книги / Тиристорный электропривод для кранов

Тиристоры преобразователя можно выбирать по току, составляющему 19—20% тока нагрузки [Л. 31], а класс их определяется амплитудой линейного напряжения се­ ти или трансформатора. Частоту выходного напряжения можно рассчитать по формуле [1Л. 39]:

во тактов выпрямления, зависящее от числа фаз пре­

ная выходная частота у таких преобразователей обычно ограничивается значением 3—5 Гц. Дальнейшее сниже­ ние частоты усложняет управление преобразователями [Л. 42]. Таким образом, при использовании для крано­ вых механизмов преобразователя с нулевой трехфазной схемой частота на нагрузке может регулироваться от 3—5 до 20 Гц, т. е. синхронная угловая скорость дви­ гателя изменяться в пределах 7—40% основной скоро­ сти, что часто приемлемо для таких механизмов.

Выходное напряжение состоит из участков синусоид питающего напряжения, поэтому оно содержит как пер­ вую, так и высшие гармоники, которые искажают фор­ му кривой напряжения. Желательно получение кривой выходного напряжения, близкой к синусоиде. Для этого можно менять угол открывания вентилей так, чтобы средние значения напряжений и интервалы проводимо­ стей вентилей изменялись в пределах периода Г2 выход­ ного напряжения по синусоидальному закону.

В ТПЧН применяются следующие способы управ­

ме, и Р>я/2 вентилей инверторного режима соблюдает­ ся соотношение а + р= я. Достоинством способа являет­ ся отсутствие перерыва в работе преобразователя при циклическом переходе от одной группы вентилей к дру­ гой и возможность работы на нагрузку с любым cos ф; однако мгновенные значения напряжений вентильных

жены слабо, а для кранов требуемая скорость на регу­ лировочных характеристиках обычно не превышает- 30—40% номинальной. Кроме того, по данным расчетов [Л. 39] мостовые схемы имеют более сложную систему управления, чем нулевые трехфазные, а надежность, преобразователей с мостовыми схемами вдвое ниже на­ дежности преобразователей с нулевыми схемами.

Надежность преобразователей существенно зависит от сложности систем управления, хотя интенсивности отказов силовой схемы и системы управления близки.. Так, при усложнении систем управления для получения синусоидального выходного напряжения по сравнению» с прямоугольным надежность нулевых трехфазных пре­ образователей понижается на 10—11%, а усложнение систем управления, обеспечивающих работу без уравни­ тельных реакторов, понижает надежность преобразова­ теля всего на 7—8% [Л. 39]. В то же время применение уравнительных реакторов повышает массу силовой части преобразователя в 3—4 раза, а масса и габариты всего преобразователя могут увеличиться в 1,5—2 раза.

Таким образом, так как для рассматриваемых меха­ низмов решающими критериями (при удовлетворении технических требований) являются простота системы управления, наименьшие массогабаритные показатели, максимальная надежность, для них следует рекомендо­ вать ТПЧН, построенные по нулевой трехфазной схеме, силовая часть которых содержит 18 тиристоров и транс­ форматор (без уравнительных реакторов и коммути­ рующих конденсаторов) с прямоугольной формой кри­ вой выходного напряжения.

4-3. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЧАСТОТЫ, ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ИХ НА КРАНАХ

Асинхронный электропривод с тиристорным преоб­ разователем частоты целесообразно применять: 1) для кранов, у которых время работы на пониженных скоро­ стях достаточно велико, так что потери скольжения, которые имеют место при параметрических способах регулирования, могут привести к резкому завышению мощности двигателя; 2) в тех случаях, когда по усло­ виям окружающей среды (взрывоопасная, повышенной влажности и т. п.) может быть применен только бескон­

тактный короткозамкнутый двигатель, а режим работы механизмов напряженный, либо если требуется регули­ рование скорости в пределах, неосуществимых измене­ нием числа пар полюсов.

