1. Полностью управляемый выпрямитель :

На рис. 3.32 (а) показана принципиальная схема последовательного двигателя постоянного тока, питаемого от однофазной сети переменного тока через полностью управляемый выпрямитель. Якорь двигателя и обмотки возбуждения имеют не только индуктивность, но и сопротивление. Поскольку выходной ток выпрямителя не является идеальным постоянным током, также играет роль индуктивность. R — сопротивление якоря, включая сопротивление возбуждения, а L — индуктивность якоря, включая сопротивление возбуждения. Во время положительного полупериода тиристоры ТН ₁ и TH ₂ смещены в прямом направлении и начинают проводить при ωt = α. Ток нагрузки протекает через TH ₁ , двигатель и TH ₂ . При ωt = π напряжения питания меняются местами.

Из-за индуктивности L тиристоры TH ₁ и TH ₂ продолжают проводить ток за пределами ωt = π. От ωt = π + α до ωt = 2π тиристоры TH ₃ и TH ₄ смещены в прямом направлении. При срабатывании ТН ₃ и ТН ₄ при ωt = π + α тиристоры ТН ₁ и TH ₂ , подвергаются обратному смещению и отключаются естественной коммутацией. Ток нагрузки передается от TH ₁ и TH ₂ к TH ₃ и TH ₄ . Этот режим работы продолжается до тех пор, пока TH ₁ и TH ₂ не сработают в следующем положительном полупериоде.

Квадранты работы и формы сигналов показаны на рис. 3.32 (б) и 3.32 (в). Если индуктивность L достаточно велика, ток двигателя более или менее постоянен. Значение α должно быть таким, чтобы при срабатывании тиристоров мгновенное значение переменного входного напряжения V _max sin ωt больше противоЭДС E _b . Это устанавливает нижний предел угла открытия α.

Среднее выходное напряжение преобразователя,

Для постоянного тока двигателя I _a мы можем написать —

Поскольку ток возбуждения также равен I _a , противо-ЭДС E _b можно записать как K ₁ I _a Н, где K ₁ — постоянная величина. Письменно E _b как K ₁ I _a N мы пренебрегли остаточным магнетизмом в двигателе.

Замена значения I _на из уравнения. (3.54) в уравнении (3.55), имеем-

Используя приведенное выше уравнение. (3.56) Моментно-скоростные характеристики для различных значений а можно построить, как показано на рис. 3.32 (г).

2. Полууправляемый выпрямитель :

Двигатель постоянного тока, питаемый от однофазной сети переменного тока через полууправляемый выпрямитель, показан на рис. 3.33 (а). Выпрямитель имеет два тиристора ТН ₁ и TH ₂ и два диода D ₁ и D ₂ . Обратный диод D _FW помогает проводить ток, когда тиристор не проводит ток. R — сопротивление якоря и возбуждения, а L — индуктивность якоря и обмоток возбуждения.

Во время положительного полупериода тиристор TH ₁ срабатывает при ωt = α и начинает проводить. Значение α должно быть таким, чтобы V _max sin α > E _b . Ток протекает через TH ₁ , двигатель и диод D ₁ от ωt = α до ωt = π. При ωt = π входное напряжение становится отрицательным и обратный диод D _FW смещен в прямом направлении. Таким образом, при ωt = π тиристор TH ₁ и диод D ₁ перестают проводить ток, и ток переходит на D _FW .

Во время отрицательного полупериода тиристор TH ₂ смещен в прямом направлении, и когда он срабатывает при ωt = π + α, обратный диод D _FW перестает проводить ток, и ток передается на TH ₂ – D ₂ Комбинация. TH ₂ и D ₂ проводят от ωt = π + α к ωt = 2π. При ωt = 2π тиристор TH ₂ и диод D ₂ отключаются, и ток через D _FW свободно распространяется от ωt = 2π до ωt = 2π + α. При ωt = 2π + α тиристор TH ₁ снова срабатывает и начинается следующий цикл работы. Таким образом, схема работает следующим образом: D _FW , работает для 0 ≤ ωt ≤ α; TH ₁ и D ₁ проводят для α ≤ ωt ≤ π; Д _FW проводит для π ≤ ω t ≤ π + α; и TH ₂ и D ₂ проводят для π + α ≤ ωt ≤ 2π.

