Моменте

Х₁ = aХ₁н; Х¢₂ = aХ¢₂н; Хк = a Хкн; Х m = a Х m н,

где a = f / fн – относительная частота напряжения питания.

Здесь и далее нижним индексом « н » отмечены параметры при номинальной частоте ( fн = 50Гц ) напряжения питания.

Тогда из (2.41) получаем уравнение механической характеристики при частотном регулировании скорости двигателя, которым следует пользоваться при расчетах систем, где f = var:

. (2.78)

К настоящему времени, благодаря появлению и серийному выпуску статических преобразователей, этот способ регулирования скорости асинхронных и синхронных машин получил наиболее широкое распространение. Его практическая реализация осуществлена в системе управляемый преобразователь частоты – асинхронный (синхронный) двигатель, которая состоит из синхронного или короткозамкнутого асинхронного двигателя и преобразователя частоты (ПЧ). Более подробное описание преобразователей частоты приведено ниже.

2.9. Система «Генератор – двигатель» (Г-Д)

Схема системы Г-Д имеет вид, приведенный на рис.2.32.

Рис.2.32. Схема системы Г – Д

Здесь источником питания электродвигателя М является генератор G, который приводится во вращение синхронным или асинхронным двигателем М1 с постоянной скоростью. Ток Iв в обмотке возбуждения генератора изменяется путем изменения напряжения Uв питания обмотки возбуждения ОВ. Так как машина работает на прямолинейном участке кривой намагничивания, то можно считать, что магнитный поток ее примерно пропорционален Iв. ЭДС Е₁ генератора определяется уравнением:

Е₁ = Кг Фг w г, (2.79)

где нижним индексом «г» отмечены параметры и переменные генератора.

Следовательно, при изменении тока возбуждения генератора изменяется его ЭДС, которая является напряжением питания электродвигателя Д.

Семейство механических характеристик в системе Г-Д приведено на рис.2.33.

Рис.2.33. Механические характеристики в системе Г - Д

Характеристики в системе Г-Д имеют меньшую жесткость, чем естественная, так как здесь общее активное сопротивление якорной цепи увеличено за счет активного сопротивления якоря генератора.

Основным недостатком системы Г – Д является ее громоздкость, то есть наличие двух дополнительных электрических машин, что ведет к снижению КПД системы.

Для расширения диапазона регулирования в системе Г – Д часто применяется так называемое двухзонное регулирование скорости, при котором регулирование скорости до основной осуществляется путем изменения напряжения питания двигателя при постоянном магнитном потоке, а выше основной - путем изменения магнитного потока при постоянном напряжении на якоре.

До недавнего времени (70-е годы) система Г – Д была наиболее распространена при реализации регулируемых электроприводов. После разработки и начала серийного выпуска статических преобразователей напряжения область ее применения значительно сузилась и к настоящему времени в приводах малой и средней мощности эта система практически не применяется. Тем не менее, этот привод еще долго будет использоваться при больших мощностях и двунаправленных потоках энергии, так как помогает избежать проблем с электромагнитной совместимостью, эмиссией помех и т.д. По мнению специалистов [3] именно эта система, а не приводы со статическими преобразователями продлит жизнь мощных электроприводов постоянного тока.

2.10. Система «Управляемый тиристорный преобразователь – двигатель»

2.10.1. Общая характеристика и принцип работы управляемых тиристорных преобразователей напряжения

В начале 60-х годов появились и стали применяться управляемые статические преобразователи напряжения. Первым этапом в их развитии была разработка газоразрядных устройств: тиратронов и ртутных выпрямителей (экситронов и игнитронов), представляющих из себя баллоны, заполненные инертным газом или парами ртути. Эти преобразователи, хотя и не содержали в себе вращающихся устройств, отличались значительными габаритами и были чрезвычайно чувствительны к изменениям температуры окружающей среды. Кроме того, ртутные преобразователи были опасны для обслуживающего персонала. Поэтому, сразу же с появлением полупроводниковых управляемых вентилей (тиристоров), ламповые преобразователи стали сниматься с производства и к 70-м годам были практически полностью заменены тиристорными преобразователями. Поэтому здесь и в дальнейшем рассматривается система «Тиристорный преобразователь – двигатель» (ТП-Д).

