5.5 Расчет статических механических характеристик в системе г-д

Расчет статических механических характеристик систем Г-Д без обратных связей можно выполнить используя уравнения:

и

Порядок расчета механической характеристики следующий:

1. Определяется номинальная ЭДС генератора, соответствующая номинальной нагрузке двигателя

2. Определяется ₀ двигателя, соответствующая основной характеристике:

.

В этих выражениях ;

Ф – поток двигателя.

3. По уравнению механической характеристики находится скорость ω_{Н расч} двигателя при номинальной нагрузке М=М_Н. Через 2 точки с координатами ;и;проводится основная характеристика.

4. Для расчета характеристик, соответствующих другим ₀, определяется ЭДС генератора при заданных скоростях двигателя _Х и соответствующая этой ЭДС скорость _0Х:

; .

Далее расчет ведется в соответствие с п.3.

5. Определяется поток возбуждения генератора, создающий ЭДС E_ГХ:

, где .

_НГ – скорость вращения генератора.

N, _П, а – число витков обмотки якоря генератора, число пар его полюсов и число пар параллельных ветвей обмотки якоря.

6. По кривой намагничивания генератора находятся соответствующий потоку Ф_ГХ ток возбуждения I_ВХ или .

7. Рассчитывается необходимое напряжение возбуждения

, где , если зависимость потока от тока дана в относительных единицах.

5.6 Система тиристорный преобразователь – двигатель (тп–д)

Принципиальная схема системы ТП-Д изображена на рис. 5.6.1. Здесь двигатель постоянного тока независимого возбуждения питается от тиристорного преобразователя.

Временная диаграмма напряжений питающей сети к кривым выпрямленного напряжения представлены на рис. 5.6.2. Здесь α – угол задержки открывания вентилей, γ – угол коммутации, U_d – среднее значение выпрямленного напряжения, E_дв=Е – ЭДС двигателя.

Среднее значение выпрямленного напряжения.

, где

m – число пульсаций выпрямленного напряжения (для мостовой трехфазной схемы m=6);

U_2Л – действующее значение линейного напряжение вторичной обмотки питающего трансформатора (или сети в бестрансформаторных схемах).

Ud₀ – максимальное значение среднего выпрямленного напряжения при =0.

Зависимость ЭДС ТП от напряжения управления U_у при линейной характеристике СИФУ представлена на рис. 5.6.3. При ее замене линеаризованной ТП как динамическое звено системы электропривода в режиме непрерывного тока описывается уравнением

, где

- коэффициент усиления ТП по напряжению;

- малая постоянная времени ТП, учитывающая дискретность, запаздывание и наличие фильтров в СИФУ.

Уравнение электрического равновесия в якорной цепи системы ТП-Д

, где

Здесь R_Э – эквивалентное сопротивления якорной цепи выпрямленного тока;

R_тр – активное сопротивление фазы трансформатора, приведенное к вторичной цепи;

R_ЯΣ – сопротивление якорной цепи двигателя

R_с.др – сопротивление сглаживающего дросселя;

R_ср.в – усредненное сопротивление вентилей

- индуктивное сопротивление фазы трансформатора, обусловленное полями рассеяния, а х₂ и х₁ – индуктивные сопротивления вторичной и первичной обмоток трансформатора;

Ф – магнитный поток двигателя.

Имея в виду, что; ;, получим уравнение механической характеристики двигателя для любого режима работы

или

Т.к. , то

Отсюда следует, что в режиме непрерывного тока механические характеристики двигателя в системе ТП-Д при принятых допущениях аналогичны характеристикам системы ГД.