Рабочий квадрант и формы волны показаны на рис. 3,33 (б) и 3,33 (в) соответственно.

Среднее выходное напряжение полупреобразователя определяется как-

Обратная ЭДС E _b может быть записана как K ₁ I _a N без учета остаточного магнетизма-

Подстановка значения I _a из уравнения. (3.57) в приведенном выше уравнении мы имеем-

Используя приведенное выше уравнение. (3.58) построены скоростно-моментные характеристики для различных значений α, как показано на рис. 3.33 (г).

Во время работы двигателей постоянного тока с независимым возбуждением и двигателей постоянного тока наблюдается, что область прерывистого тока меньше в случае двигателей постоянного тока с последовательным возбуждением. Использование полупреобразователя обеспечивает непрерывный ток практически во всем рабочем диапазоне, за исключением случаев, когда момент нагрузки очень мал. Если в цепи якоря используется индуктивность, можно получить непрерывный ток якоря во всем рабочем диапазоне.

обычно используются для приложений с постоянной выходной мощностью. Однако скоростно-моментные характеристики не соответствуют постоянной выходной мощности для заданного угла включения и, следовательно, для получения постоянной мощности во всем диапазоне скоростей приходится регулировать угол включения α. Полупреобразовательная система, благодаря своему свободному действию, помогает поддерживать непрерывный ток и, таким образом, обеспечивает лучшую производительность двигателей по сравнению с системой с полным преобразователем. Также было замечено, что двигатель постоянного тока вместе с полупреобразователем обеспечивает лучшую производительность.

Преобразователи с фазовым управлением имеют низкий коэффициент мощности, особенно когда выходное напряжение меньше максимального, т. е. когда угол возбуждения α велик. Полупреобразователи обеспечивают лучший коэффициент мощности по сравнению с полными преобразователями, хотя улучшение незначительно.

Скорость асинхронного двигателя определяется как-

Таким образом, скорость асинхронного двигателя с фиксированным числом полюсов зависит от частоты питания f и скольжения s, которое, в свою очередь, зависит от напряжения или тока, подаваемого на двигатель.

Доступны следующие методы регулирования скорости трехфазных асинхронных двигателей с использованием тиристоров:

1. Регулирование напряжения статора или регулирование постоянной частоты переменного напряжения.

2. Регулировка напряжения и частоты.

3. Контроль сопротивления ротора.

4. Контроль вторичного внешнего напряжения.

Изменение напряжения статора осуществляется с помощью регуляторов переменного тока, которые регулируют среднеквадратичное значение напряжения переменного тока, подаваемого на двигатель, путем введения тиристоров, включенных встречно-параллельно в каждую линию питания. Мощность переменной частоты получается с помощью циклопреобразователя, который напрямую преобразует переменный ток фиксированной частоты в переменный ток переменной частоты, или с помощью инвертора, который преобразует постоянный ток в переменный.

Эффективное значение внешнего сопротивления, введенного в цепь ротора, можно контролировать, подключив высокочастотный прерыватель к сопротивлению и изменяя время, в течение которого прерыватель включен в течение цикла. Статические преобразователи частоты используются для замены вспомогательных машин в системе Шербиуса. Схема Крамера также была изменена за счет использования диодного мостового выпрямителя вместо преобразователя ротора, но двигатель постоянного тока по-прежнему требуется для преобразования выпрямленной мощности скольжения в механическую энергию.

Синхронный двигатель представляет собой двигатель с постоянной скоростью и развивает крутящий момент только при синхронной скорости, которая прямо пропорциональна частоте питания. Следовательно, изменение частоты переменного тока является удобным методом управления скоростью синхронного двигателя. До появления силовых электронных устройств изменение частоты было очень сложной задачей.

