Технические реализации. Применения

Управляемый преобразователь УП в электроприводах, регулируемых изменением напряжения, может быть выполнен на основе либо регулируемого электромашинного агрегата, либо управляемого выпрямителя.

В первом случае электропривод носит название система генератор — двигатель (Г — Д) (рис. 3.26). Это традиционное техническое решение, обычно применявшееся при значительных мощностях (сотни киловатт и выше). Электродвижущая сила генератора Г, вращаемого с практически неизменной скоростью приводным асинхронным или синхронным двигателем ПД, служит источником питания якорной цепи двигателя Д. Поскольку

то ЭДС можно изменять, воздействуя на напряжение цепи возбуждения

К очевидным и важным достоинствам такой реализации УП относятся двусторонняя проводимость генератора, т.е. естественная возможность работы во всех четырех квадрантах, отсутствие искажений питающей сети, высокий коэффициент мощности.

Недостатки—две дополнительные вращающиеся машины, необходимость обслуживать генератор, инерционность цепи управления.

Система Г—Ддо настоящего времени находит применение в металлургии, мощных экскаваторах и т.п.

Во втором случае, ставшем в последние десятилетия основным, управляемый преобразователь представляет собой статическое устройство — управляемый выпрямитель (рис. 3.27), собранный на тиристорах, включаемых схемой управления СУ с задержкой на угол а против момента естественного включения, благодаря чему

где — среднее значение ЭДС неуправляемого выпрямителя

В электроприводе используются все типы управляемых выпрямителей — однофазные, трехфазные, многофазные; мостовые и нулевые; нереверсивные и реверсивные.

Преимущества управляемых преобразователей, выполненных таким образом: отсутствие вращающихся машин, не требуют обслуживания, имеют высокое быстродействие. Недостатки: низкий коэффициент мощности искажение напряжения питающей сети, трудно компенсируемое при значительных мощностях, необходимость в двух комплектах тиристоров для работы в четырех квадрантах, необходимость в сглаживающих реакторах СР и уравнительных реакторах, утяжеляющих конструкцию.

Система тиристорный преобразователь—двигатель (система )

является штатным техническим решением практически везде, где используется электропривод постоянного тока, и лишь в последние годы активно вытесняется частотно-регулируемым асинхронным электроприводом.

Источник тока в системе источник тока — двигатель также

может быть организован на основе управляемого выпрямителя с сильной отрицательной обратной связью по току, и такое решение будет обладать всеми перечисленными выше недостатками.

Интересны параметрические источники тока, выполненные на основе резонансных цепей. Рассмотрим кратко принцип действия таких источников тока — индуктивно-емкостных преобразователей (ИЕП) на примере схемы, показанной на рис. 3.28, а. Схема состоит из трех одинаковых реакторов переменного тока с реактивным сопротивлением и трех одинаковых батарей конденсаторов с реактивным сопротивлением

Точки А, В, С подключены к симметричной трехфазной сети переменного тока с напряжением к точкам а, Ь, с подключена нагрузка — три

одинаковых резистора, соединенных в звезду, причем их сопротивления могут изменяться от нуля до . В электроприводе нагрузкой являет-

ся якорь двигателя, включенный через неуправляемый выпрямитель (рис. 3.28, б); тогда

Принцип действия ИЕП основан на явлении резонанса напряжений в цепи Пусть

сопротивление реактивного элемента), активные сопротивления реакторов и конденсаторов пренебрежимо малы. Так как схема симметрична, рассмотрение проведем для одной фазы; токи и напряжения в других фазах будут иметь соответственно одинаковые амплитуды, но будут сдвинуты по фазе на

Для схемы на рис. 3.28, а справедливы следующие уравнения, записанные в комплексных величинах:

Решая эти уравнения, с учетом равенства реактивных сопротивлений получаем

т.е. ток не зависит от сопротивления а определяется лишь величинами и — схема по отношению к нагрузке обладает свойствами источника тока.

Характеристики источника тока (рис. 3.28, а) показаны на рис. 3.29 в относительных единицах; за базовые приняты

Рассмотренное устройство отличается простотой, высокой надежностью, хорошими технико-экономическими показателями, мало искажает при работе на неуправляемый выпрямитель напряжение сети, не нуждается в трансформаторе для согласования напряжений сети и нагрузки.

Электроприводы по системе источник тока—двигатель, практически не известные

за рубежом, успешно применяются в отечественной практике в установках, транспортирующих гибкую ленту, полосу, нить, жилу кабеля с поддержанием натяжения при любой скорости (кабельная, текстильная промышленность, металлургия), в специальных лебедках с дозированным усилием, в нагрузочных устройствах испытательных стендов для создания заданных условий нагружения испытуемых двигателей, муфт, трансмиссий и т.п.

Выше были рассмотрены на уровне принципов действия некоторые электроприводы постоянного тока, а также входящие в них силовые преобразователи.

Устройства, осуществляющие управление процессами внутри электроприводов, — системы управления электроприводов — обычно выполняются в виде функционально и конструктивно законченных модулей (блоков, шкафов), совмещающих силовые элементы и электромагнитные (контакторы, реле) или — чаще — электронные компоненты управления (специализированные микропроцессорные контроллеры и т.п.).

