ЭЛЕКТРОПРИВОД С АСИНХРОННЫМ ДВИГАТЕЛЕМ
Асинхронные двигатели (АД) являются в настоящее время самым распространенным видом электродвигателя в промышленности и сельском хозяйстве. Это определяется рядом преимуществ АД по сравнению с другими видами двигателей: он более прост и надежен в эксплуатации, для его изготовления требуется меньше цветных металлов, он имеет меньшие массу, габариты и стоимость, чем двигатели постоянного тока.
До недавнего времени АД применялись главным образом в нерегулируемом электроприводе. Вместе с тем в связи с появлением серийно выпускаемых электротехнической промышленностью силовых тиристорных устройств — преобразователей напряжения и преобразователей частоты — растет число регулируемых электроприводов с АД. Такие электроприводы имеют хорошие регулировочные и массогабаритные свойства, а также стоимостные показатели. В связи с этим применение в народном хозяйстве регулируемого асинхронного электропривода представляет собой важное направление в развитии электропривода.
1. СХЕМА ВКЛЮЧЕНИЯ, СТАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ * И РЕЖИМЫ РАБОТЫ АД
Основная схема включения трехфазного АД и соответствующая ей упрощенная схема замещения с вынесенным контуром намагничивания показаны на рис. 4.1, а , б .
На схемах приняты следующие обозначения:
U 1 , U ф — действующие значения линейного и фазного напряжения сети; I 1 , I , I 2 — фазные токи статора, намагничивания и приведенный ротора; х 1 , x , х 2 — индуктивные фазные сопротивления статора, контура намагничивания и приведенное ротора; R c , R 1д , R 1 =R c +R 1д — активные фазные сопротивления обмотки статора, добавочного резистора и суммарное фазы статора; , , — активные приведенные к обмотке статора фазные сопротивления обмотки ротора, добавочного резистора и суммарное фазы ротора; s=(0 -)/0 — скольжение АД; 0 =2f l /p — угловая скорость магнитного поля АД (синхронная скорость); f 1 — частота питающего напряжения; p — число пар полюсов АД.
Электромеханическая
(4.1)
где — индуктивное фазное сопротивление короткого замыкания.
Асинхронные двигатели с фазным ротором
... паза статора. 1.4 Расчёт фазного ротора Для нормальной работы асинхронного двигателя необходимо, чтобы фазная обмотка ротора имела ... напряжение на контактных кольцах в момент пуска двигателя: , В (1.26) , В Фазный ток ротора: , А (1.27) где К j - коэффициент, учитывающий влияние тока намагничивания и сопротивление ... в ярме статора рассчитывается по формуле: (2.4) Значение В с =1,5; В с ?1,4?1,6 ...
Отметим, что электромеханические и механические характеристики АД часто представляются в виде зависимости тока и момента от скольжения s . В этом случае получаемые аналитические выражения имеют компактную форму записи и более удобны для анализа и вычислений.
На рис. 4.2 приведены электромеханические характеристики = f () и =f ().
Проанализируем их характерные точки.
На оси ординат отложены и скорость, и скольжение, которые однозначно связаны между собой соотношением
(4.2)
а на оси абсцисс — приведенные токи ротора и статора.
Характерные точки электромеханической характеристики следующие.
1) s =0, =0 , =0, I 1 =I 0 — точка идеального холостого хода;
2) s =l, =0, I 1 =I к,з =I п — точка короткого замыкания;
3) s 1 =, 1 =0 (1-s 1 ), — точка максимального значения тока ротора, лежащая в области отрицательных скольжений;
4) s±, ,1/ф/1+д;
- асимптотическое значение тока ротора при бесконечно большом увеличении скольжения и скорости.
механической
(4.3)
Отметим, что вследствие зависимости потерь в роторе от скольжения их часто называют потерями скольжения.
Те же потери мощности, выраженные через электрические величины, определяются как
(44)
Приравнивание потерь по (4.3) и (4.4) приводит к следующему выражению:
(4.5)
3амена в (4.5) тока его выражением по (4.1) приводит к следующей формуле:
(4.6)
которая является одной из форм математического представления механической характеристики M (s ).
Исследование полученной зависимости M (s ) на экстремум, которое осуществляется нахождением производной dM/ds и приравниванием ее нулю, обнаруживает наличие двух экстремальных точек. В этих точках момент и скольжение АД выражаются как
(4.7)
(4.8)
причем знак «+» в(4.7) и (4.8) относится к области скольжения s>0, а знак «-» — к s0. Значения момента М к и скольжения s к АД, соответствующие экстремальным точкам, получили название максимальных или критических.
Если разделить выражение (4.6) на (4.7) и выполнить несложные преобразования, то можно получить другую, более компактную и удобную форму записи механической характеристики
(4.9)
где
Характерные точки механической характеристики следующие:
1) s=0, = 0 , M =0 — точка идеального холостого хода;
2) s=l, =0, М =М к,з =М п — точка короткого замыкания;
3) s=s кд , М =М к,д ,, s=-sк,г , М к =-М к,г — точки экстремума;
4) s±, , М 0 — асимптота механической характеристики, которой является ось скорости.
Двигатель постоянного тока
... дипломная работа Язык русский Дата добавления 30.11.2014 Размер файла 736,4 K Подобные документы Магнитная цепь двигателя постоянного тока. Обмотка якоря и добавочных полюсов. Стабилизирующая последовательная обмотка главных полюсов. Характеристики ... электрическую энергию в любую точку на Земле. Электрическую энергию вырабатывают на электростанциях, где механическая энергия пара, воды преобразуется ...
На рис 4.3 приведена механическая характеристика АД. Отметим, что она соответствует определенному чередованию фаз питающего напряжения сети U 1 . При изменении порядка чередования двух фаз АД имеет аналогичную механическую характеристику, которая располагается симметрично относительно начала координат.
