Повышение эффективности функционирования сглаживающего дросселя тиристорного электропривода мехатронной системы

Н.Ф. Карнаухов, Р.С. Мироненко, А.А. Линьков (Донской государственный технический университет, Ростов-на-Дону)

При проектировании электромеханических модулей (ЭММ) мехатронных систем электротехнических комплексов на базе тиристорных преобразователей с раздельным управлением и двигателем постоянного тока (ДПТ) еще не достаточно уделяется внимания эффективности использования и повышению массогабаритных показателей модуля в целом. Традиционное проектирование [1] с привязкой существующих параметров элементов энергетического канала на единицу преобразуемой мощности не позволяет вести промышленное изготовление ЭММ облегченных конструкций и с достаточно эффективным сглаживанием переменной составляющей силового тока якоря ДПТ. Особую значимость приобретает решение указанной задачи для подвижных МС, обеспечивающих возвратно-поступательное движение, перемещение рабочего органа или работу исполнительного механизма в повторно-кратковременных режимах. Известно [2], что в этом случае ТП при двухкомплектном исполнении или однокомплектном с реверсом работают в зоне прерывистых токов. В зависимости от составляющих цикла функционирования ЭММ в таких режимах подавляющее время работает с прерывистыми (пульсирующими) токами якоря ДПТ, снижающими энергетические показатели и коэффициент мощности электроустановки. Такие режимы работы для ЭММ МС современных энергетических комплексов являются зачастую основными и должны учитываться при проектировании приводных систем.

Поскольку величина индуктивности сглаживающего дросселя обуславливает допустимое значение коэффициента пульсаций тока якоря ДПТ, то определение диапазона изменения индуктивности целесообразно производить с учетом зависимости коэффициента пульсаций от величины суммарной индуктивности якорной цепи в функции угла управления .

Если ток якоря двигателя представить как:

(1)

где Iя0 - среднее значение выпрямленного тока; - суммарная переменная составляющая тока якоря, то среднее значение напряжения на ДПТ составит:

(2)

где Eя - среднее значение противо-ЭДС двигателя ; Rя - суммарное сопротивление якорной цепи ; Се - конструктивный коэффициент ДПТ.

Учитывая, что для установившегося режима работы ТП значение и, пренебрегая величиной в сравнении с остальными величинами, с учетом соотношения (2) и мгновенного значения выпрямленного напряжения ТП можно записать:

(3)

Уравнение (3) следует воспринимать как уравновешивание гармонических составляющих выпрямленного напряжения гармоническими составляющими ЭДС самоиндукции контура тока ДПТ. Величину пульсаций тока якоря можно определить как разность между максимальным iя.с.max и минимальным iя.с.min значениями тока. Значение тока iя.с.min имеет место в момент очередного отпирания тиристора, т.е. при угле 1 (рис.1), а максимальное значение iя.с.max - в момент равенства мгновенного и среднего значений выпрямленного напряжения, т.е. при угле 2.

Рис. 1. Временные диаграммы напряжения m-фазного управляемого тиристорного преобразователя

После интегрирования выражения (3) в пределах от 1 до 2 получим:

(4)

Выражение при определяет собой площадь S (рис.1), заключенную между кривой мгновенного значения выпрямленного напряжения, уровнем среднего значения напряжения Ud и вертикальной прямой, положение которой определяется углом управления 1.

Учитывая, что коэффициент пульсаций тока ; коэффициент загрузки ДПТ ; ; и - соответственно мгновенное и среднее значения выпрямленного напряжения, отнесенные к среднему значению напряжения ТП при 1=0; , путем преобразования выражения (4) можно получить значение:

(5)

где - коэффициент учета параметров элементов энергетического канала. Выражение (5) позволяет определить значение коэффициента пульсаций тока якоря в зависимости от изменения параметров цепи якоря ДПТ и угла управления или по заданному уровню пульсаций и индуктивности обмотки якоря рассчитать необходимое значение индуктивности сглаживающего дросселя:

(6)

Для экспериментального стенда на базе управляемого ТП с ДПТ типа СЛ 661 при данных: периодичность выпрямителя m=2; частота сети ; Rя=5.61 Ом; Lя=0.05 Гн были проведены соответствующие расчеты и определены:

- выпрямленное напряжение:

(7)

где 0 - угол управления тиристором, отсчитанный от начала синусоиды.

