Регулирование координат электропривода в системе преобразователь напряжения-двигатель

а) Схема включения и характеристики АД

Одним из возможных способов регулирования координат АД является изменение напряжения на выводах его статора, при этом частота такого напряжения постоянна и равна частоте сети переменного тока. На рис. 4.13, а приведена схема электропривода при реализации этого способа. Между выводами питающей сети и статора АД включен преобразователь напряжения, при использовании которого может изменяться напряжение, подводимое к статору АД.

Возможность регулирования координат АД с помощью изменения напряжения следует из анализа формулы (4.7), согласно которой путем регулирования фазного напряжения U_ф можно изменять критический (максимальный) момент АД и получать тем самым искусственные характеристики. Критическое скольжение АД и его синхронная скорость от напряжения не зависят и остаются неизменными при его регулировании.

На рис. 4.13, б приведены механические характеристики АД при регулировании напряжения на выводах его статора. Как видно из этих графиков, получаемые искусственные характеристики оказываются малопригодными для целей регулирования скорости, так как по мере уменьшения напряжения резко снижаются критический момент АД и его перегрузочная способность, а диапазон регулирования скорости очень мал.

По этим причинам разомкнутая схема рис 4.13, а может использоваться лишь для регулирования момента АД и его тока, который в соответствии с формулой (4.1) пропорционален напряжению статора. Для регулирования скорости АД создаются замкнутые системы, одна из которых рассмотрена ниже.

б) Система тиристорный преобразователь — двигатель

Для регулирования напряжения на выводах статора АД могут использоваться различные устройства — автотрансформаторы, магнитные усилители и тиристорные преобразователи напряжения (ТПН). Последний вид регуляторов напряжения — ТПН получил в настоящее время наибольшее распространение и серийно выпускается промышленностью [41]. Определяется это рядом достоинств ТПН. высоким КПД, простотой в обслуживании, легкостью автоматизации работы электропривода.

На рис 4.14, а приведена силовая часть схемы регулирования напряжения на однофазной нагрузке Z_н. Если на тиристоры VS1 и VS2 не подаются импульсы управления от СИФУ (на схеме не показана), то они закрыты и напряжение на нагрузке U_н равно нулю. При подаче на тиристоры импульсов управления в момент их естественного открытия (угол управления =0) они будут полностью открыты и к нагрузке будет приложено все напряжение сети U₁. Если осуществлять подачу импульсов управления на тиристоры с некоторой задержкой относительно момента естественного открытия (угол управления 0), то к нагрузке будет прикладываться часть напряжения сети. Изменяя угол управления от нуля до, можно регулировать напряжение на нагрузке от полного напряжения сети до нуля.

Существенно отметить, что форма напряжения на нагрузке является несинусоидальной. Несинусоидальное напряжение можно представить как совокупность нескольких синусоидальных напряжений, каждое из которых изменяется с определенной частотой. Из приведенных рассуждений вытекает следующий вывод: кривую напряжения на нагрузке при работе схемы рис 4.14, а можно разложить на отдельные составляющие, причем частота изменения первой из них равна частоте питающего напряжения, а частоты других составляющих больше, чем первой. Указанная первая составляющая называется 1-й или основной гармоникой, а все другие составляющие называются высшими гармониками. Обычно 1-я гармоника имеет наибольшую амплитуду и по ней ведутся все основные расчеты.

Показанное на рис 4.14, а соединение тиристоров называется встречно-параллельным. Оно обеспечивает поочередную работу каждого из тиристоров в течение одного полупериода частоты сети. Такие пары встречно-параллельно соединенных тиристоров используются и для регулирования напряжения трехфазного АД. Отметим, что иногда вместо такой пары тиристоров используется симметричный тиристор (симистор), обеспечивающий такой же принцип действия преобразователя напряжения.

На рис. 4.14, б приведена практическая схема управления АД с помощью ТПН, состоящего из трех пар встречно-параллельно соединенных тиристоров, каждая из которых включена между фазой сети и фазой статора АД. Регулирование напряжения на АД в этой схеме осуществляется, как и в схеме на рис. 4.14, а, изменением угла управления, т. е. сдвигом во времени управляющих импульсов, подаваемых на управляющие электроды тиристоров.

Управляющие импульсы подаются на все тиристоры не одновременно, а со сдвигом во времени на третью часть периода частоты сети. Это определяется тем, что управляющий импульс каждого тиристора должен быть сдвинут относительно напряжения той фазы сети, к которой подключен тиристор, на один и тот же угол управления, a фазные напряжения сети сдвинуты относительно друг друга на 120°.

