Тиристорные электроприводы постоянного тока

Непрерывный ток якоря

Характерные диаграммы токов и напряжений якорной цепи при симметричном управлении тиристорами и непрерывном токе яко­ря изображены на рис. 2.2 и 2.3 для полууправляемых и полно­стью управляемых преобразователей. В полууправляемом преоб­разователе, представленном на рис. 2.2, а, тиристор VS1 перехо­дит в открытое состояние в момент, соответствующий углу a, a

VS2 — углу а+я относительно питающего напряжения и. В пол­ностью управляемом преобразователе, представленном на рис. 2.3, а, тиристоры VS1 и VS3 переходят в открытое состояние од­новременно в фазе a, a VS2 и VS — в фазе а + я.

Двигатель, включенный по схеме рис. 2.2, а, подключен к сети в течение фазового интервала а<Ш<я, через VS1 и диод VD2, и напряжение на двигателе ия равно питающему и. При Ш>я напряжение и изменяет полярность, а прямое падение на­пряжения на обратном диоде VD0 переводит его в открытое со­стояние. Ток якоря г'я, протекающий ранее от сети через VS1, Теперь течет через VD0 (тиристор VS1 закрыт). Цепь якоря дви­гателя в течение я<£2/<я + а закорочена на обратный диод, поэтому ия = 0. В период открытого состояния тиристора (а<

<Ш<я) энергия из сети передается в якорную цепь, превраща­ясь в энергию электромагнитного поля в индуктивностях якоря La, ,в кинетическую энергию вращения механических частей элект­ропривода и полезную работу. В период закрытого состояния тиристора между фазами л и л + а запасенная в индуктивностях энергия поля превращается в механическую, а продолжающий протекать по якорной цепи ток гя создает электромагнитный мо - адент. В этот период энергия в сеть не возвращается.

В схеме на рис. 2.3, а двигатель постоянно связан с сетью через тиристоры. Тиристоры VS1 и VS3 находятся в открытом состоянии и соединяют двигатель с сетью в течение периода а< <Ш<я + а. В момент л + а VS2 и VS4 переходят в открытое со­стояние, при этом к тиристорам VS1 и VS3 через открытые VS2 И VS4 прикладывается напряжение обратной полярности и закры­вает их. Такая коммутация получила название естественной. Ток якоря двигателя гя, протекавший через VS1 и lASc?, теперь идет через VS2 и VS4. В течение фазового интервала, заключенного между а и я, энергия из сети передается к двигателю (как и, I, Так и ия, 1Я положительны и обусловливают положительное на­правление потока энергии). Напротив, в течение интервала, за­ключенного между л и я + а, часть энергии из якорной цепи воз­вращается в сеть (и и г, а также ия и гя имеют разные направле­ния, определяющие направление потока энергии от двигателя к сети).

На рис. 2.3, в представлены диаграммы токов и напряжений для угла управления, превышающего 90°. Среднее значение нап­ряжения якоря «я при этом отрицательно. Если ЭДС двигателя меняет направление, машина работает как генератор постоянного тока, отдавая энергию в сеть. Этот режим работы преобразова­теля известен как инвертирование и применяется для рекупера­тивного торможения двигателя.

Механические характеристики. Уравнения для якорной цепи двигателя с 'полууправляемым преобразователем по схеме рис. 2.2, а имеют вид

Ия = и = + а< Of < я; (2.19)

At

Ыя = 0 = Яя;я + 1я^- +е„, л<&<п + а. (2.20)

Уравнение для якорной цепи двигателя с полностью управляемым пре­образователем по схемеТрис.^- 2.3, а имеет вид

Ия = и = Rnin + L/-^- + en, a<Qt<n + a. (2.21)

Dt

При синусоидальной форме питающего напряжения, когда M=y2Ј/sin0, средние значения напряжений якорной цепи в слу­чаях полу - и полностью управляемых схем преобразователей мо­гут быть определены соответственно по следующим формулам:

Л _

— fV2 Ј/sin0"d0 = У2 U (1 +cosa); (2.22) я J п

А

П+а

Un = - L j 1/2 Usin9dQ = U cosa. (2.23)

Зависимость напряжения якоря двигателя Ua от угла управле­ния а для рассмотренных типов преобразователей представлена на рис. 2.4, а. Ииверторному режиму в полностью управляемом преобразователе при непрерывном токе соответствуют углы 90°<а<180° (участок характеристики показан штриховой линией на рис. 2.4, а).

