Система генератор-двигатель
При рассмотрении свойств электромеханического преобразователя постоянного тока с независимым возбуждением было установлено, что наиболее широкие и благоприятные возможности управления процессами электромеханического преобразования энергии обеспечиваются изменением приложенного к якорной цепи двигателя напряжения uя. Для того чтобы зменять подведенное к якорю напряжение, используют различного вида управляемые преобразователи. До сравнительно недавнего времени для этой цели преимущественно применялись электромашинные преобразователи - генераторы постоянного тока, а основной системой регулируемого электропривода была система Г-Д. В настоящее время в связи с развитием вентильных преобразова телей ее применение сокращается, однако она продолжает
успешно применяться во многих ответственных промышленных установках.
Характеристики основных элементов системы Г-Д для наглядности показаны на том же рисунке в непосредственной близости от соответствующих элементов. Рассмотрим с их помощью особенности системы Г-Д как объекта управления.
В качестве приводных двигателей ПД применяются либо асинхронные, либо синхронные двигатели (на рис.6.4,а для случая использования синхронного двигателя штриховой линией показана цепь питания его обмотки возбуждения, ток которой Iвс, а напряжение питания Uвс).
Механическая характеристика 1 (рис.6.4,б) асинхронного двигателя AД обладает конечной статической жесткостью. Поэтому при изменении нагрузки на валу, создаваемой генератором Г при работе электропривода, скорость преобразовательного агрегата в небольших пределах изменяется (wг=var).
При использовании синхронного двигателя его скорость в статических режимах работы при разных нагрузках генератора остается неизменной (wг=const, прямая 2 на рис.6.4,б). Однако и в этом случае в динамических процессах скорость агрегата изменяется из-за ограниченной динамической жесткости механической характеристики синхронного двигателя bдин. В качестве примера на рис.6.4,б показана динамическая механическая характеристика 3 для случая установившихся колебаний нагрузки. Эта характеристика показывает, что и при синхронном двигателе в динамических процессах скорость агрегата может изменяться в небольших пределах относительно синхронной скорости двигателя (wг¹wг0).
Изменения скорости генератора приводят к изменению его ЭДС, следовательно влияют на работу электропривода. В частности, при асинхронном ПД с ростом нагрузки электропривода в двигательном режиме возрастает тормозной момент генератора и в соответствии с кривой 1 на рис.6.4,б скорость wг и ЭДС генератора Eг=k1Фгwг постепенно снижаются, что сказывается на скорости двигателя. В мощных электроприводах, для которых и применяется система Г-Д, это снижение составляет 1,5-2% и вызывает примерно такое же снижение скорости электропривода w в дополнение к другим факторам.
Преимуществами асинхронного приводного двигателя являются его меньшая колебательность, большая простота и надежность. Однако следует учитывать, что благодаря возбуждению постоянным током синхронный двигатель менее критичен к колебаниям напряжения сети, особенно при наличии системы автоматического регулирования тока возбуждения.
Номинальная мощность возбуждения мощных генераторов постоянного тока Pв.ном=Uв.ном·Iв.ном
достигает 0,5-1% номинальной мощности генератора, т.
е. составляет киловатты и десятки киловатт. Для осуществления автоматического регулирования коэффициент усиления системы Г-Д по мощности недостаточен, поэтому в цепь возбуждения генератора вводятся усилители мощности.
До недавнего времени для этой цели использовались электромашинные и позже магнитные усилители. Последние еще находят применение в ряде серийных электроприводов, выпускаемых в настоящее время. Однако основным видом возбудителей в современных системах Г-Д являются тиристорные и транзисторные преобразователи, обладающие весьма высоким быстродействием и коэффициентом усиления по мощности, составляющим сотни тысяч. Примерная характеристика тиристорного возбудителя Uв1=f(Uу) представлена на рис.6.4,в. При линейной зависимости угла регулирования от Uy ее рабочий участок составляет часть синусоиды, при арккосинусоидальной он линеен. При дальнейшем рассмотрении эта кривая и в первом случае линеаризуется без большой погрешности. С учетом небольшого запаздывания и малых постоянных времени фильтров (ТS=Гтв) динамические процессы тиристорного возбудителя ТВ при этом описываются уравнением
где kтв=UВ.Г./Uy - коэффициент усиления тиристорного возбудителя по напряжению.
Следует заметить, что основным видом тиристорного возбудителя в настоящее время является преобразователь с раздельным управлением, в характеристике которого в зоне прерывистых токов проявляется неоднозначность. Однако в связи с большой постоянной времени нагрузки это влияние незначительно и здесь не учтено.
Основной элемент энергетической части системы управления - генератор Г - также обладает нелинейной и неоднозначной характеристикой Eг=f(Uвг) при wг=const, которая представлена на рис.6.4,г кривой 1, линейной на основной части при ненасыщенной магнитной цепи. Вследствие гистерезиса в ней проявляется существенная неоднозначность (кривая 2). Учет гистерезиса усложняет анализ динамических процессов, так как каждым изменениям возбуждения соответствуют частные петли гистерезиса, лежащие внутри предельной петли 2, соответствующей циклам перемагничивания от +Eгном до ~Eгном и обратно.
Для выявления основных динамических свойств системы Г-Д гистерезисом можно пренебречь и для линейного участка характеристики 1 записать
где kг=Eг/Uвг при wг=const; Tг=Lвг/Rвг - постоянная времени генератора.
Уравнение механической характеристики электропривода, управляемого по системе Г-Д, получим с помощью уравнения электрического равновесия для якорной цепи машин:
Уравнение (6.6) можно представить в виде
где с=k·Фном- коэффициент ЭДС двигателя; w0=ег/с - скорость идеального холостого хода в системе Г-Д; Тя=LяS/RяS.
