ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЭЛЕКТРО­ПРИВОД

ДИНАМИЧЕСКОЕ ТОРМОЖЕНИЕ

Целесообразность анализа установившихся режимов динами­ческого торможения обусловлена тем, что при управлении меха­низмами с потенциальным статическим моментом в замкнутых САУ может быть обеспечена работа двигателя на установившей­ся скорости в режиме динамического торможения. При исполь­зовании замкнутых САУ, формирующих темп изменения момента, механические переходные процессы (в том числе и при динами­ческом торможении) могут быть реализованы при работе двига­теля на характеристиках, приближающихся к характеристикам установившегося режима. Кроме того, анализ установившихся ре­жимов позволяет произвести сравнительную оценку энергетиче­ских показателей при использовании различных схем преобра­зователей и выбрать наиболее рациональные из них.

Отметим общие свойства преобразователей, показанных на рис. 1.8. Фаза а статора не подключена к питающей сети, и в режиме динамического торможения ias=ias—0 (исключение со­ставляет схема рис. 1.8,г, у которой на отдельных отрезках вре­мени ias¥= 0). К преобразователям подключено линейное напря­жение сети иВс, поэтому в схемах фазового управления угол уп­равления вентилей ал отсчитывается от нулевого значения поло­жительной полуволны напряжения «вс(ал = аф+30о). Так как при реализации режима имеет место несимметрия статорных це­пей, то необходимо принять (дк = 0. Расчет установившегося ре - 5* 67

Рис. 2.19. Зависимость ibs—f(т) при реали - Рис. 2.20. Механические харак-

зации динамического торможения по схеме теристики двигателя МТ012-6

рис. 1.8,а: в режиме ДТ по схеме

*-/K=f0; 6~fK=f0l2 рис. 1.8,а:

1 /к—f0, а—0; 2 fK f0/2, а =0; 3 — /r—/0/3. а=0

жима для различных схем преобразователей будем производить при постоянстве параметров асинхронной машины, изменение ко­торых из-за насыщения можно рассчитать в случае необходимо­сти по методике, изложенной в [42].

Схема однополупериодного выпрямления (см. рис. 1.8,а). Как видно из рис. 2.19,а, на расчетном интервале, начало которого совмещено с моментом открытия вентилей (то=ал), реализуются две схемы включения машины: двухфазное включение статора (2Ф — С) при ias=0 в течение времени Л2 и отключение двига­теля от сети (ОФ — С) на интервале тР — Я-2. Включение вентилей происходит в каждую положительную полуволну напряжения иВсУ поэтому частота их коммутации fK=/o, а тР=2я. С учетом этого уравнение для определения матрицы W имеет следующий вид:

W = Т — еА* <2”-х’>еА*Ч (2.107)

Интервал А2 не может быть определен заранее, поэтому за­дачу целесообразно решать методом итераций. При известном ал задаемся начальным приближением Я2=л — ал и по (2.107) оп­ределяем V(to). При рассчитанном V(to) с использованием урав­нений состояния вида/ (2.27) определяется значение Х2 из усло­вия, что ток j‘ps(to+A,2) =0. При новом значении А2 рассчиты­вается V (т0) и опять уточняется Я2. Процесс вычислений повторя­ется до тех пор, пока в начале и в конце шага итерации значения Я2 не совпадут с требуемой точностью.

Механические характеристики двигателя в режиме динамиче­ского торможения для рассматриваемого случая приведены на рис. 2.20 (кривая 1). При реализации режима ДТ по схеме одно - полупериодного выпрямления при fn—~fo механическая регулиро­вочная характеристика в зоне высоких скоростей заходит в пер­вый квадрант,., что может привести к «застреванию» двигателей на промежуточной скорости при малых моментах нагрузки. Для исключения этого явления необходимо [25] снижать частоту ком­мутации, выбирая ее из условия fK—fo/m, где т—2, -3... Как сле­дует из рис. 2.19,6 (проиллюстрирован случай fK=25 Гц, т—2), расчетный период тР=2ят. На отрезке тр происходит чередование двух схем включения машины: 2Ф — С при ias=0 в течение ин­тервала А,2 и ОФ—С в течение (2ят—Я2). Уравнение для отыска­ния W имеет следующий вид:

уу __ J £Аа (2и/п—Х2)^А2Ха^ (2.108)

Так как значение К2 заранее не известно, оно определяется ме­тодом последовательных приближений, аналогично ранее рас­смотренному случаю при fK~~=fo'

Режим ДТ по схеме однополупериодного выпрямления при /к</о иллюстрирует рис. 2.20 (кривые 2, 3). Как видно из этого рисунка, в зоне высоких скоростей электропривод развивает отри­цательный (тормозной) момент.