Тиристор представляет из себя четырехслойную полупроводниковую структуру. В отличие от диода, для отпирания тиристора необходимы два условия: положительный потенциал на аноде и наличие управляющего импульса на управляющем электроде. Регулирование напряжения осуществляется за счет изменения длительности работы вентиля в проводящем периоде. Таким образом, тиристор является устройством полууправляемым, то есть возможно регулирование момента его отпирания но невозможно прекращение его работы до тех пор, пока потенциал его анода не станет ниже потенциала катода.

Рассмотрим принцип работы тиристорного преобразователя на примере трехфазной нулевой схемы, приведенной на рис.2.34.

Рис.2.34. Трехфазная нулевая схема выпрямления

На рис. 2.35 показаны кривые напряжений и токов при работе схемы. Тиристор данной фазы отпирается при положительном напряжении на аноде, когда на его управляющий электрод подан управляющий импульс, который формируется при помощи системы импульсно-фазового управления (СИФУ). Точка Д называется точкой естественного зажигания. Период от точки естественного зажигания до момента подачи управляющего импульса называется углом зажигания (или запаздывания) a. Заштрихованные области представляют из себя выпрямленное напряжение. Для сглаживания выпрямленного тока в схеме предназначен сглаживающий реактор LR. Как видно из рис.2.35 ток преобразователя имеет довольно сложную форму. За счет наличия в силовой цепи индуктивных сопротивлений ток в тиристоре данной фазы не может упасть до нуля мгновенно, а ток в тиристоре следующей фазы – мгновенно возрасти, то есть существуют периоды времени, когда ток протекает по тиристорам двух фаз одновременно. Эти периоды называются периодами коммутации g.

Существует достаточно большое количество схем соединения вентилей, но все они могут быть объединены в две большие группы: нулевые и мостовые. Выше (рис.2.34) приведена нулевая схема, а мостовая - имеет вид, приведенный на рис.2.36. Здесь, в отличие от нулевой схемы, в каждый момент времени ток проходит через два тиристора, то есть частота пульсаций выпрямленного напряжения в два раза больше, чем в нулевой

Рис.2.35. Кривые ЭДС и токов в трехфазной схеме выпрямления

Рис.2.36. Трехфазная мостовая схема выпрямления

схеме. Так как в нулевой схеме в каждый момент времени пропускает ток тиристор только одной фазы, то трансформатор работает в несимметричном режиме, что может привести к его перегреву, то есть необходимо увеличение мощности трансформатора. Поэтому при питании от тиристорного преобразователя якоря двигателя наиболее целесообразно использовать мостовую схему. За счет этого можно избавиться от громоздких сглаживающих реакторов. Если же питание от преобразователя получает обмотка возбуждения, то имеет смысл применить нулевую схему, так как обмотка возбуждения, имея значительное индуктивное сопротивление, сама играет роль сглаживающего элемента, а, так как мощность возбуждения невелика, то некоторое увеличение мощности трансформатора не имеет решающего значения.

2.10.2. Механические характеристики электродвигателя в системе «Тиристорный преобразователь – двигатель»

Для нулевой схемы выпрямления среднее значение выпрямленной ЭДС Еd тиристорного преобразователя определяется уравнением:

Еd = Еdм cos a, (2.80)

где Еdм – максимальная величина выпрямленной ЭДС при a = 0.

Еdм = Е₂фм / (p / m) sin (p / m) = [Ö 2 Е₂ф / (p / m)] sin (p / m), (2.81)

где m – число фаз преобразователя;

Е₂фм, Е₂ф – амплитудное и действующее значения фазной ЭДС вторичной обмотки трансформатора соответственно.

В нулевых схемах ток нагрузки равен току, протекающему по одному вентилю (за исключением периода коммутации), то есть определяется ЭДС фазы трансформатора, а падение напряжения – падением напряжения в работающей фазе, которое складывается из:

- падения напряжения DUв на самом тиристоре;

- падения напряжения DU_R в активном сопротивлении;

- падения напряжения DUх за счет коммутации тиристоров.

Падение напряжения на вентиле не зависит от тока нагрузки и для тиристоров DUв = (0,5 – 1) В.

Падение напряжения на активном сопротивлении

DU_R = Rт Id; (2.82)

Rт = R¢₂ + R₁ ( w₂ / w₁ )², (2.83)

где Id – ток нагрузки;

R_{1 ,} R¢₂ - активные сопротивления первичной и приведенное вторичной обмоток фаз трансформатора соответственно;

w₂ , w₁ – число витков вторичной и первичной обмоток трансформатора соответственно.