Файл: Основы автоматизированного электропривода учеб. пособие.pdf

ченные соотношения позволяют заменить показательные функции в выражении (4-43) степенным рядом, ограни­ чившись в нем лишь двумя первыми членами разложения, т. е.

Подставляя в (4-43) значения / 3, 7Р, Таи Тр, учитывая, что tp = Тк — t3и осуществляя приведенную выше замену показательных функций, после ряда алгебраических пре­ образований находим:

Обычно время замыкания ключа f3 принято выражать в виде относительной величины у = tJ T к, называемой также скважностью управляющего импульса. Вводя в по­ следнее уравнение относительное время замыкания кон­ тактов у, получаем:

Таким образом, изменяя относительное время замыка­ ния ключа при периодической его коммутации, можно из­ менять величину эквивалентного добавочного сопротивле­

Следует подчеркнуть, что полученный здесь вывод справедлив лингв при конечном значении Дд. Его нельзя распространять на случай, когда 7?д ->-<х>, т. е. когда введение добавочного сопротивления эквивалентно раз­ рыву цепи.

Приведенный здесь анализ позволяет сделать вывод о том, что в рассматриваемой схеме (рис. 4-43, а) изменение скважности у, вызывающее изменение 7?д з, дает возмож­ ность регулировать угловую скорость двигателя. Подста­

215

вив в (4-4) значение Е п „ = Лд.э по (4-44), найдем выраже­ ние механической характеристики

из которого следует, что снижению значения у от 1 до О при М Ф 0 соответствует уменьшение скорости. Оче­ видно, что механические характеристики при импульсном регулировании сопротивления должны иметь такой же вид, как и характеристики при реостатном регулировании скорости (рис. 4-3).

Для реализации данного способа регулирования необ­ ходимо создать ключ, с помощью которого возможно с от­ носительно большой частотой замыкать накоротко /?д или полностью вводить его в цепь якоря. Использование для этой цели механического контактного устройства практи­ чески не представляется возможным, поскольку оно рас­ считано на ограниченное число циклов срабатывания и при большой частоте включений относительно быстро выходит из строя. Кроме того, время перемещения кон­ тактов при их замыкании и размыкании относительно велико, что, с одной стороны, ограничивает частоту ком­ мутации, а с другой — ограничивает возможность точного поддержания заданной величины относительного времени замыкания ключа. В связи с этим в технике регулирова­ ния электроприводов контактные ключи практически не находят применения.

Для реализации импульсного способа регулирования сопротивления применяются бесконтактные ключи, вы­ полненные на базе транзисторов (при токах до 15—20 А) или тиристоров (при токах до 100—150 А). На рис. 4-44, а показапа схема тиристорного ключа, получившего наи­ большее применение на практике. Роль ключа выполняет тиристор Тг, который при подаче положительного сигнала на его управляющий электрод открывается и практически закорачивает /?д. Для того чтобы закрыть Тг, необходимо помимо снятия положительного сигнала на его управляю­ щем электроде создать обратную полярность напряжения на основных электродах. С этой целью в схему включены вспомогательный тиристор 71,, контур коммутации Ьк, Ск,

Дк и дополнительный маломощный источник питания Un. Перед началом работы от источника Un заряжается кон­

денсатор Ск со знаком «+» на нижней обкладке. Ток заряда при этом ограничивается сопротивлением Ra. Если теперь

216

снять управляющий сигнал с 7\ и открыть Т„, то начнется разряд конденсатора через Тг и Дд. При этом к тири­ стору 7\ окажется приложенным отрицательное напряжег ние заряженного конденсатора, в связи с чем ток разряда конденсатора частично протекает через Т1до тех пор, пока тиристор Тг не восстановит свои запирающие свойства.

Закрытие Тг приводит к тому, что ток якоря теперь - полностью проходит через Дд и к конденсатору через от-

Рис. 4-44. Схема включения тиристорного ключа ТК для импульсного регулирования добавочного сопротивления в цепи якоря двигателя постоянного тока незавпспмого воз­ буждения (я) и схема включеипя добавочного сопротивления через выпрямительный люст (б).

крытый Тг приложено напряжение, равное падению на­ пряжения на Дд. Это обусловливает перезаряд конденса­ тора со знаком «-(-» на верхней обкладке. Если теперь снять положительный сигнал управления с Т2, то послед­ ний к концу процесса перезаряда закроется.

При последующем открывании вновь замыкается накоротко Дд и одновременно начинается разряд конден­ сатора по контуру Ск — Тг — Д к — Ьк. Наличие в этом контуре индуктивности и конденсатора обусловливает

впринципе колебательный характер процесса. В связи

сэтим происходит перезаряд конденсатора, но, как только ток разряда становится равным нулю, этот процесс пре­ кращается вследствие того, чтб диод Д к не пропускает ток

217

в обратном направлении. Следовательно, конденсатор остается заряженным со знаком «+» на нижней обкладке. Если теперь вновь открыть тиристор Т%, то происходит закрывание и процесс повторяется в рассмотренной выше последовательности.

Тиристорный ключ обеспечивает замыкание накоротко добавочного сопротивления только при одном направле­

тока и в цепях асинхронных двигателей. В последнем случае добавочное сопротивление включается последова­ тельно с обмотками статора или ротора через выпрями­ тельный мост, как это показано на рис. 4-45. Для увеличе­ ния индуктивности коммутируемой цепи выпрямленного тока в нее включается реактор Р.

Для импульсного регулирования индуктивного сопро­ тивления добавочное сопротивление с тиристорным или транзисторным ключом включается в цепь обмотки подмагничивания.

