Міністерство освіти і науки України

Національний університет водного господарства та природокористування

Факультет прикладної математики і комп’ютерно-інтеграваних систем

Кафедра електротехніки та автоматики

Методичні вказівки

до виконання лабораторної роботи

„Дослідження системи частотного регулювання швидкості асинхронного двигуна з короткозамкненим ротором”

з курсу „Автоматизований електропривод”

Рівне – 2009

Лабораторна робота №6 “ Дослідження системи частотного регулювання швидкості асинхронного двигуна з короткозамкненим ротором” з курсу „Автоматизований електропривод” для студентів, які навчаються за напрямом „Автоматизація та комп’ютерно-інтегровані технології” /Б.О. Баховець, Ю.С. Драчук. – Рівне, НУВГП, 2009, 12с.

Відповідальний за випуск – зав. кафедри електротехніки та автоматики, професор, академік УЕАН Б.О. Баховець.

Робота 6. Дослідження системи частотного регулювання швидкості асинхронного двигуна з короткозамкненим ротором

6.1. Мета роботи

Вивчити будову системи частотного керування асинхронним двигуном з короткозамкненим ротором, принципи роботи основних елементів, навчитися користуватися мікропроцесорним блоком для управління двигуном в автоматичному режимі.

6.2. Короткі теоретичні відомості

Способи регулювання кутової швидкості асинхронних двигунів випливають із виразу:

(6.1)

Рис. 1. Спрощена схема заміщення асинхронного двигуна.

з якого слідує, що швидкість асинхронних двигунів залежить від частоти напруги живлення , ковзання та числа пар полюсів . В даний час самим економічним способом плавного регулювання швидкості є регулювання зміною частоти. Це сприяє широкому використанню регульованого електропривода як засобу керування багатьма технологічними процесами. Вплив частоти на процеси, що відбуваються в асинхронному двигуні, можна вияснити за рівнянням механічної характеристики. Її отримують на підставі спрощеної схеми заміщення (рис. 1). На схемі: – фазна напруга мережі; – фазний струм статора; – приведений струм ротора; – активний і реактивний опори обмотки статора; – приведений активний і реактивний опори обмотки ротора; – активний і реактивний опори контуру намагнічування; – ковзання; – швидкість обертання магнітного поля статора.

Момент асинхронного двигуна визначають з виразу втрат потужності: втрати електромагнітної потужності дорівнюють електромагнітним втратам в колі ротора, тобто . Звідки

(6.2)

Приведений струм згідно схеми заміщення

. (6.3)

Підставивши значення у (6.2), одержимо

. (6.4)

Аналіз залежності (6.4) показує, що вона має два максимуми: один – в генераторному режимі, другий – в режимі двигуна.

Прирівнявши , визначають параметри максимумів, які називають критичними: критичне ковзання і критичні моменти і . З врахуванням і рівняння (6.4) зводиться до такого виду:

, (6.5)

де , (6.6)

У цьому рівнянні знак „+” відноситься до рушійного режиму роботи двигуна, знак „-” – до генераторного режиму роботи паралельно з мережею, з якої він споживає струм, що створює основний магнітний потік.

Залежність побудована за рівнянням (6.5), має два максимуми (рис.2, а). Характеристика (рис. 2, б) перерахована за характеристикою з врахуванням, що .

а)	б)
Рис. 2. Механічні характеристики асинхронного двигуна.

При регулюванні частоти виникає необхідність регулювання напруги живлення, бо ЕРС, яка індукується в обмотці статора пропорційна частоті і магнітному потоку

(6.7)

Нехтуючи у першому наближенні спадом напруги на опорах обмотки статора можна, записати що

(6.8)

З (6.8) слідує, що при напрузі джерела живлення зміна частоти приводить зміни магнітного потоку. Зокрема, зменшення частоти f призводить до збільшення потоку і, як наслідок, відбувається насичення магнітної системи двигуна і збільшення струму намагнічування, що пов’язане з його недопустимим нагрівом. Збільшення частоти f призводить до зменшення магнітного потоку, що при постійному моменті навантаження призводить до збільшення струму статора і збільшення нагрівання. При цьому знижується максимальний момент і перевантажувальна здатність двигуна.

Тому з метою повного використання асинхронного двигуна необхідно підтримувати певне співвідношення між частотою і напругою з врахуванням залежності моменту опору виробничого механізму від швидкості.

Наближено це співвідношення знаходять, знехтувавши активним опором обмотки статора ( ). Тоді критичний момент згідно (6.6)

(6.9)

де – індуктивний опір короткого замикання, – стала величина.

Двигун за моментом буде використано повністю, якщо для будь-якої частоти

(6.10)

де – механічна характеристика виробничого механізму, – фазна напруга, яка відповідає частоті .

З (6.10) слідує, що для будь-яких двох значень частоти за частотного регулювання повинно зберігатися співвідношення:

(6.11)

прийнявши один з режимів за номінальний ( ), тоді

. (6.12)

Рівняння (6.12) встановлює співвідношення між частотою, напругою живлення і характером навантаження. Для основних видів навантаження залежність (6.12) матиме такий вигляд:

• для . Підставивши в (6.12) , одержимо:

(6.13)

• для маємо

Звідки

(6.14)

• для вентиляторної характеристики за умови матимемо

Звідки закон регулювання

(6.15)

Згідно до законів регулювання (6.13-6.15) на рис.3 наведені механічні характеристики для частот більших і менших від номінальної.

Рис. 3. Механічні характеристики асинхронного двигуна при частотному регулюванні швидкості для випадку при М_С=const (а), P_C=const (б) і вентиляторного навантаження (в).

В сучасних електроприводах з частотним регулюванням швидкості використовують різноманітні перетворювачі частоти (ПЧ). За принципом дії і будовою силові частини ПЧ поділяють на дві групи: з безпосереднім зв’язком навантаження з мережею живлення та ПЧ з проміжною ланкою постійного струму.

Перетворювач з безпосереднім зв’язком перетворює напругу частотою у напругу частотою , при цьому . Перевагами даного перетворювача є одноразове перетворення електричної енергії і як наслідок – високий ККД (0,97...0,98), можливість регулювати вихідну напругу і рекуперативний режим роботи. Недоліки: регулювання частоти вниз від частоти мережі, велике число тиристорів (по шість на кожну фазу) і низький коефіцієнт потужності (менше 0,8).

Перевагою перетворювачів частоти з ланкою постійного струму є регулювання частоти як вверх, так і вниз від частоти мережі та регулювання напруги з врахуванням характеру навантаження. Недолік – подвійне перетворення електричної енергії, що знижує ККД.

В перетворювачах частоти для живлення двигунів змінного струму можуть використовуватися як автономні інвертори напруги (АІН), так і автономні інвертори струму (АІС). В АІН система регулювання забезпечує в результаті широтно-імпульсної модуляції на виході інвертора фазні напруги, близькі до синусоїдних, а в АІС – фазні струми в обмотках двигуна, близькі до синусоїдних.