В некоторых случаях при построении механической характеристики используют приближенные формулы. Упрощение может быть получено, если пренебречь активным сопротивлением статора, т.е. считать R 1 =0. В этом случае выражения (4.7), (4.8) и (4.9) принимают соответственно вид
(4.10)
(4.11)
(4.12)
Если в (4.10) вместо текущих значений момента и скольжения подставить их номинальные значения М ном и s ном и обозначить кратность максимального момента М к /М ном через м , то из (4.10) может быть найдена формула, связывающая критическое и номинальное скольжения,
(4.13)
Эта формула может использоваться для определения 5ц по каталожным данным АД.
Дальнейшее упрощение (4.10) может быть выполнено для области малых скольжений, в которой можно пренебречь отношением s /s к :
Полученная формула описывает так называемый рабочий участок характеристики двигателя, на котором находится точка номинального режима с координатами М ном , I ном , ном , s ном ,.
Энергетический режим работы АД определяется значением и знаком скольжения, а именно (рис. 4.3):
1) s =0, =0 — режим идеального холостого хода;
2) s =l, =0 — режим короткого замыкания;
3) 0< s <l, 0<<0 — двигательный режим;
4) s <0, >0 — генераторный режим (рекуперативный);
5) s >l, <0 — генераторный режим (противовключение).
Кроме того, АД может работать в генераторном режиме независимо от сети переменного тока, который называется режимом динамического торможения. В этом режиме обмотка статора АД отключается от сети переменного тока и подключается к источнику постоянного тока, а цепь ротора замыкается накоротко или на добавочные резисторы. Подробно схема включения АД и его характеристики в этом режиме рассмотрены в § 4.10.
Пример 4.1.
1 Определяем скорость идеального холостого хода
2 Определяем номинальный момент
3 Определяем номинальное скольжение
Полученных данных достаточно для приближенного построения рабочего участка механической характеристики АД по двум точкам — номинальной ( ном , M ном ) и холостого хода (0 , 0).
Для получения всей механической характеристики продолжаем расчет.
4 Определяем критический момент АД
5 Определяем по (4 13) критическое скольжение АД, принимая в ней знак «+»,
6 Подставляем найденные значения М к и s к в упрощенную формулу (4.10)
7. Задаваясь значениями скольжения s в пределах от 0 до 1, определяем по (4.10) момент АД и строим механическую характеристику (рис 4.4).
Регулирование скорости (частоты вращения) асинхронного двигателя
... большой мощности) преобразователей частоты и сложность реализации в большинстве схем режима рекуперативного торможения. Подробно принципы и схемы частотного регулирования скорости асинхронного двигателя рассмотрены ниже. Изменение скорости переключением числа пар полюсов асинхронного двигателя позволяет ...
2. КОЭФФИЦИЕНТ МОЩНОСТИ АД И СПОСОБЫ ЕГО ПОВЫШЕНИЯ
Коэффициент мощности АД определяется выражением
(4.14)
где — активная мощность;
- реактивная мощность; У полная (кажущаяся) мощность.
Для большинства АД cos ном 0,80,9. Для этих значений Q =(0,50,75) Р , т.е. АД на каждый киловатт активной мощности потребляет из сети 0,5-0,75 квар реактивной мощности. Чем ниже cos, тем большую реактивную мощность потребляет АД из сети, загружая ее дополнительным током и вызывая в ней дополнительные потери.
Коэффициент мощности существенно зависит от нагрузки АД. При холостом ходе АД коэффициент мощности невелик, так как относительно велика доля реактивной мощности по сравнению с активной. По мере увеличения нагрузки АД возрастает и cos, достигая своего максимального значения примерно в области номинальной нагрузки АД. Зависимость cos от нагрузки для АД серии 4А при различных номинальных cos приведена на рис. 4.5.
На рис. 4.6 приведены зависимости номинального коэффициента мощности cos ном для АД различных номинальное мощностей и чисел пар полюсов р . Характерным для этих зависимостей является увеличение северном при росте номинальной мощности АД. Из кривых рис. 4.6 также видно, что АД с меньшим числом пар полюсов (с более высокими скоростями) имеют более высокий номинальный cosном .
Асинхронные двигатели являются основными потребителями реактивной мощности в системе электроснабжения (60-65 % общего объема ее потребления), поэтому повышение коэффициента их мощности представляет собой важную технико-экономическую задачу. В настоящее время разработаны и применяются следующие основные мероприятия по повышению cos АД [29]:
1. Замена малозагруженных АД двигателями меньшей мощности. Эта возможность повышения cos асинхронного электропривода непосредственно следует из рассмотрения рис. 4.5. При замене АД меньшей мощности будет работать с номинальной (или близкой к ней) мощностью на валу и при этом с более высокими cos (попутно отметим, что и его КПД также будет более высоким).
Расчеты показывают, что если средняя нагрузка АД менее 45 % номинальной мощности, то целесообразна замена его АД меньшей мощности. При загрузке АД более 70 % их замена является нецелесообразной, а при загрузке АД в пределах от 45 до 70 % целесообразность их замены должна быть подтверждена дополнительными технико-экономическими расчетами.
2. Ограничение времени работы АД на холостом ходу. Так как в этом режиме АД имеет низкий cos, то при больших продолжительностях этого режима АД целесообразно отключать от сети.
3. Понижение напряжения питания АД, работающих с малой нагрузкой. При снижении питающего АД напряжения уменьшается потребляемая им реактивная мощность и повышается cos. Одна из возможностей реализации этого способа связана с переключением обмоток статора с треугольника на звезду, что приведет к снижению напряжения на обмотке каждой фазы в раз.
4. Замена АД синхронными двигателями (СД) в тех случаях, когда это возможно по условиям технологического процесса рабочей машины. Как будет показано далее (§ 5.2), СД обладают весьма ценным свойством: работать с cos=l (т. е. не потреблять из сети реактивную мощность), а при необходимости генерировать в сеть реактивную мощность.
