Если учесть, что , то поэтому

Если выразить L₁, L₂, L₁₂ через индуктивные сопротивления

и учесть что и , получим

где , ибо в нормальных АД и и величиной можно пренебречь.

Здесь a₁ и a₂ - коэффициенты затухания, причем как видно из полученных соотношений a₁<a₂ , а их отношение .

Для нахождения оригиналов, т.е. действительных значений токов и , будем иметь в виду, что при обозначении р₁=-a₁ и p₂=-a₂ принимаются во внимание точные значения р₁ и р₂ , соответствующие выражению 1 . т.о.

 

 

 

Из этих выражений видно, что вектор каждого тока, кроме установившейся составляющей, изменяющейся с частотой w_0эл, содержит 2 свободные составляющие, затухающие с коэффициентами затухания a₁ и a₂.

Для вычисления момента двигателя необходимо найти комплексно-сопряженный вектор тока ротора . С этой целью в выражении для перед всеми ставится знак минус. Подставив найденное значение и значение тока в выражение электромагнитного момента, получим его составляющие, обусловленные взаимодействием составляющих токов. Если для примера найти установившееся значение пускового момента двигателя, пропорциональное мнимой части произведения первых членов уравнений для и , выразить индуктивности через индуктивные сопротивления, то имея в виду, что амплитуда U_1M двухфазной машины связана с амплитудой U_1M трехфазного напряжения коэффициентом , получим

 

Если сюда подставить значения a₁ и a₂ из выражения 1 и выполнить некоторые преобразования с учетом того, что и , получим значение пускового момента

Полное выражение пускового момента имеет вид

 

Здесь 7 составляющих момента.

Первая - установившийся для данной угловой скорости момент, соответствующий его статической механической характеристике. Следующие две составляющие – апериодические свободные составляющие. Следующие четыре составляющие - периодические составляющие, обусловленные взаимодействием затухающих апериодических (свободных) составляющих с принужденными токами, обусловленными действием напряжения сети. Поэтому они имеют угловую частоту напряжения сети w_0эл. Апериодические (свободные) составляющие момента обусловлены взаимодействием свободных токов.

Поскольку, как показано ранее, a₁<a₂ , то характер изменения момента определяется главным образом переменными составляющими момента, затухающими с коэффициентом a₁ . Логарифмический декремент затухания для этих составляющих

т.к.

Т.к. x₁<x₁+x_m на порядок, а S_kp=0,1-0,5 , то для колебательной составляющей равен десятым долям единицы. Это значит, что за время затухания совершается десятки колебаний

периодической составляющей момента, которая суммируясь с М_уст, создает пики пускового момента, превышающие статический пусковой момент в несколько раз.

Для иллюстрации на рис. приведены кривые переходного процесса к.з. АД при пуске вхолостую, которые отражают рассмотренное влияние электромагнитной инерции, т.е. электромагнитных переходных процессов. Тут же приведена динамическая механическая характеристика двигателя (кривая 1), построенная на основе зависимостей M=f(t) и w=f(t). Еще большие пики момента имеют место при противовключении двигателя с незатухающим полем. Т.о. электромагнитная инерция исключает возможность нарастания момента скачком и существенно ухудшает характер процесса пуска, вызывая большие и многократно повторяемые пики, ускоряющие износ самого двигателя и механического оборудования.

Исследования показывают, что к моменту выхода к.з. АД на устойчивую часть статической механической характеристики (S<S_kp) электромагнитные переходные процессы, обусловленные подключением двигателя к сети, практически затухают. В этом случае дальнейший процесс увеличения скорости до w₀ (при М_с=0) протекает следующим образом. При S<S_kp токи в обмотках статора машины, определяемые по статической электромеханической характеристике (см. рис. ) , резко меняются по величине с изменением скорости. Однако, в следствии влияния индуктивности обмоток токи ротора не успевают измениться в соответствии с данной характеристикой. Чем жестче рабочий участок статической механической характеристики и чем меньше приведенный момент инерции, тем в большей степени изменение токов будет отставать от изменения скорости. В результате при w=w₀ в процессе пуска вхолостую токи могут быть не равными нулю, поэтому не будет равен 0 и момент. И ротор разгоняется до скорости, превышающей синхронную. Момент становится тормозным, скорость начнет уменьшаться и т.д. (см. кривую 1- динамическую характеристику). Поэтому в конце переходного процесса изменение w и М двигателя имеет затухающий колебательный характер. Чем мягче рабочий участок статической механической характеристики и чем больше момент инерции ротора, тем меньше амплитуда этих колебаний. Практически эти колебания в конце переходного процесса возникают не всегда.

