Довольно большое количество промышленных электроприводов и технологических процессов для своего питания используют постоянный ток. Причем в таких случаях довольно часто необходимо изменять значение этого напряжения.
Такие виды транспорта как метрополитен, троллейбусы, электрокары и другие виды транспорта получают питающее напряжения из сетей постоянного тока с неизменным напряжением. Но ведь многие из них нуждаются в изменении значения напряжения, подводимого к якорю электродвигателя.
Классическими средствами получения необходимых значений являются резистивное регулирование и система генератор-двигатель, или система Леонардо. Но эти системы являются устаревшими, и встретить их можно довольно редко (особенно систему генератор-двигатель).
Более современными и активно внедряемыми сейчас являются системы тиристорный преобразователь-двигатель, импульсный преобразователь двигатель. Рассмотрим каждую систему более подробно.
Резисторное регулирование
Для регулирования пускового тока и напряжения, подводимого к электродвигателю, в якорную цепь последовательно якорю (или якорю и обмотке возбуждения в случае двигателя последовательного возбуждения) подключают резисторы:
Таким образом, регулируется ток, подводимый к электрической машине. Контакторы К1, К2, К3 шунтируют резисторы при необходимости изменения какого-либо параметра или координаты электропривода. Этот способ довольно еще широко распространен, особенно в тяговых электроприводах, хотя ему сопутствуют большие потери в резисторах и, как следствие, довольно низкий КПД.
Система генератор-двигатель
В такой системе необходимый уровень напряжения формируется путем изменения потока возбуждения генератора:
Наличие в такой системе трех электромашин, больших массогабаритных показателей и длительного времени ремонта при поломках, а также дорогостоящего обслуживания и большую инерционность такой установки сделали КПД такой машины очень низким. Сейчас систем генератор-двигатель практически не осталось, все они активно заменяются на системы тиристорный преобразователь – двигатель ТП-Д, который обладает рядом преимуществ.
Тиристорный преобразователь – двигатель
Получила свое массовое развитие в 60-х годах, когда начали появляться тиристоры. Именно на их базе были созданы первые статичные маломощные тиристорные преобразователи. Такие устройства подключались напрямую к сетям переменного тока:
Регулирование напряжения происходит путем изменения угла открывания тиристора. Регулирование через тиристорный преобразователь имеет ряд преимуществ перед установкой генератор-двигатель, такие как высокое быстродействие и КПД, плавное регулирование напряжения постоянного и много других.
Преобразователь с промежуточным звеном постоянного напряжения
Здесь все немного сложнее. Чтоб получить постоянное напряжение необходимой величины применяют еще вспомогательные устройства, а именно инвертор, трансформатор, выпрямитель:
Здесь постоянный ток преобразуют в переменный с помощью инвертора тока, потом с помощью трансформатора понижают или повышают (в зависимости от надобности), а потом снова выпрямляют.
Значительно удорожает установку наличие трансформатора и инвертора, укрупняет систему, чем снижает КПД. Но есть и плюс – гальваническая развязка между сетью и нагрузкой из – за наличия трансформатора.
На практике такие устройства встречаются крайне редко.
Импульсные преобразователи постоянного напряжения
Это пожалуй самые современные устройства регулирования в цепях постоянного тока. Его можно сравнить с трансформатором, поскольку поведение импульсного преобразователя подобно трансформатору с плавно меняющимся количеством витков:
Такие системы активно заменяют электроприводы с резистивным регулированием, путем подключения их к якорю машины последовательно, вместо резистивно-контакторной группы.
Их довольно часто применяю в электрокарах, а также довольно большую популярность они обрели в подземном транспорте (метрополитен).
Такие преобразователи выделяют минимум тепла, что не нагревает тоннелей и могут реализовывать режим рекуперативного торможения, что является большим плюсом для электроприводов с частым пуском и торможением.
Большим плюсом таких устройств есть то, что они могут осуществить рекуперацию энергии в сеть, плавно регулируют скорость нарастания тока, обладают высоким КПД и быстродействием.
6-1
Двигатель-генераторы обычно применяются для преобразования переменного тока в постоянный (рис. 6-1). В качестве двигателя выбирается асинхронная или синхронная машина. При больших мощностях следует предпочесть синхронную машину, так как она выгоднее асинхронной.
