книги / Электроприводы с полупроводниковым управлением. Системы постоянного тока с кремниевыми выпрямителями

Экспериментальным научно-исследовательским институтом метал­ лорежущих станков (ЭНИМС) была разработана модификация при­ вода ПКВ для шлифовальных станков с установкой в качестве за­ датчика бесконтактного сельсина, управляющего цепью возбуждения двигателя через промежуточный магнитный усилитель. Выходное на­ пряжение сельсина связано с углом поворота его ротора синусои­

больших нагрузках. Совмещение характеристик этих элементов не обеспечивает требуемый закон регулирования скорости вращения двигателя без применения искусственных мероприятий.

При изменении фазы выходного напряжения сельсина выполняет­ ся бесконтактное ступенчатое изменение величины ампер-витков управления магнитного усилителя, для чего используется поворот сельсина от 150 до 270° (при 180° изменяется фаза), а на выходе сельсина устанавливается фазочувствительный выпрямитель. При изменении угла поворота сельсина от 150 до 180° включены три управляющие обмотки магнитного усилителя, при повороте ротора сельсина на угол больше 180° полярность управляющего напряжения на выходе фазочувствительного выпрямителя меняется, отключаются две управляющие обмотки магнитного усилителя, а в цепь третьей обмотки вводится добавочное сопротивление.

С целью увеличения стабильности скорости вращения двигателя при изменении нагрузки введена отрицательная обратная связь по току якоря, воздействующая на цепь возбуждения двигателя. Для этого применяется трансформатор тока, первичная обмотка кото­ рого включается во вторичную цепь силового трансформатора, а вто­ ричная через выпрямитель на одну из обмоток управления проме­ жуточного магнитного усилителя.

На рис. 24 приведены зависимости тока возбуждения двигателя типа П-62 от тока якоря при поддержании постоянной скорости вра­ щения двигателя.

Из графика видно, что для обеспечения устойчивой работы при­ вода во всем диапазоне скоростей вращения при сохранении тре­ буемой стабильности характеристик необходимо уменьшать действие обратной связи по току якоря по мере увеличения скорости враще­ ния. Для этого в схеме предусмотрено постепенное снижение напря­ жения питания промежуточного усилителя по мере увеличения ско­ рости вращения двигателя.

Напряжение питания промежуточного усилителя состоит из опор­ ного напряжения U0 и напряжения сельсина Uc, которое при номи­ нальной скорости складывается с опорным напряжением, а при ослаблении поля двигателя в результате изменения фазы напряже­ ние сельсина вычитается из опорного напряжения. При этом ре­ зультирующее напряжение уменьшается, что приводит к соответ­ ствующему уменьшению! коэффициента обратной связи по току яко­ ря (рис. 25).

Выбор величин указанных напряжений обеспечивается тре­ буемая жесткость механических характеристик двигателя (5—7%) при устойчивой работе во всем диапазоне изменения скоростей вра­ щения.

При ослаблении поля двигателя ограничение тока в переход­ ных режимах осуществляется путем усиления возбуждения при пре­ вышении допустимого тока якоря введением положительной обрат­ ной связи по току якоря с отсечкой.

61

Для этого в силовой цепи переменного тока установлен отдель­ ный трансформатор тока, вторичная обмотка которого включена че­ рез выпрямитель и стабилитрон на две обмотки управления магнит­ ного усилителя, отключаемые при ослаблении поля от фазочувстви­ тельного выпрямителя (см. рис. 26).

Модификация привода была разработана для двигателей мощ­ ностью от 6 до 14 кет, для которых номинальный ток возбуждения изменяется незначительно (от 1,2 до 1,8 а). Поэтому оказалось воз­ можным ограничиться применением одного унифицированного регу­ лятора возбуждения, принципиальная электрическая схема которого приведена на рис. 26.

о§!мип

В табл. 16 приведены основные технические характеристики при­ мененных элементов управления: задатчика скорости ЗС (сельсина типа БД-404А), магнитного усилителя МУ типа УМ1П-25-35-61 и промежуточного усилителя ПУМ в цепи обратной связи по току типа ТУМ-2А.

64

Т абл и ц а 1G

скорости вращения двигателя в зависимости от угла поворота за­

прямолинейной зависимости на рис. 27 не превышает 10%, а же­ сткость скоростных характеристик не менее 7%.

