимыми датчика­ми.

Тиристорный преобразователь (далее ТП)предназначен для преобразования напряжения переменного тока в напряже­ние постоянного тока, регулируемое по величине за счет соот­ветствующего изменения угла включения вентилей в проводящей части периода переменного напряжения.

ТИРИСТОРНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

ТП обладают рядом достоинств, к которым можно отнести:

· высокий КПД, за счет низкого падения напряжения в тиристорах;

· высокое быстродействие;

· высокая надежность при выполнении ТП в модульно-блочном исполнении.

К недостаткам ТП можно отнести:

· низкий коэффициент мощности при глубоком регулировании напряжения;

· искажение напряжения сети, вносимое работой ТП;

· повышенный уровень излучаемых радиопомех.

ТП бывают однофазными и многофазными, реверсивными и нереверсивными.

РАБОТА ОДНОФАЗНОГО ТИРИСТОРНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

Одна из простейших машинно-вентильных систем на базе однофазного тиристорного преобразователя и двигателя по­стоянного тока с независимым возбуждением приведена на рис.1.а..

Рассмотрим работу схемы в режиме непрерывных токов/1/. Тиристоры VI и VЗ находятся в открытом состоянии и сое­диняют ДПТ с независимым возбуждением (НВ) с сетью в течение периода а < ωt < π+а. В момент времени π+αV2 и V4 переходят в открытое состояние, при этом к тиристорам VI и VЗ через открытые V2 и V4 прикладывается напряжение об­ратной полярности и закрывает их. Такая коммутация называ­ется естественной. Ток якоря ДПТ, протекавший ранее через VI и VЗ, далее будет протекать через тиристоры V2 и V4.В течении фазового интервала,заключенного от а до π, энергия из сети передается ДПТ и наоборот в течении интервала, за­ключенного между πи π+а, часть энергии из якорной цепи возвращается в сеть, т.к. напряжение сети U и ток якоря I имеют разные знаки,определяющие направление потока энергии от двигателя к сети.

Диаграммы напряжений и токов системы в двигательном и инверторном режимах представлены на рис.1.б и рис.1.в.

При синусоидальной форме напряжения сети, когда u = 2*U*sin(ωt), среднее значение напряжения якорной цепи может быть

определенно по выражению:

Зависимость U_d от величины угла α представлена на рис.2, из

смвс - 1

которого видно, что инверторному (генераторному) режиму работы ТП соответствуют углы 90°<α< 180°.

Уравнение механической характеристики ДПТ в системе с однофазным ТП имеет вид:

где С = кФ_н - коэффициент э.д.с. ДПТ.

Из последнего уравнения видно, что при различных углах а можно получить семейство механических характеристик параллельных друг другу. Следует учесть, что это имеет место только для режима непрерывных токов в якорной цепи, кото­рый, однако, маловероятен при малых токах якоря, когда за­пасенной в якорной цепи электромагнитной энергии будет недостаточно для поддержания непрерывного тока якоря.

В случае прерывистых токов скорость вращения двигателя будет резко возрастать, что искажает линейность механиче­ских характеристик.

ТРЕХФАЗНЫЕ ТИРИСТОРНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения в промышленности чаще применяются многофазные тиристорные преобразователи, подразделяющиеся на схемы с нуле­вым выводом и мостовые. Рассмотрим работу простейшего трехфазного ТП, работающего на ДПТ с НВ [2, 3], электриче­ская силовая схема которой представлена на рис.3.

В мостовых схемах якорь ДПТ подключается с одного конца к анодному узлу, а с другого конца к катодному узлу тиристоров.В таких схемах в каждой фазе используется обе полуволны напряжения, поэтому их часто называют шестипульсными. ЭДС в фазах вторичной обмотки трансформатора сдви­нуты друг относительно друга на угол 2π/m, где m-число полуволн выпрямленного напряжения (в мостовой схеме m = 6).

В трехфазной мостовой схеме одновременно работают два тиристора: один из катодной (нечетной) группы, другой из анодной (четной) группы. Нагрузка в любой момент времени присоединена к двум фазам вторичной обмотки трансформато­ра. Номера тиристоров на рис. 3а соответствуют последова­тельности включения их в работу. Отпирающие импульсы на тиристоры нечетной группы подаются с опережением на 180° по отношению к тиристорам четной группы, присоединенным к тем же выводам вторичной обмотки, так как первые работают при положительных значениях фазных напряжений на анодах, вторые - при отрицательных на катодах. Общий вывод катод­ной группы является положительным полюсом для внешней цепи, а общий вывод анодной группы - отрицательным полю­сом.

