Энергетические соотношения в электромаш и ином усилителе регулируемой частоты с учетом схемы управляемого полупроводникового коммутатора Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Том 212

1971

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СООТНОШЕНИЯ В ЭЛ ЕКТРОМАШ И ИНОМ УСИЛИТЕЛЕ РЕГУЛИРУЕМОЙ ЧАСТОТЫ С УЧЕТОМ СХЕМЫ УПРАВЛЯЕМОГО ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО КОММУТАТОРА

Ш. С. Ройз, А. И. Скороспешкин, Э. Ф. Оберган

(Рекомендована научным семинаром кафедр электрических машин

и общей электротехники)

Анализ энергетических соотношений в электромашинном усилителе регулируемой частоты следует проводить с учетом работы УПК. В [1] приведена схема электромашинного усилителя регулируемой частоты (схема УПК представлена лишь полупроводниковыми ячейками и обратными диодами). Как указывалось в [1], наличие обратных диодов положительно сказывается на работе УПК, уменьшая коммутационные перенапряжения на элементах и разгружая ключи.

При отсутствии обратных диодов Дь Д2, Де в схеме УПК часть мощности ротора, в режимах холостого хода или неполной нагрузки усилителя, не может быть передана в питающую сеть постоянного тока, так как транзисторные ключи Ть Т^, Тб не пропускают активную мощность в этом направлении. Более того, переданная мощность на вход усилителя выделяется в виде потерь, дополнительно нагружая обмотку управления.

Наличие обратных диодов в схеме УПК позволяет осуществить пе редачу мощности в сеть постоянного тока (режим холостого хода или неполной нагрузки усилителя), что приводит к уменьшению мощности входа и повышению коэффициента усиления.

Энергетические соотношения в бесконтактном исполнении усилите ля в значительной мере зависят от режима работы дополнительного каскада. Рассмотрим несколько типичных режимов работы усилителя.

Режим 1. Бесконтактное исполнение усилителя. Дополнительный каскад работает в режиме двигателя. Обратные диоды в схеме УПК. отсутствуют.

Электрома1 нитная выходная мощность усилителя при номинальной нагрузке равна

Р*2 = Рщ1 - ^Чз ,

где

Р.4,2 — электромагнитная мощность обмотки Шг,

Рш! — механическая мощность на валу основого каскада,

Р ¿3 — электромагнитная мощность обмотки \¥3.

Для дополнительного каскада, работающего в режиме двигателя, справедливо выражение

р,3 = рф4 = рш2 + Рф5 , (2)

где

Р л,4 — электромагнитная мощность обмотки

Рш2 — г-леханическая мощность на валу дополнительного каскада,

Р ¿с — электромагнитная мощность обмотки \\;5.

С учетом (2), выходная электромагнитная мощность обмотки равна

Р*2 ^ РШ1 - Рт2 - Р*5 • (3)

Энергетическая диаграмма данного режима приведена на рис. 1,а. Мощность обмотки управления Роу на рисунке означает мощность, требуемую для создания магнитного потока в воздушном зазоре, основного каскада, а также для компенсации реактивных мощностей ротора и нагрузки. Реактивная мощность роу — есть преобразованная мощность Риу, потребляемая из сети постоянного тока.

При работе усилителя в режиме холостого хода или неполной на грузки мощность обмотки управления составляет

Ру = Роу+Р', (4)

где Р'— часть мощности ротора, идущей на вход усилителя.

Энергетическая диаграмма, соответствующая данному режиму, представлена на рис. 1, б. Мощность Р/ и Ръ <{ на энергетической диаграмме — есть составляющие мощности выхода Р^ 2-

Величина их определяется параметрами обмоток усилителя, нагрузки и частотой управления.

а

и

Руз ~Рц>4

А'ОУ

ОУ УПК

Яоу

р' Р*2 Рк

Ртг < Рт2

\рдб Рч>з ~Рщ

Гс£Г| Л УПК

Ооу /4 Р*5

Рт, ' Ртг

Рдв

Рис. 1. Энергетические диаграммы бесконтактного усилителя. Дополнительный каскад работает в режиме двигателя

Таким образом, рассматривая энергетические соотношения в бесконтактном ЭМУ регулируемой частоты и схемы УПК без обратных диодов, можно заключить:

1. Дополнительный каскад при работе в двигательном режиме возвращает механическую мощность на вал приводного двигателя, что существенно повышает к.п.д. усилителя.

2. Отсутствие обратных диодов в схеме УПК при холостом ходе усилителя или неполной нагрузки вызывает дополнительные потери в обмотке управления.

Режим 2. Бесконтактное исполнение усилителя. Дополнительный каскад работает в режиме двигателя. Обратные диоды в схеме УПК присутствуют.

Энергетические соотношения в усилителе при номинальной нагрузке остаются такими же, что и в режиме 1 (рис. 1, а).

При работе усилителя в режиме холостого хода или неполной нагрузки мощность управления равна

Ру = Роу-Р7. (5)

Энергетическая диаграмма данного режима работы приведена на рис. 1, в. Анализ энергетических соотношений показывает, что наличие обратных диодов в схеме УПК позволяет уменьшить мощность входа (режим холостого хода или неполной нагрузки) и исключить дополнительные потери в обмотке управления.