Рис. 6-1 Двигатель-генератор.
В качестве генератора выбирается машина постоянного тока обычно с параллельным или со смешанным возбуждением.
Преимуществами двигатель-генераторов по сравнению с другими электромашинными преобразователями являются: возможность плавного регулирования напряжения в широких пределах, большая надежность в работе, возможность использования серийных нормальных машин (машин общего применения).
Двигатель-генераторы находят себе широкое применение в самых различных областях Укажем здесь на двигатель-генераторы, которые служат для питания электролитических ванн, где требуется плавное регулирование напряжения в широких пределах. На металлургических и других заводах двигатель-генераторы применяются в качестве агрегатов в системе «генератор — двигатель».
Отметим также многие испытательные лаборатории, где используются двигатель-генераторы, позволяющие, например, при преобразовании постоянного тока в переменный получить плавное регулирование напряжения и частоты переменного тока.
Недостатком двигатель-генераторов является их относительно низкий к.п.д., равный произведению к.п.д. обеих машин.
Можно также при помощи агрегата из двух машин постоянного тока преобразовывать напряжение постоянного тока.
Но обычно для этой цели используют одну машину постоянного тока, поместив на ее якоре две обмотки, соединенные каждая со своим коллектором, причем коллекторы помещаются на разных сторонах машины (рис 6-2).
Отношение чисел проводников якорных обмоток выбирается в соответствии с заданным отношением напряжений U1/U2.
Рис 6-2. Схема одноякорного преобразователя постоянного тока с двумя обмотками на якоре.
Такая машина является одноякорным преобразователем постоянного тока с двумя обмотками на якоре Она с первичной стороны работает как двигатель, со вторичной стороны как генератор Разность моментов М1-М2=М двигательной и генераторной обмоток невелика и определяется только магнитными и механическими потерями в машине. В соответствии с этим н.с. обеих обмоток почти полностью взаимно компенсируются
Уменьшение напряжения U2 на вторичной стороне при увеличении нагрузки вызывается не только падением напряжения в цепи генераторной обмотки, но и в цепи двигательной обмотки Регулирование напряжения U2 при U1 = const путем изменения тока возбуждения практически невозможно, так как при этом будет изменяться скорость вращения, и произведение nФ = Eа»U1 останется практически неизменным
Рассмотренные преобразователи получили распространение в радио-установках. Они преобразуют напряжение U1 = 12÷24 В в напряжение U2 = 750÷1500 В.
Дальше
Регулирующие устройства цепей постоянного тока
Регулирование напряжения в большинстве случаев осуществляется с помощью двух резисторов (R и R2) (рис. 2.16).
Рис. 2.16. Схема двухступенчатого регулирования напряжения
Суммарное сопротивление резисторов (R^ и R2) должно быть достаточно большим, чтобы оно не нагружало без пользы источник питания, а также для обеспечения плавности регулирования Rj должно быть больше R2 в 10—15 раз; суммарное сопротивление резисторов (R^ и R2) должно быть как минимум в 2—3 раза меньше, чем суммарное сопротивление подключаемых приборов.
Регулирование тока в большинстве случаев осуществляется с помощью резисторов, как это показано на рис. 2.17. Здесь Rorр — ограничительный резистор, необходимый для того, чтобы не повредить приборы током большого значения, если подвижный контакт резистора окажется в крайнем левом положении.
Рис. 2.17. Схема плавноступенчатого регулирующего устройства
Плавно регулируемый резистор и несколько нерегулируемых резисторов R2—
R4, каждый из которых рассчитан на определенное значение тока, позволяют регулировать ток в широком диапазоне. Легко убедиться, что диапазон регулирования такого устройства лежит в пределах 0,1-40 А.
Для расширения диапазона регулирования в сторону малых токов (до единиц мкА) применяют способ плавного или ступенчатого шунтирования основного регулирующего устройства резисторами R5 и R6, (рис. 2.18). По этому принципу построено регулирующее устройство потенциометрической установки У309 (0,5 мкА—10 А), обеспечивающее плавность регулирования не хуже 0,005 %.
Рис. 2.18. Схема регулирующего устройства, позволяющего получить малые
значения тока
Сетевой универсальный источник тока (напряжения) (см. рис. 2.15, б) широко используется для поверки приборов классов 1,0 и более грубых (установка У300).