Управление асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором
... мощности при снижении частоты в связи с уменьшением индуктивных сопротивлений обмоток асинхронного двигателя и работой двигателя при малых скольжениях также увеличиваются. При регулировании частоты в процессе управления скоростью асинхронного двигателя ... - коэффициент пропорциональности; - приведенный к цепи статора ток ротора, приводит согласно (1.11) к росту тока ротора , то есть к перегрузке его ...
3. РЕГУЛИРОВАНИЕ СКОРОСТИ, ТОКА И МОМЕНТА С ПОМОЩЬЮ РЕЗИСТОРОВ В ЦЕПЯХ РОТОРА И СТАТОРА
Один из распространенных способов регулирования скорости, тока и момента АД с фазным ротором связан с введением и изменением дополнительных резисторов в цепи его ротора. Схема, в которой реализуется этот способ регулирования, приведена на рис. 4.7, а . Основным достоинством этого способа является простота реализации, что определило его широкое применение в ряде электроприводов.
Характеристики
Для построения семейства получаемых при этом способе искусственных механических характеристик проведем анализ их характерных точек. С помощью (4 7) и (48) и выражения для скорости идеального холостого хода отмечаем следующее:
1) скорость идеального холостого хода АД 0 при регулировании R 2д не изменяется;
2) максимальный (критический) момент двигателя М к также остается неизменным;
3) критическое скольжение s к увеличивается при увеличении R д2 .
Выполненный анализ позволяет представить искусственные реостатные характеристики в виде семейства кривых, показанного на рис. 4.7, б .
Использование этих характеристик для регулирования скорости АД характеризуется такими же показателями, что и для ДПТ независимого возбуждения. Диапазон регулирования скорости небольшой — около 2-3, что определяется снижением жесткости характеристик и ростом потерь по мере увеличения диапазона регулирования скорости.
Плавность регулирования при реостатном регулировании небольшая и определяется плавностью изменений; дополнительного резистора R д2 . Скорость АД изменяется только вниз от основной.
Экономичность способа определяется стоимостью используемых средств регулирования и расходами при эксплуатации электропривода. Затраты, связанные с созданием данной системы электропривода, невелики, так как для регулирования обычно используются простые и дешевые ящики металлических резисторов. В то же время при эксплуатации этой системы затраты велики, поскольку значительны потери энергии.
Электрические потери в роторной цепи Р 2 , называемые потерями скольжения, определяются выражением
(4.15)
которое аналогично (3.9).
Чем больше скольжение s , тем больше потери в роторной цепи, поэтому реализация большого диапазона регулирования скорости приводит к значительным потерям энергии и снижению КПД электропривода.
Регулирование скорости этим способом применяется в тех случаях, когда требуется небольшой диапазон регулирования скорости и работа на пониженных скоростях непродолжительна. Например, этот способ нашел широкое применение в электроприводе ряда подъемно-транспортных машин и механизмов.
Рассматриваемый способ также используется для регулирования тока и момента АД при его пуске.
Если обратиться к характеристикам рис. 4 7, б , то можно отметить, что за счет подбора сопротивления резистора пусковой момент АД может быть увеличен вплоть до значения критического момента М к . Это свойство АД используется при его пуске с моментом нагрузки, превышающим пусковой момент АД М п на естественной характеристике.
Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором
... к.п.д., нажимного кольца, пальцев и стяжных рёбер статора. курсовая работа, добавлен 24.12.2012 Расчет параметров обмотки статора и ротора асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Расчет механической характеристики асинхронного двигателя в двигательном режиме по приближенной формуле М. ...
Пусковой ток АД в соответствии с (4.1) уменьшается по мере увеличения R 2д , что позволяет с помощью введения добавочных резисторов осуществлять его ограничение.
б) Расчет резисторов в цепи ротора
Задача по расчету дополнительных резисторов в цепи ротора обычно формулируется следующим образом. Задана искусственная механическая характеристика АД (полностью или частично) или отдельная точка этой характеристики с координатами и , М и . Найти сопротивление дополнительного резистора R 2д , при включении которого в цепь ротора АД будет иметь заданную искусственную характеристику или же она будет проходить через заданную точку. При этом предполагается, что естественная механическая характеристика АД известна (рассчитана или снята экспериментально).
Отметим, что требуемая искусственная характеристика может быть задана по условиям пуска или регулирования скорости.
Расчет сопротивления добавочного резистора R 2д может быть выполнен несколькими способами в зависимости от формы задания требуемой искусственной механической характеристики.
1. Искусственная характеристика задана полностью и известен участок критического момента, как, например, характеристика 2 на рис. 4.7, б . В этом случае расчет целесообразно вести по формуле (4.8), с помощью которой находится отношение критических скольжений АД на естественной и искусственной характеристиках,
(4.16)
где R p — сопротивление фазы ротора АД.
Из (4.16) определяем искомое значение R 1д
(4.17)
2. Если искусственная характеристика задана своей рабочей частью и участок критического момента не определен, то удобно использовать метод отрезков, который уже рассматривался в гл. 3 применительно к ДПТ независимого возбуждения. На рис. 4.7, б выполнено построение для АД при использовании этого метода, для чего проведена вертикальная линия, соответствующая номинальному моменту М ном , и отмечены характерные точки а , b , c , d , e . Сопротивление искомого резистора R 2д1 определяется с помощью следующей формулы:
(4.18)
где — номинальное сопротивление АД; Е 2к — ЭДС ротора при s =l; I 2ном — номинальный ток ротора.
С помощью метода отрезков из рис. 4.7, б при необходимости может быть найдено и сопротивление фазы обмотки АД R р
(419)
Еще одно удобное соотношение для расчета сопротивления добавочного резистора в цепи ротора может быть получено, на основании выражения (4.5).
