Регулирование скорости в системе

«Управляемый выпрямитель – двигатель постоянного тока

независимого возбуждения» (УВ-ДПТ НВ)

Цель работы: изучить схемы управляемых выпрямителей, схему электропривода с подчиненным регулированием координат, снять механические характеристики электропривода.

1. Управляемые выпрямители

Управляемые тиристорные выпрямители используют для якорного управления двигателем независимого возбуждения. При включении в цепь переменного тока тиристор может быть открыт в положительный полупериод питающего напряжения при подаче импульса напряжения на управляющий электрод. После исчезновения управляющего напряжения тиристор остается в проводящем состоянии до тех пор, пока анодное напряжение станет равно нулю.

По принципу действия схемы делят на две группы: однополупериодные (схемы с нулевым проводом), в которых используют только одну полуволну напряжения сети, и двухполупериодные (мостовые схемы), где используют обе полуволны переменного напряжения сети.

Рис. 1.

На рис.1 показана работа простейшей однополупериодной схемы. К сети подключены нагрузка R и тиристор Т, который открывается в момент  при подаче на управляющий электрод УЭ короткого импульса с крутым фронтом. В интервал к нагрузке подводится напряжение

.

Так как нагрузка резистивная, то кривая тока повторяет кривую напряжения. В момент времени ток уменьшается до нуля и тиристор закрывается. В отрицательный полупериод тиристор заперт напряжением сети.

Рис. 2. Схемы двухфазного однополупериодного (а) и однофаз­ного мостового (б) управляемых выпрямителей с активно-индук­тивной нагрузкой и кривые (в-е), поясняющие их работу

Процесс сложнее, если нагрузка активно-индуктивная. На рис. 2 показаны процессы для двухфазного однополупериодного и однофазного мостового управляемых выпрямителей. Отпирание тиристоров осуществляют в положительный полупериод напряжения вторичной обмотки трансформатора или путем подачи на управляющие электроды отпирающих импульсов в момент времени  для тиристоров и в момент времени для тиристора . За счет индуктивности нагрузки ток нарастает не скачком, а плавно. Когда напряжение питающей фазы проходит через нуль, ток не прекращается, а продолжает идти еще некоторое время под действием э.д.с. самоиндукции, создаваемой индуктивностью L. Тиристор закрывается в момент , когда ток, протекающий через него, достигнет нуля. На участке от  до ток в цепи не идет.

Кривая выпрямительного напряжения при активно-индуктивной нагрузке имеет положительные и отрицательные участки, и среднее значение напряжения на нагрузке

. [1]

При уменьшении  угол  увеличивается и интервал проводимости одного тиристора может перекрыть момент отпирания другого тиристора. Наступает режим непрерывного тока, при котором .

Ток в нагрузке будет состоять из постоянной и переменной составляющих. Постоянная составляющая будет определять вращающий момент двигателя, а переменная составляющая тока будет вызывать дополнительный нагрев и потери в нагрузке. Для обеспечения режима непрерывного тока и уменьшения переменной составляющей последовательно с якорем включают дроссель L, который увеличит постоянную времени , ухудшит динамические свойства привода.

Рис. 3. Зависимость выходного напряжения управляемого выпря­мителя, выполненного по схеме рис. 1, от угла отпирания

На рис. 3 показана зависимость выходного напряжения управляемого выпрямителя от угла отпирания. Режим непрерывного тока сохраняется при изменении  в пределах , где граничный угол является функцией .

При угол , т.е. при большой индуктивности нагрузки регулирование напряжения эффективно при изменении  в пределах .

Для равномерной нагрузки фаз и уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения используют трехфазные управляемые выпрямители (рис. 4).

Рис. 4. Схема трехфазного однополупериодного (с нулевым проводом) управляемого вы­прямителя (а) и кривые (б – е ), поясняющие его работу

Предположим, что вентили неуправляемые, то есть пропускают ток в течение всего положительного полупериода напряжения своей фазы. Тогда тиристор под действием напряжения был бы открыт в интервале . Но на участке тиристор заперт напряжением , большим напряжения и приложенным в запирающем тиристор направлении через открытый тиристор . Также тиристор окажется запертым и на участке за счет напряжения , приложенного плюсом к катоду тиристора через открытый тиристор . Интервал проводимости тиристора на рис. 4a заштрихован. Таким образом, управлять моментом отпирания тиристора можно с , и с этого значения отсчитывают угол  подачи на УЭ управляющих импульсов. Следовательно рис. 4б соответствует и максимальное напряжение на нагрузке

[2]

Изменяя , можно управлять средним значением напряжения на нагрузке, которое будет равно

[3]

На рис. 4 в, г показаны кривые напряжения и тока при .

