2.10.2. Механические характеристики электродвигателя в системе «Тиристорный преобразователь – двигатель постоянного тока»

Для нулевой схемы выпрямления среднее значение выпрямленной ЭДС Еd тиристорного преобразователя определяется уравнением

(2.80)

где Е_dм – максимальная величина выпрямленной ЭДС при  = 0.

, (2.81)

где m – число фаз преобразователя;

Е_2фм, Е_2ф – амплитудное и действующее значения фазной ЭДС вторичной обмотки трансформатора соответственно.

В нулевых схемах ток нагрузки равен току, протекающему по одному вентилю (за исключением периода коммутации), то есть определяется ЭДС фазы трансформатора, а падение напряжения – падением напряжения в работающей фазе, которое складывается из:

• падения напряжения U_в на самом тиристоре;

• падения напряжения U_R в активном сопротивлении;

• падения напряжения U_х за счет коммутации тиристоров.

Падение напряжения на вентиле не зависит от тока нагрузки, и для тиристоров

Падение напряжения на активном сопротивлении

(2.82)

(2.83)

где – ток нагрузки;

R_{1 ,} R₂ - активные сопротивления первичной и приведенное вторичной обмоток фаз трансформатора соответственно;

, – число витков вторичной и первичной обмоток трансформатора соответственно.

Падение напряжения за счет коммутации вентилей

(2.84)

(2.85)

где Х₁, Х₂ – индуктивные сопротивления первичной и приведенное вторичной обмотки фаз трансформатора соответственно.

Введем обозначение – эквивалентное сопротивление вентильного преобразователя. Тогда выпрямленное напряжение U_в преобразователя определится следующим образом

(2.86)

В мостовой схеме, в отличие от предыдущего случая, ток проходит через два вентиля и две фазы трансформатора под действием не фазного, а линейного напряжения и для трехфазной мостовой схемы m = 6. Следовательно, по сравнению с трехфазной нулевой схемой, эквивалентное сопротивление преобразователя будет здесь в два раза больше, и значение выпрямленного напряжения определится следующим уравнением:

(2.87)

где – максимальная выпрямленная ЭДС при  = 0 в мостовой схеме выпрямления.

Необходимо помнить, что если в преобразователе используется последовательное или параллельное соединение нескольких тиристоров, то это необходимо учитывать при расчете падения напряжения на вентилях методами классической электротехники.

Если от вентильного преобразователя получает питание электродвигатель, то его якорная цепь описывается уравнением

(2.88)

где – сопротивление якорной цепи;

R_р – активное сопротивление реактора.

Тогда уравнения скоростной и механической характеристик имеют следующий вид:

(2.89)

(2.90)

Из (2.89) и (2.90) следует, что в режиме непрерывных токов характеристики двигателя линейны и жесткость их определяется сопротивлением якорной цепи. Обычно в системе тиристорный преобразователь – двигатель жесткость характеристик ниже, чем в системе Г – Д, что объясняется повышенным сопротивлением якорной цепи, то есть наличием здесь эквивалентного сопротивления.

Из (2.89), (2.90) следует, что теоретически скорость идеального холостого хода определяется как

(2.91)

Однако на практике эта величина отличается от теоретической за счет наличия режима прерывистых токов.

Режим прерывистых токов заключается в том, что при малых значениях токов нагрузки период прохождения тока в вентиле становится меньше 2 / m, то есть отсутствует период коммутации. На рис.2.38 приведены кривые изменения напряжений и тока преобразователя для этого случая.

Рис.2.38. Кривые изменения ЭДС и тока

преобразователя в режиме прерывистых токов

Ток якоря двигателя протекает под действием разницы напряжения преобразователя и ЭДС двигателя. В режимах, близких к идеальному холостому ходу, эта разница невелика, и, когда мгновенное значение выпрямленного напряжения становится меньше ЭДС двигателя, индуктивность якорной цепи не способна поддержать ток нагрузки до точки , то есть ток становится прерывистым.

