2.1 Тұрақты токтың электр жетегі. Түлендіруші жүйе — қозғалтқыш

Тұрақты ток қозғалтқыштары бар электр жетектері 1980-ші жылдарға дейін жалғыз реттелуші электр жетектері болып келді және жылдамдықты реттеу қажетті болған агрегаттарда қолданылды: илемдік орнақтар, экскаваторлар, металлкескіш білдектер, қағаз жасайтын машиналар және т.б. Бұл электр жетектерінің негізгі артықшылығы — үздік басқарушылығы, басты кемшіліктері — машинаның жоғары құны, оған қызмет көрсету қажеттілігі.

2000 ж. қарай жиіліктік реттелмелі асинхронды электр жетегінің дамуына байланысты тұрақты ток электр жетегінің үлесі реттелмелі электр жетектері арасында 15 % дейін төмендеп, шамамен осы деңгейде қалып тұр. Қуаттылығ зор агрегаттарда, желімен қолайлы өара әрекеттестік қажет болған кезде, генератор—қозғалтқыш (Г—Қ) жүйесі қолданылады, шағын қуаттылығында тиристорлық түрлендіргіштердің түрлі схемалары қолданылады.

Әрі қарай тұрақты ток электр жетегінің энергетикалық тәртібіне жататын кейбір мәселелер ғана қысқаша қарастырылған.

Тұрақты ток қозғалтқыштары бар электр жетектері әдетте, зәкір орамдарының қуаттануын жүзеге асыратын түрлендіргіштердің қолданылуымен орындалады. Электр жетегінің айнымалы ток желісінен қуаттануы кезінде мұндай түрлендіргіштері Г—Қ жүйелеріндегі мотор-генераторлық қондырғылары немесе барлық түрдегі басқарылатын түзеткіштер болып табылады — бірфазалық және үшфазалық, реверсивті және реверсивті емес, көпірлі және нөлдік нүктесімен. Статикалық түрлендіргіштер сонымен бірге қозғалтқыштардың қоздыру орамдарын қуаттандыру үшін қолданылады.

Түрлендіргіштер электр жетегінің координаттарын реттеуді қамтамасыз етеді және орныққан және ауыспалы тәртіптерінде энергия үнемдеу мүмкіндіктерін жасайды.

Қозғалтқышта бөлінетін қуаттылық шығындарының минимизациясы қоздыру тогын реттеу есебінен қамтамасыз етілуі мүмкін. Келесі екі жорамалда қуаттылық шығындарының минимизациясы жағдайларын қарастырайық: зәкір орамдарының және қоздыру тізбектеріндегі шығындар ескеріліп, қозғалтқыштың магнитті тізбегін қанықтыру есепке алынбайды. Мұндай жағдайда қозғалтқыштың орныққан жұмыс тәртібі теңдеулердің келесі жүйесімен көрсетіледі:

; (2.10)

; (2.11)

, (2.12)

 мұндағы ΔPΣ, ΔРя, ΔРв — зәкір мен қоздыру тізбектеріндегі қуаттылық шығындары сәйкесінше сомалық; Iя, Iв — сәйкесінше зәкір мен қоздыру тізбектеріндегі токтар; Rя, Rв — зәкір мен қоздыру тізбектеріндегі кедергісіне сәйкесінше; М, Mс — қозғалтқыш пен жүктеменің (кедергінің) сәттері, бір біріне белгіленген тәртібінде тең; Ф — қозғалтқыштың магнитті ағыны; k — қозғалтқыштың конструктивтік коэффициенті; kв — магнитті ағын мен қоздыру тогы арасындағы пропорционалдық коэффициенті.

(2.11) және (2.12) формулалардың (3.10) формуласына алмастырып қойылуы қуаттылық шығыны ΔPΣ үшін келесі мәніне әкеледі:

(2.13)

ΔPΣ туындысын Iв қоздыру тогы бойынша алып және оны нөлге теңдестіріп, ΔPΣ қуаттылықтың жиынтық шығыны минималды болатын, қоздыру тогының тиімді мәнін табамыз:

(2.14)

Қуаттылықтың жиынтық шығындарының минималды мәні ΔPΣопт, қоздыру тогына сәйкес келетіні келесіге тең болады:

  (2.15)

(2.15) формуладан шығатыны, зәкір мен қоздыру тізбектеріндегі қуаттылық шығындары бір біріне тең болған жағдайда, қуаттылықтың жиынтық шығындары минималды болады Бұл жағдай қозғалтқыштардың басқа түрлеріне де әділетті.

