7. Розрахунки електромеханічних характеристик двигуна і автоматизованого електропривода

Електропривод постійного струму. Натуральна механічна характеристика двигуна постійного струму незалежного збудження описується рівнянням

. /82/

При розрахунках частіше користуються електромеханічною характеристикою, яку одержують з /82/, підставивши :

. /83/

За формулою /83/ будують електромеханічну характеристику двигуна (рис.16, пряма 1).

Електромеханічна характе-ристика автоматизованого електропривода залежить від його структури.

В регульованому електро-приводі живлення двигуна здійснюється від перетво-рювача електричної енергії (ПЕЕ). В якості ПЕЕ в електроприводі постійного струму використовують керо-вані випрямлячі (ВК) змінного струму у постійний на базі тиристорів чи транзисторів, а також перетворювачі з широтно-імпульсною модуляцією (ШІМ). В електроприводах змінного струму в якості ПЕЕ використовують частотні перетворювачі.

Згідно з завданням на проектування студент у своєму курсовому проекті описує вибраний вид ПЕЕ.

Керовані перетворювачі. В залежності від потужності двигуна постійного струму вибирають різні схеми випрямляння – від однофазних до багатофазних. В електроприводах середньої потуж-ності (до 30 кВт) використовують трифазну нульову схему. Наведена на рис.17 така схема складається із узгоджу-вального трансформатора Т, тиристорів TV системи імпульсно-фазового керу-вання (СІФК) і згладжуючого реактора .

Основними характеристик-ками перетворювача є: характеристика керування і зовнішня характеристика . Властивості тиристорного перетворювача визначаються законом зміни ЕРС вторинної обмотки трансформатора при випрямленому струмі в залежності від вхідної величини, якою є кут керування .

У загальному випадку

,

де де діюче значення фазної ЕРС вторинної обмотки трансформатора, число фаз. Для трифазної нульової схеми . Середній струм 47адовольн і типова потужність трансформатора .

Рис.18.

В даний час системи імпульсно-фазового керування виготовляються з використанням напівпровідникових елементів з вертикальним принципом керування, структурна схема якого показана на рис.18. На вході генератора імпульсів ГІ порівнюються опорна напруга (наприклад, пилкоподібна) генератора змінної напруги ГЗН з напругою керування вхідного пристрою ВП. Напруга залежить від режиму роботи двигуна, тобто формується задаючою напругою і напругою зворотних зв’язків. Формування керуючого імпульсу ГІ відбувається в момент зміни знаку різниці напруг і , що здійснює порівняльна ланка ПЛ. Зазвичай, число фаз ГЗН і ВП відповідає числу фаз випрямляча.

Характеристика є нелінійною і залежить від форми опорної напруги. Тому з метою уніфікації розрахунків систем автоматичного регулювання замість характеристик , використовують характеристику , яка у відносних одиницях наведена на рис.19.

При живленні ВК кола якоря двигуна і кутах комутації рівняння зовнішньої характеристики має вид

/84/

де і відповідно зведені до вторинної обмотки індуктивний опір розсіювання обмоток фази трансформатора та їх активний опір; – падіння напруги на відкритому тиристорі.

Напруга на якорі двигуна

/85/

де еквівалентний опір керованого випрямляча; активний опір згладжуючого реактора.

Індуктивний опір

/86/

де напруга короткого замикання, яка для трансформаторів серії ТС дорівнює 2 %, і відповідно номінальні фазні напруга і струм первинної обмотки трансформатора, коефіцієнт трансформації.

Активний опір фази

, /87/

де потужність короткого замикання трансформатора, яка залежить від його потужності. Для трансформаторів серії ТС дані наведені в табл.3.

Таблиця 3

Щоби напруга на якорі двигуна або , діюче значення напруги вторинної обмотки трансформатора відповідно повинно бути рівним 104 В чи 208 В.

За цією умови коефіцієнт трансформації

. /88/

Номінальний струм первинної обмотки

, /89/

Широтно-імпульсні перетворювачі. Вони відносяться до імпульсних систем регулювання напруги постійного струму і забезпечують плавне регулювання кутової швидкості двигуна шляхом періодичного під’єднання якоря до джерела живлення і відмикання від нього. В період відмикання двигун продовжує обертатись за рахунок накопичених кінетичної і електромагнітної енергій.

Рис.20.

Схема живлення двигуна постійного струму від широтно-імпульсного перетворювача показана на рис.20, а. Вона складається з узгоджуючого трансформатора Т, випрямляча В, зібраного за трифазною нульовою схемою, транзистора VT – електронного вимикача, згладжуючого реактора і діода VД. Діод VД, шунтуючи коло якоря, утворює коло для струму (рис.20, б) джерелом якого є ЕРС самоіндукції, яка виникає в колі якоря в період розімкненого стану електронного вимикача. Це створює умови для безперервного протікання струму , що значно зменшує його пульсацію і запобігає виникненню комутаційних перенапруг на транзисторі та на обмотках якорного кола.

Регулювання напруги на якорі досягається змінною тривалості імпульсів (широтно-імпульсна модуляція) при сталому періоді комутації Т. Середнє значення напруги

де стала випрямлена напруга; відносна тривалість імпульсу.

Рівняння електромеханічної характеристики

,

де середнє значення струму, , показує, що змінюючи , можна регулювати швидкість в широкому діапазоні. При цьому жорсткість характеристики не змінюється, за умови неперервного струму якоря. При невеликих струмах запас електромагнітної енергії малий, в період пауз струм якоря знижується до нуля і в кривій струму з’являються паузи – струм стає переривчастим, опір якорного кола зростає і жорсткість електромеханічної характеристики зменшується. Це призводить до зменшення діапазону регулювання швидкості.

Основним засобом зменшення зони переривчастих струмів є збільшення частоти комутації. Сучасні силові транзистори дозволяють здійснювати комутацію з частотою 2...10 кГц. Зменшенню зони переривчастих струмів сприяє згладжуючий реактор, збільшуючи ЕРС самоіндукції.

Для розширення діапазону регулювання швидкості використовують замкнені системи, в яких тривалість імпульсу змінюється в залежності від швидкості двигуна за допомогою зворотних зв’язків. При цьому можна використати вертикальний принцип керування за умови, що частота генератора змінної напруги буде рівною частоті комутації (ри.18).

Еквівалентний опір широтно-імпульсного перетворювача розраховують за тими ж формулами, що і еквівалентний опір керованого випрямляча.