При , получим уравнение статических механических характеристик

или

Для режима непрерывного тока уравнения механических характеристик можно представить виде:

Семейство статических механических характеристик при различных , изображено на рис. 5.6.4. Это прямые, отсекающие на оси ординат отрезки, соответствующие скорости идеального холостого хода

Однако при питании двигателя от однокомплектного ТП или двухкомплектного ТП при раздельном управлении комплектами вентилей в области малых нагрузок ток становится прерывистым, причем при U_y=0 и среднее значениеU_d становится . Возникает зона прерывистых токов, причем она тем больше, чем больше угол (см. рис. 5.6.4 пунктирная линия).

Появление зоны прерывистого токов обусловлено тем, что в определенные промежутки времени мгновенное значение выпрямленного напряжения ТП становится меньше встречно действующей ЭДС двигателя, что видно из графика выпрямленного напряжения на рис. 5.6.2, разность U_d-e становится отрицательной. Ток при этом должен изменить направление на противоположное. Но поскольку вентили обладают односторонней проводимостью, они закрываются и ток через них прекращается. Ток появляется вновь когда U_d станет больше е. При больших нагрузках несмотря на то, что в определенные промежутки времени мгновенное значение U_d становится меньше ЭДС двигателя, ток не прерывается, является непрерывным. Объясняется это тем, что при больших нагрузках запас электромагнитной энергии в цепи выпрямленного тока значительный. Возникающая при исчезновении тока ЭДС самоиндукции складывается с мгновенным выпрямленным напряжением ТП, в сумме они превышают ЭДС двигателя и ток не прерывается. При малых нагрузках возникающая ЭДС самоиндукции оказывается недостаточной для поддержания тока и он прерывается.

Переходу от режима непрерывного тока к прерывистому соответствует режим начально-непрерывного тока, являющегося граничным между двумя указанными. Величина граничного тока зависит от угла α и параметров схемы

Граничные токи (моменты) лежат на дуге эллипса, смещенного по оси ординат на величину .

Отметим, что если двигатель питается от нереверсивного ТП, как показано на рис.5.6.1, то система электропривода становится неполноуправляемой. Соответственно этому механические характеристики во втором и третьем квадранте не существуют.

При наличии зоны прерывистых токов механические характеристики в этой зоне аналитически не выражаются. Они напоминают механические характеристики двигателя последовательного возбуждения, как показано на рис.5.6.4. При уменьшении нагрузки скорость двигателя возрастает и увеличивается его ЭДС, являющаяся противодействующей, что вызывает уменьшение тока нагрузки преобразователя. Это приводит к уменьшению падения напряжения на внутренних сопротивлениях схемы, а также к уменьшению потерь среднего напряжения, обусловленного явлением коммутации. В связи с этим U_d возрастает. При идеальном холостом ходе исчезают все падения напряжения. Напряжение на двигателе (за время импульса тока) приближается к амплитуде питающего преобразователь напряжения переменного тока и скорость двигателя растет. Поэтому в зоне малых и нулевых нагрузок механические характеристики двигателя имеют мягкий характер, как у ДПВ, что и видно на рис. 5.6.4. Скорость идеального холостого хода для этих характеристик может быть определены из выражений:

при и

при

Здесь Е_2ф.м – амплитуда фазной ЭДС вторичной обмотки питающего трансформатора или амплитуда фазного напряжения питающей сети (в бестрансформаторных схемах).

U_В – падение напряжения в вентилях.

Используя уравнение динамики ТП, уравнение равновесия ЭДС в якорной цепи, уравнение механической характеристики и уравнение движения электропривода при жестких механических связях, а так же представляя уравнение динамики ТП в виде, где, можно изобразить структурную схему системы ТП – Д, которая имеет вид: (рис. 5.6.5)

Двигатель в системе ТП – Д может работать во всех режимах. Как в системе ГД двигательному режиму соответствует область в 1 и 3 квадратах, режиму динамического торможения соответствует характеристика, проходящая через начало координат при . Режиму противовключения соответствует область, заключенная между осью моментов и характеристикой динамического торможения. Режиму рекуперации соответствует область между осью ординат во 2 и 4 квадратах и характеристикой динамического торможения.