Расчету характеристик двигателя последовательного возбуждения при питании от шип Текст научной статьи по специальности «Физика»

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА

им. С. М. КИРОВА

Том 285 1975

К РАСЧЕТУ ХАРАКТЕРИСТИК ДВИГАТЕЛЯ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ ПРИ ПИТАНИИ ОТ ШИП

А. И. САПОЖНИКОВ, В. А. БЕИНАРОВИЧ, А. И. АЛИФИРОВ

(Представлена научно-техническим семинаром НИИ АЗМ)

Импульсное регулирование стрости находит все большее распространение в электроприводах постоянного тока, особенно в установках с автономным питанием (аккумуляторные электровозы, электрокары, электромобили, электропогрузчики и т. п.) ив тяговых установках с троллейным питанием (электровозы, троллейбусы, трамваи и т. п.). В таких установках, как правило, применяются двигатели последовательного возбуждения (ДПВ), обеспечивающие большие пусковые мешен-1ы и плавность переходных процессов, питающиеся от силовых широт-но-импульсных преобразователей (ШИП), выполненных на тиристорах.

Расчету электромеханических характеристик ДПВ, представляющих собой зависимость скорости вращения ы от тока I двигателя о>(I) при питании от ШИП с учетом нелинейной зависимости потока возбуждения Ф от тока двигателя Ф;(1), посвящены работы [1, 2, 3, 4, 5], в которых используются графические или графоаналитические методики расчета.

Общим в этих методиках расчета является использование естественной электромеханической характеристики двигателя сое(1), кривой намагничивания Ф(1) [1, 2, 5] и допущений [2, 3, 4, 5] о том, что период коммутации силовой цепи значительно меньше электромеханической и электромагнитной постоянных времени электропривода, коммутирующие элементы безынерционны, скорости .вращения в течение периода коммутации не изменяются, а э. д. с. двигателя зависит только от скорости вращения и тока двигателя (через кривую намагничения), процессы в системе гашения основного тиристора не влияют на цепь двигателя.

С учетом этих допущений при питании ДПВ от ШИП общее для всех методик расчета выражение искусственной электромеханической характеристики ДПВ в функции относительной продолжительности включения у и тока двигателя I может быть записано в следующем виде:

у(Ц - ДЦ) - Шэ и - щдв

(О

е 1

(1)

где и — напряжение источника питания;

Аи—падение напряжения на силовом тиристоре; (ое — угловая скорость вращения ДПВ, соответствующая току двигателя I на естественной электромеханической характеристике лри напряжении питания и;

Иэ— общее сопротивление силовой цепи ШИП—ДПВ; ИДв — сопротивление цепи ДПВ.

10 го 30 §О 60 70 во 90 100 110

Рис. 1.

На рис. 1 приведены зависимости ©и(7, I), рассчитанные по методикам, изложенным в [1, 2, 4, 5]. Различные результаты расчета для одних и тех же значений относительной продолжительности -включения 7 и тока двигателя I возникают из-за разного значения Из, которое принимается

в [1] ^ = Кдв+Нд(1-7) + (Ко+Нт)у; в [2] Кэ^Идв, частный случай; В [4] Нэ^дв+Т^т+Ио); в [б] Нэ=КдвЧ-Яо;

здесь

Ко» -Ид — (Сопротивления соответственно источника питания, тиристора и шунтирующего диода.

Это позволяет предложенные методики расчета разделить на три группы, в которых:

1) сопротивление цени двигателя считается постоянным на интервалах импульса и паузы [2];

2) сопротивление цепи двигателя различно на интервалах импульса и паузы и отличается на величину внутреннего сопротивления источника питания [2, 5];

3) сопротивление цепи двигателя изменяется так же, как во второй группе, но кроме этого учитывается вольт-амперная характеристика силового ключа [4] или сопротивление силового ключа и шунтирующего диода [¡1]. К этой группе расчета можно отнести графическую методику [3], позволяющей, кроме того, учитывать внешнюю характе-р истику пр еобр азов ател я.

Цель настоящей работы заключается в определении влияния параметров электродвигателя, источника питания и вольт-амперной характеристики силового тиристора на результаты расчета электромеханических характеристик ДПВ и условий допустимости неучета различных факторов.

