Электропривод постоянного тока системы ТП-Д

Размещено на http://www.allbest.ru

Электропривод постоянного тока системы ТП-Д

Система ТП - Д - электропривод, в котором двигатель постоянного тока получает питание от тиристорного преобразователя переменного тока в постоянный. Позволяет регулировать угловую скорость двигателя, вращающий момент и др. параметры. Применяется в основном совместно с системой автоматического регулирования. Обладает хорошими регулировочными характеристиками, высокими надёжностью и кпд (обусловлен кпд тиристорного преобразователя - до 99%). Мощность от единиц кВт до несколько МВт.

Основным типом преобразователей, применяемых в настоящее время для управления ДПТ, является тиристорный преобразователь, то есть статический полупроводниковый преобразователь. Эти преобразователи представляют управляемые реверсивные или нереверсивные, однофазные или трёхфазные выпрямители, собранные по мостовой или нулевой схеме. Определённые перспективы развития тиристорных преобразователей связаны с использованием в них транзисторов, которые в настоящее время применяются в основном для импульсного регулирования напряжения.

Рассмотрим характеристики привода на примере использования в нем простейшего нереверсивного статического преобразователя.

Рис.1. Схема нереверсивного тиристорного преобразователя

Механические характеристики двигателя в схеме «нереверсивный преобразователь - двигатель»

электропривод постоянный ток преобразователь

Преобразователь включает в себя в общем случае согласующий трансформатор Т, два тиристора VS1 и VS2, сглаживающий дроссель L и систему импульсно-фазового управления (СИФУ). Преобразователь обеспечивает регулирование напряжения на Д за счёт изменения среднего значения ЭДС преобразователя. Это достигается регулированием с помощью СИФУ угла управления тиристорами (угол представляет собой угол задержки открытия тиристоров относительно момента, когда напряжение на анодах становится положительным). Зависимость среднего значения ЭДС от угла для многофазного преобразователя:

, (1)

где - число фаз преобразователя;

- амплитудное значение ЭДС преобразователя;

- ЭДС преобразователя при .

В связи с пульсирующим характером ЭДС на выходе преобразователя ток в цепи Д также пульсирует. Такой характер тока оказывает вредное влияние на работу Д: ухудшаются условия коммутации, возникают дополнительные потери на нагрев. Для уменьшения пульсаций тока в цепь якоря Д включают сглаживающий дроссель. Габариты преобразователя и его вес определяются размерами дросселя и трансформатора. Уравнения электромеханической и механической характеристик имеют вид:

, (2)

. (3)

Здесь:

- эквивалентное сопротивление преобразователя;

- число фаз преобразователя;

и - приведённые к вторичной обмотке трансформатора индуктивное сопротивление рассеянья и активное сопротивление обмотки трансформатора;

- активное сопротивление обмотки дросселя L.

Особенностью характеристик Д при питании его от управляемого выпрямителя является наличие зоны прерывистых токов, в пределах которой характеристики нелинейны. Жесткость характеристик в этой зоне резко изменяется. Вследствие односторонней проводимости преобразователя характеристики располагаются в первом и четвёртом квадранте. Меньшим углам соответствует большая ЭДС и большая частота вращения. При ЭДС преобразователя равна нулю и мы имеем режим динамического торможения.

Для получения характеристик Д во всех четырёх квадрантах используются реверсивные управляемые выпрямители, которые обычно составляют из двух нереверсивных. Работу во всех четырёх квадрантах можно также обеспечить и при использовании нереверсивных преобразователей, за счет изменения направления тока в обмотке возбуждения Д. В реверсивных преобразователях используют два основных принципа управления: совместное и раздельное.

Рис. 2. Система ТП-Д с реверсивным управляемым выпрямителем

Рис. 3. Механические характеристики двигателя в системе ТП-Д с реверсивным управляемым выпрямителем

При совместном управлении в работе участвуют все вентили (тиристоры). При этом от СИФУ импульсы управления, подаваемые на катодный комплект (VS1,VS3,VS5), и импульсы, подаваемые на анодный комплект (VS2,VS4,VS6), сдвинуты на угол, близкий к . Один комплект работает в выпрямительном режиме и проводит ток, а другой в инверторном режиме и ток не проводит. При этом между средними значениями ЭДС выпрямителя и инвертора устанавливается соотношение:

,

но за счёт разности мгновенных значений ЭДС между комплектами вентилей протекают токи, называемые уравнительными. Для их ограничения в схеме предусмотрены реакторы и . Вид механических характеристик Д зависит от способа согласования углов управления двумя комплектами вентилей. При линейном согласовании сумма углов выпрямителя и инвертора поддерживается равной (то есть ). При этом механические характеристики линейны во всех четырёх квадрантах и практически соответствуют характеристикам в системе Г-Д.

