Система «управляемый выпрямитель – двигатель постоянного тока».

Рис.30.Схема (а) и механические характеристики (б) ЭП ПТ с управляемым выпрямителем в цепи обмотки якоря

Данный способ широко используется для регулирования любых координат ЭП при высоких требованиях к показателям его каче­ства. По этой причине до недавнего времени он являлся основным при создании регулируемых ЭП постоянного тока.

Схема ЭП при питании якоря двигателя от УВ, получившая на­звание система УВ – ДПТ, показана на рис. 30, а. Здесь Е_d – ЭДС УВ; R_п – внутреннее сопротивление УВ; k_п= E_d/U_y – коэффициент усиле­ния УВ, где U_y – входной сигнал управления. Напряжение на выхо­де УВ, подаваемого на обмотку якоря, вследствие наличия внутреннего сопротивления R_п опреде­ляется по формуле

U=E_d - IR_п. (94)

Управляемый выпрямитель осуществляет преобразование электрической энергии переменного тока в электрическую энергию постоянного тока. Регулирование величины выходного напряжения выпрямителя осуществляется посредством системы импульсно-фазового управления (СИФУ).Обмотка возбуждения ДПТ НВ питается от отдельного источ­ника постоянного тока, например от неуправляемого или уп­равляемого выпрямителя.

Формулы для определения электромеханической и механичес­кой характеристик получим, подставляя (94) в (68) и (69):

Ω= Е_d/(С_еФ) -I(R_я+ R_п)/(С_еФ) = Ω₀ - ΔΩ; (95)

Ω= Е_d/(С_еФ) - М(R_я+ R_п)/(С_еФ)² = Ω₀ – ΔΩ. (96)

Из (95) и (96) видно, что при изменении ЭДС УВ Е_d пропорционально изменяется скорость идеального холостого хода Ω₀, а искусствен­ные характеристики 2– 8 (см. рис. 30, б), оставаясь линейными и параллельными друг другу, имеют по сравнению с естественной ха­рактеристикой 1 ДПТ НВ больший наклон из –за наличия сопротив­ления R_п в выражении для определения перепада скорости ΔΩ (от­метим, что естественная характеристика 1 соответствует питанию двигателя от источника с нулевым внутренним сопротивлением). Характеристики располагаются во всех четырех квадрантах парал­лельно друг другу. При нулевом напряжении на выходе управляемого выпрямителя (Е_d=0) ДПТ работает в режиме динамичес­кого торможения.

Наряду с управляемыми выпрямителями для регулирования напряжения обмотки якоря находят широкое применение транзисторные широтно-импульсные преобразователи постоянного напряжения в постоянное напряжение.

В последние годы разработаны и начинают широко применяться на практике так называемые активные выпрямители, выполненные на полностью управляемых вентилях [11].

В тиристорных ЭП постоянного тока находят широкое применение трехфазные однотактные, мостовые, шестифазные схемы управляемых выпрямителей. Реже применяются двухфазные управляемые выпрямители.

Любой управляемый выпрямитель является обратимым преобразователем. Он может работать как в выпрямительном режиме, преобразуя электрическую энергию переменного тока в электрическую энергию постоянного тока, так и в инверторном режиме, преобразуя электрическую энергию постоянного тока в электрическую энергию переменного тока. Именно благодаря этому свойству управляемые выпрямители находят широкое применение в регулируемых электроприводах постоянного тока.

Тиристорные ЭП, выполненные на базе управляемых выпрямителей, могут быть нереверсивными или реверсивными. Нереверсивные схемы ЭП имеют одну вентильную группу (один управляемый выпрямитель), а реверсивные схемы ЭП – имеют две вентильные группы (два управляемых выпрямителя), включенных либо по встречно-парал­лельной, либо по перекрестной схеме.

Реверсивные схемы тиристорных ЭП постоянного тока могут работать во всех четырех квадрантах механической характеристики и обепечивать при необходимости генераторное (рекуперативное) торможение привода.

Наиболее распространенные схемы реверсивного тиристорного ЭП постоянного тока приведены на рис. 31 – 34. ЭП, изображенные на рис. 31, 33, 34, а, выполнены по встречно-параллельной схе­ме, а ЭП, изображенные на рис.32, 34, б – по перекрестной схе­ме. Наибольшее распространение получили встречно–параллельные схе­мы из–за меньшей установленной мощности и простоты исполнения трансформатора [9].

