Процессы в силовой цепи системы УВ-Д. Угловая скорость источника питания. Электромагнитный момент двигателя

Лекция 23,24

Процессы в силовой цепи системы УВ-Д

Процессы в силовой цепи УВ-Д будем рассматривать при следующих допущениях [1]: ЭДС двигателя   постоянна; падение напряжения  на открытом вентиле  постоянно и не зависит от протекающего по нему тока; активное и индуктивное сопротивления якорной цепи постоянны.

Первое допущение обосновано тем, что, хотя якорная цепь и обтекается импульсами выпрямленного тока  (рис, 1), но,   благодаря   механической инерционности якоря двигателя, его угловая скорость  во время пауз уменьшается так мало, что этими колебаниями в стационарном динамическом режиме можно пренебречь.

Падение напряжения на открытом вентиле  составляет для транзисторов 0,3—0,7 В, для тиристоров (в зависимости от их класса) 0,75—1,10 В . Поэтому источник может учитывать как прямое падение напряжения на открытых вентилях, так и на щетках двигателя.

При подаче управляющего сигнала на УВ с углом регулирования  (рис, 2) вентиль открывается и в силовой цепи формируется импульс тока . Значение угла  должно лежать в пределах . Для углов , не удовлетворяющих этому условию, открывание УВ не происходит, поскольку текущее значение напряжения . В течение интервала протекания тока для цени справедливо уравнение:

             (2)

где - угловая скорость источника питания;

Благодаря наличию ЭДС самоиндукции, импульсы тока не заканчиваются при переходе сетевого напряжения через нуль, поскольку на аноде вентиля по отношению к катоду сохраняется положительное напряжение. Таким образом, угол открывания вентиля

где  - угол запирания (закрывания) вентиля.

Эпюра выпрямленного напряжения на якоре двигателя  изображена также на рис. 2.

Электромагнитный момент двигателя имеет импульсный характер и его среднее значение определяется по формуле

Среднее значение электромагнитного момента  двигателя должно уравновешивать  статический момент. Механическая характеристика привода при прерывистых токах становится нелинейной. Прерывистость тока в якорной обмотке  двигателя не только определяет переменную крутизну механической характеристики, но и большой уровень гармонических составляющих  тока якоря. Это означает наличие значительных дополнительных потерь в двигателе, что ухудшает коэффициент мощности и увеличивает нагрев двигателя.  Эффективным средством уменьшения диапазона действия прерывистых токов является увеличение фазности и тактности УВ. Это уменьшает длительность работы каждого вентиля в многофазных преобразователях до , где  фазность и тактность схемы (ее пульсность). Поэтому все современные УВ многофазны.

Рассмотрим процессы и статические характеристики системы УВ—Д с трехфазной нулевой схемой преобразователя (рис. 3, а).

В эквивалентной схеме (ряс. 3,б) приняты следующие обозначения: мгновенные значения ЭДС, наводимые в фазах вторичных обмоток  силового трансформатора; - мгновенные значения токов, протекающих через вентили;  и мгновенные значения выпрямленного напряжения и тока на выходе преобразователя; - среднее значение выпрямленного тока;  и - активная и индуктивная составляющие сопротивлений фазы трансформатора, приведенные к его вторичной цени, равные:

                 

где  и  - активные составляющие сопротивлений первичной и вторичных обмоток трансформатора;  и  соответствующие индуктивные составляющие сопротивлений;  и - число витков тех же обмоток.

Среднее значение выпрямленной ЭДС определяется формулой

, где - максимальное значение выпрямленной ЭДС при ;  

                       (3)

Здесь - действующее значение фазной ЭДС вторичной обмотки трансформатора при q = 1 и линейной ЭДС при  q= 2.

В однополупериодных схемах выпрямителей ток  равен току одного проводящего вентиля в течение всего времени его работы, кроме периода коммутации вентилей, характеризуемого углом перекрытия , когда работают два вентиля (рис. 4,б). Следовательно, суммарное падение напряжения в якорной цепи системы УВ—Д определяется падением напряжения обусловленным процессом коммутации вентилей падением напряжения на вентилях в открытом состоянии  (включая падение на щетках двигателя), на активных сопротивлениях трансформаторов , на активных сопротивлениях реактора  и якоря двигателя .

Определение этих падений напряжений, вследствие зависимости параметров электрической цепи системы от многих  параметров, представляет собой сложную задачу. Однако благодаря принятым ранее допущениям, которые не вносят существенных погрешностей в расчеты, ее можно упростить.

С учетом изложенного найдем параметры системы УВ—Д (рис. 5). Падение напряжения  зависит от тактности выпрямителя:

. Падение напряжения , при однотактной схеме выпрямителя:

.                         (4) Угол коммутации  при заданном значении  найдем в виде

          (5)

Если угол  не превышает 20—30°, то , и поэтому часто принимают .

Для трехфазной нулевой схемы снижение напряжения, обусловленное процессом коммутации вентилей, вычислим по формуле

              (6)

Таким образом, для среднего выпрямленного напряжения  при трехфазной нулевой схеме управляемого выпрямителя (m=3, q=1), используя выражения (3.3) – (3.6) и эквивалентную схему на рис. 5, получаем:                                  (7)

или, подставляя численные значения параметров схемы,

,                          (8)

где - угол коммутации, рад.

Для расчета среднего выпрямленного напряжения при трехфазной мостовой схеме управляемого выпрямителя  (m=3 b q=2). (/=2) выражение (8) примет такой вид:

, где

Полученные выражения позволяют перейти к расчету механических