Рассмотренные особенности переходных процессов к.з. АД относятся к числу его существенных недостатков и снижают надежность его работы. Снижения переходных составляющих тока и момента можно достичь путем ограничения темпа нарастания напряжения, приложенного к двигателю при пуске, что осуществляется применением тиристорных регуляторов напряжения, тиристорных преобразователей частоты.

 

Регулирование координат электропривода

Требования к координатам электропривода и формированию его статических и динамических характеристик

 

Электрический привод служит не только для приведения в движение рабочих органов механизма, но и управляет технологическим процессом приводимого в движение механизма. При управлении технологическим процессом требуется не только поддерживать на заданном уровне такие переменные, как момент двигателя, скорость и ускорение механизма, или изменять их по заданным законам с требуемой по условиям технологии точностью, но одновременно и ограничивать эти переменные уровнем, допустимым по условиям технологии или прочности механического оборудования.

Управление движением электропривода и технологическим процессом установки, как правило, требует регулирования нескольких координат, различных на разных этапах работы – момента или тока, скорости, ускорения, положения.

В зависимости от задач управления электроприводом и механизмом регулирование координат (переменных) может осуществляться с целью:

а) поддержания заданного уровня переменной;

б) изменения переменной по требуемому закону;

в) ограничения переменной допустимым значением;

г) отработки законов движения, задаваемых на входе системы с требуемой точностью.

Возможные способы управления переменными можно разделить на две группы:

а) параметрические способы, используемые в разомкнутых системах;

б) способы автоматического управления, основанные на изменении подводимого к двигателю напряжения, а для двигателей переменного тока еще и частоты при использовании обратных связей, что имеет место в замкнутых системах.

Хотя параметрические способы, основанные на изменении параметров цепей двигателей, широко и применяются в современном электроприводе, однако возможности их ограничены, т.к. во многих случаях при параметрическом регулировании нельзя обеспечить требуемые режимы работы и показатели. Поэтому область использования разомкнутых систем электропривода сужается и они заменяются замкнутыми системами с обратными связями.

Автоматическое регулирование переменных осуществляется по отклонению переменной от заданного значения с помощью отрицательной обратной связи по регулируемой переменной и регулирование по возмущению, предполагающее компенсацию влияния возмущения на регулируемую переменную с помощью положительной обратной связи. Основным является регулирование по отклонению.

Основные показатели способов регулирования координат электропривода

 

Для сопоставления между собой возможных способов регулирования координат используются следующие обобщенные показатели регулирования:

1. Точность (стабильность регулирования).

2. Диапазон регулирования.

3. Плавность регулирования.

4. Динамические показатели.

5. Экономичность регулирования.

6. Допустимая нагрузка при регулировании.

Точность регулирования или иначе точность поддержания заданной переменной определяется возможными отклонениями ее от заданного значения под действием возмущающих факторов, например, изменении нагрузки при регулировании скорости, изменении скорости при регулировании момента и т.п. В разомкнутых системах оценкой точности может служить отношение наибольшего отклонения регулируемой величины, например, скорости, к среднему значению

 

Чем жестче зависимость Х от F_в, тем точнее регулирование.

Диапазон регулирования характеризует пределы изменения средних значений переменной Х_ср , возможные при данном способе регулирования

Обычно Д обозначается в числах, например . Верхний предел регулирования переменной ограничивается максимально допустимым или максимально реализуемым значением переменной, а нижний предел – необходимой точностью поддержания заданной переменной или минимально реализуемыми значениями переменной при данном способе регулирования.

Например, верхний предел регулирования скорости двигателя ограничивается механической прочностью якоря или ротора, а для двигателей постоянного тока еще и условиями коммутации. Нужно иметь в виду, что снижать среднее значение регулируемой переменной нельзя, поскольку возрастает относительная ошибка регулирования Dх*_макс. Если показанное на рис. значение х_ср.мин считать минимально допустимым по условиям точности регулирования, то ему при заданной допустимой относительной ошибке Dх*_доп соответствует соотношение

Плавность регулирования характеризуется числом дискретных (промежуточных) значений регулируемой переменной, получаемых при данном способе регулирования в диапазоне регулирования. Она тем выше, чем меньше скачок переменной при переходе от данного ее значения к ближайшему возможному значению. Иногда для оценки плавности используется понятие коэффициента плавности, под которым понимается отношение двух соседних ступеней (значений) переменной

или

Чем ближе к_пл к 1 , тем плавнее регулирование.

