Система тиристорный преобразователь – двигатель (ТП – Д).

В системе ТП – Д двигатель постоянного тока независимого возбуждения питается от тиристороного преобразователя. Принципиальная схема системы изображена на рис.

Среднее значение выпрямленного напряжения ТП.

, где

U2 – действующее значение фазного напряжение вторичной обмотки питающего трансформатора (или сети в бестрансформаторных схемах).

m – число пульсаций выпрямленного напряжения;

a - угол задержки открывания тиристоров;

Ud₀ – максимальное значение среднего выпрямленного напряжения при a=0.

Кривые выпрямленного напряжения с учетом явления коммутации вентилей, характеризуемой углам g, изображены на рис

Зависимость ЭДС ТП от напряжения управления U_у при линейной характеристике СИФУ представлена на следующем рисунке. При ее замене линеаризованной ТП как динамическое звено системы электропривода в режиме непрерывного тока описывается уравнением , где - коэффициент усиления ТП по напряжению; - малая постоянная времени ТП, учитывающая дискретность, запаздывание и наличие фильтров в СИФУ.

Уравнение электрического равновесия в якорной цепи системы ТП-Д

, где

Здесь R_я – сопротивления якорной цепи двигателя;

- индуктивное сопротивление фазы трансформатора, обусловленное полями рассеяния, а х₂ и х₁ – индуктивные сопротивления рассеяния вторичной и первичной обмоток трансформатора;

R_др – сопротивление сглаживающего дросселя;

R_тр – активное сопротивление обмоток фазы трансформатора, приведенное к вторичной цепи;

R_ср.в – усредненное сопротивление вентилей

Имея в виду, что ; ; , получим уравнение механической характеристики двигателя для любого режима работы

или

Т.к. , где , то

Отсюда следует, что в режиме непрерывного тока механические характеристики двигателя в системе ТП-Д при принятых допущениях аналогичны характеристикам системы ГД.

При , получим уравнение статических характеристик

или

Уравнения статических механических и электромеханических характеристик двигателя для режима непрерывных токов можно представить и в следующем виде:

Семейство статических механических характеристик при различных a, изображено на рис. Это прямые, отсекающие на оси ординат отрезки, соответствующие скорости идеального холостого хода

Однако в действительности при раздельном управлении комплектами вентилей (в случае двух комплектного преобразователя) или при питании от однокомплектного ТП в области малых нагрузок ток становится прерывистым, причем при U_y=0 и среднее значение U_d становится . Появляется зона прерывистых токов, она тем больше, чем больше угол a.

Появление зоны прерывистого токов обусловлено тем, что в определенные промежутки времени мгновенное значение выпрямленного напряжения преобразователя становится меньше встречно действующей ЭДС двигателя, что видно из графика выпрямленного напряжения, и, как следует из уравнения равновесия ЭДС, разность U_d-e становится отрицательной. Ток должен изменить направление на противоположное. Но поскольку вентили обладают односторонней проводимостью, ток становится равным нулю. Вентили закрываются ток появляется вновь когда U_d станет больше е. При больших нагрузках несмотря на то, что в определенные промежутки времени мгновенное значение U_d становится меньше ЭДС двигателя, ток не прерывается, является непрерывным. Объясняется это тем, что при больших нагрузках запас электромагнитной энергии в цепи выпрямленного тока значительный. Возникающая при исчезновении тока ЭДС самоиндукции складывается с мгновенным выпрямленным напряжением ТП и в сумме они превышают ЭДС двигателя. Поэтому разность между этой суммой и ЭДС двигателя положительна и ток не прерывается. При малых нагрузках ЭДС самоиндукции оказывается недостаточной для поддержания тока и он прерывается.

Переходу от режима непрерывного тока к прерывистому соответствует режим начально-непрерывного тока, являющегося граничным между двумя указанными. Величина граничного тока зависит от угла a и параметров схемы
, где

Граничные токи (моменты) лежат на дуге эллипса, смещенного по оси ординат на величину (см. рис. с механическими характеристиками).

Отметим, что если двигатель питается от нереверсивного ТП, то система электропривода становится неполноуправляемой, ибо ток может протекать только в одном направлении. Соответственно этому механические характеристики во втором и третьем квадранте не существуют.