9. ПРИВОДЫ СО СТУПЕНЧАТЫМ ИЗМЕНЕНИЕМ НАПРЯЖЕНИЯ НА ЯКОРЕ ДВИГАТЕЛЯ И ПОЛУПРОВОДНИКОВО-МАГНИТНЫМ КОММУТАТОРОМ В ЦЕПИ ВОЗБУЖДЕНИЯ

При питании двигателя от неуправляемого кремниевого выпря­ мителя возможно расширение диапазона регулирования скорости вращения двигателя до 4 : 8-н1 : 10 за счет использования комби­ нированного способа регулирования, т. е. сочетания ступенчатого изменения напряжения на якоре двигателя в 2 или 3 раза и непре-. рывного регулирования путем ослабления поля двигателя в диапа­ зоне от 1 : 2 до 1:3.

При ступенчатом изменении напряжения на выпрямителе путем переключения отводов трансформатора цепь возбуждения двигателя необходимо питать от отдельного независимого выпрямителя.

На рис. 29 приведены скоростные характеристики привода с дви­ гателем типа П-62 (8 кет, 1 000—3 000 об/мин) со ступенчатым из­ менением напряжения в 3 раза путем переключения отводов транс­ форматора. Как видно из приведенных графиков, изменение скоро­ сти вращения двигателя при изменении нагрузки от 0,25/н до / н и шунтовом регулировании в диапазоне до 1:3 достигает 13% при номинальном напряжении и 32% при пониженном в 3 раза напря­ жении на якоре двигателя. Кроме того, изменение напряжения сети приводит к примерно пропорциональному изменению скорости вра­ щения двигателя. Динамические характеристики такого привода являются неудовлетворительными: время переходного процесса при изменении нагрузки достигает 0,5— 1 сек.

Для улучшения качества статических и динамических характе­ ристик необходимо введение обратной связи по скорости вращения двигателя, которую возможно ввести только <в цепь возбуждения

65

двигателя, так как в цепи якоря установлены неуправляемые крем­ ниевые выпрямители.

Применение описанной в п. 8 системы с обратной связью по току в этом случае нецелесообразно по следующим причинам:

1.Не обеспечивается стабильность скорости вращения при из­ менении напряжения сети.

2.Нелинейные зависимости потока двигателя от тока возбуж­

дения и скорости вращения двигателя от его магнитного потока затрудняют проектирование системы с обратной связью по возму­ щающему воздействию.

off[мин

3000

2300

2000

1500

W00

500

о w го зо чо so оо а

Рис. 29. Скоростные характеристики элек­ тропривода с комбинированным регулиро­ ванием при отсутствии обратной связи.

3.При снижении напряжения в 3 раза соответствующим обра­

по скорости, воздействующей на цепь возбуждения двигателя.

При разработке привода рассмотрены два варианта датчиков скорости: тахогенератор постоянного тока типа ТМГ-ЗОП и синхрон­ ный тахогенератор.

Синхронный тахогенератор состоит из цельнометаллического ро­ тора с зубьями и статора с сердечником, набранным из отдельных штампованных листов электротехнической стали с размещенной в па­ зах трехфазной обмоткой переменного тока и обмоткой возбуждения постоянного тока. При вращении ротора благодаря различной про­ водимости по зубьям и пазам магнитный поток неподвижной обмот­ ки возбуждения пульсирует с частотой, пропорциональной скорости вращения. Благодаря изменению магнитного потока в т’рехфазной обмотке наводится э. д. с. переменной частоты, величина которой пропорциональна скорости вращения и зависит от тока, протекаю­ щего в обмотке возбуждения. Выход тахогенератора подключен к трехфазному трансформатору, обмотки которого имеют отводы, позволяющие изменять коэффициент трансформации трансформатора, а следовательно, и коэффициент усиления обратной связи по скоро­ сти. Вторичная обмотка трансформатора подключается к выпрями­ телю, собранному по трехфазной мостовой схеме.

66

Синхронный тахогенератор имеет ряд следующих преимуществ перед тахогенератором постоянного тока:

1.Простота устройства и надежность в работе благодаря от­ сутствию коллектора и щеточного контакта.

2.Меньшие габариты по длине в 2—3 раза.

3.Неизменность полярности выходного напряжения при изме­ нении направления вращения двигателя, что исключает в разраба­

тываемом приводе изменение знака, задающего напряжения.

