книги из ГПНТБ / Основы автоматизированного электропривода учеб. пособие

Если мощность, потребляемая от сеты переменного тока регу­ лируемой частоты, равна Рн, то, учитывая, что эта мощность прохо­ дит через все машины преобразователя, найдем суммарную установлеппую мощность машин преобразователя без учета потерь в них

Е Руст = Рдг+ Рг + -Рд”Ь-Рс.г ^ 4Рц.

При выборе машин конкретного преобразователя необходимо учитывать потери энергии в них. Поэтому в действительности полная установленная мощность преобразователя более чем в 4 раза пре­ восходит мощность нагрузки.

Достоинства рассмотренного преобразователя состоят в воз­ можности раздельного регулирования выходного напряжения п выходной частоты и в возможности применения стандартных электри­ ческих машин для преобразования.

Г\_/

Рпс. 6-9. Принципиальная схема асппхропного электропри­ вода с асинхронным преобразователем частоты.

Однако преобразователь пмеет и ряд существенных недостатков. Комплектуется ои из большого числа машин, что определяет значи­ тельные габариты, массу и стоимость системы. Коэффициент полез­ ного действия системы относительно низок, так как общий к. п. д. определяется произведением к. п. д. четырех отдельных машин преоб­ разователя. Регулировать частоты характеризуется значительной инерционностью, поскольку для изменения частоты необходимо соответственно изменять скорость спихронного генератора.

Преобразователь частоты с сиихронпым генератором приме­ няется в тех случаях, когда необходимо одновременно регулировать угловые скорости нескольких двигателей. Рассмотренный преобра­ зователь частоты обычно применяется для регулирования частоты вниз от номинальной при диапазоне регулирования скорости^ не превышающем 1 0 : 1 .

На рис. 6-9 представлена схема электромаппишого преобразо­ вателя с асипхронпым преобразователем частоты АПЧ, который представляет собой обычную асинхронную машину с фазным рото­ ром. Ротор АПЧ соединен с ротором двигателя постоянного тока Д.

сети постоянной частоты / с, а вторичная цепь служит источником регулируемой частоты / БЫХ

* _ , «о ± I ®а |

/ВЫХ — / с --------------)

и>0

гдо со0 — синхронная угловая скорость АПЧ]

ш, — угловая скорасть ротора АПЧ.

В формуле для / БЫХ знак плюс относится к случаю, когда ротор АПЧ вращается павстречу вращению '‘магнитного поля, а знак мипус соответствует вращению ротора по полю. При вращении про­

при вращении против поля определяется суммой преобразованной механической энергии, поступающей от вала Д, и преобразованной электрической энергии, потребляемой АПЧ от сети постоянной частоты. При вращении по полю электрическая энергия, потреб­ ляемая АПЧ от сети постоянной частоты, после преобразования частично передается нагрузке, а частично на вал двигателя Д , который в этом случае работает в генераторном режиме. Эта энергия после ряда преобразований передается в сеть промышленной час­ тоты / с с помощью машины ДГ.

Если пренебречь потеря™ в машинах преобразователя, то можно считать, что электромагнитная мощность машниы равна алгебраической сумме мощности на валу и мощности, потребляемой

Когда ротор АПЧ вращается против поля, то со2 < 0, откуда

/вых > /о- При этом условии из выражения (6-23) следует, что мощ­ ность Р д отрицательна. Это означает, что в этом режиме мощность передается от Д к АПЧ. Теперь можно найти суммарную мощность

322

машин преобразователя, учитывая, что •Рд ~ Рг ~ РдгЭта мощ­ ность равна:

Равенство (6-24) определяет суммарную мощность машин преобразователя с АПЧ прп регулировании выходных асинхронных

нена. Иногда между сетью промышленной частоты н АПЧ вклю­ чают автотрансформатор, который дает возможность регулировать напряжение. 1

Электромашпнные преобразователи частоты обладают сущест­ венными недостатками, основными из которых являются большие габариты преобразователя и значительная его инерционность, свя­ занная с необходимостью изменения скорости преобразовательного агрегата при изменении выходной частоты. Эти недостатки ограничи­ вают область применения электромашшшых преобразователен и приводят к необходимости использования вентильных (статиче­ ских) преобразователей частоты, в частности тиристорных, позво­

регулирования скорости асинхронных, в первую очередь короткозамкнутых двигателей, должны обеспечивать требуемую частоту при отсутствии других генераторов в выходной цепи преобразова­ теля н допускать раздельное регулирование частоты и напряжения с целью достижения опти­ мального режима частот­

ного управления.

