Дементьев Ю.Н., Чернышев А.Ю., Чернышев И.А. Автоматизированный электропривод (учебное пособие)

Подождите немного. Документ загружается.

мально возможное значение. Это обеспечивает высокий КПД преобра-

зователей электрической энергии.

В процессе переключения из закрытого состояния полупроводни-

кового прибора в открытое и наоборот напряжение и ток изменяются по

линии нагрузки постоянного тока. Произведение тока и напряжения

значительно возрастают. Поэтому важно, чтобы эти переключения про-

текали за минимально возможное время. Это условие удалось реализо-

вать в настоящее время в двух типах полупроводниковых приборов с

внутренней положительной обратной связью, ускоряющей процессы

переключения полупроводников –IGBT-транзисторах или биполярных

транзисторах с изолированным затвором и тиристорах.

4.3.1. Система тиристорный преобразователь-двигатель

В автоматизированных электроприводах с широким диапазоном

регулирования скорости система тиристорный преобразователь-

двигатель постоянного тока является в настоящее время преобладаю-

щей. На рис. 4.4 приведены схемы электропривода с тиристорными пре-

образователями, собранными по трехфазной нулевой схеме выпрямле-

ния.

Рис. 4.4. Схемы электроприводов с тиристорными преобразователями.

а) трехфазный нулевой нереверсивный преобразователь;

б) трехфазный нулевой реверсивный преобразователь

Применяемые в преобразователях тиристоры – полууправляемые

полупроводниковые приборы. Они включаются по цепи управляемого

)а

1TV

3...1 VSVS





1TV

1VS



)б



3VS

5VS

2VS

4VS

6VS

электрода положительным импульсом управления, а выключаются то-

гда, когда анодный ток тиристора

I спадает ниже тока удержания

а.уд

(см. рис. 4.3).

Управляющие импульсы подаются на тиристоры поочередно в мо-

менты времени, зависящие от напряжения управления тиристорным

преобразователем. Изменяя напряжение управления можно менять угол

открытия тиристоров и, следовательно, регулировать действующее

выпрямленное напряжение на нагрузке. Диаграммы напряжений на вы-

ходе нереверсивного нулевого тиристорного преобразователя приведе-

ны на рис. 4.5.

Рис. 4.5. Диаграммы напряжений на выходе нулевого тиристорного

преобразователя в выпрямительном режиме

Тиристорный преобразователь работает в выпрямительном режиме

при угле управления

град

эл.



. В пределах угла перекрытия

два тиристора нулевой схемы выпрямления будут открыты одновре-

менно и подключены к одной нагрузке – якорю двигателя. Мгновенное

значение выпрямленного напряжения при этом снижается на полураз-

ность мгновенных значений фазных напряжений. Как следует из рис.

4.5 тиристоры открыты и при отрицательных фазных напряжениях вто-

ричной обмотки трансформатора

. Это возможно только в том слу-

чае, когда в цепи выпрямленного тока большая индуктивность и ток в

цепи обмотки якоря поддерживается за счет ЭДС самоиндукции. При

малой индуктивности якорной цепи двигателя тиристоры при отрица-

тельных напряжениях на вторичной обмотке трансформатора

за-

крываются, а ток в якорной цепи прерывается. Для уменьшения зоны

прерывистого тока в якорную цепь электродвигателя включают допол-

нительную индуктивность

При активной нагрузке на валу двигателя тиристорный преобразо-

ватель может перейти в инверторный режим работы. Перевод преобра-

зователя из выпрямительного режима работы в инверторный происхо-

дит при увеличении угла управления

свыше

град

эл.

. В инвертор-

ном режиме работы преобразователя с трехфазной нулевой схемой вы-

прямления электрическая машина постоянного тока становится генера-

тором, а тиристоры открываются при отрицательных значениях напря-

жения вторичной обмотки трансформатора

. При работе тиристор-

ного преобразователя, как в выпрямительном, так и в инверторном ре-

жимах ток через тиристоры протекает только в одном направлении.

