Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
ELEKTROPRIVOD_int_kurs_lektsy_dlya_studentov.docx
Скачиваний:
527
Добавлен:
22.03.2015
Размер:
1.38 Mб
Скачать

3.12 Регулирование скорости дптпв изменением сопротивления в цепи якоря

Рассмотрим характерные точки при введении сопротивлений в якорную цепь.

Рисунок 3.40 - Механические характеристики ДПТПВ прт реостатном регулировании

 

U=Uн=const.

Ток изменяется от 0 до ∞

На естественной характеристике

Iя=0,   ω =∞.

При Iя=∞   .

 

При включении Rдl

Iя=0,   ω =∞  При Iя=∞   .

 

Для естественной характеристики ;

Для искусственной характеристики  ;

 

 

– для любой точки характеристики при М(I)=const скорость зависит от сопротивления линейно. Данным уравнением можно воспользоваться, если известна скорость и требуется определить добавочное сопротивление.

Введением резисторов после­довательно с обмоткой якоря двигателя можно ступенчато регулировать его угловую скорость вниз от основной. Жесткость характеристик при этом уменьшается по мере увеличения сопротивления резистора, т. е. стабильность угловой скорости невысокая, уменьшается по мере уве­личения диапазона регулирования и зависит от момента сопротивления. Диапазон регулирования угловой скорости не превышает (2÷2,5) : 1 и зависит от нагрузки. Регулирование угловой скорости изменением сопротивления последовательно включенного резистора по условиям полного использования двигателя на всех угло­вых скоростях должно производиться при постоянном нагрузочном моменте, что соответствует работе двига­теля с неизменным током якоря, равным номинальному. Несмотря на большие потери в резисторах, этот способ находит применение в крановых и тяговых установках, поскольку он является одним из простейших для двига­телей последовательного возбуждения, применяемых в ука­занных приводах, а также потому, что работа этих уста­новок происходит с перерывами.

3.13 Регулирование скорости изменением подводимого напряжения

Регулирование может быть осуществлено с помощью отдельного генератора, тиристорного преобра­зователя, широтно-импульсного преобразователя, либо последовательно-параллельным включением двигателей.

При последовательно-параллельном включении двух двигателей можно получить две ступени угловой скорости благодаря изменению напряжения, подводимого к каждому из двигателей. Подобный способ регулирова­ния осуществляется в том случае, если один производствен­ны» механизм приводится одновременно двумя двигателями половинной мощности.

Рисунок 3.41 - Регулирование скорости ДПТПВ за счет параллельного и последовательного включения

 

 Применение двух двигателей вместо одного возможно по разным причинам, например: из-за необходимости сократить время пуска и торможения путем уменьшения суммарного момента инерции или по условиям большей надежности работы, если ее можно вести при пониженной мощности, т. е. с одним двигателем, или, на­конец, по условиям удобства размещения двух двигателей меньших габаритов вместо одного большого. Такой при­вод находит применение, например, для мощных разли­вочных кранов, в транспортных устройствах, трамваях, в доменных подъемниках, мощных ножницах для разреза­ния металла и для других механизмов. В подобных меха­низмах два двигателя одинаковой мощности работают на один общий вал (многодвигательный электропривод). Применение последовательно параллельного включения дает экономические выгоды. При последовательном вклю­чении на каждый из двигателей приходится половина напряжения сети.  Когда двигатели переключаются на параллельную работу, каждый из них оказывается включённым на полное напряжение. Таким образом получается две ступени регулирования. При снижении угловой скорости вдвое  роль резистора, в котором должно теряться напряжение, играет второй двигатель. Для получения промежуточных  ступеней регулирования в цепь якоря может быть включён добавочный резистор. В целях полного использования двигателя это регулирование может производится при постоянном нагрузочном моменте. Наиболее экономичным способом регулирования скорости двигателя последовательного возбуждения является изменение вели­чины подводимого к двига­телю напряжения. По мере уменьшения      напряжения они смешаются вниз парал­лельно естественной харак­теристике.

Рисунок 3.42 - Механические характеристики ДПТПВ при изменении напряжения

 

Характеристики получают при Rд=0. Пусть нагрузка изменяется от 0 до ∞. Так как напряжение можно уменьшать по сравнению с номинальным, то

При Iя=0,   ω =∞  При Iя=∞   т.к.Rя=const, то β=const

 

Для естественной характеристики

Для искусственной характеристики    

 

 

– для любой точки характеристики при М(I)=const скорость зависит от напряжения линейно.

Внешне искусст­венные характеристики при регулировании изменением напряжения схожи с реостатными характеристиками, однако, есть существенная разница в этих способах регулирования. Реостатное регулирование сопряжено с потерей энергии в добавочных сопротивлениях, а при регулиро­вании изменением напряжения дополнительные потери отсутст­вуют.

3.14 Регулирование угловой скорости двигателя постоянного тока последовательного возбуждения шунтированием обмотки якоря или обмотки возбуждения

Регулирование может быть осуществлено с помощью отдельного генератора, тиристорного преобра­зователя, широтно-импульсного преобразователя, либо последовательно-параллельным включением двигателей.

При последовательно-параллельном включении двух двигателей можно получить две ступени угловой скорости благодаря изменению напряжения, подводимого к каждому из двигателей. Подобный способ регулирова­ния осуществляется в том случае, если один производствен­ны» механизм приводится одновременно двумя двигателями половинной мощности.

Рисунок 3.41 - Регулирование скорости ДПТПВ за счет параллельного и последовательного включения

 

 Применение двух двигателей вместо одного возможно по разным причинам, например: из-за необходимости сократить время пуска и торможения путем уменьшения суммарного момента инерции или по условиям большей надежности работы, если ее можно вести при пониженной мощности, т. е. с одним двигателем, или, на­конец, по условиям удобства размещения двух двигателей меньших габаритов вместо одного большого. Такой при­вод находит применение, например, для мощных разли­вочных кранов, в транспортных устройствах, трамваях, в доменных подъемниках, мощных ножницах для разреза­ния металла и для других механизмов. В подобных меха­низмах два двигателя одинаковой мощности работают на один общий вал (многодвигательный электропривод). Применение последовательно параллельного включения дает экономические выгоды. При последовательном вклю­чении на каждый из двигателей приходится половина напряжения сети.  Когда двигатели переключаются на параллельную работу, каждый из них оказывается включённым на полное напряжение. Таким образом получается две ступени регулирования. При снижении угловой скорости вдвое  роль резистора, в котором должно теряться напряжение, играет второй двигатель. Для получения промежуточных  ступеней регулирования в цепь якоря может быть включён добавочный резистор. В целях полного использования двигателя это регулирование может производится при постоянном нагрузочном моменте. Наиболее экономичным способом регулирования скорости двигателя последовательного возбуждения является изменение вели­чины подводимого к двига­телю напряжения. По мере уменьшения      напряжения они смешаются вниз парал­лельно естественной харак­теристике.

Рисунок 3.42 - Механические характеристики ДПТПВ при изменении напряжения

 

Характеристики получают при Rд=0. Пусть нагрузка изменяется от 0 до ∞. Так как напряжение можно уменьшать по сравнению с номинальным, то

При Iя=0,   ω =∞  При Iя=∞   т.к.Rя=const, то β=const

 

Для естественной характеристики

Для искусственной характеристики    

 

 

– для любой точки характеристики при М(I)=const скорость зависит от напряжения линейно.

Внешне искусст­венные характеристики при регулировании изменением напряжения схожи с реостатными характеристиками, однако, есть существенная разница в этих способах регулирования. Реостатное регулирование сопряжено с потерей энергии в добавочных сопротивлениях, а при регулиро­вании изменением напряжения дополнительные потери отсутст­вуют.

