§ 51. ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ СО СТАТИЧЕСКИМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ
Рассматриваемые электроприводы отличаются от традиционных тем, что двигатель постоянного или переменного тока получает питание от источника электроэнергии через преобразователь электрического тока, выполненный на полупроводниковых приборах.
Для применения в электроприводах могут представлять интерес преобразователи: постоянного тока одного напряжения в постоянный ток другого регулируемого напряжения; постоянного тока в переменный ток фиксированной или регулируемой частоты; переменного тока в постоянный с неизменным или регулируемым напряжением; переменного тока одной частоты в переменный ток другой фиксированной или регулируемой частоты.
Статические преобразователи прежде всего расширяют возможности и пределы использования электродвигателей. Так, асинхронный короткозамкнутый двигатель можно применять в электрической установке, где источником электроэнергии является аккумуляторная батарея, а двигатель постоянного тока — подключать к сети переменного тока и т. д.
Очень важно, что статический преобразователь обычно выполняет и роль регулятора параметров преобразованной электроэнергии. Ранее было показано, что лучшим способом регулирования частоты вращения двигателей постоянного тока является регулирование изменением напряжения, а для асинхронных двигателей — одновременное изменение частоты тока и напряжения. Естественно, что им и отдается предпочтение в электроприводах со статическими преобразователями.
Рис. 123. Диаграмма широтно-импульсного регулирования напряжения.
Как видим, в данном случае разделение электроприводов на электроприводы постоянного и переменного тока носит весьма условный характер. При выборе типа электропривода исходным условием чаще всего является род тока источника питания. Поэтому и здесь имеет смысл рассмотреть возможные электроприводы вначале с источником постоянного, а затем — переменного тока.
Электроприводы, получающие питание от источника постоянного тока.
Наибольший интерес представляют электроприводы с химическими источниками (топливными элементами, аккумуляторными батареями) или с источниками прямого преобразования тепловой энергии в электрическую. Область применения таких электроприводов непрерывно расширяется по мере совершенствования источников электроэнергии (в настоящее время это электромобили, электропогрузчики и некоторые ответственные судовые потребители, например устройство закрытия и открытия водонепроницаемых дверей).
Самым простым в этом случае является электропривод с двигателем постоянного тока. Однако когда встает вопрос о способе регулирования частоты вращения, то от реостатного регулирования приходится отказываться, потому что энергия аккумуляторной батареи по своей природе всегда дефицитна, а на реостате выделяются потери, пропорциональные снижению частоты вращения.
Изменением потока возбуждения частоту вращения можно только повысить, поэтому значительный интерес представляет электропривод, в котором статический преобразователь выполняет роль импульсного регулятора напряжения. Суть регулирования состоит в том, что постоянное напряжение Un источника (рис. 123) превращается в серию импульсов. Это значит, что энергия к двигателю подводится дискретно (порциями). Установившаяся частота вращения электропривода будет соответствовать среднему значению напряжения Ucp, которое зависит от соотношения длительности импульсов tи и пауз t0. Наиболее часто применяют так называемое широтно-импульсное регулирование (ШИР), при котором длительность периода (tп=tи+t0) остается всегда постоянной, а изменяются только значения (tн и t0).
Рис. 124. Схема электропривода с ШИР
В схеме электропривода с ШИР (рис. 124) в качестве бесконтактного прерывателя применяют силовой тиристор, Тс, который рассчитан на полный ток двигателя. Остальные элементы (конденсатор Ск, вспомогательный тиристор Тк, дроссель индуктивностью LK и вспомогательный диод Дк) необходимы для периодического запирания тиристора Тс. Схема управления (на рис. 124 не показана) вырабатывает импульсы, которые подаются на управляющие электроды (УЭ) тиристоров Тс и Тк для периодического их открытия.