В катодной группе вентилей при α=0 в течении каждой трети периода работает вентиль с наиболее высоким потенциалом анода. В анодной группе в данную часть периода работает тот вентиль, у которого катод имеет наиболее отрицательный по­тенциал по отношению к общей точке анодов.

Как видно из рис. 4а, в фазовый промежуток времени от ωt1до ωt2 ток могут пропускать только тиристоры VI и V6, так как при их открытии э.д.с. фазы А, приложенное к аноду тири­стора VI, становится наиболее положительным, т.е. превышает напряжение двух других фаз и запирает тиристоры VЗи V5, а э.д.с. фазы В, приложенное к катоду тиристора V6, становится наиболее отрицательным, т.е. запирает тиристоры V2 и V4. В момент ωt2 э.д.с. фазы В становится равной э.д.с. фазы С, а затем и превышает ее, т.е. с момента ωt2может открыться только тиристор V2, запирая тиристоры V4, V6. При этом э.д.с. фазы А продолжает превышать э.д.с. фаз В и С. Поэтому тиристор VI остается открытым.

Точки пересечения синусоид соответствующие фазовым уг­лам ωt1, ωt2 и ωt3, называются точками естественного откры­вания тиристоров.

Как видно из рис. 4а, через вступающий в работу тиристор ток может проходить только при условии, если одновременно открывается или уже открыт соответствующий (смежный по порядковому номеру) тиристор другой группы. В противном случае цепь тока не будет замкнута и очередной вступающий в работу тиристор не откроется, если даже на его управляющий электрод будет подан импульс напряжения.

При переходе в режим прерывистых токов (рис. 4б) возможно нарушение указанного выше условия: за время прерывания

тока проводивший ранее тиристор может успеть закрыться. Поэтому на управляющие электроды тиристоров в трехфазной мостовой схеме выпрямления необходимо подавать импульсы U_у шириной больше 60° или два узких импульса с интервалом между ними в 60°. Схема управления выпрямителем (СИФУ) должна быть построена так, чтобы при подаче отпирающего импульса на вступающий в работу тиристор одного плеча моста одновременно осуществлялась бы подача импульса на управ­ляющий электрод тиристора отстающей фазы противополож­ного плеча моста. Например, для того, чтобы открыть тиристор VI, в момент времени ωt1 необходимо одновременно подать отпирающий импульс и на тиристор V6, после чего оба вентиля будут проводить ток до момента ωt2. В момент времени ωt2 ток в цепи якоря двигателя прекращается, и тиристоры VI и V6 закроются. В момент времени ωt3 должен вступить в работу тиристор V2, который откроется только при условии наличия повторного отпирающего импульса на тиристор VI или при условии, что на управляющий электрод тиристора V1 в момент ωt1 был подан импульс длительностью больше 60°. Тиристоры VI и V2 будут проводить ток до момента ωt4, далее вступит в работу следующая пара тиристоров V2 и VЗ и т. д.

Задержка открывания тиристоров в многофазных системах может осуществляться, только начиная с точек естественного открывания. Смещение управляющих импульсов на угол а задерживает вступление в работу очередного тиристора и про­длевает работу предыдущего. Среднее значение выпрямленной ЭДС Еd будет также пропорционально cos α:

где Rт и Хт приведенные к вторичной обмотке трансформатора активное и индуктивное сопротивление рассеяния фазных обмоток трансформатора; R1 - активное сопротивление добавочного дросселя L5; Rя - сопротивление якоря двигателя с учетом сопротивлений щеточного контакта; I - средневыпрямленный ток якоря.