Схема однополупериодного выпрямления с шунтированием (см. рис. 1.8,6). Включение шунтирующего тиристора приводит к тому, что при отключении обмоток статора от питающей сети реа­лизуется режим Двухфазного короткого замыкания фаз бис ста­тора (2КЗ — С). Эта схема (t=6) имеет следующие особенности:

ids—0, ibs— ics, tlbc — Ubs Ucs—0, Mps—0, Has—Є as—LoDiur, ЧТО

позволяет определить матрицу А6, компоненты которой приведены в табл. 2.1.

В схеме рис. 1.8,6 управление преобразователем осуществляет­ся один раз в течение периода напряжения питающей сети, поэто­му тр=2я. На этом отрезке времени, начало которого целесообраз­но совместить с моментом подключения обмоток статора к пита­ющей сети (то=ал), чередуются, как видно из рис. 2.21 ,а, две схе­мы: 2Ф—С при ias—0 в течение интервалов я—ал и 2 КЗ—С на интервале я+ал, поэтому выражение для определения матрицы W имеет следующий вид:

W = Т — ек‘ ("+“л> ек‘ . (2.109)

При заданном ал из (2.109) определяется W, а затем V(x0) и V(t). Отметим, что при использовании схем однополупериодного выпрямления с шунтированием двигатель практически развивает тормозной момент во всем диапазоне изменения скорости от 0 до 1.

Модификацией рассмотренной схемы является преобразова­тель, показанный на рис. 1.8,г. При использовании ШИП в стато­ре реализуется режим однополупериодного выпрямления, перио-

дически чередующийся с режимом трехфазного короткого замы­кания. Очевидно, тр=2л, а начало расчетного интервала можно выбрать произвольно, приняв, в частности, то=0. Тогда

W = Т — [еХ*0-10 ,к/вТ, к]3" (2.110)

где Тк=я/3П, n=fK/6f0.

При заданных fK и у, используя (2.110), можно определить V(to). Работу анализируемой схемы иллюстрирует рис. 2.21,6.

Схема двухполупериодного выпрямления (см. рис. 1.8,в). Вна­чале рассмотрим случай, когда мостовой выпрямитель работает в режиме полууправляемого моста, т. е. для тиристоров 4 и 9 всегда реализуется условие ал=0. Как показывает анализ (рис. 2.22,а), расчетный период тР=2я, то=ал. На расчетном от-

70

резке чередуются следующие схемы включения: 2Ф — С ОТ То до ті, далее 2КЗ — С от ц до т2, 2Ф — С от т2 до тз и снова 2КЗ — С ОТ тз ДО Т4. При изменении Т ОТ Т2; до Т3 напряжение Ubc=UCBy поэтому ups=—u$N, т. е. возникает новая схема включения асин­хронной машины: 2Ф — С при iGS=0 и иЬс=иСв (i=7). Очевидно, все компоненты матрицы А7, характеризующей эту схему, такие же, как и у матрицы А2 (схема 2Ф(—С, ias=0, иЬс=ивс). Исклю­чение составляет лишь матрица N7, приведенная в табл. 2.1.

Реализация разных схем включения асинхронной машины на интервалах то—ti{uqs=u$n) и т2—тз(мрs=—Щы) и приводит к не­обходимости выбирать расчетный интервал тР=2я. С учетом это­го расчетная формула для определения W имеет следующий вид:

W = Т - є*-V’ (Мл) е^ек' (м-) . (2.111)

При известном То=Ол, используя (2.111), можно определить W, а за­тем V(t).

В режиме динамического тормо­жения полезной является постоянная составляющая /п в спектре выпрям­ленного тока статора. В этом случае для оценки дополнительного нагрева обмоток статора при реализации ре­жимов ДТ с использованием полупро­водниковых преобразователей по сравнению с питанием статора от источника постоянного тока целесо­образно ввести коэффициент перегруз­ки &n3 = /s //п [6]. На рис. 2.23 пока­заны зависимости &пздля рас­сматриваемой схемы двухполупериод - ного выпрямления.

Проанализируем схему двухполу- периодного выпрямления без шунтирования, когда для всех тири­сторов задаются одинаковые углы ал.

Рассмотрим вначале режим прерывистого тока (рис. 2.22,6) и обозначим интервал, в течение которого двигатель отключен от питающей сети, через ^ (схема ОФ — С). Очевидно, А, з может из­меняться в следующих пределах*. Ос^з^зт - Совместим начало расчетного интервала тр==2л: с углом запаздывания тока в индук­тивной нагрузке, т. е. то=6. Как видно из рис. 2.22,6, выражение для определения W приобретает следующий вид:

уу _ 'Р (я—(тс—з ^2 1 19)

При заданной скорости матрица W является функцией пара­метра Для определения 6=то при выбранном уравнение со­стояния необходимо привести к виду (2.57) и использовать усло­вие ір5(то)=0. Затем по (2.57) рассчитывается V(xo), а по (2.27) V (т).

