Исследование асинхронного электропривода при частотном регулировании (96

Около 80 % всех электродвигателей, используемых в промышленности, – трехфазные асинхронные. Регулирование частоты вращения асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором общепромышленного назначения в широких пределах возможно лишь за счет изменения частоты подводимого напряжения.

Цель работы – изучение характеристик и свойств асинхронного двигателя при частотном регулировании, практическое ознакомление с устройством и принципом работы частотного преобразователя.

1. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

Лабораторная установка, электрическая схема которой приведена на рис. 1, содержит асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором АД, преобразователь частоты ПЧ, управляемый выпрямитель UD, электромагнитный тормоз ЭТ, автоматические выключатели АВ2, АВ5, АВ8, кнопки «Вперед», «Назад», «Стоп», измерительные приборы, выключатель S1, измерительные трансформаторы TA1 и ТА2.

Выключателями АВ2 и АВ5 к сети подключают преобразователь частоты ПЧ и выпрямитель UD соответственно, выключателем АВ8 – цифровой тахометр, с помощью которого измеряют частоту вращения ротора двигателя.

Электромагнитный тормоз ЭТ служит для создания момента сопротивления на валу двигателя. Значение указанного момента можно изменять регулятором R1.

Перед включением управляемого выпрямителя регулятор R1 необходимо установить в положение, соответствующее нулевому напряжению на выходе выпрямителя, т. е. повернуть его до упора против хода часовой стрелки.

Выключатель S1 блокирует пуск двигателя при включенном электромагнитном тормозе ЭТ, что повышает надежность лабораторной установки.

3

Рис. 1

Перед пуском двигателя выключатель S1 должен находиться в положении «Включено», а во время эксперимента – в положении «Выключено».

Частоту f и напряжение U на выходе преобразователя частоты ПЧ изменяют регулятором R4 (см. далее разд. 4, п. 1).

Перед нажатием на кнопку «Вперед» регулятор R4 нужно повернуть до упора против хода часовой стрелки, т. е. устано-

вить в нулевое положение, при котором частота f и напряжение U на выходе преобразователя частоты ПЧ равны нулю.

Бóльшая часть электрической цепи лабораторной установки смонтирована. На рис. 1 соответствующая часть схемы обведена штриховой линией.

2. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Задание 1. Изучить электрическую схему (см. рис. 1). 1.1. Определить назначение всех ее элементов .

См: Борисов Ю.М., Липатов Д.Н., Зорин Ю.Н. Электротехника. М.: Энерго-

издат, 1985.

4

1.2.Найти эти элементы на лабораторном стенде (см. разд. 1).

1.3.Записать технические данные асинхронного двигателя (см. табличку на двигателе).

1.4.Определить число пар полюсов магнитного поля двигателя p (см. далее разд. 4, п. 4).

1.5.Соединить обмотку статора двигателя треугольником и

подключить ее к гнездам стенда, обозначенным символом ∆ .

1.6.Установить регуляторы R1 и R4 в нулевое положение, в котором они должны находиться перед началом эксперимента.

1.7.Отчитаться перед преподавателем о выполнении пп. 1.1–1.6. Задание 2. Установить связь между частотой n0 вращения маг-

нитного поля двигателя, напряжением U и частотой напряжения f. Результаты измерений занести в табл. 1.

2.1.Измерения выполнить при частотах f = 10, 20, 30, 40 и 50 Гц при моменте на валу двигателя М= 0.

2.2.По окончании опыта стенд и двигатель не отключать.

Задание 3. Выявить зависимость частоты вращения ротора n от момента на валу двигателя M при различных частотах f. Для этого провести опыты нагрузки и данные измерений занести в табл. 2.

3.1.Опыт провести при частотах f = 50, 35 и 25 Гц.

3.2.Каждый опыт начинать с режима, когда ток двигателя равен номинальному.

3.3.В каждом опыте выполнить четыре измерения, одно из которых сделать при холостом ходе двигателя.

Задание 4. Для выяснения характера зависимостей тока стато-

ра I, мощности на валу Р2, частоты вращения ротора n, коэффициентов полезного действия η и мощности cosφ от частоты f при постоянном моменте на валу М провести соответствующий эксперимент. Результаты занести в табл. 3.

5

4.1.Опыт провести при моменте на валу двигателя М= 5 Н·м и частотах f = 50, 40 и 30 Гц.

4.2.После завершения эксперимента выключить стенд в строгой последовательности: сначала кнопку «Стоп», затем автоматические выключатели АВ2, АВ5, АВ8.

Примечание. Pw – мощность, измеренная с помощью ваттметра; P1 = PwkT k, где kT = 3 – коэффициент трансформации трансформаторов тока.

Задание 5. По результатам из табл. 1 построить зависимости

U = F( f ), n0 = F( f ).

Задание 6. По результатам из табл. 2–3 в общей системе координат построить механические характеристики двигателя n (М).

Задание 7. По результатам из табл. 3 вычислить потребляемую мощность Р1, мощность на валу Р2, коэффициенты полезного действия η и мощности cosφ.

Задание 8. По результатам из табл. 3 в общей системе координат построить зависимости n(f ), I(f ), P2(f ).

Задание 9. По результатам из табл. 3 в общей системе координат построить зависимости η( f ) и cosφ( f ).

Задание 10. По результатам работы охарактеризовать асинхронный электропривод при частотном регулировании: а) по диапазону и плавности регулирования частоты вращения; б) по изменению жесткости его механических характеристик; в) по изменению энергетических показателей двигателя.