Однако силовые электронные схемы обеспечивают простой метод изменения частоты. Переменный ток 50 Гц преобразуется в постоянный с помощью управляемого выпрямителя. Инвертор переменной частоты преобразует постоянный ток в переменный ток переменной частоты. Чтобы поддерживать постоянную плотность потока в двигателе, напряжение и частота должны изменяться в одном и том же отношении, чтобы соотношение напряжение/частота было постоянным.

На рис. 3.52 показана система регулирования скорости синхронного двигателя. Трехфазный переменный ток 50 Гц выпрямляется управляемым трехфазным выпрямителем. Фильтр удаляет гармоники с выхода выпрямителя. Инвертор переменной частоты подает переменный ток переменной частоты на синхронный двигатель. Таким образом, можно управлять скоростью синхронного двигателя. Выход постоянного тока фильтра также используется для возбуждения обмотки ротора.

В низкоскоростных приложениях большой мощности также можно использовать циклопреобразователь для преобразования переменного тока с частотой 50 Гц в переменный ток переменной частоты. Циклоконвертер выполняет преобразование без промежуточного звена постоянного тока. Максимальная выходная частота ограничена примерно одной третью частоты, поэтому выходная волна имеет низкое содержание гармоник.

Инверторный привод с коммутацией нагрузки для синхронного двигателя:

Для двигателей больших размеров (двигатели с выходной мощностью более 750 кВт) синхронный двигатель с коммутируемой нагрузкой становится конкурентоспособным с асинхронным двигателем в требованиях к регулируемой скорости. На рис. 3.53 показана схема инверторного привода с коммутацией нагрузки. Трехфазное питание переменного тока выпрямляется трехфазным мостовым преобразователем с фазовым управлением. Источник постоянного тока проходит через фильтр для улучшения формы волны, а затем подается на инвертор с коммутацией нагрузки.

Каждая фаза синхронного двигателя представлена ​​ЭДС внутренней индукции последовательно с индуктивностью обмотки статора. Частота и фаза токов статора синхронизированы с положением ротора. Коммутация тока в инверторе с коммутацией нагрузки для подачи токов в фазы статора в соответствующей последовательности обеспечивается ЭДС статора. Наличие трехфазной ЭДС индукции в обмотке статора двигателя вызывает коммутацию тиристора. Управление углом открытия преобразователя управляет его постоянным выходным напряжением и, следовательно, током.

Полная схема контроллера инверторного привода с коммутацией нагрузки показана на рис. 3.54. Входное напряжение статора синхронного двигателя измеряется для расчета положения поля ротора как функции времени. Измеренное напряжение выпрямляется, чтобы обеспечить сигнал постоянного тока, пропорциональный мгновенной скорости синхронного двигателя. Время выключения T _off , доступное для тиристора в инверторе, поддерживается постоянным.

Поддержание тока возбуждения и выключение T постоянная, фактическая скорость сравнивается с эталонной скоростью. Сигнал ошибки усиливается, чтобы обеспечить ссылку l _d . Если фактический ток I _d меньше опорного, выпрямитель увеличивает напряжение, подаваемое на инвертор, тем самым увеличивая I _d и крутящий момент двигателя. На основе тока I _d и измеренного напряжения подаются импульсы зажигания на затворы тиристоров инвертора, чтобы поддерживать T _{выключенным} постоянным.

Наиболее часто используемые двигатели постоянного тока для тиристорного привода представляют собой двигатели постоянного тока с независимым и последовательным возбуждением. Тиристорные приводные двигатели обычно отличаются конструкцией от обычных двигателей постоянного тока. Прежде чем обсуждать особенности, встроенные в тиристорные приводные двигатели, необходимо обсудить влияние тиристорного источника питания на работу двигателя постоянного тока.

Влияние тиристорного источника питания на характеристики двигателя постоянного тока :

1. Выходное напряжение тиристорного преобразователя состоит из постоянной составляющей и гармонических составляющих переменного тока.

2. Выходное напряжение может изменяться очень быстро по сравнению с напряжением двигателя-генератора из-за отсутствия постоянных времени возбуждения, связанных с генератором.

3. При неисправности тиристора при работе в инверторном режиме может возникнуть аномально высокое значение тока якоря.