При изменении угла управления изменяется напряжение на фазах АД аналогично тому, как это было рассмотрено для однофазной цепи, а именно: при увеличении угла амплитуда 1-й гармоники напряжения уменьшается. На рис. 4.14, б приведены механические характеристики АД, каждая из которых соответствует одному значению угла управления. Эти характеристики аналогичны показанным на рис. 4.13, б, соответствующим случаю питания АД от идеального источника изменяющегося синусоидального напряжения.

Возникающие на выходе ТПН высшие гармоники напряжения оказывают определенное влияние на работу АД. В частности, каждая гармоника напряжения определяет прохождение дополнительного тока в обмотках АД, который вызывает соответствующие дополнительные потери в обмотках. Анализ показывает, что при питании АД от ТПН по схеме рис. 4.14, б потери на 10−20% больше, чем при питании АД от источника изменяющегося синусоидального напряжения. Вместе с тем следует отметить, что высшие гармоники напряжения оказывают незначительное влияние на момент АД.

Как уже отмечалось, характеристики, приведенные на рис. 4.14, в, мало удовлетворяют целям регулирования скорости АД. Из графиков следует, что с увеличением угла управления снижается критический момент АД и падает жесткость его механических характеристик. Вследствие этого при возможных колебаниях момента сопротивления механизма М_с скорость его движения может резко измениться, что в большинстве случаев недопустимо.

Действительно, пусть, например (рис. 4.14, в), момент сопротивления на валу АД равен M_c1. Если угол управления равен 75°, то рабочая точка электропривода находится в положении 1. Предположим, что по каким-то причинам увеличился момент нагрузки на валу АД до значения M_c2. Двигатель при этом начнет замедляться и в конечном итоге остановится, так как его критический момент меньше момента сопротивления M_c2. В то же время по условиям производственного процесса допустимо уменьшение угловой скорости только до значения ₂. Очевидно, что для выполнения этого требования должен быть уменьшен угол до 60°, при этом момент АД увеличится и рабочая точка электропривода переместится в положение 2.

Высказанные соображения показывают, что для получения благоприятных механических характеристик АД, управляемого с помощью ТПН, необходимо регулировать угол в зависимости от изменения момента М_с нагрузки. Такое регулирование можно осуществить вручную, когда за работой электропривода наблюдает оператор, который при недопустимых колебаниях скорости производственного механизма регулирует положение определенной рукоятки управления, изменяющей угол. Однако наиболее просто и с лучшими результатами эти функции могут выполнить системы автоматического регулирования, которые без участия человека обеспечивают поддержание скорости АД на заданном уровне.

Рассмотрим для примера принцип действия широко распространенной системы автоматического регулирования скорости АД с контактными кольцами, в которой используется обратная связь по скорости АД. Принципиальная электрическая схема этой системы показана на рис. 4.15, а.

Между выводами сети и статора АД включены три пары встречно-параллельно соединенных тиристоров: VS1, VS2, VS3, VS4, VS5, VS6. Управляющие электроды тиристоров подсоединены к выходам СИФУ, которая распределяет управляющие импульсы на все тиристоры и осуществляет их сдвиг в зависимости от сигнала управления U_у. К валу АД подсоединен тахогенератор BR, ЭДС е_тг которого пропорциональна скорости, где — коэффициент пропорциональности. Электродвижущая сила тахогенератора сравнивается с задающим напряжением U_{з, с}, снимаемым с задающего потенциометра ЗП, причем эти напряжения включены навстречу друг другу. Разность напряжений U_{з, с} и е_тг, равная напряжению управления.

(4.25).

поступает на вход СИФУ.

Рассмотрим работу схемы на рис. 4.15, а при увеличении нагрузки на валу АД. Пусть при скорости АД ₁ таким образом подобраны задающий сигнал U_{з, с} и сигнал обратной связи е_тг, что угол управления равен 75° (см. рис 4.14, в) Тогда при моменте сопротивления M_с1 АД будет работать в точке 1. При увеличении нагрузки на валу АД до значения М_с2 скорость АД начнет снижаться, соответственно начнет уменьшаться и ЭДС тахогенератора е_тг~. Уменьшение е_тг вызывает согласно (4.25) увеличение напряжения управления U_y, что определит уменьшение с помощью СИФУ угла управления до значения =60°. Двигатель при этом станет работать в точке 2 на характеристике, соответствующей =60°. При этом угловая скорость ₂ будет меньше, чем ₁, однако путем соответствующего выбора тахогенератора и параметров СИФУ можно получить достаточно жесткие механические характеристики, например характеристику вида 1-2, показанную на рис. 4.14, в.

Изменяя с помощью потенциометра ЗП значение задающего напряжения U_{з, с}, можно получить ряд механических характеристик электропривода, показанных на рис. 4.15, б. Из рис. 4.15, б следует, что эти характеристики имеют относительно высокую жесткость и перегрузочную способность и позволяют обеспечить большой диапазон регулирования скорости АД.

