ДПТ ПВ (последовательного возбуждения)

У ДПТ ПВ обмотка возбуждения включена последовательно с обмоткой якоря и его поток Ф =f(iя) зависит от нагрузки машины. Уравнение электромеханической характеристики:

При изменении U на зажимах дв-ля хар-ки перемещаются вниз или вверх по отношению к естественной. При ↑ сопротивления якорной цепи ωдв↓ и характеристики смещаются вниз. Жесткость характеристик ↓. Из графиков видно, что ω↓ при увеличении нагрузки. Характеристики являются мягкими. Поэтому ДПВ непригодны для ЭПов, требующих постоянства скорости при меняющейся нагрузке.

 

 

Система генератор – двигатель (ГД).

Принципиальная схема системы Г-Д. В системе ГД в кач-ве управляемого преобр-ля используется генератор пост. тока независимого возб-ия, приводимый во вращение АД или СД. В кач-ве приводного дв-ля рабочей машины используется ДНВ.

Пуск осущ-тся включением сетевого (гонного) Д, вращающего Г. Приводной Д перед этим должен быть полностью возбужден, т.е. его магн. поток должен быть номинальным. Напряжение на ОВ ГПТ д/б =0. При подаче напряжения на ОВ Г и его ↑, он будет развивать ЭДС, появится напряжение на якоре ДПТ и последний будет разгоняться.

В случае гонного АД с увеличением нагрузки на валу приводного ДПТ возрастает тормозной момент ГПТ, что приводит к снижению ск-ти гонного АД, следовательно, снижению ск-ти ГПТ и его ЭДС, что сказывается и на ск-ти ДПТ. В мощных ЭПах по системе ГД это снижение составляет (1,5¸2)%.

«+» АД - простота, надежность, малая колебательность. «+» СД -меньшая критичность к колебаниям , возможность работать с опережающим током. Обычно СД используется при мощностях ген-ра в сотни и тысячи кВт.

Питание ОВ ГПТ в современных системах ГД, осуществляется от тиристорного или транзисторного ТВ. Осн. видом ТВ является ТП с раздельным упр-ем комплектами вентилей. Зависимость вых. напряжения упр-ия U_У на рис. Ее раб. участок можно считать линейным. Динам. процессы ТВ описываются ур-м

Пренебрегая гистерезисом магнитной цепи Г и считая его ненасыщенным, для линейного участка зависимости E_Г=f(U_ВГ), можно написать: ,

где -при w_Г=const;

Уравнение мех. хар-ки дв-ля в системе ГД можно получить из ур-ия равновесия ЭДС в як. цепи.

,

Здесь

Выразив ток i_я через момент двигателя получим:

Здесь b – модуль статической жесткости мех. хар-ки двигателя в системе ГД.

Ур-ие мех. хар-ки дв-ля для статического режима можно представить в виде: или или (Ф_НД – ном. поток Д).

Семейство мех. хар-к Д в системе ГД, соответствующее различным значениям ЭДС генератора при СД, на рис.

Жесткость основной хар-ки дв-ля ~ в 2 раза меньше, чем при питании его от сети с U=const, вследствие того, что в як. цепи кроме сопротивления якоря Д имеется еще и сопротивление якоря ген-ра, а они ~ одинаковы. Но скорость идеального ХХ Д в разомкнутой системе ГД больше, чем при питании Д от сети с U=const, т.к. номин. ЭДС генератора, определяющая w₀ Д, больше, чем номин. напряжение Д, определяющее w₀ при питании его от сети, т.е.

, т.к. .

Хар-ка двигателя при питании его от сети с U=U_H изображена пунктиром.

Режимы работы, торможение, расчет характеристик, основные показатели. Изменяя поток возбуждения (его ЭДС) можно осущ-ть непрерывное плавное упр-ие моментом и скоростью ЭПа во всех 4-х квадрантах коорд. системы при b=const. На рис. показано в 1-м квадранте семейство хар-к при Е_Г=var.

Режимы. Двигательный режим заштрих. обл-ть в 1 и 3 квадрантах. Динам.торможение - одна хар-ка, проход. через начало координат. Режим противовключения -область между осью моментов и характеристикой динамического торможения во 2 и 4 квадрантах.