4. Величина гармоник уменьшается с увеличением частоты гармоники для всех преобразователей. Величина гармоник увеличивается по мере увеличения угла открытия и уменьшения постоянного напряжения для всех двунаправленных преобразователей. Чем выше индуктивность якоря, тем меньше будут гармонические токи.

5. Крутящий момент создается постоянной составляющей тока, тогда как нагрев создается эффективным (или среднеквадратичным) значением тока. Коэффициент формы (отношение действующего значения к среднему значению) для однополупериодных трехфазных тиристоров можно принять равным 1,2, а для двухполупериодных трехфазных тиристоров — 1,1. Это увеличивает электрические потери и, следовательно, нагрев трехфазных мостовых преобразователей больше на 5—7 %, а трехфазных полумостовых преобразователей — на 15—20 %.

6. На коммутационную способность серьезно влияет наличие гармонических токов. Пиковое значение тока увеличивается, межполюсный поток уменьшается по величине, и между межполюсным током и потоком возникает временная задержка из-за вихревых токов, генерируемых на железном пути межполюсного потока.

Другими эффектами тиристорного питания на работу двигателя являются нагрев межполюсной обмотки, насыщение межполюсного магнитопровода, напряжение трансформатора на щетках и повышение напряжения на участке коммутатора.

Особенности тиристорных двигателей :

Двигатели постоянного тока с тиристорным приводом разработаны со следующими особенностями для улучшения их характеристик:

1. Двигатели постоянного тока с тиристорным приводом изготавливаются с якорем большего диаметра и полюсами большего размера уменьшенной высоты.

2. Коллекторы увеличены, чтобы обеспечить дополнительную изоляцию, чтобы выдерживать большие и быстрые колебания напряжения.

3. Ярма, а также главные и коммутирующие полюса ламинированы для снижения воздействия вихревых токов.

4. Для улучшения отклика используется малоинерционная арматура.

5. Компенсационные обмотки используются в больших двигателях для уменьшения эффекта реакции якоря.

6. Разрезные щетки хорошего коммутационного качества используются для снижения влияния трансформаторного напряжения на коммутируемые катушки.

7. Использование пластинчатого ярма вместо цельного в большей степени улучшает коммутацию.

8. Использование большого количества коллекторных шин снижает напряжение между сегментами коммутатора и улучшает коммутацию.

9. Использование восьмиугольной, а не круглой формы для рамы позволяет разместить больше материала и дает более высокий рейтинг при том же размере рамы.

10. Плотность тока, используемая для якоря и межполюсной обмотки, снижена по сравнению с обычными двигателями постоянного тока того же типоразмера и номинала, чтобы уменьшить влияние нагрева якоря и межполюсных полюсов.

11. Улучшенный класс изоляции (материалы класса F в качестве стандартной изоляции) используется для обеспечения более высокого повышения температуры и рассеивания большего количества потерь от данного корпуса.

12. Соотношение дуга полюса/шаг полюса уменьшено, чтобы уменьшить отношение коммутационной зоны к нейтральной зоне.

13. Увеличена индуктивность якоря для уменьшения пульсаций тока. Это также может увеличить реактивное напряжение. Количество витков на катушку якоря поддерживается на минимальном уровне, поскольку реактивное напряжение пропорционально квадрату витков на катушку. Использование фиктивных катушек исключено.

14. Принудительное охлаждение вспомогательным двигателем переменного тока широко используется для улучшения охлаждения двигателя на пониженных скоростях.

15. Особое внимание следует уделить точному расположению щеток, полюсов и коллекторов.

Преимущества и недостатки тиристорного управления:

Тиристорное управление имеет следующие преимущества и недостатки:

Преимущества:

1. Реакция устройства управления быстрее, так как устраняется временная задержка, вносимая индуктивностями поля генератора и якоря.

2. Благодаря низкому падению напряжения на тиристоре эффективность системы управления высока.

3. Устройство управления меньше по размеру, легче по весу, дешевле по стоимости, занимает меньше места и требует минимального обслуживания.

4. Простое и надежное управление.