Для определения влияния вышеперечисленных факторов на точность расчета электромеханической характеристики ДПВ при питании от ШИП запишем выражение (1) в относительных единицах. За базовые величины тока, напряжения, скорости и потока примем номинальные значения этих величин. При этом учтем, что

ин-1нНдв = Ен=:сФншн, (2)

где

P'N

с = —— — коэффициент, определяемый конструктивньими парамет-

¿71 • а

рами машины [6]. Тогда зависимость (1) в относительных единицах примет вид

Y h —До) а — iо Уп = „ \-" ve, (3)

где

(О (О

vH = — , ve --относительные значения скорости вращения

(ои ом

двигателя соответственно на искусственной и естественной характеристиках;

U Л AU

= -— ; До = -ту- — относительные значения напряжения питания ^ UH ии

и падения напряжения на тиристоре;

Рэ = —-- относительное значение сопротивления сило-Кдв

вой цепи двигателя;

I

Î ~ ----относительное значение тока якорной цепи;

'н

и»

а — —--отношение номинального напряжения пита-

1и ^дв

ния к номинальному падению напряжения в цепи двигателя.

Электромеханические характеристики, рассчитанные по любой методике, описанной в [1, 2, 3, 4, 5], могут быть пересчитаны в механические, для чего необходима переходная характеристика — = f(l) ,

или -могут быть рассчитаны, если имеется каталожная <ое = ((М), и по гналогии с граничной электромеханической характеристикой соГр = fi (I) построена граничная механическая характеристика ДПВ corp = f(M).

Тогда для естественной механической характеристики справедливо выражение

ш

" 7Ф ~ м ёФ^= шп> " (4)

и для искусственной механической характеристики

(U-AU)Y w Ra il AU\ лд R3 /rv

M -rb = tfYn 1 - -тг Y - M , (5)

сФ с2Ф2 ГР\ иг С2Ф2

где

М—момент на валу двигателя;

и " ,

шгр= — — значение граничнои скорости вращения по характеристике соГр = Г(М), соответствующее моменту М;

(о,. — значение скорости вращения по каталожной характеристике (о,, = [(М) соответствующее моменту М;

Ф — магнитный поток двигателя, соответствующий моменту М.

Выражения (4) и (5) могут быть записаны в виде

R;

we - wrp = - М

со,

ГР ( 1 " у ] *

и, если взято их отношение после несложных преобразований, полу чится

AU\ ЛЛ R Y = - М—

Кэ ... Г А __ /, _

_Кдв I. и jY

или в относительных единицах, считая U = Ult,

(О

гр

(6)

- P9ve - [°Э - О - . (7)

Если же Ro = 0 и силовой коммутатор идеальный, то выражение примет вид

^и = ^е — С1 ~ YKp • (8)

Естественно, что при переходе от граничной и естественной характеристик к искусственной, пересчет скорости вращения производится лля одного и того же значения момента на валу двигателя. Для получения зависимости скорости вращения от электромагнитного момента необходимо иметь исходные зависимости озе и а>гр = НМЭм).

Чтобы распространить результаты исследования влияния параметров аь Рэ и Aü на точность расчета электромеханических характеристик на все типы Д'ПВ, вводится выражение эталонной скорости, которая получается при питании от идеализированных источника питания и ШИП, то есть ря=1, Av = 0 и v=l. Выражение (3) при этом примет вид

У OL — 1

= ^—Г- ve . (9)

Относительное отклонение расчетного значения скорости, определяемое неидеальностями источника п-итапмя (Ro>0) и ШИП (RT>0; AU>0), получается делением (3) на (9) и это позволяет не учитывать вид кривой намагничивания, которая различна для разных машин

Ä УУ-'> --1 _ Дрэ1___AÜOLY „ Yau - i __ __ Д\ . ПОч

v3 уа — i f<x — 1 — 1 ~~ — l v3 vs '

где Avp — относительная величина перепада скорости, вызванная дополнительно в-ключаемьими сопротивлениями;

Avk — относительная величина перепада скорости, вызванная падением напряжения в силовом ключе.

