Электропривод с двигателями постоянного тока

В качестве примера рассмотрим тиристорный комплектный реверсивный электропривод постоянного тока серии ЭТЗР. Электроприводы этого типа выполнены в виде замкнутой системы автоматического регулирования скорости ДПТ с отрицательной обратной связью по скорости, которая в зависимости от настройки обеспечивает относительный перепад скорости в пределах 0,5-10 % при изменении момента нагрузки от 0,1 Мном до Мном. В системе обеспечивается также регулирование тока с помощью УТО, построенного по так называемому принципу упреждающего токоограничения. Для обеспечения устойчивости и требуемого качества переходных процессов электропривода в схеме применены две гибкие обратные связи: по скорости ДПТ и результирующему сигналу управления Uу2.

Упрощенная схема электропривода ЭТЗР приведена на рис. 3.24. Якорь ДПТ серии ПБСТ, имеющего встроенный тахогенератор BR, получает питание от тиристорного преобразователя, содержащего силовую часть (тиристоры V1-V6) и СИФУ.

Тиристоры V1-V6 силовой части соединены в две трехфазные нулевые схемы, образующие реверсивный преобразователь с двумя комплектами выпрямителей, составляющих выпрямительную и инверторную группы. Управление этими группами осуществляется с использованием согласованного совместного принципа, при котором выполняется следующее равенство:

где 1, 2 - соответственно углы управления тиристорами выпрямительной и инверторной групп; - запас угла, компенсирующий разброс углов управления тиристорами.

Для уменьшения переменной составляющей уравнительного тока, протекающей между выпрямительной и инверторной группами, в электроприводе используются ограничительные реакторы L1 и L2. Включение в цепь якоря сглаживающего реактора L3 позволяет исключить режим прерывистого тока и повысить использование ДПТ по току.

Управление тиристорами V1-V6 обеспечивается транзисторной СИФУ, работающей по вертикальному принципу. Она имеет три канала, каждый из которых работает на два тиристора, включенных в одну фазу V1- V4, V3-V6, V5-V2.



Питание электропривода осуществляется от трехфазного трансформатора Т с двумя вторичными обмотками. Одна из них, имеющая нулевой вывод, обеспечивает питание силовой части привода, а вторая - питание обмотки возбуждения ДПТ ОВ и схемы управления. Выпрямитель V осуществляет подачу выпрямленного тока в ОВ, а блок питания БП и стабилизатор напряжения СН обеспечивают необходимым напряжением постоянного и переменного тока элементы схемы управления и обмотку возбуждения тахогенератора ОВ.

В состав схемы управления электропривода входят промежуточный усилитель У1, усилитель мощности (эмиттерный повторитель) У2, узел токоограничения УТО, узел гибкой обратной связи УГОС, задающий потенциометр RP, кнопки управления SB1 и SB2 и пусковое реле К.

Промежуточный сигнал управления Uу, формируется как алгебраическая сумма сигналов задающего Uз, тахогенератора Uc и токоограничения Uт, о, для выработки которого используется нелинейная положительная обратная связь по скорости ДПТ. При токе якоря меньшем тока отсечки (см. рис. 3.22, б) работает только контур регулирования скорости. При токе якоря, превышающем ток отсечки, за счет нелинейности цепи токоограничения отрицательная обратная связь по скорости ДПТ отключается и начинает действовать положительная связь, обеспечивая ограничение тока и момента на заданном уровне.

Сигнал управления Uу1 вместе с сигналом корректирующей гибкой обратной связи Uг,о,с поступает на вход усилителя мощности У2 и после усиления в виде результирующего сигнала Uу2 подается на вход СИФУ через замыкающий контакт пускового реле К. Управление этим реле осуществляется с помощью кнопок управления: SB1 при пуске ДПТ и SB2 при его останове. Реверсирование ДПТ осуществляется путем изменения полярности задающего сигнала Uз.

В электроприводе ЭТЗР осуществляется ряд защит, блокировок и сигнализаций. Токовое реле КА, катушка которого включена в цепь якоря ДПТ, а контакт - в цепь питания реле К, обеспечивает максимальную токовую защиту ДПТ. При его срабатывании отключается реле К, с тиристоров снимаются сигналы управления и ДПТ отключается от источника питания.

Автоматические выключатели QF1 и QF2 осуществляют максимальную токовую защиту соответственно силовой части тиристорного преобразователя, обмотки возбуждения ДПТ и схемы управления [41].

7. Влияние вентильного электропривода постоянного тока на сети электроснабжения и способы снижения этого влияния

Регулируемый вентильный электропривод постоянного тока при своей работе оказывает неблагоприятное воздействие на сети электроснабжения. Это выражается в снижении коэффициента мощности, напряжения сети и искажении синусоидальной формы напряжения.

Снижение коэффициента мощности увеличивает реактивную мощность системы электроснабжения, что приводит к дополнительным потерям напряжения и энергии и требует увеличения пропускной способности ее элементов.

Искажение вентильными электроприводами синусоидальной формы напряжения сети и появление вследствие этого высших гармоник напряжения оказывает неблагоприятное воздействие на другие электротехнические устройства, присоединенные к этой сети. Это выражается в повышенном нагреве электродвигателей, снижении их мощности и КПД, усилении вибрации и шума при их работе [39].

Наличие высших гармоник напряжения нарушает также работу устройств автоматики, защиты и сигнализации, создает помехи в линиях связи. Несинусоидальность напряжений и токов приводит к дополнительным погрешностям приборов, измеряющих действующие значения токов, напряжения и мощности. Несинусоидальное напряжение оказывает также отрицательное воздействие и на батареи конденсаторов, применяемые для компенсации реактивной мощности, вызывая их перегрузку по току и напряжению.

а) Коэффициент мощности вентильного электропривода постоянного тока

При регулировании скорости ДПТ независимого возбуждения с помощью вентильных преобразователей напряжения коэффициент мощности электропривода определяется двумя факторами: углом сдвига 1 1-й (основной) гармоники потребляемого из сети тока относительно напряжения сети и коэффициентом искажения v этого же тока

(3.52)

где (3.53)

(3.54)

В этих выражениях I-действующее значение потребляемого из сети тока; I1 -действующее значение 1-й гармоники этого тока; , - соответственно углы управления и коммутации вентилей; m - число фаз вентильного преобразователя.

