книги / Электроприводы с полупроводниковым управлением. Системы постоянного тока с кремниевыми выпрямителями

ПРЕДИСЛОВИЕ

Появление за последние годы новых типов вентилей неуправляе­ мых (кремниевых диодов) и особенно управляемых (тиристоров) определило новый шаг развития регулируемых электроприводов по­ стоянного и переменного тока.

В настоящей книге рассмотрены приводы постоянного тока мощ­ ностью до 100 кет с питанием двигателя от неуправляемых кремние­ вых выпрямителей и регулированием его скорости вращения за счет ослабления поля, разработанные авторами в Экспериментальном на­ учно-исследовательском институте металлорежущих станков (ЭНИМС). Эти приводы начинают находить применение в металло­ режущих станках, кузнечно-прессовых и других рабочих машинах взамен приводов по системе Г—Д при требованиях небольших диа­ пазонов изменения скорости вращения и постоянной предельной мощ­ ности.

Основное исполнение привода, названное серией ПКВ (приводы с кремниевыми выпрямителями), предусматривает трехфазную мосто­ вую схему выпрямления с использованием в цепи возбуждения дви­ гателя реостата при отсутствии обратных связей.

Потребность промышленности в приводах с более жесткими тре­ бованиями к стабильности скорости вращения привела к разработке модификаций привода ПКВ (например, установке в цепи возбужде­ ния магнитных усилителей или тиристоров и введении обратной свя­ зи по скорости или току с воздействием на цепь возбуждения дви­ гателя).

Разрабатываемые в настоящее время большим числом организа­ ций (в том числе и ЭНИМС) электроприводы постоянного тока с при­ менением тиристоров для питания цепи якоря двигателя имеют по сравнению с приводами серии iHiKB ряд серьезных преимуществ (ши­ рокий диапазон регулирования, безреостатный пуск, токоограничение), но более сложны и дороги. Кроме того, энергетические показа­ тели (к. п. д. и коэффициент мощности) приводов серии ПКВ выше тиристорных, что особенно важно для механизмов главного движения металлорежущих станков.

В книге также рассмотрены вопросы электропривода, опреде­ ляемые питанием двигателя постоянного тока от неуправляемого Кремниевого выпрямителя, подробно описаны разработанная серия электроприводов, применяемые в них приборы и аппараты и получен­ ные технические характеристики.

Авторы будут благодарны лицам, которые пришлют свои замеча­ ния по адресу: Москва, Ж-114, Шлюзовая наб., 10, издательство «Энергия».

Авторы

ГЛАВА ПЕРВАЯ

ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРИВОДА НЕУПРАВЛЯЕМЫЙ КРЕМНИЕВЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ — ДВИГАТЕЛЬ

Приводы, построенные по системе неуправляемый кремниевый выпрямитель — двигатель, являются наиболее простыми регулируе­ мыми приводами постоянного тока с изменением скорости вращения путем ослабления поля.

В механизмах главного движения металлорежущих станков и других рабочих машин, в которых необходимо изменять скорость вращения при предельной постоянной мощности, этот способ регули­ рования (путем ослабления поля) наиболее рационален, так как обеспечивает наилучшие энергетические показатели и малые габари­ ты преобразователя.

До настоящего времени в указанных механизмах находит широ­ кое применение система Г—Д, статические и динамические харак­ теристики которой подробно описаны в литературе по электропри­ воду.

Питание двигателя от статического полупроводникового цреоб-* разователя сказывается на характеристиках регулируемого электро­ привода в связи с зависимостью выходного напряжения, подаваемого на двигатель, от параметров вентилей и схемы выпрямления. Поэто­ му целесообразно подробно рассмотреть характеристики привода с двигателем постоянного тока, питаемым от неуправляемого крем­ ниевого выпрямителя.

1. СКОРОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Внешняя характеристика кремниевого преобразователя, выпол­ ненного по трехфазной мостовой схеме, может быть записана в виде

где Ud — средняя величина выпрямленного напряжения при на­ грузке /<*;

Udo — средняя величина выпрямленного напряжения при холо­ стом ходе преобразователя,

5

^20 — действующее значение линейного напряжения вторичной

пренебрегается за малостью последним слагаемым и не учитывается сдвиг, вносимый коммутацией вентилей, а принимается, что первые гармонические тока и напряжения во вторичной цепи трансформато­ ра совпадают по фазе, т. е. угол сдвига фаз между током и напряже­ нием во вторичной обмотке трансформатора фг, зависящий от угла коммутации у , равен нулю (ф2~0).

маторе при коротком замыкании, которые обычно известны или на­ ходятся из опыта короткого замыкания:

2. Пренебрегается падением напряжения на кремниевых венти­ лях. При включении в плече выпрямителя одного вентиля падение напряжения не превышает 0,6 в при протекании номинального тока

вентиля.