Из него следует, что при любом фиксированном токе и моменте АД отношение полного сопротивления цепи ротора к скольжению есть величина постоянная, т.e. . Таким образом, если задана некоторая точка f искусственной характеристики 3 (см рис 4.7, б ) с координатами M и , s и , то искомое сопротивление резистора R 2д2 может быть найдено по следующей формуле, аналогичной (4.17):
Двигатели постоянного тока: пуск, регулирование скорости, тормозные режимы
... установится постоянный ток I. В режиме двигателя машина преобразует электрическую энергию в механическую: к якорю и к обмотке возбуждения машины одновременно подводится постоянный ток от источника. Взаимодействие магнитного поля полюсов статора с током ...
(4.20)
где s e — скольжение АД на естественной характеристике, соответствующее моменту М и .
Отметим, что при отсутствии данных о значении сопротивления резистора R p оно может быть найдено по следующей приближенной формуле:
(4.21)
где s ном — номинальное скольжение АД.
Пример 4.2. Для АД с контактными кольцами рассчитать сопротивление добавочного резистора R 2д , при включении которого в цепь ротора момент АД при пуске равен критическому (максимальному).
Двигатель имеет следующие технические данные: Р ном =4 кВт, n ном =960 об/мин, U 1ном =380 В; I 2ном =27,3 A; Е 2к =100 В; f 1 =50 Гц, р =3, м =2.
1 Определяем скорость идеального холостого хода
2 Вычисляем номинальные скорость и скольжение АД
3 Находим критическое скольжение АД
4 Рассчитываем сопротивление фазы ротора АД по формуле (4.21)
5 Определяем искомое сопротивление дополнительного резистора в цепи ротора, учитывая, что s к,и =1,
Пример 4.3. Для рассмотренного в примере 4.2 АД рассчитать добавочное сопротивление в цепи ротора, при котором АД имеет при номинальном моменте скорость, равную половине номинальной, т.е. и =0,5 ном =0,5100,5=50,25 рад/с.
1 Определяем скольжение, соответствующее скорости и ,
2 Рассчитываем с помощью формулы (4.20) искомое сопротивление дополнительного резистора
в) Регулирование координат с помощью резисторов в цепи статора
Схема, позволяющая регулировать координаты АД за счет добавочных резисторов в цепи статора, приведена на рис. 4.8, а . Чаще всего этот способ применяется для АД с короткозамкнутым ротором, у которых нельзя использовать цепь ротора для включения каких-либо регулирующих устройств. Схема рис. 4.8, а соответствует симметричному включению добавочных резисторов во все три фазы статора. Помимо такой схемы используется включение резистора в одну фазу, что позволяет получить примерно такие же характеристики двигателя при уменьшении количества регулирующих элементов.
Получаемые при этом искусственные характеристики приведены на рис. 4.8, б . Они построены исходя из анализа характерных точек механической характеристики, а именно
1. Скорость идеального холостого хода 0 не зависит от сопротивления фазы статора R 1 , поэтому все искусственные характеристики проходят через одну и ту же точку на оси ординат.
2. Критические момент и скольжение АД в соответствии с (4.7) и (4.8) уменьшаются по мере увеличения R 1д .
3. Пусковой момент АД М п , который определяется выражением (4.6) при s =1, также уменьшается при увеличении R 1д .
Переходная функция системы управления. Импульсная характеристика. ...
... Рисунок 2.3 – Импульсная характеристика для дискретной стационарной системы 3 Передаточная функция Специфика решаемых при анализе и синтеза систем автоматического управления (САУ) задач часто ... аналитический переход к временным характеристикам является сложным и требует дополнительных вычислений. Передаточная функция стандартной формы это представление передаточной функции в виде произведения ...
Искусственные характеристики рис. 4.8, б мало пригодны для регулирования скорости АД: они обеспечивают небольшой диапазон изменения скорости; жесткость характеристик АД и его перегрузочная способность, характеризуемая критическим моментом, по мере увеличения R 1д снижаются; способ отличает и низкая экономичность.
В силу этих недостатков регулирование скорости АД с помощью активных резисторов в цепи его статора применяется редко. Этот способ обычно используется для ограничения токов и моментов АД с короткозамкнутым ротором в различных переходных процессах — при пуске, реверсе и торможении. Например, такая схема применяется в электроприводе лифтов, имеющем двухскоростной АД. В таких электроприводах при переходе с высокой скорости на пониженную в цепь низкоскоростной обмотки статора вводится добавочный резистор, который обеспечивает ограничение тока и момента АД.
Расчет добавочных резисторов в цепи статора для заданных токов и моментов приведен в [5].
4. РЕГУЛИРОВАНИЕ СКОРОСТИ АД ИЗМЕНЕНИЕМ ЧИСЛА ПАР ПОЛЮСОВ
Этот способ используется для регулирования скорости многоскоростных АД с короткозамкнутым ротором. Возможность получения искусственных характеристик АД данным способом, и следовательно, регулирования его скорости, непосредственно следует из выражения для угловой скорости магнитного поля АД .
Изменение числа пар полюсов АД р производится за счет переключений в обмотке статора, при этом число пар полюсов короткозамкнутого ротора изменяется автоматически. Так как количество полюсов АД может быть равным только целому числу — 1, 2, 3 и т. д., то следовательно, данный способ обеспечивает только ступенчатое регулирование скорости. Двигатели, допускающие регулирование скорости этим способом, получили название многоскоростных.
Изменение числа полюсов АД достигается, когда на статоре АД располагаются две (или больше) не связанные друг с другом обмотки, имеющие разное число пар полюсов p 1 и p 2 . При подключении к сети одной обмотки, например с p 1 парами полюсов, АД имеет синхронную скорость
Вторая обмотка при этом обесточена. Для получения другой скорости отключается первая обмотка и подключается на сеть вторая обмотка с p 2 парами полюсов, при этом синхронная скорость АД станет равной
и АД будет иметь уже другую механическую характеристику.