Из приведенных выражений следует, что коэффициент мощности вентильного электропривода постоянного тока зависит от скорости ДПТ, определяемой углом управления , и его нагрузки, от которой зависит угол коммутации . Снижение скорости (увеличение диапазона регулирования) или увеличение нагрузки приводит к уменьшению коэффициента мощности электропривода.

Зависимость cos от относительной скорости при номинальной нагрузке на валу ДПТ характеризуется кривой, приведенной на рис. 3.25. Из рис. 3.25 видно, что уменьшение коэффициента мощности происходит пропорционально снижению скорости, т.е. увеличению диапазона регулирования.

Это видно также и из следующего приближенного выражения для коэффициента мощности при регулировании скорости

(3.55)

где 0 - скорость идеального холостого хода, соответствующая Ed.

При регулировании скорости с одинаковым временем работы ДПТ на каждой скорости при Мс=const зависимость средневзвешенного циклового коэффициента мощности cosр,ц от диапазона регулирования D показана на рис. 3.26.

б) Искажение формы напряжения сети вентильными электроприводами постоянного тока

На рис. 3.27 в качестве примера показана диаграмма напряжения сети, от которой питается электропривод с трехфазным мостовым тиристорным преобразователем. Искажение напряжения вызывается наличием угла коммутации , когда имеют место кратковременные короткие замыкания на входе вентильного преобразователя, и угла управления а.

Несинусоидальные напряжения и ток можно представить суммой гармонических составляющих (гармоник) напряжения и тока. Спектр гармоник напряжения и тока может быть представлен в виде бесконечного ряда гармоник с номерами n=km±l, где k=1, 2, 3 … - ряд натуральных чисел, т - число коммутаций за период питающего напряжения (эту величину также называют фазностью выпрямления или пульсностью).

Для трехфазных мостовых симметрично управляемых преобразователей т=6 и спектр высших гармоник следующий: n=5, 7, 11, 13

Действующие значения основной и высших гармоник переменного тока вентильного электропривода могут быть определены по следующим приближенным формулам:

Относительные значения амплитуд высших гармоник (п>1) напряжения могут быть определены по следующим выражениям [39]:

(3.56)

где

Здесь d=xс/(xс+xт) - коэффициент связи, xс - реактивное сопротивление системы энергоснабжения на основной частоте, xт - реактивное сопротивление трансформатора вентильного преобразователя.

За базисное напряжение в этих формулах принимается амплитуда линейной ЭДС системы энергоснабжения

Несинусоидальность напряжения оценивается нормируемым коэффициентом несинусоидальности

в) Способы повышения коэффициента мощности и уменьшения несинусоидальности тока и напряжения

В настоящее время разработаны и используются несколько способов снижения неблагоприятного влияния на сеть вентильных электроприводов.

1. Эффективным средством решения проблемы является применение фильтрокомпенсирующих (ФКУ) и фильтросимметрирующих (ФСУ) устройств, обеспечивающих одновременно компенсацию реактивной мощности, фильтрацию высших гармоник, уменьшение отклонений и колебаний напряжения и его симметрирование по фазам. Эти устройства целесообразно размещать в узле подключения вентильного электропривода.

Фильтрокомпенсирующие и фильтросимметрирующие устройства состоят из управляемого компенсатора УК, обеспечивающего регулирование реактивной мощности, и энергетических фильтров Ф, которые служат для фильтрации высших гармоник тока электропривода, а также компенсации реактивной мощности. Схемы некоторых ФКУ приведены на рис. 3.28.

Энергетические фильтры Ф представляют собой последовательные индуктивно емкостные LC резонансные цепи, настроенные на частоты высших гармоник вентильных электроприводов (нагрузок). Число параллельно включенных резонансных цепей фильтров должно быть таким, чтобы коэффициент несинусоидальности напряжения был не более 5 %, т.е. kнс5 %. Для каждой высшей гармоники используется свой фильтр.

Реактивная мощность, генерируемая фильтром п - й гармоники, определяется выражением



где U10,95 Uл - напряжение основной гармоники линейного напряжения сети Uл; Сп - емкость фильтра п - й гармоники.

Суммарная реактивная мощность всех фильтров определяет постоянную составляющую Компенсируемой реактивной мощности.

Регулирование компенсируемой мощности осуществляется с помощью УК, который обычно состоит из реактора L2, управляемого с помощью тиристорного преобразователя ТП (рис. 3.28). При закрытых тиристорах ТП реактивная мощность реактором не потребляется и генерируемая ФКУ реактивная мощность равна мощности фильтров Ф.

При открытии тиристоров ТП реактор начинает потреблять реактивную мощность, в результате чего отдаваемая в сеть мощность будет определяться разностью мощности, генерируемой фильтрами, и мощности, потребляемой реактором,

2. Один из простых и экономичных путей снижения потребляемой реактивной мощности связан с выбором законов и способов управления вентильными преобразователями электроприводов. Рассмотрим коротко сущность некоторых из них.

Поочередное управление преобразователями. Его суть состоит в таком управлении преобразователями, чтобы при их работе преобладали предельные выпрямительные и инверторные режимы с максимальными или минимальными углами управления, характеризующиеся малым потреблением реактивной мощности. Например, при последовательном соединении двух преобразователей их углы управления изменяются поочередно таким образом, чтобы у одного из них угол был минимален или максимален, а регулирование напряжения на ДПТ происходило за счет изменения угла управления другого преобразователя.

В нереверсивных электроприводах, где не требуется изменение полярности на ДПТ, при таком управлении один из преобразователей может быть выполнен на неуправляемых вентилях (диодах), что равносильно работе этого преобразователя с нулевым углом управления.

Эффект снижения потребления реактивной мощности электроприводом с поочередным управлением иллюстрирует рис. 3.29. На диаграмме показаны зависимости относительной реактивной "мощности Q*=Q/Рdном от степени регулирования напряжения Ud/Udmax трехфазного мостового преобразователя при обычном симметричном управлении - кривая 1 и поочередном управлении - кривая 2.

Как видно, потребление реактивной мощности при поочередном управлении существенно меньше; особенно при глубоком регулировании напряжения.

Несимметричное управление преобразователями. Оно обычно применяется при параллельном соединении преобразователей. При таком управлении также используется преобладание предельных углов управления параллельно соединенных преобразователей, но это преобладание чередуется во времени. Изменение потребления реактивной мощности при таком управлении для одного из действующих электроприводов показывает кривая 3 на рис. 3.29.