■^Рэ — рэ — 1 — Y"—Гр———^ + (1 — у)" пЛ , (И)

Кдв RäB

если принять RT = Ид, то

(12)

До = ^в+йт.

Кдв

Для некоторых типов тяговых двигателей в табл. 1 приведены для примера основные данные и значения коэффициента а.

Из анализа выражения (10), исходя из заданной точности расчета .характеристик привода, можно определить допустимость идеализации ШИП в отношении неучета падения напряжения на тиристорном ключе (Ди = 0) и неучета величин сопротивлений источника (,при Ко=0),

Таблица 1

Тип двигателя | Он (В) 1н (А) 1 час Идв (Ом) а

МТ-4 31 75 0,105 3,936

РТ-2 50 145 0,02386 14

ДК-800А 110 110 ОД 705 6,45

ЭТ-31 250 145 0Д482 11,633

РТ-113 750 344 0,1494 14,588

РТ-63 825 340 0Д22 19,84

УРТ-110 1500 146 0,4155 24,726

тиристора (при Ит=0) и шунтирующего диода (при Нд==0), то есть принятия Дур=0 (при Дрэ = 0).

Идеализацию можно считать допустимой, если относительное отклонение скорости

А^ Avp + Лvк Д?э 1 ^ уаЛо ^ 13

А?э1

уа —

ух

из выражения (10) не превышает заданной точности расчета.

Анализ выражения (1.3) с учетом значения а (табл. 1) позволяет получать зависимость предельных значений Лрэ от относительной продолжительности включения у и тока двигателя \, при которых расхождение расчетных характеристик по сравнению с эталонной по выражению (9) не превышает заданной точности, приняв Дук=0,

АРэ =

уса — 1 -

(14)

Естественно, что наибольшее снижение скорости будет при максимальном значении тока г=Х9 где Я коэффициент кратности максимального тока по отношению к номинальному. С учетом этого выражение (9) примет вид

Ар,

Дъ

уа — >. X

8

уа

X

(15)

В случае выполнения неравенства (15) для реальной схемы электропровода можно применять методики расчета первой группы, принимая Дрэ = 0. Точность расчетов при этом будет не ниже б во всем диапазоне изменения тока двигателя. В противном случае необходимо применять методики второй группы. %

¿*6,Ч5(2к'80ОА)

0,1 0,4 0}6 0,Ь

Рис. 2.

Вторая составляющая снижения скорости в выражении (13) опре деляется падением напряжения в тиристорном ключе

Дъ

уаДо уа — Г

На рис. 2 приведены зависимости -относительного снижения скороду

сти —- от величины у при разных значениях а и падении напря-

уэ

жен и я в тиристорном ключе Ди=0,8 в, рассчитанные по выражению (16).

Приведенные результаты в равной степени пригодны и для оценки влияния параметров на точность расчетов механических характеристик.

ЛИТЕРАТУРА

1. В. Д. Н а г о р с к и й. Управление двигателя постоянного тока с помощью импульсов повышенной частоты. Известия АН СССР. «Энергетика и автоматика», № 2, 1960.

2. А. Д. Динкель, С. П. Василевский, А. С. Ю р и н. Расчет характеристик двигателей с последовательным возбуждением при импульсном регулировании скорости вращения. «Электротехника», 1968, № 6.

3. Н. И. Джус. Расчет характеристик двигателя последовательного возбуждения. Известия вузов. «Энергетика», 1971, № 6.

4. В. А. Бейнарович, А. И. Сапожников. Импульсное регулирование двигателей последовательного возбуждения в механизмах внутризаводского транспорта. «Автоматизированный электропривод в народном хозяйстве». Труды V Всесоюзной конференции по автоматизированному электроприводу. Т/II. М., «Энергия», 1971.

5. А. С. Ю р и н. Статические характеристики двигателя с последовательным возбуждением при импульсном управлении. «Специальные системы электропривода». Вып. 2, Пермь, Ротапринт Пермского политехнического института, 1967.

6. В. П. Андреев, Ю. А. Сабинин. Основы электропривода. М.-Л.» Госэнергоиздат, 1963.

9—47