Генераторный режим с рекуперацией энергии в сеть -область во 2 и 4 квадрантах, заключенная между осью скоростей и хар-кой динамического торможения.

Торможение с отдачей энергии в сеть. ↓ или снимаем возб-ие генератора, ЭДС дв-ля станет больше ЭДС генератора. Д превратится в генератор. Ток в якорной цепи изменит направление на противоположное. Генератор превратится в Д, работающий с ослабленным магнитным потоком. Скорость его ↑ и он будет раскручивать гонный Д со сверхсинхронной скоростью. Гонный Д превращается в генератор. Он будет отдавать в сеть акт. энергию, потребляя из сети реакт. энергию.

Кинет.энергия вращающихся инерционных масс приводным дв-лем преобразуется в электрическую, поскольку он теперь работает генератором. В сеть отдается эта энергия за исключением потерь, имеющих место во всех элементах ЭПа.

 

Структурная схема

 

Достоинства и недостатки.

Достоинства системы ГД:

1.Отсутствуют громоздкие пусковые реостаты и потери в них.

2Упр-ие процессами перенесено в цепи возбуждения, имеющие небольшие токи, что облегчает и удешевляет аппаратуру.

3.Сравнительно высокий диапазон регулирования.

Недостатки системы ГД:

1.Высокая установленная мощность, превышающая в 3 раза мощность приводного дв-ля.

2.Сравнительно низкий КПД, равный .

3.Повышенная крутизна механических характеристик.

4.Высокая первоначальная стоимость машинного оборудования.

 

Система тиристорный преобразователь – двигатель (ТП – Д).

В системе ТП – Д двигатель постоянного тока независимого возбуждения питается от ТП. Принципиальная схема системы изображена на рис. Среднее значение выпрямленного напряжения ТП. , где U2 – действующее значение фазного U вторичной обмотки питающего трансф-ра.

m – число пульсаций выпрямленного U; a - угол задержки открывания тиристоров; Ud₀ – макс. значение среднего выпрямленного U при a=0. Кривые выпрямленного U с учетом явления коммутации вентилей, характеризуемой углам g, изображены на рис. Зависимость ЭДС ТП от U управления U_у при линейной хар-ке СИФУ представлена на следующем рисунке. Ур-е мех. хар-ки двигателя для любого режима работы .

В режиме непрерывного тока мех. хар-ки двигателя в системе ТП-Д при принятых допущениях аналогичны хар-м системы ГД. Семейство статич. мех. хар-к при различных a, изобра жено на рис 3. Это прямые, отсекающие на оси ординат отрезки, соответствующие скорости идеального холостого хода При раздельном упр-ии комплектами вентилей или при питании от однокомплек-тного ТП в области малых нагрузок ток становится прерывистым, причем при U_y=0 и среднее значение U_d становится . Появляется зона прерывистых I, она тем больше, чем больше угол a. Появление зоны прерывистых токов обусловлено тем, что в определенные промежутки времени мгновенное значение выпрямленого U преобразователя становится < встречно действующей ЭДС двигателя, что видно из графика выпрямленногоU, как следует из ур-я равновесия ЭДС, разность U_d-e становится «-». Ток изменит направление на противоположное. Т.к. вентили обладают односторонней проводимостью,I=0. Вентили закрываются I появляется вновь когда U_d станет>е. При больших нагрузках несмотря на то, что в определенные промежутки времени мгновенное значение U_d становится < ЭДС двигателя, ток не прерывается, явл-ся непрерывным. При больших нагрузках запас эл.магнитной энергии в цепи выпрямленного тока значительный. Возникающая при исчезновении тока ЭДС самоиндукции складывается с мгновенным выпрямленным U ТП и в сумме они превышают ЭДС двигателя. Разность между этой суммой и ЭДС двигателя «+» и I не прерывается. При малых нагрузках ЭДС самоиндукции оказывается недостаточной для поддержания I и он прерывается. Переходу от режима непрерывного тока к прерывистому соответствует режим начально-непрерывного тока, являющегося граничным между двумя указанными. При уменьшении нагрузки скорость двигателя возрастает и увеличивается его ЭДС, являющаяся противодействующей, что вызывает уменьшение тока нагрузки преобразователя. Это приводит к уменьшению падения напряжения на внутренних сопротивлениях схемы, а также к уменьшению потерь среднего напряжения, обусловленного явлением коммутации. В связи с этим U_d возрастает. В зоне малых и нулевых нагрузок механические характеристики двигателя имеют мягкий характер.