Фильтр, включенный после преобразователя, обеспечивает коэффициент переменной составляющей постоянного тока (напряжения) (1—3) %.
Для стабилизации питающего напряжения сети на входе источника включаются феррорезонансные стабилизаторы. Искажение формы кривой напряжения, характерные для таких стабилизаторов, компенсируется специальными фильтрами.
В результате коэффициент нелинейных искажений выходных переменных напряжений (токов) не превышает 2 %.
Источники позволяют получать на выходе постоянное и переменное напряжение до 1000 В, постоянный ток до 50 А, переменный ток до 300 А.
Плавность регулирования 0,05—0,1 достигается применением двухступенчатого трансформаторного регулятора (рис. 2.19).
Регулируемое напряжение (UBb]X рег) снимается с зажимов 1 и 2, последовательно с которыми включен контактор Kj автотрансформатора (АТ) и вторичная обмотка понижающего вольтодобавочного трансформатора Tpj с коэффициентом трансформации 1:20.
При таком сочетании перемещением контакта Kj достигается грубое регулирование, а перемещением контакта К2 — плавное.
Если, например, перемещение контакта Kj приведет к изменению выходного напряжения на величину 0,5 В, то аналогичное перемещение контакта К2 приведет к изменению выходного напряжения на 1/20, т.е. на 0,025 В.
Рис. 2.19. Схема двухступенчатого регулирования напряжения с помощью автотрансформатора (АТ)
Для согласования диапазонов регулирования источника со стандартными диапазонами измерения поверяемых приборов на выходе регулятора включаются согласующие трансформаторы напряжения Тр2 (рис. 2.20) и тока ТТ (рис. 2.21).
Рис. 2.20. Схема расширения пределов регулирования переменного напряжения
Секционирование вторичной обмотки трансформатора Тр2 обеспечивает постоянство относительной плавности регулировки и повышает точность контроля выходного напряжения на всех диапазонах регулирования.
Понижающий трансформатор тока ТТ, имеющий небольшое число витков вторичной обмотки, обеспечивает получение нужного значения тока.
Рис. 2.21. Схема расширения пределов регулирования переменного тока
Электронные источники постоянного тока (напряжения) (см. рис. 2.15, в) содержат высокоэффективные электронные стабилизаторы на базе операционных усилителей с коэффициентом усиления 104 и более.
В таких источниках достигается стабильность и плавность регулирования 0,01—0,02 %.
Так, регулируемый источник постоянного напряжения П136М (установка У355) позволяет получать напряжения в диапазоне от 0,6 мВ до 600 В при токах до 270 мА и пульсациях не более 1 %. Источник тока П138М с диапазоном от 15 мА до 30 А имеет такие же характеристики, как П136М.
В качестве регуляторов используются маломощные резистивные регуляторы, аналогичные рассмотренным выше (см. рис. 2.16—2.18).
Источники позволяют поверять приборы класса 0,05 и ниже. Они, как правило, входят в состав поверочных установок.
Электронный источник (см. рис. 2.15, г) содержит генератор синусоидальных напряжений с диапазоном частот 20—20-104 Гц, маломощный резистивный или индуктивный регулятор и усилитель мощности с согласующими трансформаторами тока или напряжения на выходе. Данные источники позволяют получать на выходе напряжения до 750 В и токи до 50 А.
Нестабильность выходных параметров электронных источников составляет примерно 0,01 %, плавность регулирования — 0,005 %, коэффициент нелинейных искажений — не более 1 %.
Данные источники используются в поверочных установках К 68001, УППУ-1М и др.
Для поверки (калибровки) трехфазных измерительных приборов требуются трехфазные источники питания переменного тока. Они содержат три источника тока (РТ) и три источника напряжения (PH), выходные параметры которых изменяются по законам трехфазных целей.
Кроме того, в трехфазных источниках имеется возможность изменять фазовый угол между выходными параметрами фазных источников тока и напряжения. Эту процедуру выполняют фазорегуляторы (ФР) — электромеханические (рис. 2.22, а) и электронные (рис. 2.22, б).