Уравнение электромеханической характеристики:

Здесь Е2 -действующее значение ЭДС вторичной обмотки трансформатора, Еdо - среднее значение выпрямленной ЭДС при полностью открытых тиристорах. При работе ТП выходное напряжение на его зажимах меньше, чем среднее значение выпрямленной ЭДС. Это объясняется падением напряжения на самом ТП, падением напряжения на активном сопротивлении схемы и падением напряжения, свя­занном с процессом коммутации вентилей. В реальных ТП процесс коммутации протекает не мгновенно, а в течении некоторого временного промежутка вследствие влияния индуктивности рассеяния вторичных обмоток транс­форматора, которая поддерживает ток в вентиле, выходящем из работы и уменьшает ток в вентиле, входящем в работу. В результате в работе ТП существует период, когда ток пропу­скают два вентиля. Среднее значение выпрямленного напряжения пренебрегая небольшим падением напряжения в тиристорах можно опре­делить по следующему выражению:

Уравнение механической характеристики:

Необходимо отметить, что приведенные уравнения получены в предположении непрерывности тока якоря ДПТ. Однако при уменьшении нагрузки имеет место режим прерывистых токов, который искажает линейность механических ха­рактеристик. Режим прерывистых токов обуславливается в этом случае тем, что энергии, запасенной в индуктивностях якорной цени ДПТ оказывается недостаточно для поддержа­ния тока при отрицательных напряжениях на аноде тиристоров, что приводит к увеличению выпрямленного напряжения Ud, а, следовательно, к возрастанию угловой скорости вращения ДПТ в разомкнутых системах регулирования скорости враще­ния электроприводов.

Графические изображение механических характеристик трехфазного тиристорного нереверсивного мостового элек­тропривода представлено на рис.5.. Пунктирной линией выделен режим гранично – непрерывного тока,

слева от которого имеет место режим прерывистых токов, а справа режим непре­рывных токов. Видно, что, регулируя угол запаздывания откры­вания тиристоров - можно получить семейство параллельных в режиме непрерывных токов линейных, характеристик. Данный привод допускает работу в 1 и 4 квадрантах. Двигатель может работать как в двигательном режиме (зона, ограниченная на рис. 5 осями координат и характеристикой при α=0, так и в тормозных режимах: противовключения (зона, отмеченная на рис. 5 наклонной штриховкой), рекуперации (зона, отмечен­ная вертикальной штриховкой), и динамического торможения (характеристика, соответствующая а=π/2}.

ДВУХКОМПЛЕКТНЫЕ ТРЕХФАЗНЫЕ ТИРИСТОРНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Рассмотренные выше тиристорные преобразователи относят­ся к нереверсивным. Для изменения направления вращения ДПТ с НВ, питающегося от нереверсивного ТП, необходимо либо при помощи контакторов изменить полярность подводи­мого к якорю ДПТ напряжения, либо изменить направление тока в его обмотке возбуждения. Оба этих способа заметно снижают быстродействие электропривода, поэтому значитель­но чаще применяются реверсивные схемы ТП, которые факти­чески состоят из двух нереверсивных ТП, поэтому их часто называют двухкомплектными ТП. Необходимо учитывать, что схемотехнических вариантов двухкомплектных ТП достаточно много. Тиристорный преобразователь, используемый в стенде СМВС-1 является именно двухкомплектным реверсивным мо­стовым ТП. Электрическая принципиальная схема этого пре­образователя представлена на рис.6. Как видно, в данном ТП

два однокомплектных преобразователя включены встречно по отношению к нагрузке. При этом появляется возможность из­менения направления тока в якоре двигателя и, тем самым, осуществления работы ДПТ во всех четырех квадрантах меха­нической характеристики.

СПОСОБЫ УПРАВЛЕНИЯ ДВУХКОМПЛЕКТНЫМИ ТИРИСТОРНЫМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ

Существуют два способа управления двухкомплектными ре­версивными ТП /4/:

• раздельное управление;

• совместное управление.

При совместном управлении управляющие сигналы подаются на оба комплекта вентилей. В этом случае возникает задача ограничения уравнительных токов, протекающих между двумя комплектами вентилей за счет разности мгновенных значений их э. д. с. С этой целью в цепи преобразователей включают уравнительные реакторы L1... L4, как это показано на схеме на рис. 6. Вид механических характеристик электропривода суще­ственно зависит от способа согласования углов управления обоими комплектами вентилей. При линейном согласовании исходят из равенства нулю среднего значения уравнительного напряжения. В этом случае должно соблюдаться соотношение α1 + α2 = π (7)

Соответствующие регулировочные и механические характе­ристики показаны на рис. 7а. Жесткость механических

характеристик в этом случае определяется как и для однокомплектного преобразователя.