Диаграммы напряжений на выходе нереверсивного нулевого тири-

сторного преобразователя при его работе в инверторном режиме приве-

дены на рис. 4.6.

Рис. 4.6. Диаграммы напряжений на выходе нереверсивного

нулевого тиристорного преобразователя при его работе в ин-

верторном режиме

Среднее напряжение тиристорного преобразователя в режиме не-

прерывного тока может быть найдено из уравнения:

птп0тп

-αcos RIEU  , (4.2)

где

тп0

E – ЭДС тиристорного преобразователя, зависящая от схемы

выпрямления;

R – эквивалентное активное сопротивление тиристорно-

го преобразователя

Электромеханическая и механическая характеристики электро-

привода тиристорный преобразователь-двигатель, в режиме непрерыв-

ного тока определяются выражениями:

пдв

тп

ФФ

αcos











, (4.3)

 

пдв

тп

αcos











. (4.4)

Электромеханические характеристики нереверсивного электропри-

вода, выполненного по схеме тиристорный преобразователь двигатель,

приведены на рис. 4.7.

Характеристики расположены в первом и четвертом квадрантах

правой декартовой системы координат, когда ток через двигатель про-

текает только в одном направлении. В четвертом квадранте электропри-

вод работает за счет спускающегося груза при активной нагрузке на ва-

лу электродвигателя и инверторном режиме работы тиристорного пре-

образователя.

Пунктирной линией на рис. 4.7.ограничена зона прерывистого тока.

В зоне прерывистого тока тиристорный преобразователь как бы облада-

ет дополнительным внутренним сопротивлением, которое в значитель-

ной степени уменьшает жесткость электромеханических характеристик.

Рис. 4.7. Электромеханические характеристики нереверсив-

ного электропривода, выполненного по схеме тиристорный

преобразователь – двигатель

Для того чтобы выполнить тиристорный электропривод реверсив-

ным, работающим в четырех квадрантах, необходимо использовать две

группы тиристоров, включив их встречно параллельно. Схема ревер-

сивного электропривода с нулевым тиристорным преобразователем на-

пряжения приведена на рис. 4.4,б. Группы тиристоров работают в со-

вместном согласованном режиме, причем тиристоры

, об-

разуют одну группу, работающую в выпрямительном режиме, а тири-

сторы

– другую группу, работающую в противополож-

ном режиме, инверторном, причем

παα





, (4.5)

где

α – угол управления группы тиристоров, работающих в выпрями-

тельном режиме;

α – угол управления группы тиристоров, работающих

в инверторном режиме.

Для другого направления вращения режимы работ групп тиристо-

ров меняются, но условие (4.5) продолжает выполняться.

Мгновенные значения ЭДС выпрямительной и инверторной групп

не равны между собой. Для уменьшения уравнительных токов, проте-

0α 

α 

α

кающих между группами тиристоров, в электропривод введены реакто-

ры

Электромеханические характеристики реверсивного электроприво-

да тиристорный преобразователь-двигатель с совместным согласован-

ным управлением группами тиристоров приведены рис. 4.8.

Рис. 4.8. Электромеханические характеристики реверсивного

электропривода тиристорный преобразователь-двигатель с

совместным согласованным управлением группами тиристоров

На практике применяются и другие схемы тиристорных преобразо-

вателей, например, с бестрансформаторной мостовой схемой выпрямле-

ния рис 4.9. В этом случае тиристорные преобразователи получают пи-

тание через воздушные реакторы

...

. Сетевые реакторы

...

уменьшают возможные искажения в питающей сети, создаваемые тири-

сторными преобразователями и ограничивают скорость нарастания тока

через открывающиеся тиристоры (эффект dtdI ), а также ограничивают

ток короткого замыкания в преобразователе на время срабатывания ме-

ханических автоматов (на схеме не показаны).

Нереверсивный вариант схемы, содержащий только одну группу

тиристоров

...

, приведен на рис. 4.9,а. Реверсивный вариант схе-

мы с двумя мостовыми тиристорными преобразователями

...

, включенными встречно параллельно приведен на рис. 4.9,б.

