Двигун постійного струму незалежного збудження являє собою електричну машину, яка має силову обмотку, розташовану на обертовому якорі машини, і обмотку збудження, що створює основний магнітний потік машини і розташовану на її полюсах Кожна із зазначених обмоток в загальному випадку отримує напруга живлення від незалежних джерел постійного струму, що утворює два канали управління двигуном постійного струму За ним виконується регулювання швидкості, моменту двигуна шляхом зміни за допомогою напівпровідникових перетворювачів напруги, що подається на зазначені обмотки Ці статичні перетворювачі електричної енергії змінного струму в постійний в загальному випадку складаються з трансформатора, блоку напівпровідникових керованих або некерованих силових ключів і вихідного фільтра Узгоджувальний трансформатор необхідний для узгодження значення вхідного в перетворювач напруги з номінальним значенням обмотки якоря використовуваного двигуна Блок напівпровідникових некерованих силових ключів використовується для отримання найбільшого значення випрямленої напруги, блок напівпровідникових керованих силових ключів – для отримання мінливого за значенням випрямленої напруги аж до найбільшого його значення Вихідний фільтр застосовується для зменшення пульсацій напруги на виході перетворювача або струму в навантаженні Напівпровідникові перетворювачі мають:

– високий ККД, обумовлений високою швидкодією силових ключів і незначним падінням напруги на ключах у відкритому їх стані

– незначну інерційність

– високу надійність при використанні швидкодіючої захисту та модульно-блокового конструктивного виконання перетворювача

До недоліків відносять:

– низький коефіцієнт потужності при великому діапазоні регулювання вихідної напруги перетворювача

– спотворення форми вхідного живлячої перетворювач напруги, викликані комутацією його силових ключів

– підвищений рівень випромінюваних радіоперешкод

Перетворювачі класифікуються за потужністю, напрузі, числу фаз живлячої напруги, схемою випрямлення, способу управління силовою частиною Класифікація за потужністю досить умовна Перетворювачі до 5 кВт вважають малопотужними, до 20 кВт – середньої потужності, понад 20 кВт – потужні Перетворювачі, що мають вихідну напругу до 250 В, прийнято називати низьковольтними, до 1000 В – середньої напруги і вище 1000 В – високовольтними За кількістю фаз вхідної напруги перетворювачі поділяються на одно-та трифазні За схемою випрямлення розрізняють однофазні двухполуперіодні з середньою точкою, однофазні мостові несиметричні і симетричні, трифазні з середньою точкою, трифазні мостові несиметричні і симетричні схеми Системи керування силовою частиною перетворювача за способом побудови поділяються на горизонтальні і вертикальні

У електрообладнанні поліграфічних машин мають місце малопотужні і середньої потужності електроприводи з низьковольтними перетворювачами Перетворювачі цих електроприводів побудовані в основному за однофазної мостовий несиметричною і симетричною схемами для електроприводів малої потужності, трифазні – по бруківці несиметричною і симетричною схемами для електроприводів середньої потужності В основу отримання регульованого за значенням вихідної напруги перетворювача покладено фазовий спосіб, тобто зміна часу включення силового ключа (часу подачі імпульсу управління) по відношенню до точки переходу синусоїдальної напруги, що прикладається до цього ключа, через нуль Це значення кута і визначає запізнювання в роботі перетворювача, тривалість роботи перетворювача на навантаження протягом напівпр- риода вхідної напруги

У посібнику будуть розглянуті перетворювачі, що найчастіше зустрічаються в електрообладнанні поліграфічних машин

Зупинимося на деяких особливостях роботи випрямних перетворювачів на прикладі нульової схеми перетворювача (рис 41) У даній схемі використовується тільки один напівперіод вхідної напруги харчування залежно від того, як включені напівпровідникові ключі У розглянутій схемі застосовуються позитивні напівперіоди ЕРС, які присутні в фазах вторинних обмоток трансформатора і зрушені відносно один одного на кут 2п / т, де т – число фаз живлячої напруги Падінням напруги на включеному ключі пренебрежем, і тоді зазначені ЕРС можуть розглядатися як потенціали кінців обмоток щодо нульової точки, тобто це потенціали на вході ключів, які будемо вважати безінерційними

Рис 41 Нульова схема

Якщо припустити, що ключі випрямляча (IGBT) працюють як діоди, то кожен з них буде пропускати струм тоді, коли потенціал емітера вище потенціалу його колектора У проміжку часу С. Л2 струм пропускає тільки ключ ELI, оскільки ЕРС фази А, прикладена до ключів Е72, VT3, перевищує ЕРС інших фаз, тим самим замикаючи ці ключі (рис 42) У момент t2 ЕРС фази В стає рівною ЕРС фази А, а потім перевищує її З цього моменту починає пропускати струм ключ Е72, а ключі ЕГ1, Е73 будуть замкнені Ефоцесс переходу струму з одного ключа на інший під дією ЕРС вторинних обмоток трансформатора називається природною комутацією ключів Час t2..t3 носить назву інтервал природної комутації, що характеризується кутом комутації γ У цьому режимі середнє значення випрямленою ЕРС

