- •Предисловие
- •1. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
- •1.2 ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН ЛЕКЦИЙ
- •1.3 ТЕМЫ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ
- •2. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
- •3. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ИЗУЧЕНИЮ ДИСЦИПЛИНЫ
- •3.2. Электрические машины
- •3.3. Управляемые преобразователи напряжения и частоты
- •3.4. Исполнительные устройства и механизмы
- •4. ЗАДАНИЯ НА КОНТРОЛЬНЫЕ РАБОТЫ
- •4.1. КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА № 1
12.Назовите способы торможения ДПТПВ.
13.Что такое схема замещения АД?
14.В каких энергетических режимах может работать АД?
15.Какие достоинства и недостатки имеет способ регулирования координат АД с помощью резисторов?
16.Какие возможности по управлению АД обеспечивает регулирование напряжениянаегостаторе?
17.За счет чего в частотно-управляемом асинхронном ЭП производится регулирование подводимого к АД напряжения?
18.Назовите виды каскадных схем и поясните принцип регулирования скорости АД в этих схемах.
19.Какими способами осуществляется торможение АД в его основной схеме включения?
20.Что такое динамическое торможение АД?
21.В чем основная особенность переходных процессов в асинхронном ЭП?
22.Каковы области использования однофазных АД?
23.В чем состоят основные особенности работы однофазного АД?
24.Что такое линейный АД и каковы рациональные области его применения?
25.Какие достоинства присущи СД?
26.Что такое угловая характеристика СД?
27.Как включается обмотка возбуждения СД при пуске?
28.Что такое U-образные характеристики СД?
29.Что такое вентильный двигатель?
30.Поясните принцип действия ШД.
31.Какова схема управления ШД?
32.Назовите особенности вентильного ЭП с индукторнымдвигателем.
3.3.Управляемые преобразователи напряжения и частоты
[6]
Тиристорный преобразователь может быть представлен тремя функциональными элементами: СИФУ, силовой цепью преобразователя (СЦП) и цепью нагрузки преобразователя (ЦНП). СИФУ преобразует управляющий сигнал тиристорного преобразователя (напряжение uу или цифровой код Ny) в последовательность импульсов управления, имеющих соответствующий фазовый сдвиг относительно момента естественного открывания тиристора, определяемый уг-
17
лом управления α. Таким образом, СИФУ осуществляет аналого-дискретное или цифродискретное преобразование управляющих сигналов.
Выходная ЭДС ed(t) силовой цепи преобразователя формируется из фазных ЭДС питающей сети Uс.
Характер цепи нагрузки преобразователя оказывает существенное влияние на внутренние процессы, протекающие в СЦП, определяя углы проводимости λ и коммутации γ отдельных тиристоров (вентилей). Одновременно в ЦНП происходит сглаживание (фильтрация) ЭДС и тока ТП.
Все существующие схемы выпрямления подразделяются на схемы с нулевым выводом и мостовые, которые в зависимости от исполнения могут быть однофазными, трехфазными и многофазными.
Наибольшее распространение получили трехфазные ТП: нулевая и мостовая. Тиристоры мостовой схемы выпрямления можно подразделить на две группы: катодную и анодную.
В электроприводах малой мощности находят применение однофазные нулевая двухполупериодная и мостовая схемы выпрямления. В электроприводах большой мощности применяются шестифазная схема с уравнительным реактором, последовательное включение трехфазных мостовых схем и другие выпрямительные схемы.
Для реверсивного электропривода используются специальные схемы ТП, подразделяемые на схемы с одной группой тиристоров и переключением полярности в цепи нагрузки с помощью контактных или бесконтактных переключателей и с двумя группами вентилей, среди которых различают: перекрестную; встречно-параллельную. Мостовая реверсивная ТП является в данном случае разновидностью встречно-параллельной схемы.
Для электроприводов с малым временем реверса и при необходимости получения двигательного и тормозного режимов работы при одном направлении вращения используются схемы с двумя группами тиристоров.
Система управления ТП должна обладать высоким быстродействием и обеспечивать формирование импульсов управления с определенными параметрами: амплитуда – не менее 200 ... 400 мА, продолжительность – 10... 15° (эл. градусов), крутизна переднего фронта – порядка 10 А/с. Диапазон регулирования угла управления составляет 150 ... 160°. Кроме того, СИФУ должна обеспечивать ограничение минимальных и максимальных углов управления и бло-
18
кировку подачи импульсов на тиристоры.
Регулирование угла управления можно осуществлять двумя способами: синхронным и асинхронным. При синхронном способе угол управления отсчитывается от определенной координаты напряжения питающей сети. При асинхронном способе угол управления определяется от момента формирования предыдущего импульса и в отличие от синхронного способа не синхронизирован с питающей сетью. В асинхронных СИФУ реализуется интегральный характер изменения фазы управляющих импульсов, поэтому они могут работать только в замкнутых системах управления. Учитывая их ограниченное применение, в дальнейшем рассматриваются только синхронные СИФУ.
