3.5. Частотні характеристики

Їх утримують підстановкою у вирази передавальних функцій. Передавальна функція двигуна за керуючим впливом згідно (3.22)

. (3.29)

Передавальна функція за збуренням

. (3.30)

Передавальній функції (3.29) відповідає амплітудно-фазова частотна характеристика

.(3.31)

З (3.31) знаходять амплітудночастотну

(3.32)

і фазочастотну

(3.33)

характеристики.

З

Рис.3.17. Частотні характеристики двигуна постійного струму незалежного збудження при зміні напруги

(3.32) слідує, що за . При характеристика досягає максимального значення у випадку згасаючого перехідного процесу (крива 1 на рис.3.17). Для аперіодичного процесу амплітуда коливань зі зростанням частоти зменшується (крива 2 на рис.3.17).

Залежність (3.33) показує, що при , а при . При цьому через точку проходять фазо-частотні характеристики для різних видів коренів характеристичного рівняння.

Контрольні запитання і задачі

1. Чому механічні характеристики двигуна постійного струму незалежного збудження при зміні напруги живлення будуть парале-льними?

2. За якою формулою визначають коефіцієнт передачі двигуна постійного струму незалежного збудження?

3. Визначити коефіцієнт передачі двигуна постійного струму незалежного збудження, якщо , , і .

4. Яким способом треба регулювати кутову швидкість двигуна постійного струму незалежного збудження, щоби його потуж-ність не змінювалась?

5. Які характеристики використовують для побудови натураль-ної механічної характеристики двигуна постійного струму послідов-ного збудження?

6. Як здійснюють динамічне гальмування двигуна постійного струму послідовного збудження?

7. Що відбудеться з двигуном постійного струму послідовного збудження, якщо змінити полярність напруги живлення?

8. Від чого залежить вид перехідного процесу у двигуні постій-ного струму незалежного збудження?

9. За якої умови в двигуні постійного струму незалежного збудження виникає згасаючий коливальний перехідний процес?

10. Від яких параметрів залежить частота власних коливань двигуна постійного струму незалежного збудження?

Розділ 4

Перетворювачі напруги електроприводів постійного струму

4.1. Тиристорні керовані випрямлячі

Для живлення якірних кіл і кіл обмоток збудження в сучасних електроприводах постійного струму використовують керовані вип-рямлячі (КВ), які часто називають тиристорними перетворювача-ми. Вони перетворюють напругу змінного струму у регульовану напругу постійного струму. При цьому вони можуть працювати в режимі випрямляння і в режимі інвертування, перетворюючи напругу постійного струму у змінну.

Основними перевагами випрямлячів є високі коефіцієнти підси-лення і ККД, мала потужність керування і висока швидкодія. Недо-ліки: пульсація напруги постійного струму, низький коефіцієнт по-тужності при низькій напрузі постійного струму, висока чутливість до перенапруги, викривлення в мережі живлення і значний рівень випромінювання у діапазоні радіочастот.

Керовані випрямлячі, які застосовують для живлення двигунів постійного струму, класифікують за такими ознаками:

• за кількістю фаз напруги живлення: однофазні й трифазні;

• за вихідною потужністю: малопотужні (до 10кВт), серед-ньої потужності (від 10 до 1000 кВт) і потужні (понад 1000 кВт);

• за схемою вмикання вентилів і підмикання навантаження: нульовій й мостові, симетричні й несиметричні;

• за зміною полярності вихідної напруги: нереверсивні й реве-рсивні.

Структурна схема КВ складається з силового трансформатора TV, блока тиристорів БТ, згладжуючого дроселя ЗД і системи імпу-льсно-фазового керування блоком тиристорів (СІФК).

Силовий трансформатор TV призначений для узгодження напру-ги мережі живлення і кола навантаження та для зменшення випливу випрямленого струму на мережу живлення. Крім того, він електрично відокремлює коло навантаження від мережі. Блок тирис-торів забезпечує випрямляння й регулювання напруги. Згладжую-чий дросель зменшує пульсацію випрямленого струму. Система імпульсно-фазового керування формує послідовність відкриваючих імпульсів, які змінюють кути відкривання тиристорів відповідно до напруги керування , регулюючи середнє значення випрямленої напруги .

Рис.4.1. Спрощена структурна схема керованого випрямляча

Для обґрунтування вибору типу керованого перетворювача необ-хідно знати його основні характеристики. До них відносяться:

• середні значення випрямленої напруги та струму ;

• коефіцієнти корисної дії та потужності ;

• коефіцієнт випрямної схеми – відношення найбільшого середнього значення випрямленої напруги до діючого значення вихідної наруги трансформатора;

• коефіцієнт збільшення розрахункової потужності транс-форматора – відношення повної потужності транс-форматора до потужності випрямленого струму;

• коефіцієнт використання вентилів за напругою – відношення максимальної зворотної напруги на вентилях до середнього значення випрямленої напруги;

• коефіцієнт використання вентилів за струмом – відношення діючого значення струму вентиля до се-реднього значення випрямленого струму;

• коефіцієнт пульсації – відношення певної гармоніки пульсації випрямленої напруги до середнього зна-чення випрямленої напруги;

• коефіцієнт спотворення – відношення діючого значення струму основної гармоніки до діючого значення повного струму первинної обмотки трансформатора.