В ряде случаев для уменьшения уравнительных токов используют нелинейное согласование, при котором сумма углов управления и несколько отличается от . В этом случае уравнительные токи уменьшаются, но при переходе Д из двигательного в генераторный режим имеет место заметное увеличение скорости, то есть характеристики двигателя становятся нелинейными, поэтому этот способ согласования применяется редко.

Раздельное управление используется для полного исключения уравнительных токов. Сущность его состоит в том, что импульсы управления подаются только на один комплект вентилей, который в данный момент времени проводит ток. На второй комплект импульсы не подаются, и он закрыт. Управление преобразователем в этом случае осуществляется с помощью специального логического устройства. Это устройство осуществляет контроль за током преобразователя, обеспечивает в функции входного сигнала включение и выключение комплектов вентилей с небольшой паузой в 5-10 мс. В результате при переходе из одного режима работы в другой вблизи оси скорости наблюдается режим прерывистых токов, что приводит к нелинейности характеристик.

На сегодняшний день система ТП-Д получила наибольшее распространение из-за следующих достоинств:

1. Плавность и значительный диапазон регулирования скорости.

2. Высокая жесткость механических характеристик.

3. Высокий КПД электропривода (КПД преобразователя определяют КПД трансформатора 0,93-0,98 и КПД выпрямителя 0,9-0,92).

4. Малая инерционность, высокое быстродействие.

5. Бесшумность в работе, простота в обслуживании и эксплуатации.

Но наряду с этим существуют и следующие недостатки:

1. Односторонняя проводимость преобразователя.

2. Для получения характеристик во всех четырёх квадрантах необходимость использования двухкомплектного реверсивного преобразователя.

3. Напряжение на якоре двигателя имеет пульсирующий характер, что ухудшает его работу.

4. Необходимость сглаживания пульсаций приводит к применению сложных многофазных систем выпрямления и достаточно дорогих и тяжелых дросселей.

5. Работа управляемого выпрямителя характеризуется режимом прерывистых токов, что приводит к нелинейности характеристик.

6. С ростом диапазона регулирования скорости снижается коэффициент мощности (cosц ? cosб; cosц = cos(б + г/2), где г - угол коммутации).

7. Вентильный преобразователь вносит искажение в форму тока и напряжения источника питания.

8. Тиристорные преобразователи имеют невысокую помехозащищенность и малую перегрузочную способность.

Регулирование напряжения на якоре можно осуществить импульсным методом, периодически подключая двигатель к источнику питания и отключая его. В период отключения двигатель продолжает работать за счёт запасенных кинетической и электромагнитной энергий (рис. 4) .

Рис. 4. Схема включения (а) и механические характеристики (б)

Рис. 5. Графики изменения напряжения и токов.

Очевидно, что при подаче напряжения на двигатель ток замыкается по цепи якоря через источник (рис. 4, а). Параллельно якорю включается диод VD, который обеспечивает протекание тока по якорю в течение паузы. Ток протекает за счет ЭДС самоиндукции якоря, которая возникает при размыкании цепи. Кроме того, диод помогает избежать перенапряжения на якоре и существенно облегчает режимы коммутации ключа . За счет того, что ток по цепи якоря протекает непрерывно, существенно уменьшаются пульсации тока якоря (рис. 5).

Из всех видов импульсного регулирования обычно для управления Д используют широтно-импульсное. Оно характеризуется скважностью импульсов:

.

При этом частота импульсов остаётся постоянной. Среднее напряжение на якоре можем определить так:

.

В результате уравнение механической характеристики запишется следующим образом:

. (4)

Из этого выражения видно, что характеристики линейны и параллельны друг другу, а среднюю скорость можно легко регулировать, изменяя скважность импульсов. При этом жесткость достаточно высокая и соответственно высокая стабильность регулирования (рис. 4, б).