3. Снижение выпрямленного напряжения Дt/K, возникающее в ре­ зультате процесса коммутации, определяется по формуле

At/K может быть определена и по следующему выражению [Л. 1]:

6

А — относительный коэффициент наклона внешней характеристики выпрямителя;

т— число фаз;

ХТ— индуктивное сопротивление рассеяния трансформатора, приве­

денное ко вторичной обмотке,

[Л. 1].

Скоростные характеристики двигателя постоянного тока при пи­ тании его якоря от неуправляемого кремниевого выпрямителя и из­

где по — скорость идеального холостого хода при /<j=0 и магнитном потоке Фо (без учета прерывистости тока);

Ra — эквивалентное сопротивление якорной цепи с учетом внеш­ ней характеристики выпрямителя,

2

гя.д — сопротивление цепи якоря двигателя; Ru — номинальное сопротивление привода;

( 12)

/ я.н — номинальный ток двигателя;

ke— конструктивный коэффициент э. д. с. двигателя.

При расчете скоростных характеристик по уравнению (10) при­ нято допущение, что намагничивающая сила (н. с.) сериесной обмот­ ки двигателя полностью компенсирует влияние реакции якоря. Одна­ ко практически двигатель проектируется с некоторой перекомпенсацией, поэтому экспериментальные скоростные характеристики приво­ да имеют несколько большую крутизну, чем расчетные характеристи­ ки, кроме того, изменение нацряжения вследствие нагрузки изменяет поток двигателя.

Для построения уточненной скоростной характеристики опреде­ ляется результирующая н. с. по выражению

7

Fn — н. с. реакции якоря, которая для двигателей мощностью до 25 кет ори Пц—1 500 об/мин может быть определена

По результирующей н. с. и кривой намагничивания определяется результирующий магнитный поток Ф рез, по которому определяется скорость двигателя для заданной нагрузки / я по уравнению (10).

Особенность скоростных характеристик при питании от статиче­ ского полупроводникового выпрямителя состоит еще и в том, что они при малых нагрузках (для трехфазной мостовой схемы при /<*< <0,1 Idn) в зоне прерывистых токов становятся нелинейными с рез­ ким возрастанием скорости вращения двигателя по мере уменьше­ ния его нагрузки.

Поэтому построение скоростных характеристик привода по урав­ нению (10) справедливо лишь для зоны непрерывных токов. Следует отметить, что для большинства станков и других рабочих машин ука­ занный предел нагрузки является минимальным для привода.

2. ПУСК И ТОРМОЖЕНИЕ ПРИВОДА С КРЕМНИЕВЫМИ ВЫПРЯМИТЕЛЯМИ

Пуск двигателя в приводе с неуправляемым кремниевым выпря­ мителем для ограничения тока вентилей и двигателя необходимо производить ступенчато либо путем переключения напряжения пита­ ния, либо, что обычно делается, путем включения сопротивления в цепь якоря двигателя.

Вопросы расчета пусковых процессов питаемого от сети двигате­ ля постоянного тока подробно освещены в литературе [Л. 3, 4]. Нали­ чие статического преобразователя требует подстановки в расчетные формулы вместо сопротивления якорной цепи эквивалентного сопро­ тивления R3, определяемого по уравнению (11).

Необходимо также отметить ограничения, которые ставят усло­ вия пуска двигателя в зависимость от величины его допустимой ста­ тической нагрузки при разгоне.

На основании известных соотношений между величинами тока переключения при реостатном пуске можно получить примерное вы­ ражение для предельной статической нагрузки при заданном числе

/i* = /i//H— относительное значение допустимого максимального тока переключения при пуске двигателя;

ka—/2/7ц — коэффициент запаса, обычно принимаемый равным 1,2.

8

При двухступенчатом пуске (z = 2 и Л* = 2 ), что принимается обычно для двигателей серии П, допустимое значение статической на­ грузки при пуске привода должно быть не более 0,7/н.

Следует отметить, что для большинства механизмов главного движения станков и других рабочих машин указанная величина до­ пустимой нагрузки является приемлемой. В приводе с неуправляе­ мым кремниевым выпрямителем и изменением скорости вращения двигателя путем ослабления магнитного потока значительный инте­ рес представляют процессы разгона и торможения двигателя при ослабленном поле возбуждения.

С целью упрощения рассмотрения вопроса не учитывается демп­ фирующее влияние обмоток и ферромагнитных масс на скорость из­ менения магнитного потока и принимается, что магнитный поток из­ меняется с той же постоянной времени, что и ток возбуждения.

При ослаблении магнитного потока двигателя (вследствие введе­ ния в цепь обмотки возбуждения сопротивления регулятора можно записать следующие уравнения в относительных единицах, описываю­ щие переходный процесс:

г в*, ’я*» Ф*, п*> Ale*— относительные значения тока возбуждения, тока якоря, магнитного потока, скорости и статического момента дви­ гателя:

■/в

**я .

ф

9

1в.н — номинальный ток возбуждения двигателя,

нение (10)];

а ~ Г„ +

Тв — электромагнитная постоянная времени якорной цепи двигателя,

10