Заменив в (6.7) iя на М=сiя, получим уравнение механической характеристики в системе Г-Д:
где bе=с2/RяS - модуль статической жесткости механической характеристики в системе Г-Д.
Сравнивая (6.8) с (3.41), можно установить их полную аналогию по форме. При принятых допущениях механические характеристики двигателя при питании от сети и от индивидуального генератора отличаются только значениями RяS и LЯS, если в качестве управляющего воздействия рассматривать не напряжение uя, а ЭДС генератора ег.
На рис.6.4,д представлена естественная механическая характеристика двигателя при питании от сети (прямая 1) и естественная характеристика в системе Г-Д (прямая 2). Так как генератор имеет примерно ту же мощность, что и двигатель, то RяSдв=RяSг. Соответственно модуль жесткости в системе Г-Д примерно в 2 раза меньше, чем модуль жесткости b при бесконечно мощной сети.
Характеристика 2 соответствует такой ЭДС генератора Ег=Егном, при которой двигатель работает в номинальном режиме при М=МНОМ, w=wном.
Это значение E1 больше, чем номинальное напряжение двигателя:
Как следствие, в разомкнутой системе Г-Д скорость идеального холостого хода w0ном=Eгном/с больше, чем w0=Uном/c при питании от сети.
Изменением ЭДС генератора Eг в системе Г-Д обеспечивается непрерывное плавное управление моментом и скоростью электропривода во всех четырех квадрантах координат механической характеристики при неизменной жесткости bе=const.
В качестве примера на рис.6.4, д показаны две искусственные характеристики 3 и 4, соответствующие значениям Е=Е'г=const и Е=-Ег"=const на рис.6.4,г.
С помощью уравнений (6.4)-(6.6) и уравнения движения электропривода при с12=¥ в виде
Опираясь на проведенный выше анализ, можно сделать вывод, что если изменять напряжение uу по закону, обеспечивающему линейное нарастание ЭДС генератора ег=bt, то в системе Г-Д w0=(b/c)t=e0t и зависимости момента М(t) и скорости w(t) будут иметь при прочих равных условиях тот же характер, что и на рис.4.30.
Отличием структуры системы Г-Д от рассмотренной выше структуры разомкнутой системы является наличие в цепи формирования управляющего воздействия двух инерционных звеньев с постоянными Tтв и Тг. Постоянная времени Гтв при полупроводниковой системе импульсно-фазового управления тири-сторным возбудителем весьма мала: Tтв=0,01 с Постоянная времени цепи возбуждения генератора Tг напротив, весьма велика: TГ=1¸3 с. Поэтому во многих случаях можно без заметной погрешности принять TТВ=0 и, обозначив k'г=kтвkг/с, представить структурную схему системы Г-Д, как показано на рис.6.5,б. Рассматривая эту схему, можно заключить, что при изменении управляющего воздействия иy скачком ЭДС генератора и скорость w0 в системе Г-Д изменяются по закону, определяемому переходной функцией инерционного звена с постоянной Тг:
Процессы в электромеханической системе с линейной механической характеристикой при изменении w0 по закону (6.10) были рассмотрены также в §4.9 и полностью характеризуют процессы в системе Г-Д при скачке управляющего воздействия.
Из (6.10) можно определить начальный темп нарастания управляющего воздействия
При данной Тг он определяется приложенным к обмотке возбуждения генератора напряжением Uвг=kтвUу и достигает наибольшего значения при UBmax=kTBUymax (см. рис.6.4,в).
Для получения требуемого времени нарастания ЭДС генератора до номинального значения tв необходимо форсировать процессы возбуждения путем повышения приложенного напряжения Требуемый коэффициент форсирования a=UBmax/UBHOM определяется из соотношения
пропорциональна коэффициенту форсирования, реальное быстродействие в системе Г-Д ограничивается разумной степенью увеличения мощности возбудителя. При использовании электромашинных и магнитных возбудителей допустимые по этим соображениям значения amax<4. При возбуждении от полупроводниковых преобразователей в ряде случаев используют в 1,5-2 раза большие значения форсировок, что объясняется более высокими техническими показателями тиристорных и транзисторных возбудителей.
В заключение оценим экономичность системы Г-Д. Массогабаритные и энергетические показатели ее определяются необходимостью присущего этой системе трехкратного электромеханического преобразования энергии в трех входящих в систему электрических машинах: ПД, Г и Д. Как следствие, установленная мощность машин привода возрастает втрое, и благоприятные регулировочные возможности достигаются ценой существенных дополнительных затрат дефицитной меди, высококачественной стали и труда. Установка вращающегося преобразовательного агрегата требует сооружения специального фундамента, центровки агрегата, тщательной настройки коммутации тока коллектором генератора. Хотя регулирование путем изменения напряжения на якоре не вызывает дополнительных потерь в двигателе Д, преобразование энергии двигателем ПД и генератором Г сопровождается ее потерями и общий КПД системы Г-Д снижается:
где hдв, hг, hпд - соответственно КПД электрических машин Д, Г и ПД.
Достоинствами системы Г-Д являются отсутствие искажений потребляемого из сети тока и относительно небольшое потребление реактивной мощности даже при асинхронном ПД. При применении синхронного двигателя в преобразовательном агрегате путем регулирования тока возбуждения можно обеспечить работу электропривода с cos ф=1 или с опережающим cos f для компенсации реактивной мощности, потребляемой другими установками.
В эксплуатации вращающийся преобразовательный агрегат, особенно его подшипники и коллектор генератора требуют внимания и ухода. При надлежащем уходе система Г-Д хорошо зарекомендовала себя в условиях эксплуатации.
