Управляемый преобразователь УП в электроприводах, регулируемых изменением напряжения, может быть выполнен на основе либо регулируемого электромашинного агрегата, либо управляемого выпрямителя.
В первом случае электропривод носит название “система генератор-двигатель” (Г-Д) - рис. 3.24. Это традиционное техническое решение, обычно применявшееся при значительных мощностях (сотни кВт и выше). ЭДС генератора Г, вращаемого с практически неизменной скоростью wг приводным асинхронным или синхронным двигателем ПД, служит источником питания якорной цепи двигателя Д. Поскольку
Eг = kгФгwг,
то ее можно изменять, воздействуя на напряжение цепи возбуждения Uвг = Uвх.
Рис. 3.24. Система генератор – двигатель
К очевидным и важным достоинствам такой реализации УП относятся двусторонняя проводимость генератора, т.е. естественная возможность работы во всех четырех квадрантах, отсутствие искажений питающей сети, высокий коэффициент мощности.
Недостатки - две дополнительные вращающиеся машины, необходимость обслуживать генератор, инерционность цепи управления.
Система Г-Д до настоящего времени находит применение в металлургии, мощных экскаваторах и т.п.
Во втором случае, ставшем в последние десятилетия основным, УП представляет собой статическое устройство - управляемый выпрямитель (рис. 3.25), собранный на тиристорах, включаемых схемой управления СУ с задержкой на угол a против момента естественного включения, благодаря чему
Еa = Еa0 cosa,
где Еa0- среднее значение ЭДС неуправляемого выпрямителя ().
Рис. 3.25. Система управляемый выпрямитель (тиристорный
преобразователь) – двигатель
В электроприводе используются все типы управляемых выпрямителей - однофазные, трехфразные, многофазные; мостовые и нулевые; нереверсивные и реверсивные.
Преимущества УП, выполненных таким образом, - отсутствие вращающихся машин, не требуют обслуживания, имеют высокое быстродействие. Недостатки - низкий коэффициент мощности
,
искажение напряжения питающей сети, трудно компенсируемое при значительных мощностях, необходимость в двух комплектах вентилей для работы в четырех квадрантах, необходимость в сглаживающих и уравнительных реакторах, утяжеляющих конструкцию.
Система тиристорный преобразователь-двигатель (система ТП-Д) является штатным техническим решением практически везде, где используется электропривод постоянного тока и лишь в последние годы активно вытесняется частотно-регулируемым асинхронным электроприводом.
Источник тока (I = const) в системе “источник тока - двигатель” также может быть организован на основе управляемого выпрямителя с сильной отрицательной обратной связью по току, и такое решение будет обладать всеми перечисленными выше недостатками.
Интересны параметрические источники тока, выполненные на основе резонансных LC - цепей. Рассмотрим кратко принцип действия таких источников тока - индуктивно-емкостных преобразователей (ИЕП) на примере схемы, показанной на рис. 3.26,а. Схема состоит из трех одинаковых реакторов переменного тока с реактивным сопротивлением хL и трех одинаковых батарей конденсаторов с реактивным сопротивлением хС. Точки А, В, С подключены к симметричной трехфазной сети переменного тока с напряжением U1л; к точкам a, b, c подключена нагрузка - три одинаковые резистора, соединенные в звезду, причем величина их сопротивления может изменяться от нуля до R2макс. В электроприводе нагрузкой является якорь двигателя, включенный через неуправляемый выпрямитель (рис. 3.26,б); тогда
а) б)
Рис. 3.26. . Схема индуктивно-емкостного преобразователя, нагруженного резисторами (а) и подключение двигателя (б)
Принцип действия ИЕП основан на явлении резонанса напряжений в цепи L-C. Пусть U1л = const, f = const, хL = хС = хр.э, активные сопротивления реакторов и конденсаторов пренебрежимо малы. Так как схема симметрична, рассмотрение проведем для одной фазы; токи и напряжения в других фазах будут иметь соответственно одинаковые амплитуды, но будут сдвинуты по фазе на .
Для схемы на рис. 3.26,а справедливы следующие уравнения, записанные в комплексных величинах:
Решая эти уравнения, с учетом равенства реактивных сопротивлений получим:
, (3.25)
то есть ток I2 не зависит от величины R2, а определяется лишь величинами U1л и хр.э - схема по отношению к нагрузке обладает свойствами источника тока.
Характеристики источника тока на рис. 3.26,а показаны на рис. 3.27 в относительных единицах; за базовые приняты I2 и U1ф.
Рис. 3.27. Характеристики индуктивно-емкостного преобразователя
Рассмотренное устройство отличается простотой, высокой надежностью, высокими технико-экономическими показателями, мало искажает при работе на неуправляемый выпрямитель напряжение сети, не нуждается в трансформаторе для согласования напряжений сети и нагрузки.
Электроприводы по системе “источник тока - двигатель”, практически не известные за рубежом, успешно применяются в отечественной практике в установках, транспортирующих гибкую ленту, полосу, нить, жилу кабеля с поддержанием натяжения при любой скорости (кабельная, текстильная промышленность, металлургия), в специальных лебедках с дозированным усилием, в нагрузочных устройствах испытательных стендов для создания заданных условий нагружения испытуемых двигателей, муфт, трансмиссий и т.п.
ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
Принцип действия асинхронной машины в самом общем виде состоит в следующем: один из элементов машины - статор используется для создания движущегося с определенной скоростью магнитного поля, а в замкнутых проводящих пассивных контурах другого элемента - ротора наводятся ЭДС, вызывающие протекание токов и образование сил (моментов) при их взаимодействии с магнитным полем. Все эти явления имеют место при несинхронном - асинхронном движении ротора относительно поля, что и дало машинам такого типа название - асинхронные.
Статор обычно выполнен в виде нескольких расположенных в пазах катушек, а ротор - в виде “беличьей клетки” (короткозамкнутый ротор) или в виде нескольких катушек (фазный ротор), которые соединены между собой, выведены на кольца, расположенные на валу, и с помощью скользящих по ним щеток могут быть замкнуты на внешние резисторы.
Несмотря на простоту физических явлений и материализующих их конструктивов полное математическое описание процессов в асинхронной машине весьма сложно:
во-первых, все напряжения, токи, потокосцепления - переменные, т.е. характеризуются частотой, амплитудой, фазой или соответствующими векторными величинами;
во-вторых, взаимодействуют движущиеся контуры, взаимное расположение которых изменяется в пространстве;
в-третьих, магнитный поток нелинейно связан с намагничивающим током (проявляется насыщение магнитной цепи), активные сопротивления роторной цепи зависят от частоты (эффект вытеснения тока), сопротивления всех цепей зависят от температуры и т.п.
Рассмотрим самую простую модель асинхронной машины, пригодную для объяснения основных явлений в асинхронном электроприводе.
).
,
.
, (3.25)