Наряду с такими АД, получившими название многообмоточных, широкое распространение получил другой тип многоскоростных АД, у которых изменение числа пар полюсов вращающегося магнитного поля достигается за счет изменения схемы соединения статорной обмотки АД. Для этого каждая фаза статора разделена на несколько одинаковых частей (чаще всего на две части) и имеет от них соответствующее число выводов.
Рассмотрим принцип получения различного числа пар полюсов при переключении частей обмотки статора на следующем упрощенном примере.
На рис. 4.9 показана схема одной фазы статорной обмотки, которая состоит из двух одинаковых частей 1 н -1 к , 2н -2к , имеющих два проводника. Если секции соединены так, как это показано на рис. 4.9, а , и к обмотке статора подведен ток I , имеющий в данный момент времени направление, показанное стрелками, то образуется магнитное поле с четырьмя полюсами, т. е. р =2 (направление магнитных силовых линий определяем с помощью правила буравчика).
Классификация систем автоматического управления и регулирования. ...
... управления, по которому САУ подразделяются на системы, неприспосабливающиеся к изменяющимся условиям работы объекта регулирования и приспосабливающиеся (или адаптивные) системы. Рис. 1.7. Классификация систем автоматического управления и регулирования ... моменты времени. Импульсные характеристики могут иметь ... влияние и на скорость подачи. Второй ... МАЭС Реферат на тему:Робототехническая система для ...
Оставив направление тока тем же,, изменим несколько схему соединения обмотки, подключив конец первой секции 1 к к концу второй 2к (рис. 4.9, б ).
Из рис. 4.9, б следует, что в этом случае статорная обмотка образует магнитное поле с числом пар полюсов, вдвое меньшим по сравнению с полем рис. 4.9, а . Уменьшение вдвое числа пар полюсов достигается и в схеме рис. 4.9, в , где секции соединены параллельно (1н с 2к , 1к с 2н ).
В том и другом случае (рис. 4.9, б и в ) уменьшение числа пар полюсов, и следовательно, увеличение скорости, АД, достигается изменением направления тока на противоположное в одной из секций (в данном случае во второй).
При этом диапазон изменения угловой скорости магнитного поля равен двум.
Наиболее часто на практике встречаются две схемы переключения статорной обмотки многоскоростных АД:
1) с треугольника (Д) на двойную звезду (УУ); 2) со звезды (У) на двойную звезду (УУ).
Рассмотрим схемы соединения статора и механические характеристики АД для этих случаев.
Треугольник
Для получения общего вида механических характеристик определим допустимую мощность АД при включении его статора по схемам рис. 4.10, а и б . Учитывая, что допустимый ток в секции обмотки статора I 1доп =I 1ном остается неизменным при переключении числа пар полюсов, допустимую первичную мощность определим:
для схемы треугольник (рис. 4.10, а )
(4.22)
для схемы двойная звезда (рис. 4.10, б )
(4.23)
Из полученных выражений следует, что при допустимая мощность АД остается практически неизменной. Поэтому при увеличении вдвое числа пар полюсов АД и уменьшении тем самым вдвое синхронной скорости допустимый момент на валу АД увеличивается примерно в 2 раза. Механические характеристики АД для данного способа переключения обмоток показаны на рис 4.10, в . Они соответствуют регулированию скорости при постоянной мощности.
Звезда — двойная звезда . В этой схеме меньшей угловой скорости АД соответствует соединение обмоток статора, показанное на рис. 4.11, а . Секции фаз статора соединены в этой схеме также последовательно и согласно и образуют при подключении АД к сети систему p 1 пар полюсов вращающегося магнитного поля, которой соответствует синхронная скорость 01 .
Переключение на двойную звезду осуществляется по схеме на рис. 4.10, б , при этом число пар полюсов станет p 2 =p 1 /2. Получаемые механические характеристики такого двухскоростного АД изображены на рис. 4.11, б . В отличие от рассмотренной выше схемы переключения треугольник — двойная звезда, в которой регулирование скорости АД осуществляется при постоянной мощности нагрузки на его валу, в этой схеме изменение скорости может осуществляться при постоянном моменте нагрузки М с . Это следует из рассмотрения выражений допустимой мощности АД, которая для схемы двойная звезда (рис. 4.10, б ) определяется формулой (4.23), а для схемы звезда согласно рис 4.11, а — формулой
(4.24)
Из (4.23) и (4.24) видно, что допустимая мощность при переключении статорной обмотки на меньшее число пар полюсов (когда скорость АД увеличивается в 2 раза) возрастает также в 2 раза. Тем самым допустимые моменты при работе АД в обеих схемах включения примерно одинаковы и характеристики имеют показанный на рис. 4.11, б вид.
Помимо рассмотренных двухскоростных АД применяются также трех- и четырехскоростные АД. Первые из них помимо переключаемой обмотки статора, выполняемой аналогично рассмотренной выше, имеют также и одну непереключаемую обмотку. Четырехскоростные АД с различным числом пар полюсов p 1 , p 2 , p 3 , p 4 позволяют получить четыре различные механические характеристики.
Рассматриваемый способ регулирования скорости характеризуется рядом положительных показателей, что определяет широкое его применение в регулируемом электроприводе переменного тока. К ним в первую очередь следует отнести экономичность регулирования, так как регулирование скорости изменением числа пар полюсов не сопровождается выделением в роторной цепи больших потерь энергии скольжения, вызывающих излишний нагрев АД и ухудшающих его КПД.
Из рис. 4.10, в и 4.11, б видно, что механические характеристики многоскоростных асинхронных электродвигателей отличаются хорошей жесткостью и достаточной перегрузочной способностью.
Недостатком этого способа является ступенчатость изменения скорости двигателя и относительно небольшой диапазон ее регулирования, не превышающий обычно 6-8.