3.15 Пуск двигателя постоянного тока последовательного возбуждения

Рисунок 3.50 Пусковая диаграмма и механические характеристики ДПТПВ

 

   Пуск двигателей с последовательным возбуждением непосредственным включением в сеть и ступенчатым изменением сопротивления в роторной цепи осуществляется так же, как и для двигателей с параллельным (независимым) возбуждением, причем первый применяется только для двигателей небольшой мощности, у которых сопротивление обмоток относительно велико.

           Расчет пусковых сопротивлений для второго способа производится графоаналитическим методом. Для этого выбираются число ступеней пускового реостата и величины токов I1 и I2 из тех же соображений, что и двигателя с параллельным возбуждением.

            В правом квадранте строится естественная электромеханическая характеристика (кривая 1, рис. 3.50) и откладываются пределы изменения пускового тока I1 и I2. Таким образом определяются скорости ωе1 и ωе2, соответствующие токам I1 и I2. В левом квадранте строятся зависимости ω (R) при I1 = const и I2 = const. При неизменном токе I эти зависимости, согласно уравнению (4-÷15) представляют собой прямые линии. Строят их по двум точкам: для I1 = const по точкам а и g и для I2 = const по точкам а' и k.

             При пуске двигателя из неподвижного состояния с сопротивлением роторной цепи, равном R1 (точка а на рис. 3.50), скорость возрастает, а ток уменьшается от I1 до I2. Этому процессу соответствует переход по вертикали от точки а до точки b. Очевидно, что скорость, соответствующая точке b, является скоростью, при которой выводится первая ступень пускового реостата. При мгновенном выведении первой ступени скорость остается неизменной, в силу механической инерционности привода, а ток возрастает от I2 до I1, чему соответствует переход по горизонтали от точки b в точку с. Таким образом, отрезок bc соответствует величине выключаемой ступени пускового реостата R1ст.

            Далее, проводя вертикаль через точку с до пересечения с прямой ω (R) при I2 = const, находится точка d, в которой происходит выключение второй ступени пускового реостата R2ст, чему соответствует отрезок de и т. п.

            Последняя горизонтальная прямая fg, проведенная через точку f, должна пройти через точку g, поскольку при правильно построенной пусковой диаграмме выключение последней ступени сопровождается переходом на естественную характеристику при токе I1 и скорости ωе1. Если этого не произошло, то нужно изменить величину тока I2 или I1 и выполнить построение заново. Отрезок fg соответствует величине третьей ступени пускового реостата R3ст.

3.16 Механические характеристики двигателя постоянного тока последовательного возбуждения в тормозных режимах

Для двигателя последовательного возбужде­ния возможны два тормозных режима: торможение противовключением и динамическое торможение. Торможение с отдачей энергии в сеть для этих двигателей осуществить невозможно, так как их ЭДС не может быть больше прило­женного напряжения сети.

3.16.1 Режим торможения противовключением

Осуществляется при тех же условиях, что и для двигателя с независимым возбуждением:

при активном моменте нагрузки,  когда Мс>Мк.з.(характеристика 1, рис.3.51), это возможно за счёт уменьшения жёсткости механической характеристики, т.е введением в цепь якоря добавочного сопротивления.

Рисунок 3.51 Механические характеристики и схема включения ДПТПВ при торможении противовключением

 

При переключении полярности напряжения приложенного к якорю в соответствии со схемой. Для ограничения тока вводится добавочное сопротивление. Величина этого сопротивления может быть определена по формуле

,

 

 где ωмах - начальная скорость, с которой осуществляется режим противовключения. Характеристика 2.

3.16.2 Динамическое торможение

Для двигателя последовательного возбуждения воз­можны две схемы осуществления динамического торможе­ния при питании обмотки возбуждения независимо от якоря и при самовозбуждении.

 

3.16.2.1 Динамическое торможение с независимым возбуждением

Схема для реализации первого варианта показана на рисунке. После отключе­ния линейного контактора Л замыкаются оба контакта контактора Т, в результате чего якорь двигателя замы­кается на резистор Rд.т, а обмотка возбуждения вклю­чается на напряжение сети через добавочный резистор Rд.B. Величина сопротивления последнего обычно выби­рается таким образом, чтобы Iт в = Iя н.

Рисунок 3.52 Схема динамического торможения с независимым возбуждением ДПТПВ

 

 В рассматриваемом случае поток двигателя не изменяется и, следова­тельно, скоростные и механические характеристики и их уравнения будут точно такими же, как и для двигателя независимого возбуждения. Однако в отличие от двига­теля независимого возбуждения в данном случае при динамическом торможении цепью обмотки возбуждения потребляется большая мощность из сети. Действительно, если выбирается Iт в = Iя н, то Рв = IянUн = Ря, т. е. в цепи возбуждения рассеивается такая же мощность, какая потребляется двигателем из сети в номинальном  режиме.

 

3.16.2.2 Динамическое торможение с самовозбуждением

При динамическом торможении с самовозбуждением двигатель отключается от сети, его обмотка возбуждения остается включенной в цепь якоря, которая замыкается на дополнительное сопротивление Rдт. После отключения двигателя от сети якорь продолжает вращаться под действием сил инерции и в его обмотке наводится э.д.с., обусловленная остаточным потоком возбуждения. Под действием этой э.д.с., в замкнутом контуре цепи якоря возникает ток, который одновременно является и током возбуждения. Если этот ток протекая по обмотке возбуждения, создаёт поток, направленный согласно с потоком остаточного намагничивания, т.е. усиливает его, начнётся процесс самовозбуждения.

Рисунок 3.53 Схема динамического торможения ДПТПВ с самовозбуждением

 

В результате, увеличивается поток и возрастает э. д. с. якоря, что в свою очередь вызывает увеличение тока, а значит, и потока и т. д. Из приведенного описания процесса самовозбуждения следует, что для его возникновения необходимо, чтобы направление тока в обмотке возбуждения совпадало с направлением тока в этой обмотке в режиме, предшество­вавшем торможению, если при этом направление вращения также остается прежним.

Рисунок 3.54 Вольт-амперные характеристики сопротивления цепи якоря (RяΣI) и источника ЭДС Е (IВ) ()

 

Как известно из теории электрических цепей, установившийся режим ра­боты такой цепи характеризуется точкой пересечения вольт-амперных характеристик элементов схемы. Вольт-амперная характеристика активного сопротивления пред­ставляет собой прямую линию, угол наклона которой определяется RяΣ в соответствии с выражением tgγ = mRяΣ, где т — коэффициент, учитывающий масштабы по осям (рис.3.54). Для источника э.д.с. следует построить семейство характеристик Е (IВ) для ряда зна­чений скорости по формуле . Из графиков на рис. видно, что не для всякого значения скорости существует точка пересе­чения вольт-амперных характеристик, т. е. не всегда возможен режим самовозбуждения. В частности, при ω=ω2 самовозбуждение прекращается. Очевидно, что для существования режима самовозбуждения при какой-либо скорости ωi необходимо, чтобы угол наклона γ вольт-амперной характеристики сопротивления цепи якоря U=RяΣ·Iя был меньше угла наклона γi начального участка вольт-амперной характеристики источника э. д. с. Е (IВ) при данной угловой скорости, т. е. γ i

Или для существования режима самовозбуждения необходимо, чтобы RяΣ < Ri При RяΣ=Ri - самовозбуждение прекращается при ско­рости ωi. Поэтому это сопротивление является крити­ческим  для данной скорости ωi.

Принимая начальный участок кривой намагничивания электрической машины линейным и выражая учитывая э. д. с. можно представить Rкp в виде

 

- откуда следует, что критическое сопротивление контура самовозбуждения снижается по мере уменьшения ско­рости в процессе торможения.

Рисунок 3.55 Механические характеристики при динамическом торможении с самовозбуждением ДПТПВ

 

Из приведенных рассуждений вытекает, что для воз­никновения режима динамического торможения с самовозбуждением необходимо выполнение условия

RяΣ <, где ωнач. – скорость, с которой начинается процесс торможения самовозбуждением.     Характеристики привода в режиме торможения проще всего построить если

 и воспользоваться универсальной характеристикой М=f(Iв). Примерный вид характеристик приведён на рис.3.55. Режим используется только в качестве аварийного торможения при снижении напряжения сети.

