К системе на рис. 2.2 приложены два момента – электромагнитный момент М, развиваемый двигателем, и момент Мс, создаваемый нагрузкой, а также потерями механической части (трение); каждый момент имеет свою величину и направление. Движение системы определяется вторым законом Ньютона:

(2.1)

где ω – угловая скорость,

J – суммарный момент инерции.

Правая часть уравнения (2.1) – динамический момент

Он возникает, если алгебраическая сумма моментов М и Мс отлична от нуля; величина и знак динамического момента определяют ускорение.

Режимы, при которых ∑M = 0, т. е. моменты М и Мс равны по величине и противоположно направлены, называют установившимися или статическими, им соответствует ω = const, в том числе ω= 0.

Режимы, когда ∑M ≠ 0 , называют переходными или динамическими (ускорение, замедление).

В уравнении (2.1) момент Мс практически полностью определяется свойствами нагрузки, а момент М, который можно принять за независимую переменную, формируется двигателем. Скорость ω – зависимая переменная; ω(t) определяется в динамических режимах решением (2.1) для любых конкретных условий, а в статических режимах находится из условия:

(2.2)

2.4 Электроприводы постоянного тока

Для получения простейшей модели электропривода постоянного тока, описывающей установившиеся (статические) режимы и позволяющей получить основные характеристики, воспользуемся схемой на рис. 2.3.

Якорная цепь питается от независимого источника с напряжением U, сопротивление цепи якоря R постоянно, магнитный поток Ф определяется лишь током возбуждения и не зависит от нагрузки (реакция якоря не проявляется), индуктивные параметры цепей пока не учитываются, поскольку рассматриваются лишь установившиеся (статические) режимы.

Рисунок 2.3 – Схема электропривода с двигателем постоянного тока

Взаимодействие тока I в обмотке якоря с магнитным потоком Ф, создаваемым обмотками, расположенными на полюсах машины, приводит в соответствии с законом Ампера и возникновению электромагнитных сил, действующих на активные проводники обмотки и, следовательно, электромагнитного момента М:

(2.3)

где k – конструктивный параметр машины.

В движущихся с угловой скоростью ω в магнитном поле под действием момента М проводниках обмотки якоря в соответствии с законом Фарадея наводится ЭДС вращения Е:

(2.4)

направленная в рассматриваемом случае встречно по отношению к вызвавшей движение причине – ЭДС источника питания U.

В соответствие со вторым законом Кирхгоффа для якорной цепи машины справедливо уравнение:

(2.5)

Уравнения (2.3) – (2.5) – простейшая, но достаточная для понимания главных процессов в электроприводе постоянного тока модель. Для решения практических задач они должны быть дополнены уравнением движения с моментом потерь ∆M, входящим в Мс:

(2.6)

и уравнениями цепи возбуждения для конкретной схемы электропривода.

Если существовал некоторый установившийся режим М1 = Мс1, а затем Мс изменился, например, возрос до величины Мс2, то для получения нового установившегося режима необходимо иметь средство, которое изменило бы М, приведя его в соответствие с новым значением Мс. В двигателе внутреннего сгорания эту роль выполнит оператор, увеличив подачу топлива; в паровой турбине – специальный регулятор, который увеличит подачу пара. В электрической машине эту роль выполнит ЭДС. Действительно, при возрастании Мс скорость двигателя начнет снижаться, значит уменьшится и ЭДС (полагаем для простоты, что Ф, а также U и R – постоянные). Из (2.5) следует, что:

(2.7)

Следовательно, ток вырастет, обусловив тем самым рост момента в соответствии с (2.3). Двигатель автоматически, без каких-либо внешних воздействий перейдет в новое установившееся состояние. Эти процессы будут иметь место при любых величинах и знаках Мс, т. е. ЭДС будет выполнять функцию регулятора как в двигательном, так и в тормозных режимах работы машины.

2.4.1 Механические характеристики двигателя постоянного тока независимого возбуждения

Режим и параметры электропривода определяют механическая характеристика ω(M) электродвигателя и механическая характеристика ω(Мс) механизма, приведенная к валу электродвигателя.

Различают естественную и искусственные механические характеристики электродвигателей.

Естественная характеристика соответствует основной схеме включения и номинальным (паспортным) параметрам питающего напряжения. Естественная характеристика – единственная для данного двигателя.