Схема работает следующим образом. Вначале поступает импульс на УЭ тиристора Тк, который открывается, и конденсатор заряжается почти до напряжения Un по цепи: плюс — Ск—Тк—Я— минус (полярность заряженного конденсатора указана в скобках). К моменту окончания заряда конденсатора Ск тиристор Тк закрывается естественным путем. Затем приходит импульс на УЭ тиристора Тс, который открывается, и к якорю двигателя подводится напряжение Un. Одновременно происходит перезаряд конденсатора по цепи: плюс
минус Ск. Благодаря тому, что эта цепь имеет элементы колебательного контура (LK, Ск), полярность напряжения на обкладках конденсатора меняется (обозначена без скобок). Закрытый тиристор Тк и диод Дк препятствуют новому циклу перезаряда конденсатора. Далее приходит импульс на УЭ тиристора Тк и положительный потенциал конденсатора через открывшийся тиристор Тк прикладывается к катоду тиристора Тс, что вызывает закрытие последнего. Таким образом, время от момента прихода импульса на УЭ тиристора Тс до момента прихода импульса на УЭ тиристора Тк примерно равно tn, а время от момента прихода импульса на УЭ тиристора Тк до момента прихода импульса на УЭ тиристора Тс равно t0.
Задача схемы управления заключается в том, чтобы вырабатывать управляющие импульсы и регулировать временные интервалы tи и t0, от которых зависит напряжение Ucp, а следовательно, и частота вращения электропривода.
Среднее напряжение на якоре двигателя определяется соотношением
Импульсное напряжение создает и импульсный ток через обмотку якоря двигателя, что отрицательно влияет на работу двигателя и коммутацию на коллекторе. Для того чтобы ток в обмотке якоря был непрерывный, в схему включают дроссель индуктивностью L и диод Д (см. рис. 124). Э.д. с. самоиндукции, возникающая в индуктивности, поддерживает ток якоря, который во время пауз (t0) замыкается через диод Д.
Механические характеристики электропривода подобны характеристикам, приведенным на рис. 110, б. Регулирование частоты вращения абсолютно плавное и экономичное. Достоинства такого электропривода снижает сам двигатель постоянного тока, который, как известно, по многим показателям уступает короткозамкнутому асинхронному двигателю. Применение асинхронного двигателя здесь возможно совместно с автономным инвертором
Рис. 125. Схема электропривода с АИ тока
(АИ), который преобразует постоянный ток в переменный регулируемой частоты.
На рис. 125 приведена одна из возможных схем электропривода с автономным инвертором тока с асинхронным короткозамкнутым двигателем, который получил название электропривода системы АИ—АД.
Переменный трехфазный ток в обмотках асинхронного двигателя создается поочередным открытием и закрытием соответствующих тиристоров. Очередность открытого состояния тиристоров записывается следующим образом: Τ1, Т2—Т2, Т3—Т3, Т4 — Т4, Т5—Т5, Т6—Т6, Т1 и т. д. В соответствии с этой очередностью будет меняться и направление тока в обмотках двигателя. Например, при открытых тиристорах Т1 и Т2 ток к двигателю течет по фазе С, а от двигателя — по фазе А. Затем откроется тиристор Т3 и закроется Т1 — ток к двигателю потечет по фазе Б, а от двигателя — по фазе А.
Если условно принять за положительное направление путь тока к двигателю, то можно считать, что каждый тиристор из верхней группы (Т1, Т3, Т5) ,в открытом состоянии создает положительное направление тока в соответствующей фазе двигателя, а каждый тиристор из нижней группы (Т2, Т4, Т6) — отрицательное направление.
Последовательность открытия тиристоров, время открытого состояния каждого тиристора, а следовательно, и частота переменного тока в обмотках АД определяются схемой управления (на рисунке не показана), которая формирует управляющие импульсы и регулирует частоту их следования.