На рис 4.12 показана практическая схема управления двухскоростным АД с короткозамкнутым ротором. Схема обеспечивает две скорости АД путем соединения обмотки статора в треугольник или двойную звезду, а также его реверсирование. Она состоит из контакторов большой КМ1 и малой КМ2 скорости, линейных контакторов направления вращения АД «Вперед» КМЗ и «Назад» КМ4 , блокировочного реле KV и кнопок управления SB3 , SB1 , SB2 , SB4 , SB5 . Защита электропривода осуществляется тепловыми реле КК1 и КК2 и предохранителями FA .
Для пуска АД, например, на низкую скорость нажимается кнопка SB4 , после чего срабатывает контактор КМ2 и реле KV . Статор АД оказывается включенным по схеме треугольник, а реле KV , замкнув свои контакты в цепях аппаратов КМЗ и КМ4 , подготавливают двигатель к подключению к сети. Далее нажатие кнопки SB1 или SB2 приводит к включению АД соответственно в направлении «Вперед» или «Назад».
После разбега АД до низкой скорости может быть осуществлен его разгон до высокой скорости. Для этого должна быть нажата кнопка SB5 , что приведет к отключению контактора КМ2 и включению контактора КМ1 и пересоединению в результате этого обмотки статора со схемы треугольник на схему двойная звезда.
Остановка АД производится нажатием кнопки SB3 , после чего он отключается от сети и схема возвращается в исходное положение.
Применение двухцепных кнопок в схеме позволяет осуществить блокировку от одновременного срабатывания контакторов КМ1 и КМ2 , КМЗ и КМ4 . Этой же цели служат включенные в цепи катушек этих контакторов размыкающие блокировочные контакты КМ1 , КМ2 , КМЗ , КМ4 .
ДВИГАТЕЛЬ
а) Схема включения и характеристики АД
Одним из возможных способов регулирования координат АД является изменение напряжения на выводах его статора, при этом частота такого напряжения постоянна и равна частоте сети переменного тока. На рис. 4.13, а приведена схема электропривода при реализации этого способа. Между выводами питающей сети и статора АД включен преобразователь напряжения, при использовании которого может изменяться напряжение, подводимое к статору АД.
Возможность регулирования координат АД с помощью изменения напряжения следует из анализа формулы (4.7), согласно которой путем регулирования фазного напряжения U ф можно изменять критический (максимальный) момент АД и получать тем самым искусственные характеристики. Критическое скольжение АД и его синхронная скорость от напряжения не зависят и остаются неизменными при его регулировании.
На рис. 4.13, б приведены механические характеристики АД при регулировании напряжения на выводах его статора. Как видно из этих графиков, получаемые искусственные характеристики оказываются малопригодными для целей регулирования скорости, так как по мере уменьшения напряжения резко снижаются критический момент АД и его перегрузочная способность, а диапазон регулирования скорости очень мал.
По этим причинам разомкнутая схема рис 4.13, а может использоваться лишь для регулирования момента АД и его тока, который в соответствии с формулой (4.1) пропорционален напряжению статора. Для регулирования скорости АД создаются замкнутые системы, одна из которых рассмотрена ниже.
б) Система тиристорный преобразователь — двигатель
Для регулирования напряжения на выводах статора АД могут использоваться различные устройства — автотрансформаторы, магнитные усилители и тиристорные преобразователи напряжения (ТПН).
Последний вид регуляторов напряжения — ТПН получил в настоящее время наибольшее распространение и серийно выпускается промышленностью [41].
Определяется это рядом достоинств ТПН. высоким КПД, простотой в обслуживании, легкостью автоматизации работы электропривода.
На рис 4.14, а приведена силовая часть схемы регулирования напряжения на однофазной нагрузке Z н . Если на тиристоры VS1 и VS2 не подаются импульсы управления от СИФУ (на схеме не показана), то они закрыты и напряжение на нагрузке U н равно нулю. При подаче на тиристоры импульсов управления в момент их естественного открытия (угол управления =0) они будут полностью открыты и к нагрузке будет приложено все напряжение сети U 1 . Если осуществлять подачу импульсов управления на тиристоры с некоторой задержкой относительно момента естественного открытия (угол управления 0), то к нагрузке будет прикладываться часть напряжения сети. Изменяя угол управления от нуля до , можно регулировать напряжение на нагрузке от полного напряжения сети до нуля.
Существенно отметить, что форма напряжения на нагрузке является несинусоидальной. Несинусоидальное напряжение можно представить как совокупность нескольких синусоидальных напряжений, каждое из которых изменяется с определенной частотой. Из приведенных рассуждений вытекает следующий вывод: кривую напряжения на нагрузке при работе схемы рис 4.14, а можно разложить на отдельные составляющие, причем частота изменения первой из них равна частоте питающего напряжения, а частоты других составляющих больше, чем первой. Указанная первая составляющая называется 1-й или основной гармоникой, а все другие составляющие называются высшими гармониками. Обычно 1-я гармоника имеет наибольшую амплитуду и по ней ведутся все основные расчеты.
Показанное на рис 4.14, а соединение тиристоров называется встречно-параллельным. Оно обеспечивает поочередную работу каждого из тиристоров в течение одного полупериода частоты сети. Такие пары встречно-параллельно соединенных тиристоров используются и для регулирования напряжения трехфазного АД. Отметим, что иногда вместо такой пары тиристоров используется симметричный тиристор (симистор), обеспечивающий такой же принцип действия преобразователя напряжения.
На рис. 4.14, б приведена практическая схема управления АД с помощью ТПН, состоящего из трех пар встречно-параллельно соединенных тиристоров, каждая из которых включена между фазой сети и фазой статора АД. Регулирование напряжения на АД в этой схеме осуществляется, как и в схеме на рис. 4.14, а , изменением угла управления, т. е. сдвигом во времени управляющих импульсов, подаваемых на управляющие электроды тиристоров.