Искусственные характеристики определяются схемой включения и параметрами питающего напряжения, отличными от номинальных. Их может быть множество – семейство.

Для получения уравнения механической характеристики необходимо найти зависимость скорости от момента двигателя. Это легко сделать, если учесть, что момент М, развиваемый двигателем, связан с током якоря и магнитным потоком зависимостью (2.3).

Если в (2.5) вместо Е подставим ее значение Е из (2.4), то получим уравнение для скорости двигателя:

(2.8)

Уравнение (2.8) представляет собой зависимость скорости двигателя от тока якоря. Такую зависимость ω=f(I) называют электромеханической характеристикой двигателя.

Рисунок 2.4 – Естественная характеристика и семейство реостатных механических характеристик двигателя постоянного тока независимого возбуждения

Подставив в (2.8) значение тока I, найденное из (2.3), получим выражение для механической характеристики:

(2.9)

Коэффициент k принимается постоянным, не зависящим от нагрузки, если у двигателя с независимым возбуждением имеется компенсационная обмотка. Он может считаться неизменным, если для обычных двигателей пренебречь реакцией якоря.

Механическая характеристика (рис. 2.4) двигателя при неизменных параметрах U, Ф и R представляется прямой линией. Изменяя тот или иной параметр механической характеристики, можно при определенном моменте сопротивления на валу двигателя получать различные скорости двигателя, т. е. регулировать скорость электропривода.

2.5 Основные показатели регулирования угловой скорости электроприводов

Как отмечалось выше, основная функция электропривода состоит в управлении его координатами – скоростью и моментом, т. е. в их принудительном направленном изменении в соответствии с требованиями технологического обслуживаемого процесса.

Очень важный частный случай управления координатами – регулирование скорости или момента, т. е. принудительное изменение этих величин в установившемся режиме в соответствии с требованиями технологического процесса посредством воздействия на механическую характеристику двигателя. Частным случаем регулирования является поддержание одной из координат на требуемом уровне при независимом изменении другой координаты.

Чаще всего регулируемой координатой служит скорость: необходимо изменять скорость транспортного средства в зависимости от условий движения, состояния дороги и т. п., нужно регулировать скорость насоса, чтобы обеспечивать нужный напор в системе водоснабжения, требуется поддерживать на заданном уровне скорость движения жилы кабеля в процессе наложения на нее изоляции и т. п.

Понятие “регулирование скорости”, когда используются разные характеристики (рис. 2.5, а), не следует смешивать с изменением скорости, даже значительным, которое вызывается ростом или снижением нагрузки и происходит в соответствии с формой данной механической характеристики (рис. 2.5, б).

Рисунок 2.5 – Регулирование (а) и изменение (б) скорости

В ряде случаев оказывается необходимым регулирование момента. Оно потребуется, например, если нужно качественно укладывать на катушку проволоку, получаемую с волочильного стана, если при буксировке судна на больших волнах надо не допустить обрыва троса и т. п. Далее мы будем, в основном, рассматривать регулирование скорости.

Поскольку регулирование скорости связано с направленным формированием механических характеристик, выделим одну из возможных характеристик в качестве основной. Обычно в качестве основной характеристики принимают естественную характеристику двигателя, соответствующую номинальным значениям определяющих ее величин (напряжение, частота, магнитный поток и т. п.).

Все другие характеристики, создаваемые в целях регулирования скорости, будем называть искусственными. Они могут формироваться разными способами, отличающимися как по техническим, так и по экономическим показателям, рассматриваемым ниже.

1. Направление регулирования. Искусственные характеристики, могут располагаться только ниже естественной – однозонное регулирование вниз от основной скорости, только выше естественной – однозонное регулирование вверх от основной скорости, как выше, так и ниже естественной – двухзонное регулирование.

2. Диапазон регулирования – отношение максимальной возможной скорости к минимальной

При заданных изменениях момента нагрузки (рис. 2.6). Одинаковым естественным характеристикам и изменениям момента ∆Mс могут соответствовать сильно различающиеся диапазоны регулирования, что связано с жесткостью искусственных характеристик.

Рисунок 2.6 – К определению диапазона регулирования скорости

С жесткостью характеристик связан также еще один показатель – стабильность скорости на искусственных характеристиках. Она может быть низкая (рис. 2.6, а) и высокая (рис. 2.6, б); иногда требуется абсолютно жесткие характеристики (β = ∞), иногда, напротив, нужны очень мягкие характеристики (регулирование момента).