Для зручності порівняння основних випрямних схем у випадку активно-індуктивного навантаження їхні параметри наведені в табл.3.1.

Таблиця 3.1

Схема КВ	Коефіцієнти
Однофаз-на мосто- ва симет-рична	0,9	1,57	0,707	1,11	0,667	0,9
Трифазна з нульовим проводом	1,17	2,10	0,58	1,35	0,25	0,827
Трифазна мостова	2,34	1,05	0,58	1,05	0,057	0,955

Серед багатьох випрямних схем для живлення двигунів постій-ного струму в залежності від потужності використовують:

• о днофазну мостову схему (мала потужність);

• трифазну нульову схему (середня потужність і низька напруга);

• трифазну мостову схему (се-редня і велика потужність та висока напруга).

О

Рис.4.2. Однофазна симметрична

схема КВ

днофазна мостова симетрична схема КВ має чотири керовані венти-лі (рис.4.2). У несиметричній схемі два вентилі некеровані (діоди).

Трансформатор у мостовій схемі не є обов’язковим, коли випрямлена напруга менша , бо для неї . Перевагою симетричного КВ є можливість формувати процес зменшення струму при індуктивному навантаженні. Коли такої потреби немає, то доцільно використовувати несиметричну схему КВ, бо схема керування нею простіша.

Багатофазні схеми КВ порівняно з однофазними мають такі пере-ваги: меншу пульсацію випрямленої напруги та струму, симетричне навантаження мережі живлення, краще використання трансформа-тора і вентилів.

Зокрема, трифазна нульова схема (рис.4.3,а) порівняно з однофа-

а

б

Рис.4.3. Трифазні нульова (а) і мостова схеми КВ

зною має такі переваги як вдвоє меншу амплітуду пульсацій випря-мленої напруги і у 1,5 рази менше значення коефіцієнта використа-ння вентилів за струмом. Але коефіцієнт використання вентилів за напругою у 1,33 рази більший. У цій схемі можливе формування процесу зменшення струму при індуктивному навантаженні, але намагнічуючі сили стержнів трансформатора не зрівноважують одна одну і це призводить до насичення осердя трансформатора і, як наслідок, збільшує його потужність.

Трифазна мостова схема КВ є найбільше досконалою за вико-ристанням вентилів за напругою і струмом, бо вона є з’єднанням двох трифазних нульових схем. Пульсації випрямленої напруги мають шестикратну частоту . Тому такі перетворювачі іноді називають умовно шестифазними.

Н а рис.4.3,б тиристори про-нумеровані у порядку подавання відкриваючих імпульсів. Послі-довність їх комутації ілюструє циклограма на рис.4.4, на якій показані ділянки одночасної роботи вентилів різних груп.

Я

Рис.4.4. Циклограма комутації тиристорів

кщо немає потреби у інверторному режимі роботи КВ, то одну групу тиристорів можна замінити діодами (несиметрична схема). Але при цьому зменшується частота і збільшується амплітуда пульсацій випрямленого струму.

Невелика амплітуда і висока частота пульсацій, ефективне вико-ристання трансформатора й низька зворотна напруга на тиристорах, можливість інверторного режиму і високий ККД зумовили переваж-не використання трифазної мостової схеми в системах автоматизо-ваного електропривода з широким діапазоном регулювання швид-кості.

Реверсивні тиристорні перетворювачі використовують за необхідністю зміни напряму струму у споживачі. Вони складаються з двох комплектів керованих випрямлячів, які з’єднують зустрічно-паралельно або перехресно. В перехресній схемі кожен комплект живиться від окремої обмотки триобмоткового трансформатора, в зустрічно-паралельній – від однієї обмотки, що є її перевагою, бо зменшує потужністю трансформатора майже на 20%.

Системи керування тиристорами поділяються на сумісні (одно-часне керування двома групами) і роздільні (окреме керування групами). У зустрічно-паралельній схемі реверсивного перетворювача з роздільним керуванням керуючі імпульси подаються лише на один комплект тиристорів (на КВ1 або КВ2), що унеможливлює виникнення зрівнювальних струмів між групами в період реверсу-вання. Таку роботу забезпечує логічний перемикальний пристрій ЛПП, який визначає момент, коли струм робочого комплекта стає рівним нулю, блокує подачу на нього імпульсів і після паузи трива-лістю до дозволяє подачу керуючих імпульсів на інший комплект (рис. 4.5).

Полярність вихідної напруги перетворювача задається полярніс-тю напруги керування : сигнал відповідає позитивній напрузі , а сигнал – негативній. ЛПП опрацьовує сигнал і сигнали та , які поступають від давачів наявності струму ДНС1 і ДНС2, і формує логічні сигнали та на СІФК1 чи СІФК2.

Рис.4.5. Зустрічно-паралельна схема реверсивного КВ

Роздільне керування зменшує ймовірність перекидання інверто-ра і збільшує ККД перетворювача завдяки відсутності зрівнюваль-них струмів, що дає певну економію електроенергії і зменшує поту-жність трансформатора. Тому реверсивна схема з роздільним керу-ванням широко використовується. Недолік – наявність паузи до при зміні полярності вихідної напруги.