При наличии зоны прерывистых токов электромеханические и механические характеристики в этой зоне не выражаются аналитически. Они напоминают механические характеристики двигателя последовательного возбуждения, как показано на рис.. При уменьшении нагрузки скорость двигателя возрастает и увеличивается его ЭДС, являющаяся противодействующей, что вызывает уменьшение тока нагрузки преобразователя. Это приводит к уменьшению падения напряжения на внутренних сопротивлениях схемы, а также к уменьшению потерь среднего напряжения, обусловленного явлением коммутации. В связи с этим U_d возрастает. При идеальном холостом ходе двигателя исчезают падения напряжения на вентилях и внутренних сопротивлениях схемы и U_d повышается еще больше. Напряжение на двигателе (за время импульса тока) приближается к амплитуде питающего преобразователь напряжения переменного тока и скорость двигателя растет. Поэтому в зоне малых и нулевых нагрузок механические характеристики двигателя имеют мягкий характер, что и показано на графике. Скорость идеального холостого хода двигателя для этих характеристик могут быть определены из выражений:

при и

при

Здесь Е_2ф.м – амплитуда фазной ЭДС вторичной обмотки питающего трансформатора или амплитуда фазного напряжения питающей сети (в бестрансформаторных схемах).

DU_В – падение напряжения в вентилях.

Используя уравнение динамики ТП, уравнение равновесия ЭДС в якорной цепи, уравнение механической характеристики двигателя в системе ТП-Д и уравнение движения электропривода при жестких механических связях, можно изобразить структурную схему системы ТП – Д, которая имеет вид.

, где

Структурная схема примет вид.

Двигатель в системе ТП – Д может работать во всех режимах. Двигательному режиму соответствует область в 1 и 3 квадратах, режиму динамического торможения соответствует характеристика, проходящая через начало координат при . Режиму противовключения соответствует область, заключенная между осью моментов и характеристикой динамического торможения. Режиму рекуперации соответствует область между осью ординат во 2 и 4 квадратах и характеристикой динамического торможения.

Реверс двигателя заключается в торможении до остановки и разгоне в противоположную сторону. В системе ТП-Д его можно осуществить:

а) изменением полярности питания двигателя при помощи реверсирующих контакторов или реверсирующих тиристоров по следующей схеме. Этот способ целесообразен в том случае, если время реверса не имеет существенного значения. Продолжительность реверса не менее 0, 1 сек.

б) изменением направления магнитного потока двигателя при неизменном направлении тока якоря, что осуществимо при помощи реверсирующих контакторов в цепи возбуждения, как показано на следующей схеме. Однако продолжительность реверса в этом случае имеет порядок 0, 5-2, 5 с.

в) Для электроприводов, где требуется максимальное быстродействие при реверсе, а также необходимость как двигательного, так и тормозного режимов при одном направлении вращения применяются ТП с двумя комплектами вентилей, каждый из которых служит для питания двигателя при одном направлении вращения, благодаря чему создается эффект двухсторонней проводимости преобразователя.

Как уже сказано выше, реверс заключается в торможении двигателя и разгоне его в противоположном направлении. Основным способом торможения в системе ТП – Д является торможение с рекуперацией энергии в сеть. В отличие от системы ГД этот режим не может быть получен только путем увеличения скорости сверх скорости идеального холостого хода. Хотя при w> w₀ ЭДС двигателя станет больше U_d, ток в якорной цепи прервется, т.к. ЭДС двигателя будет приложена к вентилям преобразователя в направлении, противоположном их проводимости, и вентили закроются. Для рекуперации энергии в сеть необходимо преобразовать энергию постоянного тока, источником которой при w> w₀ становится двигатель, в энергию переменного тока. Для этого ТП нужно перевести в инверторный режим. Практически для возможности торможения электропривода с рекуперацией энергии в сеть применяют два комплекта вентилей, включенных по мостовой схеме, как изображено на рис. и объединяют их управляющее устройство в один орган управления.

В выпрямительном режиме преобразователя активная составляющая I_a1 первой гармоники фазного тока совпадает по направлению с напряжением (ЭДС) фазы, а реактивная I_p1 – отстает на 90°. Следовательно, преобразователь потребляет из сети активную и реактивную мощность. Если j₁ станет больше 90°, что при g=0 соответствует a> 90°, то I_p1, будет по прежнему отставать от Е_ф на 90°, а I_a1 будет направлен встречно с ЭДС фазы. В этом случае преобразователь будет отдавать в сеть активную мощность при одновременном потреблении реактивной мощности. Этот режим и является инверторным. В нем источником тока является ЭДС машины постоянного тока, которая превышает напряжение преобразователя.

