Одной из наиболее важных схем для промышленных двигателей постоянного тока большой мощности с регулированием скорости по-прежнему является тиристорный привод, особенно когда увеличение стоимости обслуживания двигателей, связанное с заменой щеток, является приемлемым. Регулировка напряжения постоянного тока, обеспечивающая изменение скорости, подается на двигатель от тиристорного выпрямителя.

Структурная схема привода на тиристорах

До 1960-х годов единственным удовлетворительным способом регулирования скорости электромоторов было питание его через асинхронный двигатель с генератором постоянной скорости. Напряжение, создаваемое этим генератором, изменялось магнитным полем его возбуждения.

Электродвигатель – регулирующий генератор (SP) мог быть расположен вдали от управляемого главного двигателя, а регулирующие устройства большего количества двигателей (например сталелитейных заводов) обычно располагались в больших отдельных цехах. Каждый из таких приводов состоял из трех аппаратов, что было выгодным решением для их производителей.

Кстати, в 1950-х годах блоки SP были заменены управляемыми ртутными выпрямителями, а те в свою очередь, уступили место тиристорным выпрямителям, которые были более дешевыми, эффективными (> 95%), меньшими по размеру, не требующими обслуживания и более быстрыми в эксплуатации. Недостатками выпрямительных источников питания являются искажение формы кривой напряжения-тока и гораздо меньшая перегрузочная способность.

Для двигателей мощностью не более нескольких киловатт регулирующий преобразователь может питаться от однофазного или трехфазного сетевого напряжения. Трехфазное питание необходимо для двигателей большей мощности. Для создания магнитного поля мотора используется отдельный тиристорный или диодный выпрямитель. Его мощность намного меньше, чем у контроллера, поэтому источник питания обычно однофазный, как показано на рисунке. Эта схема типична для большинства приводов моторов постоянного тока и обеспечивает управление скоростью с обратной связью.

Основная силовая цепь содержит 6-ти тиристорный мост установленный на радиаторе, который преобразует входной переменный ток в постоянное напряжение, питающее якорь двигателя. Среднее выпрямленное напряжение и, следовательно, скорость двигателя, можно контролировать изменяя угол проводимости тиристоров. Управляемый выпрямитель обеспечивает высокое пульсирующее напряжение.

Пульсации напряжения вызывают пульсации тока, а также магнитного потока в двигателе, поэтому чтобы избежать слишком высоких потерь на вихревые токи и трудности с коммутацией, полюса и корпус двигателя должны иметь слоистую структуру. Электродвигатели взаимодействующие с тиристорными приводами изготовлены из листового металла, но некоторые из старых имеют монолитную конструкцию и не всегда удовлетворительно взаимодействуют с приводами выпрямителей.

Приводные двигатели обычно оснащены вентиляторами, что позволяет им непрерывно работать с максимальным крутящим моментом без перегрева, даже на самых низких оборотах.

Цепи управления с низким энергопотреблением используются для контроля основных важных параметров (обычно тока двигателя и числа оборотов в минуту) и для генерации соответствующих управляющих импульсов, чтобы двигатель поддерживал постоянную скорость независимо от нагрузки. Опорное значение частоты вращения обычно представляет собой аналоговое напряжение, изменяющееся от 1 до 10 В от ручного потенциометра или другого источника.

Преобразователь управления состоит из цепей питания, управления и защиты. Доступны стандартные модульные преобразователи мощностью от 0,5 кВт до нескольких сотен киловатт, а в зависимости от индивидуальных потребностей даже более крупные.

Работа с питанием от преобразователя

Двигатель постоянного тока от регулируемого выпрямителя работает почти так же хорошо, как если бы он был запитан чистым постоянным напряжением. Из-за влияния индуктивности якоря пульсации протекающего в нем тока намного меньше, чем пульсации питающего напряжения. А инерция якоря настолько велика, что пульсации минимально влияют на обороты. В результате отпадает необходимость в сложном и дорогостоящем сглаживании напряжения питания.

Формы сигналов тока двигателя

На рисунке показаны формы сигналов напряжения (а) и тока (б) двигателя, для простоты с однофазным (2-х импульсным) преобразователем, но оно также применимо к трехфазному (шестиимпульсному) преобразователю.

Выпрямленное напряжение приложенное к якорю двигателя (а), имеет характер импульсов, форма которых зависит от среднего значения входного напряжения и угла проводимости тиристора. Форма волны напряжения может быть разбита на средний уровень постоянного напряжения (Udc) и наложенное пульсирующее напряжение (Uac). Среднее напряжение Udc регулируется изменением угла проводимости, что также в некоторой степени изменяет пульсацию Uac.

Пульсирующая составляющая тока протекает через якорь, но из-за своей индуктивности она мала. Якорь рассчитан на переменное напряжение с высоким сопротивлением. Пульсации тока малы по сравнению с пульсациями напряжения. Среднее значение тока пульсаций равно нулю, поэтому оно не влияет на крутящий момент двигателя. Тем не менее, колебания крутящего момента происходят с каждым полупериодом частоты сети, но из-за низкой амплитуды и высокой частоты изменений вращения (и, следовательно, обратной электродвижущей силы E) они незаметны.

В конце каждого импульса сила тока такая же, как и в начале, поэтому среднее напряжение на индуктивности якоря равно нулю. Следовательно можно предположить, что среднее приложенное напряжение равно обратной сумме E (колебаниями частоты вращения двигателя можно пренебречь) и среднему напряжению на якоре.