3.17  Особенности статических характеристик двигателя со смешанным возбуждением

 Двигатель со смешанным возбуждением имеет обмотки независимого LM1 и последовательного LM2 возбуждения и включается по схеме, приведенной на рис. 3.56, а. Соответственно его магнитный поток определяется постоянной МДС обмотки независимого возбуждения и пропорциональной току якоря МДС обмотки последовательного возбуждения. Если осуществить приведение параметров обмотки независимого возбуждения к числу витков обмотки последовательного возбуждения wп, характеристику намагничивания двигателя можно представить в функции тока якоря, как показано на рис. 3.56, б.

 

Рисунок 3.56 Схема включения (а) и характеристика намагничивания двигателя смешанного возбуждения (б)

 

  При токе якоря Iя = 0  результирующая МДС определяется МДС обмотки независимого возбуждения Iн,в wп . Вид механической характеристики двигателя существенно зависит от выбора значения этой МДС, так как соответствующее значение магнитного потока Фн,в определяет скорость идеального холостого хода нa естественной характеристике дви­гателя:

 

                                      (3.19) 

 

  Чем больше значение Фн,в, тем ближе по своим свойствам двигатель со смешанным возбуждением к свойствам двигателя с независимьм возбуждением. Напротив, при небольшой МДС обмотки LM1 этот двигатель не имеет существенных отли­чий от двигателя с последовательным возбуждением. Как пра­вило, обмотка независимого возбуждения двигателя со сме­шанным возбуждением рассчитывается на создание значи­тельной МДС, обеспечивающей поток при идеальном хо­лостом ходе:

Фн,в= (0,7÷0,85) Фном, при этом скорость идеального холостого хода лежит в пределах:

 

   Уравнения электромеханической и механической характе­ристик двигателя со смешанным побуждением совпадают с соответствующими уравнениями для двигателя с после­довательным возбуждением:

(3.20)

(3.21)

 

Рисунок 3.57 Статические естественные характеристики двигателя со смешанным возбуждением

 

   Форма  статических   характеристик ω(Iя) и ω(М)  в этом случае определяется представленной  на рис. 3.55, б кривой Ф(IЯ). Можно   установить,   что   добавление   МДС Iн,в wп  смещает кривую Ф(Iя) по   оси абсцисс на отрезок  Iн,в wп.  Соответственно естественная электромеханическая характеристика двигателя со смешанным возбуждением  (рис.  3.57, а) повторяет  форму  характеристики  двигателя  с  последовательным возбуждением, если ocь ординат сместить на значение этого  тока. При токе Iя= 0, ω=ω0, и при изменении нагрузки в двигательном: режиме от 0 до Мном скорость изменяется в более широких пределах, чем у двигателя с независимым возбуждением. При переводе двигателя в генераторньй режим изменение знака МДС обмотки последовательного возбуждения приводит к быстрому сни­жению потока (рис. 3.56, б), который при Iя1=-Iн,в становится равным нулю. Этому значению тока якоря соответствует асимптота, к которой приближается кривая ω= f (Iя) при ω→∞.             

   Естественная механическая характеристика (рис. 3.57, б) по форме отличается от электромеханической характеристики. Так как при Iя→-Iн,в поток стремится к нулю, зависимость ω= f (M) в генераторном режиме имеет максимум и при возрастании скорости асимптотически приближается к оси ординат слева.

   Эффективность режима рекуперативного торможения у дви­гателя со смешанным возбуждением из-за размагничивающего действия обмотки последовательного возбуждения су­щественно снижается.

   Модуль жесткости механической характеристики с ростом нагрузки в этом режиме уменьшается до значения β=0, соответствующего максимуму момента Mmax, а само это значение этого момента невелико.

   Более благоприятные условия рекуперативного торможения обеспечиваются путем отключения обмотки LM2 при переходе в генераторный  режим,  при  этом  в  генераторном режиме механическая характеристика становится линейной и имеет жесткость:

 

Таким образом, характеристики двигателя со смешанным возбуждением занимают промежуточное положение между характеристиками двигателей с независимым и с последовательным возбуждением.

4. Электропривод переменного тока

4.1 Принцип работы асинхронного двигателя

Асинхронные двигатели (АД) являются в настоящее время самым распространённым видом электродвигателей. Это определяется рядом преимуществ АД по сравнению с двигателями постоянного тока: он прост по конструкции; имеет меньшую массу, габариты и стоимость; возможно питание электродвигателя непосредственно от сети переменного тока (см. рис. 4.1).

I1

 

Рисунок 4.1 – Схема включения асинхронного двигателя

 

Электромагнитный момент М в асинхронном двигателе соз­дается благодаря взаимодействию вращающегося магнитного по­ля статора Ф с активной составляющей тока ротора М = 3кФI.      

Ток ротора возникает благодаря э.д.с. Е2, которая индуктиру­ется в обмотках ротора вращающимся магнитным полем. Когда ротор неподвижен, асинхронный двигатель представляет собой трехфазный трансформатор с обмотками замкнутыми накоротко или нагруженными на пусковое сопротивление. Возникающая при неподвижном роторе в его обмотках э.д.с. называется номи­нальной фазной э.д.с. ротора Е. Величина э.д.с. ротора Е при вращающемся двигателе и час­тота этой э.д.с. (а значит, и частота тока в обмотках ротора) f2 за­висят от частоты пересечения вращающимся полем проводников обмотки ротора (в короткозамкнутом двигателе - стержней). Эта частота определяется разностью скоростей поля статора ω1 и ротора ω2 . Эта разность называется абсолютным скольжением  sабс= ω1- ω2.

При анализе режимов работы асинхронного двигателя с по­стоянной частотой питающего напряжения (50Гц) обычно поль­зуются относительной величиной скольжения:

                                               (4.1)

 

 

 Когда ротор двигателя неподвижен, s=1.

Наибольшая величина э.д.с. ротора при работе в двигатель­ном режиме будет при неподвижном роторе Е, по мере увели­чения скорости (уменьшении скольжения) э.д.с. Е2 будет умень­шаться E2=E2h-s.

Аналогично частота э.д.с. и тока ротора f2 при неподвижном роторе будет равна частоте тока статора f1, и по мере увеличения скорости будет уменьшаться пропорционально скольжению  .

В номинальном режиме скорость ротора незначительно от­личается от скорости поля, и номинальное скольжение составляет для двигателей общего применения мощностью 1,5-200 кВт всего 2-5%, а для двигателей большей мощности порядка 1%. Соответ­ственно в номинальном режиме э.д.с. ротора составляет 1-3% от номинального значения этой э.д.с. при s=1. Частота тока ротора в номинальном режиме будет составлять всего 0,5-1,5 Гц. При s=0, когда скорость ротора равна скорости поля, э,д.с. ротора Е2 и ток ротора I2 будут равны нулю, момент двигателя также будет равен нулю. Этот режим является режимом идеального холостого хода.

4.2 Эквивалентные схемы замещения

Виды схем замещения

Математическое описание физических процессов в асинхронном двигателе в установившихся процессах выполняют на основе эквивалентных схем замещения. Это делают для одной фазы (ввиду симметричности обмоток) при соединении обмоток статора в «звезду». При этом приводят параметры обмотки ротора к параметрам обмотки статора (процесс приведения будет изложен далее) и получают так называемую Т – образную схему замещения, которую, как правило, используют при частотном регулировании угловой скорости АД в области частот ниже номинальной (для отечественных двигателей 50 Гц).

 Н е д о с т а т о к  указанной схемы – зависимость токов статора, ротора и контура намагничивания от скольжения ротора.

