Библиотека / Красовский основы электропривода

11. С какой целью при пуске двигателей постоянного тока в цепь якоря вводят дополнительное сопротивление? Как изменится режим ра­

боты электропривода, если по окончании пуска это сопротивление пол­ ностью или частично не будет выведено из якорной цепи?

12. Как реализуется реверс двигателей постоянного тока независимо­

го и последовательного возбуждения?

13. При реостатном пуске двигателя постоянного тока переключение

содной ступени на другую происходит в одном случае раньше, а в дру­

гом позже расчетного времени. К чему это может привести?

14.Какие способы регулирования скорости асинхронных двигателей

скороткозамкнутым ротором Вы знаете? Дайте им краткую характери­ стику; какой из них применяется в современных электроприводах наибо­

лее часто и почему?

15.Почему при частотном регулировании скорости кроме частоты

необходимо изменять и напряжение на статоре асинхронного двигателя?

16.Как достигается двухзонное регулирование скорости асинхрон­

ных двигателей?

17.Сопоставьте по основным показателям регулирование скоро­

сти двигателя постоянного тока независимого возбуждения изменени­

ем напряжения на якоре и частотное регулирование асинхронного

двигателя.

18. Что такое JR-компенсация при частотном регулировании и для че­

го она необходима?

19. Поясните, почему в современных электроприводах изменение ак­

тивных и реактивных сопротивлений цепи статора асинхронных двигате­

лей с целью регулирования скорости практически не используется.

20.Как обеспечивается реверс асинхронного двигателя, из каких эта­

пов он состоит?

21.Какие дополнительные возможности регулирования скорости и

обеспечения безопасного пуска появляются при использовании асин­ хронных двигателей с фазным ротором?

22.Поясните, в чем принципиальное отличие замкнутых систем ре­ гулирования от разомкнутых. Приведите примеры замкнутых систем с регулированием по отклонению регулируемой величины, по возмущаю­

щему воздействию и комбинированных.

23.Изобразите схемы включения и характеристики электропривода с отрицательной обратной связью по скорости и с положительной связью

по току якоря и поясните принцип их работы.

24.Какой вид имеет экскаваторная механическая характеристика,

как Вы объясняете такое ее название и как она может быть получена?

25.Изобразите механические характеристики двигателей постоянно­ го тока независимого и последовательного возбуждения в четырех квад-

212 Глава 4. Регулирование скорости и момента двигателей...

рантах единой системы координат. Укажите участки этих характеристик,

соответствующие двигательному и тормозным режимам работы. Поясни­

те, как эти режимы можно реализовать на практике.

26. Какие варианты реализации режима динамического торможения двигателя постоянного тока последовательного возбуждения Вы знаете и

как они реализуются?

27. Изобразите механические характеристики асинхронного двигателя

в четырех квадрантах единой системы координат. Укажите участки этих

характеристик, соответствующие двигательному и тормозным режимам

работы. Поясните, как эти режимы можно реализовать на практике.

Глава 5

Силовые электрические преобразователи

для электропривода

5.1. Общие сведения

Силовые электрические преобразователи (СЭП), включаемые между промышленной сетью и электрической машиной, входят в состав многих современных электроприводов. Они обеспечивают

согласование электрических параметров сети с параметрами пита­

ния обмоток электрических машин. В современном электроприво­

де используются электрические машины как постоянного, так и

переменного тока. Промышленная электрическая сеть в общем случае может быть источником нерегулируемого переменного ли­ бо постоянного напряжения. Этим и определяются принципы по­ строения и конкретные задачи, решаемые СЭП в электроприводе.

Чаще всего промышленная сеть является источником трехфаз­

ного нерегулируемого напряжения. Поэтому в электроприводах

постоянного тока СЭП выполняют функции нерегулируемых или

регулируемых выпрямителей, а иногда и инверторов. В современ­

ной технической литературе для таких преобразователей обычно используют сокращенное название АС-DС-преобразователи, обра­ зованное от начальных букв английских слов, обозначающих род тока на их входе и выходе: alternating current (переменный ток) и direct current (постоянный ток). В электроприводах переменного тока СЭП обеспечивает возможность изменения только амплитуды выходного напряжения либо амплитуды и частоты. В первом слу­ чае их называют регуляторами напряжения (РН), во втором - преобразователями частоты (ПЧ). И те и другие по аналогии с предыдущими могут обозначаться как АС-АС-преобразователи.

Иногда в электроприводе силовое питание получают от источ­

ника постоянного напряжения (например, от аккумуляторной ба-

214 Глава 5. Силовые электрические преобразователи...

тареи или с выхода нерегулируемого выпрямителя). Тогда в элек­

троприводах постоянного тока СЭП преобразуют нерегулируемое

постоянное напряжение в регулируемое. Обычно эта функция вы­ полняется импульсными преобразователями или чепперами (chopper), которые сокращенно называют DС-DС-преобразователями.

