3.7. Электропривод постоянного тока. Система преобразователь—двигатель
Электроприводы с двигателями постоянного тока до 1980-х годов были практически единственными регулируемыми электроприводами и использовались в агрегатах, в которых регулирование скорости было необходимо: прокатные станы, экскаваторы, металлорежущие станки, бумагоделательные машины и др. Основное достоинство этих электроприводов — отличная управляемость, главные недостатки — высокая стоимость машины, необходимость ее обслуживания.
К 2000 г. в связи с развитием частотно-регулируемого асинхронного электропривода доля электропривода постоянного тока в семействе регулируемых электроприводов снизилась до 15 % и остается примерно на этом уровне. В мощных агрегатах, когда необходимо обеспечить благоприятное взаимодействие с сетью, используется система генератор—двигатель (Г—Д), при меньших мощностях применяются различные схемы тиристорных преобразователей.
Далее рассмотрены кратко лишь некоторые вопросы, относящиеся к энергетическим режимам электропривода постоянного тока.
Электроприводы с двигателями постоянного тока выполняются, как правило, с использованием преобразователей, которые осуществляют питание обмоток якоря. При питании электроприводов от сети переменного тока такими преобразователями являются мотор-генераторные установки в системах Г—Д или управляемые выпрямители всех видов — однофазные и трехфазные, реверсивные и нереверсивные, мостовые и с нулевой точкой. Статические преобразователи используются также для питания обмоток возбуждения двигателей.
Преобразователи обеспечивают регулирование координат электропривода и создают возможности энергосбережения в установившемся и переходном режимах.
Минимизация выделяемых в двигателе потерь мощности может обеспечиваться за счет регулирования тока возбуждения. Рассмотрим условия минимизации потерь мощности при следующих двух допущениях: учитываются только потери в цепях обмоток якоря и возбуждения и не учитывается насыщение магнитной цепи двигателя. При этих условиях установившийся режим работы двигателя описывается следующей системой уравнений:
где ?P?, ?Ря, ?Рв — потери мощности соответственно суммарные, в цепях якоря и возбуждения; Iя, Iв — соответственно токи в цепях якоря и возбуждения; Rя, Rв — соответственно сопротивления цепей якоря и возбуждения; М, Mс — моменты двигателя и нагрузки (сопротивления), равные в установившемся режиме друг другу; Ф — магнитный поток двигателя; k — конструктивный коэффициент двигателя; kв — коэффициент пропорциональности между магнитным потоком и током возбуждения.
Подстановка формул (3.11) и (3.12) в формулу (3.10) приводит к следующему выражению для потерь мощности ?P?:
Беря производную от ?P? по току возбуждения Iв и приравнивая ее нулю, находим оптимальное значение тока возбуждения, при котором суммарные потери мощности ?P? минимальны:
Минимальное значение суммарных потерь мощности ?P?опт, соответствующее этому току возбуждения, будет равно:
Из формулы (3.15) следует, что суммарные потери мощности будут минимальными в том случае, когда потери мощности в цепях якоря и возбуждения будут равны друг другу. Это положение справедливо и для других типов двигателей.
Рис. 3.24. Схема электропривода с двигателем постоянного тока при минимизации потерь мощности
Из формулы (3.14) видно, что оптимальный ток возбуждения зависит от нагрузки двигателя Л/с, т.е. должен регулироваться при ее изменении. На рис. 3.24 показана схема электропривода, в котором осуществляется автоматическое поддержание тока возбуждения на оптимальном уровне при изменении нагрузки двигателя. При этом определение уровня нагрузки производится косвенно по измерению тока в якоре двигателя.
На схеме приняты следующие обозначения: ПЯ, ПВ — соответственно преобразователи цепей якоря и возбуждения; ДТЯ и ДТВ — соответственно датчики токов якоря и возбуждения; П — блок перемножения; ФП — функциональный преобразователь, осуществляющий расчет оптимального тока возбуждения Iв* в соответствии с формулой (3.14); РТВ — регулятор тока возбуждения; kв — коэффициент передачи цепи возбуждения; Я — якорь; U?, Uу — сигналы соответственно ошибки (рассогласования) и управления преобразователем возбуждения ПВ.
Пример 3.1. Двигатель постоянного тока имеет следующие номинальные данные: Рном = 19 кВт; nном = 1 500 об/мин; Uном = 220 В; Iя.ном = ЮЗ А; Iв.ном = 2,04 А; Rя = 0,12 Ом; Rв = 77 Ом, Фном = 10,1·10-3 Вб.
