§ 8.14. СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ УПРАВЛЕНИЯ ДВИГАТЕЛЯМИ

Описанные принципы регулирования частоты вращения в двигательных и тормозных режимах находят свою практическую реализацию в четырех основных методах управления: 1) реостатно-контакторное управление; 2) управление по системе «генератор — двигатель»; 3) управление по системе «управляемый выпрямитель — двигатель»; 4) импульсное управление; Подробное исследование этих способов управления дается в курсах электропривода и теории автоматического регулирования, Здесь рассмотрены только основные положения, имеющие непосредственное отношение к теории электрических машин.

Реостатно-контакторное управление. В настоящее время это управление применяют весьма широко для регулирования частоты вращения двигателей малой и средней мощностей, а иногда и для регулирования мощных двигателей (на железнодорожном транспорте).

Обычно при реостатно-контакторном управлении используют два метода регулирования: 1) при частотах вращения, меньших номинальной, в цепь якоря включают реостат; 2) при повышенных частотах вращения регулируют ток возбуждения; Машины малой мощности при отсутствии автоматизированного управления имеют два регулировочных реостата с ручным приводом, один из которых включен в цепь якоря, а другой — в цепь возбуждения. При больших мощностях, а также при необходимости автоматизации процесса, значения их сопротивлений изменяют ступенчато (рис. 8.77) с помощью контакторов. Если требуется точное регулирование, то число контакторов должно быть очень большим, при этом вся установка становится громоздкой, дорогой и сравнительно малонадежной.

Рис. 8.77. Схема реостатно-контакторного регулирования двигателя с последовательным возбуждением

В двигателях с параллельным возбуждением реостатно-контакторное управление позволяет в зоне высоких частот вращения осуществлять рекуперативное торможение путем увеличения тока возбуждения; в зоне низких частот вращения применяют динамическое торможение, причем регулирований тормозного усилия осуществляют с помощью того же реостатно-контакторного устройства, которое используют для регулирования двигательного режима (после соответствующего переключения схемы).

В связи со сложностью автоматизации и большими расходами, идущими на ремонт и эксплуатацию, реостатно-контакторное управление постепенно заменяют более совершенными методами.

Управление по системе.«генератор—двигатель». При этом методе двигатель Д получает питание от преобразовательной установки, состоящей из генератора Г с независимым возбуждением (рис. 8.78, а), который приводят во вращение от какого-либо первичного двигателя ПД — электродвигателя, дизеля и пр. Регулирование частоты вращения осуществляют путем изменения: 1) напряжения, подаваемого на обмотку якоря двигателя путем изменения тока возбуждения генератора; 2) магнитного потока двигателя путем регулирования тока возбуждения двигателя.

Пуск двигателя и получение низких частот вращения происходят при максимальном токе возбуждения двигателя, но при уменьшенном токе возбуждения генератора, т. е. при пониженном напряжении. После того, как исчерпана возможность Повышения напряжения, осуществляют регулирование тока возбуждения, уменьшая магнитный поток двигателя. Направление вращения двигателя изменяют путем изменения полярности подводимого к якорю напряжения, для чего изменяют направление тока в обмотке возбуждения генератора.

Рис. 8.78. Схемы регулирования двигателя с независимый возбуждением при питании его от генератора и от управляемого выпрямителя

Снижение частоты вращения осуществляют с использованием рекуперативного торможения. Увеличивая ток возбуждения двигателя, а затем постепенно уменьшая ток возбуждения генератора, можно перевести двигатель в генераторный режим и быстро затормозить механизм. При этом накопленная кинетическая энергия якоря и приводимого во вращение механизма отдается в электрическую сеть. Если нагрузка имеет толчкообразный характер, то на валу первичного двигателя, вращающего генератор, ставят маховик, который уменьшает перегрузки первичного двигателя.

Управление по системе «генератор — двигатель» выгодно отличается тем, что оно не требует применения силовых контакторов, реостатов и т. п. Поскольку управление двигателем осуществляется путем регулирования сравнительно небольших токов возбуждения, оно легко поддается автоматизации. Рассматриваемый метод управления получил широкое применение в промышленности и на транспорте, в тех устройствах, где требуется регулирование частоты вращения в широких пределах. В транспортных установках генератор приводится во вращение дизелем. В промышленности для привода генератора обычно используют трехфазные синхронные или асинхронные двигатели. Недостатки этого метода: 1) большие масса, габариты и стоимость преобразовательной установки; 2) сравнительно низкий КПД (около 0,6 — 0,7), так как производится трехкратное преобразование энергии.

