Раздел 2. Электропривод на базе коллекторных двигателей постоянного тока (КДПТ) (стр. 10 )

- двусторонняя проводимость генератора, т. е. естественная возможность работы во всех четырех квадрантах;

- отсутствие искажений питающей сети;

- высокий коэффициент мощности.

- регулирование скорости вращения двигателя в широких пределах производится управлением сравнительно небольшой мощности, в 50-100 раз меньшей, чем на выходе генератора;

- способ регулирования позволяет реализовать динамическое и генераторное торможение двигателя, а также осуществить реверс (путем изменения направления тока в ОВ генератора).

Недостатки:

- большая масса, габаритные размеры и стоимость [34];

- невысокий КПД системы (трехкратное преобразование энергии): примерно 0,6 ...0,7 [34];

- необходимость обслуживать генератор;

- инерционность цепи управления.

Область применения

Данный вариант не применяли в электроприводах малой мощности [16], обычно применялся при значительных мощностях (сотни кВт и выше), например, в металлургии, мощных экскаваторах [40].

В настоящее время применяется ограниченно.

2) Электрический способ, при котором изменение напряжения питания ДПТ осуществляется с помощью управляемого статического преобразователя (система УП-Д, рис.32).

Рис.37. Система УП-Д [40]

2.1) Использование в качестве УП управляемого выпрямителя (УВ) (рис.38).

Тиристоры УВ включаются схемой управления с задержкой на угол α по отношению к моменту естественного включения.

Достоинства:

- отсутствие вращающихся машин;

- высокий КПД, за счет низкого падения напряжения в тиристорах [43];

- не требуют обслуживания;

- имеют высокое быстродействие.

Рис.38. Управление ДПТ с использованием нереверсивного УВ [34]

Недостатки: - низкий коэффициент мощности при пониженном напряжении cos φ » cos α [40]. - повышенные пульсации напряжения и, как следствие, пульсации тока [34]. Это ухудшает коммутацию, увеличивает потери мощности, искажает напряжение питающей сети, что трудно скомпенсировать при значительных мощностях, приводит к повышенному уровню излучаемых радиопомех. Это приводит к необходимости в сглаживающих и уравнительных реакторах, утяжеляющих конструкцию [40]. Особенно велики пульсации при питании от однофазной сети. Система применима при наличии источника переменного тока [16].

Рис. 39. Управление ДПТ с использованием нереверсивного УВ [43]

При необходимости работы ДПТ во всех четырех квадрантах меха­нической характеристики, в частности, если требуется быстрая остановка механизма с последующим реверсированием и рекуперативное торможение, применяются реверсивные схемы ТП, которые факти­чески состоят из двух нереверсивных ТП (рис.39), поэтому их часто называют двухкомплектными ТП [43].

2.2) Использование в качестве УП импульсного регулятора напряжения ИРН (рис.40).

Рис. 40. Вариант схемы и диаграммы при импульсном управлении ДПТ [34]

Сущность управления заключается в импульсном управлении силовым полупроводниковым ключом, периодически подключающим двигатель Д к источнику постоянного тока. В зависимости от схемы ИРН, к двигателю прикладываются однополярные или разнополярные прямоугольные импульсы с неизменной амплитудой напряжения. Изменение напряжения производится за счет изменения скважности τ/Т: отношения времени, в течение которого к двигателю подводится напряжение, к времени, в течение которого напряжение не подводится или подводится напряжение обратной полярности. При приложении, например, однополярных импульсов напряжения, во время действия импульса двигатель разгоняется до некоторой угловой скорости, а во время паузы – тормозится. В результате вал двигателя вращается с некоторой средней угловой скоростью, зависящей от соотношения времени импульса и паузы, и совершает колебания относительно этой средней угловой скорости. Чем выше частота переключений, тем меньше колебания скорости.

Рис. 41 Еще один вариант схемы при импульсном управлении ДПТ

Частоты следования импульсов при номинальном режиме обычно составляет 200...400 Гц, вследствие чего период Т примерно на два порядка меньше постоянной времени цепи якоря. Поэтому за время импульса ток в двигателе не успевает значительно возрасти, а за время паузы - уменьшиться. Если параметры схемы выбраны так, что пульсация тока не превосходит 5... 10%, то работа двигателя обычно удовлетворительна [34].