Требуется найти оптимальный ток возбуждения и соответствующие ему потери мощности при номинальном моменте нагрузки Мс = Мном.
1. Определяем номинальные скорость и момент двигателя:
2. Используя формулу электромеханической характеристики, записанную для номинального режима, находим произведение kФном:
3. Определяем конструктивный коэффициент к и коэффициент kв:
4. По формуле (3.14) находим оптимальный ток возбуждения:
5. Находим по формуле (3.15) суммарные потери мощности при этом токе возбуждения:
6. Для сопоставления определим эти же потери при номинальном токе:
Таким образом, снижение потерь составляет примерно 30%.
Минимизация потерь при использовании такого подхода возможна при ненасыщенной магнитной цепи двигателя. Только в этом случае повышение тока до оптимального значения приведет к пропорциональному увеличению магнитного потока и снижению потерь в двигателе до минимального уровня.
Для электроприводов, работающих в повторно-кратковременном режиме с частыми пусками, торможениями и реверсами, эффективное энергосбережение может быть осуществлено за счет снижения потерь в этих переходных процессах. Применительно к системе преобразователь—двигатель постоянного тока это обеспечивается за счет управляемых пуска и торможения двигателя, когда подаваемое на якорь двигателя напряжение при пуске постепенно повышается от нуля до полного (номинального), а при торможении постепенно снижается до нулевого уровня. При этом режим торможения двигателя может быть реализован с рекуперацией (отдачей) энергии в сеть.
Рис. 3.25. Электропривод с двигателем постоянного тока с задатчиком скорости:
а — схема электропривода; б — сигнал на входе задатчика скорости; в — сигнал на выходе задатчика скорости; г — графики скорости холостого хода и скорости якоря
На рис. 3.25, а приведена схема электропривода, в которой осуществляется регулирование напряжения при пуске и торможении. Необходимым элементом схемы является задатчик скорости (ЗС), называемый также иногда задатчиком интенсивности. Его работу иллюстрируют диаграммы на рис. 3.25, б и в. При подаче на вход ЗС ступенчатого сигнала задания скорости Uзс в момент времени t1, (пуск двигателя) напряжение U’зc на выходе ЗС начинает постепенно нарастать, например по линейной функции времени, а при снятии этого сигнала в момент времени t2 (торможение двигателя) — постепенно снижаться.
В соответствии с этим пропорционально будут изменяться подаваемое на двигатель напряжение U и определяемая им скорость холостого хода двигателя ?0 = U/kФ (см. рис. 3.25, г). Скорость якоря двигателя ?(t) из-за инерционности элементов механической части электропривода и исполнительного органа рабочей машины при пуске будет несколько меньше скорости ?0, а при торможении — несколько больше. За счет этого, как и в рассмотренном ранее асинхронном электроприводе, будут снижены потери энергии в якоре двигателя.
При линейном нарастании напряжения при пуске двигателя потери энергии в его якоре ?Wупр определяются следующим выражением:
где AlV— потери энергии при прямом пуске (ступенчатой подаче полного напряжения на якорь); Гм — электромеханическая постоянная времени, 
tп — время пуска.
Потери энергии ?W якоре двигателя при прямом пуске определяются выражением
где J — момент инерции электропривода; ?0 — скорость холостого хода двигателя; sнач, sкон — соответственно начальный и конечный относительный перепад скорости двигателя, 
Мср — средний момент двигателя при пуске; Мс — момент нагрузки двигателя.
Из формулы (3.16) следует, что при tп > 2Тм потери энергии при управляемом пуске будут меньше по сравнению с прямым пуском.
В системе генератор—двигатель, схема которой представлена на рис. 3.26, плавное изменение напряжения при пуске, торможении и реверсе двигателя происходит естественным образом вследствие наличия электромагнитной инерционности обмотки возбуждения генератора (ОВГ). При пуске двигателя замыкаются контакты аппарата КМ1 (или КМ2 для пуска двигателя в другом направлении), после чего происходит плавное нарастание тока возбуждения генератора (ВГ) Iвг, его ЭДС Ег и напряжения на якоре двигателя U, темп которого определяется постоянной времени цепи возбуждения генератора. За счет этого происходит снижение потерь мощности в двигателе по сравнению с пуском двигателя подачей полного (номинального) напряжения на якорь.
Рис. 3.26. Схема системы генератор—двигатель
Количественно снижение потерь энергии в двигателе может быть оценено с помощью выражения
где m отношение постоянных времени, m = Tв/Tм (Tв — постоянная времени цепи возбуждения генератора).