Для машин мощностью от единиц киловатт и выше сопротивление намагничивающего контура как минимум на порядок превосходит сопротивления обмоток статора и ротора, что позволяет при номинальной частоте сети использовать схему замещения с вынесенным контуром на зажимы сети питания (Г – образная схема замещения). Эта схема удобнее при изучении установившихся процессов в асинхронном двигателе. Необходимо иметь в виду, что обе схемы замещения справедливы при ряде допущений: активные сопротивления обмоток статора и ротора остаются постоянными (не учитывают влияние температуры и вытеснение тока в роторе), проводимость намагничивающего контура и индуктивные сопротивления обмоток статора и ротора остаются неизменными (не учитывают насыщение магнитной системы), пренебрегают добавочными потерями в машине, обусловленными потерями на трение и в стали.

Эффект вытеснения тока в обмотке ротора особенно отчётливо проявляются при пуске АД. Исследованиями  установлено, что при учёте этого эффекта длительность переходного процесса уменьшается в 1,5…2 раза по сравнению с отсутствием такого учёта.

Влияние насыщения проявляется при больших токах и может быть учтено по методике, изложенной в работе.

Установившиеся процессы АД на основе Г-образной схемы замещения.

Упрощенная схема замещения одной фазы асинхронного двигателя приведена на рисунке 4.2, где в обозначениях коэффициенты с индексом 1 относятся к обмотке статора (первичной цепи), а с индексом 2 – к обмотке ротора (вторичной цепи).

Рисунок 4.2 - Г-образная схема замещения одной фазы асинхронного двигателя

 

На рисунке 4.2 приведены обозначения: U1 – действующее значение  фазного напряжения; Iμ, I1 – ток намагничивания и ток обмотки статора; Xμ – индуктивное сопротивление контура намагничивания; X1, R1 – индуктивное и активное сопротивления обмотки фазы статора; I2, R2', X2 – приведённые к обмотке статора ток ротора, активное и индуктивное сопротивления фазы ротора; s – скольжение двигателя.

Приведенный к статору ток ротора    

                                    ,                                        (4.2)

где I2действительный ток ротора, А;

    Keкоэффициент трансформации ЭДС,  ;

    m1, m2число фаз статора и ротора.

Приведённые к обмотке статора сопротивления ротора:

,(4.3)

где R2 , X2соответственно действительные активные  и индуктивное сопротивление фазы ротора, Ом;

     KТ.Ткоэффициент трансформации тока.

Коэффициент Ke  можно определить по паспортным данным двигателя:

                                              ,                                         (4.4)

где 0,95 – коэффициент, учитывающий 5%-ную потерю напряжения в обмотке статора; UЛ. Н – номинальное линейное напряжение статора;

E – ЭДС между кольцами неподвижного фазного ротора.

На практике у большинства двигателей m1=m2, тогда формулы (4.3) примут более простой вид:

                                               ,                             (4.5)

Из определения коэффициента Ke, известно, что приведённая к обмотке статора ЭДС ротора E2 равна E1, то есть , а коэффициент трансформации тока.

Сопротивления короткого замыкания двигателя в общем случае:

                                            .                         (4.6)

Если обмотки двигателя соединены в «треугольник», то его следует заменить схемой эквивалентной «звезды», для которой сопротивления принять равными 1/3 фактических сопротивлений фаз статора и ротора.

4.3 Механические характеристики асинхронных двигателей

Вывод уравнения механической характеристики

Электромеханической характеристикой АД называют зависимость между угловой скоростью ротора ω  (или скольжением) и током статора I1 или током ротора I2.

Электромеханические характеристики АД рассчитывают согласно схеме замещения (рис. 4.2) по формуле:

                         ,                               (4.7)

 

 

где U – фазное напряжение сети, В;

       I2 – электромеханическая характеристика двигателя по току ротора, А.

В режиме идеального холостого хода через обмотки статора протекает только ток намагничивания Iμ1, который создаёт магнитный поток в статоре, поэтому ток статора – это геометрическая сумма приведённого тока ротора и намагничивающего тока:

                                                .                                        (4.8)

Механической характеристикой АД называют зависимость электромагнитного момента М от скольжения, то есть M=f(s) или ω=f(M), вывод которой приведён ниже. Электромагнитная мощность трёх фаз, которая передаётся через воздушный зазор ротору двигателя, равна:

                                           .                                             (4.9)

Эта же мощность через электромагнитный момент:

                                                     ,                                           (4.10)

откуда:

                                    .                            (4.11)

 

Зависимость с учётом (4.11) с учётом выражения (4.7) представляет собой механическую характеристику для д в и г а т е л ь н о г о режима.

                      .                            (4.12)

 

Скольжение, при котором момент двигателя будет максимальным, называют критическим:

                      .                                 (4.13)

 

Знак «плюс» соответствует д в и г а т е л ь н о м у режиму, а знак «минус» - г е н е р а т о р н о м у режиму с отдачей энергии в сеть. Если подставить в уравнение (4.12) значение sК, то получим выражение критического момента:

                          .                              (4.14)

 

Из формулы (4.14) следует, что MК в генераторном режиме будет отрицательным и по абсолютному значению в 1,5…3 раза больше критического момента в двигательном режиме.

Формула Клосса

Разделив уравнение (4.12) на уравнение (4.14), после соответствующих преобразований получим уравнение механической характеристики, применяемое для двигателей малой мощности, формула Клосса:

                                            ,                                   (4.15)

 

где MК, sК – соответственно критический момент и скольжение асинхронного двигателя;.

Для двигателей средней и большой мощности, полагая , механическую характеристику строят по упрощенной формуле, позволяющей использовать лишь паспортные данные двигателя:

                                        ,                                         (4.16)

 

где - перегрузочная способность двигателя;.

 

а)                                                   б)

Рисунок 4.3 - Механическая (а) и электромеханическая характеристики АД (б)

4.4 Механические характеристики асинхронного двигателя в тормозных режимах

В п. 4.3 были рассмотрены механические характеристики асинхронной машины, работающей в двигательном режиме. Однако асинхронный двигатель может работать и в тормозных режимах: рекуперативном, при торможении противовключением и при динамическом торможении.

1. Рекуперативное торможение (генераторный режим работы параллельно с сетью) возможно при скорости выше синхронной. Механические характеристики асинхронного двигателя в координатах М ипредставлены  на   рис. 4.4. В  квадранте расположены участкиI характеристик двигательного

Рисунок 4.4 - Механические характеристики асинхронного двигателя для различных режимов работы

 

режима для трех различных сопротивлений роторной цепи. По мере приближения скорости двигателя к скорости идеального холостого хода, или синхронной скорости, момент двигателя приближается к нулю.

При дальнейшем увеличении угловой скорости под влиянием внешнего момента, когда , двигатель работает в режиме генератора параллельно с сетью, которой он может отдавать электрическую энергию, потребляя при этом реактивную мощность для возбуждения. Торможению с отдачей энергии в сеть отвечают участки характеристик, расположенные в верхней части квадрантаII. В этом режиме, максимальный момент имеет большее значение, чем в двигательном. Режим торможения с отдачей энергии в сеть применяется практически для двигателей с переключением полюсов, а также для приводов грузоподъемных машин (подъемники, экскаваторы и т. п.) и в некоторых других случаях.

2. Торможение противовключением имеет значительно большее применение на практике, Режим торможения противовключением может быть получен, так же как и для двигателя постоянного тока, при движущем моменте нагрузки (рис. 4.4). Для ограничения тока и получения соответствующего момента необходимо при использовании двигателя с фазным ротором в его роторную цепь включить дополнительный резистор. Установившемуся режиму при торможении противовключепием соответствует, например, точка —на характеристике(рис. 4.4).

Механическая характеристика для в режиме торможения противовключением и— const не обеспечивает устойчивой работы. Торможение противовключением может быть получено также путем переключения на ходу двух фаз обмотки статора, что ведет к перемене направления вращения магнитного поля (переход из точки А в точку В на рис. 4.5). Ротор при этом вращается против направления движения поля и постепенно замедляется. Когда угловая скорость спадет до нуля (точка С на рис. 4.5), двигатель нужно отключить от сети, иначе он может вновь перейти в двигательный режим, причем ротор его будет вращаться в направлении, обратном предыдущему (точка D).

