Russian Federation
Russian Federation
Russian Federation
GRNTI 26.03 Общественно-политическая мысль
GRNTI 43.01 Общие вопросы естественных и точных наук
GRNTI 44.01 Общие вопросы энергетики
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 50.01 Общие вопросы автоматики и вычислительной техники
GRNTI 62.01 Общие вопросы биотехнологии
GRNTI 69.01 Общие вопросы рыбного хозяйства
GRNTI 70.01 Общие вопросы водного хозяйства
GRNTI 73.34 Водный транспорт
The article considers the problem of the DC motors control that are often used in many electric drive systems. Due to the progress of industrial electronics and technology it has become possible to develop more efficient motor control circuits. The conventional speed control methods commit power losses in the system, which can be minimized by using the power electronics strategy. There is considered the thyristor control of DC motors of the ship electric drive. The DC motor control systems are described and simulation models in the MATLAB Simulink program are presented. The thyristor methods for controlling a DC motor speed are listed: single-phase semi-controlled converter (for motors with power up to 15 kW); single-phase drive with a controlled converter (available to operate in two quadrants); three-phase semi-controlled converter; three-phase controlled converter; single-phase reverse converter realized by connecting two single-phase converters (ensuring multi-mode operation); three-phase reverse converter realized as a single-phase converter. The mechanical characteristic of a DC motor was illustrated when the voltage supplied to the armature winding changed. It has been stated that control of the armature voltage is more favorable for speeds below the rated speed; flow control is preferable for speeds above the nominal speed. It has been inferred that speed control by means of power electronics devices provides large energy savings, in contrast to the traditional speed control methods, since the traditional methods experience significant energy losses.
thyristors, DC motor, speed control, thyristor converter model, characteristics
Введение
К настоящему моменту достигнуты значительные улучшения в технологии производства и изготовления полупроводников, создано большое многообразие различных типов силовых полупроводниковых приборов.
Рост силовой электроники стал возможен благодаря развитию микроэлектроники, появилась возможность управления мощными полупроводниковыми устройствами. Коммутационные устройства работают с использованием современных алгоритмов управления.
Целью цепей силовой электроники является изменение электрической энергии от одной формы к другой от источника к нагрузке с высочайшей эффективностью, высокой доступностью и высокой надежностью при минимальных затратах, наименьших размерах и весе [1].
Основной целью настоящей работы является изучение различных тиристорных схем управления двигателем постоянного тока, в частности применяемых в судовых электроприводах, например гребных электрических установках. Скорость вращения вала двигателя контролируется с использованием различных типов выпрямителей. При этом источники питания являются идеальными, но возможны некоторые отклонения в выходном сигнале для практической реализации системы на судах. Это может произойти из-за поведения оборудования на входе/выходе других физических и электрических изменений параметров.
Материалы исследования
Для анализа характеристик требуется построение модели двигателя постоянного тока с независимым возбуждением. Из-за взаимодействия магнитного поля статора с током в проводниках якоря создается крутящий момент.
Добавление внешнего резистора к приводу постоянного тока для управления скоростью вращения вала двигателя на судах нецелесообразно, т. к. большая часть энергии теряется в виде тепла из-за внешнего резистора. Управление напряжением якоря предпочтительнее для скоростей ниже номинальной, а управление потоком – для скоростей, превышающих номинальную скорость, но в то же время максимальная мощность двигателя снижается, поскольку для данного максимального тока якоря поток меньше, чем номинальное значение, и, следовательно, максимальный крутящий момент меньше максимального номинального крутящего момента [2].
Рис. 1 иллюстрирует механическую характеристику с использованием метода управления напряжением якоря.
Рис. 1. Механическая характеристика двигателя постоянного тока
при изменении напряжения, подводимого к обмотке якоря
Ниже представлены тиристорные методы управления скоростью двигателя постоянного тока [3]:
1. Однофазный полууправляемый преобразователь. Этот преобразователь используется для двигателей мощностью до 15 кВт;
2. Однофазный привод с управляемым преобразователем. Преобразователь позволяет работать в двух квадрантах;
3. Трехфазный полууправляемый преобразователь;
4. Трехфазный управляемый преобразователь;
5. Однофазный реверсивный преобразователь, реализованный соединением двух однофазных преобразователей, что позволяет обеспечить работу во всех режимах;
6. Трехфазный реверсивный преобразователь, реализованный аналогично однофазному.