Управляющие импульсы подаются на все тиристоры не одновременно, а со сдвигом во времени на третью часть периода частоты сети. Это определяется тем, что управляющий импульс каждого тиристора должен быть сдвинут относительно напряжения той фазы сети, к которой подключен тиристор, на один и тот же угол управления , a фазные напряжения сети сдвинуты относительно друг друга на 120°.
При изменении угла управления изменяется напряжение на фазах АД аналогично тому, как это было рассмотрено для однофазной цепи, а именно: при увеличении угла амплитуда 1-й гармоники напряжения уменьшается. На рис. 4.14, б приведены механические характеристики АД, каждая из которых соответствует одному значению угла управления . Эти характеристики аналогичны показанным на рис. 4.13, б , соответствующим случаю питания АД от идеального источника изменяющегося синусоидального напряжения.
Возникающие на выходе ТПН высшие гармоники напряжения оказывают определенное влияние на работу АД. В частности, каждая гармоника напряжения определяет прохождение дополнительного тока в обмотках АД, который вызывает соответствующие дополнительные потери в обмотках. Анализ показывает, что при питании АД от ТПН по схеме рис. 4.14, б потери на 10-20 % больше, чем при питании АД от источника изменяющегося синусоидального напряжения. Вместе с тем следует отметить, что высшие гармоники напряжения оказывают незначительное влияние на момент АД.
Как уже отмечалось, характеристики, приведенные на рис. 4.14, в , мало удовлетворяют целям регулирования скорости АД. Из графиков следует, что с увеличением угла управления снижается критический момент АД и падает жесткость его механических характеристик. Вследствие этого при возможных колебаниях момента сопротивления механизма М с скорость его движения может резко измениться, что в большинстве случаев недопустимо.
Действительно, пусть, например (рис. 4.14, в ), момент сопротивления на валу АД равен M c 1 . Если угол управления равен 75°, то рабочая точка электропривода находится в положении 1 . Предположим, что по каким-то причинам увеличился момент нагрузки на валу АД до значения M c 2 . Двигатель при этом начнет замедляться и в конечном итоге остановится, так как его критический момент меньше момента сопротивления M c 2 . В то же время по условиям производственного процесса допустимо уменьшение угловой скорости только до значения 2 . Очевидно, что для выполнения этого требования должен быть уменьшен угол до 60°, при этом момент АД увеличится и рабочая точка электропривода переместится в положение 2 .
Высказанные соображения показывают, что для получения благоприятных механических характеристик АД, управляемого с помощью ТПН, необходимо регулировать угол в зависимости от изменения момента М с нагрузки. Такое регулирование можно осуществить вручную, когда за работой электропривода наблюдает оператор, который при недопустимых колебаниях скорости производственного механизма регулирует положение определенной рукоятки управления, изменяющей угол . Однако наиболее просто и с лучшими результатами эти функции могут выполнить системы автоматического регулирования, которые без участия человека обеспечивают поддержание скорости АД на заданном уровне.
Рассмотрим для примера принцип действия широко распространенной системы автоматического регулирования скорости АД с контактными кольцами, в которой используется обратная связь по скорости АД. Принципиальная электрическая схема этой системы показана на рис. 4.15, а .
Между выводами сети и статора АД включены три пары встречно-параллельно соединенных тиристоров: VS1 , VS2 , VS3 , VS4 , VS5 , VS6 . Управляющие электроды тиристоров подсоединены к выходам СИФУ, которая распределяет управляющие импульсы на все тиристоры и осуществляет их сдвиг в зависимости от сигнала управления U у . К валу АД подсоединен тахогенератор BR , ЭДС е тг которого пропорциональна скорости , где — коэффициент пропорциональности. Электродвижущая сила тахогенератора сравнивается с задающим напряжением U з,с , снимаемым с задающего потенциометра ЗП , причем эти напряжения включены навстречу друг другу. Разность напряжений U з,с и е тг , равная напряжению управления
(4.25)
поступает на вход СИФУ.
Рассмотрим работу схемы на рис. 4.15, а при увеличении нагрузки на валу АД. Пусть при скорости АД 1 таким образом подобраны задающий сигнал U з,с и сигнал обратной связи е тг , что угол управления равен 75° (см. рис 4.14, в ) Тогда при моменте сопротивления M с1 АД будет работать в точке 1 . При увеличении нагрузки на валу АД до значения М с2 скорость АД начнет снижаться, соответственно начнет уменьшаться и ЭДС тахогенератора е тг ~. Уменьшение е тг вызывает согласно (4.25) увеличение напряжения управления U y , что определит уменьшение с помощью СИФУ угла управления до значения =60°. Двигатель при этом станет работать в точке 2 на характеристике, соответствующей =60°. При этом угловая скорость 2 будет меньше, чем 1 , однако путем соответствующего выбора тахогенератора и параметров СИФУ можно получить достаточно жесткие механические характеристики, например характеристику вида 1 —2 , показанную на рис. 4.14, в .
Изменяя с помощью потенциометра ЗП значение задающего напряжения U з,с , можно получить ряд механических характеристик электропривода, показанных на рис. 4.15, б . Из рис. 4.15, б следует, что эти характеристики имеют относительно высокую жесткость и перегрузочную способность и позволяют обеспечить большой диапазон регулирования скорости АД.
Кроме регулирования скорости АД включение тиристоров в цепь статора позволяет осуществить изменение направления скорости, т. е. реверс АД. На рис. 4.16, а приведена реверсивная схема управления АД, осуществляемая с помощью пяти пар встречно-параллельно соединенных тиристоров. Если сигналы управления подать на тиристорные пары 1 , 2 и 3 , то на выводах АД будет питающее напряжение с последовательностью фаз сети АВС и АД будет вращаться, например, по часовой стрелке. Если же сигналы управления подать на тиристорные пары 4 , 5 и 3 , а с тиристорных пар 1 и 2 снять сигналы управления, то на выводах АД будет другая последовательность фаз сети — ВАС ; при этом направление угловой скорости магнитного поля и соответственно ротора АД изменится на обратное.
