ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЭЛЕКТРО­ПРИВОД

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ РАЗЛИЧНЫХ СПОСОБОВ УПРАВЛЕНИЯ

Рассмотренные преобразователи позволяют регулировать средний момент асинхронного двигателя при различных показа­телях электропривода в установившемся режиме [частоте и ам­плитуде переменной составляющей момента, КПД и коэффициен­те мощности, значениях токов в фазах статора (ротора) асин­хронной машины].

Изложенные методы расчета позволяют произвести количест­венную оценку этих показателей и выполнить сравнительный ана­лиз преобразователей различных типов с целью выбора наиболее рациональных схем. Целесообразно сравнивать преобразователи различных типов при работе электропривода в заданной точке с координатами n=Mcp/MN и со. Расчет функций q=f(ii), /s* = —f(n). kM=f(ix), ri=f((j,) для приведенных типов преобразова­телей показывает, что они имеют качественно аналогичный ха­рактер при различных значениях скорости и при работе с асин­хронными двигателями различных типов. Для иллюстрации на рис. 2.11,а — г показаны некоторые из зависимостей, рассчитан­ных для электродвигателя МТ012-6 с закороченным ротором.

Наибольшая переменная составляющая момента (q) имеет место в схеме ITT, затем следуют схемы 2ТТ, ЗТД, ЗТТ. Значе­ние для схемы ШИП зависит от fK. Так, при fK=300 Гц значение q в схеме ШИП несколько выше, чем для системы ЗТТ, однако при повышении частоты коммутации q снижается и может быть меньше, чем для преобразователя ЗТТ. Практически для всех схем преобразователей максимум q наступает при со=0,8^-0,9 и р,=0,4ч-0,6.

Значение q позволяет оценить возможные пульсации скоро­сти в установившемся режиме. Если считать, что колебания ско­рости не окажут существенного влияния на рассчитанные при to = const значения матриц и принять q—const, то формула для определения наибольшего отклонения скорости от заданного значения о)=const примет следующий вид:

Дої—q/J.

Анализ показывает, что возможные колебания скорости, обуслов­ленные переменной составляющей момента, незначительны. Так, для двигателя МТ012-6 без присоединенных маховых масс для схемы ITT (худшей из схем преобразователей по этому показа­телю) значение Д(0тах = 0,02342, для схемы же ЗТТ Дсот£и:=0,0016. Если ввести для оценки колебаний скорости параметр

А% =Дсй 100/со,

Рис. 2.11. Зависимости наибольшего значения интеграла переменной составляю­щей момента (а), действующего значения тока в наиболее загруженной фазе статора (б), коэффициента мощности (в) и КПД (г) для двигателя МТ012-6 при управлении со стороны статора, со = 0,6:

1 — ЗТТ; 2 — 2ТТ; З—ITT; 4 — ЗТД; 5 — ШИП; /к=300 Гц

то для схемы ITT значение А не превышает 3 %, для 2ТТ — 2 °/о, для ЗТД—1ч-1,5%, для ЗТТ и ШИП — 0,2-^0,4 %. Эти резуль­таты подтверждают справедливость допущения о постоянстве скорости электродвигателя в квазиустановившемся режиме, особенно при использовании схем преобразователей, обеспечиваю­щих малые значения параметра q. В электроприводах с нежест­кими механическими связями высокочастотная пульсирующая со­ставляющая момента также не может вызвать значительных колебаний скорости и, следовательно, повлиять на динамику электромеханической системы. Поэтому при рассмотрении пере­ходных процессов можно учитывать только гладкую (среднюю) составляющую момента.

Структура преобразователя определяет и вносимое им запаз­дывание при отработке входных сигналов. Этот показатель осо­бенно важен при работе в замкнутых САУ. Время запаздывания для схем фазового управления

t3=l/gfo=2nlgQ0. (2.78)

Максимальное значение t3 имеет место в схемах ITT и со­ставляет 0,01 с. В схеме ЗТТ t3=0,033 с, для ШИП t3=/fK. Так, при fK=300 Гц *3=0,033 с, значение t3 для этой схемы мо­жет быть уменьшено при увеличении частоты коммутации.

