Система управляемый преобразователь — двигатель

При автоматическом регулировании координат электропривода в качестве управляющего воздействия может быть выбран любой параметр, оказывающий влияние на регулируемую переменную, и соответственно существует большое многообразие непрерывных, релейных и импульсных систем регулируемого электропривода. Однако наиболее употребительны системы, основанные на регулировании тех параметров, которые обеспечивают наибольшую управляемость электропривода во всех режимах. Наиболее высокая управляемость электропривода постоянного тока обеспечивается регулированием напряжения, приложенного к якорной цепи, при постоянном потоке двигателя. Аналогичные возможности для асинхронного электропривода дает использование частотного управления с воздействием на величину напряжения питания (или величину тока статора при питании от инвертора тока), обеспечивающим примерное постоянство результирующего магнитного потока двигателя. Эти эффективные способы управления могут быть реализованы только при наличии индивидуального управляемого источника питания силовой цепи двигателя, т. е. осуществляются по системе управляемый преобразователь — двигатель (УП—Д).

Рис.10. Схемы управления электроприводами

Для питания двигателей постоянного тока используются либо электромашинные преобразователи - генераторы постоянного тока (система Г-Д, рис.10, а), либо статические управляемые вентильные, например тиристорные, преобразователи переменного трехфазного напряжения сети в регулируемое напряжение постоянного тока (система ТП—Д, рис.10, б). Для частотного управления асинхронным электроприводом предусматриваются индивидуальные вентильные преобразователи частоты, позволяющие при изменениях частоты регулировать уровень напряжения (система ПЧ—АД, рис.10, в).

Питание двигателя от источника соизмеримой мощности оказывает на механические характеристики двигателя влияние, в связи с уменьшением напряжения питания по мере роста тока нагрузки в соответствии с внешней характеристикой преобразователя. Задача учета этого влияния осложняется нелинейностью внешних характеристик, которая для генератора постоянного тока обусловлена возможными изменениями скорости первичного двигателя при колебаниях нагрузки и влиянием реакции якоря, а для тиристорных преобразователей напряжения — нелинейностью характеристик вентилей, условиями согласования управления нереверсивными преобразователями, образующими схему реверсивного преобразователя, и возможностью режима прерывистых токов.

Регулирование угловой скорости двигателя постоянного тока независимого возбуждения изменением напряжения на якоре посредством импульсных регуляторов напряжения (широтно-импульсных преобразователей)

Регулирование напряжения на якоре двигателя можно осуществить импульсным методом, когда двигатель периодически подключается к источнику питания и отключается от него. В период отключения электропривод продолжает работать за счет запасенной кинетической и электромагнитной энергии.

Схема включения двигателя постоянного тока независимого возбуждения при импульсном регулировании напряжения показана на рис.11, а. Диод V, шунтирующий якорь двигателя, создает цепь для протекания тока якоря под действием ЭДС самоиндукции, возникающей в индуктивности обмотки якоря в период разомкнутого состояния ключа К. Это создает условия для непрерывного протекания тока якоря, что существенно уменьшает его пульсации и устраняет коммутационные перенапряжения на ключе К и обмотке якоря.

Из всех известных видов импульсного регулирования для регулирования угловой скорости преимущественное применение нашло широтно-импульсное регулирование напряжения (ШИР), при котором период коммутации Т_к (частота) остается постоянным, а изменяется время t_x замкнутого состояния ключа К — скважность ε = t₁/T_K (рис.11, б).

Среднее значение напряжения на якоре при ШИР равно:

где U — неизменное напряжение сети.

Диаграммы токов показаны на рис.11, в—д. Уравнение механической характеристики двигателя для средних значений угловой скорости и момента имеет вид:

откуда следует, что угловую скорость можно регулировать скорость в широких пределах, изменяя ε, а жесткость механических характеристик при регулировании угловой скорости постоянна и равна жесткости естественной характеристики. Это является достоинством данного способа регулирования угловой скорости. Однако высокая жесткость свойственна характеристикам лишь в области непрерывного тока якоря. Если же в период выключенного состояния ключа К ток якоря успевает снизиться до нуля и в кривой тока содержится пауза, то имеет место режим прерывистых токов, где жесткость механических характеристик (рис.11, е) резко падает. Основным средством сужения зоны прерывистых токов, уменьшения пульсаций тока якоря (момента) и угловой скорости относительно среднего значения и, следовательно, дополнительных потерь в обмотках якоря является, увеличение частоты коммутации ключа К. Обычно частота коммутации составляет 800—1200 Гц. Увеличению ее препятствует рост потерь в ключе (транзисторе, тиристоре) и его предельные динамические параметры.

Для реализации рассмотренного способа регулирования напряжения могут быть использованы либо транзисторы, работающие в режиме ключа, либо тиристоры.

Схема электропривода с тиристорным ключом приведена на рис.11, ж. Этот ключ работает так же, как и в схеме на рис.11, г, но в данном случае нет необходимости в дополнительном источнике питания для предварительного заряда коммутирующего конденсатора C_k, который предварительно заряжается от сети через коммутирующий тиристор V2 и якорь двигателя. При включении тиристора V_I происходит подача напряжения на якорь двигателя, выключение тиристора V₂ и колебательный перезаряд конденсатора С_к через реактор L_K, тиристор V_I и диод V₃.

При включении двигателя по схемам рис.11, а, ж он может работать только в двигательном режиме и режиме динамического торможения (при активном характере момента), а реверс двигателя возможен только посредством реверса тока возбуждения. Но существует много схем ШИР напряжения (угловой скорости двигателя), позволяющих двигателю работать во всех режимах (при питании от сети постоянного тока или от аккумуляторов) и осуществлять бесконтактное его реверсирование по цепи якоря.

Рис.11. Схема включения двигателя постоянного тока независимого возбуждения при импульсном регулировании напряжения на якоре двигателя (а), диаграммы напряжения (б), токов (в, г, д) и механические характеристики (е) при ШИР и схема тиристорного ключа (ж)

Электроприводы с ШИР напряжения на якоре двигателя вследствие их относительной простоты и высокого быстродействия широко используются в различных отраслях промышленности и техники, в транспортных установках и т. д. Они особенно удобны при наличии сети постоянного тока или в автономных установках при питании привода от аккумуляторов. В случае сети переменного тока питание привода с таким управлением производится через неуправляемый выпрямитель. При этом возникают большие трудности с организацией тормозных режимов и реверса двигателя по цепи якоря, вследствие чего область применения такого привода ограничивается установками малой мощности.