Используя тиристоры реверсивного ТПН, можно обеспечить подачу в цепь статора постоянного тока и осуществить тем самым режим динамического торможения АД. На рис. 4.16, б показаны тиристоры, на которые при осуществлении динамического торможения подаются импульсы управления. На остальные тиристоры управляющие импульсы не подаются. Поэтому такие тиристоры не влияют на работу схемы, и их можно исключить из рассмотрения. На рис. 4.16, б представлена схема, составленная из схемы рис. 4.16, а таким образом, что закрытые тиристоры не изображены. Из схемы рис. 4.16, б ясно видно, что включенные тиристоры образуют однофазный управляемый мост, с помощью которого по двум обмоткам статора АД проходит постоянный ток I п , что и определяет режим динамического торможения.
Из изложенного следует, что с помощью ТПН можно осуществить пуск, реверсирование, торможение и регулирование скорости, тока и момента АД. Это говорит о больших возможностях использования асинхронного электропривода с ТПН и определяет широкую область его приме нения.
Основными достоинствами рассматриваемой системы электропривода являются ее относительная простота, надежность, легкость автоматизации в общей технологической схеме производства, удобство управления. Вместе с тем эта система электропривода имеет существенный недостаток, заключающийся в больших потерях в обмотке ротора при работе на низких скоростях. Действительно, согласно (4.15) электрические потери в роторе при низких скоростях и, следовательно, больших скольжениях могут быть весьма высокими, что уменьшает КПД электропривода. Отмеченный недостаток не является очень серьезным в том случае, когда время работы АД на пониженной скорости мало по сравнению со временем цикла его работы. Для примера назовем механизм передвижения (тележку) электрических кранов, где пониженная скорость АД используется для точной остановки тележки с грузом. В этих случаях рассматриваемая система электропривода оказывается целесообразной.
Остановимся кратко на основных показателях регулирования данной системы электропривода.
Диапазон регулирования скорости при использовании обратных связей, например по скорости, относительно высок и достигает десяти. При использовании обратных связей могут быть получены жесткие характеристики.
Экономичность регулирования зависит от конкретных условий работы электропривода. В частности, если время работы на пониженной скорости невелико по сравнению с временем цикла, то экономичность может быть высокой.
Регулирование скорости АД в этой системе плавное и производится только вниз от естественной (основной) характеристики.
в) Расчет механических характеристик АД при его питании от ТПН
Механические характеристики АД при питании его от ТПН могут быть рассчитаны и построены на основании следующего соотношения:
(4.26)
где М гр — момент на граничной характеристике при данном скольжении s , соответствующий углу управления тиристоров =0;U 1 -1-я гармоническая составляющая напряжения на выводах АД.
Если не учитывать активное сопротивление ТПН, что в дальнейшем и принимается, то граничная характеристика при R д2 =0 совпадает с естественной, а при R д2 0 — с реостатной характеристиками АД.
Напряжение U 1 зависит от угла управления тиристорами и так называемого угла нагрузки , который характеризует АД как активно-индуктивную нагрузку ТПН и определяется схемой замещения АД,
(4.27)
где x д,вэ , R дв — эквивалентные активное и индуктивное сопротивления фазы двигателя по отношению к выводам статорной обмотки; R 1 — суммарное сопротивление фазы статора, — приведенное суммарное сопротивление фазы ротора, x — индуктивное сопротивление цепи намагничивания.
Из (4.27) следует, что угол нагрузки зависит от скольжения s . Графически типовая зависимость (s ), рассчитанная по (4.27), показана на рис. 4.17, а . На рис. 4.17, б показаны зависимости U 1 от и , которые аналитически не выражаются.
Порядок расчета механических характеристик АД при его питании от ТПН состоит в следующем. Задаются рядом значений скольжения s . Для этих значений по граничной характеристике определяется момент М гр , а по (4.27) — угол нагрузки . Далее для заданного угла управления и известным значениям по кривым рис. 4.17, б определяется величина U 1 /U 1ном и затем с помощью (4.26) находятся значения момента двигателя М .
6. РЕГУЛИРОВАНИЕ КООРДИНАТ ЭЛЕКТРОПРИВОДА В СИСТЕМЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ — ДВИГАТЕЛЬ
а) Схема включения АД и характеристики
Частотный способ является одним из наиболее перспективных и широко используемых в настоящее время способов регулирования скорости АД. Принцип его заключается в том, что, изменяя частоту f 1 питающего АД напряжения, можно в соответствии с выражением изменять его синхронную скорость 0 , получая тем самым различные искусственные характеристики. Этот способ обеспечивает плавное регулирование в широком диапазоне, получаемые характеристики обладают высокой жесткостью. Частотный способ к тому же отличается и еще одним весьма важным свойством при регулировании скорости АД не происходит увеличения его скольжения, как это имеет место, например, при реостатном регулировании. Поэтому при этом способе регулирования потери скольжения, определяемые по {4.15), оказываются небольшими, в связи с чем частотный способ наиболее экономичен.
Для лучшего использования АД и получения высоких энергетических показателей его работы — коэффициентов мощности, полезного действия, перегрузочной способности — одновременно с изменением частоты питающего напряжения необходимо изменять и значение этого напряжения. Закон изменения напряжения при этом зависит от характера момента нагрузки.
При выборе соотношения между частотой и напряжением, подводимым к статору АД, часто исходят на условия сохранения его перегрузочной способности , которая определяется отношением критического момента двигателя М к к моменту нагрузки М с ,
(4.28)
Если пренебречь активным сопротивлением статора и учесть, что x к f 1 и 0 f 1 , то согласно (4.11) выражение (4.28) можно записать как
