CC BY
32
Том 161
ИЗВЕСТИЯ
ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА
1967
ИМПУЛЬСНЫЕ СИСТЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ СКОРОСТИ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ С ФАЗОВЫМ РОТОРОМ
А. И. ЗАЙЦЕВ, Ю, П. КОСТЮКОВ
(Рекомендована научным семинаром электромеханического факультета)
Основным направлением технического прогресса в области автоматизированного электропривода становится применение полупроводниковой техники и в первую очередь тиристорных устройств — наиболее экономичных и обладающих повышенной надежностью [1]. *
Развитие полупроводниковой техники позволяет пересмотреть вопрос о применении импульсного метода для регулирования скорости асинхронных двигателей с фазовым ротором. При применении этого метода управления можно регулировать скорость в довольно широких пределах и получать требуемые механические характеристики.' Большим его достоинством является простота'схем управления, быстродействие. Импульсные системы достаточно полно удовлетворяют требованиям некоторых общепромышленных механизмов (насосы, вентиляторы, компрессоры и т; д.) в отношении глубины и плавности регулирования скорости.
Как известно, регулирование скорости асинхронных двигателей с фазовым ротором осуществляется изменением сопротивления в роторной цепи и по каскадным схемам, в которых энергия скольжения через преобразовательное устройство вентильного или машинного типа возвращается в сеть [2]. Импульсный метод регулирования скорости можно применять как в том, так и другом случае. При этом в роторнукУ цепь постоянного тока параллельно преобразовательному устройству или добавочному сопротивлению вводится схема искусственного выключения на тиристорах. Для чисто вентильных систем такая схема обладает некоторыми преимуществами с точки зрения коэффициента мощности питающей сети [31. Рекуперируемая в сеть энергия зависит от диапазона регулирования и характера нагрузки. Преобразовательное устройство может быть общим для нескольких каскадов.
Для схем с импульсно-регулируемым сопротивлением устраняется основной недостаток реостатного способа — ступенчатость регулирования.
При импульсном методе регулирование скорости осуществляется изменением относительной продолжительности включения силового тиристора, которая равна
I т »
где: Т—период повторения импульсов;
—длительность импульса, соответствующая времени, в течение которого преобразователь (или добавочное сопротивление) проводит ток.
При импульсном регулировании скорости асинхронных двигателей с фазовым ротором наиболее целесообразно применять закон коммутации с постоянным временем отключенного состояния силового тиристора и переменной частотой [4].
Для уменьшения пульсаций тока желательно выбирать минимально возможным, руководствуясь предельным значением рабочей частоты силового тиристора. Гак как коммутационные потери в тиристорах прямо пропорциональны частоте и току, то для получения малых значений у при вентиляторной нагрузке вполне допустимо завышать рабочую частоту силового тиристора по сравнению с паспортной. Обычно 1и лежит в пределах 500—2000 мкеек, где большие значения относятся к приводам с постоянной нагрузкой.
На рис. 1 представлена простейшая схема, в которой используется импульсно-регулируемое сопротивление для контроля скорости двигателя с фазовым ротором (АД). Дроссель Р служит для сглаживания пульсаций тока в цепи ротора.
АД В Р
Нижний предел регулирования скорости при данной нагрузке определяется величиной добавочного сопротивления /?д. При у=0 ток ротора замыкается через Яд и энергия скольжения рассеивается в этом сопротивлении.
Работа на большой скорости достигается увеличением относительной продолжительности включения. При -■=1 ротор асинхронного двигателя через выпрямительный трехфазный мост (В) закорачивается силовым тиристором схемы искусственного выключения (ИВ). Остаточное скольжение двигателя определяется падением напряжения в его роторе, выпрямительном мосте и тиристоре. Механическая характеристика почти совпадает с естественной, установка эксплуатируется при. наибольшем к. п. д.
При произвольных относительных продолжительностях (0<у*<С1) схема искусственного выключения позволяет как бы плавно изменять значение активного сопротивления от величины 7?д до 0.
Регулирование скорости введением сопротивления в роторную цепь не экономично и может применяться только для двигателей мощностью до 100 квт.
Схемы искусственного выключения на тиристо-
pax. Энергетические показатели и надежность работы импульсных систем зависят от правильного выбора частоты коммутации и схемы искусственного выключения.