Искусственная коммутация вентилей преобразователей. В преобразователях с естественной коммутацией вентилей, когда моменты их открывания и закрывания определяются напряжением сети, полная компенсация реактивной мощности практически невозможна. В то же время использование принудительной, искусственной коммутации вентилей позволяет создавать преобразователи не только без потребления реактивной мощности, но, при необходимости, даже с отдачей ее в сеть. Такие преобразователи с cos=l обычно называют компенсированными, а с опережающим cos - компенсационными.

Наиболее рационально использование составных преобразователей, одна из частей которых выполнена с искусственной, а другая с естественной коммутацией.

3. Традиционные способы компенсации реактивной мощности, потребляемой вентильными электроприводами постоянного тока и другой нагрузкой (асинхронными двигателями, трансформаторами и т.д.), связаны с использованием различных компенсирующих устройств. К их числу относятся синхронные двигатели и компенсаторы, батареи конденсаторов, а также тиристорные источники реактивной мощности.

Синхронные двигатели (СД) являются эффективным и удобным средством компенсации реактивной мощности в системе электроснабжения. Выполняя свою основную функцию приводного электродвигателя, СД одновременно могут генерировать в сеть реактивную мощность, т. е. работать с опережающим cos. Это обеспечивается соответствующим регулированием их тока возбуждения

Синхронные компенсаторы (СК) представляют собой СД, работающие без нагрузки. Их основная функция состоит только в регулировании реактивной мощности в системе электроснабжения.

Конденсаторы представляют собой специальные емкости, предназначенные для выработки реактивной мощности. По своему действию они эквивалентны перевозбужденным СД и СК. Конденсаторы по сравнению с другими источниками реактивной мощности имеют такие преимущества, как малые потери реактивной/ мощности, простота монтажа и эксплуатации. К их недостаткам следует отнести зависимость генерируемой мощности от напряжения, недостаточную прочность при перегрузках по току и напряжению, а также ухудшение их работы в сетях с повышенным содержанием высших гармоник.

Тиристорные источники реактивной мощности строятся с использованием компенсационных преобразователей, имеющих искусственную коммутацию вентилей. Такой преобразователь имеет на стороне выпрямленного тока реактор (индуктивный накопитель энергии) или батарею конденсаторов (емкостный накопитель энергии). Сочетание преобразователя с реактивным элементом позволяет создать устройство для регулирования реактивной мощности в системе энергоснабжения,

8. Регулирование скорости дпт независимого возбуждения в схеме с шунтированием якоря

Для регулирования скорости ДПТ независимого возбуждения применяется схема с шунтированием якоря, показанная на рис. 3.30. Эта схема позволяет с помощью двух добавочных резисторов-Rш, включаемого параллельно якорю, и Rп, включаемого последовательно с якорем, получать

сравнительно жесткие характеристики в области малых скоростей ДПТ. Такие характеристики требуются, например, для электроприводов подъемных кранов и лифтов.

Уравнения характеристик ДПТ в схеме рис. 3.30 могут быть получены на основании выражений для ЭДС (3.2) и момента (3.3) ДПТ и следующих соотношений:

(3.57)

(3.58)

(3.59)

Заменяя в (3.57) и (3.58) ток Iп на его выражение из (3.59), а затем исключая из полученных двух уравнений Iш, получаем следующие выражения соответственно для электромеханической и механической характеристик:

(3.60)

(3.61)

где

Из (3.60) и (3.61) видно, что в схеме с шунтированием якоря снижается скорость идеального холостого хода и падает жесткость характеристик по сравнению с основной схемой включения ДПТ. Это объясняется тем, что в схеме рис 3.30 напряжение ДПТ меньше напряжения источника питания, а в якорной цепи находится добавочный резистор Rп. По этой причине способ регулирования скорости в схеме с шунтированием якоря часто называют комбинированным, так как он сочетает в себе регулирование изменением напряжения и реостатное регулирование.

Семейство искусственных характеристик ДПТ в схеме рис. 3.30 при постоянном Rш и регулируемом Rп приведено на рис. 3.31.



Общая для данного Rш точка A1 пересечения всех характеристик соответствует режиму работы ДПТ, когда он не потребляет ток из сети, в силу чего резистор Rп не оказывает влияния на характеристики ДПТ. В этой точке ЭДС ДПТ уравновешивает напряжение сети и внутреннее падение напряжения в якоре, т. е.

Двигатель работает в режиме динамического торможения с током I1=U/Rш1. При изменении Rш, например при его увеличении, общей точкой становится точка A2, также располагающаяся на естественной характеристике.

Семейство искусственных характеристик ДПТ при постоянном Rп и регулируемом Rш приведено на рис. 3.32. Пересечение характеристик происходит в точке В1, которая является общей точкой для всех искусственных характеристик при данном Rп. В точке B1 ЭДС ДПТ, изменив свой знак, компенсирует внутреннее падение напряжения в якоре, вследствие чего напряжение на якоре и, следовательно, на Rш равно нулю, ток через резистор Rш. не проходит, а ток через якорь определяется как I1=U/Rп1. При изменении Rп, например при его увеличении, общей точкой характеристик становится точка В2, координата тока для которой определяется соотношением I2=U/Rп2.

Рассмотренный способ регулирования скорости по своим характеристикам и показателям занимает промежуточное положение между способами, связанными с изменением напряжения на якоре и сопротивлением в цепи якоря. Диапазон регулирования скорости лежит в пределах 5 - 6, плавность регулирования определяется плавностью изменения сопротивления Rш и Rп. Регулирование скорости осуществляется вниз от основной при постоянном моменте нагрузки, жесткость получаемых искусственных характеристик относительно высокая в области малых скоростей.

Экономичность этого способа регулирования невысока из-за значительных потерь мощности в якорной цепи. По этой причине способ используется для регулирования скорости ДПТ небольшой мощности при кратковременной работе на пониженных скоростях.

9. Регулирование координат электропривода в системе источник тока - двигатель

В рассмотренных ранее системах электропривода ДПТ питался от источника ЭДС. При питании ДПТ от источника тока (ИТ), который обеспечивает протекание по якорю неизменного и не зависящего от ЭДС тока, электропривод приобретает новые интересные свойства и характеристики [11].

