УстрАСУ / Конспект УАСУ

221

включенный в. цепь статора асинхронного двигателя. Регулирование среднего значения напряжения основано на изменении относительного времени включенного состояния двигателя или отдельных его фаз:

(2.1)

rде т — период включения.

Различают ТРН с естественной коммутацией тиристоров и принудительной, или искусственной. В первом случае тиристоры, включенные а фазы встречно-параллельно или в нулевую точку обмотки статора, закрываются лишь при снижении до нуля тока,

протекающего через них. Существующие схемы силовой цепи регулятора напряжения асинхронного электропривода с естественной коммутацией тиристоров отличаются (для данной схемы соединения обмоток статора) количеством силовых элементов, способом их включения и, следовательно, определяют неодинаковую форму напряжения, подводимого к двигателю [1, 13, 49]. Рассмотрим лишь схемы, которые мoryт применяться для двигателей с обмоткой статора, соединенной в звезду без нулевого провода (рис. 4). Такое соединение обмотки статора является наиболее распространенным в промышленности.

Управление тиристорами принимается симметричным, когда отсутствует постоянная составляющая напряжения.

Для всех схем рис. 4 частота коммутации fK двигателя жестко связана с частотой сети и кратна ей, причем кратность определяется числом тиристоров в фазах статора и равна 6

221

222

в схемах рис. 4, а, б, 4 — в схеме рис. 4, д, 3 — в схемах рис. 4, б и г, 2 — в схеме рис. 4, е.

Число тиристоров одновременно характеризует и название схем: 6ТРН, 4ТРН, ЗТРН и 2ТРН.

Начало коммутации отдельных фаз статора строго синхронизировано с соответствующими напряжениями сети, причем для сети со стандартным значением частоты (/с = 50 Гц) сдвиг коммутации отдельных фаз составляет 0,0067 с (ЗТРН) или

0,00335 с (6ТРН).

Изменение среднего значения напряжения осуществляется фазовым управлением,

при котором регулируется угол а, соответствующий моменту времени, когда открываются тиристоры. Время включенного состояния тиристора /р.т связано с утлом проводимости

(2.2)

Относительное время включенного состояния тиристора

(2.3)

Углы связаны сложной трансцендентной висимостью, определяемой схемой тиристорного регулятора [1, 49]. Если фазовый угол нагрузки, зависящий для данного

двигателя от сопротивления цепи ротора и скольжения, обозначить через , то при

замыкается через трехфазный выпрямительный мост тирис-торным коммутатором. Таким образом осуществляется коммутация выпрямленного тока с помощью специального устройства принудительного гашения тиристоров. Хотя силовая часть схемы в этом случае усложняется по сравнению со схемой, когда используется естественная коммутация, однако она позволяет изменять в широких пределах частоту коммутации.

Периоды включения двигателя и тиристора совпадают и определяются принятой частотой коммутации

222

превышающей частоту сети. Одна из возможных схем импульсного управления показана

является наличие двух коммутирующих конденсаторов Cl, C2. В результате исключается

тиристором 77 через силовой выпрямительный мост Д1. После подачи сигнала управления на T1 двигатель подключается к сети, а конденсаторы заряжаются

223

224

Рис 5 Схема ТРН с импульсным управлением одним двигателем (а)

двухдвигательным электроприводом (6)

по цепи Д2R2С1Т1С2. При подаче управляющего сигнала на тиристор Т2 происходит их разряд по контуру С1Т2С2Т1, вследствие чего к тиристору 77 прикладывается гасящее напряжение последовательно включенных конденсаторов С1 и С2. Тиристор 77

закрывается, двигатель отключается от сети, а конденсаторы перезаряжаются от моста Д1.

Аналогично при включении 77 отключается тиристор 77.

Время открытого состояния тиристора 77 является и временем работы двигателя.

Здесь, как и в схемах с естественной коммутацией (рис. 4), с увеличением относительного времени включения q (скважности) растут среднее значение напряжения на статоре и развиваемый двигателем момент. Если тиристор 77 включен весь период коммутации, то q = 1 и к двигателю приложено напряжение сети. Наоборот, когда q = 0, напряжение на статоре и, следовательно, момент двигателя равны нулю. Так, регулируя время включенного состояния тиристора, меняют среднее значение напряжения,

прикладываемого к двигателю.