Асинхронный двигатель с фазовым ротором может работать в установившемся режиме при кратковременных перегрузках и в переходном процессе, потребляя значительный пусковой ток; также возможна работа двигателя в режиме прерывистых токов; для расширения верхнею и нижнего диапазонов регулирования необходимы пределы изменения •{ порядка 0,05-^-0,95. При больших токах и малых напряжениях величина коммутирующего конденсатора оказывается значительной. Все это предъявляет определенные требования к схемам искусственного выключения. Очевидно, следует отдать предпочтение схемам, у которых энергия, накопленная в коммутирующем конденсаторе, повышается с ростом тока нагрузки, что значительно облегчает процесс отключения силового тиристора. Это достигается включением индуктивности Li, работающей в режиме прерывистых токов. При наличии индуктивности Li конденсатор заряжается до напряжения большего, чем среднее значение выпрямленного напряжения = Величина этой индуктивности выбирается небольшой (десятки микрогенри), чтобы ограничить максимум прямого, напряжения на силовом тиристоре.
Величина емкости конденсатора определяется максимальной величиной коммутируемого тока, напряжением на конденсаторе и временем восстановления управляемости силового тиристора (Ti).
Ниже рассматриваются * некоторые схемы, которые отличаются способом перезарядки конденсатора и его подключением к зажимам силового тиристора для обеспечения запирания последнего. Для упрощения рисунков цепи управления и двигателя опускаются.
На рис. 2. приведена автотрансформаторная схема искусственного выключения [5, 6]:
Будем считать, что тиристор Т2 Сыл включен. При включении Тл нижняя обкладка конденсатора резонансно заряжается через ¿2 до-максимума положительного напряжения, котсрэе удерживается блокирующим диодом ДТем временем тек ротсра прохедит через Тг и Lu После включения Т2 тиристор 7\ оказывается смещенным в обратном направлении и запирается, конденсатор перезаряжаете и одновременно воспринимает на себя ток нагрузки; схема искусственного выключения возвращается в исходное состояние и т. д.
Автотрансформаторная схема по принципу действия аналогична схеме, описанной в [7], за исключением того, что магнитная связь между катушками индуктивности в последней отсутствует.
Так как конденсатор заряжается выше среднего значения напряжения двигателя при ;=0, то возможен разряд конденсатора через JXu L2X1 и преобразовате-ль или добавочное сопротивление, которые на рисунке не показаны. Уменьшение начального напряжения конденсатора зависит от параметров разрядной цепи и может быть незначительным, в противном случае эффективность коммутационной цепи резко снижается. Этот недостаток проще всего устранить заменой блокирующего диода Д| тиристором Тз, работающим синхронно с Ti.
4- 0-
Рис. 2.
На рис. 3 приведена модернизированная автотрансформаторная схема, в которой габариты силового тиристора не приходится завышать, так как перезаряд конденсатора происходит только через Тз. Замыкание тока нагрузки одновременно через Тз и Тг практически исключается.
. Очевидно, данные схемы целесообразно применять при частотах до 530 гц, при этом элементы конденсаторной коммутации могут иметь .небольшие размеры.
■+ t>
-0
+ с-
— о
Рис. 3.
Рис. 4:
Основной недостаток рассмотренных cxerfi и аналогичных [5] — трудно получить малую у при высокой частоте коммутации, так как конденсатор С перезаряжается при проводящем силовом тиристоре Т}.
Указанных недостатков в некоторой степени лишена схема рис. 4 [8], в которой конденсатор С заряжается через вентиль Дь После включения Т2 возникает колебательный процесс в. контуре L2—С. Когда перезаряд конденсатора закончится, вентиль Дi начинает проводить ток и оба тиристора выключаются. Полу период собственных колебаний контура не должен быть больше 304-40 иксек, иначе габариты конденсатора приходится увеличивать [8].
Номинальная мощность вспомогательного тиристора выбирается из соображений, что наибольший пик тока, проходящий через T2j превышает двойное значение тока нагрузки. Хотя Т2 проводит ток короткий промежуток времени, его габариты и стоимость будут большими при частоте модулятора равной 1000 гц и постоянной нагрузке.