2.1. сурет. қуаттылық шығындарының минимизациясы кезіндегі тұрақты ток қозғалтқышы үшін электр жетегінің схемасы.

(2.14) формуласынан көрініп тұрғандай, қоздырудың оңтайлы тогы Л/с, қозғалтқышының жүктемесіне байланысты, яғни, оның өзгеруі кезінде реттелуі тиіс. 2.1 суретінде қозғалтқыш жүктемесінің өзгеруі кезіндегі оңтайлы деңгейде қоздыру тогын автоматтық қолдау жүзеге асырылатын, электр жетегінің схемасы көрсетілген. Бұл кезде жүктеме деңгейін анықтау қозғалтқыш зәкіріндегі тоқты өлшеу бойынша жанама жүргізіледі.

Схемада келесі белгілер қабылданған: ЗТ, ҚТ — сәйкесінше зәкір мен қоздыру тізбектерінің түрлендіргіштері; ЗТД және ҚТД — сәйкесінше зәкір мен қоздыру токтарының датчиктері; К — көбейту блогы; ФТ — (2.14) формуласына сәйкес Iв* қоздырудың оңтайлы тогы есебін жүргізетін, функционалды түрлендіргіш; ҚТР — қоздыру тогының реттегіші; kв — қоздыру тізбегі берілісінің коэффициенті; З — зәкір; UΔ, Uу – ПВ қоздыру түрлендіргішін басқару қате (келіспеушілігі) сигналы.

Мұндай тәсілді қолдану кезіндегі шығындардың минимизациясы қозғалтқыштың қанықпаған магниттік тізбегі кезінде мүмкін. Тек бұл жағдайда токтың оңтайлы мәніне дейін артуы магнитті ағынның пропорционалды артуына және қозғалтқыштағы шығындардың минималды деңгейге дейін төмендеуіне әкеледі.

Жиі іске қосылуымен, тежеулері мен реверстермен қайталанба–қысқа мерзімді тәртіпте жұмыс жасайтын электр жетектері үшін, тиімді энергия үнемделуі осы ауыспалы процестерде шығындарын азайту есебінен жүзеге асырылуы мүмкін. Тұрақты токтың түрлендіргіш—қозғалтқышына сәйкес, бұл қозғалтқыш зәкіріне берілетін кернеу іске қосылу кезінде нөлден біртіндеп толығына (номиналдығына) дейін өскенде, ал тежелуде біртіндеп нөлдік деңгейге дейін төмендеген кезде қозғалтқыштың басқарылатын іске қосылуы мен тежелуі есебінен қамтамасыз етіледі. Бұл кезде қозғалтқыш тежелуінің тәртібі энергияның желіге рекуперациясымен (берілуімен) жүзеге асырылуы мүмкін.

2.2.сурет. Жылдамдық жылдамдық белгілеушісі бар тұрақты ток қозғалтқышымен электр жетегі: а — электр жетегі схемасы; б — жылдамдық белгілеуіші кірісіндегі сигнал; — жылдамдық белгілеуіші шығысындағы сигнал; г — бос жүрістің жылдамдығы және зәкір жылдамдығының графиктері.

2.2 суретінде іске қосу және тежелу кезінде кернеудің реттелуі жүзеге асырылатын, электр жетегінің схемасы келтірілген. Схеманың қажетті элементі жылдамдық белгілеуіші болып табылады (ЖБ), және сонымен бірге кейде қарқындылық белгілеушісі деп аталады. Оның жұмысын 2.2 б және в суреттегі диаграммалар суреттейді. ЖБ кірісіне Uзс жылдамдықты белгілеу сатылы сигналын беру кезінде t1 уақыты сәтінде, (қозғалтқыштың іске қосылуы) ЖБ шығысында U’зc кернеуі біртіндеп ұлғая бастайды, мысалы уақыттың желілік функциясы бойынша, ал t2 уақыт сәтінде (қозғалтқыштың тежелуі) бұл сигналдың алынуы кезінде — біртіндеп төмендейді..