Управление по системе «управляемый выпрямитель — двигатель». Развитие полупроводниковой техники позволило применить для регулирования частоты вращения двигателя управляемый выпрямитель, выполненный на тиристорах; одновременно с выпрямлением он осуществляет регулирование выпрямленного напряжения (рис. 8.78,б). Применение рассматриваемого метода позволяет увеличить КПД и уменьшить массу преобразовательной установки.

Если требуется быстрый останов механизма с последующим реверсированием, то для осуществления рекуперативного торможения параллельно с выпрямителем включают инвертор, т. е. еще один полупроводниковый преобразователь, позволяющий отдавать электрическую энергию из сети постоянного тока в сеть переменного.

Недостатком рассматриваемого метода является снижение коэффициента мощности при пониженном выходном напряжении. Кроме того, несколько ухудшается коммутация двигателя из-за пульсаций тока якоря, которые особенно велики при питании выпрямителя от сети однофазного тока. Управление по системе «управляемый выпрямитель — двигатель» в настоящее время получает значительное развитие.

Импульсное управление. В настоящее время широко применяют импульсный метод регулирования частоты вращения двигателей постоянного тока. При этом на двигатель с помощью импульсного регулятора периодически подают импульсы напряжения определенной частоты.

Импульсный регулятор (рис. 8.79, а) состоит из входного фильтра LфСф, электронного (транзисторного или тиристорного) ключа ТК, обратного диода ОД и индуктивности L. В период времени τ, когда электронный ключ замкнут (транзистор или тиристор открыт), питающее напряжение U подается полностью на якорь двигателя, и его ток iа увеличивается (рис. 8.79, б); когда электронный ключ разомкнут (транзистор «ли тиристор заперт), ток ia продолжает проходить через якорь двигателя и обратный диод под действием электромагнитной энергии, запасенной в индуктивностях La + L цепи якоря; при этом ток ia уменьшается. Частота следования импульсов при номинальном режиме обычно составляет 200—400 Гц, вследствие чего период Т примерно на два порядка меньше постоянной времени цепи якоря. Поэтому за время импульса τ ток в двигателе не успевает значительно возрасти, а за время паузы Т — τ — уменьшиться.

Среднее значение напряжения, подаваемого на обмотку якоря,

где α = τ/Т— коэффициент регулирования напряжения, равный относительной длительности включения ключа ТК.

Рис. 8.79. Схема импульсного регулирования двигателя с параллельным возбуждением, графики изменения напряжения и тока и скоростные и механические характеристики

При этом частота вращения двигателя

где Iа = Iср — среднее значение тока якоря.

Изменение тока при работе импульсного регулятора ΔIа = (Iаmax - Iаmin) определяется по приближенной формуле

где f - частота работы импульсного регулятора; La + L - индуктивность цепи двигателя.

Если параметры схемы выбраны так, что пульсация тока не превышает 5 —10 %, то работа двигателя практически не отличается от работы двигателя при постоянном напряжении. Скоростные и механические характеристики двигателя 1, 2 и 3 (рис. 8.79,в), полученные при различных напряжениях, подаваемых на обмотку якоря, при таком режиме работы аналогичны соответствующим характеристикам двигателя при изменении питающего напряжения U.

При уменьшении нагрузки двигателя с параллельным возбуждением возрастают пульсации тока якоря и при некоторой критической нагрузке наступает режим прерывистых токов. Поскольку условие Ia = 0 имеется при Е = U, частота вращения при идеальном холостом ходе
n0 = U/сеФ не зависит от времени τ, т. е. от коэффициента регулирования напряжения α. Благодаря этому при некоторой критической частоте вращения nкр , когда двигатель переходит в режим прерывистых токов, угол наклона скоростных и механических характеристик к оси абсцисс резко изменяется. В диапазоне n0 > n > nкр эти характеристики имеют примерно такую же форму, как и при регулировании частот вращения путем включения реостата в цепь якоря. Критическая частота вращения

где β = Т/Та (Т — период следования импульсов; Ta = (La + L)/ΣRa — постоянная времени цепи обмотки якоря). Среднее напряжение Uср , подаваемое на двигатель, регулируют путем изменения либо продолжительности периода Т между подачей управляющих импульсов на электронный ключ ТК при τ = const (частотно-импульсное регулирование), либо путем изменения времени τ при постоянном значении T (широтно-импульсное регулирование). Используют также комбинированное регулирование, при котором изменяется как T, так и τ. Импульсное управление двигателями малой мощности и микродвигателями осуществляют с помощью импульсных регуляторов, в которых коммутирующими элементами являются

Рис. 8.80.  Схемы включения двигателя через тиристорный импульсный прерыватель при   частотно-импульсном   и   широтно-импульсном регулировании

транзисторы. Для управления двигателями средней и большой мощности применяют регуляторы с тиристорами. Так как тиристор в отличие от транзистора является не полностью управляемым вентилем, то для запирания его применяют различные схемы искусственной коммутации, обеспечивающие. прерывание проходящего тока путем подачи на его электроды обратного напряжения.

