Исследование динамических характеристик электроприводов постоянного тока при различных способах возбуждения (стр. 3 из 6)
Рисунок 1.5. Типовые механическая и регулировочная
характеристики электропривода
В установившемся режиме качество электропривода характеризуется следующими параметрами:
· жесткостью механической характеристики (
);· коэффициентом передачи (усиления) (
) регулировочной характеристики. Заметим, что жесткость и коэффициент передачи могут быть постоянными в линейных системах и изменяться от точки к точке в нелинейных системах;· диапазоном регулирования по скорости на выходе электропривода (
при МН = const).Энергетические характеристики электропривода
К энергетическим характеристикам электропривода относятся рабочие характеристики, то есть зависимости тока, активной, реактивной и полной мощности, потребляемой от источника питания, от мощности на выходе электропривода (от мощности нагрузки): I1, P1, Q, S = f(P2).
Эти характеристики определяют к.п.д. (
) и коэффициент мощности ( 
) электропривода. К энергетическим характеристикам также относятся зависимости средних, действующих и амплитудных токов через полупроводниковые элементы преобразователя от момента, скорости и мощности на выходе электропривода.Наличие силового полупроводникового преобразователя, включенного между источником питания и двигателем, вносит определенную специфику, которую необходимо учитывать при анализе энергетических характеристик электропривода. Рассмотрим эту специфику.
1.При управлении от силового полупроводникового преобразователя обмотки электродвигателя запитываются импульсным напряжением. При этом токи в обмотках также пульсируют. Импульсный характер напряжения и пульсация тока вызывают дополнительные потери в двигателе, которые необходимо учитывать при анализе энергетических характеристик.
2.Силовые элементы преобразователя (диоды, тиристоры, транзисторы) не являются идеальными ключами. Поэтому в режимах, когда они проводят ток (для транзисторов это режим насыщения), на них рассеивается определенная мощность. Эта мощность, которую называют квазистатической, зависит от среднего и эффективного (действующего) тока и от параметров полупроводникового прибора в режиме протекания прямого тока. На рис. 1.5 в качестве примера приведена характеристика диода для прямого тока и показаны его два основных параметра: Uo – остаточное напряжение на диоде врежиме протекания прямого тока и
– динамическое сопротивление диода в режиме прямого тока. Квазистатические потери в диоде определяются из выражения: 
,где Iср, I – средний и эффективный ток через диод.
Аналогично определяются квазистатические потери в тиристоре и транзисторе.
Квазистатические потери в силовом полупроводниковом преобразователе зависят, прежде всего, от мощности на выходе, но, кроме того, они существенно зависят от алгоритма управления преобразователем, от структуры замкнутого электропривода и от его параметров. Все эти обстоятельства необходимо учитывать при анализе энергетических характеристик. Такой учет возможен только в том случае, когда квазистатические потери рассчитываются после синтеза электропривода.
3. Кроме квазистатических потерь в полупроводниковых элементах преобразователя при переключениях выделяются значительные потери, которые называют динамическими.
При включении транзистора диод закрывается не сразу, и некоторое время ток протекает в практически короткозамкнутой цепи. Качественные кривые тока транзистора и напряжения на транзисторе в процессе коммутации показаны на рис. 1.7. Мощность, выделяемая в транзисторе в период коммутации, являясь произведением напряжения на ток, может оказаться значительной. Аналогичная картина наблюдается и при выключении транзистора.
Динамические потери в полупроводниковых элементах силовых преобразователей зависят от частоты переключения и от параметров самих приборов. В современных электроприводах переменного тока, например, где частота переключений составляет десятки (от пяти до пятидесяти килогерц), динамические потери могут в два-три раза превысить потери квазистатические. Таким образом, при анализе энергетических характеристик необходимо учитывать динамические потери в силовом преобразователе.
4. Включение полупроводникового преобразователя между источником питания и двигателем обуславливает влияние преобразователя на источник. Если источником питания является сеть переменного тока, то это влияние проявляется в искажении формы потребляемого тока, то есть в появлении гармоник в потребляемом токе. Эти гармоники существенно влияют на питающую сеть, приводя ко многим нежелательным последствиям. Поэтому при анализе энергетических характеристик электропривода необходимо исследование гармонического состава потребляемого тока.