При автоматическом регулировании координат электропривода важное значение имеют динамические показатели качества регулирования, оцениваемые по характеру переходного процесса при скачке управляющего воздействия. Главным показателем быстродействия, непосредственно влияющим на производительность ряда механизмов, является время пуска и торможения электропривода. Быстродействие характеризуется такими показателями, как время запаздывания t_з, время регулирования t_р, за которое переменная первый раз достигает установившегося значения х_уст, время максимума t_макс, общее время переходного процесса t_пп, за которое затухают все его свободные составляющие.

Перерегулирование или динамическая ошибка характеризуется максимальным отклонением от х_уст при t_макс, отнесенным к установившемуся значению регулируемой переменной

 

Колебательность характеризуется наименьшим значением логарифмического декремента, соответствующего комплексно – сопряженным корням характеристического уравнения системы или частотным показателем колебательности.

Экономичность регулирования оценивается по первоначальным капитальным затратам, связанным с созданием данной системы электропривода и по эксплуатационным расходам на электроэнергию, оцениваемым главным образом по таким показателям, как КПД и коэффициент мощности при регулировании скорости. При оценке экономической эффективности должны учитываться не только указанные факторы, но и то, что дополнительные затраты и эксплуатационные расходы на создание более совершенной системы регулирования должны окупиться повышением производительности и надежности работы установки, а также улучшением качества продукции.

Одной из главных переменных, необходимость регулирования которой диктуется технологическими требованиями, в большинстве случаев является скорость электропривода. Необходимо знать, какие механические нагрузки могут быть допустимы на валу двигателя. Поэтому одним из важнейших показателей является допустимая нагрузка. Необходимость ее оценки возникает в связи с тем, что М_с приводимого механизма в общем случае также зависит от скорости.

Допустимая нагрузка зависит от метода регулирования скорости, ограничивается нагревом двигателя, вызванным потерями энергии. Они же определяются величиной потребляемого тока. Обычно считается, что двигатель работает нормально, если при продолжительной нагрузке токи в цепях его обмоток не превышают номинального значения. В этом случае двигатель не нагревается выше допустимой температуры. Для определения допустимой нагрузки (допустимого момента) необходимо найти его величину, соответствующую номинальному току главной цепи двигателя при различных скоростях и тем самым установить зависимость М_доп=f(w).

Весьма существенным является обеспечение соответствия закона изменения М_с и характера зависимости предельно допустимого по условиям нагрева момента двигателя от скорости М_доп=f(w). Рациональное использование двигателя при регулировании скорости будет иметь место в том случае, когда эквивалентный момент двигателя по нагреву при изменении рабочей скорости будет меняться по такому же закону, что и М_с. При отсутствии такого совпадения двигатель будет плохо использоваться в тепловом отношении в одной части диапазона изменения скорости и может оказаться перегруженным в другой .

Момент и мощность, развиваемая двигателем, зависит от метода регулирования. Регулирование возможно при постоянстве момента и при постоянстве мощности, т.е. различаются две зоны регулирования. Зона I (см. рис. ) соответствует регулированию с постоянным моментом. При номинальном токе и постоянном потоке

Мощность Р₂ на валу двигателя в этой зоне изменяется по линейному закону, т.е. она пропорциональна скорости .

Зона II соответствует регулированию с постоянной мощностью. В этом случае с увеличением скорости момент изменяется (необходимо регулировать) по закону гиперболы

.

 

Системы управляемый преобразователь – двигатель (УП – Д).

 

При автоматическом регулировании координат эл.привода в качестве управляющего воздействия может быть выбран любой параметр, оказывающий влияние на регулируемую переменную. В случае электроприводов постоянного тока наиболее высокая управляемость обеспечивается изменением напряжения, подводимого к якорной цепи двигателя при Ф=const, а в случае асинхронных и синхронных эл.приводов – изменением частоты и величины приложенного напряжения. Для реализации этих возможностей питание двигателя должно осуществляться от управляемого источника.

Для питания двигателей постоянного тока в качестве такого источника используется генераторы постоянного тока или статические (тиристорные) преобразователи переменного тока в постоянный, а для частотного управления асинхронных или синхронных двигателей – синхронные генераторы, тиристорные или транзисторные преобразователи частоты. Получающиеся во всех этих случаях системы эл.привода с управляемым индивидуальным источником питания, называются системами УП-Д (управляемый преобразователь – двигатель).

