зеленов / УЧЕБ_ПОСОБИЕ_часть_2 / редакт / 13_5 Импульсное регулир измен

13.5 Импульсное амплитудное регулирование скорости

При этом способе регулирования скорости двигателя с Ф_ДВ = Const производится импульсное изменение напряжения на якоре машины с помощью транзисторного или тиристорного ключа К ( см. рис. 13.45).

В периоды отключения ( t₂ ) двигателя от напряжения сети U_C он продолжает работать за счет накопленного в период подключения (t₁ ) запаса кинетической энергии. Диаграммы напряжений и токов якоря двигателя при импульсном регулировании показаны на рисунке 13.46.

При этом предполагается, что ключ К замыкается и размыкается мгновенно, а диод V идеален, то есть имеет нулевое сопротивление в прямом направлении и бесконечно большое – в обратном. Индуктивности в сети и диоде отсутствуют. При этих допущениях для рассматриваемой системы электропривода с импульсным регулированием напряжения на якоре двигателя можно составить следующие уравнения, описыва­ющие процессы в таком объекте:

для периода t₁ замкнутого состояния ключа К -

; (13.34 )

для периода t₂ разомкнутого состояния ключа К –

(13.35 )

где М_С и J – момент статической нагрузки на валу двигателя и момент инерции электропривода, приведенный к валу двигателя;

М₁ и М₂ – моменты на валу двигателя в периоды t₁ и t₂ соответственно ;

i_Я1, i_Я2,– токи в цепи якоря и скорость двигателя в периоды t₁ и t₂ соответственно.

Определим среднее значение момента двигателя за период коммутации ключа К , то есть за время Т_{К =} t₁+t₂ (см.рис. 13.46), полагая, что за этот период М_{С =} Const.

=

= (13.36 )

Для квазиустановившегося режима будет справедливо соотношение: (мгновенные значения скорости в начале и в конце периода коммутации равны друг другу, иначе не будет квазиустановившегося режима).

Учтя это соотношение, а также то, что T_K= t_1.+ t₂, из ( 13.36) получим

. (13.37)

Так как I_{СР =} то

(13.38)

Введем понятие скважности () импульсного регулирования среднего напряжения на якоре двигателя :

(13.39 )

где

(13.40)

Уравнение электромеханической характеристики системы ИРН-Д (импульсный регулятор напряжения – двигатель) запишется следующим образом

. (13.41)

Уравнение механической характеристики двигателя :

. (13.42)

Скорость идеального холостого хода двигателя при импульсном регулировании

, (13.43)

а жесткость механической характеристики

,

где– жесткость естественной механической характеристики двигателя.

На рисунке 3.47 показаны механические характеристики системы ИРН-Д при различных значениях скважности .

Таким образом, при изменении относительной величины замкнутого состояния ключа К, то есть при изменении скважности можно осуществлять регулирование скорости двигателя постоянного тока с Ф_ДВ = Const.

Изменение можно выполнить различными способами:

1) ШИР – широтно-импульсное регулирование, получившее набольшее распространение . При этом способе регулирование Т, частота импульсов f_{K =} 1/ T_K = Const, t₁= Var.

Способ ШИР наиболее просто реализуется изменением замкнутого состояния ключа.

2) ЧИР – частотно – импульсное регулирование , при котором: и Т_К=

Схемное решение в этом случае не сложно, но нет возможности глубокого регулирования скорости, так как при =0 необходимо, чтобы Т_к а f_K. При этом вырождается сама идея импульсного регулирования.

3) ШЧИР – широтно – частотно – импульсное регулирование (комбинированный способ ), при котором t₁ = Var и f_K = Var.

Реализация этого способа сложна, но преимуществ перед другими способами импульсного регулирования нет.

Выражения (13.41) и (13.42) для электромеханических и механических характеристик при импульсном амплитудном регулировании

двигателя постоянного тока справедливы лишь для случая квазиустановившихся процессов i(t), то есть при непрерывном токе в цепи якоря.

Если в период t₂ отключенного состояния ключа К ток i_Я снизится до нуля , то будет работа электропривода в режиме прерывистого тока. В период пауз тока имеет место большее снижение скорости, больший расход запаса кинетической энергии , чем в квазиустановившемся режиме с непрерывным током. Полученное ранее соотношение между и нарушается.

В зоне прерывистого тока уменьшается падение напряжения , что приводит к росту Э.Д.С. и скорости . На рисунке 13.48 пунктиром показана зона прерывистых токов, в которой нарушена линейность характеристик и Подробно этот режим работы с необходимыми математическими выкладками изложен в .

Схема импульсного регулирования напряжения на якоре двигателя по рисунку 13.45 очень проста, но имеет недостаток, который заключается в невозможности осуществить электромагнитное торможение (кроме режима динамического торможения при ). Кроме того в схеме рисунка 13.45 невозможно реверсирование двигателя.