Режимы: Двигатель в системе ТП – Д может работать во всех режимах. Двигательному режиму соответствует область в 1 и 3 квадратах, режиму динамического торможения соответствует характеристика, проходящая через начало координат при . Режиму противовключения соответствует область, заключенная между осью моментов и характеристикой динамического торможения. Режиму рекуперации соответствует область между осью ординат во 2 и 4 квадратах и характеристикой динамического торможения.

Основным способом торможения в системе ТП – Д является торможение с рекуперацией энергии в сеть. Для рекуперации энергии в сеть необходимо преобразовать энергию постоянного тока, источником которой при w>w₀ становится двигатель, в энергию переменного тока. Для этого ТП нужно перевести в инверторный режим.

В выпрямительном режиме преобразователя активная составляющая I_a1 первой гармоники фазного тока совпадает по направлению с напряжением (ЭДС) фазы, а реактивная I_p1 – отстает на 90°. Следовательно, преобразователь потребляет из сети активную и реактивную мощность. Если j₁ станет больше 90°, что при g=0 соответствует a>90°, то I_p1, будет по прежнему отставать от Е_ф на 90°, а I_a1 будет направлен встречно с ЭДС фазы. В этом случае преобразователь будет отдавать в сеть активную мощность при одновременном потреблении реактивной мощности. Этот режим и является инверторным. В нем источником тока является ЭДС машины постоянного тока, которая превышает напряжение преобразователя.

Т.о. для получения инверторного режима работы ТП необходимо, чтобы a был больше 90°, т.е. необходимо заставить преобразователь путем увеличения угла a принудительно выпрямлять отрицательные полуволны питающего напряжения сети. Сам он не будет это делать, поэтому инверторный режим может иметь место только при принудительной коммутации. При этом изменится знак напряжения U_d. Угол управления в этом режиме отсчитывается влево от точки пересечения синусоид напряжения питающей сети в отрицательной области и называется, как известно, углом опережения b. Он равен b=p-a. Вместо угла коммутации g для инверторного режима принято использовать понятие угла запирания d=b-g или, иначе, угла запаса.

Основные достоинства системы ТП-Д:

1. Высокое быстродействие преобразователя, т.к. T_П=0,01 с

2. Более высокий КПД по сравнению с системой ГД

3. Незначительная мощность управления

4. Большой срок службы

5. Малые габариты и вес преобразователя

6. Простота осуществления резервирования и взаимозаменяемости блоков и узлов ТП

7. При использовании нереверсивного преобразователя установленная мощность системы составляет ~ 2 P_двиг, т.е. меньше, чем в системе ГД. При использовании реверсивного ТП она ~ равна мощности в системе ГД

 

Недостатки сиcтемы ТП-Д:

1. Уменьшение коэффициента мощности преобразователя при уменьшении скорости

2. Значительное искажение кривой тока, потребляемого преобразователем из сети

3. Неминуемые при регулировании угла a колебания реактивной мощности, особенно при большой мощности электропривода, приводящие к колебаниям напряжения в питающей сети

 

Регулируемый электропривод переменного тока с вентильным Д-ем (ВД).

ВД состоит из СД и ПЧ с промежуточным звеном пост. I или с непосредственной связью (НПЧ), вентили которого коммутируются в функции положения ротора или магнитного потока двигателя. ОВ Д располагается на роторе и питается от постороннего источника пост. I. Есть двигатели с возбуждением постоянными магнитами. Вентильный коммутатор, т.е. инвертор, управляемый в функции положения ротора, выполняет роль коллектора обычной машины пост. I. Он присоединяется к обмотке статора СД и осуществляет распределение пост. I с преобразованием его в переменный. CД, работающий совместно с таким инвертором приобретает свойства машины пост. I и иногда его называют бесколлекторной машиной постоянного тока БМПТ или ВД пост. I. Мех-ие хар-ки ВД аналогичны хар-кам Д пост. I с независимым возбуждением.

