Сегодня, как в промышленности, так и в гражданской сфере, есть немало установок, электроприводов, технологий, где для питания требуется не переменное, а постоянное напряжение. К таким установкам относятся различные промышленные станки, строительное оборудование, двигатели электротранспорта (метро, троллейбус, погрузчик, электрокар), и другие установки постоянного тока разного рода.

Напряжение питания для некоторых из этих устройств должно быть изменяемым, чтобы например изменяющийся ток питания электродвигателя приводил бы к соответствующему изменению скорости вращения его ротора.

Один из первых способов регулировки постоянного напряжения — регулирование при помощи реостата. Затем можно вспомнить схему двигатель — генератор — двигатель, где опять же регулированием тока в обмотке возбуждения генератора достигалось изменение рабочих параметров конечного двигателя.

Но эти системы не экономичны, они считаются устаревшими, и гораздо более современными являются схемы регулирования на базе тиристоров. Тиристорное регулирование более экономично, более гибко, и не приводит к увеличению массо-габаритных параметров установки целиком. Однако, обо всем по порядку.

Реостатное регулирование (регулирование при помощи добавочных резисторов)

Регулирование при помощи цепи последовательно соединенных резисторов позволяет изменять ток и напряжение питания электродвигателя путем ограничения тока в его якорной цепи. Схематически это выглядит как цепочка добавочных резисторов, присоединенных последовательно к обмотке двигателя, и включенных между ней и плюсовой клеммой источника питания.

Часть резисторов может быть по мере надобности шунтирована контакторами, чтобы соответствующим образом изменился ток через обмотку двигателя. Раньше в тяговых электроприводах такой метод регулирования был распространен весьма широко, и за неимением альтернатив приходилось мириться с очень низким КПД в силу значительных тепловых потерь на резисторах. Очевидно, это наименее эффективный метод — лишняя мощность просто рассеивается в виде ненужного тепла.

Регулирование по системе двигатель — генератор — двигатель

Здесь напряжение для питания мотора постоянного тока получается на месте, при помощи генератора постоянного тока. Приводной мотор вращает генератор постоянного тока, который и питает в свою очередь мотор исполнительного механизма.

Регулирование рабочих параметров двигателя исполнительного механизма достигается путем изменения тока обмотки возбуждения генератора. Больше ток обмотки возбуждения генератора — большее напряжение подается на конечный двигатель, меньше ток обмотки возбуждения генератора — меньшее напряжение, соответственно, подается на конечный двигатель.

Данная система, на первый взгляд, более эффективна, чем просто рассеивание энергии в виде тепла на резисторах, однако и она отличается своими недостатками. Во-первых, система содержит две дополнительные, довольно габаритные, электрические машины, которые необходимо время от времени обслуживать. Во-вторых, система инерционна — соединенные три машины не в состоянии резко изменить свой ход. В результате снова КПД получается низким. Однако, на протяжении некоторого времени такие системы использовались на заводах в 20 веке.

Метод тиристорного регулирования

С появлением во второй половине 20 века полупроводниковых приборов, появилась возможность создания малогабаритных тиристорных регуляторов для двигателей постоянного тока. Двигатель постоянного тока теперь просто подключался к сети переменного тока через тиристор, и, варьируя фазу открывания тиристора, стало возможным получить плавное регулирование скорости вращения ротора двигателя. Этот метод позволил совершить рывок в подъеме КПД и быстродействия преобразователей для питания моторов постоянного тока.

Метод тиристорного регулирования и сейчас используется, в частности, для управления скоростью вращения барабана в автоматических стиральных машинах, где в качестве привода служит коллекторный высокооборотный мотор. Справедливости ради отметим, что аналогичный метод регулирования работает и в тиристорных диммерах, способных управлять яркостью свечения ламп накаливания.

Регулировка на базе ШИМ со звеном переменного напряжения

Постоянный ток при помощи инвертора преобразуется в переменный ток, который затем при помощи трансформатора повышается или понижается, после чего выпрямляется. Выпрямленное напряжение подается на обмотки электродвигателя постоянного тока. Возможно дополнительное импульсное регулирование посредством ШИМ-модуляции, тогда достигаемый эффект на выходе несколько похож на тиристорное регулирование.

Наличие трансформатора и инвертора в принципе приводит к удорожанию системы в целом, однако современная полупроводниковая база позволяет строить конверторы в виде готовых малогабаритных устройств с питанием от сети переменного тока, где трансформатор стоит высокочастотный импульсный, и в итоге габариты получаются небольшими, а КПД уже достигает 90%.

Импульсное управление

Система импульсного управления моторами постоянного тока похожа по своему устройству на импульсный DC-DC преобразователь. Этот метод является одним из наиболее современных, и именно его используют сегодня в электрокарах и внедряют в метро. Звено понижающего преобразователя (диод и дроссель) объединено в последовательную цепь с обмоткой мотора, и регулируя ширину подаваемых на звено импульсов, добиваются требуемого среднего тока через обмотку мотора.