Так как обычно регулировочные характеристики для крановых механизмов требуются при скоростях 40% •основной и ниже, то применение относительно неслож­

поэтому мощность его мала, а трансформатор рассчи­ тывается с учетом времени работы только на низких скоростях. Система обеспечивает диапазон регулирова­ ния 60:1 при соотношении числа полюсов 2/7= 4/8/24 (без увеличения мощности двигателя) и 30: 1 для 2р = =4/6/12 с полуторным увеличением мощности [Л. 37]г В последнем случае механические характеристики асин­ хронного электропривода имеют вид, приведенный на рис. 4-7, где пониженные угловые скорости получены при частотах 40 и 20% номинальной (на подъеме) и 40 и 10% (на спуске).

Последовательное подключение ТПЧН позволяет ре­ гулировать скорость при включении любой обмотки, осуществляя также бесконтактную коммутацию. Общая структура построения электропривода при этом упро­ щается, однако мощность преобразователя оказывается

.значительно большей с учетом токов переходных ре­ жимов.

Применение ТПЧН может быть целесообразным для крановых механизмов среднего и тяжелого режима экс­ плуатации, особенно если относительное время работы :на пониженных скоростях достаточно большое и приме­ нение ТРИ привело бы к завышению мощности двига­ теля. В [Л. 24] описано использование ТПЧН в соче­ тании с многоскоростным асинхронным двигателем для жранов атомной электростанции.

В некоторых работах [Л. 43] рекомендуется применять ТПЧН в сочетании с двигателем с фазным ротором для уменьшения по­ терь в переходных режимах. Использование двигателей с фазным -.ротором принципиально позволяет работать со скоростью выше но­ минальной. Для этого ротор двигателя подключается к сети с часто­ той fс = 50 Гц, а статор — к ТПЧН. При определенном порядке сле­ дования фаз статора и ротора и наибольшей частоте (20 Гц) мож­ но получить скорость идеального холостого хода, превышающую ^синхронную при номинальных параметрах сети на 40%,

При работе с двигателями с фазным ротором не ис­ пользуется главное достоинство преобразователей часто­ ты — возможность регулировать скорость короткозамк­ нутых двигателей без потерь скольжения. Поэтому целесообразность питания двигателей с контактными кольцами от ТПЧН в каждом конкретном случае долж­ на быть доказана технико-экономическим сравнением <с системой ТРН—АД.

Основное преимущество ТПЧИ — плавное регулиро­ вание частоты от минимальной до значения, превышаю­ щего номинальную, что позволяет оптимизировать пере­ ходные процессы, сведя до минимума их время и потери в короткозамкнутом двигателе: при этом, как было указано, имеется простая возможность работы с легки­ ми грузами при повышенных скоростях. Все это при­ водит к тому, что применение ТПЧИ для напряженно работающих судовых грузоподъемных механизмов мо­ жет повысить их производительность на 35—40% [Л. 43].

Преобразователь частоты с инвертором и рекупера­ цией обладает гораздо большими габаритами, массой и •стоимостью, чем ТПЧН. Хотя стоимость трансформатора, лиловой вентильной схемы и системы управления

у ТПЧИ, как правило, ниже, общая стоимость оказы­ вается выше, чем у ТПЧН [Л. 39]. Последнее обуслов­ лено наличием фильтра, звена постоянного тока и эле­ ментов искусственной коммутации.

Показательно сравнение массы ТПЧИ с рекупера­ цией, выполненного на мощность 50 кВт при ПВ=40°/о и массы ТПЧН с простейшей системой управления без уравнительных реакторов мощностью 25 кВт (при часто­ те 20 Гц) и ПВ = 25%. Соотношение масс этих преоб­ разователей составляет (б-г-8) 1.

Громоздкость ТПЧИ, сложность, низкая надежность и высокая стоимость в настоящее время позволяют рекомендовать их для использования на кранах лишь в исключительных случаях. Однако все же их преиму­ щества столь значительны, что, как только будут созда­ ны приемлемые по сложности и стоимости тиристорные преобразователи частоты с техническими показателями ТПЧИ, они получат в сочетании с короткозамкнутыми двигателями самое широкое распространение для крано­ вых электроприводов.