Осыған байланысты қозғалтқышқа берілетін U кернеуі мен онымен анықталатын қозғалтқыштың бос жүрісі жылдамдығы ω0 = U/kФ пропорционалды өзгереді (2.2 г суреті). Қозғалтқыштың зәкірі жылдамдығы ω(t) электр жетегінің механикалық бөлігі элементтерінің және жұмыс машинасының атқарушы органы инерциялығынан іске қосылу кезінде ω0 жылдамдығынан біршама аз, ал тежелуі кезінде — біршама артық болады. Мұның есебінен, ертерек қарастырылған асинхронды электр жетегіндегідей, қозғалтқыш зәкіріндегі энергия шығындары төмендейтін болады.

Қозғалтқышты іске қосу кезінде желілік үдей түсуі кезінде оның зәкіріндегі энергия шығындары ΔWупр келесі мәнімен анықталады:

, (2.16)

мұндағы AlV— тура қосу кезіндегі энергия шығындары (зәкірге толық кернеуді сатылы беру кезінде); Гм — уақыттың электр мехникалық тұрақтысы,  tп — іске қосу уақыты.

Тура іске қосу кезінде қозғалтқыштың зәкіріндегі энергия шығындары ΔW келесі мәнімен анықталады:

  (2.17)

мұндағы J — электр жетегінің инерция сәті; ω0 — қозғалтқыштың бос жүрісі жылдамдығы; sбаст, sсоңғ — сәйкесінше қозғалтқыш жылдамдығының бастапқы және соңғы салыстырмалы айырмасы,   Мср — іске қосу кезіндегі қозғалтқыштың ортаңғы сәті; Мс — өозғалтқыш жүктемесінің сәті.

(2.3) формуласынан шығатыны, tп > 2Тм кезде, басқарылатын іске қосылу кезіндегі энергия шығындары тікелей іске қосумен салыстырғанда аз болады.

2.3 суретінде схемасы көрсетілген генератор —қозғалтқыш жүйесінде, қозғалтқыштың іске қосылуы, тежелуі және реверсі кезіндегі кернеудің бірқалыпты өзгеруі генератордың қоздыру орамының (ГҚО) электр магниттік инерциялығы болуы салдарынан табиғи түрде өтеді. Қозғалтқышты іске қосу кезінде КМ1 (немесе КМ2 қозғалтқышты басқа бағытта қосу үшін) аппаратының контактілері тұйықталады, одан кейін қоздыру генераторы (ҚГ) тогының бірқалыпты ұлғаюы өтеді Iвг, U қозғалтқыш зәкіріндегі оның ЭҚК Ег және екпіні генератордың қоздыру тізбегі уақытының тұрақтысымен анықталады. Мұның есебінен зәкірге толық (номиналды) кернеуді беру қозғалтқышын іске қосуымен салыстырғанда қозғалтқыштағы қуаттылық шығынын азаюы өтеді.

 

2.3 сурет. Генератор —қозғалтқыш жүйесінің схемасы.

Қозғалтқыштағы энергия шығындарының сандық төмендеуі келесі мәнінің көмегіен бағалануы мүмкін:

  (2.18)

мұндағы m уақыт тұрақтысының қатынасы, m = Tв/Tм (Tв — генератордың қоздыру тізбегі уақытының тұрақтысы).

(2.18) мәнінен көрінетіндей, қозғалтқыштағы энергия шығындары зәкірдегі кернеудің қарғымалы түрде өзгеруі кезінде ондағы сәйкесінше шығындарымен салыстырғанда (m + 1) есе азаяды. Басқаша айтқанда, генератордың қоздыру тізбегі инерциясы неғұрлым үлкен болса, және тұрақты ток қозғалтқышының зәірінде кернеу неғұрлым баяу өзгерсе, ауыспалы процестерде энергия шығындары онда соғұрлым аз болады.

Қозғалтқыштың тежелуі кезінде (немесе оның реверсінің бірінші кезеңінде) энергияның айнымалы ток желісіне рекуперациясы электр машиналарының энергетикалық тәртіптерінің қайтымдылық қасиеттері есебінен қамтамасыз етіледі.

Қозғалтқыштың тежелуі КМ1 (немесе КМ2) контактілерінің ажыратылуымен Uв қуаттану көзінен қоздыру орамының сөндірілуімен жүзеге асырылады. Бұл кезде Iвг генератордың қоздыру тогының, оның ЭДС Ег және U қозғалтқыштың зәкірінде кернеудің біртіндеп азаюы өтеді. Қозғалтқыш зәкірінің механикалық инерциясы, механикалық беріліс пен қозғалтқыш ҚК жұмыс машинасының атқарушы органы элементтері болуының салдарынан, өозғалтқыш жылдамдығымен анықталатын Бірл. генератордың ЭҚК артады. Бұл кезде қозғалтқыш Қ генератор тәртібіне көшеді, генератор Г — қозғалтқыш тәртібіне, ал генератордың жетекті қозғалтқышы АД — U кернеуімен айнымалы ток желісіне энергияның берілісімен (рекупирациямен) генератор тәртібіне көшеді.