Рис.31. Встречно- параллельная трехфазная однотактная схема реверсивного тиристорного ЭП постоянного тока

Рис.32. Перекрестная трехфазная однотактная схема реверсивного тиристорного ЭП постоянного тока

Рис.33. Встречно – параллельная шестифазная однотактная схема реверсивного тиристорного ЭП постоянного тока

Рис.34. Встречно - параллельная (а) и перекрестная (б) трехфазные мостовые схемы реверсивного тиристорного ЭП постоянного тока

Применение управляемых выпрямителей в качестве регуляторов напряжения двигателей постоянного тока имеет ряд особенностей [7]:

– дискретность регулирования;

– влияние параметров вентильного преобразователя на механи­ческие и регулировочные характеристики двигателя постоянного тока;

– прерывность тока обмотки якоря при определенном значении этого тока и параметров цепи постоянного тока;

– появление уравнительных токов при совместном управлении вентильными блоками;

– снижение коэффициента мощности на входе управляемого вы­прямителя с увеличением угла регулирования α;

– влияние искажений напряжения сети переменного тока на на­дежность работы системы импульсно-фазового управления.

Перечисленные особенности работы ЭП приводят к изменению характеристик ЭП постоянного тока.

Принцип действия, свойства и характеристики системы тиристорного ЭП постоянного тока рассмотрим на примере схемы, приведенной на рис. 35, в кото­рой использован трехфазный мостовой нереверсивный управляемый выпрямитель [11].

Рис.35.Схема трехфазного мостового нереверсивного тиристорного ЭП постоянного тока

В схеме трехфазного мостового выпрямителя (рис. 35) тиристоры объединены в две группы – катодную и анодную, при этом аноды и като­ды вентилей соответствующих групп соединяются попарно и подключают­ся к трехфазной вторичной обмотке трансформатора (Т). Следует отметить, что использование вы­прямителя возможно также без сетевого трансформатора Т при прямом подсоедине­нии вентильного блока к трехфазной сети. Между общей точкой катодов и общей точкой анодов групп вентилей присоединяется обмотка якоря двигателя постоянного тока. По отношению к внешней цепи общая точка катодов является положительным полюсом, а общая точка анодов – отрицательным. В данной схеме во внекоммутационном интер­вале одновременно работают два вентиля – по одному в катодной и анодной группах. В результате цепь нагрузки в любой момент присоеди­нена к питающим фазам на линейное напряжение, снимаемого с вторичных обмоток трансформатора.

Предположим, что выпрямитель выполнен на неуправляемых вентилях. В этом случае в каждый момент времени одновременно будут вести ток два вентиля, находящиеся под наибольшим мгновенным линейным напряже­нием. В табл. 6 приведена очередность работы вентилей с учетом распределения фаз питающего напряжения на силовом входе вентильного блока, так как это показано на рис. 35. Как видно из таблицы, естественное переключение вентилей происходит через интерва­лы, равные π/3, составляющие продолжительность рабочего такта θ, а каждый вентиль ведет ток в течение двух тактов 2θ=2π/3, коммутации нечетных и четных вентилей сдвинуты относительно друг друга на один такт и чередуются на периоде напряжения питающей сети. Схема рассматривае­мого выпрямителя является трехфазной двухтактной с шестикратной час­тотой пульсаций выходного напряжения.

Таблица 6.Очередность работы вентилей в трехфазном мостовом выпрямителе

В управляемом выпрямителе в любой момент времени ток проводят те два тиристора, к которым приложено наибольшее мгновенное линейное напряжение и на управляющие электроды которых поданы импульсы управления. Фазовый сдвиг импульса управления по отношению к точке естественного открытия принято называть углом управления (регулирования) α. Работа управляемого трехфазного мостового выпрямителя в выпрямительном режиме (при угле управления α=π/6) характеризуется вре­менными диаграммами, приведенными на рис. 36:

– линейных напряжений вторичной обмотки трансформатора u_ab, u_ac, u_bc, u_ba, u_ca, u_cb и выпрямленного напряжения u_d при α=30^о и α=0^о;

– точки k, …, p, q являются точками естественного открытия вентилей;

– точки k’, …, p’, q’ определяют моменты открытия вентилей с заданным значением угла регулирования α;

– утолщен­ные кривые u_d и u_v1 представляют мгновенные величины выпрямленного напряжения и напряжения на вентиле соответственно;

– i_{у. v1}, …, i_{у. v6} – импульсы управления вентилями сдвоенной формы, что необ­ходимо для надежного открытия вентилей во всех установившихся и пе­реходных режимах.

i_v1 – ток вентиля VS1;

i_а – ток фазы а вторичной обмотки трансформатора.

Рис. 36. Временные диаграммы, поясняющие работу трехфазной мостовой схемы в выпрямительном режиме работы

Импульсы управления на тиристоры (i_у.в1, …, i_у.в6) подаются от системы импульсно – фазового управления (СИФУ). Система импульсно – фазового управления служит для формирования импульсов управления, распределения их по тиристорам силовой схемы и регулирования их фазового положения по отношению к точкам естественного зажигания.

Структурно СИФУ систоит из компаратора, усилителя-формирователя и импульсного трансформатора [11]. На вход компаратора поступают опорное напряжение (пилообразной или косинусоидальной формы) и управляющее напряжение с выхода регулятора тока. Компаратор формирует двухполярное напряжение переменной скважности, которая зависит от уровня и знака управляющего напряжения. Компаратор строится на аналоговом интегральном усилителе без обратных связей.