Для закрытия тиристоров служат конденсаторы С1—С6. Закрытие соответствующего тиристора происходит следующим образом. Допустим, что открыты тиристоры Τ1, Т2. При этом конденсаторы заряжаются в соответствии с полярностью, указанной на схеме. Как только импульс поступит на УЭ тиристора Т3 и он откроется, положительный потенциал конденсатора С1 запирает тиристор Т1. Сам конденсатор после этого перезаряжается на другую полярность.
Полупроводниковые вентили В1—В6 отсекают конденсаторы от обмоток АД, благодаря чему конденсаторы используются только для коммутации тиристоров. В противном случае (при отсутствии вентилей) необходимо существенно увеличивать емкость конденсаторов, поскольку они будут участвовать в компенсации реактивной мощности двигателя.
Проблема коммутации тиристоров состоит в том, что в момент закрытия тиристора ток в соответствующей фазе не должен мгновенно снизиться до нуля. Если это все же произойдет, то на индуктивном сопротивлении обмотки двигателя возникнет такая э.д.с. самоиндукции, которая может вызвать пробой вентилей, тиристоров, изоляции обмоток. Чтобы этого не произошло, в схеме (см. рис. 125) предусмотрен обратно включенный вентильный мост (В7—В12), через который замыкаются токи, вызванные э.д.с. самоиндукции обмоток двигателя после запирания соответствующего тиристора.
Рассматриваемый электропривод обладает многими достоинствами. Частоту тока, а следовательно, и частоту вращения можно регулировать плавно в широком диапазоне. Для реверсирования двигателя достаточно изменить порядок следования управляющих импульсов, не разрывая цепь главного тока. Важно и то, что в электроприводе используется обычный короткозамкнутый двигатель, а сам преобразователь полностью статический, что предопределяет высокую надежность электропривода и малые эксплуатационные расходы.
Единственный существенный недостаток электропривода состоит в том, что переменный ток, протекающий по обмоткам АД, является несинусоидальным. Это обстоятельство приводит к тому, что в двигателе несколько увеличиваются потери энергии и, как следствие, возрастает нагрев и снижается к. п. д. Улучшение формы кривой тока достигается значительным усложнением схемы автономного инвертора.
Электроприводы, получающие питание от источника переменного тока.
На практике возможны несколько вариантов электроприводов с двигателями как постоянного тока, так и с асинхронными.
В электроприводе с двигателем постоянного тока статический преобразователь — это выпрямитель, причем из всего многообразия схем выпрямления для электропривода больше всего подходит выпрямитель, собранный по трехфазной мостовой схеме (см. рис. 23). Он равномерно нагружает все три фазы сети переменного тока, создает наименьшую пульсацию выпрямленного тока и напряжения и имеет еще некоторые преимущества перед другими выпрямителями.
Как регулировать средневыпрямленное напряжение, а значит, и частоту вращения двигателя — главный вопрос при разработке такого электропривода.
Рис. 126. Схема электропривода системы УВ—Д
Если напряжение регулировать со стороны переменного тока, то выпрямитель может быть выполнен на обычных неуправляемых вентилях. Для регулирования напряжения в этом случае используются автотрансформатор, трансформатор с отпайками на вторичной обмотке, индукционный регулятор, магнитный усилитель и некоторые другие устройства. Любое из устройств представляет практический интерес, и электропривод, выполненный по этому принципу, может в той или иной степени конкурировать с традиционными электроприводами постоянного тока. Однако неуправляемый выпрямитель не позволяет переводить двигатель в режим рекуперативного торможения.
Более совершенен электропривод, в котором статический преобразователь выполнен на тиристорах (рис. 126) и который получил название электропривода системы управляемый выпрямитель—двигатель постоянного тока (УВ—Д). Следует отметить, что трансформатор Тр необходим для согласования напряжения сети с паспортным напряжением двигателя. При соответствующем изменении стандарта на напряжения двигателей постоянного тока трансформатор будет не нужен.