Одним из возможных вариантов применения схемы с импульсным управлением асинхронным двигателем является двухдвигательный электропривод, построенный на ее

224

225

базе [18]. Принципиальная схема силовой цепи ТРН, обеспечивающая импульсное управление двухдвигательным электроприводом, показана на рис. 5, 6. В соответствии с этой схемой одним коммутатором регулируется напряжение обоих двигателей, причем каждый из тиристоров выполняет две функции: 77 является включающим для двигателя

АД1 и гасящим — для АД2, Т2 — включающим для АД2 и гасящим— для АД1. Таким образом предотвращается одновременное включение двух двигателей.

На тиристор 77 подаются управляющие сигналы от системы управления СУ1. С

помощью сигнала задания устанавливается момент открывания тиристора 77 и,

следовательно, включения двигателя АД1. Изменяя напряжение управления, подаваемое на СУ2 (изменением задающего сигнала или сигнала обратной связи), сдвигают во времени подачу управляющего импульса на тиристор Т2, т. е. регулируют

кважность при заданном времени цикла (сигнал на тиристоре 77 остается

неизменным). Так осуществляется регулирование среднего значения напряжения на обмотках статоров обоих двигателей и развиваемых ими моментов.

225

Рис. 8. Механические характеристики электропривода НТРН — АД (двигатель

MTH11I-6, R* = 1)

Регулировочные характеристики такого электропривода распологаются в области,

ограниченной естественными или реостатными механическими ха-. рактеристиками используемых двигателей. Если изменять мощности двигатеей, способы их включения

(согласное, встречное), значения сопротивлений в цепи ротора то можно значиттельно изменять вид и расположение механических характеристик электропривода.

Регуляторы напряжения асинхронного двигателя не обеспечивают глубокого регулирования его скорости при работе на линейном участке механической характеристики (s < sK) без добавочных резисторов в роторе. Поэтому целесообразно регулировать напряжение при включенных в цепь ротора резисторах.

226

227

Момент асинхронного двигателя пропорционален квадрату напряжения, поэтому механические характеристики электропривода для различных схем силовой части ТРН практически отличаются лишь в той мере, в какой отличаются зависимости квадратов напряжений от скольжения при заданном относительном времени включения тиристоров.

Рис. 9. Механические характеристики двухдвигателыюго электропривода:

1,4-— граничные; 2, 3 — с отрицательной обратной связью по скорости

Граничные механические характеристики асинхронного двигателя с симметричными ТРН изображены на рис. 7, а с несимметричными — на рис. 8 (кривые 1 и 8), причем все схемы ТРН обеспечивают одинаковый диапазон изменения момента, за исключением схемы рис. 4, е, когда минимальные значения момента ограничены характеристикой однофазного включения.

Электропривод с отрицательной обратной связью по скорости (ООСС) и любыми ТРН обеспечивает при регулировании момента и скорости одинаковые жесткие механические характеристики. На рис. 9 показаны механические характеристики двухдвига-тельного электропривода (рис. 5, б), когда двигатели разной мощности включаются встречно. При этом жесткие механические характеристики лежат во всех четырех квадрантах.

Основное же влияние структура силовой цепи ТРН оказывает на выбор параметров диодов и тиристоров, а также на гармонические составляющие напряжения,

прикладываемого к двигателю. Так, среднее за период напряжения сети

значение тока через вентили при естественной коммутации

(2.5)

227

228

при среднее значение тока через открытые тиристоры максимально.

