На рис. 6.1 приведена структурная схема двигателя постоянного тока с независимым возбуждением ДПТ НВ при питании от выпрямителя. Последний может быть полу- или полностью управляемым. Цепь возбуждения двигателя питается от сети переменного тока через диодный мост. Полууправляемый мостовой выпрямитель содержит 2 управляемых и 2 неуправляемых вентиля (2 тиристора и 2 диода), у полностью управляемого выпрямителя все вентили управляемые.

Рис. 6.1. Базовая структурная схема двигателя постоянного тока независимого возбуждения с однофазным силовым преобразователем

Запишем основные уравнения для ДПТ НВ. Ток якоря двигателя постоянного тока определяется его ЭДС е_я сопротивлением якоря R_я и индуктивностью L_я.

Электродвижущая сила якоря выражается зависимостью:

                                           e _я =сФ ω,                                       (6.1)

где с — коэффициент, определенный конструкцией; Ф — поток двигателя.

Среднее значение ЭДС якоря:

                                        E _я = c Ф ω_ср                                      (6.2)

Электромагнитный момент:

                                          M=сФ I_я                                                                      (6.3)

Среднее значение момента:

                                        М _cp = сФ I _я                                                                  (6.4)

Напряжение якорной цепи двигателя можно представить следующим образом:

                                                            (6.5)

Среднее значение напряжения якорной цепи:

                                     u _я = R _я I _я + E _я                                   (6.6)

Заметим, что индуктивность L_я в это выражение не входит. Из (6.2) и (6.6) можно найти выражение для средней угловой скорости двигателя:

                                                                       (6.7)

Уравнения (6.2), (6.4), (6.6), (6.7) описывают связь между средними значениями переменных, мгновенные значения которых могут меняться по любому закону.

Согласно (6.7) скорость ДПТ можно регулировать тремя способами: изменением подводимого напряжения; изменением потока (тока возбуждения); изменением сопротивления цепи якоря. Рассмотрим возможности регулирования скорости двигателя изменением подводимого напряжения.

Процесс регулирования скорости для полууправляемого и полностью управляемого преобразователя при допуще­нии непрерывности тока подробно рассмотрен в монографии [1]. Здесь приводится лишь его краткое описание, поэтому временные диаграммы приведены только для i_я и u_я.

В полууправляемом преобразователе (рис. 6.2) тиристор VS1 переходит в открытое состояние в момент, соответствующий углу (α), a VS2 – углу (α+π) относительно питающего напряжения U. В полностью управляемом преобразователе (рис.6.5), тиристоры VS1 и VS3 переходят в открытое состояние одновременно в момент, соответствующий углу (α), a VS2 и VS4 – углу (α + π).

Рис. 6.2. Регулирование скорости двигателя постоянного тока независимого возбуждения с помощью однофазного полу управляемого преобразователя:

а) схема силовой цепи;

б) диаграммы токов и напряжений для режима непрерывного тока

Двигатель, включенный по схеме рис. 6.2, подключен к сети в течение фазового интервала α < Ωt < π через тиристор VS1 и диод VD2. Напряжение на двигателе U_я равно питающему U. При Ω t > π напряжение U изменяет полярность, а прямое падение напряжения на обратном диоде VD₀ переводит его в открытое состояние. Ток якоря, протекающий ранее от сети через VS1, теперь проходит через VD₀, (тиристор VS1 закрыт). Цепь якоря двигателя в течение интервала π< Ω t < π + α закорочена на обратный диод, поэтому U_я =0.

В период открытого состояния тиристора (α < Ω t < π) энергия из сети передается в якорную цепь, превращаясь в энергию электромагнитного поля в индуктивностях якоря L_я, кинетическую энергию вращения механических частей электропривода и полезную работу. В период закрытого состояния тиристора между фазами (π) и (π+α) запасенная в индуктивностях энергия поля превращается в механическую, а продолжающий протекать по якорной цепи ток i_я создает электромагнитный момент. В этот период энергия в сеть не возвращается.