Схема такой системы, получившей название системы источник тока-двигатель (ИТ-Д), показана на рис. 3.33, а. Якорь ДПТ М подключен к источнику тока ИТ и обтекается постоянным током I = const. Значение тока в обмотке возбуждения и его направление могут изменяться с помощью потенциометра П и контактов К1 и К2. Так как I = const, то электромеханическая характеристика ДПТ изобразится в виде вертикальной прямой линии, показанной на рис. 3.33, б.

Семейство механических характеристик легко получить на основании формулы (3.3) для момента ДПТ. Из нее видно, что при I = const момент и его знак определяются соответственно магнитным потоком и его знаком. Таким образом, если в схеме рис. 3.33, а изменить с помощью потенциометра П и контактов К1 и K2 ток возбуждения и его направление, а тем самым и магнитный поток Ф, то получатся механические характеристики привода в виде прямых, показанных на рис. 3.33, в.

Такие характеристики обеспечивают постоянство момента на валу ДПТ при любой его скорости, а сам электропривод приобретает свойства источника момента, управляемого по цепи возбуждения.

В этой системе для регулирования скорости может быть сформирован и горизонтальный участок механических характеристик. Это достигается путем введения обратных связей, в частности нелинейной отрицательной обратной связи по скорости ДПТ. Такая схема показана на рис. 3.34, а.

Силовую часть этой схемы образуют, как и в схеме рис. 3.33, а, источник тока ИТ и ДПТ М, обмотка возбуждения которого ОВ подключена к усилителю У. В качестве усилителя в системе использован МУ. Управляющая суммарная МДС Fy создается двумя обмотками управления ОУм и ОУс.

Первая из них подключена к задающему потенциометру момента ЗПМ и создает МДС Fм. Вторая обмотка включена в цепь нелинейной обратной связи, которую образуют тахогенератор обратной связи BR, вентиль V и задающий потенциометр скорости ЗПС.

Цепь обратной связи собрана таким образом, что вентиль V начнет пропускать ток Iс по этой цепи лишь при определенной ЭДС тахогенератора Eтг=тг1Uз,с, т.е. при некоторой скорости ДПТ 1=Uз,с/тг, где тг-коэффициент пропорциональности между ЭДС тахогенератора и его скоростью.

Возникающая при этом МДС Fс направлена навстречу МДС Fm, поэтому результирующая МДС

. (3.62)

Такая обратная связь, как уже отмечалось, называется отрицательной обратной связью с отсечкой. Рассмотрим теперь работу схемы рис. 3.34, а при скоростях ДПТ <1, когда нет сигнала обратной связи (Fc = 0), и при скоростях = 1 когда начинает действовать обратная связь (Fс0).

Для интервала угловой скорости 1 Eтг<Uз,с и справедливо соотношение.

(3,63)

Поэтому система оказывается разомкнутой, напряжение Uв, ток Iв и, следовательно, магнитный поток ДПТ Ф остаются неизменными, в соответствии с чем механические характеристики ДПТ представляют собой вертикальные прямые (см. рис. 3.33, б).

Предположим теперь, что скорость ДПТ превысила значение 1 и ЭДС тахогенератора стала больше Uз,с. Вентиль V откроется, по цепи обратной связи начнет протекать ток Iс и появится МДС Fc Суммарная МДС усилителя Fy в соответствии с (3.57) начинает уменьшаться, снижается ток возбуждения ДПТ Iв, его магнитный поток и момент, в результате чего механические характеристики ДПТ при >1 изобразятся уже наклонными прямыми. Аналитическое выражение этого участка механических характеристик можно получить, если предположить линейность кривой намагничивания ДПТ, характеристики МУ и. цепи обратной связи. Тогда

(3.64)

(3.65)

(3.66)

где , , ko,c - коэффициенты передачи цепи возбуждения ДПТ, МУ и цепи обратной связи.

Подставляя (3.64) - (3.66) в (3.3) и учитывая (3.62), получаем следующее выражение для механической характеристики на интервале скорости >:

. (3.67)

Изменяя уставку ЗПС, можно регулировать скорость ДПТ на участке >1, а меняя уставку ЗПМ, можно регулировать момент ДПТ при <1.

Семейство механических характеристик при различных сочетаниях задающих сигналов по скорости и моменту приведено на рис. 3.34, б.

Рассмотрим в заключение пример реализации ИТ. Наибольшее распространение в электроприводе получили так называемые индуктивно-емкостные ИТ, использующие простые и надежные элементы - конденсаторы, индуктивности и полупроводниковые вентили. Работа такого ИТ, одна из возможных схем которого приведена на рис. 3.35, основана на явлении резонанса напряжения в цепи LC.

Схема ИТ образована тремя одинаковыми конденсаторами с реактивным сопротивлением хс и тремя одинаковыми реакторами с таким же реактивным сопротивлением xl. Эти элементы соединены в схему треугольника, к вершинам А, В, С которого подведено трехфазное напряжение переменного тока Uc. К точкам а, b, с подключена через неуправляемый выпрямитель V нагрузка, которой является якорь ДПТ.

Схема является симметричной, поэтому для пояснения принципа ее действия можно рассмотреть лишь одну ее фазу.



Если пренебречь активным сопротивлением реакторов и конденсаторов и считать Uc = const, fc = const, xc = xL = x, то для схемы рис. 3.35 справедливы следующие соотношения, записанные в комплексной форме:

(3.68)

(3.69)

(3.70)

(3.71)

Подставляя в (3.69) выражения (3.70) и (3.71) и учитывая равенство реактивных сопротивлений схемы и соотношение (3.68), получаем следующее выражение для тока нагрузки;

Из этой формулы видно, что ток, отдаваемый в нагрузку (якорь ДПТ), определяется только напряжением сети, параметрами схемы источника тока и не зависит от нагрузки.

Система ИТ-Д может обеспечивать диапазон регулирования скорости 1:50 и более, высокую стабильность и плавность регулирования скорости и момента. Силовой преобразователь системы является простым, недорогим и надежным статическим устройством и обладает высокими КПД и cos. Электропривод не оказывает вредного влияния на сеть.

К недостаткам этой системы следует отнести ее невысокое быстродействие и трудность получения рекуперативного торможения.