Среди статических вен­ тильных преобразователей частоты выделяются две разновидности: преобразо­ ватели с непосредственной связью, в которых в одном устройстве совмещены функ­ ции выпрямления и инвер­ тирования, и преобразова­ тели с промежуточным зве­ ном постоянного тока. Об­ ласть применения первых

ограничена зоной низких частот — примерно от 10 Гц и ниже при частоте питающей сети 50 Гц. Более универсальны преобразо­ ватели с промежуточным звеном постоянного тока, которые позво­ ляют регулировать частоту па выходе в очень широких пределах от нескольких тысяч герц до десятых и сотых долей герца независимо от значения частоты питающей сети.

На рис. 6-11 приведена блок-схема преобразователя с проме­ жуточным звеном постоянного тока. Преобразователь состоит из трех основных узлов: Прх, осуществляющего преобразование энергии от питающей сети переменного тока с напряжением Uc и частотой

Блок управления имеет два канала для раздельного регулирования напряжения и частоты. Регулирование напряжения осуществляется

спомощью Пр1 как в выпрямительном, так и в инверторном режиме.

Впервом случае А Д работает в двигательном режиме, во втором —

врежиме рекуперативного торможения.

Всистемах автоматизированного электропривода в зависимости от мощности преобразователя и глубины регулирования напряжения используются различные виды выпрямителей: однофазпые, трехфазпые, мостовые и с нулевой точкой, симметричные, несимметрич­ ные II т. п.

Выпрямлеипое, в общем случае регулируемое по велпчппе, на­ пряжение инвертируется, т. е. преобразуется в трехфазное перемен-

324

ное напряжение регулируемой частоты посредством автономного инвертора Пр2. Выходное напряжение таких инверторов в большин­ стве случаев песпнусопдальпое. Для управления асинхронным дви­ гателем желательно использовать автономный инвертор напряжения, у которого амплитуда выходного напряжения практически не зави­ сит от тока нагрузки. Принцип его действия можно рассмотреть на примере однофазного мостового инвертора, схема которого представ­ лена на рис. 6-12. В этой схеме тиристоры Тх — Т4 служат ключами, посредством которых сопротивление нагрузки с разной полярностью подключается к источнику постоянного напряжения Е0. Тиристоры включаются схемой управления попарно (Тх, Тл п Т2, Т3) с требуемой частотой. При этом на нагрузке появляется переменное напряжение прямоугольной формы с амплитудой, равной Е0._

Рис. 6-12. Принципи­ альная схема одно­ фазного автономного мостового инвертора.

Закрывание тиристоров осуществляется посредством комму­ тирующих конденсаторов Сх, Со. Так, когда включены тиристоры Тх и Г4, то конденсаторы Сх, С2 заряжаются до напряжения источ­ ника с полярностью, указанной на рисунке. При включении тирис­ торов То и Тя конденсаторы С\, Со разряжаются соответственно через тиристоры Тх, Т2 и Т3, Т4. Когда ток в тиристорах Тх и Т4 спадает до нуля, последние закроются.