3. Динамическое торможение асинхронного двигателя осуществляется обычно включением обмотки статора на сеть постоянного тока; обмотка ротора при этом замыкается на внешние резисторы. Для перехода из двигательного режима в режим динамического торможения контактор К1 (рис. 4.4) отключает статор от сети переменного тока, а контактор К2 присоединяет обмотку статора к сети постоянного тока. Для ограничения тока и получения различных тормозных характеристик в цепи ротора предусмотрены внешние резисторы.

Проходя по обмотке статора, постоянный ток образует неподвижное поле, основная волна которого дает синусоидальное распределение индукции. Во вращающемся роторе возникает переменный ток, создающий свое поле, которое

также неподвижно относительно статора. В результате взаимодействия суммарного магнитного потока с током ротора возникает тормозной момент, который зависит от МДС статора, сопротивления ротора и угловой скорости двигателя. Механические характеристики для этого режима приведены в нижней части квадранта II (см. рис. 4.4). Они проходят через начало координат, так как при угловой скорости, равной нулю, тормозной момент в этом режиме также равен нулю. Максимальный момент пропорционален квадрату приложенного к статору напряжения (Последнее справедливо при условии пренебрежения насыщением) и возрастает с ростом напряжения.

Рисунок 4.5 - Механические характеристики   асинхронного двигателя   при    переключении    двух фаз статора.

 

Рисунок  4.6 -   Схема включения асинхронного двигателя для перехода на режим динамического торможения.

 

Критическое скольжение зависит от сопротивления роторной цепи. Оно увеличивается пропорционально росту сопротивления. Максимальный момент при этом не изменяется. На рис. 4.4 характеристики динамического торможения даны для трех различных сопротивлений цепи ротора и одном и том же токе статора.

Схемы динамического торможения асинхронного двигателя

На рис. 4.7, а-е представлены различные схемы включения обмоток статора при питании их от источника постоянного тока. В схемах на рис. 4.7, д, е нагрузка всех фаз обмотки статора равномерна, однако схема переключения статора сложна. Более простыми, часто применяемыми на практике являются схемы на рис. 4.7, а, б.

Питание обмоток статора асинхронных двигателей для осуществления динамического торможения может производиться от сети переменного тока через полупроводниковый выпрямитель В, как это показано на рис. 4.8.

Анализ работы асинхронного двигателя в режиме динамического торможения целесообразно произвести, считая, что статор питается не постоянным, а эквивалентным трехфазным переменным током. Эта замена предполагает равенство МДС, созданных  постоянным током и эквивалентпым переменным током.

Рисунок 4.7 - Схемы включения обмоток статора асинхронного двигателя при динамическом торможении

 

Амплитуда МДС, создаваемой переменным током.

 

где — число последовательно соединенных витков фазы статора.

Магнитодвижущая сила, создаваемая постоянным током, пропорциональна постоянному току, числу витков фазы статора и зависит от схемы соединения. Например, при соединении статора в звезду и прохождении постоянного тока только по двум фазам (рис. 4.7) МДС постоянного тока, определяемая геометрической суммой МДС двух фаз, равна:

,

исходя из равенства , определяют значение эквивалентного переменного   тока для рассматриваемого случая:

.

 

Определив эквивалентный ток, можно построить упрощенную векторную диаграмму токов для асинхронного двигателя при динамическом торможении (рис. 4.8). На диаграмме — ток намагничивания;— наибольшее значение намагничивающего тока;— вторичный ток, приведенный к статору;— первичный эквивалентный ток;— соответственно первичная и вторичная приведенная ЭДС.

Намагничивающий ток определяется геометрической суммой эквивалентного токаи вторичного приведенного

к статору тока ротора; с изменением скорости, ротора изменяется вторичный ток. Конец вектора тока при уменьшении скорости ротора будет перемещаться по окружности вправо и при неподвижном роторе векторсовпадет стак как вторичная ЭДС и соответственно вторичный ток окажутся равными нулю. Поэтому при малых скоростях ротора и сравнительно большом эквивалентном токе двигатель в режиме динамического торможения оказывается с сильно насыщенной магнитной системой. Наоборот, при больших угловых скоростях и том же эквивалентном токе магнитная система будет ненасыщеной. Примерная зависимостьприведена на рис. 4.10.

 

Pиcунок 4.8 - Схема включения асинхронного двигателя при динамическом торможении  с питанием статора   через  полупроводниковый выпрямитель.

 

Рисунок 4.9 - Векторная диаграмма для асинхронного двигателя в режиме динамического торможения.

 

В связи с явлением насыщения магнитной системы не остается постоянной и реактивность намагничивания (рис. 4.10).

Из диаграммы (см. рис. 4.9):

                                (4.17)

                     (4.18)

 

где— приведенная вторичная ЭДС при синхронной угловой скоростидвигателя и намагничивающем токе(вторичная ЭДС может быть найдена по кривой намагничивания двигателя);— реактивность намагничивания;

Рисунок 4.10 - Зависимость иот скольжения s или угловой скорости.

—скольжение при динамическом торможении.

 

Решая совместно (4.17) и (4.18), находим:

                                 .                                   (4.19)

 

Электромагнитный момент, развиваемый двигателем:

                      .                      (4.20)

 

Если предположить в первом приближении машину ненасыщенной, то в (4.20) — const и М будет функцией s, так как другие параметры принимаются постоянными, поэтому,дифференцируя М пo s приравнивая производную нулю, находим:

                                       ,                                       (4.21)

при котором момент имеет максимум:

                                        .                                      (4.22)

 

После несложных преобразований (4.20) принимает вид:

                                        .                                    (4.23)

 

Уравнение (4.23) по своей структуре аналогично уравнению механической характеристики асинхронного двигателя в двигательном режиме.

Отметим, что критическое скольжение в двигательном режиме существенно больше критического скольжения в режиме динамического торможения при том же сопротивлении цепи ротора, т. е.

 

вследствие того что .

 

Рисунок 4.11 - Схема включения асинхронного двигателя при торможении с самовозбуждением.

 

Кроме того, в реальных условиях в связи с уменьшением и ростомкритическое скольжениене остается постоянным для различных; следует учесть также, что криваяМ = f(s)при динамическом торможении может быть построена графо-аналитическнм методом с учетом насыщения, для чего должны быть заданы токи зависимость.

Иногда применяют торможение с самовозбуждением, подключая к статору конденсаторную батарею, например, по схеме, приведенной на рис. 4.10. В этом случае машина работает асинхронным генератором, получая намагничивающий ток от конденсаторов С1, С2, СЗ. Возбуждаясь со стороны статора, машина при определенной угловой скорости генерирует энергию, выделяемую в виде теплоты в роторной цепи. Подобные схемы торможения не нашли еще широкого применения вследствие высокой стоимости конденсаторов.

На практике применяют чаще всего торможение противовключением, особенно когда требуется осуществить перемену направления вращения (реверс), или динамическое торможение по схемам, изображенным на рис. 4.4 и 4.6, когда реверс не требуется.

4.5 Пуск асинхронного двигателя с фазным ротором

Для пуска асинхронного двигателя с фазным ротором нужно принять меры для увеличения пускового момента и снижения пусковых токов. С этой целью в цепь ротора включают добавочное активное сопротивление. Ведение добавочного активного сопротивления не изменяет максимального момента двигателя, а лишь изменяет величину критического скольжения

                                            ,                                      (4.24)

 

где - приведенное к статору добавочное сопротивление в цепи ротора.

Введение добавочного активного сопротивления увеличивает полное сопротивление роторной цепи, в результате чего уменьшается пусковой ток и увеличивается роторной цепи, вследствие чего увеличивается активная составляющая тока ротора и, следовательно, пусковой момент двигателя.