Анализируя энергетические показатели асинхронных электро­приводов с параметрическим управлением, необходимо принимать во внимание тот факт, что даже при синусоидальном питании за­метно возрастают потери в электродвигателе в процессе регули­рования скорости. При использовании полупроводниковых преоб­разователей в обмотках асинхронной машины проявляются до­полнительные потери из-за несинусоидальности приложенного к электродвигателю напряжения и несимметрии токов, возникаю­щей в ряде схем. Это приводит к тому, что при работе электро­двигателя в точке с координатами р,, со возникают значительные различия в значениях действующих токов, загрузке отдельных фаз статора (ротора), потерях в машине и КПД электропривода при использовании различных схем преобразователей. Минималь­ную токовую нагрузку фаз двигателя обеспечивают преобразо­ватели по схемам ЗТТ и ШИП, далее следуют схемы ЗТД, 2ТТ и ITT. Различия в значениях действующих токов, определяющих нагрев двигателя, очень существенны. Так, для двигателя МТ012-6 с закороченным ротором при (ы=0,75 и со=0,6 дейст­вующий ток в фазе статора в схеме ЗТД превышает на 20 % значение Is* схемы ЗТТ, для схемы 2ТТ разница составляет 55 %, а для схемы ITT — 90 %. Укажем, что в схемах ITT и 2ТТ, ког­да действующие токи фаз различны, рассматривается ток наибо­лее загруженной фазы электродвигателя. Аналогичные соотноше­ния характерны для других скоростей и других типов электродви­гателей. Следовательно, потери в фазе статора (ротора), пропор­циональные квадрату действующего тока, возрастут для рассмат­риваемого примера в схеме ЗТД по сравнению со схемой ЗТТ в 1,4 раза, в схеме 2ТТ — в 2,4 раза, в схеме ITT — в 3,6 раза. Поэтому при работе на регулировочных характеристиках для обеспечения нормального теплового состояния электродвигателя,, управляемого от преобразователей по схемам ITT, 2ТТ, ЗТД, не­обходимо дополнительно снижать допустимый момент по срав­нению с моментом в схемах ЗТТ и ШИП, наиболее близко при­ближающихся по потерям к системам питания синусоидальным напряжением, хотя и в этом случае (см. гл. 5) допустимый момент существенно снижается при уменьшении скорости. Указанные соотношения токов при работе на регулировочных характеристи­ках будут иметь место не только при работе на пониженной ско­рости, но и при реализации управляемых пускотормозных режи­мов с регулируемым моментом и даже в зоне полной скорости* так как для экономии потребляемой электроэнергии при момен­тах нагрузки, меньших номинального значения, целесообразно обеспечить работу двигателя на регулировочных характеристиках [44—46]. Таким образом, разница в токах и потерях при исполь­зовании различных типов преобразователей может проявиться при работе как в продолжительном, так и в повторно-кратковре­менном режимах в переходных процессах и при работе с уста­новившейся скоростью.

Наибольшее значение КПД имеют схемы ЗТТ и ШИП, далее следуют схемы ЗТД, 2ТТ и ITT. Так, для двигателя МТ012-6 с закороченным ротором при р,=0,75 и ю=0,6 ухудшение КПД различных схем по сравнению со схемой ЗТТ т] = 0,375 характе­ризуется следующими цифрами: для ЗТД — в 1,23 раза, для

2ТТ — в 1,3 раза, для ITT — в 1,8 раза.

Различные схемы фазового управления обеспечивают пример­но одинаковый коэффициент мощности (при незначительном его возрастании в схеме ITT). Существенное увеличение наблюдает­ся в схеме ШИП. Так, для двигателя МТ012-6 при © = 0,6 и |j,= = 1 в случае ШИП /гм=0,68, а в схеме ЗТТ /гм==0,57; при © = 0,6 и ц = 0,5 значения kM соответственно 0,57 и 0,38, т. е. kM в схе­ме ШИП по сравнению со схемой ЗТТ увеличивается соответст­венно в 1,2 и 1,5 раза. При снижении момента электродвигате­ля преимущества ШИП по коэффициенту мощности возрастают (см. рис. 2.11,в).

Проведенный анализ показывает, что по эксплуатационным показателям лучшими являются схемы ЗТТ и ШИП, далее сле­дуют схемы ЗТД, 2ТТ и, наконец, схема ITT. Очевидно, при ис­пользовании таких схем, как ЗТД, 2ТТ, ITT, из-за уменьшения числа управляемых вентилей должны уменьшаться стоимость и габаритные размеры преобразователя. Однако в схеме ЗТД число силовых вентилей равно их количеству в схеме ЗТТ, а разница в размерах и стоимости устройств управления, выполненных для этих типов преобразователей на современной аппаратуре, ока­жется несущественной. Эксплуатационные показатели схем 2ТТ и ITT значительно хуже, чем у схемы ЗТТ или ШИП (к тому же при применении для короткозамкнутых асинхронных двигателей регулировочные возможности схемы ITT ограничены, так как ми­нимально достижимые моменты определяются характеристикой двухфазного включения), поэтому некоторое снижение стоимо­сти преобразователя достигается за счет ухудшения технических и функциональных возможностей управляемого асинхронного электропривода.

Очевидно, в замкнутых САУ, значительно расширяющих уп­равляемость и качественные показатели регулируемых асинхрон­ных электроприводов, целесообразно использовать тиристорные преобразователи по схеме ЗТТ или транзисторные ШИП в статор­ных цепях (при использовании силовых транзисторов с номиналь­ным напряжением, позволяющим включать их в промышленные сети трехфазного переменного тока). Эти преобразователи и бу­дут в основном рассматриваться при последующем изложении.