4.Возможность использования синхронного тахогенератора одно­ временно и для измерения скорости вращения при установке транс­ форматора с двумя вторичными обмотками.

5.Ступенчатое увеличение коэффициента усиления обратной связи по скорости вращения двигателя за счет переключения отво­ дов трансформатора.

Основной недостаток синхронного тахогенератора, заключающий­ ся в изменении частоты выходного напряжения в зависимости от его скорости вращения, не является весьма существенным для рас­ сматриваемого привода с диапазоном регулирования не более 1 : 10.

Применение в цепи возбуждения привода с диапазоном регули­ рования более 1 : 3 рассмотренных серийных магнитных усилителей оказалось нецелесообразным из-за их малого быстродействия.

Возможна установка в цепи возбуждения либо полупроводнико­ во-магнитных коммутаторов [Л. 19], либо, что лучше, тиристоров. В связи с тем, что регулятор на тиристорах с обратной связью от тахогенератора постоянного тока описан в следующей главе, целе­ сообразно рассмотреть вариант с полупроводниково-магнитным ком­ мутатором и синхронным тахогенератором (рис. 30).

Полупроводниково-магнитный коммутатор представляет собой сочетание четырехкаскадного транзисторного усилителя и выходного магнитного усилителя с однополуперйодным запаздыванием. Изме­ нение величины среднего значения выходного тока достигается пу­ тем управления временем отпирания питающего напряжения, т. е. аналогично тому, как это имеет место в тиратронах и тиристорах.-

Для пояснения принципа действия магнитного коммутатора на рис. 31 изображены кривые напряжения питания и э. д. с. самоин­ дукции дросселя и петля гистерезиса его сердечника.

Известно, что положительное изменение магнитного потока (про­ изводная потока положительная) смещает рабочую точку сердеч­ ника вверх по петле гистерезиса, а отрицательное — вниз, причем положительное изменение потока в рабочий полупериод равно от­ рицательному изменению потока в предшествующий (управляющий) полупериод. В рабочий полупериод напряжение питания при нена­ сыщенном сердечнике почти полностью уравновешивается э. д. с. самоиндукции рабочих обмоток шр, а при насыщенном сердечнике полностью прикладывается к нагрузке. Таким образом, при задании определенной величины напряжения управления рабочая точка в управляющий полупериод смещается вниз по петле гистерезиса до тех пор, пока мгновенное значение э. д. с. демпферной обмотки куд дросселя не станет равным напряжению управления (ед = 1/у), после чего н. с. демпферной обмотки будет препятствовать дальней­ шему снижению потока и смещению рабочей точки сердечника вниз по петле гистерезиса в течение всего полупериода управления.

Демпферные обмотки выполняются низкоомными (с малым чи­ слом витков и большим диаметром провода), так что сопротивление контура демпфирования, приведенное к виткам рабочих обмоток,

67

cr>

(SO

Рис. 30. Принципиальная схема регулятора возбуждения с полупроводниково-магнитным коммутатором.

Мало в сравнении с сопротивлением смещения, Шунтирующим полу­ проводниковые вентили ВП1 и ВП2 в цепи рабочих обмоток. В этом

цепи возникнет большой ток »/д, который должен быть скомпенсиро­ ван возросшим током нагрузочной цепи, а н. с. демпферной обмот­ ки будет препятствовать изменению потока. При этом резко возра­ стает падение напряжения на

сопротивлении смещения R cм и э. д. с. управляющей (демпфи­ рующей) обмотки дросселя ед поддерживается с достаточной точностью, равной напряжению управления, независимо от ха­ рактеристики вентилей в цепи рабочих обмоток и качества стали магнитопровода. В рабо­ чий полупериод МДС рабочей обмотки смещает рабочую точ­ ку сердечника вверх до точки насыщения. При этом э. д. с. дросселя в этот момент будет равна нулю, а напряжение пи­ тания будет приложено к на­ грузке. Следовательно, при из­ менении величины управляю­ щего напряжения изменяются угол отсечки срк и связанная с ним величина выходного на­ пряжения. При Uу=0 демпфер работает без отсечки, удержи­

вая сердечник магнитного коммутатора в насыщенном состоянии, чем подготавливается угол отсечки фк = 0. При £/у= е д демпферные об­ мотки запираются вентилями ВП3 и ВЯ4, транзистором TY и управ­ ляющим напряжением. Намагничивающая сила демпферной обмотки отсутствует, а смещающая н. с., обеспечиваемая R cм, увеличивает э. д. с. демпферной обмотки до уровня UY. Если не учитывать влия­ ния вихревых токов и потока рассеяния, то э. д. с. демпферной об­ мотки безынерционно изменяется в соответствии с формой кривой управляющего напряжения. Таким образом, магнитный усилитель имеет полупериодное запаздывание, так как выходное напряжение определяется только величиной управляющего напряжения, дейст­ вующего в предыдущий период.