Обычно в роторную цепь двигателя с фазным ротором вводят секционированное сопротивление, ступени которого перемыкаются пусковыми контакторами. Расчет реостатных пусковых характеристик можно производить по формуле Клосса, используя значение , соответствующее величинедля каждой ступени пускового сопротивления. Схема включения дополнительных сопротивлений и соответствующие реостатные механические характеристики двигателя показаны на рис.4.12. Механические характеристики имеют общую точку идеального холостого хода, равную скорости вращения электромагнитного поля статора, а жесткость рабочей части характеристик уменьшается по мере возрастания суммарного активного сопротивления роторной цепи

При пуске двигателя сначала вводится полное добавочное сопротивление . По достижении скорости, при которой момент двигателястановится близким к моменту сопротивления, часть пускового сопротивления шунтируется контактором, и двигатель переходит на характеристику, соответствующую величине добавочного сопротивления. При этом момент двигателя увеличивается до значения. По мере дальнейшего разгона двигателя контакторомзакорачивается вторая ступень пускового сопротивления. После замыкания контактов контакторадвигатель переходит на естественную характеристику и будет работать со скоростью, соответствующей точке 1.

Величины добавочных сопротивлений легко определить графически. Проведем линию номинального момента двигателя и отметим точки пересечения этой линии с механическими характеристиками. Тогда отрезки, заключенные между точками, будут пропорциональны величинам сопротивления ступеней.

Рисунок 4.12 - Схема включения пусковых сопротивлений (а) и реостатные механические характеристики асинхронного двигателя с фазным ротором (б).

 

Полное добавочное сопротивление .

Первая ступень сопротивления .

Вторая ступень сопротивления .

Третья ступень сопротивления .

Отрезок аб пропорционален сопротивлению обмотки фазы ротора .

В приведенных соотношениях , - номинальное сопротивление ротора, которое определяется по формуле:

,

 

где: - линейная э.д.с. ротора приs=1;

- номинальный ток ротора.

Задача 4.1.

Рассчитать естественную механическую характеристику асинхронного двигателя с фазным ротором типа МТН611-6 краново-металлургической серии и построить пусковые характеристики при реостатном пуске в 3 ступени. Определить величины пусковых сопротивлений.

Основные данные двигателя:

Номинальная мощность при работе в длительном режиме -75 кВт, номинальная скорость вращения =950 об/мин, напряжение статора=380 В, номинальное напряжение на кольцах ротора=270 В, максимальный момент двигателя=2610 Н*м, номинальный ток ротора=108 А. Момент сопротивления на валу двигателя при пуске принять равным номинальному моменту двигателя.

Номинальный момент двигателя

,

где .

 

Перегрузочная способность двигателя:

.

 

Номинальное скольжение

.

 

Критическое скольжение на естественной характеристике

.

 

Расчет естественной характеристики производим по формуле

.

 

Таблица 4.1 Расчет естественной механической характеристики

1

0.8

0.6

0.4

0.33

0.2

0.1

0.05

3.0

2.42

1.81

1.21

1

0.6

0.3

0.15

0.33

0.41

0.55

0.82

1

1.65

3.3

6.6

2.07

2.44

2.93

3.4

3.46

3.21

1.92

1

 

Построенная по расчетным данным естественная механическая характеристика представлена на рис. 4.13.

Рисунок 4.13 - Естественная и пусковые механические характеристики асинхронного двигателя с фазным ротором

Расчет и построение пусковых характеристик

Для расчета пусковых характеристик нужно задаться значениями момента , при котором происходит переключение ступеней пускового реостатао.е.

Пусковые значения момента , (см. рис. 4.13) находятся по

формуле,

где

 

здесь m - число ступеней

о.е. .

Построение пусковых механических характеристик произведем, полагая, что при моментах от 0 до =2,4 о.е., т.е. на рабочем участке характеристик, они носят прямолинейный характер. Первую пусковую характеристику, соответствующую полностью включенному в цепь ротора пусковому сопротивлению строим, соединяя точки с координатами (s=0, М=0) и (s=1, M=). На этой характеристике двигатель разгоняется до скорости (скольжения), соответствующей точке пересечения первой пусковой характеристики с линией переключающего момента. После чего часть пускового сопротивления закорачивается контактором, (см. рис.4.12), и двигатель переходит на работку на второй пусковой характеристике. Соединяя найденную точку на линии пиковых моментовс точкой холостого хода, построим вторую пусковую характеристику. Аналогично найдем третью пусковую характеристику.

Выше было показано, как определить пусковые сопротивления графическим путем. Можно величины ступеней пускового сопротивления определять аналитически, что было использовано при решении данной задачи.

Для расчета ступеней пускового сопротивления найдем номинальное сопротивление ротора

Ом.

 

Сопротивление третьей ступени:

Ом.

Сопротивление второй ступени:

Ом.

Сопротивление первой ступени:

Ом.

Полное добавочное сопротивление:

Ом.

4.6 Регулирование скорости асинхронного двигателя

4.6.1 Реостатное регулирование скорости по цепи ротора

Реостатный способ пуска заключается во введении резисторов для асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором (АДсКЗ) в цепь статора, а для асинхронных двигателей с фазным ротором – в цепь ротора. Это хорошо видно на рисунке 4.14.

а)

б)

Рисунок 4.14. Схема включения резисторов в цепь статора (а) и ротора (б) АД с фазным ротором

  

Общий вид механических характеристик асинхронного двигателя при изменении сопротивлений в цепи статора и ротора показан на рисунке 4.15. При введении резисторов в цепь статора снижаются критический момент и критическое скольжение двигателя, поскольку эти параметры зависят от сопротивления цепи статора. При включении резисторов в цепь ротора согласно уравнению (4.13) критическое скольжение двигателя увеличивается, а критический момент MК двигателя по формуле (4.14) не изменяется, поскольку не зависит от сопротивления цепи ротора. Синхронная частота вращения также остаётся без изменения.

а)

б)

Рисунок 4.15 - Механические характеристики АД при изменении сопротивлений в цепи статора (а) и ротора (б):  R2Д2 > R2Д1.

4.6.2 Регулирование скорости введением сопротивления в цепь ротора

Этот способ пригоден только для асинхронных двигателей с фазным ротором.

Решая равенство относительно скольжения, получим:

                                         .                                          (4.25)

 

Из (4.25) следует, что при определённом моменте сопротивления производственного механизма M=MС=const, а следовательно, и определённом токе ротора I2 = const скольжение . Отсюда следует, что введение активного сопротивления в цепь ротора приводит к увеличению скольженияs и тем самым, с учётом формулы , к уменьшению скоростиω.

Кроме того из формулы

 

видно, что введение активного сопротивления в цепь ротора приводит к увеличению критического скольжения sК. При этом Mмакс = const, что следует из формулы:

                             .                            (4.26)

 

Рисунок 4.16 - Механические характеристики АД для различных сопротивлений роторной цепи

 

На рис. 4.16  показано семейство механических характеристик асинхронного двигателя для различных сопротивлений роторной цепи (кривые 1, 2, 3). Сравнение характеристик свидетельствует, что пусковой момент M – асинхронного двигателя с фазным ротором можно увеличить вплоть до значения Mмакс = const.

Введение сопротивления в роторную цепь двигателя с целью изменения величины пускового момента и ограничения пускового тока нашло широкое применение на практике, например, в грузоподъёмных механизмах, а также механизмах, имеющих вентиляторную механическую характеристику.

Как следует из выражения , потери мощности в роторной цепи при постоянном моменте пропорциональны скольжению. Так как у асинхронных двигателей нормального исполнения номинальное скольжение на естественной характеристике составляет 0,02-0,05, то при значительном снижении скорости потери мощности в роторной цепи резко возрастают. Например, при снижении скорости в два раза, что соответствуетs = 0,5, потери мощности возрастут в 10-25 раз. Поэтому реостатное регулирование скорости асинхронного двигателя при постоянном моменте сопротивления производственного механизма и длительной работе нецелесообразно.