«+» ВД по сравнению с машиной пост. I – отсутствие коллектора, что повышает надежность, позволяет питать Д повышенным U,→осуществлять бестрансфор-ное подключение силовой части ЭП к сети. Момент, возникающий в вентильном Д (как синхронной машине) подчиняется зависимости , где Р_П – число пар полюсов Д; q – угол между осями полей статора и ротора (между векторами потокосцеплений, см. рисунок); С_М – постоянная момента (коэфф. пропорц-ти между I и моментом ВД, ); I_м – макс. мгновенное значение I одной фазы статора. «-» означает, что направление момента противоположно направ-ию угла рассогласования q.

С целью ограничения изменений момента электронная система регулирования обеспечивает ограничение изменения угла q в окрестностях 90⁰ в диапазоне ±30⁰ (в ту и другую сторону), как показано на угловой (моментной) характеристике СД. Именно такое регулирование и осуществляется ТК, т.е. инвертором, в функции положения ротора. Физическое положение ротора определяется с помощью датчика положения ротора ДПР, находящегося на валу Д. Переключение фаз Д производится тиристорным коммутатором (ТК) в функции сигналов ДПР. ДПР состоит из трех пар светофотодиодов, жестко привязанных к статору, в зазоре, между которыми вращается диск, закрепленный на валу ротора. На диске по его периметру имеются прорези. Число их определяется числом пар полюсов ВД. Угловая длина прорези на диске определяется как , а угловое расстояние между парами светофотодиодов как .

Вых. сигналы ДПР преобразуются схемой распределения в 120⁰ импульсы управления тиристорами, обеспечивая, то, проводящее состояние каждому тиристору в течение 120⁰ за один период сигнала ДПР.

Алгоритм работы ДПР при одной паре полюсов можно проследить по схеме, указав в таблице последовательность включений тири­сторов. Во включенном состоянии одновременно находятся два тиристора из шести.

Ключи КЛ1 и КЛ2 (см.схему) выполняют 2 независимые ф-ии: 1) Обеспеч. режим коммутации I с тиристора на тиристор ввиду невозможности самост-ого выключения тиристоров, т.к. тиристоры ТК в силовой схеме подключаются к источнику пост. U, то для их отключения и восстанов­ления ими запирающих свойств необходимо кратковременно разрывать силовую цепь ТК. 2) Обеспеч. поддержание заданной величины I через обмотки Д, т.е. участвуют в регулировании тока.

Ф-ия коммутации I с тиристора на тиристор выполняется путем полного отключ. ТК от ист. питания. Время обесточенного состояния ТК составляет» 300 мкс. Чтобы снизить пульсации момента ВД формируется график изменения I статора Д, пульсации которого обратны пульсациям момента (временные диаграммы).

При регулировании тока исп-ся 3 режима включения тиристоров (3 режима работы ключей КЛ1 и КЛ2). 1)Режим Р2, когда оба ключа включены. 2)Режим Р1, когда в проводящем состоянии находится только один из ключей. 3)Режим Р0, когда оба ключа выключены.

В режиме Р2 напряжение источника питания прикладывается к обмоткам статора .Знак ''+'' соответствует двигательному режиму, знак ''-'' –тормозному. При любой скорости U_пит > E_дв.

В режиме Р1, когда, например, замкнут КЛ1, а КЛ2 разомкнут, ток протекает через КЛ1, тиристор V3 фазы статора В, А, диод моста возврата реактивной энергии и снова КЛ1. При таком варианте две обмотки статора ВД являются замкнутыми на себя и такой режим является режимом динамического торможения, для которого уравнение равновесия ЭДС имеет вид: . В Р0 ток фаз статора протекает через мост возврата реактивной энергии, направленный навстречу источнику питания. Такой режим является режимом противовключения. Уравнение равновесия ЭДС: ; r_ф - активное сопротивление двух фаз статора.

Область применения. Достоинства.