3. Плавность регулирования – возможность получать искусственные характеристики, расположенные как угодно близко друг к другу, – плавное регулирование или, наоборот, возможность иметь лишь несколько фиксированных характеристик – ступенчатое регулирование.

4. Допустимая нагрузка на искусственных характеристиках – очень важный показатель, определяющий надежность электропривода. Рассмотрим здесь лишь длительно допустимую нагрузку, которая определяется допустимым нагревом двигателя.

Допустимая нагрузка на естественной характеристике известна по определению – это номинальный момент двигателя Мн. Для упрощения задачи будем считать, пренебрегая изменением теплоотдачи, допустимым током в силовых целях при любой скорости номинальный ток двигателя Iн. Тогда допустимый момент для принудительно охлаждаемого двигателя:

(2.10)

будет зависеть от магнитного потока двигателя Ф на соответствующей искусственной характеристике. При регулировании с

Грубая оценка (2.10) дает лишь общее представление о допустимых нагрузках и должна уточняться в каждом конкретном случае.

5. Экономичность регулирования оценивается потерями энергии, сопровождающими тот или иной способ регулирования. Иногда экономичность удается грубо оценить, сравнивая полезную мощность с потребляемой из сети Р1, т. е. определяя потери ∆P или вычисляя КПД η в некоторой характерной точке:

(2.11)

Значительно более серьезные и убедительные оценки экономичности регулирования при сравнении различных способов могут основываться на цикловом КПД ηЦ определяемом с учетом конкретных условий работы привода за время цикла tц.

(2.12)

Электромеханическое преобразование энергии в ДПТ осуществляется в результате взаимодействия постоянного магнитного потока статора и переменного во времени, но неподвижного в пространстве тока якоря. Благодаря фиксированному положению щеточного механизма векторы потока Ф и тока якоря Iя сдвинуты на постоянный угол /2, что обеспечивает получение максимального момента М.

Рисунок. 2.7 – Механические (электромеханические) характеристики электропривода постоянного тока независимого возбуждения

Анализ уравнений механической и электромеханической характеристик ДПТ показывает три возможных способа регулирования его скорости и момента:

- введение добавочного резистора Rдоб в цепь якоря;

- изменение напряжения Uя питания якорной цепи;

- изменение магнитного потока Ф путем регулирования тока возбуждения.

В различных по способу возбуждения ДПТ по разному проявляется зависимость магнитного потока от тока якоря Ф(Iя) и соответствующим образом отличаются характеристики (рис. 2.7).

Различают однозонное регулирование вниз от основной скорости, однозонное регулирование вверх от основной скорости и двухзонное регулирование, когда имеется возможность получать характеристики выше и ниже естественной. [10]

Двигатель постоянного тока независимого возбуждения, который используется в имитационной установке, имеет две зоны регулирования (рис. 2.8). Зона I отвечает регулированию с постоянным моментом. Действительно, если регулирование осуществляется изменением сопротивления или напряжения главной цепи при неизменном номинальном магнитном потоке двигателя, то при номинальном токе якоря допустимый момент будет постоянным.

Рисунок 2.8 – Характеристики двух зон регулирования двигателя постоянного тока независимого возбуждения

(2.13)

Мощность на валу двигателя в этой зоне изменяется по линейному закону, так как она пропорциональна угловой скорости:

(2.14)

Зона II отвечает регулированию с постоянной мощностью, когда оно производится изменением магнитного потока двигателя.

В этом случае при неизменном токе якоря, равном номинальному, магнитный поток с увеличением угловой скорости необходимо регулировать по закону гиперболы. Если решить это уравнение относительно магнитного потока, то получим:

(2.15)

Таким образом, становится явной зависимость допустимого момента от угловой скорости в зоне регулирования II, а именно:

(2.16)

Отсюда следует, что мощность в этой зоне регулирования остается постоянной, так как:

(2.17)

2.6 Принципы построения замкнутых систем регулирования электропривода

Требования высокой точности регулирования и высокого быстродействия, которые предъявляются к современному электроприводу, обуславливают применение замкнутых систем. Только замкнутые системы позволяют осуществить реализацию в электроприводе двух основных принципов:

1. Регулируемая величина на выходе электропривода (скорость, угол, момент и т. д.) должна по возможности точней повторять задающий (входной) сигнал.