Недостатком этого метода является то, что при слишком большой паузе ток может уменьшиться до нуля и возникнет режим прерывистых токов, что приводит к нелинейности механических характеристик в заштрихованной области. В этом случае жесткость механических характеристик резко падает. Единственным способом борьбы с этим явлением является повышение частоты коммутации ключа . Она составляет 800-1200 Гц. Увеличению ее препятствует рост потерь в ключе и динамические параметры ключа.

Обычно для реализации этого способа используются тиристорные или транзисторные ключи. При включении Д по схеме представленной на рисунке (4, а), он может работать только в первом квадранте ( - режим динамического торможения). Реверсирование Д возможно лишь за счет обмотки возбуждения. В настоящее время разработан ряд схем, позволяющих при импульсном регулировании напряжения обеспечить работу Д во всех четырех квадрантах, осуществлять реверсирование за счет изменения тока в цепи якоря. Этот способ получил широкое распространение в связи с его простотой, малой инерционностью привода. Широкое распространение получил этот метод в маломощных приводах, особенно при использовании автономных источников постоянного тока (аккумуляторов).

Виды защит для системы ТП-Д

Защита предназначена для осуществления защиты электропривода от неправильного чередования фаз питающей сети, обрыва любой из фаз, исчезновения стабилизированного напряжения источника питания, перегрева электродвигателя типа.

Электропривод унифицированный трехфазные серии ЭПУ 1-2-Д

Узел защиты (УЗ).

Функциональная схема узла защиты:

Сигнал с ФПЕ выставлять таким образом, чтобы в точке ослабления поля U_ФПЕ =(8--9) В. При напряжении U_ФПЕ ?10 В возникает перенапряжение на двигателе, а недокомпенсация (U_ФПЕ ? 7 В) приводит к насыщению регулятора скорости при снижении Uсети на «-15%», что обуславливает снижение скорости двигателя.

Следующие виды защит:

-- максимально-токовая защита и время - токовая зашита;

-- от перегрева двигателя (от токовых перегрузок);

-- от перегрева преобразователя (в том числе по причине исчезновения вентиляции);

-- от исчезновения напряжения питающей сети цени управления и силовой цепи (в том числе по причине сгорания предохранителей);

-- от обрыва цели тока возбуждения;

-- от обрыва цепи тахогенератора;

-- от неправильного чередования фаз;

-- от превышения максимальной скорости двигателя;

-- от перенапряжений на двигателе.

Защиты воздействуют на R--S триггер T1, выполненный на логических элементах «И--НЕ> Д2.3 и Д2.4, который при срабатывании переводит цепь регулирования в инверторный режим что вызывает зажигание светодиода V52 и через выдержку времени t₂=10 мс снимает управляющие импульсы с якорного преобразователя (сигнал в СИФУ). Кроме того, подается сигнал «0» с транзистора V51 па «Выход 1УЗ» к внешней сигнализации, которая включается между указанной точкой и источником « + 24 В».

1) Максимально-токовая защита.

Максимально-токовая защита цепи якоря (Iя макс) выполнена на транзисторе V37, а цепи возбуждения (Iв макс) на транзисторе V77. Установка срабатывания защиты по Iя макс определяете величиной сменного резистора R92, а по Iв макс величиной резистора R164.

Зашиты воздействуют на основной триггер Т1 при этом загорается светодиод V52 и снимаются импульсы с якорного преобразователя. При срабатывании защиты цепи возбуждения дополнительно загорается светодиод V64 (перегрев двигателя), снимаются импульсы с формирователя импульсов возбудителя ФИВ (сигналом Uбл. ФИВ)

2) Время - токовая защита.

Время - токовая защита от перегрузок двигателя выполнена на операционном усилителе А11.1, работающем в режиме интегратора и пороговом элементе ПЭ1. Данная защита воздействует на основой триггер Т1 и триггер ТЗ, при этом загорается сигнальный светодиод V64--«Т1» (перегрев двигателя) и светодиод" V52--«У» (запрет импульсов).

Уставка срабатывания защиты определяется резистором R103 и дополнительно, сигналом на резисторе R104 (если необходима дистанционная установка время - токовой защиты). Данная защита является вспомогательной и настраивается на определенное время перегрузки двигателя максимальным (пусковым) током в застопоренном состоянии (вход «Уставка Т⁰»).