Недостатки:

1. Из-за более высокой пульсации на выходе преобразователя возникают серьезные проблемы с нагревом и коммутацией двигателя.

2. Из-за коммутационного действия тиристоров и несинусоидальности тока больше вероятность помех в сетях связи.

Во всех приводных системах с регулируемой скоростью силовой электронный преобразователь действует как интерфейс, который принимает электроэнергию от существующего источника и преобразует ее контролируемым образом в подходящую форму, совместимую с конкретной нагрузкой или процессом, для которого она используется. Основными источниками электроэнергии являются: Однофазный или трехфазный переменный ток 50 Гц от коммунальных сетей и постоянный ток от аккумуляторных батарей или солнечных батарей. Требуются четыре основные формы преобразования энергии: переменный ток в постоянный, постоянный в постоянный, постоянный в переменный и переменный в переменный.

Современные преобразователи компактны, дешевы, надежны, долговечны, гибки и полностью управляемы. Они также нуждаются в меньшем обслуживании. Они подходят для всех четырех основных форм преобразования энергии, упомянутых выше, через выпрямители (переменный/постоянный ток), прерыватели (постоянный/постоянный ток), инверторы (постоянный/переменный ток) и циклопреобразователи или регуляторы переменного тока (переменный/переменный ток).

Для управления двигателем постоянного тока регулируемая мощность постоянного тока от источника переменного тока постоянного напряжения получается с помощью управляемых выпрямителей (обычно называемых преобразователями) с использованием тиристоров и диодов. Управление постоянным напряжением достигается путем изменения фазового угла, при котором тиристоры запускаются, относительно формы волны приложенного переменного напряжения. Эта схема управления известна как фазовое управление.

В другой системе управления, известной как управление интегральным циклом, ток от источника переменного тока стробируется в течение нескольких полных циклов, а затем гасится в течение следующих нескольких циклов, причем процесс повторяется непрерывно. Управление осуществляется путем регулировки соотношения длительности включения и выключения. Этот метод подходит для управления двигателями постоянного тока мощностью в несколько кВт.

просты в эксплуатации и дешевле, так как не требуют дополнительных схем для процесса коммутации. В таких преобразователях достигается естественная коммутация, т. е. при включении входящего тиристора он сразу же смещает в обратном направлении выходящий тиристор и отключает его.

Методы фазового управления и управления интегральным циклом также применимы для двигателей переменного тока, в которых не требуется схема преобразователя.

Управление двигателями постоянного тока, питающимися от источника постоянного тока, осуществляется с помощью тиристорной схемы переключения, называемой прерывателем. В схемах прерывателя управление средним напряжением достигается за счет изменения соотношения продолжительности включения и выключения, в течение которого на двигатель подается напряжение питания постоянного тока. Это обеспечивает эффективное и бесступенчатое управление двигателями постоянного тока.

Двигатель также может работать в режиме рекуперативного торможения. Вместо схем преобразователя можно использовать неуправляемый выпрямитель, обеспечивающий постоянное постоянное напряжение, за которым следует прерыватель, обеспечивающий переменное среднее постоянное выходное напряжение. Контроллер прерывателя требует принудительной коммутации тиристора.

Для управления двигателями переменного тока, питающимися от источника постоянного тока, используются инверторы на основе тиристоров, транзисторов или полевых МОП-транзисторов. Такие схемы переключения передают энергию от источника постоянного тока к нагрузке переменного тока с переменной частотой и/или переменным напряжением. Из-за операции переключения формы сигналов переменного напряжения ступенчатые, гармоники которых отфильтровываются. Поскольку источником питания обычно является переменный ток, полная схема получения мощности с переменным напряжением и частотой включает использование как инвертора, так и преобразователя.

Циклоконвертер представляет собой блок управления для обеспечения переменного напряжения и мощности непосредственно от источника фиксированной частоты без необходимости использования промежуточного каскада постоянного тока. Механизм управления напряжением и частотой представляет собой комбинацию механизмов, используемых в преобразователях с фазовым управлением и инверторах с импульсной модуляцией.