2. Регулируемая величина на выходе электропривода по возможности не должна зависеть от возмущающих воздействий на электропривод. Такими возмущающими воздействиями могут быть напряжение питания, температура, момент нагрузки, временные зависимости параметров и т. д.

Поэтому основным принципом управления является принцип обратной связи, позволяющий осуществить контроль качества регулирования по отклонению управляемого параметра от заданного. Каждый элемент функциональной схемы электропривода описывается в статике и динамике передаточной функцией.

В электроприводе в основном применяются три структуры построения:

- с промежуточным суммирующим элементом;

- с независимым регулированием параметров;

- с подчиненным регулированием.

Наибольшее применение получили два типа построения замкнутых систем регулирования:

1) с одним общим суммирующим усилителем (рис. 2.9, а);

2) с n последовательными суммирующими усилителями (рис. 2.9, б) – системы подчиненного регулирования с последовательной коррекцией.

Рисунок 2.9 – Структурные схемы замкнутых систем регулирования: а) с общим суммирующим усилителем; б) с n последовательными суммирующими усилителями

Отличительной особенностью систем построенных по типу структурной схемы, приведенной на рис. 2.9, а, является наличие одного суммирующего усилителя (У), на вход которого подается алгебраическая сумма сигнала задающего и всех обратных связей жестких и гибких (суммирование может быть как электрическое, так и магнитное). Выходной сигнал усилителя, таким образом, зависит сразу от нескольких переменных, что делает практически невозможным регулирование какой-то одной переменной независимо от других.

Для разделения действия обратных связей применяют отсечки (блоки нелинейностей БН1, БН2). Но и в этом случае единственный (общий для всех обратных связей) задающий сигнал не определяет заданного значения выбранной для регулирования переменной. Придание системе требуемых динамических свойств при таком построении системы обычно достигается применением сложных корректирующих устройств, включаемых в цепь сигнала управления при малой мощности управления (блок БК1 – последовательная коррекция) или параллельно некоторым блокам системы (параллельная коррекция – гибкая отрицательная обратная связь, блок БК2). При этом нельзя осуществить независимую настройку качества регулирования всех переменных. В целом получить требуемое высокое или оптимальное качество регулирования в таких системах крайне затруднительно, а в ряде случаев и невозможно.

Но несмотря на указанные недостатки, системы, построенные по типу структурной схемы, приведенной на рис. 2.9, а, находили и еще находят широкое применение либо из-за простоты реализации при использовании громоздких электромашинных, силовых магнитных и электронно-ламповых усилителей, либо в случаях, когда не предъявляются жесткие требования к качеству переходных процессов и не требуется раздельное регулирование переменных, либо когда относительно простыми средствами удается достигнуть требуемого качества процессов.

С появлением малогабаритных и относительно дешевых полупроводниковых, в частности интегральных операционных усилителей и тиристорных преобразователей с малой мощностью управления открылась возможность строить системы подчиненного регулирования с последовательной коррекцией, в которых используется n последовательных суммирующих усилителей (рис. 2.9, б). На эти усилители возлагаются функции не только суммирования и усиления сигналов, но и выполнения некоторых других математических операций над сигналами, поэтому суммирующие усилители в этих системах называют регуляторами.

Система подчиненного регулирования (см. рис. 2.9, б) состоит из ряда контуров, число которых равно числу регулируемых переменных (или числу больших постоянных времени системы, подлежащих компенсации), причем каждый внутренний контур регулирования подчинен следующему по порядку внешнему (по отношению к внутреннему) контуру. Эта подчиненность выражается в том, что заданное значение регулируемой переменной любого внутреннего контура определяется выходным сигналом регулятора следующего по порядку контура. В результате все внутренние контуры работают как подчиненные задаче регулирования выходной координаты системы. Каждый контур строится по принципу регулирования по отклонению (по ошибке) и имеет свою обычно жесткую отрицательную обратную связь по регулируемой переменной и свой регулятор (суммирующий усилитель). Для каждого внешнего контура внутренний контур (или несколько внутренних контуров) входит в состав объекта регулирования.

