Генератор-двигатель

5.3. 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 u_я. Для того чтобы изменять 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 преобразователей ее применение сок­ращается, однако она продолжает успешно применяться во многих ответственных промышленных установках.

Принципиальная схема системы Г—Д представлена на рис. 5.4,a. Электромашинный преобразовательный агрегат со­стоит из приводного двигателя ПД, который приводит во вращение со скоростью wЕгенератор постоянного тока Г. К выводам якоря генератора подключен якорь двигателя Д, который приводит во вращение со скоростью со исполнитель­ный механизм ИМ. Обмотка возбуждения генератора ОВГ для управления ЭДС генератора Е_г подключена к выходу возбудителя ТВ. При необходимости управления полем дви­гателя Д его обмотка возбуждения ОВД может быть также снабжена индивидуальным управляемым возбудителем. На ри­сунке для выявления свойств собственно системы Г — Д об­мотка возбуждения двигателя показана включенной на номи­нальное напряжение возбуждения U_в.ном и принимается, что поток двигателя Ф = Ф_ном = const.
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 (па рис. 5.4. а для случая использования синхронного двигателя штриховой ли­нией показана цепь питания его отмотки возбуждения, ток которой I_в.с, а напряжение питания U_d/c). Механическая харак­теристика 1 (рис. 5.4,6) асинхронного двигателя ПД обладает конечной статической жесткостью. Поэтому при изменении нагрузки на валу, создаваемой генератором Г при работе электропривода, скорость преобразовательного агрегата в не­больших пределах изменяется (ω_г=var).
При использовании синхронного двигателя его скорость в статических режимах работы при разных нагрузках генера­тора остается неизменной (ω_г = const, прямая 2 на рис. 5.4,6). Однако и в этом случае в динамических процессах скорость агрегата изменяется из-за ограниченной динамической жестко­сти механической характеристики синхронного двигателя β_дин. В качестве примера на рис. 5.4,б показана динамическая меха­ническая характеристика 3 для случая установившихся коле­баний нагрузки. Эта характеристика показывает, что н при синхронном двигателе в динамических процессах скорость агрегата может изменяться в небольших пределах относи­тельно синхронной скорости двигателя ω_г# ω_г0.

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. 5.4, в ско­рость ω_г и ЭДС генератора Е_г=k₁Фг ω_г 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 со в дополнение к дру­гим факторам.

Преимуществами асинхронного приводного двигателя явля­ются его меньшая колебательность, большая простота н 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 Р_в.ном=U_в.номI_в.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 moщhocти и недостаточен, поэтому в цепь возбуждения генератора вводятся усилия мощности.
До недавнего времени для этой цеди использовались электромашинные и позже магнитные усилители. Последние еще находят применение в ряде cepийныx электроприводов, выпу­скаемых в настоящее время. Однако основным видом возбу­дителей в современных системах Г-Д являются теристорные и транзисторные преобразователи, обладающие весьма высоким быстродействием и коэффициентом усиления но мощ­ности. составляющим сотни тысяч. Примерная характеристика тиристорного возбудителя U_в.1=fU_у представлена на рис. 5.4,в. При линейной зависимости угла регулирования от U_у рабочий участок составляет часть синусоиды, при арккосинусоидальном он линеен. При дальнейшем рассмотрении эта кривая и в первом случае линеаризуется без большой погрешности. С учетом небольшого запаздывания и малых постоянных времени фильтров (Т_∑=Т_т.в) динамические про­цессы тиристорного возбудителя ТВ при этом описываются уравнением

k_т.в. U_у =(1+ Т_т.вp)U_в.г. (5.4)

где k_т.в =U_в.г./ U_у 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 Е_г =f (U_в.г) при ω_г = const, которая представлена на рис. 5.4, 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 частые петли гистерезиса, лежащие внутри предельной петли 2, соответствующей циклам перемагничивания от + Е_г.ном до - Е_г.ном и обратно. Для выявления основных ди­намических свойств системы Г — Д гистерезисом можно пре­небречь и для линейного участка характеристики 1 записать

k_гU_в.г=(1+Т_г p)e_г, (5.5)

где k_г =Е_г/U_в.г при ω_г = const; Т_г = L_в.г/R_в.г — постоянная вре­мени генератора.

Уравнение механической характеристики электропривода, управляемого по системе Г — Д, получим с помощью уравне­ния электрического равновесия для якорной цепи машин:

Уравнение (5.6) можно представить в виде

где с =Kф_Ном— коэффициент ЭДС двигателя; ω₀ = е_г/с — ско­рость идеального холостого хода в системе Г—Д; Т_я = L_я∑/ R_я∑.