Глава пятая

ТИРИСТОРНЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД ПОСТОЯННОГО ТОКА

5-1. РАБОТА ДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА ОТ ТИРИСТОРНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

При необходимости регулирования скорости двига­ теля постоянного тока, обеспечения специальных харак­ теристик в статике и динамике в настоящее время используется питание его от тиристорного преобразова­ теля (система ТП—Д). Особенностью тиристорного пре­ образователя является то, что он совмещает в себе функции выпрямителя и управляющего устройства, бла­ годаря чему электропривод подключается к имеющейся сети переменного тока.

Регулирование напряжения перобразователя осу­ ществляется изменением в проводящую часть периода угла открывания тиристоров а, отсчитываемого от точки естественной коммутации. Средняя выпрямленная э. д. с. в режиме непрерывных токов определяется выражением!

Ed—Ed максСОЭ а.

Максимальную э.д. с., зависящую от числа фаз и схемы преобразователя, можно найти:

где U2— действующее напряжение вторичной обмотки трансформатора; т — кратность периода пульсаций вы-

и2 2Ж

О

прямленного напряжения по отношению к периоду напряжения сети.

На рис. 5-1 показана схема трехфазного преобразо­ вателя с нулевым выводом, питающего якорь двигателя постоянного тока, а на рис. 5-2 — диаграмма фазных напряжений питающего трансформатора и э. д. с. пре­ образователя при а > 0 . Напряжение преобразователя меньше э.д.с. на падение напряжения на тиристорах AUT, активном сопротивлении и реактивном, обуслов­ ленном процессом коммутации,

Ud—Ed—ДUт—IdRa-

Здесь Id — среднее значение тока нагрузки; — эк­ вивалентное сопротивление преобразователя, зависящее от активного и реактивного сопротивлений трансформа­ тора и значения т .

При регулировании угла а в пределах 0—я/2 Ed из­ меняется от Ed макс до нуля. Механические характери­ стики в зоне непрерывных токов — параллельные друг

битель — сеть, т. е. двигатель работает в режиме гене­ раторного торможения. Так как тиристорный преобразо­ ватель — источник с односторонней проводимостью, из­ менение направления потока энергии осуществляется не изменением направления тока, а изменением полярности напряжения. Последнее определяется тем, что среднее значение питающего напряжения при работе преобразо­ вателя инвертором меньше э. д. с. двигателя.

В режиме инвертирования пользуются понятием угла опережения открывания вентилей р=л:—а. Во избежание

Для предельно допустимых токов якоря и реальных параметров индуктивности максимальное значение у находится в пределах 15— 18° [28], поэтому для тири­ сторного преобразователя '(Змин-ЗО0; аМакс~160° Таким образом, э.д. с. двигателя, работающего в генераторном режиме, ограничивается значением 92—94% максималь­ ной э. д. с. преобразователя Fa макс. Это нужно учиты­ вать при расчете максимальной скорости электроприво­ да, когда работа осуществляется в IV квадранте.

Для изменения знака момента двигателя (реверс двигателя, работа во II и III квадрантах) необходимо изменить направление магнитного потока машины либо* полярность на зажимах якоря. Первый способ, наиболее простой, нашел ограниченное применение вследствие большой электромагнитной постоянной времени обмотки возбуждения и усложнения процесса торможения- [Л. 42]. Он может быть оправдан, в частности, в элек­ троприводах механизмов с большой механической инер­ ционностью (поворот).

Второй способ имеет две модификации — по аналогии с реверсом асинхронных двигателей (§ 1-5): контактор­ ный с использованием только одной группы вентилей (нереверсивный преобразователь) и бесконтакторный с помощью двух групп тиристорного преобразователя. Контакторный реверс осуществляется переключением контакторов в бестоковый период: для этого а возрас­ тает настолько, чтобы э.д. с. преобразователя стала меньше э.д. с. двигателя. Тогда благодаря односторон­ ней проводимости тиристоров ток в цепи якоря стремит­ ся к нулю.