В данной схеме работает всегда только одна группа тиристоров, напри-

мер

...

, другая группа –

...

закрыта или наоборот. При

подаче отпирающих импульсов на обе группы тиристоров произойдет

короткое замыкание. Такое управление группами тиристоров называет-

ся раздельным управлением. Выбор для работы той или иной группы

тиристоров зависит от необходимого направления вращения двигателя.

За переключением групп тиристоров следит логическое переключающее

устройство, которое разрешает включение последующей группы только



15α

min1





165α

max1





165α

max2





15α

min2



после выключения предыдущей, по истечении некоторого времени, свя-

занного с полным закрытием тиристоров в группе выходящей из рабо-

ты.

Рис. 4.9. Схемы электроприводов с тиристорными преобразователями.

а) трехфазный мостовой нереверсивный преобразователь;

б) трехфазный мостовой реверсивный преобразователь

Электромеханические характеристики нереверсивного электропри-

вода с мостовым выпрямителем аналогичны характеристикам, приве-

денным на рис. 4.7, однако в случае применения мостового преобразо-

вателя зона прерывистых токов уменьшается.

Электромеханические характеристики реверсивного электроприво-

да с мостовым выпрямителем и раздельным управлением группами ти-

ристоров приведены на рис. 4.10.

Рис. 4.10. Электромеханические

характеристики реверсивного

электропривода с мостовым вы-

прямителем и раздельным управ-

лением группами тиристоров

3...1 LL



6...1 VSVS







)а



3...1 LL



6...1 VSVS







12...7 VSVS

б)

max1

max2

min2

min1



Системы тиристорный преобразователь-двигатель позволили:

 расширить диапазон регулирования скорости в замкнутых

системах до

10000



;

 обеспечить плавное регулирование скорости 1

пл





;

 получить необходимую жесткость механических характери-

стик







k ;

 обеспечить высокий КПД



Одним из основных недостатков электропривода с тиристорными

преобразователями является низкий коэффициента мощности. Можно

приближенно считать, что

cos





Таким образом, если электропривод будет продолжительное время

работать с низкими скоростями, то он будет работать и с низким коэф-

фициентом мощности.

Мощные тиристорные преобразователи вносят искажения в форму

напряжения питающей сети.

Несмотря на отмеченные недостатки системы тиристорный преоб-

разователь-двигатель получили наибольшее распространение в конце

ХХ века среди автоматизированных электроприводов с большим диапа-

зоном регулирования скорости. В настоящее время они преобладают в

промышленных установках.

4.3.2. Электроприводы постоянного тока с транзисторными преоб-

разователями

Наиболее эффективные способы регулирования скорости двигателя

постоянного тока связаны с изменением напряжения его обмотки якоря.

При питании обмотки якоря от источника постоянного напряжения

транзисторные преобразователи, в связи с их полной управляемостью,

получили наибольшее распространение. Современную элементную базу

в преобразователях постоянного напряжения в регулируемое постоян-

ное составляют в настоящее время силовые транзисторы:

 MOSFET (униполярный транзистор с индуцированным кана-

лом);

 IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором).

Такие транзисторы выпускаются на токи до 1000 А, напряжения

до 1500 В и способны работать в ключевом режиме на частотах до 30

кГц. Кроме того, для работы в цепях с индуктивностями транзисторы

снабжены антипараллельными высокочастотными диодами.

Схема электропривода постоянного тока с транзисторным им-

пульсным регулированием напряжения обмотки якоря приведена на

рис. 4.11.

Рис. 4.11. Схемы электропривода постоянного тока с

транзисторным преобразователем

В этой схеме обмотка якоря двигателя

периодически подключа-

ется транзисторным ключом

к источнику постоянного напряжения

U , которое, как правило, получается выпрямлением переменного на-

пряжения питающей сети с помощью неуправляемого выпрямителя.

Электролитический конденсатор

большой емкости сглаживает пуль-

сации выпрямленного напряжения

U .