Фазорегуляторы, как правило, включаются в цепи источников напряжения и позволяют изменять фазовый угол между током и
Рис. 2.22. Структурные схемы трехфазных источников питания напряжением одновременно во всех фазах в диапазоне 0—120° с дискретностью в 0,5°.
Кроме основного назначения, фазорегуляторы обеспечивают гальваническую развязку цепей тока и напряжения.
Источник, схема которого показана на рис. 2.22, а, применяют для поверок (калибровки) на промышленной частоте (установка У1134М).
Структурные схемы и метрологические параметры фазных источников тока ИТ и источников напряжения ИН аналогичны рассмотренным однофазным источникам переменного тока.
Электронный источник (см. рис. 2.22, б) содержит однофазный задающий генератор (Г), фазовый преобразователь (ФП), преобразующий однофазную систему напряжений в трехфазную, три усилителя тока (УТ) и три усилителя напряжения (УН), электронный фазорегулятор (ФР).
В установке К68001 подобный источник питания обеспечивает измерительную схему по току в диапазоне от 0,025 до 50 А, по напряжению от 15 до 380 В.
По своим метрологическим параметрам данные источники аналогичны рассмотренным выше источникам (см. рис. 2.15, г).
Все рассмотренные источники переменного тока формируют на выходе синусоидальные токи и напряжения. При поверке же приборов, измеряющих качественные показатели электроэнергии, требуются источники питания, формирующие различные по форме напряжения (ГОСТ 13109—97). Структурная схема такого источника питания (энергоформа 3) представлена на рис. 2.23.
Источник представляет собой программируемый цифроаналоговый преобразователь, который может сформировать на выходе трехфазную систему токов и напряжений любой формы. Данные выходных параметров вводятся в процессор либо с помощью встроенной клавиатуры, либо с помощью компьютера по специальной программе.
Процессор управляет работой цифроаналогового преобразователя (ЦАП) и выдает информацию на жидкокристаллический индикатор (ЖКИ). На ЖКИ отображается графическая и цифровая информация о параметрах выходных сигналов.
ЦАП формирует шесть аналоговых сигналов: три тока и три напряжения, причем токовые сигналы гальванически развязаны друг от друга и от сигналов напряжения.
Рис. 2.23. Структурная схема цифроаналогового источника питания
- Усиленные усилителями УТ и УН сигналы поступают на выходные зажимы источника.
- Источник может формировать выходные сигналы с содержанием гармоник (от нулевой до сороковой) различной амплитуды и фазового угла.
- Выходное напряжение регулируется в пределах от 0,001 до 268 В с дискретностью 0,01 В, ток — в пределах от 0,00001 до 7,0 А с дискретностью 0,00001 А.
Коэффициент нелинейных искажений при синусоидальной форме находится в диапазоне 1—5 % в зависимости от нагрузки. Нестабильность установленных токов и напряжений — 0,03 %.
Плавное регулирование напряжения
В случае плавного регулирования напряжения на э. п. с.
переменного тока с двигателями пульсирующего тока от падает необходимость в переходных реакторах или резисторах, появляется возможность существенно упростить контактную переключающую аппаратуру и даже полностью отказаться от нее (при бесконтактном регулировании напряжения).
Кроме того, легче осуществить инвертирование тока и рекуперацию энергии при электрическом торможении; улучшаются пусковые характеристики и обеспечивается наиболее полное использование максимальной силы тяги по сцеплению.
Это особенно существенно для мощных грузовых электровозов переменного тока, которые имеют очень высокое значение коэффициентов тяги в часовом и длительном режимах. Вес поезда для них, как правило, ограничивается не нагреванием обмоток двигателя, а условиями сцепления.
Плавное регулирование напряжения для таких электровозов стало осуществимым лишь после освоения промышленного изготовления тиристоров. Все другие способы плавного регулирования с использованием коллекторных регуляторов, ртутных вентилей, трансформаторов с плавным регулированием, магнитных усилителей и др. для электровозов не могли дать удовлетворительных решений. Поэтому рассмотрим только примеры плавного регулирования напряжения с помощью тиристоров.
Различают плавное межступенчатое регулирование напряжения с вентильным переходом и бесконтактное регулирование. Первый способ регулирования был применен на опытных электровозах ВЛ60ку, второй получил широкое распространение на электровозах ВЛ80Р, ВЛ85 и др.