Характеристика управления при активно-индуктивной нагрузке и показана на рис. 5.

Рис. 5. Зависимость выходного напряжения трехфазного управляемого выпрямителя с нулевым проводом от угла отпирания

На участке она совпадает с характеристикой, построенной на рис. 3 при .

Рассмотрим работу управляемого выпрямителя при . При . При меняет знак. Отрицательное напряжение запирает тиристоры и выходная характеристика идет по оси абсцисс.

Если нагрузка имеет собственный источник э.д.с. с полярностью, обозначенной «выпр.», то на участке среднее значение тока нагрузки

,

а на участке ток .

Если э.д.с. имеет полярность, обозначенную «инв.», может наступить инверторный режим работы выпрямителя и на участке ток , то есть ток i протекает под действием э.д.с. нагрузки, преодолевая напряжение U_ср выпрямителя. Вентили открыты, ток в них идет в проводящем направлении, энергия через трансформатор передается от нагрузки в сеть. Такой же ток идет и в схемах рис. 4, если нагрузка имеет источник э.д.с. «инверторной» полярности.

2. Управление двигателем в системе «управляемый выпрямитель-двигатель»

В качестве нагрузки управляемых выпрямителей включают якорную цепь двигателя независимого возбуждения, за счет изменения угла отпирания  управляемых вентилей регулируют в широких пределах угловую скорость двигателя.

Рис. 6. Схема трехфазного мостового управляемого выпрямителя

На рис. 6 показана мостовая схема трехфазного управляемого выпрямителя. Тиристоры , , открываются в положительные, а тиристоры , , в отрицательные полупериоды фазных напряжений. Интервал проводимости каждого тиристора равен , в каждый момент времени открыты два тиристора и напряжение на якоре определяется разностью фазных напряжений двух вторичных обмоток трансформатора, т.е. линейным напряжением. Механическая характеристика системы

, [4]

где – активное сопротивление преобразователя и дросселя.

Механическая характеристика прямолинейна, но ее жесткость меньше, чем у двигателя в системе Г-Д (генератор-двигатель).

При снижении нагрузочного момента наступает режим прерывистых токов, для которого соотношение [4] недействительно, реальные характеристики указаны штрихованными линиями.

В системе УВ-Д двигатель может работать в двигательном режиме ( квадрант), в режимах противовключения (наклонная штриховка) и динамического торможения (прямая с ) и в генераторном режиме, т.е. в режиме рекуперативного торможения (вертикальная штриховка), когда УВ переходит в инверторный режим (рис. 7).

Рис. 7. Механические характеристики системы УВ–Д

Для осуществления реверса можно изменить с помощью контактного переключения полярность напряжения на обмотке возбуждения или на якоре.

Для приводов высокого быстродействия применяют реверсивные УВ (рис. 8).

Рис. 8. Схема реверсивной системы УВ–Д

При работе системы УВ-Д в двигательном режиме один управляемый выпрямитель, например , работает в режиме выпрямления, а второй закрыт или подготовлен для работы в режиме инвертирования.

Для исключения передачи энергии в сеть через инвертор должно выполняться условие

,

где , – напряжения управляемых выпрямителей, работающих в режимах инвертирования и выпрямления.

При работе системы в режиме рекуперативного торможения один из выпрямителей находится в режиме инвертирования, а второй закрыт или подготовлен к работе в режиме выпрямления.

При совместной работе выпрямителей ограничивают уравнительные токи, протекающие между выпрямителями за счет разности мгновенных значений их напряжений. Для этого включают дроссели L₁ и L₂.

Вид механических характеристик реверсивной системы УВ-Д зависит от способа согласования углов  обоих управляемых выпрямителей. Возможны два вида управления выпрямителями реверсивной системы – совместный и раздельный.

При совместном управлении , и . Механические характеристики показаны на рис. 9а. Недостатком совместного управления является возможность протекания уравнительных токов. Для полного исключения уравнительных токов используют раздельное управление выпрямителями. Управляющие импульсы подаются только на работающий в данный момент выпрямитель. Вентили другого выпрямителя в это время закрыты. При изменении режима работы устройство управления подает импульсы на второй выпрямитель с задержкой, необходимой для его надежного запирания. Механические характеристики системы с раздельным управлением показаны на рис. 9б. Разрыв характеристик объясняется наличием режима прерывистых токов.

Рис. 9.