Т.о. для получения инверторного режима работы ТП необходимо, чтобы a был больше 90°, т.е. необходимо заставить преобразователь путем увеличения угла a принудительно выпрямлять отрицательные полуволны питающего напряжения сети. Сам он не будет это делать, поэтому инверторный режим может иметь место только при принудительной коммутации. При этом изменится знак напряжения U_d.

Известно, что в цепи постоянного тока изменение направления передачи энергии обычно связано с реверсом тока. Но такой же эффект имеет место и при изменении знака напряжения, что видно из соотношения p=ui.

Т.к. вентили обладают односторонней проводимостью, то для изменения направления потока мощности при неизменном направлении тока нужно изменить знак напряжения, т.е. необходимо заставить преобразователь принудительно выпрямлять отрицательные полуволны питающего напряжения, что и делается для осуществления рекуперативного торможения двигателя.

Переход преобразователя из выпрямительного в инверторный режим можно проиллюстрировать с помощью временных диаграмм (без учета угла коммутации g).

При переходе в инверторный режим напряжение сети переменного тока и постоянного тока меняются ролями так, что вентили этого не замечают. Полярность напряжения на зажимах преобразователя и направление тока через вентили остаются неизменными. Выпрямитель, переходя в инверторный режим, продолжает выпрямлять напряжение сети переменного тока, но только его отрицательные полуволны. Угол управления в этом режиме отсчитывается влево от точки пересечения синусоид напряжения питающей сети в отрицательной области и называется, как известно, углом опережения b. Он равен b=p-a. Вместо угла коммутации g для инверторного режима принято использовать понятие угла запирания d=b-g или, иначе, угла запаса

В инверторном режиме ТП возникают те же падения напряжения, что и в выпрямительном режиме преобразователя. Однако они покрываются не за счет сети, а за счет источника постоянного тока т.е. двигателя. Поэтому заменяя в выражениях электромеханической и механической характеристик a на b и учитывая, что ток в якорной цепи при инверторном режиме преобразователя, следовательно, тормозном режиме двигателя, определяется разностью ЭДС двигателя и U_d преобразователя, действующего встречно относительно ЭДС двигателя и имеет противоположное направление по сравнению с током в двигательном режиме, уравнения электромеханической и механической характеристик двигателя в режиме рекуперативного торможения имеют вид:

Семейство механических характеристик, соответствующих различным углам b при питании двигателя от однокомплектного ТП, представлено на сле дующем рисунке. При малых нагрузках так же как и в двигательном режиме, имеют место разрывы тока и резкое изменение скорости.

Электромеханические и механические характеристики реверсивного вентильного электропривода с раздельным управлением комплектами вентилей существенно зависят от способа согласования углов управления. При линейном согласовании в, частности, они имеют вид, показанный на следующем рис.

Для осуществления рекуперативного торможения электропривода с двумя комплектами вентилей необходимо закрыть вентили преобразователя, работающего в выпрямительном режиме, для чего достаточно установить угол и под действием ЭДС двигателя вентили закроются, и ток в якорной цепи станет равным 0. После этого (если управление не совместное) необходимо подать на вентили второго преобразователя отпирающие импульсы с углом опережения b=b_мин, что обеспечивает инверторный режим, при котором в якорной цепи появится ток, обусловленный разностью Е и U_du, совпадающий по направлению с Е двигателя. Знак электромагнитного момента изменится на противоположный и привод будет работать в тормозном режиме с рекуперацией энергии в сеть. Увеличивая b до 90° (см. характеристики ниже оси моментов), можно снизить скорость практически до полной остановки привода.

При одном комплекте вентилей и реверсировании с помощью контакторов, для перехода в режим рекуперативного торможения запирают вентили преобразователя, устанавливая угол . Затем посредством реверсирующих контакторов переключают якорную цепь двигателя так, чтобы его ЭДС действовала в направлении прямой проводимости вентилей, и подают на них отпирающие импульсы, обеспечивающие инверторный режим преобразователя и тормозной режим работы двигателя.