За початок координат при інтегруванні приймається точкаа Е2

– Діюче значення ЕРС вторинної обмотки трансформатора

Максимальне значення випрямленою ЕРС в нульовий схемою становить Е0 = 1,17 Е2, В бруківці-

Керовані ключі перетворювача дозволяють регулювати напругу на його виході, що досягається відкриванням їх (наприклад, IGBT) на відповідні моменти часу відносно точки природного відкривання t2 Зсув імпульсу управління ключем щодо цієї точки, тобто зміна фазового кута управління а, затримує вступ в роботу чергового ключа і продовжує роботу попереднього У цьому режимі середнє значення випрямленою ЕРС буде пропорційно кутку управління а:

У робочих режимах електроприводу напруга на обмотці якоря менше середнього значення випрямленою ЕРС перетворювача Це пояснюється падінням напруги на еквівалентному активному опорі перетворювача струму навантаження, падінням напруги, повязаним з процесом комутації ключів, падінням напруги на включених ключах Падіння напруги на включених ключах вважається постійним рівним Δ1 /кл = 0,4 .. 0,8 В Падіння напруги на еквівалентному активному опорі перетворювача Еекв струму навантаження /нагр

пропорційно цьому току:

Ri, Xi, Wi – активне, індуктивне опору і кількість витків первинної обмотки трансформатора

R>, х2, w2 – Активне, індуктивне опору і кількість витків вторинної обмотки трансформатора

Rox – Активний опір зєднань схеми перетворювача

т – кількість пульсов випрямленого струму

Різниця ЕРС врівноважується ЕРС самоіндукції в контурі, складеному з обмоток фаз А та В трансформатора і вентилів VT \ і 172:

Падіння напруги в перетворювачі в процесі комутації найзначніше Процес комутації не миттєво, що пояснюється дією індуктивності розсіювання вторинних обмоток трансформатора Вона підтримує струм у вентилі, що виходить з роботи, і зменшує струм у вентилі, що входить в роботу, що створює період, коли струм проходить через два вентиля Фазовий кут, відповідний цьому періоду, називають періодом комутації При природній комутації ключів (а = 0) в її контурі (на рис 41 він позначений пунктиром) діє різниця ЕРС ев – ЕА, Епюра якої позначена на рис 42 пунктиром ЕРС, що утворюють цю різницю, синусоїдальні і зрушені один щодо одного по фазі на кут 2п / т Тоді цю різницю можна представити у вигляді

де /до – Струм контуру комутації

Для вентиля VT2 струм /до є реальним струмом, а для раніше працював вентиля VTI він спрямований назустріч існуючому току і являє собою ту частину, на яку зменшується струм iwl Загальний струм у навантаженні (в обмотці якоря двигуна) складе /я = Uр2 + І · Коли у вентилі 172 ток стане рівним ίΆ, Струм у вентилі

Upi зменшиться до нуля і процес комутації закінчиться Проинтегрируем рівняння (44) в межах t2-t3 і отримаємо значення струму в цей період:

Звідси визначається кут комутації

У період комутації потенціал загальної точки вентилів, який повинен мати значення ев, Дорівнює напівсумі ЕРС двох фаз (еА + Ев ) / 2 В кінці процесу комутації, коли вентиль VTI закривається, цей потенціал стрибком збільшується до значення, обумовленого ЕРС фази В У результаті середнє значення напруги зменшиться на

У регульованому преобразователе α / Оі кут комутації змінюється не тільки у функції струму навантаження, а й у функції кута управління У цьому режимі період комутації зсувається на кут а і вираз струму тут запишеться так:

Це вираз називають рівнянням комутації З нього визначається кут комутації при регулюванні напруги на виході перетворювача:

В принципі максимальний кут комутації ymax ~ 15 .. 18 ел град

Таким чином, визначивши всі падіння напруги в схемі керованого перетворювача, можна вважати, що середнє випрямлена напруга на його виході складе

Вираз (41) являє собою зовнішню характеристику перетворювача, яка показує, що із збільшенням струму навантаження (струму якоря) напруга на виході перетворювача зменшується

Вищевикладене відноситься до режиму безперервних струмів, епюри напруги якого наведені на рис 43

Рис 43 Епюри ЕРС, напруги перетворювача і безперервного струму в навантаженні при малих кутах управління а

При зменшенні напруги на виході перетворювача певне співвідношення індуктивності і струму навантаження призводять до режиму переривчастих струмів, епюри напруги якого наведені на рис 44