- площадь S для углов :

(8)

где

- коэффициент пульсаций:

(9)

Выражение (9) после преобразования для m=2 можно записать в виде:

(10)

где .

С учетом изложенного, необходимое значение сглаживающей индуктивности составит:

(11)

На рис.2 построена зависимость индуктивности сглаживающего дросселя от угла управления a при значении коэффициента пульсаций k1=1 в случае работы ТП в зоне II диапазона изменения угла управления при амплитудно-фазовом методе [3] формирования выходного напряжения ТП.

Рис. 2. Зависимость индуктивности сглаживающего дросселя от угла управления при единичном значении коэффициента пульсаций

По приведенной зависимости Lc=f() можно определять диапазон изменения регулируемой индуктивности сглаживающего дросселя для сохранения режима работы ДПТ по допустимой пульсирующей составляющей тока якоря при реверсировании скорости ЭММ МС.

Аналитическое выражение (11) позволяет предопределить значение индуктивности (воздушного зазора в сердечнике) сглаживающего дросселя в зависимости от режима работы ЭММ по углу управления при отладке модуля. Поскольку сердечник сглаживающего дросселя в этом случае работает в режиме подмагничивания, т.е. по частному циклу кривой намагничивания, то изменение индуктивности наблюдается незначительное и магнитный материал сердечника используется неэффективно, что снижает массогабаритные и технико-экономические показатели в целом конструкции ЭММ. Для обеспечения желаемого диапазона изменения индуктивности [4] сглаживающего дросселя от 0,174 до 0,231 Гн с целью сохранения постоянства коэффициента пульсаций тока якоря двигателя СЛ661 целесообразно использовать режим регулируемого перемагничивания сердечника за счет дополнительной обмотки дросселя и перекоммутации тока якоря двигателя. В этом случае появляется возможность введения программного или автоматического регулирования уровня тока размагничивания, более эффективного использования магнитного сердечника [5] при сохранении коэффициента пульсаций тока якоря в широком диапазоне изменения угла управления .

В таком режиме работы ДПТ уменьшаются дополнительные потери в обмотке якоря, обусловленные пульсацией тока относительно его среднего значения, снижается потребление электроэнергии ЭММ при работе МС в повторно-кратковременном режиме.

Литература

1. Справочник по проектированию автоматизированного электропривода систем управления технологическими процессами. / Под ред. В.И. Круповича и др. М.: Энергоиздат, 1982.

2. Перельмутер В.М., Сидоренко В.А. Системы управления тиристорными электроприводами постоянного тока. - М.: Энергоатомиздат, 1988.

3. Карнаухов Н.Ф., Мироненко Р.С., Бондаренко А.В. Регулирование скорости двигателя постоянного тока тиристорного электропривода с пониженными потерями. Информационное обеспечение и управление в мехатронных производственных системах: Межвуз.сб.науч.ст. Ростов-на-Дону: Издательский центр ДГТУ, 1998.

4. Карнаухов Н.Ф., Лаврентьев Е.Б., Абу-Халил Ганди (Ливан). К определению коэффициента пульсаций тока двигателя приводной системы. Проектирование технологических машин: Сборник научных трудов. Вып.5. / Под ред. д.т.н., проф. А.В. Пуша. - М.: МГТУ "Станкин", 1997.

5. Бландова Е.С. К расчету дросселя ключевого стабилизатора // Электронная техника. Радиодетали и радиокомпоненты. - М., 1977. -вып.6/25. -с. 125-135.