книги из ГПНТБ / Основы автоматизированного электропривода учеб. пособие

;=; ЛЛ и Д - АЛ. В обоих случаях для соединения об­ мотки статора в двойную звезду обычно необходимо исполь­

Рис. 4-42. Схемы включения обмоток статора асинхронных дви­ гателей с изменением числа пар полюсов при нереключешш по схе­ мам:

а — звезда — двойная звезда; б — треугольник — двойная звезда.

его реализации и отсутствие больших потерь скольжения, что было характерным для всех ранее рассмотренных параметрических способов регулирования скорости асин-

210

хропных двигателей. Отсюда относительно высокие тех­ нико-экономические показатели данного способа регули­ рования скорости. Основным же его недостатком следует считать ограниченное число скоростей в заданном диапа­ зоне регулирования: для однообмоточных двигателей — обычно дне, для двухобмоточных двигателей, как пра­ вило, — четыре. В соответствии с этим положением диа­ пазон регулирования скорости однообмоточных двигателей с переключаемыми секциями обычно равен 2, для двухоб­ моточных двигателей его значение может достигать 12.

4-7. РЕГУЛИРОВАНИЕ СКОРОСТИ ИМПУЛЬСНЫМ ИЗМЕНЕНИЕМ ПАРАМЕТРОВ

Выше рассматривались такие методы регулирования угловой скорости, когда определенному значению скорости соответствует неизменное значение регулирующего пара­ метра, например сопротивления в цепи якоря двигателя постоянного тока. Такой способ изменения регулирующего параметра не всегда удобен, так как при большом числе ступеней скорости может потребоваться значительное число коммутирующих аппаратов, что может привести к снижению надежности работы электропривода и связано

сувеличением стоимости электрооборудования. В связи

сэтим в последние годы все более широкое распростране­ ние получают методы импульсного регулирования отдель­ ных параметров схемы.

Данный метод изменения регулирующего параметра ' может быть проиллюстрирован схемой и диаграммами, представленными на рис. 4-43. В схеме рис. 4-43, а в цепи якоря двигателя постоянного тока с независимым возбу­ ждением включено добавочное сопротивление Дд, которое либо полностью вводится в схему, либо замыкается нако­ ротко ключом К. Коммутация ключа К осуществляется периодически. При замкнутом накоротко Кд ток в цепи якоря возрастает, а при введении й д в цепь, когда ключ К разомкнут, ток снижается.

Для определения количественных соотношений, харак­ теризующих работу данной схемы, проанализируем экви­ валентную схему, представленную на рис. 4-43, б.

Здесь Е = Uc — Е дв— суммарная э. д. с. в цепи якоря; L — индуктивность цепи якоря; R 0 — нерегули­ руемая часть сопротивления цепи якоря.

211

При составлении эквивалентной схемы принято, что скорость двигателя, а значит, и э. д. с. его якоря Елв за период коммутации ключа К остаются неизменными.

Коммутация ключа К обычно осуществляется таким образом, что период коммутации Тк остается неизменным, а изменяется лишь соотношение времени замкнутого t3 и разомкнутого /р состояний его контактов. Иными сло­ вами, изменяется ширина замыкающего импульса. При

Рпс. 4-43. Схема включения двигателя постоянного тока независимого возбуждения при нмпульспом регулирования добавочного сопротивления в цепи якоря (а), соответствую­ щая ей эквивалентная схема (б) и диаграммы изменения сопротивления цепи якоря (в) н тока якоря (г).

этом сопротивление в цепи якоря R nz изменяется в соот­ ветствии с диаграммой на рис. 4-43, в. Такой способ управ­ ления величиной параметра получил название широтноимпульсного. Возможен и другой вариант управления — частотно-импульсный, когда ta —const, а изменяется период коммутации ключа Тк, т. е. частота коммутации ключа.

Анализ эквивалентной схемы рассматриваемой системы электропривода (рис. 4-43, б) показывает, что процессу периодической коммутации ключа К соответствует квазиустановившийся режим работы эквивалентной схемы, для которой справедливо следующее дифференциальное урав­ нение:

E = R ^ i + L ^ .

212

Из теории электрических цепей известно, что при скач­ кообразном изменении Raz, имеющем место в результате коммутации К, в рассматриваемой эквивалентной схеме возникает апериодический переходный процесс. При этом ток в схеме изменяется по экспоненциальному закону. В период замыкания К ток нарастает по экспоненте с по­ стоянной времени Т3 = LIR0, а в период размыкания К

за период коммутации. При неизменных значениях t3 и tp в схеме имеет место квазиустановившийся режим работы, характеризующийся значениями 7ыакс и / мпн. Очевидно, что в этом случае будет также неизменным и среднее зна­ чение тока якоря двигателя.