На рис 13.49 показана схема нереверсивного електропривода с ИРН, в которой возможен режим рекуперативного торможения. К₁ и К₂ – два управляемых ключа, которые работают в противофазе (при включенном К₁ ключ К₂ отключен и наоборот). На рисунке 13.50 показаны диаграммы изменения тока якоря в двигательном режиме и в режиме рекуперативного торможения.

Работа этой схемы в двигательном режиме ничем не отличается от такого же режима работы для схемы рисунка 13.45.

При замкнутом ключе К₁ ток в двигателе растет на интервале t₁ ; на интервале t₂ цепь якоря замкнута через диод V₂, а ток проходит (уменьшаясь) в прежнем направлении под действием Э.Д.С. самоиндукции (рис. 13.50,а ).

В режиме близком к холостому ходу ( I_СР, рис. 13.50,б) возможен отрицательный ток в якорной цепи двигателя. В этом случае на интервале t₁ ток в якоре растет под действием U_C. В начале интервала t₂ в точке 0 якорь замкнут через V₂ и по нему под действием Э.Д.С. самоиндукции протекает уменьшающийся во времени ток.

В точке 1 i_я =0 ( то есть полностью израсходован запас электромагнитной энергии). Далее до точки 2 ток i_Я идет под действием Э.Д.С. двигателя , которая направлена навстречу напряжению сети. Ток якоря замыкается через ключ К₂. В конце периода коммутации в точке 2, ключ К₂ отключается , а ключ К₁ включается . При этом вначале ( интервал между точками 2 и 3 ) ток не меняет своего направления и проходит через диод V₁ ,замыкаясь на источник питания с напряжением U_С. На интервале 2-3 ток якоря направлен навстречу напряжению сети Uс, то есть происходит рекуперация энергии. Начиная с точки 3, когда i_Я = 0, ток вновь меняет свое направление , электропривод работает в двигательном режиме.

В режиме рекуперативного торможения (рис.3.50,в) на интервале t₂ цепь якоря замыкается через ключ К₂. В этот период растет абсолютная величина тормозного тока (тока режима рекуперации ). На интервале t₁ ключ К₂ разомкнут, и под действием Э.Д.С. самоиндукции энергия, запасенная в электромагнитном поле за предыдущий отрезок времени (t₂), передается в сеть через диод V₁;ток направлен навстречу направлению напряжения сети Uс.

В схеме рисунка 3.49 не может быть прерывистых токов. Поэтому уравнения механических (электромеханических) характеристик (13.41) и (13.42) справедливы при любых значениях тока якоря. Соответствующие характеристики для этой схемы системы ИРН-Д показана на рисунке 13.51 .

Схема реверсивного электропривода по системе ИРН-Д показана на рисунке 13.52. Здесь четыре ключа К₁включены по мостовой схеме, на одну из диагоналей которой подается напряжение сети, а к другой диагоналиподключен якорь двигателя.

Ключи К₁ и К₃ одновременно замыкаются, а К₂ и К₄ – размыкаются и наоборот. При этом к положительному полюсу сети подключается то верхний, то нижний зажим якоря. При указанном режиме работы ключей среднее напряжение на зажимах двигателя будет равно

. (13.44 )

Так как t₂ = T_K –t₁ и , то получим из (13.44):

U_CP =. (13.45)

Уравнения электромеханических и механических характеристик электропривода в системе ИРН-Д будут следующие:

; (13.46)

. (13.47)

Характеристики, соответствующие соотношениям (13.46) и (13.47 ) приведены на рисунке 13.53. С изменением скважности можно изменять не только значение, но и знак скорости двигателя.

При 1> скорость идеального холостого хода . При 0.5> величина

В системах электропривода с импульсным амплитудным регулированием скорости так же, как и при импульсном параметрическом регулировании, частота коммутации составляет порядка f_{K .}

Увеличению частоты коммутации, что весьма желательно, препятствует рост потерь в транзисторном или тиристором ключе. Одна из возможных схем тиристорного ключа рассмотрена ранее в разделе 12.3.

На рисунке 13.54 показана еще одна схема тиристорного ключа , не требующего дополнительного источника питания, как это рассмотрено на рисунке 12.10, для предварительной зарядки конденсатора . Для этого необходимо вначале открыть тиристор Т₂, благодаря чему конденсатор С_К зарядится от питающей сети через цепь якоря с плюсом на верхней обкладке.

При открывании основного тиристора Т₁ подается напряжение на двигатель и одновременно через открытый Т₁ происходит перезаряд конденсатора С_К по цепи, включающий колебательный коммутирующий контур с отсекающим диодом D_К. В результате С_К перезаряжается с минусом на верхней обкладке.

При последующем открывании Т₂ благодаря отрицательному напряжению С_К закроется тиристор Т₁ и далее цикл повторяется. Системы ИРН-Д применяются для регулирования скорости электроприводов малой и средней мощности (до 50 кВт ).

164