Электроприводы в простых случаях управляются человеком-оператором, включающим, задающим нужный режим или отключающим электропривод, либо в более развитых технологических комплексах — упоминавшимся ранее ПЛК, осуществляющим через промышленную информационную сеть управление конкретным приводом в интересах всего технологического процесса и выполняющим сопутствующие операции: визуализацию режимов, диагностику неисправностей и т.п. [5]. Детальное рассмотрение этих вопросов выходит далеко за рамки книги, однако каждый читатель, пользуясь мобильным телефоном, работая в сети Internet или взаимодействуя с любой современной бытовой техникой, получает некоторое представление о функциях и возможностях информационной электроники.

Упражнения

3.9.1. В § 3.2 был рассмотрен один способ перевода электропривода в режим рекуперативного торможения — вращение двигателя внешним активным моментом со скоростью Как еще можно осуществить этот режим?

3.9.2. Изобразите на схеме электропривода направление потоков энергии, когда двигатель работает в точках b, а, с, d (pиc. 3.3, б).

3.9.3. Изобразите электромеханические и механические характеристикидвигателя смешанного возбуждения. В каких энергетических режимах может работать этот двигатель?

3.9.4. Для двигателя (см.Приложение 2) оцените и рассчитайте и электромагнитныйноминальный момент Сравните с номинальным моментом навалу, объясните разницу.

3.9.5. Для двигателей ПН (см. Приложение 2) оцените сравните с указанными в каталоге и постройтеграфик

3.9.6. Какие меры необходимо принятьдля безопасного пуска и торможения двигателей в задаче 3.9.5?

3.9.7. Для реостатного пуска и торможения вхолостую двигателя ПН-85 постройте пусковую-тормознуюдиаграмму и изобразите схему. Как изменится диаграмма при сохранении схемы, если пуск и торможение производятся при номинальном моменте в функции времени? в функции скорости?

3.9.8. Возможен ли нормальный пуск при если ступени пусковых резисторов выбраны из условия

3.9.9. Познакомьтесь по любому справочнику [5] с релейно-контакторны-ми схемами управления реостатным пуском и торможением. Какскажется тип схемы (принцип управления) на поведении приводав задаче 3.9.8?

3.9.10. Рассчитайте сопротивления ступеней пусковых и тормозных резисторов в задаче 3.9.7.

3.9.11. Рассчитайте сопротивления дополнительных резисторов для характеристик 1,2 и 3 — см. рисунок.

3.9.12*. Для схемы реостатного регулирования с шунтированием якоря (см. рисунок) постройте качественно семейства характеристик для двух случаев:

Объясните общие точки характеристик в каждом из семейств. Как направ-

лены потоки энергии на разных участках характеристик? Какой вид имеют характеристики Как можно оценить энергети-

ческую эффективность данного способа регулирования? Какова допустимая нагрузка на искусственных характеристиках?

Примечание. Характеристики удобно строить по двум крайним режимам - регулируемое сопротивление меняется

3.9.13. Сравните реостатное регулирование с регулированием посредством изменения магнитного потока. Отметьте положительные и отрицательные свойства каждого способа.

3.9.14. Считается, что, если по условиям технологии момент нагрузки вовсем диапазоне регулирования скорости остается неизменным, регулирование полем нерационально. Объясните, почему.

3.9.15*. При использовании четырехквадрантного универсального преобразователя механические характеристики электропривода имеют вид, показанный на рис. 3.17, б. Перечислите все энергетические режимы привода, если медленно изменяется от до -

3.9.16*. Сравните рассмотренные в § 3.5 способы регулирования, отметьте достоинства и недостатки каждого.

•''¹

3.9.17*. Составьте краткий реферат «Принципы регулирования традиционных электроприводов постоянного тока в разомкнутых структурах».

3.9.18. В системе источник тока — двигатель изобразите характеристики

при изменении направления тока, при половинном токе

3.9.19. Изобразите те же характеристики при но при измененномнаправлении тока возбуждения, при половинном магнитном потоке.

3.9.20. Отметьте энергетические режимы в задачах 3.9.18. и 3.9.19.

3.9.21. Какие характеристики при можно считать естественными?Изобразите естественную механическую характеристику двигателяпоследовательного возбуждения при питании от источника тока.

3.9.22. Сравните качественно и количественно реостатное регулированиев системах источник напряжения — двигатель и источник тока —двигатель.

3.9.23*. Сопоставьте свойства систем для случаев

3.9.24. Сформулируйте особенностизамкнутых систем электропривода и их отличия от разомкнутыхсистем.

3.9.25. Система на рис. 3.21, а работалана характеристике 1—2, после чего произошло короткое замыканиена выходе тахогенератора На какой характеристике будет работать система, если характеристика выход—вход управляемого преобразователя имеет ограничение на уровне

3.9.26. В предположении, что управляемый преобразователь — четы-рехквадратный, достройте систему рис. 3.21, а, чтобы можно былоосуществлять реверс двигателя.