 

Система генератор – двигатель (ГД).

 

В системе ГД в качестве управляемого преобразователя используется генератор постоянного тока независимого возбуждения, приводимый во вращение асинхронным или синхронным двигателем. Принципиальная схема системы изображена на рис. В качестве приводного двигателя рабочей машины используется ДНВ.

Пуск системы осуществляется включением сетевого (гонного) двигателя, вращающего генератор. Приводной двигатель перед этим должен быть полностью возбужден, т.е. его магнитный поток должен быть номинальным. Напряжение на обмотке возбуждения генератора ГПТ должно быть равно 0. При подаче напряжения на обмотку возбуждения генератора и его увеличении, он будет развивать ЭДС, появится напряжение на якоре ДПТ и последний будет разгоняться. При номинальном возбуждении генератора напряжение на якоре ДПТ номинальное.

В случае гонного АД с увеличением нагрузки на валу приводного ДПТ возрастает тормозной момент ГПТ, что приводит к снижению скорости гонного АД, следовательно, снижению скорости ГПТ и его ЭДС, что сказывается и на скорости ДПТ. В мощных электроприводах по системе ГД это снижение составляет (1,5¸2)%.

Преимуществом асинхронного гонного двигателя является простота, надежность, малая колебательность. Достоинством гонного синхронного двигателя является его меньшая критичность к колебаниям напряжения сети, возможность работать с опережающим током. Обычно СД используется при мощностях генератора в сотни и тысячи кВт.

Питание обмотки возбуждения ГПТ в современных системах ГД, осуществляется от тиристорного или транзисторного ТВ. Основным видом ТВ является тиристорный преобразователь с раздельным управлением комплектами вентилей. Зависимость выходного напряжения управления U_У изображена на рис. Ее рабочий участок без особой погрешности можно считать линейным. Динамические процессы ТВ описывается уравнением.

, где

- коэффициент усиления тиристорного возбудителя по напряжению.

Пренебрегая гистерезисом магнитной цепи генератора и считая его ненасыщенным, для линейного участка зависимости E_Г=f(U_ВГ), можно написать:

, где -при w_Г=const;

 

Уравнение механической характеристики двигателя в системе ГД можно получить из уравнения равновесия ЭДС в якорной цепи.

 

, где е_Г и е -соответственно ЭДС генератора и противо ЭДС двигателя.

Т.к. , где Ф – поток двигателя

то .

Здесь

Выразив ток i_я через момент двигателя получим: или

Здесь b – модуль статической жесткости механической характеристики двигателя в системе ГД.

Уравнение механической характеристики двигателя для статического режима можно представить в виде: или или

Здесь Ф_НД – номинальный поток двигателя.

Семейство механических характеристик двигателя в системе ГД, соответствующее различным значениям ЭДС генератора при синхронном гонном двигателе, изображено на рис.

Жесткость основной характеристики двигателя ~ в 2 раза меньше, чем при питанием его от сети с U=const, вследствие того, что в якорной цепи кроме сопротивления якоря двигателя имеется еще и сопротивление якоря генератора, а они ~ одинаковы, т.к. мощность генератора лишь немногим больше мощности двигателя. Но скорость идеального холостого хода, двигателя в разомкнутой системе ГД больше, чем при питании двигателя от сети с U=const, т.к. номинальная ЭДС генератора, определяющая w₀ двигателя, больше, чем номинальное напряжение двигателя, определяющее w₀ при питании его от сети, т.е.

, ибо

.

Характеристика двигателя при питании его от сети с U=U_H изображена пунктиром.

Изменяя поток возбуждения генератора, следовательно, его ЭДС, можно осуществить непрерывное плавное управление моментом и скоростью электропривода во всех 4-х квадрантах координатной системы при b=const. На рис. показано в 1-м квадранте семейство характеристик при Е_Г=var. В разомкнутой системе ГД за счет изменения Е_Г можно получить диапазон регулирования скорости двигателя примерно 10:1. Изменяя же поток двигателя, можно увеличить скорость примерно еще в 3 раза. Т.о. общий диапазон регулирования скорости в такой системе примерно 30:1. На рис. показаны характеристики двигателя и в зоне изменения Ф_ДВ. Они расположены выше основной и жесткость их изменяется.

Механические характеристики двигателя в системе ГД при асинхронном гонном двигателе будут не параллельны, т.к. при изменении нагрузки на валу приводного двигателя будет изменяться скорость гонного двигателя, следовательно и ЭДС генератора, что сказывается и на скорости приводного двигателя. Обычно непараллельностью характеристик при расчетах пренебрегают.

