СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ТИРИСТОРНЫХ СХЕМ УПРАВЛЕНИЯ ДВИГАТЕЛЯМИ ПОСТОЯННОГО ТОКА, ПРИМЕНЯЕМЫХ НА СУДАХ
Аннотация и ключевые слова
Аннотация (русский):
Двигатели постоянного тока часто используются во многих системах судового электропривода. Благодаря прогрессу промышленной электроники и технологий стало возможным разработать более эффективные схемы управления судовыми электродвигателями. В обычных методах управления скоростью в системе происходят потери мощности, которые можно минимизировать с помощью стратегии использования силовой электроники. Рассматривается тиристорное управление двигателями постоянного тока судового электропривода. Описаны системы управления двигателем постоянного тока, представлены имитационные модели в программе MATLAB Simulink. Перечислены тиристорные методы управления скоростью двигателя постоянного тока: однофазный полууправляемый преобразователь (для двигателей мощностью до 15 кВт); однофазный привод с управляемым преобразователем (позволяет работать в двух квадрантах); трехфазный полууправляемый преобразователь; трехфазный управляемый преобразователь; однофазный реверсивный преобразователь, реализованный соединением двух однофазных преобразователей (позволяет обеспечить работу во всех режимах); трехфазный реверсивный преобразователь, реализованный аналогично однофазному. Проиллюстрирована механическая характеристика двигателя постоянного тока при изменении напряжения, подводимого к обмотке якоря. Отмечено, что управление напряжением якоря благоприятнее для скоростей ниже номинальной скорости, управление потоком предпочтительнее для скоростей выше номинальной. Сделан вывод о том, что управление скоростью с применением устройств силовой электроники обеспечивает большую экономию энергии, в отличие от традиционных методов управления скоростью, т. к. при традиционных методах происходят значительные потери энергии.

Ключевые слова:
тиристоры, двигатель постоянного тока, регулирование скорости, модель тиристорного преобразователя, характеристики
Текст
Текст произведения (PDF): Читать Скачать

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
открытия (Т1)

Угол
открытия (Т2)

Угол
открытия (Т3)

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
открытия (Т1)

Угол
открытия (Т2)

Угол
открытия (Т3)

Угол
открытия (Т4)

Угол
открытия (Т5)

Угол
открытия (Т6)

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.

Список литературы

1. Абрамович М. И., Бабайлов В. М., Либер В. Е. и др. Диоды и тиристоры в преобразовательных установках. М.: Энергоатомиздат, 1992. 432 с.

2. Электротехника. Системы управления электроприводами. URL: https://electrono.ru/category/sistupravlelpriv (дата обращения: 18.02.2020).

3. Преображенский В. И. Полупроводниковые выпрямители. М.: Энергоатомиздат, 1986. 136 с.

4. Мастерская своего дела. Работа управляемых выпрямителей. URL: https://msd.com.ua/elektroprivoda-metallorezhushhix-stankov/rabota-upravlyaemyx-vypryamitelej/ (дата обращения: 19.02.2020).