Представляет интерес оценка влияния соотношения времен замкнутого и разомкнутого состояний контактов на эквивалентное сопротивление цепи в указанном квазиустановившемся режиме. Последнее может быть опреде­

где / ср — среднее значение тока якорной цепи.

Таким образом, задача сводится к определению сред­ него значения тока, которое может быть найдено как среднее за период коммутации ключа

где i — мгновенное значение тока якоря;

i3, гр — мгновенные значения тока якоря при соответ­ ственно замкнутом и разомкнутом состояниях ключа.

Решая дифференциальное уравнение, записанное для эквивалентной схемы (рис. 4-43, б), и принимая, что на­ чало отсчета времени на каждом интервале состояния К совпадает с началом этого интервала, можно записать

213

- Р + 7(р \ 1‘- е

1 — е

Подстановка в (4-40) мгновенных значений токов г3 и гр по (4-41) н (4-42) при указанных значениях 7мако и 7МШ1 после преобразований дает:

Полученное выражение можно значительно упростить, если учесть, что при выборе параметров схемы всегда стремятся к тому, чтобы период коммутации Гк был зна­ чительно меньше постоянной времени при введенном 7?д, т. е. Гк Гр, а значит, Гк Г3, так как Г3 > Гр. При этих условиях очевидна справедливость следующих соот­ ношений: <3 < Г3; < Гр, а значит, г3/Г3< 1 и гр/Гр < 1. При указанном соотношении параметров схемы обеспечи­ вается относительно небольшое отклонение мгновенных значений тока от среднего значения, иными словами, низкий уровень пульсаций тока. С другой стороны, полу-

214

ченные соотношения позволяют заменить показательные функции в выражении (4-43) степенным рядом, ограни­ чившись в нем лишь двумя первыми членами разложения, т. е.

Подставляя в (4-43) значения / 3, 7Р, Таи Тр, учитывая, что tp = Тк — t3и осуществляя приведенную выше замену показательных функций, после ряда алгебраических пре­ образований находим:

Обычно время замыкания ключа f3 принято выражать в виде относительной величины у = tJ T к, называемой также скважностью управляющего импульса. Вводя в по­ следнее уравнение относительное время замыкания кон­ тактов у, получаем:

Таким образом, изменяя относительное время замыка­ ния ключа при периодической его коммутации, можно из­ менять величину эквивалентного добавочного сопротивле­

Следует подчеркнуть, что полученный здесь вывод справедлив лингв при конечном значении Дд. Его нельзя распространять на случай, когда 7?д ->-<х>, т. е. когда введение добавочного сопротивления эквивалентно раз­ рыву цепи.

Приведенный здесь анализ позволяет сделать вывод о том, что в рассматриваемой схеме (рис. 4-43, а) изменение скважности у, вызывающее изменение 7?д з, дает возмож­ ность регулировать угловую скорость двигателя. Подста­

215

вив в (4-4) значение Е п „ = Лд.э по (4-44), найдем выраже­ ние механической характеристики

из которого следует, что снижению значения у от 1 до О при М Ф 0 соответствует уменьшение скорости. Оче­ видно, что механические характеристики при импульсном регулировании сопротивления должны иметь такой же вид, как и характеристики при реостатном регулировании скорости (рис. 4-3).

Для реализации данного способа регулирования необ­ ходимо создать ключ, с помощью которого возможно с от­ носительно большой частотой замыкать накоротко /?д или полностью вводить его в цепь якоря. Использование для этой цели механического контактного устройства практи­ чески не представляется возможным, поскольку оно рас­ считано на ограниченное число циклов срабатывания и при большой частоте включений относительно быстро выходит из строя. Кроме того, время перемещения кон­ тактов при их замыкании и размыкании относительно велико, что, с одной стороны, ограничивает частоту ком­ мутации, а с другой — ограничивает возможность точного поддержания заданной величины относительного времени замыкания ключа. В связи с этим в технике регулирова­ ния электроприводов контактные ключи практически не находят применения.