Двигатель в системе ГД может работать во всех режимах. Двигательному режиму соответствует область, заштрихованная в 1 и 3 квадрантах. Режиму динамическому торможению соответствует одна характеристика, проходящая через начало координат. Режиму противовключения соответствует область между осью моментов и характеристикой динамического торможения во 2 и 4 квадрантах.

Генераторному режиму с рекуперацией энергии в сеть соответствует область во 2 и 4 квадрантах, заключенная между осью скоростей и характеристикой динамического торможения.

Основным способом торможения двигателя в системе ГД является торможение с отдачей энергии в сеть. Если уменьшать или снять возбуждения генератора, то ЭДС двигателя станет больше ЭДС генератора. Двигатель превратиться в генератор. Ток в якорной цепи определяемый разностью: изменит направление на противоположное. Генератор превратиться в двигатель, работающий с ослабленным магнитным потоком. Скорость его увеличится и он будет раскручивать гонный двигатель со сверхсинхронной скоростью. Гонный двигатель превращается в генератор. Он будет отдавать в сеть активную энергию, потребляя из сети реактивную энергию.

Кинетическая энергия вращающихся инерционных масс приводным двигателем преобразуется в электрическую, поскольку он теперь работает генератором. В сеть отдается эта энергия за исключением потерь, имеющих место во всех элементах электропривода.

С помощью приведенных выше уравнений динамики для цепи возбуждения генератора, тиристорного возбудителя, уравнения механической характеристики двигателя и уравнения движения электропривода при жестких механических связях, можно построить структурную схему системы ГД, которая имеет вид.

Отпираясь на ранее сделанный анализ переходных процессов в эл.приводе с линейной механической характеристикой при или , можно сказать, что если изменять U_У по закону, обеспечивающему линейное нарастание ЭДС генератора, то в системе ГД и зависимости и будут иметь при прочих равных условиях тот же характер, как и в случае . Отличие структуры системы ГД от рассмотренной ранее структуры разомкнутой системы является наличие в цепи формирования управляющего воздействия 2-х инерционных звеньев с постоянным Т_ТВ и Т_Г=Т_В. При вентильном возбуждении Т_ТВ@0,01с, а Т_В=(1¸4)с. Поэтому величиной ТВ можно пренибречь и структурную схему системы ГД представить в виде:

Из нее следует, что при изменении управляющего воздействия скачком ЭДС генератора и скорость w0 двигателя в системе ГД изменяются по закону, определяемому переходной функцией апериодического звена с постоянной Т_Г=Т_В.

Достоинства системы ГД:

1. Отсутствуют громоздкие пусковые реостаты и потери в них.

2. Управление процессами перенесено в цепи возбуждения, имеющие небольшие токи, что облегчает и удешевляет аппаратуру.

3. Сравнительно высокий диапазон регулирования.

Недостатки системы ГД:

1. Высокая установленная мощность, превышающая в 3 раза мощность приводного двигателя.

2. Сравнительно низкий КПД, равный .

3. Повышенная крутизна механических характеристик.

4. Высокая первоначальная стоимость машинного оборудования.

 

Расчет статических электромеханических и механических

характеристик в системе ГД

 

Расчет характеристик двигателя в системе ГД без обратных связей можно выполнить используя уравнения: и

Порядок расчета следующий:

1. Определяется номинальная ЭДС генератора, соответствующая номинальной нагрузке

2. Определяется w₀ двигателя, соответствующая основной характеристике: .

3. По уравнению электромеханической или механической характеристики находится скорость двигателя при номинальной нагрузке (при I_H или М_Н). Через 2 точки с координатами ; или и ; проводится основная характеристика.

4. Для расчета характеристик, соответствующих другим w₀, определяется ЭДС генератора при заданных скоростях w_Х двигателя и соответствующая этой ЭДС скорость w_0Х: . Далее расчет ведется в соответствие с п.3.

5. Определяется поток возбуждения генератора, создающий ЭДС E_ГХ: , где .

w_Г – скорость вращения генератора.

N, r_П, а – число витков обмотки якоря, число пар полюсов и число пар параллельных ветвей обмотки якоря генератора.

6. По кривой намагничивания генератора находятся соответствующий потоку Ф_ГХ ток возбуждения I_ВХ или .

7. Рассчитывается необходимое напряжение возбуждения

, где , если зависимость потока от тока дана в относительных единицах.