Способы регулирования скважности τ/Т [43]:

1) При T=const (f=const) и регулировании времени включения ключа τ. Такой способ называется широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), а ИРН - широтно-импульсным преобразователем (ШИП).

2) При τ=const и регулировании частоты импульсов f (периода Т). ИРН в этом случае называют частотно-импульсным преобразователем (ЧИП).

3) При изменении как частоты импульсов, так и продолжительности замкнутого состояния ключа. ИРН называт в этом случае широтно-частотный импульсный преобразователь (ШЧИП).

Наибольшее распространение в технике электропривода получило широтно-импульсное регулирование скорости вращения.

Режим прерывистых токов

а)

При уменьшении момента сопротивления на валу двигателя (среднего тока) и малых значениях индуктивности якорной цепи (быстром изменении тока) мгновенные значения тока якоря I могут достигать нулевого значения (рис.42а) [43]. На рис.42б область слева от пунктирной линии соответствует режиму прерывистых токов, а область справа от нее - режиму непрерывных токов (здесь g – скважность τ/Т). При прерывистых токах скорость идеального холостого хода для всех значений скважности будет одинаковой [43]. Действительно при Мс=0 при периодическом подключении двигателя к сети его ротор будет разгоняться с появлением каждого импульса напряжения, а при отсутствии тока скорость будет оставаться неизменной (отсутствует торможение). Разгон будет производиться до значения W0=U/c0Ф [43].

б) Рис. 42. Прерывистый ток и механические (электромеханические) характеристики ДПТ при управлении с помощью ИРН [42].

Для сужения области прерывистых токов можно увеличивать частоту коммутации (в современных электроприводах частота коммутации может достигать 18 кГц), или вводить добавочную индуктивность в якорную цепь (для увеличения запаса электромагнитной энергии в якоре двигателя) [43].

2.16.4. Комбинированный способ (двухзонное регулирование)

Цель: расширение диапазона регулирования: до 20-30.

Рис.43. Двухзонное регулирование [46]

Заключается в следующем. При угловых скоростях меньше номинальной регулирование производится путем изменения напряжения с постоянным моментом. Магнитный поток при этом остается постоянный (равным номинальному, т. е. максимальному значению). При угловых скоростях выше номинальной регулирование производится путем изменения магнитного потока в условиях постоянства мощности. Напряжение питания при этом остается постоянным (равным номинальному, т. е. максимальному значению). В случае, если и в зоне управления потоком производить регулирование при постоянном моменте, это приведет к работе двигателя при токах, превышающих номинальное значение. Это недопустимо в длительном режиме.

Стоит заметить, что применение такого комбинированного способа требует дополнительного оборудования и усложняет управление двигателем.

2.17. Управление ДПТ в замкнутых системах

2.17.1. Стабилизация скорости вращения ДПТ

Рис.44 Схема ЭП замкнутого по скорости [40]

Рис.45. Характеристики замкнутого по скорости ЭП постоянного тока [40]

При изменении момента нагрузки ДПТ степень изменения скорости зависит от жесткости механической характеристики.

Если для качественной работы приводимого в движение агрегата требуется поддерживать скорость постоянной (а жесткость характеристик в разомкнутой системе УП-Д оказывается недостаточной), применяют замкнутые системы по скорости, т. е. вводят отрицательную обратную связь по скорости [40].

Для этого необходимо включить в систему измерительный орган (датчик скорости), в качестве которого на рис.44 приведен тахогенератор ТГ. Сигнал с выхода тахогенератора ЕТГ=kw сравнивается с задающим сигналом U’з (соответствующим заданной скорости), а разность U’з - kw подается на вход управляемого преобразователя УП (отрицательная обратная связь по скорости). Исходя из сигнала рассогласования Uвх=U’з - kw формируется сигнал управления УП и на выходе УП (входе ДПТ) формируется требуемое напряжение Еп [40].