Показанная на рис. 2.9, б структура системы привода постоянного тока с двигателем независимого возбуждения имеет два контура регулирования: первый (внутренний) контур – контур регулирования тока якоря двигателя, содержащий регулятор тока РТ, преобразователь П, якорную цепь двигателя и жесткую отрицательную обратную связь по току якоря с коэффициентом передачи k1; второй (контур внешний, которому подчинен первый контур) – контур регулирования угловой скорости двигателя, содержащий регулятор скорости PC, первый контур, двигатель М и жесткую отрицательную обратную связь по скорости с коэффициентом передачи kω. Задающим сигналом для второго контура является сигнал задания угловой скорости UЗ,C, а для первого — сигнал с выхода регулятора скорости UЗ,Т.

В системе подчиненного регулирования появляется возможность раздельного регулирования переменных и раздельной настройки контуров (начиная с первого, самого внутреннего контура) и коррекции переходных процессов в каждом контуре, что существенно упрощает как расчетную работу, так и техническую реализацию коррекции и практическую (в наладке) настройку системы.

2.7 Электромеханическая система имитатора ВТ на базе электропривода постоянного тока

Экспериментальный стенд имитатора ветротурбины представляет собой автоматизированный электропривод постоянного тока. Структурная схема автоматизированного электропривода постоянного тока представлена на рис. 2.10, который состоит из: трансформатора (Тр), питающегося от сети, трехфазного мостового управляемого выпрямителя (УВ), сглаживающего фильтра (Ф), электродвигателя (ЭД), датчика тока (ДТ), датчика скорости (ДС), системы управления (СУ) и нагрузкой. Нагрузкой является система электрооборудования ВЭУ (ЭО ВЭУ). УВ создает на валу ЭД механический момент подобный механическому моменту реальной ветротурбины согласно (2.9); а СУ, на основе текущего состояния системы, вычисляет момент задания Мз и осуществляет управление УВ имитатора с целью реализации этого задания.

Данная схема построена по системе подчиненного регулирования.

Рисунок 2.10 – Структурная схема автоматизированного электропривода постоянного тока имитатора ВТ

Благодаря ортогональности двух моментообразующих составляющих – тока якоря и магнитного потока, управление ДПТ однозначно и просто реализуемо: два независимых регулятора в цепи якоря и в цепи возбуждения. Наиболее эффективны для этой цепи силовые полупроводниковые преобразователи (СПП) – тиристорные выпрямители.

Именно простотой процесса управления и наличием технических средств управления (электромеханические, ионные, а затем полупроводниковые преобразователи) обусловлено преимущественное применение регулируемых электроприводов постоянного тока. При том, что ДПТ из-за наличия коллектора и щеточного узла значительно дороже и сложнее в эксплуатации, чем двигатели переменного тока.

Основной схемой преобразования в электроприводе является трехфазная мостовая (обоснование выбора такой схемы описано в разделе 3).

Преимущества УП, выполненных таким образом, – отсутствие вращающихся машин, не требуют обслуживания, имеют высокое быстродействие. Недостатки – низкий коэффициент мощности сosα ≈ cosφ, искажение напряжения питающей сети, трудно компенсируемое при значительных мощностях, необходимость в двух комплектах вентилей для работы в четырех квадрантах, необходимость в сглаживающих и уравнительных реакторах, утяжеляющих конструкцию. [9]

Система тиристорный преобразователь-двигатель (система ТП-Д) является штатным техническим решением практически везде, где используется электропривод постоянного тока. Схема электрическая принципиальная системы тиристорный преобразователь - ДПТ независимого возбуждения представлена на рис. 2.11. Для питания цепи обмотки возбуждения ДПТ применяется однофазный мостовой выпрямитель, выполненный на диодах.

Рисунок 2.11 – Схема электрическая принципиальная системы управляемый выпрямитель – двигатель постоянного тока независимого возбуждения

2.7.1 Электромагнитные процессы в СПП электропривода имитатора ветротурбины

При рассмотрении механических характеристик предполагалось, что преобразователь всегда работает в режиме непрерывного выпрямленного тока (тока якорной цепи) – диаграмма тока на рис. 2.12, а. Фактически же при малых моментах нагрузки на валу двигателя в кривой выпрямленного тока i появляются разрывы и ток становится прерывистым (рис, 2.12, в). Рисунок 2.12, б относится к граничному случаю.