Недостатком линейного согласования является наличие урав­нительных токов, дополнительно нагружающих вентили и трансформатор, необходимость введения в связи с этим урав­нительных реакторов, что несколько снижает быстродействие системы электропривода, а также неполное использование трансформатора.

С целью уменьшения уравнительных токов иногда использу­ется нелинейное или неполное согласование, когда

α1 +α2>π (8)

При этом нарушается линейность регулировочных и механи­ческих характеристик (рис. 7б). В этом случае переходу от двигательного к тормозному режиму соответствует заметное увеличение скорости. Кроме того, в этом случае значительно ухудшается использование трансформатора и ограничивается изменение углов управления. Поэтому этот способ управления в таком простейшем виде не находит широкого применения. На практике используются системы, в которых значение а изме­няется автоматически в функции какого-либо параметра. В частности возможно поддержание заданного уровня уравни­тельного тока, что позволяет снизить индуктивность уравни­тельных реакторов при удовлетворительных характеристиках электропривода.

Совместное же управление при линейном согласовании по­зволяет получить наилучшие динамические показатели и однозначные статические характеристики. В этом случае обес­печивается простой переход из одного режима в другой.

Для полного исключения уравнительных токов используется раздельное управление комплектами вентильных преобра­зователей. Раздельное управление заключается в том, что уп­равляющие сигналы (импульсы) подаются только на один комплект вентилей. На второй комплект вентилей управляю­щие импульсы в это время не подаются и он "закрыт". Для изменения режима работы преобразователя используется спе­циальное переключающее устройство, которое при равенстве нулю тока преобразователя сначала снимает управляющие им­пульсы с ранее работавшего комплекта вентилей, а затем после небольшой паузы (5... 10мс) подает управляющие импульсы на другой комплект. При указанной последовательности перехо­ду электропривода от двигательного режима к тормозному и обратно соответствует режим прерывистых токов преобразова­теля.

Механические характеристики реверсивного вентильного электропривода с раздельном управлением комплектами существенно зависят от способа согласования углов управле­ния. В частности, при линейном согласовании они будут иметь вид, показанный на рис. 7в.

При раздельном управлении нет необходимости включения уравнительных реакторов в цепи отдельных комплектов, возможно полное использование трансформатора, снижается вероятность опрокидывания инвертора вследствие уменьше­ния времени работы преобразователя в инверторном режиме, уменьшаются потери энергии и соответственно увеличивается к. п. д. электропривода из-за отсутствия уравнительных токов.

Вместе с тем следует иметь в виду, что при раздельном управ­лении предъявляются высокие требования в отношении надеж­ности устройства, переключающего управляющие импульсы с одного комплекта на другой. Кроме того, переход вентильного преобразователя из режима выпрямления в режим инвертиро­вания сопровождается паузой, что увеличивает длительность переходных процессов. Следует также отметить, что раздель­ное управление не может использоваться для приводов, кото­рые могут работать в режиме идеального холостого хода или близком к нему, например, приводы лифтов, так как малым нагрузкам двигателя соответствует режим прерывистого тока вентильного преобразователя.

СИСТЕМА ИМПУЛЬСНО-ФАЗОВОГО УПРАВЛЕНИЯ ТИРИСТОРНЫМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ

При рассмотрении работы ТП предполагалось, что тиристоры должны открываться в требуемые моменты времени, опре­деляемые управляющим сигналом на входе ТП.

Наибольшее распространение нашли преобразователи с сис­темами импульсно-фазового управления (СИФУ), в кото­рых тиристоры включаются в моменты, соответствующие углу а, отсчитываемому от точки естественного открывания. От ве­личины угла запаздывания открывания тиристоров α, который часто называют углом управления или включения, зависит выходное напряжение ТП, определяющее, в свою очередь, скорость вращения ДПТ. В СИФУ ТП распространены два способа управления углом α: линейный и косинусный. Оба они чаще построены по вертикальному принципу управления.

СИФУ С ЛИНЕЙНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ УГЛОМ α

На рис. 8 представлена функциональная схема, реализующая СИФУ с линейным принципом управления /1/ для одно­фазного ТП. В этом случае синхронизирующий трансформатор со средней точкой преобразует напряжение сети в два низко­вольтных сигнала U_Т1 и U_Т2, сдвинутых по фазе друг относи­тельно друга на 180°.