3) Защита от перегрева двигателя (от токов перегрузок).

Защита от перегрева двигателя выполняется элементе Д3.2 при наличии в двигателе встроенного позистора R3 (RT°M). Уставка срабатывания защиты определяется величиной сопротивления резистора R121. При перегреве двигателя сопротивление позистора резко возрастает, на входах микросхемы Д3,2 формируется сигнал логической «1». При этом на выходе ДЗ.2 .формируется сигнал логического «0», переключающий триггеры Т1 и ТЗ. Управляющие импульсы якорного преобразователя переводятся в положение б макс, снимаются импульсы с возбудителя и якорного преобразователя, загораются светодиоды V64 («Т1») и V52.

4) Защита от перегрева преобразователя.

Защита от перегрева преобразователя срабатывает при перегреве тиристоров преобразователя или токоограничивающего реактора на токи 400 и 630 А и выполнена на усилителе А10.2 и относящихся к нему элементах. Чувствительным элементом защиты является терморезистор R19 {RТ°П), установленный па общем охладителе. При достижении охладителем температуры выше допустимой сопротивление R19 уменьшается, и на выходе усилителя А10.2 появляется сигнал логического нуля «0», который приводит к срабатыванию триггера Т4, выполненного на элементах Д5.3 и Д5.4. На выходе Т4 появляется сигнал логического «0», загорается светодиод V69 (Т2), по цепи диода V67 срабатывает основной триггер Т1, загорается светодиод V52» снимаются импульсы в СИФУ.

5) Защита от исчезновения напряжения питающей сети в цепи управления или силовой цепи (в том числе по причине сгорания предохранителей).

Защиты объединены в одну и действуют на один триггер (Д5.1, Д5.2). При переключении триггера (срабатывании защиты) загораются светодиоды V70 «F») и V52 («У»), снимаются импульсы управления с якорного преобразователя.

Зашита от исчезновения напряжения питающей сети в силовой цепи выполнена на выпрямителе и реле К1, расположенных в блоке датчика проводимости и действуют на триггер Т5 (элементы Д5.1, Д5.2). Вход выпрямителя подключен к входу ТПЯ. При исчезновении напряжения во всех фазах или в одной из фаз контакт реле К1 отпадает. При этом сигнал логического нуля с резистора R165 поступает на вход элемента Д1.3, с него на триггер Т5 и переключает его.

Данная защита контролирует также целостность предохранителей в фазах преобразователя (в исполнениях электропривода до 100 А).

Защита от исчезновения напряжения питающей сети в цепи управления выполнена на элементах Д1.3, V44, RI01, С51 и триггере Т5 (Д5.1, Д5.2).

При исчезновении или снижении напряжения управления всех или одной из фаз более чем на 50%, транзистор V44 открывается, и триггеры Т1, Т6 переключаются.

6) Защита от обрыва цели тока возбуждения.

Защита выполнена на операционном усилителе A10.1, включенном по схеме порогового элемента, и на элементе ДЗ.З.

При включенном приводе в нормальном состоянии на выходе ДЗ.З -- положительный сигнал («логическая «1»). При обрыве цепи возбуждения на выходе А10.1 появляется положительный сигнал, обусловленный отрицательным смещением, подаваемым на инверсный вход А10.1 через резистор R136. На выходе ДЗ.З появляется сигнал логического «0», загорается светодиод V57 «Ф». Перебрасывается общий триггер Т1, загорается V52 («У»).

Уставка определяется резистором R136 и выбирается такой, чтобы защита не срабатывала при минимально возможном в работе токе возбуждения.

7) Защита от обрыва цепи тахогенератора.

Защита выполнена на операционном усилителе А11.2, включенном по схеме автогенератора. Настройка узла проводится при отключенном тахогенераторе с помощью сменного резистора R129. Величина его выбирается такой, чтобы выходной сигнал автогенератора из синусоидального превратился в прямоугольный, т. е. чтобы усилитель начал насыщаться. При подключении цепи тахогенератора якорной цепью последнего шунтируется автогенератор, прекращается его работа (генерация). В аварийном режиме при обрыве цепи тахогенератора происходит включение (самовозбуждение) автогенератора.