Регулирование I осуществляется двумя комбинациями режимов включения ключом КЛ1 и КЛ2. В двигательном и тормозном режимах больших скоростей регулирование комбинацией тока относи­тельно заданного значения осуществляется режимов Р1, Р2, Р0, как показано на графике. В ВД средней и большой мощности часто используют СД обычной конст­рук­ции и естественную коммута­цию вентилей в функции напряжения статора дви­гателя. Такие ВД применяются в приводах с мало- и медленно изменяющейся длительной нагрузкой. ВД на ско­рости <100 ^об/_мин и >3000 ^об/_мин не могут быть выполнены на основе СД обычной конструкции. Для ВД создаются СД специальных конструкций, в частности, бесщеточные с возбуждением постоянными магнитами. Они выполняются мощностью до 30кВт с максимальной скоростью 3000 ^об/_мин, а также многополюсные тихоходные.

Т.к. ВД обладает характеристиками машины постоянного тока независимого возбуждения, то все способы регулирования его угловой скорости характеризуются такими же показателями, что и у ДНВ, (изменением напряжения и тока возбуждения).

У ВД можно получить и характеристику двигателя последовательного возбуждения, если обмотку возбуждения включить последовательно в цепь выпрямленного тока на входе инвертора.

Возможен и генераторный режим с рекуперацией энергии в сеть. В этом случае УВ переводится в инверторный режим, а управляемый инвертор – в выпрямительный при w>w_0.

Перспективно применение ВД для мощных тихоходных электроприводов, например, для шаровых мельниц, и сверхбыстроходных (до 10000 ^об/_мин) сверхмощных электроприводов, например, нагнетателей, в шаговом электроприводе, в асинхронных электромеханических каскадах, станочном электроприводе, в многодвигательных регулируемых электроприводах с синхронной связью.

 

Энергетические ресурсы.

Доля первичных энергоресурсов в производстве энергии: нефть – 39%,газ – 23%, уголь – 27%, гидро – 6%, уран – 4%, др. источники – 1%. Оставшиеся 7% возмещаются использованием возобновляемых источников энергии, т.е. воды, солнца, ветра, биомассы и другой геотермики.

Среди геологических топливно-энергетических ресурсов, совокупный объем которых оценивается в 6,3 трлн. тонн условного топлива (т.у.т.), самые крупные запасы в мире принадлежат твердому топливу. Его объемы составляют 3971 млрд. т.у.т. Меньше всего в природе представлены запасы урана (674,6 млрд. т.у.т.). Для нефти и газа характерна средняя степень обеспеченности - 788 млрд. и 851 млрд. т.у.т., соответственно.

Долевая структура геологических топливно-энергетических ресурсов в мире: уголь – 63,3%,газ – 13,5%, нефть – 12,5%, уран – 10,7%.

Современное состояние мировой энергетики характеризуется рядом противоречивых особенностей:

Во-первых, это связано с неравномерностью и дисперсностью размещения геологических энергетических ресурсов по регионам земного шара. Так, крупнейшими энергосырьевыми державами мира, обеспечивающими в сумме более двух третей мирового объема добычи, являются страны Ближнего и Среднего Востока, Китай, Россия, отчасти Австралия (по углю) и ЮАР (по углю). В то же время наименьше всего обеспечены энергетическими ресурсами страны Северной Америки, Западной Европы, а также АТР, которые, тем не менее, являются основными потребителями сырья.

Во-вторых, неравномерность потребления энергетических ресурсов по регионам земного шара. В результате экономически развитые страны, обеспеченные наименьшим количество сырья, потребляют около 80% энергоресурсов, добываемых и производимых в мире. При этом, среднедушевое энергопотребление в них достигает 11-13 тыс. т.у.т., что более чем в 6 раз выше среднемирового показателя (2 тыс. т.у.т.).

В-третьих, в мире существует резкая диспропорция между объемом различных видов топлива в разведанных запасах и их долей в производстве энергии. В частности, нефть и газ обеспечивают 61% мирового энергопроизводства, хотя на них приходится только 26% разведанных запасов, а уголь, при наилучшей обеспеченности доказанными запасами (63,3%), вырабатывает лишь 26% энергии (по другим оценка сегодня на уголь приходится 15%, на нефть – 40%, на газ – 45%)