 

Система тиристорный преобразователь – двигатель (ТП – Д).

 

В системе ТП – Д двигатель постоянного тока независимого возбуждения питается от тиристороного преобразователя. Принципиальная схема системы изображена на рис.

Среднее значение выпрямленного напряжения ТП.

, где

U2 – действующее значение фазного напряжение вторичной обмотки питающего трансформатора (или сети в бестрансформаторных схемах).

m – число пульсаций выпрямленного напряжения;

a - угол задержки открывания тиристоров;

Ud₀ – максимальное значение среднего выпрямленного напряжения при a=0.

Кривые выпрямленного напряжения с учетом явления коммутации вентилей, характеризуемой углам g, изображены на рис

Зависимость ЭДС ТП от напряжения управления U_у при линейной характеристике СИФУ представлена на следующем рисунке. При ее замене линеаризованной ТП как динамическое звено системы электропривода в режиме непрерывного тока описывается уравнением , где - коэффициент усиления ТП по напряжению; - малая постоянная времени ТП, учитывающая дискретность, запаздывание и наличие фильтров в СИФУ.

Уравнение электрического равновесия в якорной цепи системы ТП-Д

, где

 

Здесь R_я – сопротивления якорной цепи двигателя;

- индуктивное сопротивление фазы трансформатора, обусловленное полями рассеяния, а х₂ и х₁ – индуктивные сопротивления рассеяния вторичной и первичной обмоток трансформатора;

R_др – сопротивление сглаживающего дросселя;

R_тр – активное сопротивление обмоток фазы трансформатора, приведенное к вторичной цепи;

R_ср.в – усредненное сопротивление вентилей

Имея в виду, что ; ; , получим уравнение механической характеристики двигателя для любого режима работы

или

Т.к. , где , то

Отсюда следует, что в режиме непрерывного тока механические характеристики двигателя в системе ТП-Д при принятых допущениях аналогичны характеристикам системы ГД.

При , получим уравнение статических характеристик

или

Уравнения статических механических и электромеханических характеристик двигателя для режима непрерывных токов можно представить и в следующем виде:

Семейство статических механических характеристик при различных a, изображено на рис. Это прямые, отсекающие на оси ординат отрезки, соответствующие скорости идеального холостого хода

 

Однако в действительности при раздельном управлении комплектами вентилей (в случае двух комплектного преобразователя) или при питании от однокомплектного ТП в области малых нагрузок ток становится прерывистым, причем при U_y=0 и среднее значение U_d становится . Появляется зона прерывистых токов, она тем больше, чем больше угол a.

Появление зоны прерывистого токов обусловлено тем, что в определенные промежутки времени мгновенное значение выпрямленного напряжения преобразователя становится меньше встречно действующей ЭДС двигателя, что видно из графика выпрямленного напряжения, и, как следует из уравнения равновесия ЭДС, разность U_d-e становится отрицательной. Ток должен изменить направление на противоположное. Но поскольку вентили обладают односторонней проводимостью, ток становится равным нулю. Вентили закрываются ток появляется вновь когда U_d станет больше е. При больших нагрузках несмотря на то, что в определенные промежутки времени мгновенное значение U_d становится меньше ЭДС двигателя, ток не прерывается, является непрерывным. Объясняется это тем, что при больших нагрузках запас электромагнитной энергии в цепи выпрямленного тока значительный. Возникающая при исчезновении тока ЭДС самоиндукции складывается с мгновенным выпрямленным напряжением ТП и в сумме они превышают ЭДС двигателя. Поэтому разность между этой суммой и ЭДС двигателя положительна и ток не прерывается. При малых нагрузках ЭДС самоиндукции оказывается недостаточной для поддержания тока и он прерывается.

Переходу от режима непрерывного тока к прерывистому соответствует режим начально-непрерывного тока, являющегося граничным между двумя указанными. Величина граничного тока зависит от угла a и параметров схемы
, где

Граничные токи (моменты) лежат на дуге эллипса, смещенного по оси ординат на величину (см. рис. с механическими характеристиками).

Отметим, что если двигатель питается от нереверсивного ТП, то система электропривода становится неполноуправляемой, ибо ток может протекать только в одном направлении. Соответственно этому механические характеристики во втором и третьем квадранте не существуют.