Первый каскад транзисторного усилителя собран по схеме с об­ щим эмиттером и обеспечивает требуемый коэффициент усиления по напряжению, а последующие каскады являются эмиттерными повторителями, необходимыми для согласования нагрузки уси­ лителя.

Работа схемы управления приводом при питании обмотки воз­ буждения от быстродействующего полупроводниково-магнитного коммутатора протекает следующим образом. При пуске двигателя для обеспечения номинального потока размыкается цепь задающего потенциометра ЗП контактом У2 'В этом случае происходит демпфи­ рование магнитного коммутатора без отсечки, а следовательно, ток возбуждения двигателя будет максимальный. После включения кон­

69

тактора ускорения второй ступени происходит ослабление магнит­ ного потока двигателя в соответствии с установленной скоростью.

Для увеличения устойчивости введена гибкая связь в виде диф­ ференцирующей цепочки R C на входе усилителя.

Разработанный привод со ступенчатым изменением напряжения в 3 раза и при шунтовом регулировании в диапазоне до 1 : 3 имеет скоростные характеристики с жесткостью до 5—6%. Наиболее за­ труднительным оказалось обеспечение требуемой стабильности при максимальных значениях магнитного потока, когда в связи с насы­ щением магнитной цепи двигателя для поддержания скорости не­ обходимо значительное изменение тока возбуждения двигателя. Из­ менение напряжения сети ±1_0% приводит к изменению скорости вращения двигателя не более + 5%.

Перерегулирование при набросе номинальной нагрузки состав­ ляло при полном напряжении до 20—25% с восстановлением скоро­ сти вращения через 0,3—0,5 сек с двумя-тремя колебаниями тока и скорости. Время пуска привода до максимальной скорости соста­ вило не более 2 сек, а время торможения не более 1 сек при на­ грузке моментом Mc = 0,5AfH.

Таким образом, как статические, так и динамические характе­ ристики привода являются удовлетворительными.

10.ПРИВОДЫ С КРЕМНИЕВЫМИ ВЫПРЯМИТЕЛЯМИ

СПИТАНИЕМ ОБМОТКИ ВОЗБУЖДЕНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ОТ ТИРИСТОРНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

Выпуск отечественной промышленностью неуправляемых крем­ ниевых вентилей серии ПВКЛ с допустимым обратным напряже­ нием до 1 000 в на токи до 200 а (см. § 4) позволяет производить на их базе электроприводы мощностью до 150—200 кет при бестрансформаторных схемах питания кремниевого выпрямителя от сети переменного тока напряжением 380 в. При этом в связи с отсут­ ствием достаточно эффективной быстродействующей максимальной защиты необходима установка защитных реакторов в цепи пере­ менного тока для ограничения тока короткого замыкания, проте­ кающего по вентилям и выключаемого автоматическим выключате­ лем. В указанных приводах возможны также трансформаторные схемы питания.

Для питания цепи возбуждения двигателя наиболее целесооб­ разно для приводов мощностью свыше 50 кет применять управляе­ мый тиристорный преобразователь. Если при мощности привода до 10—30 кет возбудитель с полупроводниково-магнитным коммутато­ ром на данном этапе развития электропривода может еще конку­ рировать с тиристорным хотя бы по стоимости, то при мощ­ ности двигателя более 50 кет все преимущества на стороне тири­ сторного.

В настоящем параграфе приводятся описание работы схемы, расчет ее параметров и характеристик и исследование регулируемого электропривода постоянного тока мощностью 50—125 кет с изме­

движения тяжелых токарных станков.

Принципиальная схема регулятора возбуждения изображена на рис. 32. Регулятор возбуждения собран по полууправляемой одно­ фазной мостовой схеме на двух тиристорах типа УПВ1КЛ-50-3 и

70