Следует отметить, что вследствие небольшого значения мощности, необходимой для управления тиристорным или

218

транзисторным ключом, данный способ позволяет полу­ чить бесступенчатое плавное регулирование скорости. По этой же причине можно получить значительно более жесткие механические характеристики, чем, например, при обычном реостатном регулировании, если с измене­ нием нагрузки на валу двигателя изменять управляющий сигнал.

Энергетические показатели при импульсном регулиро­ вании сопротивления несколько хуже, чем при ступенча­ том его изменении. Для двигателей постоянного тока это

Рис. 4-46. Механические характеристики при импульсном регули­ ровании сопротивления.

объясняется наличием в кривой тока якоря переменной составляющей, обусловленной колебаниями тока за пе­ риод коммутации ключа, что приводит к увеличению по­ терь энергии. Следует заметить, что среднее значение момента двигателя от переменной составляющей тока равно нулю. Некоторое ухудшение энергетических пока­ зателей асинхронных двигателей при рассматриваемом способе изменения сопротивления обусловлено, помимо пульсаций выпрямленного тока, наличием вентилей в це­ пях обмоток статора или ротора, что приводит к искаже­ нию формы тока двигателя и как следствие к появлению моментов высших гармоник.

На рис. 4-46 показаны экспериментальные механиче­ ские характеристики при широтно-импульсном регули­ ровании (Тк — const) добавочного сопротивления в цепи якоря двигателя постоянного тока независимого возбуж­ дения при включении его по схеме рис. 4-44, а й в цепи ротора асинхронного двигателя при включении по схеме

219

рис. 4-45, б. В обоих случаях механические характери­ стики при у = const аналогичны характеристикам указан­ ных двигателей при реостатном регулировании скорости. Следует отметить, что при у = 1 механические характе­ ристики не совпадают с естественными. Это объясняется тем, что реальный тиристорный ключ в замкнутом состоя­ нии в отличие от идеального обладает конечным сопро­ тивлением. На форме характеристик асинхронного дви­ гателя сказывается также искажение формы тока ротора, вызванное наличием выпрямителя в его цепы.

Г л а в а п я т а я

РЕГУЛИРОВАНИЕ СКОРОСТИ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ИЗМЕНЕНИЕМ ПИТАЮЩЕГО НАПРЯЖЕНИЯ

5-1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Регулирование угловой скорости двигателей путем изменения напряжения на зажимах источника питания в принципе применимо для электроприводов с любыми двигателями постоянного тока и с асинхронными двига­ телями. Это положение следует из анализа выражений механических характеристик указанных двигателей (2-9), (2-35), (2-54) и (2-55). Практически такой способ регули­ рования скорости для двигателей постоянного тока исполь­ зуется главным образом при независимом возбуждении.

Для реализации рассматриваемого способа регулиро­ вания необходимо иметь источник питания, напряжение на зажимах которого может изменяться в широких преде­ лах. Для электродвигателей постоянного тока в качестве таких источников используются различного рода управляе­ мые преобразователи электрической энергии переменного тока в электрическую энергию постоянного тока. Наиболее широкое применение получили электромашиныые и вен­ тильные преобразователи. Электромашинный преобразо­ ватель представляет собой генератор постоянного тока, приводимый во вращение синхронным или асинхронным двигателем. Изменение напряжения на зажимах генера­ тора производится за счет изменения его потока возбуж­ дения. В этих преобразователях осуществляется дву­ кратное преобразование энергии: электрической перемен­ ного тока в механическую и механической в электрическую постоянного тока.

220

Следует заметить, что для привода электромашинных преобразователей могут использоваться и другие типы двигателей. В частности, для этой цели на передвижных агрегатах и других установках, не связанных с электриче­ скими сетями, применяются двигатели внутреннего сгора­ ния, обычно дизельные. На промышленных предприятиях такие установки практически не находят применения.

Регулирование напряжения на зажимах вентильных преобразователей может осуществляться изменением угла открывания вентилей в случае управляемого или измене­ нием переменного напряжения в случае неуправляемого преобразователя. В последнем случае для регулирования напряжения используются автотрансформаторы и тран­ сформаторы с переменным коэффициентом трансформации, а также магнитные усилители.

Кроме указанных выше способов, возможен также им­ пульсный способ регулирования напряжения, когда'якорь двигателя периодически подключается к источнику с неиз­ менным напряжением и отключается от него. Регулирова­ ние напряжения в этом случае осуществляется путем изменения относительной длительности включения якоря на зажимы источника питания.

Общим для всех рассматриваемых способов регулиро­ вания является наличие преобразователя, расчетная мощ­ ность которого должна быть равна или несколько большей номинальной потребляемой мощности двигателя. В связи с этим внутреннее сопротивление преобразователя обычно сопоставимо с сопротивлением якоря двигателя. В соот­ ветствии со сказанным на эквивалентной схеме, приве­ денной на рис. 5-1, я, регулируемый преобразователь мо­ жет быть представлен источником э . д . с . Епр, величина которой изменяется в процессе регулирования скорости, и эквивалентным сопротивлением R„p. На эквивалентной схеме показаны также сопротивление R c соединительных проводов и контактных соединений между якорем двига­ теля и зажимами • преобразователя н сопротивленце R n цепи якоря двигателя.

Для рассматриваемой эквивалентной схемы главной цепи электропривода в соответствии со вторым законом Кирхгофа может быть записано следующее уравнение:

где

Дя s =Дцр Ч-Дс~Ь Дя*

221