Таким образом, этот способ регулирования характеризуется следующими особенностями: 1) диапазон регулирования непостоянен, зависит от величины момента сопротивления механизма и в среднем составляет

D = (2÷3) : 1; 2) плавность регулирования зависит от числа ступеней регулировочного реостата; 3) способ неэкономичен, так как связан со значительными потерями энергии в регулировочных сопротивлениях; 4) регулирование осуществляется только «вниз» от основной скорости; 5) механические характеристики получаются мягкими, жёсткость их значительно уменьшается, поэтому по мере снижения скорости стабильность работы привода ухудшается; 6) регулирование происходит с постоянным допустимым моментом, если не учитывать ухудшения условий теплоотдачи при пониженной скорости.

4.6.3 Реостатное регулирование по цепи статора

Допустимый момент асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором при реостатном  регулировании по цепи статора резко падает (как это показано штриховой линией на рис. 4.17, б), так как значительно возрастают потери в нём (потери в цепи ротора равны ), а выделяются они все внутри машины. Для двигателя с независимой (принудительной) вентиляцией по мере увеличения скольжения нужно так уменьшать момент нагрузки, чтобы потери в двигателе не превышали номинальных. Поэтому схема, показанная на рис. 4.17,а, может быть использована в приводах малой мощности и в кратковременном режиме работы. По этой же причине диапазон регулирования обычно не превышает (1,15-1,2) : 1 при продолжительном режиме работы. В кратковременном режиме работы регулирование угловой скорости в более широких пределах может производиться лишь при осуществлении замкнутых систем управления, в которых используются обратные связи для автоматического поддержания угловой скорости двигателя на заданном уровне.

4.6.4 Регулирование скорости АД изменением напряжения

4.6.4.1  Общие принципы

Если регулировать напряжение, подводимое к трем фазам статора асинхронного двигателя, то можно, отвлекаясь от влияния параметров регулирующего устрой­ства на характеристики двигателя, изменять максимальный момент, не изменяя критического скольжения. Устрой­ством для регулирования напряжения может быть, напри­мер, тиристорный регулятор; при этом в каждой фазе ста­тора двигателя находятся два встречно-параллельно вклю­ченных тиристора. Управляя углом включения тиристоров (фазовое управление), можно плавно менять действующее значение напряжения.

Максимальный момент при пониженном напряжении сни­жается пропорционально квадрату напряжения:

 

                              ,                                   (4.27)

 

где МК.,И  , МК — соответственно максимальные моменты, развиваемые двигателем при сниженном и номинальном напря­жениях; UИ ,

     UНОМ — соответственно пониженное и номи­нальное напряжения.

Критическое скольжение, не зависящее от напряжения, остается неизменным. Не изменяется также и синхронная угловая скорость, которая зависит только от частоты питаю­щего напряжения и числа пар полюсов двигателя.

Регулирование угловой скорости двигателя при этом способе происходит за счет уменьшения модуля жесткости механических характеристик и осуществляется вниз от номинальной угловой скорости. Плавность регулирования определяется плавностью изменения напряжения; при применении тиристорного регулятора напряжения угло­вая скорость регулируется бесступенчато.

 

4.6.4.2 Регулирование скорости изменением напряжения АД с короткозамкнутым ротором

Механические характеристики двигателя с короткозамкнутым ротором при регулировании напряжения на статоре приведены на рис. 4.18. Из этих характеристик следует, что пределы регулирования весьма ограничены даже при использовании вентиляторной нагрузки, но они могут быть существенно расширены в замкнутых системах электропри­вода. В действительности вследствие уменьшения критиче­ского скольжения из-за влияния параметров регулирую­щего устройства пределы регулирования в разомкнутых си­стемах еще уменьшаются.

Так как большие потери мощности скольжения в двига­теле с короткозамкнутым ротором выделяются в самом ро­торе, то допустимый момент резко уменьшается по мере роста скольжения, поэтому такой неэкономичный способ регулирования угловой скорости асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором можно использовать только при малой мощности двигателя и в кратковременном ре­жиме работы.

Рисунок 4.18 - Механические характе­ристики двигателя с короткозамк­нутым ротором при регулировании напряжения на статоре

 

4.6.4.3 Регулирование скорости изменением напряжения АД с фазным ротором

Лучшее использование двигателя и более благоприят­ные характеристики могут быть получены, если применить двигатель с фазным ротором, в роторную цепь его включить дополнительный нерегулируемый резистор и регулировать напряжение на статоре (рис. 4.19, а). Механические харак­теристики для рассматриваемого способа приведены на рис. 4.19, б. Преимущество этого способа по сравнению с ре­остатным заключается в том, что управление двигателем осуществляется плавно и исключается контактная аппара­тура в роторной цепи.

Потери энергии в приводе получаются примерно такими же или несколько больше, как и при реостатном регулиро­вании; потери мощности скольжения в основном выносятся из двигателя и выделяются в дополнительном резисторе, что увеличивает допустимый момент. Этот способ может быть использован при вентиляторной нагрузке для продол­жительного режима, а при Мс = const для кратковремен­ного режима работы. Очевидно, что регулирование измене напряжения может быть осуществлено только вниз от основной угловой скорости.

Механические характеристики (рис. 4.19, б) по мере сни­жения напряжения становятся мягкими и не обеспечивают стабильности угловой скорости при возможном отклоне­нии нагрузки. Кроме того, наличие постоянно включен­ного резистора приводит к недоиспользованию двигателя по скорости (угловая скорость всегда меньше номиналь­ной) и по мощности. Повышение стабильности угловой ско­рости и расширение диапазона регулирования до (5 - 10) : 1 достигается в замкнутых системах.

 

Рисунок 4.19 - Схема включения двигателя с фазным ротором с нерегули­руемым резистором в роторной цепи и регулированием напряжения на статоре (а) и механические характеристики (б)

 

4.6.4.4 Импульсное изменение напряжения

Для регулирования напряжения используются как тиристорные регуляторы напряжения с фазовым управле­нием, так и реакторы насыщения, автотрансформаторы и импульсные, например тиристорные или контактные регу­лирующие устройства.

Простейшая принципиальная схема включения асин­хронного двигателя с короткозамкнутым ротором при им­пульсном регулировании напряжения приведена на рис. 4.20, а; механические характеристики двигателя, вклю­ченного по этой схеме, для различных значений скважности е включенного состояния ключей К — на рис. 4.21, а. При ε = 1 двигатель работает на естественной характери­стике (ключи К постоянно замкнуты); при ε = 0 двигатель отключен от сети. Характеристики двигателя и его свойства при этом способе регулирования такие же, как и при не­прерывном регулировании напряжения.

Энергетические показатели при импульсном регулиро­вании напряжения хуже из-за больших пульсаций напряжения и угловой скорости, а также из-за переходных электро­магнитных процессов, вызванных включением и отключе­нием обмоток статора двигателя. Частота коммутаций здесь может быть небольшая, ограниченная целым числом полупериодов для включенного состояния тиристорных или симисторных ключей К.

 

Рисунок 4.20 - Схемы включения дви­гателя с короткозамкнутым рото­ром с импульсным регулированием напряжения

 

Рисунок 4.21 - Механические характеристики двигателей, управляем схемам, изображенным на рис. 4.20

 

Еще худшими энергетическими показателями обладает электропривод с импульсным регулированием напряже­ния, и импульсным чередованием фаз, включенный по схеме рис. 4.20, б; механические характеристики двигателя при этой схеме включения приведены на рис. 4.21, б для различ­ных значений скважности включенного состояния ключей КВ. На интервалах выключенного состояния ключей 1 (В схеме включены ключи КН, изменяющие чередование фаз подведенного к двигателю напряжения. Поэтому при ε = 0, когда постоянно включены ключи КН, двигатель оказывается в режиме торможения противовключением. Наложение двигательного и тормозного режимов вызывает почти не­прерывные электромагнитные переходные процессы, обу­словливающие увеличение потерь мощности. Основное до­стоинство этого способа импульсного регулирования — повышенная жесткость механических характеристик в об­ласти генераторного режима, что может быть полезным при некоторых применениях этого способа.