Границей между режимами непрерывного и прерывистого тока является режим, при котором период коммутации равен нулю (рис.2.39), называемый режимом граничного тока.

Рис.2.39. Кривые ЭДС двигателя, ЭДС и граничного тока

преобразователя

Величина граничного тока определяется углом зажигания вентилей и параметрами схемы, в частности, индуктивностью якорной цепи. При токе якоря больше граничного для описания скоростной и механической характеристик справедливы уравнения (2.89), (2.90). При токе якоря меньше граничного проводить расчет характеристик по этим уравнениям нельзя, так как в режиме прерывистых токов характеристики двигателя аналитически не описываются. Исследования показали 1, что на скоростных характеристиках точки граничных токов лежат на дуге эллипса, смещенного по оси ординат на

Таким образом, скоростные характеристики в системе «Тиристорный преобразователь – двигатель» имеют вид, приведенный на рис.2.40. Здесь точки пересечения штрихпунктирных продолжений линейных участков скоростных характеристик с осью ординат являются теоретическими значениями скоростей идеального холостого хода, рассчитанными согласно (2.91).

Рис.2.40. Скоростные характеристики электродвигателя в системе ТП-Д

Из рис.2.40 следует, что изменение угла зажигания вентилей приводит к изменению скорости идеального холостого хода двигателя в широком диапазоне. В системе ТП - ДПТ электрическая машина способна работать в двигательном режиме ( при ), в режиме динамического торможения ( при ) и в режиме рекуперации ( при ). В системе «Тиристорный преобразователь – двигатель» режим динамического торможения используется только в качестве аварийного.

При работе системы электропривода в режиме рекуперации электрическая энергия постоянного тока, генерируемая электрической машиной, преобразуется вентильным преобразователем в энергию переменного тока и передается в сеть. При этом преобразователь работает в режиме инвертора.

Инверторный режим является одним из важнейших в системе ТП-ДПТ. Из (2.91) следует, что он возможен при , когда ЭДС двигателя больше выпрямленного напряжения. При этом ток в обмотках трансформатора направлен встречно их ЭДС и определяется ЭДС двигателя. Кривые ЭДС тиристорного преобразователя в режиме инвертирования приведены на рис.2.41.

Рис.2.41. Кривые ЭДС преобразователя и двигателя в режиме

инвертирования

Из совокупности кривых следует, что существует верхний предел изменения угла зажигания тиристора. А именно, если к моменту который отстоит от точки естественного зажигания на ток в данном работающем тиристоре не снизится до нуля и тиристор не будет надежно заперт, то при потенциал его анода станет выше потенциала анода тиристора следующей фазы, то есть тиристор следующей фазы не откроется, а будет продолжать работу данный тиристор.

При этом ток якорной цепи определится не разностью, а суммой ЭДС преобразователя и двигателя и может достичь недопустимо большой величины.

Такой режим называется «опрокидыванием инвертора» и является аварийным. Для его предотвращения необходимо, чтобы максимальный угол зажигания не превышал определенной величины, а именно

(2.92)

где  - время восстановления запирающих свойств тиристора, равное трем градусам.

Обычно для предельно допустимых значений тока якоря и реальных параметров трансформатора максимальный угол коммутации примерно равен 15 – 18 . При этом для тиристорных преобразователей

Энергетические показатели системы ТП-ДПТ – КПД и cos  сравнительно высоки и зависят от скорости электродвигателя и его нагрузки. При постоянной нагрузке КПД увеличивается при увеличении скорости. Коэффициент мощности снижается при увеличении угла зажигания и тока нагрузки и в общем случае ниже, чем в системе Г-Д, в результате наличия значительной индуктивности цепи и высших гармонических составляющих.

Для расширения диапазона регулирования скорости электродвигателя в системе ТП-ДПТ также применяется двухзонное регулирование.