Напряжения и токи, по которым следует выбирать неуправляемые вентили и тиристоры для всех схем рис. 4 и 5, если тиристоры отключаются при работе двигателя с пониженной скоростью (s = 1), приведены в табл. 1. Более тяжелым для тиристоров является режим отключения от сети вращающе гося двигателя, когда вследствие ЭДС, индуктируемой в обмотках статора при вращении ротора, максимальное напряжение на тиристорах может возрасти на 70—80 % по сравнению с указанным в табл. 1 [1]. В схемах с искусственной коммутацией наряду с напряжением сети и ЭДС вращения необходимо учитывать и ЭДС самоиндукции, наводимую в обмотках статора при резком снижении тока. Для рассеивания энергии, запасенной в индуктивных сопротивлениях статора, тиристоры коммутатора необходимо шунтировать резисторами. В момент закрывания тиристора напряжение на нем скачком возрастает до значения

(2.6)

поэтому для снижения максимального напряжения на тиристоре необходимо стремиться к уменьшению сопротивления шунтирующей цепочки (рис. 5, а). Однако с уменьшением R1 увеличивается зона нерегулируемого момента двигателя. При расчетах сопротивления R1 следует учитывать не только желаемое значение напряжения UT, но и требуемый от двигателя минимальный момент.

228

229

Применение защитной цепочки M3C3R1 {см. рис. 5, а) позволяет выбрать тиристоры и диоды более низкого класса. Максимальное напряжение на тиристорах зависит от скважности выпрямленного тока, а класс тиристоров и диодов в значительной мере определяется сопротивлением цепи ротора. Так, при уменьшении Rr перенапряжение растет. Если при номинальном сопротивлении цепи ротора максимальное напряжение на тиристоре не превышает 800 В, то при работе с закороченными кольцами оно возрастает до 1000 В. То же можно сказать и о скважности: снижение q от 0,8 до 0,2 сопровождается увеличением напряжения на главном тиристоре в 2,5—3 раза.

2. НЕСИММЕТРИЧНЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД С ТРН

Простейшим электроприводом с ТРН является схема (рис. 4, е), когда пара встречно-

параллельных тиристоров, управляемых симметрично, включена в одну фазу статора двигателя. Отрицательная обратная связь по скорости обеспечивает жесткие механические

характеристики в двигательном режиме и режиме противовключения (кривые 2 и 4 на рис. В). Известны и другие схемы асинхронного электропривода с несимметричным ТРН

(НТРН — АД), когда для расширения диапазона изменения момента к фазам статора

подключается конденсатор (рис. 10, а, б). При закрытых тиристорах и определенных

значениях емкостного сопротивления конденсатора знак момента двигателя может измениться без дополнительного переключения фаз статора [6]. Тогда в замкнутой по скорости системе электропривода механичекие характеристики 5 и 3, как показано на рис. 8, располагаются в I—II либо III—IV квадрантах,

229

230

Такие простейшие тиристорные регуляторы с естественной коммутацией тиристоров обеспечивают требуемые механические характеристики для многих механизмов. Их основной недостаток — низкое быстродействие, вызванное невысокой частотой коммута-

ции тиристоров. Для объединения достоинств тиристорных регуляторов с естественной и искусственной коммутацией предложен электропривод с импульсным тиристорным коммутатором в одной фазе статора. Одна из возможных схем включения такого коммута-

тора показана на рис. 10, в. На ней импульсный коммутатор, содержащий рабочий тиристор T1, гасящий Т2, источник напряжения Е с резистором R1 и диодом Д5 в цепи конденсатора С1, включен в диагональ выпрямительного моста Д1—Д4. Для снижения коммутационных перенапряжений использована цепь Д6, R2, С2.

При подаче сигнала управления на тиристор T1 создаются два контура: тока нагрузки через T1 и тока перезаряда конденсатора C1 (C1, T1, Е, R1, Д5). После перезаряда конденсатора С1 вентиль Д5 препятствует его разряду. При открывании Т2 происходит разряд конденсатора С.1 через T1 в обратном направлении, что приводит к закрыванию тиристора T1. Включение конденсатора СЗ между фазами двигателя позволяет, как и в схеме рис. 10, б, получить отрицательный тормозной момент.

Для определения момента в несимметричной схеме включения асинхронного двигателя следует воспользоваться методом симметричных составляющих и вычислить напряжения прямой Us и обратной Us 2 последовательностей. Моменты прямой Мг и обрат-

ной М2 последовательностей пропорциональны квадратам соответствующих напряжений,

поэтомурезультирующий момент двигателя

(2.7)

где — моменты двигателя при номинальном симметричном напряжении (тиристоры открыты) и скольжениях соответственно s и 2 — s.

Ниже приводятся выражения для расчета симметричных составляющих напряжений:

схема рис. 10, а

230