3.ТРЕБОВАНИЯ К ОТЧЕТУ

1.Отчет должен содержать электрическую схему и все материалы исследований, описанных в разд. 2.

2.Все графические работы следует выполнить с помощью чертежных инструментов, графики зависимостей – на миллиметровой бумаге.

6

3.При изображении графиков по осям координат нанести равномерные (без разрывов) шкалы, нуль которых совпадает с началом координат.

4.Если в общей системе координат изображаются несколько функциональных зависимостей, то рядом с осью абсцисс (или ординат) необходимо указать несколько шкал (шкалу мощности, шкалу тока и т. д.).

4.ПОЯСНЕНИЯ К РАБОТЕ

1. Преобразователь частоты

Преобразователь частоты (ПЧ) осуществляет преобразование однофазного переменного напряжения 220 В с частотой 50 Гц в переменное трехфазное напряжение с регулируемой частотой. Основными функциональными узлами ПЧ являются: звено постоянного тока (ЗПТ), инвертор, датчики тока (ДТ), блок управления и блок питания. Обобщенная структурная схема ПЧ представлена на рис. 2. На этой схеме показаны связи и функциональное назначение узлов ПЧ. ЗПТ преобразует энергию переменного тока в энергию постоянного тока. ЗПТ состоит из двухполупериодного мостового выпрямителя, ограничителя зарядного тока и фильтра (рис. 3). Инвертор преобразует постоянное напряжение в переменное трехфазное напряжение регулируемой частоты, т. е. используется принцип двойного преобразования. Схема трехфазного мостового инвертора представлена на рис. 4. Основными элементами инвертора являются биполярные транзисторы IGBT, обратные диоды и драйверы. Транзисторы выполняют роль ключей (см. рис. 2), диоды исключают перенапряжение на транзисторах, нагрузка носит активно-индуктивный характер, а драйверы обеспечивают управление, гальваническую развязку и защиту транзисторов. Блок управления является сравнительно сложной частью ПЧ, описание его устройства выходит за рамки данных методических указаний. Отметим только, что управление ПЧ осуществляется с помощью задатчика частоты R4 и кнопок «Вперед», «Назад» и «Стоп», а частота считывается с четырехразрядного цифрового индикатора пульта управления ПЧ.

7

Рис. 2

Рис. 3

Рис. 4

2. Регулирование напряжения и частоты

При частотном регулировании скорости асинхронного двигателя требуется регулировать не только частоту, но и напряжение

8

на выходе ПЧ, причем преобразователь должен быть построен таким образом, чтобы имелась возможность как зависимого, так и независимого регулирования частоты и напряжения.

Наиболее современным способом регулирования является ши- ротно-импульсный способ, когда силовые транзисторы попарно включаются и отключаются несколько раз за полупериод, причем длительность открытого состояния силовых транзисторов не остается постоянной в течение полупериода выходной частоты, а изменяется по синусоидальному закону. Частота переключения транзисторов (несущая частота fнч) существенно выше выходной частоты инвертора (частоты модуляции fм) – рис. 5.

Рис. 5

Регулирование действующего значения напряжения на нагрузке обеспечивается изменением длительности открытого состояния силовых транзисторов. Регулирование частоты выходного напряжения обеспечивается изменением частоты модуляции. Инвертор, работающий по такому принципу, получил название инвертора с

9

широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Достоинством такого инвертора является возможность применения неуправляемого выпрямителя, благодаря чему коэффициент мощности, потребляемой из сети, близок к единице во всем диапазоне регулирования частоты и напряжения, а в спектре выходного напряжения кроме основной гармоники присутствуют лишь гармоники весьма высокого порядка, которые отфильтровываются индуктивным сопротивлением двигателя. Порядок работы транзисторных ключей показан на рис. 5.

3.Регулирование частоты вращения и механические характеристики

Частота вращения ротора асинхронного двигателя зависит от нескольких величин, что следует из выражения

где n0 – частота вращения магнитного поля двигателя; f – частота напряжения; р – число пар полюсов вращающегося магнитного поля; S – скольжение.

Напряжение на источнике составляет

где w – число витков обмотки статора; k – коэффициент, учитывающий неодновременность индуцирования амплитудного значения ЭДС в стержнях обмотки ротора.

Частоту вращения асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором общепромышленного назначения можно изменять, регулируя только частоту f. При этом приходится одновременно регулировать и напряжение источника U. Иначе, как следует из формулы (2), изменится магнитный поток Ф , что повлечет изменение других параметров двигателя. В частности, при уменьшении частоты f магнитный поток Ф увеличится, что приведет к насыщению магнитопровода двигателя.

Увеличение частоты f и связанное с этим уменьшение магнитного потока Ф при постоянном моменте на валу приведет к возрастанию тока ротора I2, появлению возможности перегрева

10

двигателя, снижению критического (максимально возможного) момента Мк и перегрузочной способности двигателя λ, так как

где Мэм – электромагнитный момент, развиваемый двигателем; см – конструктивный коэффициент; E2 – ЭДС в обмотке ротора; Мн – номинальный момент.

Если же одновременно с регулированием частоты f изменять напряжение U так, чтобы отношение U/f оставалось неизменным, то магнитный поток Ф и развиваемый двигателем момент Мэм будут постоянными, т. е. критический момент Мк останется также неизменным. На рис. 6 изображены механические характеристики асинхронного двигателя при таком способе регулирования частоты вращения.

Рис. 6

4.Зависимость параметров двигателя от частоты при постоянном моменте на валу двигателя

Мощность, развиваемая двигателем на валу,

где М – момент, приложенный к валу.

11