Заменив в (5.7) i_я на М = ci_я,, получим уравнение механи­ческой характеристики в системе Г—Д:

где β_с= с²/ модуль статической жесткости механической характеристики в системе Г—Д.
Сравнивая (5.8) 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 R_я∑ и L_я∑, если в качестве управляющего воздействия рассмат­ривать не напряжение u_я , а ЭДС генератора е_г.
На рис. 5.4,д представлена естественная механическая харак­теристика двигателя при питании от сети (прямая /) и естест­венная характеристика в системе Г—Д (прямая 2). Так как генератор имеет примерно ту же мощность, что и двигатель, то R_я∑.дв≈ R_я∑г. Соответственно модуль жесткости в системе Г—Д примерно в 2 раза меньше, чем модуль жесткости (3 при бесконечно мощной сети R_я∑в≈ 2R_я∑дв..
Характеристика 2 соответствует такой ЭДС генератора Е_г=Е_г.ном при которой двигатель работает в номинальном режиме при М = М_ном, ω =ω_ном.
Это значение Е₁ больше, чем номинальное напряжение двигателя:

Как следствие, в разомкнутой системе Г—Д скорость
идеальною холостого хода (ω_0ном = Е_г.ном/с больше, чем ω_о =U_ном /с при питании от сети.
Изменением ЭДС генератора Е_г в системе Г—Д обеспе­чивается непрерывное плавное управление моментом и ско­ростью электропривода во всех четырех квадрантах коорди­нат механической характеристики при неизменной жесткости β_е = const.
В качестве примера на рис. 5.4, д показаны две искусствен­ные характеристики 3 и 4, соответствующие значениям Е_г= Е^'_г = const и Е_г = — Е^’’_г = const на рис. 5.4, г
С помощью уравнений(5.4)-(5.6) и уравнения движения электропривода при с₁₂ = ∞ в виде

на рис. 5.5, а построена структурная схема системы Г - Д. Сравнивая эту схему со схемой на рис. 4.7, можно устано­вить, что динамические свойства системы Г — Д по отноше­нию к управляющему воздействию е_г аналогичны рассмот­ренным в гл. 4. Колебательность электропривода определяется соотношением постоянных времени т ==Т_М/Т_я, а характер изме­нения скорости в переходных процессах задается законом изме­нения е_г =f(t) аналогично тому, как это было рассмотрено в § 4.9 при u_я =f(t).
Опираясь на проведенный выше анализ, можно сделать вывод, что если изменять напряжение u_у по закону, обес­печивающему линейное нарастание ЭДС генератора е_г = bt, то в системе Г—Д ω₀ = (b/c)t = ε_0t и зависимости момента М (t) и скорости ω(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 Т_т.в в и Т_г. Постоянная времени Т_т.в в при полупроводниковой системе импульсно-фазового управле­ния тиристорным возбудителем весьма мала: Т_т.в =0,01 с. Постоянная времени цепи возбуждения генератора Т_г, напротив, весьма велика: Т_г = 1 ÷ 3 с. Поэтому во многих случаях можно без заметной погрешности принять Т_т.в≈ 0 и, обозначив k'_г = k_т.вk_г/c, представить структурную схему системы Г—Д, как показано на рис. 5.5,6. Рассматривая эту схему, можно

заключить, что при изменении управляющего воздействия u_у скачком ЭДС генератора и скорость ω₀ в системе Г — Д изме­няются по закону, определяемому переходной функцией инер­ционного звена с постоянной Т_г:

Процессы в электромеханической системе с линейной меха­нической характеристикой при изменении ω₀ по закону (5.10) были рассмотрены также в § 4.9 и полностью характеризуют процессы в системе Г-Д при скачке управляющего воздей­ствия. Из (5.10) можно определить начальный темп нараста­ния управляющего воздействия:

При данной Т_г он определяется приложенным к обмотке возбуждения генератора напряжением U_в.г=k_т.вU_у и достигает наибольшего значения при U_в.max= k_т.вU_у.max (см. рис. 5.4, в). Для получения требуемого времени нарастания ЭДС генератора до номинального значения t_в необходимо форсировать про­цессы возбуждения путем повышения приложенного напряже­ния. Требуемый коэффициент форсирования α= U_в.max/U_в.ном определяется из соотношения

Зависимое α_тр=f(t_в/Т_г) представлена на рис. 5.6. Так как при малых Т_м << Т_г t_в≈t_п, где t_п - требуемое время пуска, анализируя (5.12) и рис. 5.6, можно заключить, что и системе Г-Д теоретически достижимо любое малое время пуска, однако при весьма больших коэффициентах форсиро­вания α_тр. Так как требуемая мощ­ность возбудителя
Р_в.тр= α_тр U_в.номI_в.ном= α_тр Р_в.ном (5.13)


^{Рис. 5.6. Требуемые значения
коэффициента форсировки}
α=f(tв/Тг)
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 α_max≤4. При теристорном возбуждении и 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 η_дв,η_г, η_ПД - соответственно КПД электрических машин Д, Г и ПД.
Достоинствами системы Г — Д являются отсутствие иска­жении 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 cosφ=1 или с опережающим cosφ 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.