3.2.2. Системы шип - двигатель

Основным вариантом регулируемой системы постоянного тока в настоящее время становится система неуправляемый выпрямитель - ШИП - двигатель, построенная на транзисторах. Эта система обладает линейными механическими характеристи­ками, как система ГД, и позволяет регулировать скорость двига­теля в широких пределах. При использовании специальных регуляторов в замкнутой системе удается получить диапазон регулирования скорости несколько тысяч [8].

При широтно-импульсном управлении среднее значение напряжения якоря двигателя регулируется за счет изменения длительности (ширины) импульса t_и при неизменном значении суммарного времени паузы и импульса Т= t_и + t_п, т. е. при не­обходимости регулирования скорости изменяется величина τ = = t_и/T. Амплитуда импульса при этом сохраняется неизменной.

Существует ряд вариантов схем построения системы с широтно-импульсным управлением как с однополярными импуль­сами, так и с двуполярными. При использовании двухполярных импульсов (рис. 3.9) система с ШИП обеспечивает не только возможность регулирования скорости, но и реверс двигателя.

Системы с ШИП строятся как на основе использования транзисторов, так и тиристоров. Частоту импульсов для системы с ШИП на транзисторах выбирают около 5 кГц, на тиристорах не выше 1 кГц. Последнее обусловлено тем, что тиристоры в ШИП работают на постоянном токе и соответственно приходится использовать достаточно сложные схемы искусственного гашения тока за счет разряда конденсаторов, специально вводимых в схему. Соответственно ШИП на транзисторах существенно проще.

Транзисторы обычно включаются по схеме с общим эмит­тером и работают в режиме насыщения. При этом обеспечи­вается высокий КПД. Однако иметь частоту свыше 5 кГц не ре­комендуется, так как при этом возрастают потери. Следует заметить, что даже для транзисторов последних разработок

Рис. 3.9. Широтно-импульсный преобразователь с двухполярными

импульсами ШИМ - широтно-импульсный модулятор

верхний уровень частоты практически не изменился. Встречнопараллельно как транзисторам, так и тиристорам всегда включаются диоды для пропуска реактивного тока, чем исключается опасность возникновения повышенного напряжения.

Так как цепь якоря двигателя замкнута и меняется только длительность приложенного напряжения, а уровень его неизме­нен, то скорость двигателя может быть определена по среднему значению напряжения якоря двигателя:

где t₁ и t₂ - длительность положительного и отрицательного импульсов, т. е. импульсов при разгоне двигателя и при тормо­жении.

Так как t₁ + t₂ = Т, то t₂ = T – t₁,

и, подставив эти значения в (3.3), получим

Уравнение механической ха­рактеристики при этом можно представить так:

где r_я - сопротивление цепи яко­ря, основную долю которого со­ставляет сопротивление обмот­ки якоря двигателя.

При τ > 0,5 напряжение U_ср > 0 и соответственно электриче­ская машина работает в режиме двигателя, вращаясь, скажем, в положительном направлении; при τ < 0,5 происходит торможе­ние и реверс двигателя (рис. 3.10).

Рис. 3.10. Диаграмма работы

ШИП с двухполярными

им­пульсами в режиме реверса

Таким образом, система ШИП - двигатель постоянного тока обеспечивает такие же совершенные механические характеристики (рис. 3.11), как систе­ма ГД (генератор - двигатель), но при этом отсутствует электромашинный агрегат и процес­сы протекают с минимальной постоянной времени, обусловленной Рис. 3.11. Механические харак­теристики системы ШИП-дви­гатель постоянного тока

практически только па­раметрами якоря самого двига­теля.

В связи с этим система ШИП - двигатель, построенная на тран­зисторных элементах, становится основной системой управления двигателем постоянного тока. Единственным недостатком системы является использование дополнительного неуправля­емого выпрямителя, необходимого как источник энергии посто­янного тока. При наличии в цехе сети постоянного тока регули­руемый привод с ШИП может быть подключен к этой сети и тогда необходимость в дополнительном преобразователе отпа­дает.

3.3. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

3.3.1. СИСТЕМЫ АВТОНОМНЫЙ ИНВЕРТОР НАПРЯЖЕНИЯ -АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

Вопросы теории и построения частотно-регулируемого при­вода с асинхронными двигателями были разработаны еще в сере­дине двадцатого столетия, однако создание реальных приводов оказалось возможным только с появлением силовых полупро­водниковых приборов - транзисторов.

Схема включения полупроводниковых приборов в автоном­ном инверторе напряжения (АЙН) (рис. 3.12) аналогична схеме рис. 3.9. Однако, если при работе управляемого выпрямителя t ≠ t₂ и лишь при нулевой скорости двигателя они равны, то теперь

Рис. 3.12. Автономный инвертор напряжения (АЙН)

непременным условием является равенство t₁, = t₂ и сумма t₁ + t₂ = T представляет период волны напряжения переменного тока. Есте­ственно, реальная форма кривой напряжения не будет представ­лять меандр, а получит несколько сглаженный характер, прежде всего, за счет тока, протекающего через обратный диод. Однако все же генерируемые нечетные гармоники достаточно велики и желательна их фильтрация. Параметры фильтра при этом не должны существенно повлиять на замедление процессов в при­воде. Следует заметить, что при питании от АЙН асинхронного двигателя, обмотки которого соединены звездой или треуголь­ником, некоторые гармоники запираются.

Для возможности регулирования уровня напряжения, пита­ющего двигатель, в силу одного из законов поддержания требуемого соотношения между U и ƒ, инвертор должен подключаться к управляемому выпрямителю. В схеме, реализующей алгоритм уп­равления приводом, следует обеспечить взаимосвязь между ƒ и U.

Для получения лучшей формы кривой напряжения в автономном инверторе часто используют широтно-импульсную мо­дуляцию. Для этого как положительный, так и отрицательный полупериоды делятся на ряд участков, на которых вводится им­пульсный характер изменения напряжения. Обеспечивая раз­личную ширину импульсов, можно получить требуемый харак­тер формы кривой напряжения, в том числе приближающийся

Рис. 3.13. Создание синусоидальной формы напряжения за счет широтно-импульсной модуляции

к синусоидальному (рис. 3.13). Увеличивая число импульсов на протяжении одного периода, можно существенно улучшить форму кривой напряжения.

Для торможения асинхронного двигателя в системе частот­ного управления, естественно, должен использоваться рекупера­тивный режим. Следует постепенно снижать частоту и соответ­ственно снижать напряжение, но в схеме нет канала для возврата энергии. Для ее гашения иногда используют сопротивление (ре­зистор), на которое через дополнительный транзистор замыкают силовые цепи АЙН. Однако при этом энергия бесполезно теряется, что в настоящее время при ограниченных ее ресурсах недопустимо. Также нерационально и подключение аккумуля­тора. Наиболее правильно использовать на входе системы два выпрямителя, из которых один должен работать в качестве ин­вертора при торможении двигателя, как в системе управляемый выпрямитель - двигатель постоянного тока.

При построении инвертора на тиристорах принципиальная схема остается неизменной, но дополнительно входят узлы принудительной коммутации тиристоров.