3.9.27. Было показано, как в системе источник тока — двигатель сформировать механические характеристики типа Какую обратную связь нужно использовать, чтобы получить характеристики

3.9.28. Изобразите замкнутую систему, имеющую целью поддержаниескорости на заданном уровне, на основе схемы на рис. 3.14.

3.9.29. Изобразите простейший вариант включения цепи возбуждениямашины (см. рисунок) в реверсивном электроприводе и соответствующие характеристики машины Отметьте на характеристиках энергетические режимы.

3.9.30. Изобразите реверсивный вариант системы тиристорный преобразователь— двигатель.

3.9.31. Что случится, если соединить накоротко точки а, б, с на рис. 3.28, alКак отреагирует система на обрыв Какие защиты следует предусмотреть для схемы на рис. 3.28, о?

Резюме

Простейшая модель электропривода постоянного тока в установившихся режимах получена на основе закона Ампера

закона Фарадея

второго закона Кирхгофа

и второго закона Ньютона для установившегося движения

Момент потерь отнесен к предполагается, что реакция якоря не проявляется и магнитный поток определяется только током возбуждения; сопротивление якорной цепи полагается постоянным.

При питании двигателя от источника напряжения и независимом возбуждении ЭДС £ играет роль встроенного естественного регулятора, благодаря которому всегда может быть выполнено условие Ме-

ханические характеристики — наклонные прямые линии.

Привод, кроме двигательного режима может работать

в режиме:

идеального холостого хода

короткого замыкания

рекуперативного торможения (генераторный режим параллельно с сетью: );

динамического торможения (генераторный режим независимо от сети: );

торможения противовключением (генераторный режим последовательно с сетью: ).

При последовательном возбуждении и питании от источника

напряжения механические характеристики имеют вид гипербол, отсутствуют режимы идеального холостого хода и рекуперативного торможения, режим динамического торможения с самовозбуждением возможен лишь, если машина не размагничивается и если сопротивление

меньше критического значения

Допустимые значения координат электропривода определяются на основании номинальных данных двигателя. При момент и ток якоря в продолжительном режиме не должны превышать номинальных значений (ограничение по нагреву), а кратковременно не могут быть больше трехкратных номинальных значений (ограничение по коммутации). Напряжение, магнитный поток, частота вращения ограничиваются номинальными значениями, если нет других указаний завода-изготовителя.

Регулирование координат в разомкнутых структурах может осуществляться включением в якорную цепь резисторов (реостатное регулирование), изменением (ослаблением) магнитного потока (регулирование полем) и изменением напряжения питания в системе преобразователь — двигатель.

Реостатное регулирование — однозонное вниз от основной

скорости, диапазон (2+3): 1, ступенчатое, потери значитель-

ны, капитальные затраты относительно невелики.

При номинальном токе

Регулирование полем — однозонное вверх от основной

скорости, диапазон плавное,потери незначительны,

капитальные затраты невелики

Регулирование изменением напряжения (система преобразователь — двигатель) — однозонное вниз от основной скорости, диапазон плавное потери невелики, капитальные затраты значитель-

ны, так как используется управляемый преобразователь, мощность которого превышает номинальную мощность двигателя.

При питании двигателя от источника тока действие ЭДС исключается и привод приобретает свойство «источника момента» Энер-

гетические режимы сохраняются, кроме режима идеального холостого хода, однако соответствующие им участки механической характеристики изменяются.

Реостатное регулирование в этой структуре осуществляется при включении дополнительного резистора параллельно якорю. Реостатные характеристики при пересекаются в точке короткого замыкания.

Изменение магнитного потока позволяет получить в разомкнутой структуре вертикальные механические характеристики в диапазоне от до

Регулирование координат в замкнутых структурах позволяет формировать характеристики практически любого вида за счет использования соответствующих обратных связей.

* * *

Мы весьма подробно рассмотрели электроприводы постоянного тока несмотря на то, что они в последние годы заметно сдали свои позиции. Если до недавнего времени практически все регулируемые электроприводы выполнялись как электроприводы постоянного тока, то, по мнению европейских экспертов, к 2000 г. они составили лишь 15 % всех регулируемых электроприводов: их место во многих применениях занимает частотно-регулируемый асинхронный электропривод.

Вместе с тем, изучение электропривода постоянного тока позволяет лучше понять некоторые общие вопросы: энергетические режимы, регулирование координат, ограничения, накладываемые на координаты, и т.п. К тому же свойства современных регулируемых электроприводов переменного тока с векторным

управлением стараются приблизить к свойствам электропривода постоянного тока — ив этой части их изучение полезно.

В данной главе не рассматривались электроприводы с двигателями смешанного возбуждения, варианты реостатного регулирования (схемы с шунтированием якоря, обмотки возбуждения в двигателях последовательного возбуждения и т.п.). Не анализировались электроприводы с широтно-импульсным регулированием напряжения, не изучались особенности, связанные со спецификой управления двух- и четырехквадрантными преобразователями.

Из технических реализаций подробно рассмотрен лишь параметрический источник тока; предполагается, что управляемые выпрямители хорошо известны из других курсов.