Режим переривчастих струмів може наступити при незначній індуктивності і невеликих токах навантаження, а якщо знехтувати падінням напруги в перетворювачі, то ця ситуація виникає при кутах управління α> π / 2 – п / т

Середнє значення випрямленою ЕРС в таких режимах визначається за формулою

У режимі переривчастих струмів струм навантаження викликає значно більше зменшення напруги, ніж в режимі безперервного струмів Результатом такої дії є зменшення модуля жорсткості зовнішніх характеристик перетворювача

Рис 44 Епюри ЕРС, напруги перетворювача і безперервного струму в навантаженні при великих кутах управління а

Є певна звязок між кутом регулювання а і граничним струмом навантаження, що розділяє два цих режиму У міру зменшення напруги холостого ходу значення граничного струму збільшується, і режим переривчастих струмів поширюється до великих значень струму навантаження Зазначена залежність визначається формулою

На рис 45 наведені зовнішні характеристики регульованого перетворювача при різних кутах управління а Штриховий лінією позначена межа між зонами (ліворуч) переривчастих і (праворуч) безперервних струмів, яка представляє собою дугу еліпса Перетворювачі, зібрані по мостовим схемами, принципово працюють так само, як і зібрані, за нульовими схемами, тільки вони забезпечують більш високу випрямлена напруга, меншу змінну складову, більш високу частоту пульсацій напруги та струму, краще використання потужності трансформатора

Рис 45 Зовнішні характеристики регульованого перетворювача

Керований перетворювач може працювати не тільки в випрямному режимі, але і в інверторному, коли виникає ситуація рекуперативного гальмування електроприводу, тобто повернення запасеної електроприводом електромеханічної енергії в джерело живлення – в керований перетворювач

На рис 46 наведена спрощена схема електроприводу, відповідна випрямними режиму роботи перетворювача Його регулювальні властивості враховуються джерелом регульованою ЕРС Eq cosa, а одностороння провідність напівпровідникових ключів – вентилем Vnhlup

У цьому режимі кут управління a < π / 2 і позитивне значення Eq cosa перевищує ЕРС двигуна.

Рис 46 Спрощена схема електроприводу при роботі перетворювача

в випрямному режимі

Рис 47 Спрощена схема електроприводу при роботі перетворювача

в інверторному режимі

На рис 47 наведена спрощена схема електроприводу, відповідна інверторному режиму роботи перетворювача

Тут для отримання відємного значення Eq cosa кут управління повинен бути a> π / 2, а ЕРС двигуна повинна бути більше середнього значення ЕРС перетворювача, тобто повернення енергії відбувається в негативні напівперіоди напруги живильної мережі Перехід від одного негативного напівперіоду до іншого здійснюється з періодичністю, обумовленої частотою напруги мережі живлення, що називається природною комутацією силових ключів перетворювача, а сам він – інвертором, веденим мережею При виконанні режиму инвертирования кут а збільшують, і, виходячи з рівності Eq cosa < 0, його максимальне значення не повинно перевищувати π. Однак для надійного замикання силових ключів в позитивний напівперіод це значення кута повинне бути зменшене на кут комутації, а також слід врахувати і час відновлення ключами своїх замикаючих властивостей. Цей облік оцінюється кутом δ, максимальне значення якого не перевищує 5тах~ 2 ел град Таким чином, максимальний допустимий кут управління в інверторному режимі складе a = π – (γ + δ) Це обмежує ЕРС на виході перетворювача, а отже, значення максимальної швидкості двигуна, при якій схема може бути переведена в інверторний режим Для реверсивних керованих електроприводів постійного струму необхідні перетворювачі, що дозволяють змінювати на свій вихід полярність напруги Це двухкомплектной схеми перетворювачів, в яких комплекти можуть зєднуватися по перехресної або зустрічно-паралельной схемами У першому випадку кожен комплект вентилів харчується від окремої вторинної обмотки узгоджувального трансформатора, у другому – обидва комплекти приєднані до однієї вторинної обмотці такого трансформатора Найбільше застосування отримали перетворювачі з зустрічно-паралельной схемою (рис 48) У наведеному прикладі кожен керований перетворювач UZ1, UZ2 зібраний за мостовою схемою, в кожному плечі якій є IGBT Кожен комплект транзисторів управляється індивідуальної системою управління СІФУ1 і СІФУ2 Управління комплектами може бути роздільним або спільним

Рис 48 Схема перетворювача для реверсивного керування двигуном постійного струму по ланцюгу якоря

При роздільному управлінні комплекти транзисторів працюють по черзі Для отримання механічних характеристик електроприводу, наприклад в I і IV квадрантах, використовується один комплект, а для II і III квадрантів – Інший Тому для роботи достатньо мати одну систему управління випрямними комплектами У цьому випадку зовнішні характеристики кожного перетворювача збігаються з такими ж характеристиками однокомплектной нереверсивного електроприводу Однак при переході з I в II і з в IV квадранти зявляється неоднозначність характеристик, повязана з виникненням зони переривчастого струму і зміною модуля жорсткості механічних характеристик Зявляється і фактор, що зменшує динамічні властивості такого електроприводу, викликаний тим, що необхідна витримка часу при переході роботи системи управління з одного комплекту на інший