Сигнал U_Т1 поступает (рис.9) на генератор прямоугольных импульсов, предназначенный для преобразования синусои­дального напряжения в прямоугольные импульсы U1 точно такой же длительности, что и U_Т1. Далее прямоугольный сигнал UI поступает на генератор пилообразного напряжения, в кото­ром UI преобразуется в линейно нарастающий сигнал U_п1 той же длительности. В свою очередь сигнал U_п1 сравнивается на компараторе с напряжением управления Uу. В случае, когда Uп1>Uу на выходе компаратора появляется сигнал Ua, фаза фронта нарастания которого прямопропорциональна напряже­нию управления Uу и определяет величину угла запаздывания открывания тиристоров а.

Сигнал Ua, применительно к схеме, представленной на рис.8, через формирователь импульсов поступает на управляющие электроды тиристоров VI и V2, регулируя момент их открыва­ния при положительной полуволне питающего напряжения. По аналогии с предыдущим при помощи сигнала U_Т2 организуется включение тиристоров VЗ и V4 при отрицательной полуволне питающего напряжения. Для угла α можно записать

α = k*U_y (10)

т.е. видно, что угол управления линейно пропорционален напряжению управления. Выходное напряжение ТП U_d можно представить в виде

U_d= E_d0*cosα = E_d0*cos(kU_y) (11)

Из этого выражения следует, что выходное напряжение ТП зависит от величины управляющего напряжения по косинусоидальному закону, т.е. эта зависимость нелинейная, что без­условно является недостатком этого способа управления тиристорами. Тем не менее в таких СИФУ обеспечивается установка угла управления с точностью 1 %.

В отличии от рассмотренного однофазного, для трехфазного ТП с нулевым проводом, который и используется в лабора­торном стенде СМВС-1, угол α, или, как уже говорилось, угол управления отсчитывается от точки естественного открывания тиристоров, которая сдвинута от точки прохождения синусои­ды напряжения через нуль на угол равный π/6=30°. Поэтому в СИФУ трехфазного ТП необходимо производить предвари­тельный сдвиг фазного напряжения на этот угол с одновремен­ным согласованием сигнала по амплитуде. На электрической принципиальной схеме ТП исследуемого тиристорного элект­ропривода, изображенной на лицевой панели стенда, показаны блоки обработки сигналов СИФУ. Для исключения погрешно­стей открывания тиристоров при колебаниях напряжения и частоты сети, реальное фазосдвигающее устройство осуществ­ляет сдвиг с некоторым запасом по фазе, а именно на угол 33° (~ 1,8 мс).

ВЫСОКОМОМЕНТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Наибольшее применение в комплектных приводах постоян­ного тока нашли высокомоментные двигатели постоянного тока, под которыми понимаются достаточно тихоходные дви­гатели с возбуждением от постоянных магнитов, усиленными щеточно-коллекторными узлами, обеспечивающие возмож­ность длительной работы с большими перегрузочными момен­тами, превышающими в 6... 10 раз номинальные значения моментов /3/.

Такие ДПТ могут напрямую подключаться к рабочим меха­низмам минуя промежуточные механические передачи, что упрощает конструктив рабочих механизмов.

Высокомоментный ДТП оснащается также датчиком скорости (тахогенератором), датчиком положения и, в вариантном исполнении, фрикционным электромагнитным тормозом, т.е. он по сути представляет собой электромеханический модуль максимально приспособленный для использования в рабочих механизмах без переделок и дополнений.

Высокомоментные электродвигатели максимально приспо­соблены для работы в комплекте с вентильными преобразо­вателями, обеспечивая глубокое регулирование скорости вращения, например, 10000:1. Номинальная скорость враще­ния высокомоментных двигателей составляет обычно 1000 об/мин и может кратковременно увеличиваться повышением напряжения до 2000 об/мин. Они устойчиво работают при скоростях О,1...1 об/мин. Отсутствие обмотки возбуждения значительно упрощает конструкцию двигателей и увеличивает КПД на 10... 15 %, что в свою очередь стимулирует создание невентилируемых закрытых двигателей, способных стабильно работать на очень низких скоростях вращения. Еще одной отличительной особенностью высокомоментных ДПТ являет­ся то, что для уменьшения момента инерции роторов (т.е. для повышения быстродействия) они конструктивно выполняются удлиненными. В таких двигателях нет дополнительных полю­сов, что затрудняет коммутацию в них. Для улучшения условий коммутации оказывается необходимым уменьшать число вит­ков в коммутируемой секции и увеличивать число коллектор­ных пластин.