Четыре перечисленные особенности, влияющие на энергетические характеристики электропривода, необходимо учитывать при анализе и проектировании.
Динамические характеристики
В качестве динамических характеристик обычно рассматриваются зависимости изменения скорости от времени на выходе ЭП при скачкообразном изменении входного задающего сигнала (характеристики по управлению) и при скачкообразном изменении момента нагрузки (характеристика по возмущению). На рис. 1.8 в качестве примера показана динамическая характеристика ЭП по управлению. В качестве параметра в динамических режимах рассматривается электромеханическая постоянная времени – это время, в течение которого ЭП разгоняется от неподвижного состояния до скорости идеального холостого хода под действием неизменного момента, равного моменту короткого замыкания (пускового момента). В этом случае, интегрируя основное уравнение движения, получим:
В динамическом режиме качество электропривода характеризуется следующими параметрами (см. рис. 1.8):
· временем первого согласования t-1;
· перерегулированием
;· временем переходного процесса tp.
Рисунок 1.8. Параметры переходного процесса в электроприводе
2. Силовые полупроводниковые преобразователи
2.1 Транзисторные преобразователи
Общие замечания
Полупроводниковые преобразователи в электроприводах постоянного и переменного тока должны характеризоваться следующими основными свойствами:
· двусторонней проводимостью энергии между источником питания и исполнительным двигателем, являющимся нагрузкой преобразователя, для обеспечения его работы во всех квадрантах механической характеристики;
· малым и не зависящим от тока выходным сопротивлением для получения механических характеристик, близких к естественным, и, в конечном счете, для получения хороших статических и динамических характеристик электропривода в целом;
· жесткой внешней характеристикой и малой инерционностью, высоким КПД, достаточной перегрузочной способностью для обеспечения необходимых форсировок в переходных режимах работы привода;
· высокой помехозащищённостью и надежностью; малой массой и габаритами; отсутствием влияния на сеть.
Основным назначением полупроводникового преобразователя является регулирование скорости исполнительного двигателя электропривода. В электроприводах постоянного тока это достигается регулированием напряжения на выходе преобразователя. В приводах переменного тока необходимо регулировать напряжение и частоту на выходе преобразователя по определенному закону.
Перечисленным основным требованиям в наибольшей степени удовлетворяют транзисторные преобразователи, работающие в режиме переключения и питающиеся от источника постоянного напряжения. Такие преобразователи в электроприводах постоянного тока получили название широтно-импульсных (ШИП).
Принципы построения силовых транзисторных ключей
Силовой транзисторный ключ (СТК), является тем элементом преобразователя, который управляет процессами преобразования энергии. Специфика протекания этих процессов требует более детального рассмотрения принципов работы СТК и его элементной базы для обеспечения надёжности электропривода в целом. Рассмотрим классическую схему одного плеча преобразователя. На рис. 2.1 представлена схема такого плеча и показаны электромагнитные процессы, протекающие в нем при включении и выключении транзистора. Классическая теория динамических процессов выделяет четыре коммутационных интервала при работе плеча на активно-индуктивную нагрузку, два при включении транзистора и два при выключении. При включении транзистора выделяются этап восстановления диода в фазе высокой обратной проводимости (t1 на рис. 2.1) и этап установления стационарного состояния силового высоковольтного транзистора (t2 на рис. 2.1). На первом из отмеченных этапов по цепи «транзистор-диод» протекает значительный ток, который может превысить номинальный в несколько раз. При этом напряжение на транзисторе остается равным напряжению питания. Этот этап является наиболее опасным для транзистора. На втором этапе ток уменьшается до номинального при одновременном уменьшении напряжения на транзисторе. При выключении транзистора выделяются этап рассасывания неосновных носителей заряда в коллекторе силового высоковольтного транзистора (t3 на рис. 2.1) и этап спада тока коллектора силового транзистора и включения диода (t4 на рис. 2.1). На всех отмеченных интервалах коммутации в транзисторе и диоде выделяется значительная мощность. Эту мощность, которая определяет динамические потери в преобразователе, необходимо уметь определять для того, чтобы иметь возможность уверенно судить о надежности работы последнего.