6.3. Система генератор-двигатель

При рассмотрении свойств электромеханического преобразователя постоянного тока с независимым возбуждением было установлено, что наиболее широкие и благоприятные возможности управления процессами электромеханического преобразования энергии обеспечиваются изменением приложенного к якорной цепи двигателя напряжения u_я. Для того чтобы зменять подведенное к якорю напряжение, используют различного вида управляемые преобразователи. До сравнительно недавнего времени для этой цели преимущественно применялись электромашинные преобразователи - генераторы постоянного тока, а основной системой регулируемого электропривода была система Г-Д. В настоящее время в связи с развитием вентильных преобразова телей ее применение сокращается, однако она продолжает успешно применяться во многих ответственных промышленных установках.

Принципиальная схема системы Г-Д представлена на рис.6.4,а. Электромашинный преобразовательный агрегат состоит из приводного двигателя ПД, который приводит во вращение  скоростью _г генератор постоянного тока Г. К выводам якоря генератора подключен якорь двигателя Д, который приводит во вращение  скоростью  исполнительный механизм ИМ. Обмотка возбуждения генератора ОВГ для управления ЭДС генератора Е_г подключена к выходу возбудителя ТВ. При необходимости управления полем двигателя Д его обмотка возбуждения ОВД может быть также снабжена индивидуальным управляемым возбудителем. На рисунке для выявления свойств собственно системы Г-Д обмотка возбуждения двигателя показана включенной на номинальное напряжение возбуждения U_BHOM и принимается, что поток двигателя Ф=Ф_ном=const.

Х арактеристики основных элементов системы Г-Д для наглядности показаны на том же рисунке в непосредственной близости от соответствующих элементов. Рассмотрим с их помощью особенности системы Г-Д как объекта управления.

В качестве приводных двигателей ПД применяются либо асинхронные, либо синхронные двигатели (на рис.6.4,а для случая использования синхронного двигателя штриховой линией показана цепь питания его обмотки возбуждения, ток которой I_вс, а напряжение питания U_вс). Механическая характеристика 1 (рис.6.4,б) асинхронного двигателя AД обладает конечной статической жесткостью. Поэтому при изменении нагрузки на валу, создаваемой генератором Г при работе электропривода, скорость преобразовательного агрегата в небольших пределах изменяется (_г=var).

При использовании синхронного двигателя его скорость в статических режимах работы при разных нагрузках генератора остается неизменной (_г=const, прямая 2 на рис.6.4,б). Однако и в этом случае в динамических процессах скорость агрегата изменяется из-за ограниченной динамической жесткости механической характеристики синхронного двигателя _дин. В качестве примера на рис.6.4,б показана динамическая механическая характеристика 3 для случая установившихся колебаний нагрузки. Эта характеристика показывает, что и при синхронном двигателе в динамических процессах скорость агрегата может изменяться в небольших пределах относительно синхронной скорости двигателя (_г_г0).

Изменения скорости генератора приводят к изменению его ЭДС, следовательно влияют на работу электропривода. В частности, при асинхронном ПД с ростом нагрузки электропривода в двигательном режиме возрастает тормозной момент генератора и в соответствии с кривой 1 на рис.6.4,б скорость _г и ЭДС генератора E_г=k₁Ф_г_г постепенно снижаются, что сказывается на скорости двигателя. В мощных электроприводах, для которых и применяется система Г-Д, это снижение составляет 1,5-2% и вызывает примерно такое же снижение скорости электропривода  в дополнение к другим факторам.

Преимуществами асинхронного приводного двигателя являются его меньшая колебательность, большая простота и надежность. Однако следует учитывать, что благодаря возбуждению постоянным током синхронный двигатель менее критичен к колебаниям напряжения сети, особенно при наличии системы автоматического регулирования тока возбуждения.

Номинальная мощность возбуждения мощных генераторов постоянного тока P_в.ном=U_в.ном·I_в.ном достигает 0,5-1% номинальной мощности генератора, т. е. составляет киловатты и десятки киловатт. Для осуществления автоматического регулирования коэффициент усиления системы Г-Д по мощности недостаточен, поэтому в цепь возбуждения генератора вводятся усилители мощности.