При наличии зоны прерывистых токов электромеханические и механические характеристики в этой зоне не выражаются аналитически. Они напоминают механические характеристики двигателя последовательного возбуждения, как показано на рис.. При уменьшении нагрузки скорость двигателя возрастает и увеличивается его ЭДС, являющаяся противодействующей, что вызывает уменьшение тока нагрузки преобразователя. Это приводит к уменьшению падения напряжения на внутренних сопротивлениях схемы, а также к уменьшению потерь среднего напряжения, обусловленного явлением коммутации. В связи с этим U_d возрастает. При идеальном холостом ходе двигателя исчезают падения напряжения на вентилях и внутренних сопротивлениях схемы и U_d повышается еще больше. Напряжение на двигателе (за время импульса тока) приближается к амплитуде питающего преобразователь напряжения переменного тока и скорость двигателя растет. Поэтому в зоне малых и нулевых нагрузок механические характеристики двигателя имеют мягкий характер, что и показано на графике. Скорость идеального холостого хода двигателя для этих характеристик могут быть определены из выражений:

при и

при

Здесь Е_2ф.м – амплитуда фазной ЭДС вторичной обмотки питающего трансформатора или амплитуда фазного напряжения питающей сети (в бестрансформаторных схемах ).

DU_В – падение напряжения в вентилях.

Используя уравнение динамики ТП, уравнение равновесия ЭДС в якорной цепи, уравнение механической характеристики двигателя в системе ТП-Д и уравнение движения электропривода при жестких механических связях, можно изобразить структурную схему системы ТП – Д, которая имеет вид .

При представлении уравнения в виде

, где

Структурная схема примет вид.

 

Двигатель в системе ТП – Д может работать во всех режимах. Двигательному режиму соответствует область в 1 и 3 квадратах, режиму динамического торможения соответствует характеристика, проходящая через начало координат при . Режиму противовключения соответствует область, заключенная между осью моментов и характеристикой динамического торможения. Режиму рекуперации соответствует область между осью ординат во 2 и 4 квадратах и характеристикой динамического торможения.

 

Торможение и реверсирование двигателя в системе ТП-Д и статические механические характеристики реверсивного вентильного электропривода

 

Реверс двигателя заключается в торможении до остановки и разгоне в противоположную сторону. В системе ТП-Д его можно осуществить:

а) изменением полярности питания двигателя при помощи реверсирующих контакторов или реверсирующих тиристоров по следующей схеме. Этот способ целесообразен в том случае, если время реверса не имеет существенного значения. Продолжительность реверса не менее 0,1 сек.

б) изменением направления магнитного потока двигателя при неизменном направлении тока якоря, что осуществимо при помощи реверсирующих контакторов в цепи возбуждения, как показано на следующей схеме. Однако продолжительность реверса в этом случае имеет порядок 0,5-2,5 с.

в) Для электроприводов, где требуется максимальное быстродействие при реверсе, а также необходимость как двигательного, так и тормозного режимов при одном направлении вращения применяются ТП с двумя комплектами вентилей, каждый из которых служит для питания двигателя при одном направлении вращения, благодаря чему создается эффект двухсторонней проводимости преобразователя.

Как уже сказано выше, реверс заключается в торможении двигателя и разгоне его в противоположном направлении. Основным способом торможения в системе ТП – Д является торможение с рекуперацией энергии в сеть. В отличие от системы ГД этот режим не может быть получен только путем увеличения скорости сверх скорости идеального холостого хода. Хотя при w>w₀ ЭДС двигателя станет больше U_d , ток в якорной цепи прервется, т.к. ЭДС двигателя будет приложена к вентилям преобразователя в направлении, противоположном их проводимости, и вентили закроются. Для рекуперации энергии в сеть необходимо преобразовать энергию постоянного тока, источником которой при w>w₀ становится двигатель, в энергию переменного тока. Для этого ТП нужно перевести в инверторный режим. Практически для возможности торможения электропривода с рекуперацией энергии в сеть применяют два комплекта вентилей, включенных по мостовой схеме, как изображено на рис. и объединяют их управляющее устройство в один орган управления.

В выпрямительном режиме преобразователя активная составляющая I_a1 первой гармоники фазного тока совпадает по направлению с напряжением (ЭДС) фазы, а реактивная I_p1 – отстает на 90°. Следовательно, преобразователь потребляет из сети активную и реактивную мощность. Если j₁ станет больше 90°, что при g=0 соответствует a>90°, то I_p1 , будет по прежнему отставать от Е_ф на 90°, а I_a1 будет направлен встречно с ЭДС фазы . В этом случае преобразователь будет отдавать в сеть активную мощность при одновременном потреблении реактивной мощности. Этот режим и является инверторным . В нем источником тока является ЭДС машины постоянного тока, которая превышает напряжение преобразователя.