Рисунок 2.12 – Диаграммы выпрямленного напряжения и тока при различных режимах: а) – непрерывный; б) – граничный; в) – прерывистый

Цепь выпрямленного тока содержит активные сопротивления Rя (якорной цепи двигателя и сглаживающего дросселя) и Rtp (трансформатора), а также соответствующие индуктивности Lя и Lтр. Пренебрежем для. простоты значениями Rтр и Lтр. Тогда кривая мгновенных значение выпрямленного напряжения Ud на выходе преобразователя будет определяться отрезками синусоид фазовых ЭДС трансформатора (рис. 2.12, а в), т. е. Ud = ed.

При указанных допущениях на участке работы одного вентиля преобразователя для цепи выпрямленного тока справедливо следующее уравнение электрического равновесия:

(2.18)

где Е – ЭДС якоря, которую за время работы одного вентиля можно считать постоянной;

– скорость изменения мгновенного значения выпрямленного тока;

– ЭДС самоиндукции, наводимая в обмотках якоря двигателя и сглаживающего дросселя.

В соответствии с уравнением (2.18) на рис. 2.12, а – в построены диаграммы изменения во времени тока и напряжений силовой цепи преобразователь — двигатель.

В режиме непрерывного тока (рис. 2.12, а) после открывания очередного вентиля он воспринимает весь ток нагрузки (Iнач, поскольку ed > Е). Далее ток I возрастает до тех нор, пока ed станет больше суммы . При этом

А ЭДС самоиндукции направлена навстречу току и определяется согласно уравнению (2.18) как:

(2.19)

По мере уменьшения разницы между ed и Е скорость возрастания тока и ЭДС самоиндукции уменьшаются и становятся равными нулю в точке а, в которой . Начиная с этой точки , а затем и . Следовательно, после точки а ток I будет уменьшаться и , но при этом ЭДС самоиндукции изменит свой знак и, складываясь с ed, обеспечит протекание тока в прежнем направлении, поскольку . При больших значениях момента нагрузки на валу двигателя, т. е. при больших средних значениях I выпрямленного тока, электромагнитной энергии, запасенной в индуктивности Lя при , оказывается достаточно для того, чтобы при отдаче этой энергии на участке сохранить к концу интервала проводимости вентиля 2π/q*m значение тока i = iнач. Затем вступит в работу следующий вентиль и т. д.

С уменьшением нагрузки двигателя угловая скорость его и ЭДС Е возрастают, а средний ток I и значение iнач уменьшаются. Наконец, при токе I = Iгр наступает такой режим, когда длительность протекания тока через вентиль по-прежнему остается равной 2π/q*m; но в начале и в конце интервала проводимости i = 0. Такой режим называется граничный (рис. 2.12, б).

В режиме непрерывного тока среднее значение выпрямленной ЭДС Еп определяется при α = const выражением:

(2.20)

Дальнейшее уменьшение нагрузки на валу двигателя приводит к тому, что скорость и ЭДС Е двигателя при том же значении α еще более возрастают, а ток I становится меньше Iгр. В этом случае электромагнитной энергии, запасаемой в индуктивности Lя при , будет недостаточно для поддержания тока в течение всего интервала 2π/q*m, и ток i принимает нулевое значение раньше, чем откроется очередной вентиль (рис. 2.12, в). Ток становится прерывистым. В этом режиме в течение промежутка 2π/q*m–λ ток равен нулю. При этом напряжение на выходе преобразователя равно ЭДС двигателя Е, а вращение двигателя поддерживается за счет энергии, запасенной в движущихся массах привода.

Влияние режима прерывистого тока сводится к увеличению среднего значения выпрямленного напряжения на нагрузке по сравнению с режимом непрерывного тока. При уменьшении тока нагрузки ЭДС двигателя стремится к максимальному значению выпрямленной ЭДС edmax, которая зависит от угла регулирования α. В режиме прерывистого тока двигатель ведет себя как конденсатор, запасая энергию на участках, где протекает ток, и расходуя ее, когда ток равен нулю.

Ширина зоны прерывистых токов, т. е. значение Iгр, зависит от суммарной индуктивности цепи выпрямленного тока Lя + Lтр и угла α:

(2.21)

Обычно благодаря наличию сглаживающего дросселя зона прерывистых токов, особенно для многофазных схем выпрямления, достаточно мала. В большинстве случаев значение Iгр max при α = 90o меньше, чем минимальный ток Imin эксплуатационной нагрузки двигателя.

