СКЕ_1 / Модуль1. Электропривод постоянного тока как объект управления

Рис. 1.5. Структурная схема системы возбуждения двигателя постоянного

тока

Полная структурная схема двигателя при управлении по цепям якоря и возбуждения изображена на рис. 1.6.

Рис. 1.6. Структурная схема двигателя постоянного тока при управлении по цепи якоря и по цепи возбуждения

11

2.Тиристорный преобразователь как объект управления

2.1.ЭДС преобразователя

Кривые фазных ЭДС тиристорного преобразователя изображены на рис.

2.1,а.

2πm

α γ

В установившемся режиме, когда угол регулирования неизменен, тиристорный преобразователь может быть представлен как генератор, дающий

12

на выходе постоянную и переменную составляющие ЭДС. Постоянная составляющая (рис. 2.1,б), являющаяся полезным сигналом, определится (без учета коммутации тиристоров):

Преобразуем разность двух косинусов в произведение:

13

являющаяся помехой, имеет гармонический состав, определяемый значениями α и γ (углами коммутации и перекрытия тиристоров).

Наличие в кривой ЭДС преобразователя переменной составляющей является основным фактором, отличающим его от устройств непрерывного действия (система Г-Д), дающих сигнал в виде гладкой кривой без пульсаций.

Тиристорный преобразователь, работающий на нагрузку, можно представить в виде трех составляющих: системы импульсно-фазового управления (СИФУ), собственно тиристорного преобразователя и нагрузки.

Рис. 2.2. Структурная схема тиристорного преобразователя Данное представление ТП основано на приведении сопротивлений

трансформатора к цепи вторичной обмотки и предполагает постоянство всех ее параметров. На самом деле трансформатор преобразователя имеет нелинейность характеристики, связанную с насыщением магнитопровода. Активное сопротивление нагрузки в значительной мере определяется тепловым режимом, индуктивность нагрузки – возбуждением электрической машины и т.д.

Точный расчет этих параметров не необходим, ибо хорошо спроектированная система регулирования должна быть мало чувствительна к изменению в определенных пределах параметров своих звеньев. Поэтому можно рассматривать силовую схему преобразователя как состоящую из линейных элементов. Параметры этой схемы должны быть определены в рабочей области напряжений и токов преобразователя, чтобы получить наилучшее приближение к действительным значениям.

Принципиальной особенностью силовой схемы ТП как звена системы регулирования, является то, что даже при постоянстве ее параметров, она не может быть описана в целом как линейное звено. В процессе работы преобразователя происходит поочередная коммутация тока нагрузки с одной

14

фазы на другую. В области рабочих токов имеет место чередование двух периодов работы: рабочего периода, когда ток нагрузки проходит по цепи одной фазы, и периода коммутации, когда в процессе переключения тока в проводящем состоянии оказываются две фазы.

Переход ТП из рабочего режима в режим коммутации и обратно эквивалентен скачкообразному изменению параметров преобразователя. На каждом из участков, где число работающих фаз постоянно, процессы в преобразователе могут быть описаны линейными дифференциальными уравнениями с постоянными коэффициентами. Эти коэффициенты скачкообразно меняются при переходе с одного интервала на другой, причем значения токов и напряжений в конце каждого такого интервала являются начальными для следующего и т. д.

Аналогично скачкообразное изменение параметров происходит и в режиме прерывистых токов преобразователя. Здесь нет периодов одновременной проводимости двух тиристоров, но имеют место интервалы нулевого тока, связанные с односторонней проводимостью преобразователя

(§2.4).

Рассмотрим методы представления преобразователя как линейного звена, параметры которого, являясь постоянными, учитывали бы периодические скачкообразные изменения структуры силовой схемы, происходящие вследствие коммутации.

2.2. Статические характеристики преобразователя в режиме непрерывного тока

Стационарный режим работы преобразователя характеризуется постоянством угла управления α и квазиустановившимся током в цепи нагрузки id . Диаграммы ЭДС и тока ТП изображены на рис. 2.3, схемы

замещения силовых цепей – на рис. 2.4.