При спільному управлінні кожен комплект перетворювача має власну СІФУ, як у наведеному прикладі Керуючі імпульси на транзистори обох комплектів подаються одночасно При цьому один комплект працює в випрямному режимі, другий підготовлений до роботи в інверторному режимі Кути управління транзисторами комплектів повязані співвідношенням щ + а2 = π Особливістю спільного управління є наявність зрівняльного струму у внутрішньому контурі, складеному з зустрічноввімкнених комплектів Цей зрівняльний струм знижує ККД електроприводу, однак дозволяє уникнути зони переривчастих струмів при малих токах навантаження налаштуванням певного значення початкового кута управління У результаті цього перехід з випрямного режиму в інверторний полегшується, а зовнішні характеристики реверсивного перетворювача стають прямолінійними Підвищити енергетичні показники електроприводу можна шляхом використання при узгодженому управлінні датчика провідності вентилів ДВП кожного комплекту перетворювача (Рис 49) Зазначений датчик контролює проводить струм стан вентилів комплектів і через логічне перемикаючий пристрій ЛПУ дозволяє роботу однієї системи управління, наприклад СІФУ1, керуючої комплектом UZ 1, що знаходиться в випрямному режимі, і забороняє роботу іншої системи СІФУ2, керуючої комплектом UZ2, підготовленим до роботи в інверторному режимі Перехід перетворювача з випрямного режиму в інверторний відбудеться тільки тоді, коли струм через всі вентилі комплекту UZ 1 стане рівним нулю, і вони закриються Тоді ЛПУ зніме заборону на роботу СІФУ2 і комплект UZ2 забезпечить роботу електроприводу в рекуперативному режимі Робота схеми ДВП заснована на контролі напруги на силових ключах випрямляча: в непроводящем стані напруга на силових ключах високе, в проводяться – низьке, на рівні 0,4 .. 0,8 В (рис 49) Таким чином, ДПВ визначає бестоковую паузу в роботі комплектів перетворювача і за допомогою ЛПУ передає управління силовими ключами з одного комплекту на інший, змінюючи полярність напруги Ud на обмотці якоря двигуна, що дозволяє двигуну поміняти напрямок обертання або, якщо ЕРС обертання двигуна більше значення випрямленої напруги перетворювача, перевести один комплект випрямляча в інверторний режим

Рис 49 Схема датчика провідності вентилів

Розглянемо роботу ДПВ, який складається з трьох двополярного нуль-органів на транзисторах VI .. V4 V2 .. V5 V3 .. V6 схеми АБО на транзисторах V7, V8, V9 транзисторного ключа НЕЮ вузла гальванічної раз-вязки на оптроні Е11 вихідного транзистора Е12 Гальванічна розвязка запобігає проникненню контрольованого на силовому ключі напруги в слабкострумову частина схеми управління При провідному стані хоча б одного з контрольованих вентилів (транзисторів, тиристорів), наприклад ЕТ2, відповідний двохполярний нуль-орган (V2 . V5) фази В закритий Транзистор V8 схеми АБО відкритий, а транзисторний ключ НЕЮ закритий Оптрон Е11 знаходиться в непроводящем стані За рахунок створилося зміщення бази транзистор Е12 відкритий і на його виході є логічний нуль, що забороняє перемикання логічним пристроєм імпульсів на управління вентилями іншого комплекту При закритих вентилях всіх трьох плечей перетворювача нуль-органи відкриті, транзистори Е77 .. VT9 збірки АБО закриті, транзисторний ключ НЕЮ відкритий, світлодіод оптрона Е11 включений, а вихідний каскад Е12 закритий, на виході зявляється логічна одиниця, роздільна перемикання логічним пристроєм імпульсів на управління вентилями іншого комплекту ДВП має індивідуальний джерело живлення транзисторної схеми, виконаний на трансформаторі TV і трифазному випрямлячі UZ Всі значення струму при роботі електропривода контролює датчик струму ДТ, включений на стороні змінного струму, тобто на вході перетворювача При перевищенні струмом граничних значень, визначених налаштуванням систем управління, ЛПУ накладає заборону на роботу СІФУ1 і СІФУ2, тим самим виводячи перетворювач з роботи Завдання швидкості, інтенсивності її наростання визначається керуючим пристроєм УУ42

Джерело: Бєляєв В П, Шуляк Р І, «Електронні пристрої поліграфічного обладнання», Білоруський державний Технологічний університет, Мінськ, 2011 р