В режиме непрерывного тока отсутствуют интервалы времени, когда двигатель отключен от сети, поэтому границей режимов прерывистого и непрерывистого токов является условие А3=0. При этом условии по (2.112) определяется матрица W, а затем по уравнению состояния (2.57) и граничный угол открытия венти­лей ал, гр=6. Если ал<ал, гР, то то=ал, а матрица W определяется по (2.112) при ‘кг=0. При известных то и W по (2.57) можно най­ти'начальный вектор состояния V(т0).

Предложенные методы исследования позволяют произвести сравнительную оценку различных способов динамического тормо­жения. Анализ показывает, что лучшими являются, те схемы вы­прямления, которые имеют меньшее время запаздывания и обес­печивают непрерывный ток в статорных цепях асинхронного дви - 72
гателя, т. е. схемы с периодическим шунтированием нагрузки. Для однополупериодных выпрямителей /з = 0,02& с, где k = — fo/fx (k=l, 2, 3 ...), а для двухполупериодных выпрямителей при /к=/о f з=0,01 с. Следовательно, в схемах однополупериодного выпрямления без шунтирования должны возрастать пульсирую­щая составляющая момента и величина q, так как значительную часть расчетного периода двигатель вообще отключен от питаю­щей сети и момента не развивает. Из схем выпрямления с шун­тированием минимальные значения q, Is и потребляемой из сети активной мощности (Pi) обеспечивает полууправляемая мостовая

■а) б)

Рис. 2.24. Зависимости наибольшего значения интеграла переменной составляю­щей момента (а), действующего значения тока в фазе статора (б), коэффициен­та мощности (в), потребляемой из сети активной мощности (г) для двигателя МТ012-6 в режиме динамического торможения, оо = 0,6: t — двухполупериодное выпрямление с шунтированием; 2 — однополупериодное выпрямление с шунтированием; схема рис. 1.8,г; /к=300 Гц; 3 — однополупериодное выпрямление с шун­тированием, схема рнс. 1.8,6; 4 — двухполупериодное выпрямление без шунтирования; 5 — • однополупериодное выпрямление, /к=25 Гц

схема (см. рис. 1.8,в), затем следуют схемы рис. 1.8,г и б, пока­затели у которых лучше, чем у схемы однофазного мостового вы­прямителя с симметричным управлением. По коэффициенту МОЩНОСТИ схемы однополупериодного выпрямления При їк — fo имеют некоторое преимущество по сравнению со схемами мосто­вых выпрямителей. Для иллюстрации количественных различий на рис. 2.24 для электродвигателя МТ012-6 с закороченным рото­ром приведены значения q, Is, km и относительной активной мощ­ности, потребляемой из сети Px^=P/PN (PN — номинальная мощ­ность двигателя), при разных способах реализации динамическо­го торможения. На рисунке отсутствуют данные для схемы однополупериодного выпрямителя (см. рис. 1.8,а) при /K=fo, так как в этом случае при <о=0,6 значение среднего момента не пре­вышает 0,13 (см. рис. 2.20).

Графики рис. 2.24 подтверждают, что использование для ре­жима динамического торможения однофазного мостового выпря­мителя с симметричным управлением нецелесообразно, так как (при той же самой силовой структуре преобразователя) по срав­нению со схемой полууправляемого моста значение q возрастает в 2—2,5 раза, Is в 1,3—1,5 раза, Рі в 1,5—2 раза при примерно равных значениях kM.

Сравнение тиристорных схем двух - и однополупериодного вы­прямления с шунтированием при /K=fo показывает, что при ис­пользовании последних значения q, Is и Pi соответственно больше в 1,5—2; 1,2—1,4; 1,4—1,9 раза по сравнению с мостовыми выпря­мителями.

Из анализа схем следует, что однополупериодный выпрями­тель без шунтирования может быть использован в тех случаях, когда необходимо лишь обеспечить динамическое торможение без каких-либо требований по его быстродействию и управляемости. В этом случае, как видно из рис. 2.20, при высоких скоростях необходимо задать fK<fo, а при снижении скорости реализовать /к=Ь-

Энергетические показатели и динамические свойства в двухпо - лупериодных схемах с шунтированием лучше, чем в однополупс - риодных схемах, поэтому для реализации режимов управляемого динамического торможения, особенно при работе в замкнутых САУ, наиболее предпочтительными являются схемы мостовых вы­прямителей, тем более что в реверсивных асинхронных электро­приводах они образуются при использовании вентилей, входящих в состав реверсивного тиристорного преобразователя (см. рис. 1.7).