До недавнего времени для этой цели использовались электромашинные и позже магнитные усилители. Последние еще находят применение в ряде серийных электроприводов, выпускаемых в настоящее время. Однако основным видом возбудителей в современных системах Г-Д являются тиристорные и транзисторные преобразователи, обладающие весьма высоким быстродействием и коэффициентом усиления по мощности, составляющим сотни тысяч. Примерная характеристика тиристорного возбудителя U_в1=f(U_у) представлена на рис.6.4,в. При линейной зависимости угла регулирования от U_y ее рабочий участок составляет часть синусоиды, при арккосинусоидальной он линеен. При дальнейшем рассмотрении эта кривая и в первом случае линеаризуется без большой погрешности. С учетом небольшого запаздывания и малых постоянных времени фильтров (Т_=Г_тв) динамические процессы тиристорного возбудителя ТВ при этом описываются уравнением

где k_тв=U_В.Г./U_y - коэффициент усиления тиристорного возбудителя по напряжению.

Следует заметить, что основным видом тиристорного возбудителя в настоящее время является преобразователь с раздельным управлением, в характеристике которого в зоне прерывистых токов проявляется неоднозначность. Однако в связи с большой постоянной времени нагрузки это влияние незначительно и здесь не учтено.

Основной элемент энергетической части системы управления - генератор Г - также обладает нелинейной и неоднозначной характеристикой E_г=f(U_вг) при _г=const, которая представлена на рис.6.4,г кривой 1, линейной на основной части при ненасыщенной магнитной цепи. Вследствие гистерезиса в ней проявляется существенная неоднозначность (кривая 2). Учет гистерезиса усложняет анализ динамических процессов, так как каждым изменениям возбуждения соответствуют частные петли гистерезиса, лежащие внутри предельной петли 2, соответствующей циклам перемагничивания от +E_гном до ~E_гном и обратно. Для выявления основных динамических свойств системы Г-Д гистерезисом можно пренебречь и для линейного участка характеристики 1 записать

где k_г=E_г/U_вг при _г=const; T_г=L_вг/R_вг - постоянная времени генератора.

Уравнение механической характеристики электропривода, управляемого по системе Г-Д, получим с помощью уравнения электрического равновесия для якорной цепи машин:

г де - суммарное сопротивление якорной цепи в системе Г-Д (рис.6.4,a);

- суммарная индуктивность якорной цепи в системе Г-Д;

Уравнение (6.6) можно представить в виде

где с=k·Ф_ном- коэффициент ЭДС двигателя; ₀=е_г/с - скорость идеального холостого хода в системе Г-Д; Т_я=L_я/R_я.

Заменив в (6.7) i_я на М=сi_я, получим уравнение механической характеристики в системе Г-Д:

где _е⁼с²/R_я - модуль статической жесткости механической характеристики в системе Г-Д.

Сравнивая (6.8) с (3.41), можно установить их полную аналогию по форме. При принятых допущениях механические характеристики двигателя при питании от сети и от индивидуального генератора отличаются только значениями R_я и L_Я, если в качестве управляющего воздействия рассматривать не напряжение u_я, а ЭДС генератора е_г.

На рис.6.4,д представлена естественная механическая характеристика двигателя при питании от сети (прямая 1) и естественная характеристика в системе Г-Д (прямая 2). Так как генератор имеет примерно ту же мощность, что и двигатель, то R_ядв=R_яг. Соответственно модуль жесткости в системе Г-Д примерно в 2 раза меньше, чем модуль жесткости  при бесконечно мощной сети.

Характеристика 2 соответствует такой ЭДС генератора Е_г=Е_гном, при которой двигатель работает в номинальном режиме при М=М_НОМ, =_ном.

Это значение E₁ больше, чем номинальное напряжение двигателя:

К ак следствие, в разомкнутой системе Г-Д скорость идеального холостого хода _0ном=E_гном/с больше, чем ₀=U_ном/c при питании от сети.

Изменением ЭДС генератора E_г в системе Г-Д обеспечивается непрерывное плавное управление моментом и скоростью электропривода во всех четырех квадрантах координат механической характеристики при неизменной жесткости _е=const.

В качестве примера на рис.6.4,д показаны две искусственные характеристики 3 и 4, соответствующие значениям Е=Е'_г=const и Е=-Е_г"=const на рис.6.4,г.

С помощью уравнений (6.4)-(6.6) и уравнения движения электропривода при с₁₂= в виде

н а рис.6.5,а построена структурная схема системы Г-Д. Сравнивая эту схему со схемой на рис.4.7, можно установить, что динамические свойства системы Г-Д по отношению к управляющему воздействию е_г аналогичны рассмотренным в гл. 4. Колебательность электропривода определяется соотношением постоянных времени m=Т_М/Т_Я, а характер изменения скорости в переходных процессах задается законом изменения _г=f(t) аналогично тому, как это было рассмотрено в §4.9 при u_я=f(t).