Диоды В х — В4 отделяют коммутирующие конденсаторы от на­ грузки, что позволяет уменьшить их емкость и устранить их влияние на напряжение нагрузки. Диоды Вв — В а образуют так называемый «обратный» мост или «мост реактивного тока». Их назначенпе состоит в пропускании реактивного отстающего тока нагрузки в те моменты времени, когда знаки тока и напряжения не совпадают. Прп этом за счет самоиндукции или э. д. с. обмотки статора соответствующий диод «обратного» моста открывается и спадающим током нагрузки производится подзаряд конденсатора С0. Например, если были открыты тиристоры 1\ и 7*4 и ток в нагрузке протекал в направлении,

показанном стрелкой на рисунке, то под действием э. д. с. самоиндук­ ции после закрывания ,ТХ, Тл и открывания То, Т3 ток нагрузки, сохраняя свое направление, будет протекать по цепи В е —* С0 —о В 7 до момента его перехода через нуль.

Дроссели Ьх и Ь2 служат для ограничения тока разряда конден­ саторов Сх и Со по цепп через обратный мост, минуя закрываемый тиристор. Например, при выключении тиристоров Тх и Т4 изложен­ ным выше способом конденсатор Сх дополнительно разряжается по

325

цепп В 1 — Вь —►Lj —. Т2, а конденсатор С2 по цени Т3 — Ь г —>- —►-В8 — Я4. Если исключить из схемы дроссели Lj и La, то коммута­

ция тиристоров в этом инверторе станет невозможной.

На рис. 6-13 приведена схема трехфазиого преобразователя частоты с промежуточным звеном постоянного тока, содержащего трехфазныи мостовой управляемый выпрямитель 1В, дроссель фильт­ ра Ьф, конденсатор реактивной энергии С0 и автономный трохфазиый

мостовой инвертор с ограниченными коммутирующими емкостями, принцип действия которого такой же, как и у рассмотренного одно­ фазного (рис. 6 -1 2 ).

Рис. 6-13. Принципиальная схема асинхронного регулируемого электропривода с трехфазным тиристорным преобразователем час­ тоты.

Особенность даипого трехфазиого инвертора состоит в том, что одновременно открыты лишь два тиристора (1,6 — 1 , 2 — 2,3...). Порядок включения тиристоров соответствует их номерам. При питании двигателя от преобразователя целесообразно обмотку его статора включать в треугольник, что иозволяет повысить надежность инвертора за счет снижения требуемого выходного напряжения.

Следует отметить, что двигатель, пптающпйся от преобразова­ теля по схеме на рпс. 6-13, не может работать в генераторном режиме параллельно с сетью, так как выпрямитель 1В обладает односторон­ ней проводимостью энергии. Для создания возможности генератор­ ного режима необходимо включить встречно-параллельно выпря­ мителю 1В зависимый, ведомый сетью инвертор.

Выпрямитель 1В преобразователя частоты с промежуточным звеном постоянного тока выполняется на мощность

-£>1в= -£>нЛ1ич

где Рп, г|н — номинальные значения мощности п к. п. д. асинхрон­ ного двигателя.

326

Инвертор выбирается на мощность

Ри Р н

11Н COS фи

Суммарная установленная мощность преобразователя составпт npmiepno Р s « 2 , 5 Р и.

Недостаток преобразователя с промежуточным звепом постоян­ ного тока состоит в двукратном преобразовании энергии, что увели­ чивает установленную мощность и снижает к. и. д.

6-5. ОСОБЕННОСТИ ЧАСТОТНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ

Регулирование скорости асинхронных двигателей пу­ тем изменения напряжения и частоты на его зажимах является одним из наиболее интересных и перспективных способов регулирования этого двигателя.

Этот способ регулирования позволяет получить жесткие механические характеристики. Потери мощности при частотном управлении невелики. Это следует из выра­ жения

АР2ВП. = M cUqS

сучетом того, что двигатель при изменении частоты работает на линейных участках механических характе­ ристик, т. е. при малых скольжениях s. При наличии соответствующего преобразователя частоты можно полу­ чить любую плавность регулирования. Важно отметить, что указанные положительные свойства можно реализо­ вать с бесконтактным асинхронным короткозамкнутым двигателем, который является наиболее простым, надеж­ ным и дешевым электрическим двигателем.

