Вентильные или статические преобразователи частоты

Указанные недостатки потребовали создания статических преобразователей на основе использования тиристоров или транзисторов.

По структуре статические преобразователи также могут быть разделены на два типа:

а) с непосредственной связью;

б) с промежуточным звеном постоянного тока.

А). Преобразователи с непосредственной связью предназначены для преобразования высокой частоты в низкую.

Т П Ч

Ũ=const Ũ=var

ƒ₁=const ƒ₁=var V М1

Т П Ч – тиристорный преобразователь частоты

Рис.31 Статический (тиристорный) преобразователь частоты с

непосредственной связью

Преимущества

1). Однократное преобразование частоты и, следовательно, высокий КПД (0.97-0.98).

2). Сохраняется жесткость характеристик.

3). Возможность независимого от частоты тока регулирования амплитуды напряжения на выходе.

4). Плавность регулирования.

Недостатки

1). Ограниченное регулирование выходной частоты (от 0 до 40% от частоты сети).

2). Регулирование частоты только вниз от частоты сети. Например, если питающая сеть имеет частоту 80 Гц, а двигатель серийного производства рассчитан на 50 Гц.

Б). Наибольшее применение для приводов нашел преобразователь частоты с промежуточным звеном постоянного тока.

УВ

И

Ũ=const Ū=var Ũ=var

ƒ₁=const ƒ₁=var М

Блок

управления

Рис.32 Схема преобразователя частоты с промежуточным звеном

УВ – управляемый выпрямитель;

И – инвертор – преобразует постоянный ток в переменный с регу-

лируемой частотой и амплитудой.

Преимущества

- регулирует частоту как вниз, так и вверх (_вых=5 – 1000 Гц).

- высокий КПД (до 0.96) и cos  0.85.

- быстрота действия – низкая инерционность.

- малые габариты, бесшумность в работе, надежность.

Не основные способы регулирования скорости.

Четвертый способ.

Каскадное регулирование скорости при соединении 2-х и более ЭД.

Пятый способ.

Изменение подводимого к двигателю напряжения.

Шестой способ.

Импульсное регулирование скорости.

Однофазный асинхронный двигатель

В тех случаях, когда потребление электрической энергии невелико (жилые дома, торговые предприятия и т.д.) или, когда выполнение трехфазной сети затруднительно, применяются однофазные электрические сети. При этом возникает необходимость использования однофазных двигателей переменного тока. Их мощность, как правило, невелика (до 10 кВт).

Конструктивно однофазный двигатель не отличается от трехфазного. Ротор выполнен подобно трехфазному - с короткозамкнутой обмоткой, а статор имеет однофазную обмотку. В ней создается пульсирующее переменное магнитное поле «Ф». Это магнитное поле, изменяющееся от +Ф до –Ф, можно заменить на два вращающихся в противоположные стороны с одинаковой скоростью Ф₁ и Ф₂. Поля вращаются с частотой питающего тока ₀= 2₁/р = const.

А

N

Рис.33 Схема однофазного двигателя

Ф

+Ф

t

- Ф

Рис.34 Изменение магнитного поля в обмотке однофазного ЭД

При неподвижном роторе (в момент пуска n=0) эти поля создают одинаковые по величине, но разные по знаку моменты М₁ и М₂; М₁ =(М₂).

Суммарный момент М = М₁ – М₂ = 0 при пуске равен нулю и ротор не может самостоятельно запуститься (начать вращаться).

Примем, вращающееся по часовой стрелке – прямое поле, против часовой стрелки – обратное.

Ф

-Ф₂ +Ф₁ +Ф Ф=0

-Ф₂ +Ф₁

-Ф₂ +Ф₁

-Ф₂ +Ф₁

-Ф

Рис.35 Условное замещение магнитного поля статора на две

составляющие

По абсолютной величине:

М₁ = с Ф₁ I₂ cos₂ - прямой момент

М₂ = с Ф₂ I^₂ cos^₂ - обратный момент

где I₂ и I^₂ - токи в роторе от прямого и обратного магнитных полей

₂ и ^₂ - углы сдвига между током и ЭДС ротора от прямого и обратного магнитных полей, соответственно.

Если ротор привести во вращение в ту или иную сторону, то один из моментов будет больше другого. Допустим, ротор раскрутили по часовой стрелке и скольжение от прямого вращения достигло величины s_пр=0.05, т.е. s_пр = (₀ - )/₀ = 0.05.

Так как _{2 пр} = ₁s, то частота тока в роторе от прямого магнитного поля будет

_{2 пр} = 50  0.05 = 2.5 Гц.

Вследствие этого индуктивное сопротивление ротора от прямого поля (х_{20 пр} = 2_{2 пр} L) мало, а следовательно, ток ротора I₂ и cos₂ , большие, значит и прямой момент М₁ большой.

Обратное скольжение

S_обр=

Обратное скольжение большое (почти в 40 раз больше прямого), следовательно, частота тока ротора от обратного поля будет большой

_{2 обр} = ₁s_обр = 50  1.95  100 Гц

Индуктивное сопротивление (х_{20 обр}= 2_{2 обр}L), от обратного поля, следовательно, большое, а значит ток ротора I^₂ и cos^₂ – малы и обратный вращающий момент М₂ – мал.