Такие импульсные системы управления, по сути — импульсные преобразователи, отличаются более высоким КПД — более 90%, и обладают отличным быстродействием. Здесь открываются широкие возможности для рекуперации электроэнергии, что весьма актуально для станков с большой инерционностью и для электрокаров.

Источник

Способы регулирования напряжения генератора постоянного тока

Применение генераторов с параллельным возбуждением без регулирования напряжения дает лишь относительную близость характеристик генератора к вершинам характеристик ветродвигателя и относительное постоянство напряжения на шинах, достаточное не для всех приемников энергии, а также не вполне обеспечивает правильный режим заряда аккумуляторов. Поэтому, особенно на более крупных ветроустановках, часто применяются следующие способы регулирования напряжения.
а) Бесконтактные схемы. Регулирование напряжения при помощи дополнительной обмотки возбуждения или путем использования свойств реакции якоря.
б) Контактные устройства. Вибрационные или угольные электромагнитные регуляторы напряжения.

В первых двух способах регулирующим импульсом является изменение силы тока и регулирование производится на поддержание ее постоянства. Такое регулирование имеют генераторы со встречной последовательной обмоткой возбуждения и трехщеточные генераторы. При применении контактных устройств регулирование происходит непосредственно по напряжению. Изменение в положительную сторону качества обслуживания в больницах происходит благодаря использованию шкафов для хранения медикаментов. Схема возбуждения генераторов со смешанным возбуждением встречной последовательной обмоткой описана далее. Генераторы с этой системой возбуждения дают при изменении скорости вращения более благоприятную форму характеристики мощности по отношению к характеристикам ветродвигателя, чем с одной параллельной обмоткой возбуждения.

При увеличении скорости ветра скорость вращения ветродвигателя повышается, увеличивается э. д. с. генератора и при постоянном сопротивлении — нагрузки сила тока в цепи. Ток нагрузки ограничивается действием встречной обмотки возбуждения, которая вызывает уменьшение намагничивающей силы (н. с.) полюсов при увеличении тока якоря. При соответствующем расчете н. с. встречной обмотки возбуждение генератора будет ограничиваться так, что при увеличении скорости вращения до некоторого предела нагрузка не будет превышать расчетной мощности ветродвигателя. Н. с. встречной обмотки обычно составляет 20-40% от н. с. параллельной обмотки. Ее величина определяется по характеристике генератора в зависимости от диапазона изменения скорости вращения ветродвигателя.

Источник

Регулирование напряжения генератора постоянного тока

Все потребители электрической энергии рассчитаны на определенную величину напряжения, отклонение от которой приводит к изменению их характеристик. Так, понижение напряжения приводит к уменьшению светового потока ламп накаливания, создает затруднение в пуске электродвигателей, уменьшает их скорость вращения и т. п. Повышение напряжения уменьшает срок службы электрооборудования, увеличивает скорость вращения электродвигателей, приводит к ложному срабатыванию различных агрегатов и устройств и т. д.

Напряжение авиационных генераторов зависит от скорости вращения якоря генератора, от нагрузки и от температуры окружающей среды. Все эти параметры не являются для авиационных генераторов постоянными величинами и в определенной степени влияют на их напряжение.

Так, изменение скорости вращения в пределах рабочего диапазона приводит к изменению напряжения генератора до 300%, изменение нагрузки от нуля до номинальной — на величину до 20%, изменение температуры окружающей среды от +50 до — 60° С — на величину до 20% номинальной.

Такое изменение напряжения нарушает нормальную работу потребителей, поэтому возникает необходимость регулировать напряжение. Регулировать напряжение также необходимо и для обеспечения параллельной работы авиационных генераторов.

Регулированием напряжения называется процесс поддержания напряжения постоянным независимо от изменения скорости вращения, нагрузки генератора и температуры окружающей среды.

Устройство, с помощью которого напряжение генератора поддерживается автоматически постоянным, называется регулятором напряжения.

Известно, что напряжение генератора

где I — ток в обмотке якоря генератора;

R_я — сопротивление обмотки якоря генератора; Ф — магнитный поток полюсов; С_е — конструктивная постоянная генератора; n — скорость вращения якоря генератора; Е — ЭДС генератора.

Из приведенной выше формулы видно, что при изменении величины тока нагрузки и скорости вращения якоря генератора его напряжение меняется, и что в то же время его можно поддерживать постоянным, если изменять определенным образом магнитный поток возбуждения генератора, а при электромагнитном возбуждении ток в обмотке возбуждения.

Для регулирования тока возбуждения применяется различные регуляторы напряжения. В зависимости от способа регулирования тока возбуждения генераторов бывают регуляторы напряжения дискретного (импульсного) и реостатного типа.