Основным недостатком электроприводов с частотным управлением является необходимость использования пре­ образователей частоты, которые в настоящее время харак­ теризуются относительной сложностью по схемному исполнению и высокой стоимостью. Этот недостаток огра­ ничивает применение частотноуправляемых электропри­ водов. Тем не менее преимущества этих приводов столь значительны, что на протяжении многих лет и в настоя­ щее время ведутся интенсивные работы по созданию пре­ образователей частоты для регулирования скорости асин­ хронных двигателей.

327

В случае создания приемлемых по сложйостй и Стои­ мости преобразователей частоты частотноуправляемый привод с асинхронным короткозамкнутым двигателем получит широкое распространение в технике.

Г л а в а с е д ь м а я

РЕГУЛИРОВАНИЕ СКОРОСТИ И ХАРАКТЕРИСТИКИ В КАСКАДНЫХ СХЕМАХ

ВКЛЮЧЕНИЯ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

7-1. ОБЩАЯ ТЕОРИЯ РАБОТЫ КАСКАДОВ

При подключении асинхронного двигателя с фазным ротором к сети с постоянной частотой и глубоком регули­ ровании его угловой скорости потери скольжения ДPs = = M(£>0s могут составить ощутимую величину. Бесполез­ ное рассеивание их в регулировочных сопротивлениях снижает энергетические показатели электропривода. Кроме того, при большой мощности двигателя переключающие и регулирующие аппараты в роторной цепи могут ока­ заться совершенно неприемлемыми по мощностям и габа­ ритам. Непосредственная реализация энергии скольжения асинхронного двигателя затрудпена, так как частота

вроторной цепи отлпчпа от частоты питающей сети.

Всвязи с указанными обстоятельствами представляется целесообразным использовать энергию скольжения. Ока­ зывается, что в ряде случаев это может быть осуществлено. Исторически сложилось так, что первые схемы, позволяю­ щие использовать энергию скольжения, создавались путем специального соединения асинхронного двигателя с дру­ гими электрическими машинами. Поэтому эти схемы получили название каскадных. В настоящее время сущест­ вуют схемы, использующие энергию скольжения асин­ хронного двигателя без добавочных вращающихся элек­ трических машин с помощью вентильных (статических)

преобразователей. Эти схемы также называются каскад­ ными.

В общем случае каскадными называют такие схемы включения асинхронного двигателя, которые позволяют использовать энергию скольжения путем отдачи ее в сеть или превращения ее в механическую энергию, передавае­ мую на вал главного двигателя.

328

В процессе развития каскадных установок асинхрон­ ного двигателя наметились две принципиально различные группы схем. В первой из них, как показано на рис. 7-1, а, на вход преобразователя Пр поступает энергия скольже­ ния частоты /2 = f xs с колец АД, а выход преобразова­ теля, характеризующийся напряжением и частотой сети f v соединен с питающей сетью.

В каскадах этой группы энергия скольжения за выче­ том потерь энергии непосредственно в обмотке potopa А Д

Р эл.с

ДРлр+ДРэлг

€

АР,J y

1

б)

Рпс. 7-1. Принципиальная схема (а) и энергетическая диа­ грамма (б) электрического каскада.

п элементах преобразователя Пр возвращается в питаю­ щую сеть, что иллюстрируется энергетической диаграммой на рис. 7-1, б. Между элементами преобразователя и асинхронным двигателем в схеме рис. 7-1, а имеется только электрическое соединение. Поэтому такие каскад­ ные установки называются электрическими.

На рис. 7-2, а изображена принципиальная схема

теля. Преобразователь на выходе создает напряжение £7Вд, которое подается на зажимы вспомогательного дви­ гателя БД. Последний преобразует электрическую энер­ гию, поступающую от Пр, в механическую, которая возвращается на вал АД, поскольку валы А Д и БД меха­ нически соединены между собой. Если пренебречь поте­ рями в машинах каскада, то становится очевидным, что на вал каскадной установки от А Д поступает механиче­ ская мощность -Рм,ад = Мсо, а от Б Д Рэм.в.д = AP s =

329