3 РАСЧЕТ СИЛОВОГО БЛОКА ИМИТАТОРА ВТ

Необходимо спроектировать выпрямитель для обеспечения управления двигателем постоянного тока типа П42 с током не более номинального тока якоря и обеспечить длительную работу с номинальным моментом (током) при номинальной скорости вращения с постоянным потоком возбуждения. Параметры двигателя: Рн = 7400 кВт, Uян = 257 В, nн = 3000 об/мин. Допустимые пульсации тока якоря не более 7 % Idн. Обмотка возбуждения UB = 220 В. Требуется определить параметры сетевого трансформатора, параметры вентилей выпрямителей якорной цепи и обмотки возбуждения, параметры сглаживающих дросселей выпрямителей.

Проектирование нового выпрямителя содержит два качественно различных этапа.

1. Этап структурного синтеза, на котором определяется структура (принципиальная схема) выпрямителя.

2. Этап параметрического синтеза, на котором рассчитываются параметры элементов выбранной структуры (принципиальной схемы) выпрямителя. [13]

3.1 Выбор схемы выпрямителя (этап структурного синтеза)

Формальных (математических) методов синтеза структур вентильных преобразователей по требованию задания пока в силовой электронике практически нет, хотя исследования в этом направлении проводятся. Поэтому процедура синтеза схемы выпрямителя сводится к процедуре ее выбора из множества известных на основании знания их свойств. Таким образом, необходима база данных по схемам выпрямителей. В тех случаях, когда не удается выбрать подходящую схему выпрямителя из числа известных, потребуется или изобретение новой схемы, или корректировка задания на проектирование выпрямителя.

На рис. 3.1 дан пример алгоритма выбора схемы выпрямителя исходя из трех заданных параметров выхода выпрямителя (Pd0, Ud0, Id) с учетом в векторе свойств схемы только двух компонентов: использования типовой мощности трансформатора и использования вентилей по обратному напряжению.

Рисунок 3.1 – Алгоритм выбора схемы выпрямителя

В соответствии с заданием на проектирование и алгоритмом выбора схемы выпрямителя по рис. 3.1 наш выпрямитель должен быть трехфазным (Pd0 = 7400 кВт) и двухполупериодным (мостовая схема), так как требуется достаточно высокое выпрямленное напряжение. Выпрямитель обмотки возбуждения также трехфазный, но в связи с невысоким значением выпрямленного напряжения может быть выполнен по однополупериодной схеме. Поскольку коэффициенты преобразования по напряжению выбранных схем выпрямителей различаются в два раза и их требуемые выпрямленные напряжения также различаются в два раза, возможен вариант питания обеих схем от одной системы вторичных обмоток трансформатора.

3.2 Расчет параметров элементов схемы управляемого выпрямителя (этап параметрического синтеза)

На рис. 3.2 представлена упрощенная схема трехфазного мостового управляемого выпрямителя для расчета параметров основных элементов.

Рисунок 3.2 – Упрощенная схема трехфазного управляемого выпрямителя

Напряжение питающей сети по стандарту на качество электрической энергии может максимально отклоняться от номинала до ±10%. Поэтому необходимо обеспечить номинальное выпрямленное напряжение и при минимально возможном напряжении сети, при этом угол регулирования α в выпрямителе рационально иметь равным нулю. Тогда, учитывая, что Uя.н. = Ud0, имеем:

(3.1)

полагая, что обмотки трансформатора будут соединены по схеме звезда звезда и коэффициент трансформации входного трансформатора:

(3.2)

Среднее значение анодного тока вентиля:

(3.3)

Действующее значение анодного тока вентиля:

(3.4)

Выбираем тиристор по среднему значению анодного тока с учетом того, что здесь коэффициент амплитуды Ка=2, а рабочее обратное напряжение должно выбираться по формуле:

(3.5)

где – расчетное обратное напряжение, равное амплитуде линейной Э.Д.С. трансформатора при максимальном напряжении питающей сети;

ККП=1,4 – коэффициент, учитывающий наличие коммутационных перенапряжений;

КЗ=1,1 – коэффициент запаса;

Кр=0,8 – коэффициент рекомендуемого соотношения между рабочим и допустимым повторяющимся напряжением на вентиле.