Применяют также мосты с разным выпрямленным напряжением; при этом два моста позволяют получить трехступенчатое регулирование, а три с соотношением напряжения 1:1:2 — четырехступенчатое. Представляет интерес схема с соотношением напряжений мостов 1:2:3, которая дает шесть ступеней, при соотношении 1:2:4 можно получить семь ступеней.
Если на электровозах применяют преобразователи, выполненные только на тиристорах, бесконтактная система управления силовыми цепями резко упро щается, так как при этом нет необходимости в переключателях ступеней, контакторах и переходных реакторах. Плавное регулирование осуществляют как в тяговом, так и в тормозном режиме.
В качестве примера рассмотрим действие цепей на электровозе ВЛ80Р (рис. 243, а).
Трансформатор Т имеет две секционированные части вторичной обмотки, каждая из которых разделена на три секции с напряжением 300, 300 и 600 В.
К секционированным частям подключены выпрямительно-инверторные преобразователи ВИП! и ВИП2. Тяговые двигатели подключены к соответствующим ВИП через сглаживающие реакторы СР.
Схему ВИП можно представить как три параллельно соединенные однофазные мостовые схемы с совмещенными смежными плечами (1-4, 3-6, 5-8). Для восьмиплечей схемы ВИП действительны все соотношения обычной однофазной мостовой схемы.
От вторичных обмоток тягового трансформатора на ВИП подается переменное синусоидальное напряжение с частотой 50 Гц.
В каждый полупериод напряжения трансформатора, имеющий длительность 0,01 с и составляющий 180°, работают два плеча моста (рис. 243,6).
Для открытия тиристоров плеч блок управления выпрямительно-инверторным преобразователем (БУВИП) в каждый полупериод вырабатывает импульсы, регулируемые по фазе ар и нулевые сю. Импульсы подаются всегда в начале полупериода с углом ар=8ч-10°.
Отсчет угла импульсов производят от момента равенства нулю питающего напряжения трансформатора в начале полупериода.
Импульсы в начале зоны регулирования имеют угол около 160° (артах), а в конце — на низких зонах регулирования и при малой нагрузке-18-20° (°ртт)> на высоких зонах регулирования и при большой нагрузке 30-40°.
Пуск электровоза начинается с зоны I Перемещая штурвал контроллера машиниста (КМЭ) из положения ПО (подготовка к работе цепей управления ВИП) в положение НР (начало регулирования), машинист создает условия для подачи импульсов управления на тиристоры плеч 3-6 При этом в один полупериод напряжения трансформатора (сплошные
О -нерегулируемый по фазе ^-нерегулируемый, задержанный по фозе(
Автоматическое регулирование напряжения и реактивной мощности генераторов
Категория Судовые электростанции
Электрические системы на современных судах в общем случае объединяют несколько разнотипных генераторов и большое количество различных по мощности и назначению потребителей электроэнергии.
Многие из судовых потребителей нуждаются в бесперебойном питании и снабжении электроэнергией высокого качества, которое в установках постоянного тока определяется постоянством напряжения, а в установках переменного тока — постоянством напряжения и частоты.
По сравнению с береговыми установками мощность судовой электростанции невелика и отдельные потребители электроэнергии соизмеримы по мощности с генераторами судовой электростанции.
Кроме того, судовые электроэнергетические системы отличаются резким изменением нагрузки в различных режимах эксплуатации судна, частыми включениями и отключениями потребителей, что ведет к колебаниям напряжения и частоты судовой электрической сети.
Однако для обеспечения нормальной работы потребителей электроэнергии напряжение не должно изменяться свыше допустимых пределов во всех режимах работы электроэнергетической системы.
В установках постоянного тока простейшим и наиболее распространенным способом поддержания постоянства напряжения в сети является компаундирование генераторов, т. е.
использование последовательной обмотки возбуждения, включаемой согласно с обмоткой параллельного или независимого возбуждения.
При увеличении тока нагрузки генератора намагничивающая сила этой обмотки возрастает и таким образом компенсирует размагничивающее действие реакции якоря и падение напряжения в сопротивлениях якорной цепи.
Кроме регулирования напряжения последовательная обмотка в генераторах се смешанным возбуждением обеспечивает также форсировку возбуждения, т. е. быстрое восстановление напряжения генератора после короткого замыкания или наброса значительной по величине нагрузки.