Опираясь на проведенный выше анализ, можно сделать вывод, что если изменять напряжение u_у по закону, обеспечивающему линейное нарастание ЭДС генератора е_г=t, то в системе Г-Д ₀=(/c)t=₀t и зависимости момента М(t) и скорости (t) будут иметь при прочих равных условиях тот же характер, что и на рис.4.30.

Отличием структуры системы Г-Д от рассмотренной выше структуры разомкнутой системы является наличие в цепи формирования управляющего воздействия двух инерционных звеньев с постоянными T_тв и Т_г. Постоянная времени Г_тв при полупроводниковой системе импульсно-фазового управления тири-сторным возбудителем весьма мала: T_тв=0,01 с Постоянная времени цепи возбуждения генератора T_г напротив, весьма велика: T_Г=13 с. Поэтому во многих случаях можно без заметной погрешности принять T_ТВ=0 и, обозначив k'_г=k_твk_г/с, представить структурную схему системы Г-Д, как показано на рис.6.5,б. Рассматривая эту схему, можно заключить, что при изменении управляющего воздействия и_y скачком ЭДС генератора и скорость ₀ в системе Г-Д изменяются по закону, определяемому переходной функцией инерционного звена с постоянной Т_г:

Процессы в электромеханической системе с линейной механической характеристикой при изменении ₀ по закону (6.10) были рассмотрены также в §4.9 и полностью характеризуют процессы в системе Г-Д при скачке управляющего воздействия. Из (6.10) можно определить начальный темп нарастания управляющего воздействия

При данной Т_г он определяется приложенным к обмотке возбуждения генератора напряжением U_вг=k_твU_у и достигает наибольшего значения при U_Bmax=k_TBU_ymax (см. рис.6.4,в).

Для получения требуемого времени нарастания ЭДС генератора до номинального значения t_в необходимо форсировать процессы возбуждения путем повышения приложенного напряжения Требуемый коэффициент форсирования =U_Bmax/U_BHOM определяется из соотношения

З ависимость _тр=f(t_в/Tг) представлена на рис.6.6. Так как при малых T_М<<Т_гt_t_n, где t_п - требуемое время пуска, анализируя (6.12) и рис.6.6, можно заключить, что в системе Г-Д теоретически достижимо любое малое время пуска, однако, при весьма больших коэффициентах форсирования _тр Так как требуемая мощность возбудителя

пропорциональна коэффициенту форсирования, реальное быстродействие в системе Г-Д ограничивается разумной степенью увеличения мощности возбудителя. При использовании электромашинных и магнитных возбудителей допустимые по этим соображениям значения a_max<4. При возбуждении от полупроводниковых преобразователей в ряде случаев используют в 1,5-2 раза большие значения форсировок, что объясняется более высокими техническими показателями тиристорных и транзисторных возбудителей.

В заключение оценим экономичность системы Г-Д. Массогабаритные и энергетические показатели ее определяются необходимостью присущего этой системе трехкратного электромеханического преобразования энергии в трех входящих в систему электрических машинах: ПД, Г и Д. Как следствие, установленная мощность машин привода возрастает втрое, и благоприятные регулировочные возможности достигаются ценой существенных дополнительных затрат дефицитной меди, высококачественной стали и труда. Установка вращающегося преобразовательного агрегата требует сооружения специального фундамента, центровки агрегата, тщательной настройки коммутации тока коллектором генератора. Хотя регулирование путем изменения напряжения на якоре не вызывает дополнительных потерь в двигателе Д, преобразование энергии двигателем ПД и генератором Г сопровождается ее потерями и общий КПД системы Г-Д снижается:

где _дв, _г, _пд - соответственно КПД электрических машин Д, Г и ПД.

Достоинствами системы Г-Д являются отсутствие искажений потребляемого из сети тока и относительно небольшое потребление реактивной мощности даже при асинхронном ПД. При применении синхронного двигателя в преобразовательном агрегате путем регулирования тока возбуждения можно обеспечить работу электропривода с cos ф=1 или с опережающим cos  для компенсации реактивной мощности, потребляемой другими установками.

В эксплуатации вращающийся преобразовательный агрегат, особенно его подшипники и коллектор генератора требуют внимания и ухода. При надлежащем уходе система Г-Д хорошо зарекомендовала себя в условиях эксплуатации.