При открытом транзисторе

ток по цепи обмотки якоря двига-

теля

протекает от источника постоянного напряжения

U . При за-

крытом транзисторе

ток в цепи обмотки якоря двигателя мгновенно

измениться не может, а поддерживается за счет ЭДС самоиндукции, за-

мыкаясь через диод

(рис. 4.12). При высокой частоте переключе-

ния транзистора

колебания тока в якорной цепи невелики. Совре-

менные транзисторы способны работать без допустимого перегрева при

частотах 5 – 20 кГц и более.

В подавляющем типе электроприводов для управления транзисто-

ром

используется широтно-импульсный способ модуляции. В связи

с этим транзисторный ключ

со схемой управления получил назва-

ние широтно-импульсный преобразователь (ШИП). При широтно-

импульсном управлении частота

следования импульсов напряжения

на обмотку якоря двигателя остается постоянной, изменяется только

длительность импульса

t . Как показано на рис. 4.12 среднее напряже-

ние

ср

U , прикладываемое к обмотке якоря, зависит от длительности

импульса

t и определяется выражением:

пср





UU , (4.6)

где

U – постоянное напряжение;

– относительная продолжитель-

ность включения транзисторного ключа





1VT

2VD



1VD







дт

2VT

Относительная продолжительность включения транзисторного

ключа

может изменяться в пределах

0,95



Рис. 4.12. Диаграммы напряжений и токов двигателя при

широтно-импульсной модуляции

Электромеханическая и механическая характеристики электро-

привода с транзисторным широтно-импульсным преобразователем, в

режиме непрерывного тока описываются уравнениями:

пдв

ФФ











, (4.7)

 

пдв











. (4.8)

Электромеханические характеристики нереверсивного электропри-

вода, выполненного по схеме широтно-импульсный преобразователь-

двигатель, приведены на рис. 4.13.

Рис. 4.13. Электромеханические характеристики нереверсивного

электропривода, выполненного по схеме транзисторный широтно-

импульсный преобразователь-двигатель

При малых нагрузках в электроприводе ШИП-Д наступает режим

прерывистого тока. Зона прерывистого тока обозначена на рис. 4.13

пунктирной линией. В связи с тем, что частота переключений транзи-

дв

ср

дв

1γ 

0γ 

сторного ключа

может значительно превышать частоту следования

импульсов в электроприводе с тиристорными преобразователями, то зо-

на прерывистого тока здесь может быть существенно меньше, также

уменьшается и амплитуда пульсаций якорного тока.

Как следует из рис. 4.13 в режиме прерывистого тока все электро-

механические характеристики сходятся в одной точке – скорости иде-

ального холостого хода



, которая в данном электроприводе опреде-

ляется выражением:

ω  . (4.9)

В электроприводе ШИП-Д с неуправляемым выпрямителем на вхо-

де становится невозможным режим рекуперативного торможения, по-

этому во многих электроприводах применяется динамическое торможе-

ние, для обеспечения которого в схему вводится дополнительный тран-

зисторный ключ

и сопротивление динамического торможения

дт

R ,

однако схема управления при этом существенно усложняется.

В настоящее время в своем большинстве эксплуатируемые в про-

изводстве регулируемые электроприводы – это электроприводы посто-

янного тока. К сожалению, ХХ век – век регулируемых электроприво-

дов постоянного тока закончился. Их разработка и серийный выпуск

прекращается в большинстве развитых стран мира. Будущее регулируе-

мых электроприводов связано с двигателями переменного тока.

Контрольные вопросы

1. Назовите типы преобразовательных устройств применяемые в

электроприводах постоянного тока.

2. Каковы преимущества и недостатки системы генератор-

двигатель?

3. Почему силовые полупроводники в преобразовательных устрой-

ствах работают в ключевом режиме?

4. Опишите функциональную схему и принцип действия управляе-

мого тиристорного преобразователя.

5. Каким образом регулируется напряжение якоря двигателя в сис-

теме тиристорный преобразователь-двигатель?

6. Назовите основные способы управления группами тиристоров в

реверсивном тиристорном преобразователе.

7. Каковы преимущества и недостатки системы тиристорный пре-

образователь-двигатель?