КОММУТАЦИОННЫЕ ОГРАНИЧЕНИЯ ДЛЯ ВЫСОКОМОМЕНТНЫХ ДПТ

В высокомоментных ДПТ имеются два типа коммутационных ограничений. При малых скоростях вращения максимальное значение тока якоря по условиям коммутации может быть больше номинального тока Iн. По мере увеличения скорости это значение должно уменьшаться. В пределах Iн вступает в силу ограничение по скорости.

На рис. 10 показаны области работы высокомоментных ДПТ. Область продолжительного режима работы S1 близка к пря­моугольнику. При кратковременном режиме допустимые мо­мент и ток якоря могут быть увеличены. Увеличение допустимого момента должно сопровождаться снижением ско­рости вращения ротора ДПТ. В комплектных электроприводах должно действовать зависимое токоограничение, уставка кото­рого связана со скоростью вращения двигателя (указанные ограничения связаны с ресурсом щеток и коллектора).

ВЫСОКОМОМЕНТНЫЙ ДПТ ОБРАЩЕННОЙ КОНСТРУКЦИИ

Конструктивно высокомоментные ДПТ могут выполняться как нормального исполнения, так и обращенного. В данном стенде используются двигатели обращенного исполнения, ха­рактерным для которых является размещение постоянных маг­нитов на роторе, а обмотки якоря в пазах статора.

Обращенная конструкция ДПТ позволяет улучшить условия охлаждения ДПТ за счет передачи тепловой энергии с оребренного корпуса непосредственно в окружающую среду, минуя рабочий зазор, который является в ДПТ нормального испол­нения достаточно большим сопротивлением на пути теплопе­редачи.

Применение обращенной конструкции позволяет увеличить использование активных материалов ДПТ, но при этом не­обходима перекомпоновка щеточно-коллекторного узла, ко­торая заключается в создании неподвижного коллектора, соединенного с обмоткой якоря, вращающегося щеточного уз­ла и контактных колец, необходимых для подачи напряжения к щеткам. Как видно в целом конструкция обращенного ДПТ достаточно усложнена затейливым щеточно-коллекторным уз­лом, но чего не сделаешь для повышения технических харак­теристик двигателей.

ТАХОГЕНЕРАТОР ВЫСОКОМОМЕНТНОГО ДВИГАТЕЛЯ

Важнейшим элементом высокомоментного ДПТ является тахогенератор (ТГ), качество которого во многом определяет свойства всего комплектного электропривода. Прецизионные ТГ должны иметь минимальные низкочастотные полюсные пульсации, высокочастотные зубцовые и коллекторные пуль­сации. Встраивание ТГ в ДПТ, помимо удобства, направлено на уменьшение низкочастотных пульсаций, которые возника­ют при соединении ДПТ с автономным ТГ через соединитель­ную муфту.

ЗАМКНУТЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТИРИСТОРНЫМИ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ

Разомкнутые системы регулирования скорости вращения на­шли применение лишь в относительно дешевых электропри­водах, не требующих высокой точности регулирования. Учитывая высокую стоимость комплектных тиристорных элек­троприводов с высокомоментными двигателями в них целесо­образно производить регулирование скорости исключительно в замкнутых системах автоматического регулирования для со­здания высокоточных электроприводов. Наибольшее приме­нение в комплектных электроприводах нашел принцип подчиненного управления. Тиристорные электропривода с си­стемой управления, построенной по подчиненному принципу, имеют, как правило, два контура регулирования: контур тока и контур скорости.

Структурная схема /2/ такого электропривода представлена на рис. 11. Подчиненное регулирование основано на том, что

внешний контур вырабатывает сигнал задания для внутреннего контура. Внутренний контур является звеном внешнего конту­ра и его параметры учитываются при оптимизации последнего.