Т.о. для получения инверторного режима работы ТП необходимо, чтобы a был больше 90°, т.е. необходимо заставить преобразователь путем увеличения угла a принудительно выпрямлять отрицательные полуволны питающего напряжения сети. Сам он не будет это делать, поэтому инверторный режим может иметь место только при принудительной коммутации. При этом изменится знак напряжения U_d.

Известно, что в цепи постоянного тока изменение направления передачи энергии обычно связано с реверсом тока. Но такой же эффект имеет место и при изменении знака напряжения, что видно из соотношения p=ui .

Т.к. вентили обладают односторонней проводимостью, то для изменения направления потока мощности при неизменном направлении тока нужно изменить знак напряжения, т.е. необходимо заставить преобразователь принудительно выпрямлять отрицательные полуволны питающего напряжения, что и делается для осуществления рекуперативного торможения двигателя.

Переход преобразователя из выпрямительного в инверторный режим можно проиллюстрировать с помощью временных диаграмм (без учета угла коммутации g).

При переходе в инверторный режим напряжение сети переменного тока и постоянного тока меняются ролями так, что вентили этого не замечают. Полярность напряжения на зажимах преобразователя и направление тока через вентили остаются неизменными. Выпрямитель, переходя в инверторный режим, продолжает выпрямлять напряжение сети переменного тока, но только его отрицательные полуволны. Угол управления в этом режиме отсчитывается влево от точки пересечения синусоид напряжения питающей сети в отрицательной области и называется , как известно, углом опережения b. Он равен b=p-a. Вместо угла коммутации g для инверторного режима принято использовать понятие угла запирания d=b-g или, иначе, угла запаса

В инверторном режиме ТП возникают те же падения напряжения , что и в выпрямительном режиме преобразователя. Однако они покрываются не за счет сети, а за счет источника постоянного тока т.е. двигателя. Поэтому заменяя в выражениях электромеханической и механической характеристик a на b и учитывая, что ток в якорной цепи при инверторном режиме преобразователя, следовательно, тормозном режиме двигателя , определяется разностью ЭДС двигателя и U_d преобразователя, действующего встречно относительно ЭДС двигателя и имеет противоположное направление по сравнению с током в двигательном режиме, уравнения электромеханической и механической характеристик двигателя в режиме рекуперативного торможения имеют вид:

Семейство механических характеристик, соответствующих различным углам b при питании двигателя от однокомплектного ТП, представлено на следующем рисунке. При малых нагрузках так же как и в двигательном режиме, имеют место разрывы тока и резкое изменение скорости.

В случае питания двигателя от двухкомплектного ТП при совместном их управлении и линейном согласовании электромеханические и механические характеристики реверсивного вентильного электропривода аналогичны характеристикам системы ГД, что и изображено на следующем рисунке. При совместном управлении комплектами вентилей, но не полном согласовании линейность характеристик нарушается и они выглядят так как изображено на следующем рис.

 

Электромеханические и механические характеристики реверсивного вентильного электропривода с раздельным управлением комплектами вентилей существенно зависят от способа согласования углов управления. При линейном согласовании в, частности, они имеют вид , показанный на следующем рис.

Для осуществления рекуперативного торможения электропривода с двумя комплектами вентилей необходимо закрыть вентили преобразователя , работающего в выпрямительном режиме, для чего достаточно установить угол и под действием ЭДС двигателя вентили закроются, и ток в якорной цепи станет равным 0. После этого (если управление не совместное ) необходимо подать на вентили второго преобразователя отпирающие импульсы с углом опережения b=b_мин, что обеспечивает инверторный режим , при котором в якорной цепи появится ток, обусловленный разностью Е и U_du, совпадающий по направлению с Е двигателя. Знак электромагнитного момента изменится на противоположный и привод будет работать в тормозном режиме с рекуперацией энергии в сеть. Увеличивая b до 90° (см. характеристики ниже оси моментов) , можно снизить скорость практически до полной остановки привода.

При одном комплекте вентилей и реверсировании с помощью контакторов, для перехода в режим рекуперативного торможения запирают вентили преобразователя, устанавливая угол . Затем посредством реверсирующих контакторов переключают якорную цепь двигателя так, чтобы его ЭДС действовала в направлении прямой проводимости вентилей, и подают на них отпирающие импульсы, обеспечивающие инверторный режим преобразователя и тормозной режим работы двигателя.