10. Импульсный способ регулирования координат

Импульсный способ регулирования координат электропривода связан с периодическим импульсным изменением параметров каких-либо элементов электрических цепей ДПТ. (например, резисторов) или подводимого к ДПТ напряжения. Способы импульсного регулирования повторяют основные способы регулирования координат ДПТ независимого возбуждения и связаны с импульсным изменением сопротивления добавочного резистора в цепи якоря, магнитного потока и подводимого к якорю напряжения. Импульсный способ реализуется как в разомкнутой, так и в замкнутой системах электропривода.

Импульсное регулирование сопротивления добавочного резистора Rд в цепи якоря осуществляется в схеме рис. 3.36, а путем периодической коммутации (замыкания и размыкания) по определенному закону ключа К.

Существуют два основных способа управления ключом K - широтно-импульсное и частотно-импульсное. При широтно-импульсном управлении период коммутации ключа Tк, состоящий из времени замкнутого tз и разомкнутого tp состояний ключа, остается постоянным, а изменяется отношение времени замкнутого состояния ключа tз к периоду Tк. Это отношение называется скважностью и обозначается буквой



т. е. при широтно-импульсном управлении изменяется время замкнутого состояния ключа tз при неизменном периоде.

При частотно-импульсном управлении время tз остается неизменным, меняется период коммутации ключа Тк, а также и ее частота. Заметим, что и при таком способе управления меняется скважность у. Таким образом, скважность оказывается универсальным показателем для обоих способов управления и им удобно пользоваться при анализе импульсных способов регулирования координат.

Семейство механических характеристик ДПТ независимого возбуждения при импульсном регулировании получим методом предельных (граничных) характеристик, проанализировав для этого граничные режимы работы ключа К: его постоянно разомкнутое и постоянно замкнутое состояния. По схеме рис. 3.36, а видно, что при замкнутом ключе К (=1) резистор Rд выведен Rд из цепи якоря и ДПТ в соответствии с этим имеет естественную механическую характеристику (прямая 1 на рис. 3.36, б). При разомкнутом ключе К (=0) резистор Rд полностью введен и ДПТ имеет уже искусственную, реостатную характеристику (прямая 2 на рис. 3.36, б). При работе ключа с промежуточными значениями скважности (0<<1) механические характеристики располагаются между этими двумя граничными характеристиками, как это показано на рис. 3.36, б.

Математическое выражение для семейства характеристик рис. 3.36, б, которое здесь приводится без вывода, имеет следующий вид:

.

Импульсное регулирование магнитного потока ДПТ независимого возбуждения реализуется в схеме рис. 3.37, а. В этой схеме в цепь обмотки возбуждения включен добавочный резистор Rв и параллельно ему ключ К, скважность работы которого может регулироваться в пределах от 0 до 1. Воспользуемся и в этом случае методом предельных характеристик для получения семейства искусственных характеристик. При =1 ключ К постоянно замкнут, резистор Rв зашунтирован (закорочен), по обмотке возбуждения протекает номинальный ток и ДПТ имеет естественную характеристику (рис. 3.37, б).

При =0 ключ К постоянно разомкнут, резистор Rв введен в цепь обмотки возбуждения, ток возбуждения и магнитный поток уменьшены и ДПТ имеет искусственную характеристику, располагающуюся выше естественной. При промежуточных значениях скважности характеристики располагаются между этими двумя предельными характеристиками.

Схема импульсного регулирования напряжения на якоре ДПТ приведена на рис. 3.38, а. Ключ К, как и в предыдущих схемах, периодически замыкается и размыкается, при этом его управление осуществляется по широтно-импульсному или частотно-импульсному принципу. При замкнутом ключе К ток в якоре ДПТ протекает под действием напряжения сети Uc, a при разомкнутом - под действием ЭДС самоиндукции, замыкаясь через диод V. Ток в якоре ДПТ имеет при этом пульсирующий характер. Регулируя скважность у работы ключа, можно получать различные механические характеристики ДПТ.

Рис 3.38 Регулирование скорости ДПТ независимого возбуждения импульсным изменением напряжения а-схема, б-характеристики

При скважности =1 на якорь ДПТ постоянно подается полное напряжение сети и ДПТ имеет естественную характеристику, показанную на рис. 3.38, б. При разомкнутом ключе К. (=0) напряжение не подается, ДПТ оказывается включенным по схеме динамического торможения и его механическая характеристика проходит через начало координат. Промежуточным значениям скважности 0<<1 соответствуют механические характеристики, располагаемые между этими двумя предельными граничными характеристиками.

При импульсном регулировании напряжения возможен режим прерывистого тока. Этот режим наступает при следующих граничных значениях скорости и тока ДПТ:

где Тя=Lя/Rя-электромагнитная постоянная времени цепи якоря, с.

Область прерывистого тока, в которой характеристики ДПТ криволинейны, расположена на рис. 3.38, б слева от штриховой кривой. В остальной области характеристики ДПТ прямолинейны и описываются следующим выражением:

(3.72)

Для схем импульсного регулирования в современных электроприводах чаще всего применяются бесконтактные полупроводниковые ключи, обычно тиристорные. Работу одного из видов такого ключа, который может использоваться для импульсного регулирования сопротивления добавочных резисторов, поясним с помощью схемы рис. 3.39, а. Роль ключа К выполняет в этой схеме тиристор VS1, включенный параллельно резистору R. Открываясь, тиристор шунтирует (закорачивает) резистор R (ключ К замкнут), закрываясь, тиристор вводит в электрическую цепь этот резистор. Для закрытия тиристора VS1, включенного в цепь постоянного тока, помимо снятия импульса с его управляющего электрода необходимо обеспечить также более высокий потенциал катода по сравнению с потенциалом анода. В рассматриваемой схеме это достигается включением вспомогательного тиристора VS2 и коммутирующих элементов: конденсатора Ск, реактора Lк, диода VDк, маломощного источника постоянного тока Uп, диода VDп резистора Rп. Рассмотрим работу этой части схемы. Допустим, что в исходном положении тиристор VS1 открыт, тиристор VS2 закрыт, а конденсатор Ск заряжен со знаком плюс на нижней обкладке. Для закрытия основного тиристора VS1 необходимо снять импульс управления с VS1 и подать его на VS2.