В установившемся режиме непрерывного тока при условии одновременной работы не более двух тиристоров имеем.

1. Зона коммутации тиристоров (0 <ωоt <γ ), рис. 2.4,а.

15

Рис. 2.3. Диаграммы ЭДС и тока тиристорного преобразователя в режиме непрерывного тока

Рис. 2.4. Схемы замещения силовых цепей преобразователя в режиме непрерывного тока

16

Учитывая, что i1 +i2 = id , получим:

Как видно из (2-11) и (2-12), дифференциальные уравнения, описывающие процессы в преобразователе, отличаются друг от друга в зонах коммутации и рабочей не только правой частью, но и коэффициентами. При этом схема замещения ТП в зоне коммутации может быть представлена в одноконтурном виде (рис. 2.4,б).

В стационарном режиме начальное значение тока нагрузки io в момент времени ωot = 0 совпадает со значением в конце интервала ωot = 2πm . В этом режиме в первую очередь представляют интерес средние значения тока Id двигателя и напряжения преобразователя Ud .

Аналитическое рассмотрение работы преобразователя с учетом сопротивлений в фазах Rф крайне затруднительно. Поскольку в

преобразователях средней и большой относительная величина Rф мала,

найдем основные соотношения без учета Rф, а затем введем его в качестве

Изменение тока на протяжении периода коммутации:

17

Пределы интегрирования по току определены исходя из того, что за время коммутации γ ток «уходящей» фазы i1 уменьшается на io и достигает

нуля, а ток «восходящей» фазы i2 возрастает от нуля до iγ .

Используя выражения (2-1) и (2-2) для е1 и е2, разрешим уравнение (2-14) относительно угла коммутации и угла регулирования /5/:

Среднее значение напряжения в пределах 0 ≤ωоt ≤ 2тπ :

18

Составляющая 2mπ ωoLфio обусловлена только возрастанием тока от 0

до iо во вступающей в работу фазе.

При идеально сглаженном токе нагрузки io = iγ = Id . Это справедливо

для большинства схем тиристорного электропривода средней и большой мощности, где пульсации тока нагрузки не превышают единиц процентов от номинального значения, а в схемах возбуждения эти пульсации составляют доли процента. Тогда выражения (2-15), (2-19) примут вид:

Выражение (2-21) представляет собой статическую характеристику преобразователя в режиме непрерывного тока, связывающую выпрямленное напряжение и ток преобразователя с углом управления α.

Величина 2mπ ωoLф проявляет себя как активное сопротивление

преобразователя, несмотря на то, что его внутренне сопротивление носит чисто индуктивный характер (при выводе формул (2-20), (2-21) принято Rф = 0 ).

Индуктивность Lф преобразователя не позволяет току в восходящей фазе i2

мгновенно возрасти от 0 до iγ . Вследствие этого уменьшается среднее напряжение преобразователя Ud . Снижение среднего напряжения

воспринимается внешней цепью как результат падения напряжения на некотором активном сопротивлении, находящимся внутри преобразователя.

Учет активных сопротивлений в фазах ТП приводит к дополнительному снижению выпрямленного напряжения под действием тока нагрузки, которое может быть учтено введением поправки. На протяжении периода коммутации γ цепи коммутируемых фаз соединены параллельно (рис. 2.4,а,б) и их активное

работает одна фаза с сопротивлением Rф (рис. 2.4,в).

Среднее значение активного сопротивления фазы за время 2πm:

19

среднего напряжения может быть представлено в виде:

косинусоид, смещенными по оси ординат (рис. 2.5,б).

Уравнения для внешних и регулировочных характеристик справедливы в

где δ – угол запаса при инвертировании, соответствующий времени полного восстановления запирающих свойств тиристоров.

Построим линию режима предельного инвертирования, определяемую

20