При необходимости более точного поддержания постоянства напряжения в сети постоянного тока применяют автоматические системы регулирования, действующие по отклонению напряжения и использующие для питания цепей возбуждения генератора электромашинные усилители ЭМУ, магнитные усилители МУ и полупроводниковые устройства.
Основными причинами изменения напряжения синхронных генераторов являются размагничивающее действие реакции статора и индуктивное падение напряжения, которые возникают при изменениях нагрузки (особенно при пуске асинхронных двигателей большой мощности, соизмеримой с мощностью генераторов), а также при всяком изменении значения коэффициента мощности (cos
Регулирование напряжения генератора постоянного тока
Все
потребители электрической энергии
рассчитаны на определенную величину
напряжения, отклонение от которой
приводит к изменению их характеристик.
Так, понижение напряжения приводит к
уменьшению светового потока ламп
накаливания, создает затруднение в
пуске электродвигателей, уменьшает их
скорость вращения и т. п.
Повышение
напряжения уменьшает срок службы
электрооборудования, увеличивает
скорость вращения электродвигателей,
приводит к ложному срабатыванию различных
агрегатов и устройств и т. д.
Напряжение
авиационных генераторов зависит от
скорости вращения якоря генератора, от
нагрузки и от температуры окружающей
среды. Все эти параметры не являются
для авиационных генераторов постоянными
величинами и в определенной степени
влияют на их напряжение.
Так,
изменение скорости вращения в пределах
рабочего диапазона приводит к изменению
напряжения генератора до 300%, изменение
нагрузки от нуля до номинальной — на
величину до 20%, изменение температуры
окружающей среды от +50 до — 60° С — на
величину до 20% номинальной.
Такое
изменение напряжения нарушает нормальную
работу потребителей, поэтому возникает
необходимость регулировать напряжение.
Регулировать напряжение также необходимо
и для обеспечения параллельной работы
авиационных генераторов.
-
Регулированием
напряжения называется процесс поддержания
напряжения постоянным независимо от
изменения скорости вращения, нагрузки
генератора и температуры окружающей
среды. -
Устройство,
с помощью которого напряжение генератора
поддерживается автоматически постоянным,
называется регулятором напряжения. -
Известно, что
напряжение генератора -
U
= Е — Iя
Rя
= Се
n
Ф –Iя
Rя -
где
I
— ток в обмотке якоря генератора; -
Rя
— сопротивление
обмотки якоря генератора; Ф — магнитный
поток полюсов; Се
-конструктивная
постоянная генератора; n
— скорость
вращения якоря генератора; Е
— ЭДС
генератора. -
Из
приведенной выше формулы видно, что при
изменении величины тока нагрузки и
скорости вращения якоря генератора его
напряжение меняется, и что в то же время
его можно поддерживать постоянным, если
изменять определенным образом магнитный
поток возбуждения генератора, а при
электромагнитном возбуждении ток в
обмотке возбуждения.
Для
регулирования тока возбуждения
применяется различные регуляторы
напряжения. В зависимости от способа
регулирования тока возбуждения
генераторов бывают регуляторы напряжения
дискретного (импульсного) и реостатного
типа.
На
старых ВС, где мощность
генераторов не превышала 1,5 кВт,
применялись вибрационные регуляторы
напряжения импульсного типа. При этом
способе регулирования сопротивление
в цепи обмотки возбуждения изменяется
периодическим шунтированием добавочного
сопротивления вибрирующими контактами
с изменяющимся соотношением между
временем замкнутого и разомкнутого
состояния контактов.
При больших
мощностях генераторов на контактах
регулятора получается сильное искрение,
которое создает большие помехи радиоприему
и приводит к быстрому подгоранию
контактов.
В
настоящее время на летательных аппаратах
применяются угольные регуляторы
напряжения реостатного типа. При
реостатном способе регулирования в
цепь обмотки возбуждения включается
реостат, сопротивление которого можно
изменять плавно или ступенями.
На
более новых ВС применяется электронный
регулятор напряжения импульсного типа.
Возврат к регулятором дискретного
действия был обусловлен появлением
мощных коммутаторов, выполненных на
полупроводниковых элементах: транзисторах,
тиристорах, диодах.