Системы импульсно-фазового управления в зависимости от вида входного сигнала можно подразделить на аналоговые и цифровые, одно- и многоканальные, с ″вертикальным″ и ″горизонтальным″ способами отсчета угла управления. ″Горизонтальный″ способ заключается в интегрировании сигнала управления, начиная от момента синхронизации. Данный способ не нашел широкого применения в связи с низким быстродействием. Наибольшее распространение получили полупроводниковые СИФУ, построенные по ″вертикальному″. В состав канала управления таких систем входят генератор опорного напряжения, синхронизированный с питающей сетью, сравнивающее устройство и генератор импульсов (ГИ). Гальваническая развязка цепи управления тиристора с силовой цепью достигается за счет использования импульсных трансформаторов на выходе ГИ или оптронных тиристоров. ″Вертикальный″ способ основан на принципе развертывающего преобразования.
В многоканальных СИФУ число каналов определяется фазностью схемы выпрямления. Недостатком многоканальных систем является асимметрия каналов управления и, как следствие, увеличение содержания гармонических составляющих в выходном напряжении ТП н в питающей сети, что может привести к гармонической неустойчивости ТП, появлению низкочастотной составляющей в токе нагрузки, отрицательно сказывающихся на динамике контура регулирования тока. Для исключения асимметрии, связанной с разбросом характеристик каналов управления, используются одно канальные СИФУ, в которых фазовый сдвиг всех импульсов управления производится в одном канале.
Регулирование напряжения ТП осуществляется изменением угла управления α, отсчитываемого от точки естественного зажигания тиристора.
Все реверсивные схемы с двумя группами тиристоров могут иметь либо
19
совместное (согласованное), либо раздельное управление группами. Совместное управление характеризуется тем, что управляющие импульсы поступают на обе группы тиристоров, одна из которых работает в выпрямительном режиме, другая – в инверторном. Вид внешних и регулировочных характеристик ТП существенно зависит от способа согласования групп вентилей. При линейном согласованном управлении углы управления групп тиристоров выбираются из условия равенства нулю среднего значения уравнительного напряжения.
Достоинства линейного согласованного управления группами ТП заключаются в практическом отсутствии зоны прерывистых токов, однозначности характеристик и малом времени реверса преобразователя.
Недостатки данного способа состоят в невозможности полного использования преобразователя в выпрямительном режиме (при α = 0) и необходимости включения уравнительных реакторов, увеличивающих потери в ТП, его габариты и стоимость.
При раздельном управлении отпирающие импульсы поступают только на одну из групп тиристоров, другая группа оказывается закрытой. Это позволяет устранить уравнительные токи и исключить уравнительные реакторы. Специфической особенностью ТП с раздельным управлением является наличие логического переключающего устройства. Для реализации раздельного управления используются следующие способы переключения выпрямительных групп: в функции напряжения управления, в функции тока якоря и в функции управляющего напряжения и тока якоря.
Достоинствами раздельного управления являются: исключение из силовой схемы преобразователя уравнительных реакторов; возможность использования силового трансформатора на полную мощность, поскольку в выпрямительном режиме допускается нулевой угол управления.
Среди недостатков следует отметить неоднозначность регулировочных характеристик, ограниченность диапазона частот управляющего сигнала величиной fгр<1/2τп независимо от амплитуды этого сигнала, реверс электропривода занимает, по крайней мере, вдвое больше времени, чем при согласованном управлении группами преобразователя.
Технико-экономическое сравнение рассмотренных выше способов управления группами реверсивных преобразователей позволяет сделать вывод, что для быстродействующих электроприводов небольшой мощности (до 10 кВт)
20
более целесообразным является применение согласованного управления, а для приводов средней и большой мощности – раздельного управления.
Тиристорные регуляторы напряжения (ТРН) переменного тока на практике применяются для различных целей. В простейшем случае ТРН используется для включения и отключения асинхронных двигателей, в частности короткозамкнутых. В реверсивных схемах добавляется еще один комплект тиристоров. Возможна также реализация режима динамического торможения асинхронного двигателя постоянным током. Регулирование угла отпирания тиристоров α, который отсчитывается от начала положительной полуволны фазного напряжения сети в пределах от нуля до αmax, обеспечивает изменение напряжения на статоре двигателя Uд от напряжения сети Uc до Umin.
Для двигателей с фазным ротором ТРН применяют и как управляемый преобразователь для регулирования и стабилизации скорости двигателя.
Широтно-импульсные преобразователи постоянного тока применяются в электроприводах главным образом для регулирования напряжения на якоре двигателя постоянного тока с независимым возбуждением при малых мощностях (до 2...3 кВт). В простейшем случае нереверсивный ШИП представляет собой источник постоянного тока с неизменным напряжением U0 и управляемый ключ К (транзисторный или тиристорный), при помощи которого осуществляется широтно-импульсная модуляция напряжения источника.
В ШИП с тиристорными ключами схема усложняется из-за невозможности запирания тиристора по цепи управления. Здесь применяют разные способы запирания тиристоров, в частности при помощи схем с емкостной коммутацией.