Последний при этом откроется и к катоду тиристора VS1 будет приложен плюс напряжения конденсатора Ск, а к аноду - минус этого напряжения, в соответствии с чем VS1 закроется. Теперь конденсатор Ск будет заряжаться через открытый тиристор VS2 с плюсом на верхней обкладке

Если теперь снять импульс управления с VS2, то он к концу перезаряда конденсатора закроется. При последующей подаче импульса на VS1 он вновь откроется, замыкая накоротко R, и при этом вновь начнется перезаряд конденсатора по цепи Ск-VSl-VDк-Lк до тех пор, пока потенциал нижней обкладки конденсатора не станет положительным Схема вновь вернется к исходному положению. Описанный процесс работы схемы обеспечивается соответствующим расчетом параметров ее элементов и работой СИФУ. Для первоначального заряда конденсатора Ск служит источник с напряжением Uп и элементы VDп и Rп.

На рис 3.35, б представлена еще одна распространенная схема импульсного ключа К, которая обычно используется для импульсного регулирования напряжения. По принципу своего действия она во многом повторяет схему рис. 3.35, а и содержит основной VS1 и вспомогательный VS2 тиристоры и коммутирующие элементы Ск, Lк и VDк. Вместе с тем в этой схеме нет дополнительного источника постоянного тока Uп, поскольку предварительный заряд конденсатора Ск с плюсом на верхней обкладке происходит от напряжения сети при открытии тиристора VS2. Тиристор VS1 при этом закрыт (ключ К разомкнут) и ДПТ отключен от сети.

При подаче управляющего импульса на тиристор VS1 он открывается и на ДПТ подается напряжение. Одновременно через этот тиристор и элементы VDк и Lк начинается перезаряд конденсатора Ск уже с минусом на верхней обкладке. Поэтому при последующем открытии тиристора VS2 потенциал анода тиристора VS1 окажется более отрицательным, чем потенциал его катода, и тиристор VS1 закроется. Изменяя с помощью СИФУ скважность управляющих импульсов тиристора VS1 и согласуя при этом подачу импульсов на вспомогательный тиристор VS2, обеспечивает импульсное регулирование напряжения на ДПТ. Соответствующим усложнением схемы рис 3 35, б получают реверсивные схемы.

Характерной особенностью импульсных регулируемых электроприводов является простота и надежность их схем, определяемая малым числом элементов.

Показатели импульсного регулирования скорости в основном соответствуют непрерывным способам регулирования. Вместе с тем энергетические показатели импульсных электроприводов постоянного тока несколько хуже. Это объясняется наличием в кривой тока якоря переменной составляющей, что приводит к увеличению потерь энергии в ДПТ, а также дополнительными потерями в самом импульсном преобразователе.



11. Автоматическое управление ДПТ независимого возбуждения при пуске, реверсе и торможении при питании его от сети

Пуск, реверс и торможение ДПТ при питании его от сети обычно осуществляются с помощью релейно-контакторных схем управления. При их автоматизации используются принципы времени, скорости, тока и пути Существо этих принципов рассмотрим на примере пуска ДПТ по пусковой диаграмме рис, 3.8.

Порядок пуска ДПТ по этой диаграмме предусматривает закорачивание с помощью ключей (контактов) К1 и К2 в требуемый момент переходного процесса ступеней пусковых резисторов Rд1 и Rд2. Этим моментам переходного процесса соответствуют определенные скорость и ток ДПТ, а также время, прошедшее с начала переходного процесса. Так, например, резистор Rд1 должен быть закорочен ключом К1, когда ток двигателя станет равным I2, a скорость - 1. Время, которое прошло от начала пуска до этого момента переходного процесса, определяется в соответствии с (1.41) при подстановке в нее нач=0; i=1; уст=0. Таким образом, автоматизацию пуска ДПТ по рассматриваемой пусковой диаграмме можно выполнить, осуществив с помощью соответствующих датчиков контроль за скоростью, током ДПТ или временем переходного процесса. В первом случае говорят о построении схемы по принципу скорости, во втором - по принципу тока, а в третьем - по принципу времени.

Некоторые схемы управления строятся по принципу пути, когда с помощью конечных или путевых выключателей осуществляется контроль за углом поворота вала ДПТ. Кроме того, для автоматизации работы электроприводов может быть использован принцип момента, однако он не нашел практического применения из-за отсутствия простых и надежных датчиков момента.

Реализация указанных принципов осуществляется с помощью соответствующих датчиков, от которых в схему управления поступает информация о текущих значениях скорости, тока или времени. Рассмотрим основные виды датчиков, применяемых в схемах управления ДПТ.

Датчики времени. Наиболее распространенным видом датчика времени является реле времени. По принципу действия реле времени разделяются на механические, электромагнитные, электронные, электромеханические и т.д. Механические реле времени обычно пристраиваются к подвижной части контактора или магнитного пускателя и срабатывают с выдержкой времени после их включения. Они обеспечивают выдержку времени от 0,5 до 5 с.

В электромагнитных реле выдержка времени достигается тем, что при отключении катушки реле или замыкании ее накоротко магнитный поток в магнитопроводе спадает медленно, вследствие чего якорь реле остается в течение определенного времени в притянутом положении. Для замедления процесса спадания потока используются медная гильза, надеваемая на сердечник реле, или короткозамкнутый виток Электромагнитные реле обеспечивают выдержку времени лишь при отключении реле, в то время как их включение происходит практически мгновенно. Обеспечиваемая ими выдержка времени колеблется от десятых долей секунды до 5-6 с и более.

Электронные и полупроводниковые реле времени могут обеспечить выдержку времени до 1 мин, которая достигается за счет процесса заряда или разряда конденсаторов, включаемых в цепи управления электронных ламп или транзисторов. На выходе таких реле времени стоят обычные электромагнитные реле, контакты которых используются в схемах управления.

Электромеханическое реле времени включает в себя низкоскоростной электродвигатель и редуктор, имеющий большое передаточное отношение. Вследствие этого скорость выходного вала, на котором располагается контактная система реле, очень маленькая и замыкание (размыкание) контактов происходит через значительный промежуток времени после подачи напряжения на двигатель. Эти реле времени обеспечивают выдержки времени более 1 мин.

Датчики скорости. Широкое распространение в качестве датчиков скорости получили тахогенераторы, использование которых уже рассматривалось применительно к замкнутым системам. В разомкнутых системах управления пуском, реверсом и торможением в качестве датчика скорости чаще всего используется сам ДПТ, так как наводимая в якоре ЭДС пропорциональна скорости ДПТ. В этом случае говорят, что схема построена по принципу ЭДС, который по существу является разновидностью принципа скорости.