Это тиристор Т132-50, имеющий следующие параметры: динамическое сопротивление в открытом состоянии – Rдин = 4,6 мОм, пороговое напряжение – U0 = 1,03 В, максимально допустимая температура перехода – Тjm =125 оС. [15] Действующее значение вторичного тока трансформатора:

(3.6)

Действующее значение первичного тока трансформатора:

(3.7)

Расчетная мощность обмоток трансформатора:

(3.8)

По справочным данным выбираем трансформатор типа ТСЗ-10/0,38. который имеет следующие параметры:

- номинальная мощность S = 10 кВА;

- номинальная частота f = 50 Гц;

- потери холостого хода Рх.х. = 650 Вт;

-потери короткого замыкания Рк.з. = 250 Вт;

- ток холостого хода Iх.х. = 7,5%;

- напряжение короткого замыкания Uк.з = 3,5%.

Через эти параметры трансформатора определим нужные нам параметры элементов Т-образной схемы замещения трансформатора.

Модуль полного сопротивления короткого замыкания трансформатора:

(3.9)

Активное сопротивление обмоток трансформатора, приведенное к первичной стороне:

(3.10)

Реактивное сопротивление рассеивания обмоток трансформатора, приведенное к первичной стороне:

(3.11)

Тогда то же сопротивление, приведенное ко вторичным обмоткам трансформатора и называемое уже анодным сопротивлением Ха, будет равно:

(3.12)

(2.13)

3.2.1 Проверка вентилей по тепловому режиму

Проверяем тепловой режим выбранного вентиля по усредненной температуре полупроводниковой структуры:

(3.14)

где – температура полупроводниковой структуры в стационарном режиме, оС;

– температура окружающей среды, 40 оС;

– тепловое сопротивление прибора и охладителя для выбранных условий охлаждения, оС/Вт;

– мощность потерь в вентиле, Вт;

– максимально допустимая температура полупроводниковой структуры выбранного вентиля, оС.

Определим потери в вентиле:

(3.15)

где U0 =1,03 – пороговое напряжение вентиля, В;

Iа = 13,26 – среднее значение анодного тока вентиля, А;

Кф = – коэффициент формы анодного тока вентиля;

Rд = 4.6*10-3 – дифференциальное сопротивление вентиля, Ом.

Охладитель выбираем типа О231-80, у которого тепловое сопротивление равно

= 0,2 оС/Вт

Тепловое сопротивление вентиля и охладителя с естественным охлаждением определяется таким образом:

r т = r1 + r2 + r3, (3.16)

где r1 – тепловое сопротивление переход-корпус прибора, °С/Вт;

r2 – тепловое сопротивление корпус прибора – контактная поверхность охладителя, °С/Вт;

r3 – тепловое сопротивление охладитель – окружающая среда, °С/Вт.

Общее тепловое сопротивление равно:

rт = 0,5+0,2+0,85=1,55 °C/Вт (3.17)

Тогда температура структуры в стационарном режиме:

Qст = 40 + 1,55 ·16,35 = 65 °C (3.18)

Максимально допустимая температура структуры приведена в справочнике и составляет = 125 °C. Таким образом, сравнивая расчетную и взятую со справочника температуру приходим к выводу, что тепловой режим вентиля нам подходит.

3.2.2 Ограничение коммутационных перенапряжений

При выключении силовых диодов и тиристоров из-за обрыва обратного тока на индуктивности коммутационного контура возникает ЭДС, которая суммируется с коммутирующей ЭДС. Эта ЭДС обычно называется коммутационным перенапряжением. Для ограничения перенапряжения применяются защитные RC – цепочки, включаемые параллельно полупроводниковым приборам.

Для расчета защитной цепочки необходимо знать амплитуду обратного тока защищаемого вентиля и индуктивность контура коммутации, которая в основном определяется реактивной составляющей сопротивления КЗ анодного трансформатора:

(3.19)

Амплитуда обратного тока вентиля зависит от величины наполненного заряда и скорости уменьшения анодного тока, которая может быть вычислена по формуле:

(3.20)

где – скорость изменения анодного тока;

– амплитуда коммутирующей ЭДС;

Lk – индуктивность коммутационного тока вентиля.

Для найденного значения скорости изменения анодного тока по зависимостях, приведенных в справочнике, определяем величины заряда и времени обратного восстановления.

Заряд обратного восстановления:

Страницы: 1, 2, 3, 4