Из выражения (3.18) видно, что потери энергии в двигателе уменьшаются в (m + 1) раз по сравнению с соответствующими потерями в нем при скачкообразном изменении напряжения на якоре. Другими словами, чем больше инерция цепи возбуждения генератора и чем медленнее изменяется напряжение на якоре двигателя постоянного тока, тем меньше будут в нем потери энергии в переходных процессах.
Рекуперация энергии в сеть переменного тока при торможении двигателя (или на первом этапе его реверса) обеспечивается за счет свойства обратимости энергетических режимов электрических машин.
Торможение двигателя осуществляется отключением обмотки возбуждения от источника питания Uв размыканием контактов КМ1 (или КМ2). При этом происходит постепенное уменьшение тока возбуждения генератора Iвг, его ЭДС Ег и напряжения на якоре двигателя U. Вследствие наличия механической инерции якоря двигателя, элементов механической передачи и исполнительного органа рабочей машины ЭДС двигателя Eд, определяемая скоростью двигателя, превышает ЭДС генератора. При этом двигатель Д переходит в режим генератора, генератор Г — в режим двигателя, а приводной двигатель генератора АД — в режим генератора с отдачей (рекуперацией) энергии в сеть переменного тока напряжением U1.
Указанные свойства системы генератор—двигатель делают эту систему привлекательной с позиций энергосбережения, в первую очередь, для рабочих машин и производственных механизмов, работающих в повторно-кратковременном режиме. В то же время наличие электромашинного преобразователя (агрегат АД — Г) определяет более сложные условия эксплуатации электропривода, шум при работе, необходимость фундамента для установки этого агрегата, более высокие потери мощности по сравнению с полупроводниковыми преобразователями.
Пример 3.2. Двигатель постоянного тока с независимым возбуждением типа 2ПН—132 имеет следующие номинальные данные: Рном = 4 кВт; Uном = 220 В; nном = 1 500 об/мин; ?ном = 79 %; Rя=0,9 Ом; J=0,05 кг·м2. Требуется определить потери энергии в якоре при прямом и управляемом пуске с номинальным моментом нагрузки со временем нарастания напряжения tп = 1 с. Суммарный приведенный к валу двигателя момент инерции составляет 0,1 кг·м2. Принять, что при пуске средний момент двигателя равен двукратному номинальному моменту, а магнитный поток имеет номинальный уровень.
1. Определяем номинальную скорость двигателя:
2. Находим произведение kФном, используя формулу электромеханической характеристики двигателя постоянного тока для номинального режима:
3. Рассчитываем скорость холостого хода:
4. Рассчитываем электромеханическую постоянную времени:
5. Находим номинальный момент двигателя:
6. Рассчитываем конечный относительный перепад скорости:
7.Определяем потери энергии в якоре при прямом пуске двигателя (ступенчатая подача напряжения) по формуле (3.17):
8. По формуле (3,16) вычисляем потери энергии в якоре при линейном нарастании напряжения в течение 1 с:
Как видно, при плавном нарастании напряжения потери снизились в tп/2Тм = 1:2 • 0,056 = 2 986: 332 = 9 раз.
Электрическое торможение двигателей осуществляется переводом их в генераторный режим, в котором они создают на своем валу тормозной момент. По характеру взаимодействия с источником питания (сетью) различают три разновидности генераторного режима и соответственно три вида торможения:
• генераторный режим работы параллельно с сетью (режим рекуперативного торможения);
• генераторный режим работы последовательно с сетью (режим торможения противовключением);
• генераторный режим работы независимо от сети (режим динамического торможения).
Работа электрической машины в режиме генератора характеризуется одинаковым направлением ЭДС и тока якоря, в то время как в двигательном режиме ЭДС и ток якоря направлены встречно и двигатель потребляет электроэнергию.
Таким образом, для перевода двигателя в режим генератора необходимо обеспечить одинаковое направление ЭДС и тока якоря.
С позиций энергосбережения очевидным является использование рекуперативного торможения, поскольку в этом случае запасенная энергия в электроприводе и исполнительном органе рабочей машины может быть отдана (рекуперирована) источнику питания (в сеть), где может быть использована другими потребителями энергии. Два других вида торможения характеризуются преобразованием этой энергии в тепловую энергию, т.е. она попросту теряется. Рассмотрим режим рекуперативного торможения подробнее.