Режим 3. Бесконтактное исполнение усилителя.

Дополнительный каскад работает в режиме асинхронного преобразователя частоты. Обратные диоды в схеме УПК отсутствуют.

Электромагнитная мощность выхода при номинальной нагрузке равна

Р'^2 - Рт,-Рфз = Рт. + Рт2-Рф5 (6)

где

Р*з - РФ4 - IV - Рт> -

Энергетическая диаграмма, соответствующая данному режиму, приведена на рис. 2, а. Мощность управления в этом режиме равна Роу. При работе усилителя в режиме холостого хода или неполной нагрузке, мощность управления подсчитывается по выражению (4). Энергетическая диаграмма данного режима представлена на рис. 2, б.

Таким образом, рассматривая работу усилителя в данном режиме, можно сделать следующие выводы:

1. При работе дополнительного каскада в режиме асинхронного преобразователя частоты в обмотках усилителя возникают дополнительные потери, что снижает к.п.д. усилителя.

2. Отсутствие обратных диодов в данном режиме производит аналогичное действие, как и в режиме 1.

Режим 4. Бесконтактное исполнение усилителя. Дополнительный каскад работает в режиме асинхронного преобразователя частоты. Обратные диоды в схеме УПК присутствуют.

Энергетические соотношения при номинальной нагрузке остаются такими же, что и в режиме 3 (рис. 2, а).

При работе усилителя в режиме холостого хода или неполной нагрузке мощность управления определяется по выражению (5). Энергетическая диаграмма представлена на рис. 2, в.

Таким образом, анализ энергетических соотношений в бесконтактном исполнении усилителя показывает, что наиболее приемлемым режимом дополнительного каскада является двигательный режим. Что касается схемы УПК, то предпочтение отдается УПК с обратными диодами.

Для этого режима работы дополнительного каскада (двигательно-

27. Зак. 4917.

417

а)

РчЗ ~Рч>4

1рдв р¥3 ~Рщ

'оу

ОУ УПК

Осу

Рг

'Ш1

Р' Ав

Трдз

45

Ршг

8)

Д

оу

Р'

ОУ УПК Оои ри Р«5

Рт, ' 1

дЗ

Рис. 2. Энергетические диаграммы бесконтактного усилителя. Дополнительный каскад работает в режиме асинхронного преобразователя частоты

го) была подсчитана мощность управления при наличии и отсутствии обратных диодов в схеме УПК в режиме холостого хода усилителя. Результаты расчета приведены в табл. 1.

Таблица 1,

Расчет Опыт Примечание

320 300 ит= 15 в, ^ = 140 гц,

обратные диоды в схеме

УПК отсутствуют

54 45 иу = 15 в, Ту —140 гц, обратные диоды в схеме УПК присутствуют

Как видно из таблицы, опытные значения близки к расчетным. Мощности управления при наличии и отсутствии обратных диодов отличаются значительно.

В контактном исполнении (дополнительный каскад отсутствует) наиболее характерным режимом работы основного каскада является режим асинхронного генератора.

Электромагнитная мощность выхода при номинальной нагрузке определяется по выражению (1), а энергетическая диаграмма приведена на рис. 3, а. Учет влияния обратных диодов на энергетические соотношения в усилителе производится аналогичным образом, как п з бесконтактном исполнении.

Кроме режима асинхронного генератора основного каскада, усилитель может работать в режиме двигателя (обмотка —разомкнута, момент на валу приводного двигателя отсутствует) и преобразователя (обмотка \¥3 — разомкнута).

Момент на валу усилителя при работе в двигательном режиме создается за счет УПК. Энергетическая диаграмма, соответствующая двигательному режиму, приведена на рис. 3, б.

Мощность Р на рисунке означает требуемую мощность для создания момента на валу усилителя и покрытия потерь в обмотке ротора

Мощность выхода в преобразовательном режиме создается также за счет УПК. Энергетическая диаграмма, соответствующая преобразовательному режиму, представлена на рис. 3, в.

0)

НРЗ

'оу

ОУ УПК

Чоу

РгщЬ

Рк

}Рс

ю

Рои Р

р.

ОУ УПК

Ооу

УЗ

Рт,

в)

Роя Р

ОУ УПК

Цоу

Рч>2

I

Рис. 3. Энергетические диаграммы контактного усилителя

Мощность Р на рисунке означает требуемую мощность, необходимую для создания мощности выхода

27*

419

В результате работы можно сформулировать следующие выводы:

1. Проведен анализ энергетических соотношений в бесконтактном исполнении усилителя. Установлен наиболее целесообразный режим работы дополнительного каскада (режим двигателя).

2. Проведен анализ энергетических соотношений в контактном исполнении усилителя. Установлены возможные режимы его работы (режим асинхронного генератора, двигателя, преобразователя).

3. Показано влияние схемы УПК на энергетические соотношения в усилителе. Установлено, что наиболее приемлемой схемой УПК является УПК с обратными диодами.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ш. С. Ройз, А. И. Скороспешкин. Теоретическое исследование электромашинного усилителя регулируемой частоты с учетом управляемого полупроводникового коммутатора. «Известия ТПИ», том 212, в настоящем сборнике.