Генератор —қозғалтқыш жүйесінің аталған қасиеттері бұл жүйені энергия үнемдеу тұрғысынан тартымды етеді, бірінші кезекте, қайталанблы- қысқа мерзімді тәртіпте жұмыс жасайтын жұмыс машиналары мен өндірістік механизмдері үшін. Сол кезеңде электр машиналық түрлендіргіштің болуы (агрегат АД — Г) электр жетегін пайдаланудың одан күрделі жағдайларын анықтайды, жұмыс кезіндегі шу, бұл агрегатты орнату үшін іргетастың қажеттілігі, жартылай өткізгіш түрлендіргіштермен салыстырғанда қуаттылықтың одан зор шығындары.

Қозғалтқыштардың электр тежелуі оларды генераторлық тәртіпке аударуымен жүзеге асырылады, онда олар өз білігінде тежеуіш сәтін құрады. Қуат алу көзімен (желімен) өзара әрекеттесу сипаты бойынша генераторлық тәртіптің үш түрін және сәйкесінше тежеудің үш түрін ажыратады:

• желімен параллельді жұмыстың генераторлық тәртібі (рекуперативтік тежеу тәртібі);

• дәйекті түрде желімен жұмыстың генераторлық тәртібі (іске қосылуға қарсы тежеу тәртібі);

• желіден тәуелсіз жұмыстың генераторлық тәртібі (динамикалық тежеу тәртібі).

Электр машинасының генератор тәртібіндегі жұмысы ЭҚК мен зәкір тогының бірдей бағытымен сипатталады, сонымен қатар қозғалыс тәртібінде ЭҚК және зәкір тогы қарама қарсы бағытталған және қозғалтқыш электр энергиясын тұтынады.

Осылайша, қозғалтқышты генератор тәртібіне аудару үшін ЭҚК мен зәкір тогының бірдей бағытын қамтамасыз ету қажет.

Энергия үнемдеу тұрғысынан рекуперативтік тежеудің қолданылуы анық болып табылады, себебі бұл жағдайда электр жетегінде және жұмыс машинасының атқарушы органында жиналған энергия қуаттану көзіне (желіге берілуі мүмкін может, онда ол басқа энергия тұтынушыларымен қолданылуы мүмкін. Тежеудің басқа екі түрі бұл энергияның жылу энергиясына түрлендіруімен сипатталады яғни, ол жай ғана жоғалтылады. Рекуперативтік тежеу тәртібін нақтырақ қарастырайық.

Рекуперативтік тежеу тәртібі басқарылатын түзеткіш—қозғалтқыш жүйесінде, реверсивтік емес, сонымен қатар реверсивтік түзеткіштің қолданылуы кезінде жүзеге асырылуы мүмкін.

Реверсивтік емес түзеткіш—қозғалтқыш жүйесіндегі рекуперативтік тежеу. Бұл схемада энергияның рекуперациясы шарттарын қамтамасыз ету үшін әдетте реверстер деп аталатын құрылғылар қолданылуы тиіс. Қозғалтқыш зәкірінің тізбегінде реверстері бар мұндай жүйенің схемасы 2.4 а. суретінде келтірілген. БТ — басқарылатын тиристорлық түзеткіш; Схемада УВ В, Н — реверсордың басқарылатын кілттері; ҚО — қозғалтқыштың қоздыру орамы.

Мұндай схемада реверсорлары контактілі немесе контактілі емес құрылғылар болуы мүмкін.

Контактілі реверсорлар жалпы өнеркәсіптік серияларының электр магнитті контакторлар базасында немесе электр магнитті типті арнайы моноблокты конструкциялар негізінде орындалады. Электр жетегінің беріктігі мен қызмет мерзімін арттыру үшін әдетте қозғалтқыш тізбектерінің коммутациясын қарастырады, бұл сонымен қатар доғасөндіргіш құрылғыларынсыз реверсорларды қолдануға мүмкіндік береді.