Режим рекуперативного торможения может быть реализован в системе управляемый выпрямитель—двигатель при использовании как нереверсивного, так и реверсивного выпрямителя.
Рекуперативное торможение в системе нереверсивный выпрямитель—двигатель. В этой схеме для обеспечения условий рекуперации энергии должны быть использованы устройства, обычно называемые реверсорами. Схема такой системы с реверсорами в цепи якоря двигателя приведена на рис. 3.27, а. На схеме УВ — управляемый тиристорный выпрямитель; В, Н — управляемые ключи реверсора; ОВ — обмотка возбуждения двигателя.
Реверсорами в такой схеме могут быть контактные или бесконтактные устройства.
Контактные реверсоры выполняются на базе электромагнитных контакторов общепромышленных серий или на основе специальных моноблочных конструкций электромагнитного типа. Для повышения надежности и срока службы электропривода обычно предусматривают бестоковую коммутацию цепей двигателя, что позволяет также использовать реверсоры без устройств дугогашения.
Бесконтактные реверсоры выполняются с использованием тиристоров. При их использовании также реализуется бестоковая коммутация тиристоров реверсора, обеспечиваемая п>тем закрытия тиристоров управляемого выпрямителя.
Рис. 3.27. Схемы электропривода с реверсорами в иепи якоря (о), при двигательном режиме (б), при рекуперации энергии (в)
Двигательный (основной) режим работы электропривода иллюстрирует схема на рис. 3.27, б, получаемая, например, при замыкании ключей В. В этом режиме угол управления а тиристорами УВ лежит в пределах ? = 0…90° и он работает в выпрямительном режиме. ЭДС двигателя E ток якоря Iя направлены встречно, и двигатель потребляет электроэнергию.
Для осуществления рекуперативного торможения (реверса) двигателя вначале закрываются тиристоры УВ установкой угла а ? 90°. После прекращения протекания тока размыкаются ключи В и замыкаются ключи Н, УВ переводится в инверторный режим за счет увеличения угла управления тиристорами до значений, превышающих 90°.
Схема, иллюстрирующая этот режим, приведена на рис. 3.27, в. ЭДС и ток якоря оказываются направленными согласно, двигатель переходит в режим генератора, и электроэнергия Э отдается в сеть. При торможении угол ? должен регулироваться таким образом, чтобы ток в якоре не превышал допустимых значений. К концу торможения угол ? достигает 90°, ток в якоре становится равным нулю и реверсоры отключаются.
Режим рекуперативного торможения может быть реализован при использовании реверсоров в цепи обмотки возбуждения ОВ по схеме, показанной на рис. 3.28. В двигательном режиме работы электропривода включен, например, ключ В и тиристоры УВ работают с углами управления ? в пределах 0…90°.
Для осуществления рекуперативного торможения (реверса) двигателя размыкаются ключи В и замыкаются ключи Н, а УВ переводится в инверторный режим за счет увеличения угла управления тиристорами до значений, превышающих 90°. За счет изменения направления тока возбуждения и соответственно магнитного потока ЭДС также изменяет свое направление на противоположное и ток якоря оказываются направленным с ней согласно. Двигатель переходит в режим генератора, и электроэнергия Э отдается в сеть.
Рекуперативное торможение в системе реверсивный выпрямитель—двигатель. В состав реверсивного выпрямителя (рис. 3.29) входят два нереверсивных управляемых выпрямителя УВ1 и УВ2. При двигательном режиме работы электропривода один из выпрямителей, например УВ1, работает в выпрямительном режиме с углом управления ?1 90° (при совместном управлении) или его тиристоры закрыты (при раздельном управлении). Этому режиму соответствуют направления ЭДС, тока якоря и электроэнергии, показанные на рис. 3.29 сплошными линиями.
Для реализации рекуперативного торможения (реверса) угол ?1 должен быть увеличен, а угол ?2 уменьшен, за счет чего и будет происходить рекуперация энергии в сеть с использованием УВ2. Этому режиму соответствуют направления ЭДС Е, тока якоря и электроэнергии, показанные на рис. 3.29 штриховыми линиями.
Рис. 3.28. Схема электропривода с реверсорами в цепи обмотки возбуждения
Рис. 3.29. Схема электропривода с реверсивным управляемым выпрямителем
← 3.8. Электроприводы постоянного тока. Система источник тока-двигатели
3.6. Электропривод с тиристорным регулятором напряжения —
Источник: //powergroup.com.ua/3_7_elektroprivod_postoyannogo_toka_sistema_preobrazovatel-dvigatel