Для реализации импульсного способа регулирования сопротивления применяются бесконтактные ключи, вы­ полненные на базе транзисторов (при токах до 15—20 А) или тиристоров (при токах до 100—150 А). На рис. 4-44, а показапа схема тиристорного ключа, получившего наи­ большее применение на практике. Роль ключа выполняет тиристор Тг, который при подаче положительного сигнала на его управляющий электрод открывается и практически закорачивает /?д. Для того чтобы закрыть Тг, необходимо помимо снятия положительного сигнала на его управляю­ щем электроде создать обратную полярность напряжения на основных электродах. С этой целью в схему включены вспомогательный тиристор 71,, контур коммутации Ьк, Ск,

Дк и дополнительный маломощный источник питания Un. Перед началом работы от источника Un заряжается кон­

денсатор Ск со знаком «+» на нижней обкладке. Ток заряда при этом ограничивается сопротивлением Ra. Если теперь

216

снять управляющий сигнал с 7\ и открыть Т„, то начнется разряд конденсатора через Тг и Дд. При этом к тири­ стору 7\ окажется приложенным отрицательное напряжег ние заряженного конденсатора, в связи с чем ток разряда конденсатора частично протекает через Т1до тех пор, пока тиристор Тг не восстановит свои запирающие свойства.

Закрытие Тг приводит к тому, что ток якоря теперь - полностью проходит через Дд и к конденсатору через от-

Рис. 4-44. Схема включения тиристорного ключа ТК для импульсного регулирования добавочного сопротивления в цепи якоря двигателя постоянного тока незавпспмого воз­ буждения (я) и схема включеипя добавочного сопротивления через выпрямительный люст (б).

крытый Тг приложено напряжение, равное падению на­ пряжения на Дд. Это обусловливает перезаряд конденса­ тора со знаком «-(-» на верхней обкладке. Если теперь снять положительный сигнал управления с Т2, то послед­ ний к концу процесса перезаряда закроется.

При последующем открывании вновь замыкается накоротко Дд и одновременно начинается разряд конден­ сатора по контуру Ск — Тг — Д к — Ьк. Наличие в этом контуре индуктивности и конденсатора обусловливает

впринципе колебательный характер процесса. В связи

сэтим происходит перезаряд конденсатора, но, как только ток разряда становится равным нулю, этот процесс пре­ кращается вследствие того, чтб диод Д к не пропускает ток

217

в обратном направлении. Следовательно, конденсатор остается заряженным со знаком «+» на нижней обкладке. Если теперь вновь открыть тиристор Т%, то происходит закрывание и процесс повторяется в рассмотренной выше последовательности.

Тиристорный ключ обеспечивает замыкание накоротко добавочного сопротивления только при одном направле­

тока и в цепях асинхронных двигателей. В последнем случае добавочное сопротивление включается последова­ тельно с обмотками статора или ротора через выпрями­ тельный мост, как это показано на рис. 4-45. Для увеличе­ ния индуктивности коммутируемой цепи выпрямленного тока в нее включается реактор Р.

Для импульсного регулирования индуктивного сопро­ тивления добавочное сопротивление с тиристорным или транзисторным ключом включается в цепь обмотки подмагничивания.

Следует отметить, что вследствие небольшого значения мощности, необходимой для управления тиристорным или

218

транзисторным ключом, данный способ позволяет полу­ чить бесступенчатое плавное регулирование скорости. По этой же причине можно получить значительно более жесткие механические характеристики, чем, например, при обычном реостатном регулировании, если с измене­ нием нагрузки на валу двигателя изменять управляющий сигнал.

Энергетические показатели при импульсном регулиро­ вании сопротивления несколько хуже, чем при ступенча­ том его изменении. Для двигателей постоянного тока это

Рис. 4-46. Механические характеристики при импульсном регули­ ровании сопротивления.

объясняется наличием в кривой тока якоря переменной составляющей, обусловленной колебаниями тока за пе­ риод коммутации ключа, что приводит к увеличению по­ терь энергии. Следует заметить, что среднее значение момента двигателя от переменной составляющей тока равно нулю. Некоторое ухудшение энергетических пока­ зателей асинхронных двигателей при рассматриваемом способе изменения сопротивления обусловлено, помимо пульсаций выпрямленного тока, наличием вентилей в це­ пях обмоток статора или ротора, что приводит к искаже­ нию формы тока двигателя и как следствие к появлению моментов высших гармоник.

На рис. 4-46 показаны экспериментальные механиче­ ские характеристики при широтно-импульсном регули­ ровании (Тк — const) добавочного сопротивления в цепи якоря двигателя постоянного тока независимого возбуж­ дения при включении его по схеме рис. 4-44, а й в цепи ротора асинхронного двигателя при включении по схеме

219