Соответственно в электроприводах переменного тока СЭП в этом

случае преобразуют постоянное входное напряжение в регулируе­

мое многофазное переменное напряжение. Такие преобразователи

называют автономными инверторами или сокращенно DС-АС­

преобразователями.

Использование регулируемых СЭП существенно расширяет возможности электропривода. Во-первых, они позволяют ис­

пользовать наиболее совершенные способы регулирования ско­ рости или момента привода (см. гл. 4), т. е. обеспечивают необ­

ходимые статические характеристики привода. Кроме того, за

счет возможности плавного изменения выходных параметров

СЭП при пуске, реверсе, торможении позволяют формировать близкие к оптимальным динамические характеристики привода (см. гл. 6) и значительно улучшить его энергетические показа­ тели (см. гл. 7).

В настоящее время в электроприводах чаще используют ста­

тические полупроводниковые преобразователи, выполненные на базе тиристоров или транзисторов. Значительно реже используют электромагнитные (магнитные усилители) или электромеханиче­ ские преобразователи (мотор-генераторы). Далее кратко рассмот­ рим электромеханические преобразователи и более подробно - элементную базу и принцип построения современных полупро­ водниковых преобразователей.

5.2. Электромеханические АС-DС-преобразователи

Основой электромеханических АС-DС-преобразователей яв­

ляются генераторы постоянного тока. Они используются в каче­

стве преобразователей напряжения, питающих двигатели посто­

янного тока в регулируемых электроприводах. Такие системы

электропривода получили название генератор-двигатель или сокращенно система Г-Д. В зарубежной литературе их обычно называют системой Леонарда. Принцип построения системы Г-Д

показан на рис. 5.1. Генератор Г приводятся во вращение дополни­

тельным приводным двигателем ПД. В качестве ПД обычно ис­

пользуют синхронный или асинхронный двигатель с жесткой ме­ ханической характеристикой.

AC-DC

:sj11

Рис. 5.1. Схема системы Г-Д:

ПД - приводной двигатель; Г - генератор; Д - двигатель

Механическая энергия, поступающая с вала ПД, преобразуется

генератором Г в электрическую энергию постоянного тока. Таким

образом, электромеханический агрегат, состоящий из двух элек­

трических машин - двигателя ПД переменного тока и генератора Г

постоянного тока вьmолняет функции преобразователя напряже­

ния Ис сети переменного тока, к которому подключается ПД, в ре­

гулируемое напряжение Иг постоянного тока на якоре генератора

(см. рис. 5.1).

ЭДС генератора Ег определяется как (см. гл. 2)

Ег = КгФв_г(Jв.Г)со г,

где сог - скорость генератора; Фв.г - магнитный поток в воздуш­

ном зазоре генератора; Iв.г - ток возбуждения генератора; Кг - конструктивный коэффициент.

Напряжение на якоре генератора Иг регулируется изменением

тока Iв.г возбуждения генератора что приводит к изменению

напряжения Ид на якоре двигателя. Использование в качестве при­ водного СД или АД с достаточно жесткой механической характе­ ристикой позволяет считать сог = const. Исходя из этого, характе­

ристика вход-выход генератора Ег = f (Jв.г) повторяет в масштабе его характеристику намагничивания Фв.г(Jв.г). При уменьшении

216 Глава 5. Силовые электрические преобразователи...

тока возбуждения двигателя Iв.д обеспечивается ослабление поля двигателя. Таким образом, в системе Г-Д может быть обеспечено

двухзонное регулирование скорости.

Механические характеристики привода при таком регулиро­

вании показаны на рис. 5.2. Они линейны и имеют две характер­

Iв.д• Тонкой штриховой линией показано изменение допустимого момента двигателя Мдоп при таком регулировании (см. гл. 4).

Механические характеристики привода в системе Г-Д могут

располагаться в четырех квадрантах плоскости (М, ro). Двигатель­

ному режиму соответствуют I и III квадранты. Изменение направ­

ления вращения двигателя Д обычно осуществляют без переклю­

чений в цепи якоря за счет изменения направления тока Iв.Г• При Iв.г = О механическая характеристика проходит через начало коор­

динат, что соответствует режиму динамического торможения.

Торможению противовключением соответствуют зоны во II и IV

квадрантах, расположенные между осью абсцисс и характеристи­

кой динамического торможения. Режиму рекуперативного тормо­ жения соответствуют участки механических характеристик во II и III квадрантах при скорости двигателя, большей скорости идеаль­

ного холостого хода.

Достоинства рассмотренного электромеханического АС-DС­

преобразователя заключаются в следующем:

преобразователя в нагрузку и, наоборот, от нагрузки (якорной це­ пи двигателя Д) к преобразователю посредством соответствующе­

го изменения режимов работы генератора Г и двигателя Д;

•линейность характеристики вход-выход в широком диапа­

зоне изменения входного сигнала (тока Iв.г);

•отсутствие искажающего влияния на сеть переменного тока;

•слабая зависимость выходного напряжения от колебаний пи­

тающего напряжения Ис,

Основными недостатками электромеханического АС-DС­ преобразователя являются: большие габариты, так как в него вхо­

дят две электрические машины одинаковой мощности и, следова­

тельно, примерно одинаковых габаритов; невысокий КПД, обу­

словленный потерями в каждой из машин; дополнительный шум,

вызываемый работой машин; инерционность в управлении; значи­

тельные эксплуатационные издержки.