Усилитель – формирователь преобразует напряжение на выходе компаратора в серию однополярных узких импульсов постоянной амплитуды и ширины. Фаза импульсов зависит от величины скважности сигнала на выходе компаратора, Усилитель-формирователь строится на биполярных транзисторах и резистивно-емкостных цепях.

Между СИФУ и тиристорами силовой схемы, как правило, должны быть установлены импульсные трансформаторы, которые гальванически разделяет силовую схему выпрямителя от системы управления. В случае выполнения силовой схемы на оптронных тиристорах импульсные трансформаторы в СИФУ не устанавливают.

Среднее значение выпрямленного напряжения для этой схемы выпрямления опреде­ляется по соотношению

(97)

Здесь при расчете напряжения U_d по линейным напряжениям коэффициент преобразования схемы k_{сх. л}=1,35, а при расче­те по фазным напряжениям k_{сх. ф}=2,34.

Регулировочная характеристика управляемого выпрямителя [11]

–это зависимость среднего значения выпрямленного напряжения от угла регулирования α, т.е. U_d=f(α), (рис.37).

При непрерывном характере тока нагрузки (нагрузка активно-индуктивная, L_d =∞) регулировочная характеристика выпрямителя, выполненного по любой схеме, представляет собой косинусоиду при любом числе вторичных фаз.

(98)

U_d0 – среднее значение выпрямленного напряжения при значении угла регулирования α=0^о.

(99)

где m₂ – число фаз вторичной обмотки трансформатора;

k_сх – коэффициент преобразования схемы.

При конечном значении индуктивности цепи нагрузки регулировочные характеристики отклоняются от косинусоиды. Отклонение регулировочной характеристики от косинусоиды из– за появления прерывистости тока цепи нагрузки происходит при тем меньших углах регулирования, чем меньше число вторичных фаз (m₂) и чем меньше индуктивность сглаживающего дросселя (L_d).

Угол регулирования, соответствующий границе непрерывного и прерывистого характера тока нагрузки, называется граничным углом и обозначается как α_гр, а угол регулирования, при котором выпрямленное напряжение равно нулю, называется углом запирания и обозначается как α_зап.

При чисто активном характере нагрузки (L_d=0) для любой схемы выпрямления можно выделить два участка.

Первый участок регулировочной характеристики, 0<α<α_гр, ток нагрузки непрерывен и регулировочная характеристика имеет косинусоидальный характер:

На втором участке регулировочной характеристики, α_гр <α< α_зап, ток нагрузки имеет прерывистый характер и регулировочная характеристика определяется формулой

(100)

Значения углов α_гр и α_зап, определяются следующими соотношениями:

(101)

(102)

Рис. 37. Регулировочные характеристики управляемых выпрямителей

Обратим внимание на то, что диапазон изменения угла регулирования α имеет ограничения по минимально допустимому значению, т.е. α > α_min. Другими словами минимальное значение угла регулирования α в тиристорном ЭП постоянного тока не может быть равно 0. Это ограничение следует из того, что при работе управляемого выпрямителя на двигатель постоянного тока открытие тиристора силовой схемы при подаче на него импульса управления возможно только при положительном потенциале анода тиристора (по отношению к катоду). Знак потенциала этого напряжения зависит от соотношения мгновенного значения напряжения переменного тока (u_2л), прикладываемого к вентилю, и противоЭДС двигателя (Е_я).

U_а-к= u₂- Е_я = U_2msinωt- Е_я.

Величина минимального угла регулирования α_min управляемого выпрямителя, работающего на противоЭДС двигателя, определяется из условия равенства положительного мгновенного напряжения, снимаемого с вторичной обмотки трансформатора, и отрицательной противоЭДС двигателя:

ПротивоЭДС двигателя при максимальной скорости, соответствующей минимальному углу регулирования, приблизительно равна среднему значению выпрямленного напряжения U_dα.

где m₂ – число фаз вторичной обмотки трансформатора;

2π/m₂ – максимальная длительность работы тиристора.

C помощью этой формулы можно определить максимальное значение выпрямленного напряжения U_{dα max} при отпирании тиристоров в точке естественного зажигания вентилей и минимально допустимый угол регулирования α_min. Значение величины α_min необходимо для правильной настройки системы управления тиристорным преобразователем. Если угол α< α_min, то возможен аварийный режим работы преобразователя с выходом из строя тиристоров силовой схемы. Отношение U_{dα max} к U_2m позволяет сопоставить технико-экономические показатели тиристорных преобразователей с различным числом фаз. В табл. 7 приведены рассчитанные значения U_{dα max} / U_2m и α_min .

Таблица 7. Сравнение технико-экономических показателей трех схем управляемых выпрямителей

Схемы управления всех указанных выше тиристорных преобразователей ЭП постоянного тока должны обеспечивать ограничение угла регулирования в соответствии с теми значениями α_min, которые приведены в табл.7.