Обаконтура регулирования постоянного тока находятся во взаимодействии и переключения отсутствуют. Применение простых регуляторов возможно только в случае, если регули­руемый объект может быть разделен на отдельные блоки и каждый контур может содержать лишь одну постоянную вре­мени, которая должна быть скомпенсирована при коррекции контуров. На рис. 12 приведена схема пропорционально-интегрального (ПИ) регулятора, который используется в исследуе­мом электроприводе в качестве регулятора тока РТ и регуля­тора скорости РС.

Сигнал на выходе ПИ-регулятора Uвых пропорционален входному сигналу Uвх и интегралу от входного сигнала по времени. Передаточная функция ПИ-регулятора имеет следу­ющий вид:

Необходимо отметить, что выходное напряжение ПИ-регуля­тора перестанет изменяться и будет сохранять постоянное значение лишь в случае, когда входной сигнал становится рав­ным нулю, т.е. при помощи ПИ-регулятора достигается прин­цип астатизма, при котором сигнал управления изменяется до тех пор, пока в системе имеется рассогласование. В системе подчиненного регулирования появляется возможность раз­дельного регулирования переменных - тока и скорости и их последовательной настройки, начиная с первого внутреннего контура.

Это в значительной степени упрощает расчет таких систем и техническую настройку электроприводов после установки их на рабочих механизмах.

Задающим сигналом для второго внешнего контура является сигнал задания угловой скорости Uзс, а для первого-сигнал с выхода регулятора скорости РС – Uзт.

Настройку каждого контура производят так, чтобы получить технически оптимальный переходной процесс. На рис.13

приведен пример технически оптимального переходного про­цесса. Настройка на технический оптимум осуществляется так, чтобы время выхода на установившийся режим t1было мини­мальным при условии, что перерегулирование не будет превы­шать 4...10%. В результате /5/ реализации системы подчиненного регулирования ДПТ утрачивает свои естествен­ные свойства. Процесс пуска протекает в системе следующим образом. Контур регулирования тока первоначально вынужда­ет ток ДПТ следовать задающему сигналу, угловая скорость же вращения ДПТ ω устанавливается в соответствии с нагрузкой. Внешний контур осуществляет регулирование ω согласно за­данному значению и исходя из ошибки регулирования ω выра­батывает сигнал задания тока Uзт, в соответствии с которым устанавливается ток ДПТ.

Ограничение заданного тока приводит к ограничению тока двигателя. Если заданная ω изменяется скачком на значи­тельную величину, то возникает такая ошибка регулирования, что вступает в действие ограничение задания тока. ДПТ разго­няется при одновременном ограничении тока, пока ошибка регулирования со не уменьшится настолько, что значение тока станет меньше предельно допустимого значения. В связи с этим становится возможным прямой пуск ДПТ без проявлений не­допустимых перегрузок привода.

Однако при работе токоограничения фактически размыкает­ся контур регулирования скорости и разгон (торможение) идет с постоянным ускорением, что затягивает переходные процессы.

5. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА

Стенд состоит из приборной стойки с размещенным в нем тиристорным преобразователем и электромеханического аг­регата, состоящего из двух высокомоментных электродвигате­лей, один из которых исследуемый, а другой нагрузочный.

Питание стенда от трехфазной сети ЗРЕМ~50Гц 380 В.

Выключение стенда к сети осуществляется автоматом, разме­щенным в нижней части правой боковой панели.

5.1. ПЕРЕВОД ОБОЗНАЧЕНИЙ НА ЛИЦЕВОЙ ПАНЕЛИ СТЕНДА

THYRISTORIZED DC MOTOR DRIVE тиристорный привод постоянного тока

TEST MOTOR исследуемый двигатель ARMATURE VOLTAGE напряжение якоря ARMATURE CURRENT ток якоря

POWER энергия

ON включено

OFF выключено

BRAKE MOTOR нагрузочный двигатель

SPEED скорость, рад/с

REFERENCE VOLTAGE опорное напряжение

BRAKE MOTOR CONTROL управление нагрузочным двигателем HAND CONTROL ручное управление

LOGIC UNIT блок логики

СМРТ компьютер

5.2. ОПИСАНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ СТЕНДА

Функциональная схема стенда изображена в нижней полови­не передней панели стенда.

Питание электропривода осуществляется от сети трехфазного напряжения -380 В 50 Гц (фазы R, S и Т). На силовой трансформатор это напряжение подается через автомат токо­вой защиты QF. Одна группа вторичн