На старых ВС, где мощность генераторов не превышала 1,5 кВт, применялись вибрационные регуляторы напряжения импульсного типа. При этом способе регулирования сопротивление в цепи обмотки возбуждения изменяется периодическим шунтированием добавочного сопротивления вибрирующими контактами с изменяющимся соотношением между временем замкнутого и разомкнутого состояния контактов.

При больших мощностях генераторов на контактах регулятора получается сильное искрение, которое создает большие помехи радиоприему и приводит к быстрому подгоранию контактов.

В настоящее время на летательных аппаратах применяются угольные регуляторы напряжения реостатного типа. При реостатном способе регулирования в цепь обмотки возбуждения включается реостат, сопротивление которого можно изменять плавно или ступенями.

На более новых ВС применяется электронный регулятор напряжения импульсного типа. Возврат к регулятором дискретного действия был обусловлен появлением мощных коммутаторов, выполненных на полупроводниковых элементах: транзисторах, тиристорах, диодах.

Источник

Регулирование напряжения в цепях постоянного тока

Довольно большое количество промышленных электроприводов и технологических процессов для своего питания используют постоянный ток. Причем в таких случаях довольно часто необходимо изменять значение этого напряжения. Такие виды транспорта как метрополитен, троллейбусы, электрокары и другие виды транспорта получают питающее напряжения из сетей постоянного тока с неизменным напряжением. Но ведь многие из них нуждаются в изменении значения напряжения, подводимого к якорю электродвигателя. Классическими средствами получения необходимых значений являются резистивное регулирование и система генератор-двигатель, или система Леонардо. Но эти системы являются устаревшими, и встретить их можно довольно редко (особенно систему генератор-двигатель). Более современными и активно внедряемыми сейчас являются системы тиристорный преобразователь-двигатель, импульсный преобразователь двигатель. Рассмотрим каждую систему более подробно.

Резисторное регулирование

Для регулирования пускового тока и напряжения, подводимого к электродвигателю, в якорную цепь последовательно якорю (или якорю и обмотке возбуждения в случае двигателя последовательного возбуждения) подключают резисторы:

Таким образом, регулируется ток, подводимый к электрической машине. Контакторы К1, К2, К3 шунтируют резисторы при необходимости изменения какого-либо параметра или координаты электропривода. Этот способ довольно еще широко распространен, особенно в тяговых электроприводах, хотя ему сопутствуют большие потери в резисторах и, как следствие, довольно низкий КПД.

Система генератор-двигатель

В такой системе необходимый уровень напряжения формируется путем изменения потока возбуждения генератора:

Наличие в такой системе трех электромашин, больших массогабаритных показателей и длительного времени ремонта при поломках, а также дорогостоящего обслуживания и большую инерционность такой установки сделали КПД такой машины очень низким. Сейчас систем генератор-двигатель практически не осталось, все они активно заменяются на системы тиристорный преобразователь – двигатель ТП-Д, который обладает рядом преимуществ.

Тиристорный преобразователь – двигатель

Получила свое массовое развитие в 60-х годах, когда начали появляться тиристоры. Именно на их базе были созданы первые статичные маломощные тиристорные преобразователи. Такие устройства подключались напрямую к сетям переменного тока:

Регулирование напряжения происходит путем изменения угла открывания тиристора. Регулирование через тиристорный преобразователь имеет ряд преимуществ перед установкой генератор-двигатель, такие как высокое быстродействие и КПД, плавное регулирование напряжения постоянного и много других.

Преобразователь с промежуточным звеном постоянного напряжения

Здесь все немного сложнее. Чтоб получить постоянное напряжение необходимой величины применяют еще вспомогательные устройства, а именно инвертор, трансформатор, выпрямитель:

Здесь постоянный ток преобразуют в переменный с помощью инвертора тока, потом с помощью трансформатора понижают или повышают (в зависимости от надобности), а потом снова выпрямляют. Значительно удорожает установку наличие трансформатора и инвертора, укрупняет систему, чем снижает КПД. Но есть и плюс – гальваническая развязка между сетью и нагрузкой из – за наличия трансформатора. На практике такие устройства встречаются крайне редко.

Импульсные преобразователи постоянного напряжения

Это пожалуй самые современные устройства регулирования в цепях постоянного тока. Его можно сравнить с трансформатором, поскольку поведение импульсного преобразователя подобно трансформатору с плавно меняющимся количеством витков:

Такие системы активно заменяют электроприводы с резистивным регулированием, путем подключения их к якорю машины последовательно, вместо резистивно-контакторной группы. Их довольно часто применяю в электрокарах, а также довольно большую популярность они обрели в подземном транспорте (метрополитен). Такие преобразователи выделяют минимум тепла, что не нагревает тоннелей и могут реализовывать режим рекуперативного торможения, что является большим плюсом для электроприводов с частым пуском и торможением.

Большим плюсом таких устройств есть то, что они могут осуществить рекуперацию энергии в сеть, плавно регулируют скорость нарастания тока, обладают высоким КПД и быстродействием.

Источник