В некоторых схемах в качестве датчиков скорости используются специальные электромеханические реле, называемые обычно реле контроля скорости (РКС). Они устанавливаются на валу ДПТ и, как правило, дают информацию в следующем виде: скорость ДПТ равна нулю или не равна нулю.

Датчики тока Простейшим датчиком тока ДПТ является шунт, включаемый в цепь якоря. Иногда вместо шунта используются обмотки дополнительных полюсов ДПТ. Еще одним типом датчика является специальное реле тока, обмотка которого включается непосредственно в цепь якоря ДПТ. Реле срабатывает при определенном токе, который предварительно может быть установлен.

Датчики пути. В качестве датчиков пути используются путевые и конечные выключатели.

а) Управление пуском ДПТ

Для управления пуском чаще всего используется управление в функции времени, реже - в функции тока и ЭДС.

На рис. 3.40, а приведена схема типового узла автоматического пуска двигателя в одну ступень в функции времени. Схема управления содержит кнопки управления SB1 (пути) и SB2 (останов, стоп ДПТ), линейный контактор КМ1 обеспечивающий подключение ДПТ к сети, и контактор стопорения КМ2 для выключения (закорачивания) пускового резистора Rд. В качестве датчика времени в схеме использовано электромагнитное реле КТ.

Работа схемы при пуске происходит следующим образом. При подаче напряжения на схему происходит возбуждение ДПТ и срабатывает реле КТ, размыкая свой размыкающий контакт в цепи контактора КМ2. Схема подготовлена к пуску.

Пуск ДПТ осуществляется нажатием кнопки SB1, в результате чего получает питание контактор КМ1. Включившись, он своим главным контактом подключает ДПТ к напряжению сети. Двигатель начинает разбег с резистором Rд. в цепи якоря.

Одновременно замыкающий вспомогательный контакт контактора КМ1 шунтирует кнопку SB1, и она может быть отпущена оператором, а размыкающий вспомогательный контакт КМ1 разрывает цепь питания реле времени КТ. Реле времени, потеряв питание, начинает отсчет выдержки времени tр,в, соответствующей времени работы ДПТ на реостатной характеристике. Через интервал времени tр,в размыкающий контакт КТ замкнется в цепи контактора КМ2, последний включится и своим главным контактом закоротит пусковой резистор Rд в цепи якоря. Двигатель выйдет на свою естественную характеристику, по которой и продолжит свой разбег до точки установившегося режима.

На рис. 3.40, б показаны графики изменения скорости, тока и момента ДПТ при пуске, построенные без учета электромагнитной инерции обмоток якоря и соответствующие статическим характеристикам ДПТ рис. 3.5. Переходный процесс имеет два участка: первый участок соответствует работе ДПТ на реостатной, а второй - на естественной характеристиках. Изменение скорости, тока и момента от времени происходит по экспоненте и соответствует формулам (1.37) и (1.38).

Схема типового узла пуска ДПТ в две ступени по принципу ЭДС приведена на рис. 3.41, а. В этой схеме катушки контакторов ускорения КМ1 и КМ2 включены непосредственно на якорь ДПТ и с помощью резисторов управления Ry1 и Ry2 настроены на срабатывание при определенной скорости.

Пуск двигателя осуществляется нажатием кнопки SB1, что приводит к срабатыванию линейного контактора КМ и подключению ДПТ к сети. Двигатель начинает разбег с включенными резисторами в цепи якоря Rд1+Rд2. По мере разбега ДПТ растет его ЭДС и соответственно растет напряжение на катушках контакторов КМ1 и КМ2. При скорости 1 срабатывает контактор КМ1, закорачивая своим контактом первую ступень пускового резистора Rд1. При скорости 2 срабатывает контактор КМ2, закорачивая вторую ступень пускового резистора Rд2. Двигатель выходит на естественную характеристику и заканчивает свой разбег в точке установившегося режима.

Кривые переходного процесса при пуске, соответствующие статическим характеристикам ДПТ рис. 3.8, показаны на рис. 3.41, б. Момент времени t1 соответствует срабатыванию контактора КМ1 и t2 - контактора КМ2.

Схема типового узла пуска двигателя в одну ступень в функции тока приведена на рис. 3.42. Для реализации принципа тока в схеме используется реле тока КА, катушка которого включена в цепь якоря ДПТ, а размыкающий контакт - в цепь питания контактора ускорения КМ2. Реле тока настраивается таким образом, чтобы его ток отпускания соответствовал току I2. В схеме используется также дополнительное блокировочное реле KV, которое выбирается таким образом, чтобы его собственное время срабатывания превосходило время срабатывания реле КА.

Работа схемы при пуске происходит следующим образом. Нажатие на кнопку SB1 приводит к срабатыванию контактора КМ1 и подключению ДПТ к сети, в результате чего он начинает свой разбег. Бросок тока в якорной цепи после замыкания главного контакта контактора КМ1 вызовет срабатывание реле тока КА, которое разомкнет свой размыкающий контакт в цепи контактора КМ2. Через некоторое время после этого срабатывает KV и замыкает свой замыкающий контакт в цепи контактора КМ2, подготавливая его к включению.

По мере разбега ДПТ ток якоря снижается до значения I2. При этом отключается реле тока и замыкает свой размыкающий контакт в цепи контактора КМ2. Последний срабатывает, его главный контакт закорачивает пусковой резистор Rд в цепи якоря, а вспомогательный контакт шунтирует контакт реле тока КА. Поэтому вторичное включение реле тока КА после закорачивания Rд не вызовет отключения контактора КА и ДПТ продолжает разбег по своей естественной характеристике.

б) Управление торможением и реверсом ДПТ

Схема управления пуском двигателя и динамическим торможением по принципу времени приведена на рис. 3.43. Для осуществления торможения в схеме предусмотрен резистор динамического торможения Rд2, включение и отключение которого осуществляется контактором торможения КМ2. Для реализации принципа, времени используется электромагнитное реле времени КТ, размыкающий контакт которого включен в цепь контактора торможения KМ2.

После подачи напряжения на схему происходит возбуждение ДПТ, а аппараты схемы остаются в исходном положении, изображенном на рис. 3.43. Пуск ДПТ осуществляется в одну ступень по принципу ЭДС, для чего в схеме используется контактор ускорения КМ1 и пусковой резистор Rд1. Порядок работы схемы при пуске аналогичен порядку работы схемы рис. 3.41, а.

