2. Преобразователи для автоматизированного электропривода

Преобразовательное устройство, являющееся одним из важнейших звеньев автоматизированного электропривода, служит для преобразова­ния и усиления сигнала управления до величины, достаточной для управления двигателем. В качестве силовых преобразователей могут служить генераторы, электромашинные усилители, магнитные усилите­ли, тиристорные преобразователи, для маломощных приводов - тран­зисторные усилители.

В недалеком прошлом в качестве силовых преобразователей использовались электромашинные устройства, но с развитием электроники они постепенно уступили место тиристорным преобразователям. Однако электромашинные преобразовательные устройства имеют единст­венное преимущество - высокий коэффициент мощности, которое позволяет использовать их в мощных электроприводах.

2.1. Выбор электромеханических силовых преобразователей

При выборе электромеханических преобразователей необходимо, чтобы напряжение преобразователя соответствовало номинальному напряжению двигателя, а отношение номинальных токов преобразова­теля I_ГН и двигателя I_ДН удовлетворяло условию

≥ 1.

При этом чем выше требование к быстродействию электропривода, тем больше должно быть указанное отношение.

2.2 Выбор тиристорных силовых преобразователей

В настоящее время промышленностью выпускаются комплектные тиристорные устройства, и выбор их осуществляется аналогично вы­бору электромеханических силовых преобразователей. Однако часто возникает необходимость проектирования нестандартного тиристорного электропривода, что связано с расчетом и выбором силового транс­форматора, выбором типа вентилей, расчетом необходимой индуктивности ограничивающих реакторов. Кроме того, при расчете динамичес­ких режимов необходимо знать параметры силового трансформатора, т.к. он входит в основную цепь электропривода.

2.2.1. Расчет параметров силового трансформатора

Теоретическое значение фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора, питающего т  фазный управляемый выпрямитель, определяется выражением [2]

, (2.1)

где Ксх - коэффициент схемы (табл.1);

Udo  среднее значение выпрямленного напряжения при α=0 (принимается равным номинальному напряжению двигателя).

Требуемое значение фазного напряжения U_2Ф с учетом необходимого запаса

U_2Ф = K_U K_R U ^/_2Ф , (2.2)

где K_U = 1,1 - коэффициент запаса по напряжению, учитывающий возможное снижение напряжения сети на 10 %;

K_R =1,05 - коэффициент запаса, учитывающий падение напряжения в вентилях, обмотках трансформатора и за счет перекрытия токов.

Требуемое линейное напряжение вторичной обмотки

.

Действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора

I₂ = K_{T 2} K_i I_d , (2.3)

где K_i = 1,05...1,1 - коэффициент, учитывающий отношение формы анодного тока вентилей от прямоугольной;

K_{T 2} - коэффициент схемы (табл.1).

Действующее значение тока первичной обмотки

, (2.4)

где K_T1 - коэффициент схемы (табл.1);

K_TР - коэффициент трансформации.

Расчетная типовая мощность силового трансформатора с учетом необходимого запаса

(2.5)

где K_M - коэффициент повышения расчетной мощности трансформатора, зависящий от схемы выпрямления (табл.1);

- мощность выпрямленного тока, Вт.

По требуемой мощности и напряжению выбирают трансформатор с мощностью , линейным напряжениеми схемой соедине­ния обмоток  «Звезда – Звезда»

2.2.2. Выбор вентилей

Вентили выбираются по среднему значению выпрямленного тока с учетом возможной перегрузки двигателя и по максимальному значению обратного движения. Максимальное значение выпрямленного тока I_m = (2,2…2,5) I_ЯН.

Среднее значение тока через вентиль

, (2.6)

где m ^/ - коэффициент, зависящий от схемы (табл.1).

Расчетная максимальная величина обратного напряжения, прикладываемого к вентилю

(2.7)

где К_ВТ - коэффициент, определяемый по табл.1;

- действительная величина среднего значения выпрямленного напряжения при α=0 и питании выпрямите­ля от выбранного трансформатора.

Максимальная величина обратного напряжения с учетом необхо­димого запаса

U_об.т. = (1,3…1,5) U ^/_об.т.

По параметрам I_ВСР и U_об.т выбирают вентили [З].

Необходимо помнить, что вентили могут пропустить ток, указан­ный в паспортных данных, только при условии идеального охлаждения. Для охлаждения вентилей применяют типовые охладители из алюминие­вых сплавов [4]. Так, например, семиреберный охладитель из алюми­ниевого сплава с естественным воздушным охлаждением позволяет загружать вентили током, не превышающим 40 % от тока, указанного в паспорте (прил. 2).

2.2.3. Определение расчетных параметров якорной цепи.

Под расчетными параметрами якорной цепи понимаются ее сум­марная индуктивность и суммарное активное сопротивление.

Суммарная индуктивность якорной цепи складывается из индук­тивности обмотки якоря двигателя L_д и индуктивности фазы транс­форматора, приведенной к цепи выпрямленного тока L_Т:

Индуктивность якоря двигателя

, (2.8)

где β - коэффициент, учитывающий степень компенсации электри­ческой машины;

β = 0,6 - для нескомпенсированной машины;

β = 0,25 - для скомпенсированной машины;

Р_д - число пар полюсов;

= 0,105n_H рад/с.

Индуктивность фазы трансформатора, приведенная к цепи выпрям­ленного тока,

, (2.9)

где X_T - индуктивное сопротивление трансформатора, которое определяется по формуле

, (2.10)

где U_L - индуктивная составляющая напряжения короткого замыкания трансформатора в относительных единицах (ориентировочно U_L = 0,095),

I₂ - действующее значение тока вторичной обмотки трансфор­матора.

При питании двигателя от тиристорного преобразователя в якор­ной цепи может иметь место прерывистый ток, при котором увеличи­ваются потери в двигателе и механические характеристики привода становятся мягкими. Для уменьшения области прерывистых токов ин­дуктивность якорной цепи необходимо увеличить.

Требуемая суммарная величина индуктивности якорной цепи, обеспечивающая непрерывность тока,

, (2.11)

где ω=2πƒ  угловая частота;

m  число фаз выпрямления;

I_min  минимальное значение непрерывного тока двигателя (ориентировочно I_min=0,1I_ЯН).

Действующее значение переменой составляющей выпрямленного напряжения находят по данным табл.1:

. (2.12)

Сравнивая суммарную индуктивность якорной цепи с величиной требуемой индуктивности, приходят к выводу о целесообразности установки в якорную цепь сглаживающего дросселя с индуктивностью

. (2.13)

Суммарное активное сопротивление якорной цепи

,

где R_д и R_П  активное сопротивление двигателя и преобразователя.

Активное сопротивление двигателя

, (2.14)

где α =1,2…1,4  коэффициент, учитывающий увеличение сопротивления обмоток при нагревании;

 сопротивление щеток.

Активное сопротивление преобразователя

, (2.15)

где R_T  активное сопротивление обмотки трансформатора, которое определяется по формуле

, (2.16)

U_a = 0,02…0,03  активная составляющая напряжения короткого замыкания трансформатора;

R_К  коммутационное сопротивление, которое определяют по выражению

, (2.17)

где m  параметр схемы (табл.1).

При определении сопротивления преобразователя необходимо учитывать схему управляемого выпрямителя. Так, в мостовой трехфазной схеме одновременно работают два вентиля, поэтому

.