Схему, изображенную на рис. 8.80,а, используют при частотно-импульсном регулировании. Тиристор Т отпирается путем подачи импульсов тока управления на его управляющий электрод, запирается с помощью коммутирующего конденсатора Ск . Перед включением тиристора конденсатор Ск заряжен до напряжения U. При подаче отпирающего импульса на управляющий электрод тиристор Т открывается и через якорь двигателя начинает проходить ток ia. Одновременно происходит перезаряд конденсатора Ск через резонансный контур, содержащий индуктивность L1. После окончания перезаряда, когда полярность конденсатора изменяется, к тиристору прикладывается обратное напряжение. При этом он восстанавливает свои запирающие свойства и прохождение тока через тиристор прекращается. в дальнейшем конденсатор Ск разряжается через нагрузку, и схема оказывается подготовленной для после-дующего отпирания тиристора. Время открытого состояния тиристора определяется параметрами резонансной цепи τ ≈ π√L1Ск .

Схему, изображенную на рис. 8.80.б, используют при широтно-импульсном и комбинированном регулировании. В этом случае импульсный прерыватель имеет два тиристора: главный T1 и вспомогательный Т2. Запирание главного тиристора T1 осуществляется коммутирующим конденсатором Ск , который подключается к тиристору T1 в требуемые моменты времени вспомогательным тиристором T2. После запирания тиристора T1 коммутирующий конденсатор заряжается от источника питания через тиристор T2 и якорь двигателя, а после повторного. открытия главного тиристора T1 перезаряжается через цепочку, содержащую индуктивность L1 и диод Д1, и приобретает полярность, требуемую для последующего запирания тиристора T1.

Торможение при импульсном управлении. При работе двигателя от импульсного регулятора можно производить его рекуперативное и динамическое торможение. Импульсное управление позволяет осуществлять рекуперативное торможение при ЭДС машины Е, меньшей напряжения сети, т. е. почти до полного останова.

В этом режиме тиристорный ключ ТК включают параллельно якорю двигателя, а диод Д — между якорем и питающей сетью (рис. 8.81, а). При отпирании ключа ТК якорь машины вместе с индуктивностью L замыкается накоротко. Из-за этого увеличивается ток ia и происходит накопление электромагнитной энергии в индуктивностях La + L, а возникающая ЭДС самоиндукции eL уравновешивает ЭДС машины Е (рис. 8.81, б). После запирания прерывателя ток ia под действием ЭДС самоиндукции eL происходит через диод и накопленная энергия отдается в сеть. Среднее значение Iср тока, отдаваемого в сеть, определяется разностью между ЭДС якоря Е и напряжением сети U. Из закона сохранения энергии IасрЕ = IсрU имеем

Рис. 8.81. Схема рекуперативного торможения двигателя при импульсном регулировании

Следовательно, по мере уменьшения частоты вращения якоря ток Iср , отдаваемый в сеть, уменьшается, хотя ток якоря Iаср может оставаться постоянным, а следовательно, неизменным остается и тормозной электромагнитный момент.

По мере снижения частоты вращения и и ЭДС Е для поддержания требуемого значения тока Iаср увеличивают частоту регулятора f при частотно-импульсном регулировании или длительность импульса τ при широтно-импульсном регулировании. При малой частоте вращения, когда а увеличивается до единицы, якорь машины остается все время замкнутым накоротко и отдача энергии в сеть прекращается. Однако ток ia продолжает проходить через якорь, и режим торможения осуществляется практически до полного останова. Частота вращения nкр, при которой прекращается рекуперативное торможение,

где Rи.п — активное сопротивление элементов импульсного прерывателя (тиристоров и индуктивности L), по которым замыкается ток ia.

Динамическое торможение осуществляется аналогично, однако в схеме, приведенной на рис. 8.81, а, вместо сети и фильтра LфСф включают реостат, в котором гасится энергия, отдаваемая машиной.