Решения уравнений (2.15), (2.18), (2.22) и (2.23) относительно угловой скорости со позволяют получить уравнения механических характеристик для полу - и полностью управляемых схем соответ­ственно

Со = /Rt/Q + Cosa)___________ м. 2 24у

Ш Nk„ Ф (kB Ф)[1] '

Инвертирование^

6 8 Моментам

Рис. 2.4. Характеристики преобразователя и двигателя в режиме непрерывного

Тока:

А — зависимость выходного напряжения преобразователя от угла управления; б — меха­нические характеристики при различных углах управления, построенные по (2.24) и (2.25) прн Яя = 0,6 Ом, £ЯФ=0,55 Н • м/А, f/=120 В

Первое слагаемое правых частей уравнений (2.24) и (2.25) представляет собой скорость идеального холостого хода. Второе слагаемое соответствует изменению скорости, происходящему под влиянием протекающего в якоре тока /я или соответствующего ему электромагнитного момента М, воздействующего на вал. Ско­рость идеального холостого хода, как следует из уравнений, за­висит от угла управления. Механические характеристики пред­ставлены на рис. 2.4, б. Они иллюстрируют хорошие регулировоч­ные свойства электропривода в режиме непрерывного тока.

Пример 2.1. Регулирование скорости двигателя постоянного тока незави­симого возбуждения производится по схеме рис. 2.3, а. Номинальные данные двигателя: мощность ЯНом=7,5 кВт; напряжение 1/Ном=230В; угловая ско­рость м=126 рад/с; ток /я, ном=38 А; сопротивление якоря /?я=0,3 Ом; посто­янная двигателя йяФ=1,74 В-с. Напряжение питания 260 В. Индуктивность якорной цепи предполагается достаточной для обеспечения непрерывности то­ка якоря и отсутствия пульсаций.

1. Режим выпрямления (двигательный режим).

Для угла управления а=30° и номинального тока якоря рассчитываем:

А) момент двигателя;

Б) скорость двигателя;

В) коэффициент мощности.

2. Режим инвертирования (рекуперативное торможение).

Полярность противо-ЭДС двигателя изменяется на противоположную, на­пример, путем реверса потока возбуждения. Требуется найти:

А) угол управления, при котором в якорной цепи протекает номинальный

Ток;

Б) мощность, возвращаемую в питающую сеть. Решение.

1. Режим выпрямления (двигательный режим).

А) В соответствии с (2.15) находим

/И = йяф/я= 1,74-38 = 66,1 Н-м.

Б) Используя (2.23), получаем

Ия= 2У2 -260 cos30° = 220,8 В.

Я

Из уравнения (2.17) можно найти Ея:

Ея = ия—1яЯЯ = 202,8 —38-0,3= 191,4 В,

А из (2.13) —искомую угловую скорость:

Ш = £я/£яФ= 191,4/1,74= 110 рад/с.

Угловую скорость можно также найти непосредственно из (2.25):

,., _ 2 "|/2~ V Cos а _ м_ 2 У2~-260 Cos 30° _ 66 1 =

Я/гяФ. (/гяФ)2 я-1,74 1,742 ' '

= 110 рад/с.

В) Если ток якоря не имеет пульсаций и постоянен, ток, потребляемый из: сети, имеет прямоугольную форму (см. рис. 2.3) и амплитуду 38 А. Средне­квадратичное значение тока сети при этом

/ = 38 А.

Мощность, отдаваемая сетью (полная мощность),

Р = UI = 260-38 = 9880 В-А.

Если потерями в преобразователе можно пренебречь, мощность якорной цепи двигателя

Ря = UI = 202,8-38 = 7707 Вт,

Откуда коэффициент мощности

КР = Р*/Р 7707/9880 = 0,78.

2. Режим инвертирования (рекуперативное торможение), а) В момент изменения полярности противо-ЭДС составляет

£я= 191,4 В.

Из (2.17) следует

Uя = £я + /яЯя = — 191,4 + (38-0,3) = — 180 В.

Используя (2.23), находим угол управления:

NUs я-180

А = arccos-------- т=— = arccos ----------- т=------- = 140°.

2У2 U 21/2 -260

Б)1 Мощность, преобразуемая машиной, составляет

Рм = Ея/я = 191,4-38 = 7274 Вт. Потери мощности в сопротивлениях якоря

PR = I2/?я = 382-0,3 = 433 Вт.

Мощность, поступающая в сеть, равна разности этих величин: Ря = рм — PR = 7274 — 433 = 6841 Вт,

Или

Ря = ия1я= 180-38 = 6841 Вт.

Заметим, что если к машине не подводится механическая энергия с вала, ■скорость машины, как и ЭДС, снижается по мере превращения кинетической энергии в электрическую и возвращения последней в сеть. Если ток якоря необходимо поддерживать постоянным на протяжении всего процесса торможе­ния, угол управления должен постоянно изменяться. Такое управление прак­тически осуществимо в замкнутых системах с обратной связью по току, кото­рые будут рассмотрены в гл. 6.