Кроме регулирования скорости АД включение тиристоров в цепь статора позволяет осуществить изменение направления скорости, т. е. реверс АД. На рис. 4.16, а приведена реверсивная схема управления АД, осуществляемая с помощью пяти пар встречно-параллельно соединенных тиристоров. Если сигналы управления подать на тиристорные пары 1, 2 и 3, то на выводах АД будет питающее напряжение с последовательностью фаз сети АВС и АД будет вращаться, например, по часовой стрелке. Если же сигналы управления подать на тиристорные пары 4, 5 и 3, а с тиристорных пар 1 и 2 снять сигналы управления, то на выводах АД будет другая последовательность фаз сети — ВАС; при этом направление угловой скорости магнитного поля и соответственно ротора АД изменится на обратное.

Используя тиристоры реверсивного ТПН, можно обеспечить подачу в цепь статора постоянного тока и осуществить тем самым режим динамического торможения АД. На рис. 4.16, б показаны тиристоры, на которые при осуществлении динамического торможения подаются импульсы управления. На остальные тиристоры управляющие импульсы не подаются. Поэтому такие тиристоры не влияют на работу схемы, и их можно исключить из рассмотрения. На рис. 4.16, б представлена схема, составленная из схемы рис. 4.16, а таким образом, что закрытые тиристоры не изображены. Из схемы рис. 4.16, б ясно видно, что включенные тиристоры образуют однофазный управляемый мост, с помощью которого по двум обмоткам статора АД проходит постоянный ток I_п, что и определяет режим динамического торможения.

Из изложенного следует, что с помощью ТПН можно осуществить пуск, реверсирование, торможение и регулирование скорости, тока и момента АД. Это говорит о больших возможностях использования асинхронного электропривода с ТПН и определяет широкую область его приме нения.

Основными достоинствами рассматриваемой системы электропривода являются ее относительная простота, надежность, легкость автоматизации в общей технологической схеме производства, удобство управления. Вместе с тем эта система электропривода имеет существенный недостаток, заключающийся в больших потерях в обмотке ротора при работе на низких скоростях. Действительно, согласно (4.15) электрические потери в роторе при низких скоростях и, следовательно, больших скольжениях могут быть весьма высокими, что уменьшает КПД электропривода. Отмеченный недостаток не является очень серьезным в том случае, когда время работы АД на пониженной скорости мало по сравнению со временем цикла его работы. Для примера назовем механизм передвижения (тележку) электрических кранов, где пониженная скорость АД используется для точной остановки тележки с грузом. В этих случаях рассматриваемая система электропривода оказывается целесообразной.

Остановимся кратко на основных показателях регулирования данной системы электропривода.

Диапазон регулирования скорости при использовании обратных связей, например по скорости, относительно высок и достигает десяти. При использовании обратных связей могут быть получены жесткие характеристики.

Экономичность регулирования зависит от конкретных условий работы электропривода. В частности, если время работы на пониженной скорости невелико по сравнению с временем цикла, то экономичность может быть высокой.

Регулирование скорости АД в этой системе плавное и производится только вниз от естественной (основной) характеристики.

в) Расчет механических характеристик АД при его питании от ТПН

Механические характеристики АД при питании его от ТПН могут быть рассчитаны и построены на основании следующего соотношения:

(4.26).

где М_гр — момент на граничной характеристике при данном скольжении s, соответствующий углу управления тиристоров =0;U₁-1-я гармоническая составляющая напряжения на выводах АД.

Если не учитывать активное сопротивление ТПН, что в дальнейшем и принимается, то граничная характеристика при R_д2=0 совпадает с естественной, а при R_д20 — с реостатной характеристиками АД.

Напряжение U₁ зависит от угла управления тиристорами и так называемого угла нагрузки, который характеризует АД как активно-индуктивную нагрузку ТПН и определяется схемой замещения АД,.

(4.27).

где x_{д, вэ}, R_дв — эквивалентные активное и индуктивное сопротивления фазы двигателя по отношению к выводам статорной обмотки; R₁ — суммарное сопротивление фазы статора, — приведенное суммарное сопротивление фазы ротора, x — индуктивное сопротивление цепи намагничивания.

Из (4.27) следует, что угол нагрузки зависит от скольжения s. Графически типовая зависимость (s), рассчитанная по (4.27), показана на рис. 4.17, а. На рис. 4.17, б показаны зависимости U₁ от и, которые аналитически не выражаются.

Порядок расчета механических характеристик АД при его питании от ТПН состоит в следующем. Задаются рядом значений скольжения s. Для этих значений по граничной характеристике определяется момент М_гр, а по (4.27) — угол нагрузки. Далее для заданного угла управления и известным значениям по кривым рис. 4.17, б определяется величина U₁/U_1ном и затем с помощью (4.26) находятся значения момента двигателя М.