6.4. Система тиристорный преобразователь-двигатель

В силу отмеченных выше недостатков электромашинного преобразовательного агрегата на всех этапах развития электропривода много внимания уделялось поиску возможностей замены электромашинных преобразователей статическими вентильными преобразователями. В свое время получила некоторое распространение система управляемый ртутный выпрямитель - двигатель (УРВ-Д). Однако особенности ртутных вентилей - значительное падение напряжения в дуге, большие габариты, сложность эксплуатации, значительная мощность и несовершенство системы сеточного управления - не позволили этой системе успешно конкурировать с системой Г-Д Эта задача получила успешное решение только после создания полупроводниковых кремниевых вентилей и совершенных систем импульсно-фазово-го (СИФУ) управления на базе микроэлектроники, которые позволили разработать тиристорные преобразователи с высокими техническими показателями.

Схема системы ТП-Д представлена на рис.6.10,а. Двигатель постоянного тока Д получает питание от тиристорного преобразователя ТП, который преобразует напряжение сети переменного тока U_c в выпрямленное напряжение U_я, приложенное к цепи якоря двигателя. Для сглаживания пульсаций тока в цепь якоря введен сглаживающий реактор Р. Выпрямленное напряжение U_я зависит от угла регулирования а, противоЭДС нагрузки, тока нагрузки, падений напряжения на элементах силовой цепи преобразователя, и внешние характеристики преобразователя U_TП=U_Я=f(I_я, Е) при =const имеют сложный нелинейный вид.

Внешняя характеристика тиристорного преобразователя близка к линейной только при непрерывном токе нагрузки. При этом процессы в цепи выпрямленного тока определяются средними значениями напряжения и тока, что позволяет без большой погрешности представить преобразователь в качестве источника питания с ЭДС Е_п и эквивалентным внутренним сопротивлением R_{п экв}. Значения Е_п в этом режиме однозначно определяются утлом регулирования а и при линейной характеристике СИФУ зависимость а показана E_n=f(U) на рис.6.10,б (кривая 1) При замене реальной характеристики линеаризованной как динамическое звено системы электропривода тиристорный преобразователь в режиме непрерывного тока описывается уравнением

где k_n=E_n/U_y=const; T_n - малая постоянная, учитывающая дискретность, запаздывание и наличие фильтров в системе фазоим-пульсного управления.

У равнение электрического равновесия для якорной цепи, записанное в операторной форме, в этом режиме аналогично (6.7) для системы Г-Д:

где R_Я=R_пэкв+R_ядв - суммарное сопротивление якорной цепи ТП-Д; R_п.экв=Rк+Rт+Rр+Rвср - эквивалентное сопротивление преобразователя, R_к=mх_т/2 - сопротивление, учитывающее снижение выпрямленного напряжения из-за процессов коммутации токов вентилями преобразователя; R_т, X_T – приведенные ко вторичной цепи активное и индуктивное сопротивления рассеяния фазы трансформатора; m - число фаз выпрямления; R - сопротивление обмотки сглаживающего реактора Р; R_K-усредненное сопротивление п вентилей, по которым протекает ток I_ном.

С помощью (6.15) при Ф=Ф_ном получим уравнение механической характеристики:

где

Следовательно, в режиме непрерывного тока механические характеристики электропривода в системе ТП-Д при принятых допущениях аналогичны системе Г-Д. Статические характеристики, соответствующие (6 16) при р=0, показаны на рис 6.10,в.

Реальные статические механические характеристики могут отличаться от представленных на рис.6.10,в. Если в системе используется реверсивный тиристорный преобразователь с совместным согласованным управлением комплектами вентилей, характеристики могут несколько отличаться в зоне перехода от двигательного режима к режиму рекуперации вследствие неточности согласования характеристик управления комплектами вентилей (при U_y=0, >90 °).

При раздельном управлении комплектами вентилей в области малых нагрузок ток становится прерывистым, и это существенно меняет характеристики. При U=0 и =90 ° среднее значение E_п становится не равным нулю и увеличивается по мере уменьшения интервала проводимости. Для I_я=0 зависимость E_п=f(U_у) при p=0 приобретает вид кривых 2 и 3. В зоне прерывистых токов искажаются и механические характеристики, как показано на рис.6.10,в для естественной характеристики 1 штриховыми линиями 2 и 3.

Наиболее существенные особенности в систему ТП-Д вносит использование нереверсивного тиристорного преобразователя. При этом система является неполноуправляемой, ток якоря может протекать только в одном направлении. Соответственно механические характеристики во втором и третьем квадрантах не существуют.

Учет особенностей, вносимых различными тиристорными преобразователями, при проектировании электропривода имеет важное практическое значение Ему уделяется главное внимание в курсе «Системы управления электропривода» при изучении свойств и методов построения и расчета различных систем ТП-Д. В данном курсе для выявления общих закономерностей регулируемого электропривода предполагается работа системы ТП-Д при непрерывном токе и используются уравнения (6.14)-(6.16).

Структурные схемы системы ТП-Д, соответствующие этим уравнениям и уравнению движения электропривода при жестких механических связях, представлены на рис.6.11,а и б. При составлении схемы на рис.6.11,б уравнение (6.14) представлено в виде

г де

Система ТП-Д отличается весьма высоким быстродействием преобразователя. Постоянная времени Т_п при полупроводниковой СИФУ не превосходит 0,01 с. Соответственно возможности создания быстродействующих электроприводов при переходе к системе ТП-Д существенно расширяются.

Оценим экономичность системы ТП-Д в сравнении с системой Г-Д. При использовании нереверсивного преобразователя установленная мощность системы ТП-Д составляет 2Р_дв, т.е. меньше, чем для системы Г-Д. Однако при этом система ТП-Д имеет ограниченные технические возможности. В сравнимом варианте использования реверсивного преобразователя установленные мощности систем ТП-Д и Г-Д примерно одинаковы. Однако преимущества статического преобразователя перед вращающимся при этом говорят в пользу системы ТПД.

Важным достоинством системы ТП-Д является ее высокий КПД. Потери энергии в тиристорах при протекании номинального тока составляют 1-2% номинальной мощности привода. Поэтому даже с учетом потерь в реакторе и трансформаторе КПД преобразователя при мощности, составляющей десятки киловатт, достаточно высок.

Н едостатками тиристорного преобразователя являются изменяющийся в широких пределах cos ф, равный примерно cos , и значительные искажения формы потребляемого из сети тока. Для повышения коэффициента мощности применяют регулируемые фильтрокомпенсирующие устройства Однако введение этих устройств ухудшает в 1,5-2 раза массогабаритные показатели системы ТП-Д и увеличивает ее стоимость.