Возможность регулирования скорости АД изменением частоты питающего напряжения следует из формул ω0=2πf/p и ω=2πf(l – s)/p. При этом возникает необходимость регулирования амплитуды напряжения источника, что следует из выражения U≈E=kФf. Если при неизменном напряжении изменять частоту, то магнитный поток Ф будет изменяться обратно пропорционально частоте. Так, при уменьшении частоты поток возрастает и это приведет к насыщению стали двигателя и, как следствие, к резкому увеличению тока и превышению допустимой температуры изоляции обмоток; при увеличении частоты поток Ф и соответственно момент двигателя будут уменьшаться.
Для наилучшего использования АД при изменении частоты необходимо
21
регулировать напряжение одновременно в функции частоты и нагрузки, что можно реализовать только в замкнутых системах электропривода. В разомкнутых системах напряжение регулируется лишь в функции частоты по закону, зависящему от вида нагрузки.
Экономические выгоды частотного регулирования скорости особенно существенны для приводов, работающих в повторно-кратковременном режиме, где имеет место частое изменение направления вращения с интенсивным торможением.
Для осуществления частотного регулирования скорости в настоящее время широкое применение находят статические преобразователи (на основе тиристоров и транзисторов), на выходе которых по требуемому соотношению или независимо меняются частота и амплитуда напряжения.
Статические преобразователи частоты делятся на две основные группы: с непосредственной связью, когда в одном устройстве совмещаются функции выпрямления и инвертирования, и с промежуточным звеном постоянного тока. Первые в свою очередь делятся на преобразователи с естественной коммутацией, когда закрытие тиристоров осуществляется обратной полуволной питающего напряжения, и с искусственной коммутацией, когда закрытие тиристоров осуществляется с помощью специальных коммутирующих конденсаторов.
В преобразователях частоты со звеном постоянного тока напряжения сети переменного тока вначале выпрямителя, затем сглаживается и с помощью автономного инвертора напряжения (АИН) преобразуется в напряжение переменного тока регулируемой частоты и амплитуды. Возможно выполнение преобразователя частоты с управляемым и неуправляемым выпрямителем. В первом случае раздельное управление напряжением и частотой преобразователя сводится к воздействию на управляемый выпрямитель для регулирования напряжения преобразователя и к воздействию на автономный инвертор напряжения для регулирования частоты. Если АИН питается от управляемого выпрямителя, то на выходе выпрямителя устанавливается конденсатор большой емкости. В результате АИН имеет жесткую внешнюю характеристику, т. е. с изменением тока нагрузки напряжение АИН практически не изменяется. В связи с этим при использовании в преобразователе частоты АИН управляющими воздействиями на асинхронный двигатель являются частота и напряжение на статоре двигателя. При использовании неуправляемого выпрямителя применяются автономные инверторы напряжения с широтно-импульсной модуляцией. В этом случае
22
управление напряжением и частотой сводится к воздействию на АИН по раздельным каналам.
Универсальным и перспективным для промышленных электроприводов является преобразователь частоты с промежуточным звеном постоянного тока. Достоинство таких преобразователей заключается в относительной простоте их реализации. Недостатками являются: двухкратное преобразование энергии, что увеличивает установленную мощность и снижает КПД; АД не может работать в режиме генераторного торможения с отдачей энергии в сеть, так как управляемый выпрямитель обладает односторонней проводимостью; форма выходного напряжения зависит от коэффициента мощности АД, который в свою очередь определяется нагрузкой на валу двигателя; низкий коэффициент мощности, зависящий от угла открытия тиристоров управляемого выпрямителя; существенный удельный вес высших гармоник в кривой выходного напряжения, что приводит к созданию дополнительных возмущений в системе электропривода при формировании электромагнитных моментов (особенно на низких скоростях) и повышению потерь в двигателе.
Анализируя динамику АД, работающего от преобразователя частоты, следует рассматривать электромагнитные процессы в двигателе с учетом электромагнитных процессов в преобразователе.
В электроприводах, работающих с частыми переходными процессами, и в случаях, когда требуется генераторное торможение АД с отдачей энергии в сеть, целесообразно использовать преобразователь частоты с автономным инвертором тока (АИТ). В этих случаях сказываются преимущества АИТ, заключающиеся в возможности рекуперации энергии в сеть при более простой силовой схеме. Для этого управляемый выпрямитель переводится в инверторный режим и при сохранении направления выпрямительного тока энергия рекуперуется в сеть. В этом состоит преимущество АИТ перед АИН, для которого при необходимости рекуперации энергии в сеть должен быть использован дополнительный ведомый сетью инвертор, подключаемый параллельно управляемому выпрямителю.
Автономные инверторы приобретают свойства источника тока, если их питание осуществляется от источника тока. При использовании в качестве источника питания управляемого выпрямителя на его выходе устанавливается дроссель с большой индуктивностью.
Совершенствования асинхронного электропривода с частотным управле23