Рассмотрим работу схемы при торможении, отметив вначале положение ее аппаратов после окончания пуска. Срабатывание линейного контактора КМ привело помимо включения ДПТ и шунтирования кнопки SB1 к замыканию цепи реле времени КТ и размыканию цепи контактора торможения КМ2. Замыкание контакта реле КТ в цепи контактора КМ2 подготавливает последний к включению в работу. Для осуществления торможения нажимается кнопка SB2. Контактор КМ теряет питание и отключает ДПТ от сети. Его размыкающий контакт в цепи контактора торможения КМ2 замыкается, последний срабатывает и своим главным контактом подключает резистор Rд2 к ДПТ, переводя его в режим динамического торможения. Одновременно размыкается замыкающий контакт контактора КМ в цепи реле времени КТ, оно теряет питание и начинает отсчет времени. Через интервал времени, который соответствует снижению скорости ДПТ до нуля, реле времени КТ отключается, и своим контактом разрывает цепь питания контактора КМ2, Резистор Rд2 отключается от якоря ДПТ, и схема возвращается в свое исходное положение.

Схема управления пуском и динамическим торможением по принципу ЭДС приведена на рис. 3.44. Она аналогична схеме рис. 3.43, за исключением того, что катушка контактора торможения КМ2 подключена к якорю ДПТ через размыкающий контакт контактора КМ.

Пуск ДПТ осуществляется по принципу ЭДС в одну ступень. При пуске и работе ДПТ контактор торможения КМ2 отключен размыкающим контактом КМ.

Торможение осуществляется нажатием кнопки 5.82. Контактор КМ, потеряв питание, отключает ДПТ от сети и замыкает своим размыкающим контактом цепь питания контактора КМ2. Последний срабатывает и подключает к ДПТ резистор динамического торможения Rд2. Процесс динамического торможения происходит до тех пор, пока при небольшой скорости ЭДС ДПТ не станет меньше напряжения отпускания контактора КМ2, тот отключится и схема вернется в исходное положение.

Схема управления пуском, реверсом и торможением противовключением в функции ЭДС приведена на рис. 3.45, а. Для обеспечения названных операций по управлению ДПТ в схеме предусмотрено два линейных контактора КМ1 и КМ2, обеспечивающих вращение ДПТ соответственно в условных направлениях «Вперед» и «Назад».

Главные контакты этих аппаратов образуют реверсивный мостик, с помощью которого можно изменить полярность напряжения на якоре ДПТ. В якорной цепи помимо пускового резистора Rд1 включен резистор противовключения Rд2, который управляется контактором противовключения КМЗ.

Управление ДПТ при торможении противовключением и реверс осуществляются с помощью двух реле противовключения KV1 и KV2. Их назначение заключается в том, чтобы в режиме противовключения обеспечить ввод в цепь якоря в дополнение к пусковому резистору Rд1 - резистор противовключения Rд2- Это достигается выбором точки присоединения катушек реле KV1 и KV2, расчет которой будет выполнен ниже. Рассмотрим работу схемы, считая, что реле противовключения настроены должным образом, и принимая момент нагрузки на валу ДПТ для определенности равным нулю.

Пуск ДПТ в любом направлении осуществляется в одну ступень в функции времени. При нажатии, например, кнопки SB1 срабатывает контактор КМ1 и подключает якорь ДПТ к сети. За счет падения напряжения на резисторе Rд2 от пускового тока срабатывает реле времени КТ, размыкая свой размыкающий контакт в цепи контактора ускорения КМ4. Включение КМ1 приводит также к включению реле KV1, которое, замкнув свой замыкающий контакт в цепи контактора КМЗ, вызовет его включение. Контактор КМЗ, включившись, закорачивает неиспользуемый при пуске резистор противовключения Rд2 и одновременно катушку реле времени КТ. Последнее, потеряв питание, начинает отсчет выдержки времени, после которой замкнет свой замыкающий контакт в цепи контактора ускорения КМ4. Тот срабатывает, зашунтирует пусковой резистор Rд1, и ДПТ выйдет на естественную характеристику.

Работу схемы рис. 3.45, а иллюстрирует рис. 3.45, б, на котором показаны электромеханические характеристики при различных полярностях напряжения на якоре и сопротивлениях добавочных резисторов. Пуск ДПТ в условном направлении «Вперед» происходит вначале по искусственной характеристике 2. По истечении выдержки времени реле КТ и срабатывании контактора КМ4 ДПТ переходит на свою естественную характеристику 1, по которой продолжает разбег до скорости 0.

Для осуществления торможения нажимается кнопка SB2, в результате чего отключаются контактор КМ1, реле KV1, контакторы КМЗ и КМ4 и включается контактор КМ2. Напряжение на ДПТ изменяет свою полярность, и ДПТ переходит в режим торможения противовключением с двумя резисторами в цепи якоря Rд1 и Rд2. Несмотря на замыкание контакта КМ2 в цепи реле KV2, оно в результате оговоренной выше настройки не включается и тем самым не дает включиться аппаратам КМЗ и КМ4 и зашунтировать резисторы Rд1 и Rд2.

Переход ДПТ в режим противовключения также показан на рис. 3.45, б (переход ДПТ с естественной характеристики 1 на искусственную характеристику 3). Во всем диапазоне скоростей 0<<0 на этой характеристике ДПТ работает в режиме противовключения.

По мере снижения скорости ДПТ растет напряжение на катушке реле KV2, и при скорости, близкой к нулю, оно достигает напряжения срабатывания. Если в этот момент отпускается кнопка SB2, то отключается контактор КМ2, схема возвращается в исходное положение и на этом процесс торможения ДПТ заканчивается.

Если же при достижении малых скоростей кнопка SB2 остается нажатой, то включается реле KV2 и повторяется процесс пуска ДПТ, но уже в противоположную сторону. Таким образом, реверсирование ДПТ включает в себя два этапа - торможение противовключением и пуск в противоположном направлении. Второй этап реверса также отображен на рис. 3.45, б (переход ДПТ с характеристики 3 на характеристику 4, соответствующую обратной полярности напряжения на ДПТ и наличию в якоре добавочного резистора Rд1).