Средневыпрямленное напряжение Ud, как известно, регулируется вследствие задержки управляющих импульсов, идущих на открытие тиристоров. Такая задержка импульсов по времени, называемая углом регулирования а, измеряется в электрических градусах — долях периода переменного тока.
Закон регулирования средневыпрямленного напряжения в трехфазной мостовой схеме на холостом ходу записывается уравнением (85)
где U2 — напряжение вторичной обмотки трансформатора, В.
При работе выпрямителя под нагрузкой на значение выпрямленного напряжения влияют коммутационные процессы в выпрямителе и падение напряжения в обмотках трансформатора и в сети. Все это можно учесть соотношением
где Rt, Χτ — активное и индуктивное сопротивления обмоток трансформатора и сети, приведенные ко вторичной цепи трансформатора, Ом; Id— средневыпрямленный ток, А.
Механическая характеристика электропривода запишется уравнением
(87)
Рис. 127. Схема электропривода с двумя комплектами управляемых выпрямителей
Рис. 128. Схема электропривода системы ПЧ—АД
где
— частота вращения идеального холостого хода электропривода, об/мин.
Эквивалентное сопротивление электропривода можно найти по формуле
где — омическое сопротивление сглаживающей индуктивности Lp, Ом.
Анализ уравнения (87) показывает, что электропривод имеет механические характеристики, подобные характеристикам электропривода системы Г—Д (см. рис. 110, б).
При α>90° выпрямитель может быть переведен в режим инвертора, ведомого сетью, что позволяет создать для двигателя режим рекуперативного торможения.
Значительный интерес представляет электропривод с двумя комплектами управляемых выпрямителей УВ1 и УВ2 (рис. 127). Здесь можно осуществлять бесконтактное реверсирование двигателя и перевод его в режим рекуперации без каких-либо переключений в силовой цепи и цепи возбуждения двигателя.
Электропривод системы УВ—Д по своим регулировочным свойствам и возможностям получения заданной механической характеристики двигателя не уступает электроприводу системы Г—Д, а по экономичности, надежности, размерно-весовым показателям превосходит его.
В электроприводе с асинхронным двигателем статический преобразователь является преобразователем частоты тока. Наибольший практический интерес представляет преобразователь частоты с промежуточной цепью постоянного тока, который состоит из управляемого выпрямителя УВ и автономного инвертора АИ (рис. 128). Такой преобразователь называют преобразователем частоты инверторного типа (ПЧИ), а электропривод — электроприводом системы преобразователь частоты — асинхронный двигатель (ПЧ—АД).
При регулировании частоты вращения асинхронных двигателей изменением частоты тока очень важно одновременно с частотой изменять и напряжение. От этого зависят экономические показатели электропривода. Причем закон регулирования напряжения зависит от вида механической характеристики рабочего механизма (см. рис. 108). Обычно функции регулирования напряжения по заданному закону возлагаются на УВ.
Электропривод системы ПЧ—АД обладает теми же достоинствами и недостатками, что и электропривод системы АИ—АД (см. рис. 125).
Общим недостатком всех электроприводов со статическими преобразователями является отрицательное влияние преобразователя на питающую сеть. Это влияние сводится к тому, что в сети искажаются формы кривых тока и напряжения, что, в свою очередь, отрицательно сказывается на работе других потребителей.
Статические преобразователи используют и для регулирования частоты вращения асинхронных электродвигателей с фазным ротором. Ранее указывалось, что в роторной цепи возникают потери энергии, пропорциональные скольжению. Оказывается, эту энергию можно вывести из ротора и после преобразования вернуть в сеть либо на другой двигатель. В этом случае регулирование частоты вращения изменением скольжения становится экономичным. Подобные установки получили название асинхронных машинно-вентильных каскадов.
Преимущество каскадных электроприводов перед рассмотренными в том, что в них преобразуется только часть энергии и мощность статического преобразователя меньше мощности электропривода, т. е. меньше его влияние на питающую сеть.