Промышленностью выпускаются различные серии генераторов

как общепромышленного назначения серии П, так и специального

на мощности от единиц ватт до сотен киловатт. Генераторы мощ­

ностью до 0,3 кВт выполняют без дополнительных полюсов, свы­ ше 200 кВт - с компенсационной обмоткой. Перегрузочная спо­ собность большинства генераторов - отношение кратковременно

допустимого значения момента на валу к его номинальному зна­

чению - равна 2 при продолжительности перегрузки не более 3 с.

Точка номинального режима работы генератора лежит на колене

характеристики Фв.г(Iв.г). Как правило, генератор Г работает с нена­

сыщенной магнитной системой. В этом случае его магнитный поток

линейно зависит от тока возбуждения. Наличие компенсационной обмотки обеспечивает линейность характеристики Ег(Iв.г) и под нагрузкой в широком диапазоне изменения тока Iв.г•

5.3. Электромеханические АС-АС-преобразователи

На основе системы Г-Д можно построить электромеханический

АС-АС-преобразователь. Для этого к изображенным на рис. 5.1 электрическим машинам необходимо добавить синхронный гене­

ратор СГ, размещенный на одном валу с двигателем постоянного

218 Глава 5. Силовые электрические преобразователи...

тока Д (рис. 5.3). Он необходим для преобразования поступающей

к нему от двигателя Д механической энергии в электрическую

энергию переменного тока.

Рис. 5.3. Схема электромеханического АС-АС-преобразователя на основе

системы Г-Д:

ПД - приводной двигатель; Г - генератор; Д - двигатель; СГ - синхронный

генератор; АД - асинхронный двигатель

Частота/сг напряжения на статорных обмотках СГ, как извест­

но, однозначно связана со скоростью вращения его ротора, задавае­

мой двигателем Д. Амплитуда же напряжения Исг на обмотках СГ

определяется током Iв.сг в его обмотке возбуждения. Таким образом,

регулируя скорость вращения двигателя Д описанным выше спосо­

бом и ток возбуждения синхронного генератора СГ, можно преоб­

разовьmать электрическую энергию сети Ис с неизменными часто­

той и амплитудой изменения напряжения в электрическую энергию

переменного тока Исг с независимо изменяемыми частотой и ам­

плитудой напряжения на выходе преобразователя.

К достоинством такого АС-АС-преобразователя можно отнести практически отсутствие искажения формы выходного напряжения.

Недостатки у него, по сути, те же, что и у системы Г-Д, но прояв­

ляются они в гораздо большей степени по причине большего ко­

личества входящих в его состав электрических машин.

Наиболее существенны эти недостатки при использовании та­ кого преобразователя для управления лишь одним двигателем пе­

ременного тока. Поэтому практическое применение они находили в основном при частотном управлении группой однотипных асин­

хронных двигателей при отсутствии полупроводниковых преобра­ зователей с надлежащими параметрами (на рис. 5.3 показан только один регулируемый асинхронный двигатель АД).

5.4. Силовые полупроводниковые элементы

В промышленном электроприводе мощности, передаваемые электрическими преобразователями, как правило, составляют от

единиц до сотен киловатт. В целях снижения потерь энергии сило­

вые полупроводниковые элементы, используемые в них, обычно

работают в ключевом режиме, т. е. имеют два устойчивых состоя­

ния - «выключено» и «включено», аналогично разомкнутому и

замкнутому состояниям ключа. Кратко остановимся на наиболее важных свойствах этих элементов, знание которых необходимо для

понимания принципов построения и работы рассматриваемых далее

устройств.

5.4.1. Диоды

Диод - это наиболее простой полупроводниковый прибор,

имеющий два вывода - анод А и катод К (рис. 5.4, а). Его свой­ ства наглядно отражает вольт-амперная характеристика (ВАХ) в

виде зависимости протекающего через диод тока Iл от напряжения

между анодом и катодом Илк., показанная на рис. 5.4, б. Как видно,

эта характеристика нелинейна. На ней выделяют две характерные

зоны - зону положительного или прямого напряжения Илк. на ди­ оде (потенциал анода положительнее потенциала катода) и зону отрицательного или обратного напряжения Илк. (потенциал анода отрицательнее потенциала катода).

Рис. 5.4. Условное графическое изображение (а), реальная (б) и идеализи­ рованная (в) вольт-амперные характеристики диода

В первой зоне, если напряжение Илк. превышает некоторое от­

носительно небольшое значение (около О,7 В), сопротивление дио-