Возможны и другие модификации схемы рис. 4. Так, комбинацией вспомогательных тиристоров и насыщающихся дросселей получаются более экономичные схемы при час-тбтах 1 кгц и менее [8].
Предлагаемая схема (рис. 5) выгодно отличается от предыдущих меньшими размерами элементов конденсаторной коммутации при частоте 1 кгц и более. Когда на Т3 подается пусковой импульс, конденсатор С заряжается до напряжения указанной полярности. Резонансный перезаряд коммутирующего конденсатора происходит через катушку индуктивности ¿2 и Олокирующий Рис. 5.
+ 0
— 0
:диод Д1 в- интервале отключенного состояния силового тиристора Ть С приходом очередного импульса на Т2 конденсатор С разряжается и примерно в течение времени восстановления управлямости силового тиристора воспринимает на себя -юк двигателя, после этого конденсатор заряжается и все процессы повторяются. В данной схеме предъявляются определенные требования к величине индуктивности Ь2, которая выбирается из условия, чтобы полупернод собственных колебаний перезарядного контура не превышал минимальной длительности периода повторения импульсов и был достаточным для восстановления управляемости вспомогательного тиристора. Таким образом, данная схема применима только при законе коммутации с постоянным временем, отключенного состояния силового тиристора и переменной частотой. В схеме рис. 5 легко получгпь требуемую минимальную у.
Рассмотренные схемы искусственного выключения (рис. 2—5) обеспечивают надежную коммутацию в области непрерывного тока ротора и не предназначены для работы в области прерывистых токов. Этого недостатка лишена схема с зарядом конденсатора от дополнительного источника (рис. 6). Конденсатор С заряжается через катушку индуктивности 12 и блокирующий диод Д1 примерно до двойного напряжения источника питания. Минимальная длительность периода повторения импульсов должна с небольшим запасом превышать полупериод собственных колебаний зарядного контура. Когда отпирается конденсатор С разряжается через индуктивность ¿3 и на катоде Т\ появляется положительное напряжение, что приводит к запиранию силового тиристора. Вспомогательный тиристор запирается, когда ток в колебательном контуре Т2—/-з—С изменяет свое направление. Условие нормальной работы схемы — амплитуда тока в колебательном контуре должна превышать максимальное значение тока через силовой тиристор. Для получения малого времени вос-! становления силового тиристора
необходимо, чтобы через прибор в период восстановления протекал достаточно высокий обратный ток. С этой целью параллельно Рис. 5. преобразовательному устройству
(на рис. 6 не показано) включается конденсатор С{ достаточно большой емкости (С'г—С). Импульс обратного тока проходит в контуре Т2—Т\—Д—С\ в течение нескольких микросекунд. При этом элементы коммутирующей цепи имеют небольшие размеры, по сравнению со схемой без С-. Основной недостаток схемы рис. 6 — наличие дополнительного источника.
В заключении отметим, что рассмотренные схемы искусственного выключения могут применяться и для других целей импульсного регулирования.
~ 0-
С,
Lз
ЛИТЕРАТУРА
1. Четвертая Всесоюзная конференция по автоматизированному электроприводу. Решение. ВНИИЭМ, 1965.
2. Д. А. 3 а в а л и ш и н. В. А. Прозоров. Основные направления и перспективы развития регулируемого электропривода переменного тока. В сб.: «Автоматизированный электропривод», Наука, 1964.
3. К. Неишапп. Pulse Control of D-C and A. C. Motors by Silicon — Controlled Rectifiers. IEEE Transactions on Communication and Electronics, 1964, V. 83,
73.
4. А. И. Зайцев, Ю. П. Костюков. Асинхронный вентильный каскад с импульсным управлением. Известия ТПИ, т. 153, 1965.
5. К р е м н и е в ы е управляемые в е н т и л и-т и р и с т о р ы, Технический справочник (пер. с анг.), Энергия, 1964.
6. Nev i I le W. Mapham, John C. Heu„ The control of Battery Powered DC Motors Using SCR'S in the Jones circuit. IEEE International Convention Record, 1964, № T-4.
7. Gurwicz D. Apulsed d. c. motor control system. Electrical Review, 1964* № 175, № 19.
8. R. E. Morgan. Tirm Ratio Control with combined SCR and SR Commutation. IEEE Transactions on Communication and Electronics, 1964; № 83, № 73.