Udc = E + Idc х R

Это то же, что и в случае подачи чистого постоянного напряжения. Это очень важное утверждение, потому что оно подчеркивает, что просто изменяя угол проводимости контроллера, можно контролировать среднее напряжение двигателя и его скорость. Благодаря сглаживающему эффекту индуктивности якоря мотор работает правильно, якорь как фильтр нижних частот устраняет большую часть пульсаций и стабилизирует ток.

Это эффективно, когда постоянная времени якоря больше длительности импульса (2-импульсный полупериод, но только одна шестая от 6-ти пульсного периода). Этому условию соответствуют все 6-ти пульсные приводы и большинство 2-х импульсных. Таким образом электромотор ведет себя так, как если бы он был запитан полностью постоянным напряжением (хотя потери I2R немного больше, чем в случае полностью постоянного тока).

Скорость холостого хода ненагруженного двигателя определяется приложенным напряжением (в зависимости от угла проводимости тиристоров преобразователя). При увеличении нагрузки скорость немного падает и средний ток зависит от нагрузки. В примере на рисунке форма волны напряжения (a) соответствует обоим условиям нагрузки (b): верхняя – с более высоким значением крутящего момента нагрузки и нижняя – с гораздо более низкой нагрузкой, когда обороты в обоих случаях почти одинаковы.

Пульсации тока остаются постоянными, от нагрузки зависит только среднее значение тока. Вращение двигателя зависит только от угла проводимости преобразователя, который регулируется в маломощной цепи.

Осциллограммы тока можно считать непрерывными, поскольку ток не прерывается.

Прерывистый ток мотора

На рисунке показано, что при уменьшении момента нагрузки минимумы формы кривой тока достигают нуля. Нагрузка, при которой это происходит, зависит от индуктивности якоря, потому что чем она больше, тем меньше пульсация. Это относится к небольшим моторам с низкой индуктивностью, особенно к двигателям с двойным импульсным преобразователем или с небольшой нагрузкой.

Типичные формы сигналов напряжения и тока в прерывистом режиме показаны на рисунке. Ток якоря состоит из отдельных импульсов, соответствующих протеканию тока в тиристорах, разделенных прерываниями его протекания. Форму сигнала тока можно описать уравнением:

di / dt = (UE) / L

которое выражает зависимость скорости изменения силы тока от разности приложенного напряжения U и кинетической электродвижущей силы E. Значения (UE) на рисунке отмечены вертикальной штриховкой. Когда U>E, ток увеличивается, а когда U<E, он уменьшается. Таким образом пиковый ток определяется вершинами кривой на верхнем графике.

При сравнении рисунков можно увидеть, что формы сигналов напряжения на якоре (сплошные линии) различаются, потому что ток падает до нуля до появления следующего импульса проводимости, и за это время двигатель раскручивается слабо.

Для простоты предполагается, что падением напряжения на сопротивлении якоря IR можно пренебречь. Тогда среднее напряжение Udc на якоре должно быть равно кинетическому E, так как на катушке якоря нет напряжения, в то время как ток не изменяется, поэтому оба значения, показанные в вольтсекундах и в заштрихованных областях индуктивности, равны каждому.

Затем средний ток может увеличиваться по мере уменьшения числа оборотов (а также E) и увеличения заштрихованной области. Отсюда следует, что с точки зрения пользователя, поведение двигателя в режиме проведения прерывистого тока хуже, чем в непрерывном режиме, поскольку увеличение момента нагрузки вызывает значительное падение скорости. Тогда график крутящего момента приобретает нежелательную спадающую кривую в области прерывистого тока, как показано на рисунке, и потери I2R становятся намного больше чем в случае чисто постоянного тока.

В условиях очень легкой или нулевой нагрузки импульсы тока почти исчезают, заштрихованная область на рисунке становится очень маленькой, и двигатель достигает точки в которой обратный E находится на пике напряжения питания.

Формы кривых вращения в зависимости от крутящего момента с внезапными неоднородностями формы очень нежелательны. Например, если угол проводимости доведен до нуля и двигатель полностью нагружен, его скорость будет в точке A графика, а среднее напряжение и ток якоря будут равны полным (номинальным) значениям.

При уменьшении нагрузки ток останется непрерывным, частота вращения немного увеличится, как и ожидалось, до тех пор пока не будет достигнута точка B, где ток начинает переходить в прерывистый режим. Дальнейшее снижение момента нагрузки приведет к совершенно непропорциональному – очень неблагоприятному – увеличению числа оборотов в минуту, особенно когда нагрузка снижается до нуля и число оборотов достигает точки C.

Есть два способа улучшить эту характеристику:

1. В первом случае последовательная индуктивность якоря будет увеличена для лучшего сглаживания тока и уменьшения склонности к прерыванию тока. Результат этой процедуры показан пунктирной линией.
2. На втором этапе можно изменить однофазный преобразователь на трехфазный, чтобы получить более плавные формы сигналов напряжения и тока.

Если преобразователь и двигатель объединены в схему управления с обратной связью, пользователь не столкнется с какими-либо недостатками, поскольку схема управления изменит угол проводимости тиристора, так что необходимое вращение будет автоматически достигаться при любой нагрузке. Схема управления обеспечит работу двигателя только в пределах серой области, не опасаясь запустить его до точки C.

В общем несмотря на разработку новых транзисторных схем управления моторами, тиристорные приводы всё-ещё отлично справляются со своей задачей.