Контактілі емес реверсорлар тиристорлардың қолданылуымен орындалады. Соынмен бірге олардың қолданылуы кезінде басқарылатын түзеткіштің тиристорларын жабу жолымен қамтамасыз етілетін, реверсорлар тиристорлардың токсыз коммутациясы жүзеге асырылады.

   

2.4 сутер. Зәкір тізбегіндегі (о) реверсорларымен электр жетегінің схемалары қозғалыс тәртібінде (б), энергияның рекуперациясы кезінде (в).

Электр жетегі жұмысының қозғалыс (негізгі) тәртібін 2.4, б суретіндегі схема бейнелейді, мысалға, В. кілттерінің тұйықталуы кезінде бұл тәртіпте тиристорларды басқару бұрышы УВ α = 0...90° шегінде және ол түзеткіш тәртібінде жұмыс жасайды. E қозғалтқыштың ЭҚК зәкір тогы Iя қарама қарсы бағытталған, және қозғалтқыш электр энергиясын тұтынады.

Қозғалтқыштың рекуперативтік тежелуін (реверсті) жүзеге асыру үшін басында а ≥ 90° бұрышы орнатылуымен УВ тиристорлар жабылады. Токтың ағуы тоқтатылған соң В кілттері ашылып, Н кілттері жабылады, 90°артатын мәндеріне дейін тиристорларымен басқару бұрышын ұлғайту есебінен УВ инверторлық тәртіпке аударылады.

Бұл тәртіпті бейнелейтін схема 2.4 суретте келтірілген, ЭҚК және зәкір тогы келісімді бағытталған болады, қозғалтқыш генератор тәртібіне ауысады және электр энергиясы Э желіге беріледі. Тежелу кезінде α бұрышы зәкірдегі ток ұйғарынды мәндерінен аспайтындай етіп реттелуі тиіс. Тежелу аяғында α бұрышы 90° жетеді, зәкірдегі ток нөлге тең болып, реверсорлар сөнеді.

Рекуперативтік тежелу тәртібі 2.4 суретінде көрсетілген схема бойынша, ҚО қоздыру орамы тізбегіндегі реверсорларды қолдану кезінде жүзеге асырылуы мүмкін. Электр жетегі жұмысының қозғалыс тәртібінде, мысалға В кілті қосылып тұр, және тиристорлар 0...90° шегіндегі α басқару бұрыштары бар тиристорлар УВ жұмыс жасайды.

Қозғалтқыштың рекуперативтік тежелуін (реверсті) жүзеге асыру үшін В кілттері ашылып, Н кілттері жабылады, ал УВ 90° артатын мәндеріне дейін басқару бұрышын ұлғайту есебінен инвенторлық тәртіпке аударылады. Қоздыру тогы бағытын және сәйкесінше ЭҚК магниттік ағынын өзгерту есебінен зәкір тогы де қарама қарсы бағытқа өзгертіп, онымен келісімді бағытталған болып шығады. Қозғалтқыш генератор тәртібіне ауысады және электр энергиясы Э желіге беріледі.

Реверсивтік түзеткіш—қозғалтқыш жүйесіндегі рекуперативтік тежеу.

Реверсивтік түзеткіш құрамына (2.5 сурет) екі реверсивтік емес басқарылатын түзеткіштер кіреді УВ1 мен УВ2. Электр жетегі жұмысының қозғалыс тәртібінде түзеткіштердің бірі, мысалы УВ1, α1 < 90° басқару бұрышымен түзету тәртібінде, ал басқасы УВ2, α2 > 90° бұрышымен инверторлық тәртібінде жұмыс жасайды (бірлесіп бақару кезінде) немес оның тиристорлары жабық (бөлек басқару кезінде). Бұл тәртіпке 2.5 суретте тұтас сызықтармен көрсетілген, ЭҚК, зәкір тогы мен электр энергиясының бағыттары сәйкес келеді.

Рекуперативтік тежеуді (реверсті) жүргізу үшін α1 бұрышы ұлғайтылуы, ал α2 бұрышы кішірейтілуі, мұның есебінен УВ2 қолданылуымен энергияның желіге рекуперациясы өтетін болады. Бұл тәртіпке 2.6 суретінде штрихталған сызықтармен көрсетілген зәкір тогы мен электр энергиясының Е ЭҚК бағыттары сәйкес келеді [9].

2.5. сурет. Қоздыру орамының тізбегіндегі реверстерімен электр жетегінің схемасы.