Рис. 6.3. Регулирование скорости двигателя постоянного тока независимого возбуждения с помощью однофазного полностью управляемого преобразователя:

а) схема силовой цепи;

б) диаграммы токов и напряжений для режима непрерывного тока

В полностью управляемом преобразователе (рис. 6.3) тиристоры VS1 и VS3 находятся в открытом состоянии и соединяют двигатель с сетью в течение периода α < Ω t < π+α. В момент (π+α) тиристоры VS2 и VS4 переходят в открытое состоя­ние, при этом к тиристорам VS1 и VS3 через открытые тиристоры VS2 и VS4 прикладывается напряжение обратной полярности и закрывает их.

Такая коммутация получила название естественной. Ток якоря двигателя I_я, протекавший через тиристоры VS1 и VS3, теперь проходит через тиристоры VS2 и VS4. В течение фазового интервала (α < Ωt <π) энергия из сети передается к двигателю (как u, i, так u_я, i_я положительны и обусловливают положительное направление потока энергии).

Наоборот, в течение интервала заключенного между π < Ω t < π + α, часть энергии из якорной цепи возвращается в сеть (u и i, а также u_я и i_я, имеют разные направления, определяющие направление потока энергии от двигателя к сети). На рис. 6.4 представлены диаграммы токов и напряжений для угла управления, превышающего 90º. Среднее значение напряжения якоря U_я при этом отрицательно. Если ЭДС двигателя меняет направление, то он работает как генератор постоянного тока, отдавая энергию в сеть, т.е. работает в режиме рекуперативного торможения.

При синусоидальной форме питающего напряжения, когда , средние значения напряжений якорной цепи в случаях полу- и полностью управляемых преобразователей можно определить соответственно по следующим формулам:

                                    (6.8)

                                        (6.9)

Рис. 6.4. Характеристики преобразователя и двигателя в режиме непрерывного тока: а) зависимость выходного напряжения преобразователя от угла управления; б) механические характеристики при различных углах управления

Зависимость напряжения якоря двигателя от угла управления α для рассмотренных типов преобразователей представлена на рис. 6.4, а.

Решение уравнений (6.4), (6.7). (6.8). (6.9) относительно угловой скорости ω позволяет получить уравнение механических характеристик для полу- и полностью управляемых схем соответственно:

                                              (6.10)

                                                     (6.11)

Первый член правых частей уравнений (6.10) и (6.11) представляет собой скорость идеального холостого хода, второй соответствует изменению скорости, происходящему под влиянием протекающего в якоре тока I_я или соответствующего ему электромагнитного момента М, воздействующего на вал. Скорость идеального холостого хода, как это следует из уравнений, зависит от угла управления. Механические характеристики, представленные на рис. 6.4б, свидетельствуют о хороших регулировочных возможностях при работе системы в режиме непрерывного тока.

При больших значениях угла управления тиристоров, высоких скоростях и небольших нагрузках на валу ток якоря, как правило, имеет прерывистый характер, что вызывает увеличение скоростей холостого хода по сравнению с представленными на рис. 6.4б и уменьшение диапазона регулирования.

В зоне прерывистых токов увеличиваются отношения амплитуды и действующего значения тока якоря к его среднему значению, что отрицательно сказывается на тепловом режиме двигателя; ухудшаются его динамические показатели. По этим причинам целесообразно осуществлять регулирование с непрерывным током якоря, для чего в якорную цепь вводятся дополнительные сглаживающие реакторы, увеличивающие ее постоянную времени.

Подчеркнем еще раз, что введение дополнительной индуктивности в якорную цепь сужает зону прерывистых токов и увеличивает жесткость механических характеристик в широкой области изменения момента.

                                                                  (6.12)

                                       P _вых =2π nM ₂                                   (6.13)

                                                                                (6.14)