Результаты моделирования
Тиристорная схема управления двигателем постоянного тока смоделирована в программе MATLAB Simulink.
Формы выходного напряжения источника приведены на рис. 2.
а
б
Рис. 2. Форма выходного напряжения источника питания:
а – для однофазных моделей; б – для трехфазных моделей
1. Результаты моделирования полууправляемого однофазного преобразователя.
Имитационная модель представлена на рис. 3, данные моделирования полууправляемого однофазного преобразователя приведены в табл. 1.
Рис. 3. Модель полууправляемого однофазного преобразователя
Таблица 1
Данные моделирования полууправляемого однофазного преобразователя
|
Угол открытия (Т1) |
Угол открытия (Т2) |
Нагрузка |
Скорость, рад/с |
|
0 |
180 |
Без нагрузки |
189 |
|
30 |
210 |
Без нагрузки |
176 |
|
60 |
240 |
Без нагрузки |
153 |
|
0 |
180 |
С нагрузкой |
120 |
|
30 |
210 |
С нагрузкой |
111 |
|
60 |
240 |
С нагрузкой |
95 |
На рис. 4 приведена форма выходного сигнала полууправляемого однофазного преобразователя.
|
t, c |
|
U, B |
Рис. 4. Форма выходного напряжения полууправляемого однофазного преобразователя
2. Результаты моделирования управляемого однофазного преобразователя.
Имитационная модель представлена на рис. 5, данные моделирования управляемого однофазного преобразователя приведены в табл. 2.
|
|
Рис. 5. Модель управляемого однофазного преобразователя
Таблица 2
Данные моделирования управляемого однофазного преобразователя
|
Угол открытия (Т1) |
Угол открытия (Т2) |
Нагрузка |
Скорость, рад/с |
|
0 |
180 |
Без нагрузки |
185 |
|
30 |
210 |
Без нагрузки |
180 |
|
60 |
240 |
Без нагрузки |
140 |
|
0 |
180 |
С нагрузкой |
125 |
|
30 |
210 |
С нагрузкой |
100 |
|
60 |
240 |
С нагрузкой |
75 |
На рис. 6 приведена форма выходного сигнала управляемого однофазного преобразователя.
|
U, B |
|
t, c |
Рис. 6. Форма выходного напряжения преобразователя
3. Результаты моделирования трехфазного полууправляемого преобразователя.
Имитационная модель представлена на рис. 7, данные моделирования полууправляемого трехфазного преобразователя приведены в табл. 3.
Рис. 7. Модель полууправляемого трехфазного преобразователя
Таблица 3
Данные моделирования полууправляемого трехфазного преобразователя
|
Угол |
Угол |
Угол |
Нагрузка |
Скорость, рад/с |
|
0 |
120 |
240 |
Без нагрузки |
345 |
|
30 |
150 |
270 |
Без нагрузки |
342 |
|
60 |
180 |
300 |
Без нагрузки |
318 |
|
0 |
120 |
240 |
С нагрузкой |
255 |
|
30 |
150 |
270 |
С нагрузкой |
225 |
|
60 |
180 |
300 |
С нагрузкой |
180 |
4. Результаты моделирования трехфазного управляемого преобразователя.
Имитационная модель представлена на рис. 8, данные моделирования управляемого трехфазного преобразователя приведены в табл. 4.