Возникают условия при которых М₁  М₂ и двигатель начнет вращаться (работать).Это можно проследить и на графике моментов (рис.36).

Как видно из графика при s=1 (ротор неподвижен), результирующий момент однофазного двигателя равен нулю. Но если ротор привести во вращение в любую сторону, то результирующий момент (М) отличен от нуля и ротор начнет вращаться.

+М₁

М₁

обратное (левое) прямое (правое)

вращение вращение

s_обр 2 1 0 s_пр

М

М₂

-М₂

Рис.36 График моментов от прямого (+Ф₁) и обратного (-Ф₂)

магнитных полей

Для того чтобы ротор сам начал вращение необходимы дополнительные меры по созданию пускового момента. Эти меры направлены на усиление прямого поля при пуске и ослабление обратного, чтобы при s = 1 выполнялось условие

М = М₁ + М₂  0

Наилучшие условия пуска достигаются при условии, когда обратное поле при пуске полностью отсутствует, т.е. М₂ = 0.

Разные виды однофазных двигателей различаются друг от друга способами создания пускового момента отличного от нуля. Наиболее распространенным способом является устройство второй (пусковой) обмотки, сдвинутой в пространстве на 90 относительно рабочей (рис.37).

А

N

I_р Р Р – рабочая обмотка

w_р Z_п

П, w_п П – пусковая обмотка

ротор

I_п

Рис.37 Схема однофазного двигателя

Последовательно с пусковой обмоткой включается фазосдвигающий (фазосмещающий) элемент (сопротивление) Z_п для создания сдвига фаз

«  » между токами рабочей (I_р) и пусковой (I_п) обмоток.

I_р = I сos t

и I_п = Icos t  )

При построении векторных диаграмм можно определить, какой вид сопротивления – активное, индуктивное или емкостное, даст наибольший угол между токами и, следовательно, наибольший ток пуска.

Ū Ū Ū

Ī_п

Ψ Ī_р Ī_р Ī_п Ī_р

Ψ_п ψ_р ψ_п ψ_р

ψ_п ψ Ī_п

Ψ_р ψ

Z_п = R Z_п = jL Z_п = j1c

Рис.38 Векторные диаграммы определения типа пускового сопротивления

Учитывая, что сопротивления самих обмоток имеют активную и индуктивную составляющие, можно заключить, что при Z_п= R и Z_п= jL не может быть получен максимально необходимый сдвиг между рабочим и пусковым токами  = 90.

Для получения максимального пускового момента сдвиг токов в 90 может быть достигнут только при емкостном сопротивлении.

Обычно емкостное сопротивление включается последовательно в пусковую обмотку (рис.39). После того как ротор наберет определенную скорость вращения, пусковая обмотка отключается. Двигатель продолжает работать только с рабочей обмоткой.

А

N М

а

С_п М_п

РО б

ПО

1 0 s

Ротор С_п = (5 – 6) мкФ на 100 Вт мощности двигателя

Рис.39 Схема включения пускового сопротивления и механическая

характеристика однофазного двигателя

а – с пусковым сопротивлением (конденсатором);

б – после отключения пускового сопротивления.

Нельзя чтобы пусковой конденсатор все время был включен. Большие токи могут сжечь рабочую обмотку, выполненную из более тонкого, чем пусковая, провода, но с большим, чем пусковая, числом витков.

Обычно стремятся, чтобы М_п = (0.4 – 0.5)М_н

А М

N С_р+С_п

М_п С_р

Р О С_п С_р без С_р и С_п

ПО

1 0 s

Рис.40 Схема с пусковым и Рис.41 Механические характерис-

рабочим конденсаторами тики запуска ЭД

Для создания больших пусковых моментов при тяжелых условиях пуска устанавливают конденсатор и в рабочую обмотку (рис.40). После разгона двигателя пусковой конденсатор отключается и остается в работе только рабочий (рис.41).

Обычно С_п = (2.5 – 3.0)С_р. При этом достигается кратность пускового момента ₀ = 1.3 – 1.4.

Рабочую емкость нельзя делать большой, т.к. она может вызвать перегрев обмоток, а, следовательно, обмотку пришлось бы делать из провода большого диаметра, что увеличивает габариты двигателя.

Частоту вращения однофазного асинхронного двигателя можно регулировать теми же способами, что и трехфазных асинхронных двигателей – частотой тока, числом пар полюсов, введением дополнительного сопротивления в цепь ротора, изменением напряжения и т.д.

Недостатки однофазного двигателя.

1). Максимальный момент (М_max) зависит от активного сопротивления ротора (r₂). Чем больше r₂ тем меньше максимальный момент М_max.

2). КПД и cos  ниже чем у трехфазных.

3). Пусковой и максимальный моменты ниже, чем у трехфазных той же мощности. Следовательно, и кратности моментов ₀ и _к меньше

4). Хуже использование материалов - при одинаковых габаритах мощность однофазного двигателя составляет не более 50 – 60 % от номинальной мощности 3-х фазного.