Импульсное напряжение на выходе выпрямляется диодом V59, сглаживается фильтром Ф1 (элементы С43, R137) и открывает транзистор V61 (см. схему платы Е2), который включен последовательно (по схеме «И») с транзистором узла контроля минимальной скорости n<=nмин. При таком включении защиты исключается ложное срабатывание последней из-за возможного проскока щеток тахогенератора на высоких скоростях. При обрыве цепи тахогенератора транзистор также открывается, загорается светодиод («BR»). Перебрасывается общий триггер TI, загорается V52 («У»).

8) Защита от неправильного чередования фаз.

Защита от неправильного чередования фаз выполнена на элементах «И--НЕ» и состоит из одновибратора, собранного на элементах Д6.1, Д6.2, Д6.4 и Д-триггера, собранного на элементах Д7.1...Д7.4.

При исчезновении одной из фаз или не правильном чередовании фаз питающей сети загораются светодиоды V73 («ABC»), V52 («У»).

9) Защита от превышения максимальной скорости.

Защита от превышения максимальной скорости (n>n макс) выполнена на базе транзистора V54. Уставка срабатывания V54 определяется величиной сопротивления резистора R119. Через резистор R119 на базу транзистора поступает сигнал с выпрямителя В1, выполненного на микросхемах А9.1, пропорциональна ЭДС двигателя с датчика ДЕ.

При превышении максимальной скорости двигателя на 20% транзистор открывается и срабатывает триггер Т1 и загорается светодиод V52 («У»), углы управления переводятся в бмакс и снимаются импульсы с ТПЯ.

10) Блокирование выхода регулятора.

Блокирование выхода регулятора PC выполнено на операционных усилителях A6.1, А9.1, работающих в режиме выпрямителя (В1), нуль-орган (НО1), на микросхемах Д1.1, Д3.1, Д3.4, элементах R126, С3.8 (задержка Дt₁), ключах V56…

На вход BI поступает сигнал с датчика ЭДС. В исходном состоянии скорость равна нулю ubr =0 или Uде =0), контакт «Р» («Работа»), разомкнут. На выходах Н01, Д1.1 и Д3.4 -- логическая «1», на Д3.1 -- ноль. Выход регулятора PC, закорочен транзистором V6, т. к. на его базе -- отрицательный потенциал (транзистор V56 закрыт).

В работающем приводе при u_ДЕ ? 0 и замкнутом контакте «Р» на выходах H01, Д1.1 --сигнал логического «0», на выходе Д3.1 -- «1», на выходе Д3.4 -- «0». Транзистор V6 закрыт положительным потенциалом источника питания, поступающим на его базу через открытый транзистор V56, при этом регулятор скорости оказывается разблокированным. В режиме торможения на выходе Д 1.1 устанавливается сигнал логической «1», а выход Н01 сохранит свое прежнее состояние («0») до момента, пока скорость двигателя не станет близкой к нулю. При этом Н01 изменит свое состояние. На входах элемента Д-3.1 установятся сигналы логической «1», а на его выходе-- «0», который запускает элемент выдержки времени, выполненной на элементах R126, С38. Напряжение на С38 начинает уменьшаться и при достижении уровня логического нуля переключает элемент Д3.4. Транзистор V6 открывается, закорачивая сигнал на выходе регулятора скорости. Выдержка времени необходима для обеспечения электрического торможения двигателя в области малых скоростей, что необходимо из-за некоторой зоны нечувствительности в узлах А9.1, А6.1.

11) Защита от перенапряжений двигателя.

Защита действует на регулятор ЭДС при исчезновении обратной связи по напряжению (это может произойти из-за неполадок в датчике напряжения ДН или обрыва цепи ДН).

Если при этом привод работал на максимальной скорости (n макс), то произойдет форсированное возрастание поля и ЭДС двигателя:

При отсутствии защиты величина Е макс может достигать 2 кВ, что вызывает прорыв инвертора и выход из строя тиристоров.

Схема узла работает следующим образом. При возникновении на двигателе перенапряжения пробивается стабилитрон V8, замыкается контакт реле К1 и перебрасывается триггер Т2, управляющий транзисторными ключами V3 и V33. Ключ V3 шунтирует сигнал задания, а. ключ V33 -- выход регулятора РТВ, с ограничением потока до Ф мин. Таким образом, идет торможение двигателя с ограничением его ЭДС.

Размещено на Allbest.ru