Рис. 8. Модель управляемого трехфазного преобразователя
Таблица 4
Данные моделирования управляемого трехфазного преобразователя
|
Угол |
Угол |
Угол |
Угол |
Угол |
Угол |
Нагрузка |
Скорость, рад/с |
|
0 |
60 |
120 |
180 |
240 |
300 |
Без нагрузки |
275 |
|
30 |
90 |
150 |
210 |
270 |
330 |
Без нагрузки |
260 |
|
60 |
120 |
180 |
240 |
300 |
360 |
Без нагрузки |
250 |
|
0 |
60 |
120 |
180 |
240 |
300 |
С нагрузкой |
148 |
|
30 |
90 |
150 |
210 |
270 |
330 |
С нагрузкой |
95 |
|
60 |
120 |
180 |
240 |
300 |
360 |
С нагрузкой |
85 |
В схемах можно использовать только половину тиристоров. Получающаяся при этом несимметричная (полууправляемая) мостовая схема имеет более простую систему управления и меньшую стоимость.
Так же, как в симметричной схеме, при работе полууправляемого выпрямителя на активную нагрузку наступает режим прерывистого тока.
В полууправляемой схеме, по сравнению с полностью управляемой, кратность пульсаций выходного напряжения снизилась в три раза и не требует применения более мощных и громоздких фильтрующих элементов. Поэтому наиболее целесообразно использовать полууправляемую схему для регулирования выходных параметров двигателя постоянного тока в небольших пределах. Регулировочная характеристика выпрямителя с неполным числом тиристоров не зависит от характера нагрузки.
Преимуществом полууправляемой мостовой схемы является меньшая реактивная мощность, потребляемая из сети.
5. Результаты моделирования однофазного управляемого реверсивного преобразователя.
Имитационная модель представлена на рис. 9.
Рис. 9. Модель управляемого однофазного реверсивного преобразователя
6. Результаты моделирования трехфазного управляемого реверсивного преобразователя.
Имитационная модель представлена на рис. 10.
Рис. 10. Модель управляемого трехфазного реверсивного преобразователя
На практике для изменения полярности выходного напряжения выпрямителя широкое применение получили реверсивные выпрямители, состоящие из двух нереверсивных выпрямителей.
Если в качестве нагрузки выпрямителя использовать двигатель постоянного тока, то можно получить четырехквадрантный привод. Это значит, что в I и II квадрантах машина работает в двигательном и тормозном режимах при положительных значениях момента нагрузки; в III и IV – то же, но при отрицательных значениях момента (например, при подъеме груза привод судовой лебедки нагружен положительным моментом, при спуске – отрицательным) [4].
Если внимательно рассмотреть схему реверсивного электропривода, мы увидим, что включение одной группы тиристоров (назовем ее анодной, т. к. аноды тиристоров имеют общую точку) вращает двигатель в одну сторону, включение катодной группы – в противоположную. Существуют различные способы управления обеими группами тиристоров – раздельный и согласованный. Последний может быть линейным и нелинейным.
Заключение
Проведено изучение выходных характеристик двигателя постоянного тока с использованием тиристорного управления. Управление скоростью с использованием устройств силовой электроники дает большую экономию энергии, чем традиционные способы управления скоростью, поскольку в традиционных способах происходят большие потери энергии.
Модель управления на основе тиристоров успешно реализована в среде MATLAB Simulink, которая оказывает базовую помощь в проектировании.
Модели и описание их характеристик позволят подбирать наиболее оптимальные системы для конкретных случаев, в частности для использования в судовых электроприводах.
1. Abramovich M. I., Babajlov V. M., Liber V. E. i dr. Diody i tiristory v preobrazovatel'nyh ustanovkah [Diodes and thyristors in converting units]. Moscow, Energoatomizdat, 1992. 432 p.
2. Elektrotekhnika. Sistemy upravleniya elektroprivodami [Electrical engineering. Electric drive control systems]. Available at: https://electrono.ru/category/sistupravlelpriv (accessed: 18.02.2020).
3. Preobrazhenskij V. I. Poluprovodnikovye vypryamiteli [Semiconductor rectifiers]. Moscow, Energoatomizdat, 1986. 136 p.
4. Masterskaya svoego dela. Rabota upravlyaemyh vypryamitelej [Workshop of business. Operation of controlled rectifiers]. Available at: https://msd.com.ua/elektroprivoda-metallorezhushhix-stankov/rabota-upravlyaemyx-vypryamitelej/ (accessed: 19.02.2020).