Импульсное регулирование переменного напряжения применяется редко, оно уступило место фазовому и другим видам непрерывного регулирования.

4.6.5 Регулирование угловой скорости асинхронного электропривода переключением числа полюсов

Общие принципы

Из  выражения для  угловой скорости  асин­хронного двигателя:

 

                               (4.28)

 

следует, что угловую скорость можно регулировать, изме­няя число пар полюсов р, если задана частота питающей сети  f1  и мало изменяется скольжение s. Так как число пар полюсов может быть только целым числом, то регулирова­ние угловой скорости оказывается ступенчатым. Такой способ регулирования реализуется практически в двига­телях с короткозамкнутым ротором, где переключение по­люсов производится в обмотке статора, обмотка ротора при этом автоматически приспосабливается к избранному числу полюсов. Если использовать двигатель с фазным ротором, то переключение числа полюсов на статоре потребует одно­временного переключения числа полюсов и на роторе, что усложнит конструкцию, поэтому для этого способа регули­рования практически используются асинхронные двига­тели с короткозамкнутым ротором, в которых чаще всего переключение полюсов осуществляется изменением направ­ления тока в отдельных половинах каждой фазной обмотки. Принципиальные схемы присоединения полуобмоток для изменения числа полюсов в обмотках с соотношением 2 : 1 приведены на рис. 4.22, а-в.

На рис. 4.23, а-д даны наиболее употребительные схемы переключения обмоток статора. При переключении с одного числа полюсов на другое сохраняется то же направление вращения дви­гателя. В табл. 4.2 приве­дены отношения магнитных индукций для различных соединений обмоток стато­ра. Согласно рис. 4.23, а-д одинарное число полюсов обозначено I, а двойное число полюсов —II.

Схемы соединения секций обмотки статора

 

Рисунок 4.22 -  Принципиальные схе­мы присоединения полуобмоток для изменения числа полюсов в обмотках с соотношением 2:1.

 

 Рисунок  4.23 - Схемы переключения обмоток статора.

 

Электромагнитный мо­мент асинхронного двигателя:

 

                                          (4.29)

 

 

Соотношение магнитных индукций и моментов

 

Таблица 4.2 Соотношение магнитных индукций

№ рис.

Двойное число полюсов

(обозначение II, рис.4.40)

Одинарное число полюсов

(обозначение I, рис.4.40)

Отношение

Соединение

полуобмоток

Соединение фаз

Соединение

полуобмоток

Соединение фаз

 

4.23,а

4.23,б

4.23,в

 

4.23,г

4.23,д

Последовательное

Последовательное

Последовательное или параллельное

Последовательное

Последовательное или параллельное

Y

Y или Δ

Y

 

Δ

Y или Δ

 

Параллельное

Параллельное

Последовательное или параллельное

Параллельное

Последовательное или параллельное

Δ

YY или Δ

Δ

 

YY

Y или Δ

 

 

0,58

1,0

1,16

 

1,73

2,0

 

Если принять для упрощения обмоточный коэффициент и, то получим:

 

                          .                           (4.30)

 

Так как ;, гдеА - конструк­тивный коэффициент машины, то, полагая, что , получаем:

 

                                              .                                       (4.31)

 

Следовательно, моменты, развиваемые двигателем с раз­личными схемами соединения обмоток статора, отвечаю­щими разным числам полюсов, относятся как соответствую­щие магнитные индукции.

Отношение магнитных индукций можно оценить через отношение ЭДС. Известно, что ЭДС можно рассчитать по формуле:

 

                            ,                         (4.32)

 

где  .

Тогда отношение ЭДС

                                           ,                          (4.33)

 

или

                                            .                              (4.34)

 

Под следует понимать число витков одной параллель­ной ветви фазы. Если для неизменного напряжения сетиU1 пренебречь падением напряжения в статоре, то при соеди­нении обмоток статора в звезду, а в треуголь­никE=U1.

На основании (4.34) в графе табл. 4.2 даны отно­шения магнитных индукций при различных соединениях обмоток статора.

В соответствии с этими данными на рис. 4.24 для схемы на рис. 4.23, а приведены примерные механические харак­теристики, которые могут быть использованы в приводах с вентиляторным моментом нагрузки.

 Если   применяется   схема переключения, отвечающая рис. 4.23, б или в, то в этом случае   номинальные   моменты,   развиваемые двигателем при двойном и одинарном числах полюсов, примерно оди­наковы, а его механические характеристики имеют вид, показанный на рис. 4.25.

Рисунок 4.24 - Примерные    механические характеристики  для схемы на рис. 4.23, а в приводах с вентиляторным моментом нагрузки.

 

Механические характеристики при регулировании

Переключение обмоток статора по схемам, изображен­ным на рис. 4.23, г  и д, дает возможность получить момент, вдвое больший при двойном числе полюсов по сравнению с одинарным. Это означает, что с уменьшением номинальной угловой скорости в 2 раза соответственно возрастает номи­нальный момент (рис. 4.26).

Схемы переключения, показанные на рис. 4.23, а—д, отвечают использованию одной обмотки на статоре, дающей только две скорости, отношение которых равно 2. Такие двигатели называются двухскоростными. Выпускаются также серийные двигатели трех- и четырехскоростные сравнительно небольшой мощности. Эти двигатели могут иметь две независимые обмотки на статоре, каждая из которых (или одна из них) выполняется полюсопереключаемой. Использование двух полюсопереключаемых обмоток расши­ряет диапазон регулирования скорости.

Минимальная синхронная частота вращения, с которой выпускаются полюсопереключаемые двигатели широкого назначения, равна 500 об/мин. Двигатели специального назначения имеют меньшую частоту вращения. Максималь­ная частота вращения составляет 3000 об/мин. Очевидно, что при заданной мощности снижение нижнего предела ча­стоты вращения приводит к увеличению габаритов двига­теля и ухудшению его энергетических показателей.

Точность регулирования определяется статизмом на данной характеристике и оценивается скольжением, которое в  среднем  составляет:  для  многоскоростных  двигателей малой мощности — 0,05, средней мощности — 0,03, т. е. точность оказывается сравнительно высокой.

Рисунок 4.25 - Механические харак­теристики для схем рис. 4.40, б и в.

 

Рисунок 4.26 - Механические харак­теристики для схем рис. 4.40, г и д.

 

Особенности регулирования

Практически диапазон регулирования не превышает 6:1 (3000 : 500 об/мин).

Направление регулирования при этом способе является условным и зависит от того, при каком числе полюсов угло­вая скорость для механизма принята номинальной (основ­ной). Так, для вентиляторной нагрузки и характеристик на рис. 4.24 регулирование осуществляется вниз от основной, а при постоянстве мощности нагрузки и характеристиках по рис. 4.25 — вверх от основной.

В соответствии с данными табл. 4.2 и приведенными выше характеристиками на рис. 4.24—4.26 можно заклю­чить, что полюсопереключаемые двигатели в зависимости от схемы соединения обмоток статора можно выбрать прак­тически для любой нагрузки (вентиляторной, с постоянным моментом и мощностью), обеспечивая при этом достаточ­ную перегрузочную способность (λ = 1,8 - 2,5).

Регулирование угловой скорости переключением полю­сов является не плавным, а ступенчатым. Вместе с тем рас­сматриваемый способ регулирования является весьма эко­номичным и отличается механическими характеристиками, обладающими большой жесткостью. Благодаря своим пре­имуществам двигатели с переключением полюсов находят применение там, где не требуется плавного регулирования скорости, например в некоторых металлорежущих станках в целях уменьшения количества механических передач. Они применяются также для вентиляторов, насосов, эле­ваторов, в цементной, нефтяной и других отраслях промыш­ленности.

Для лучшего усвоения материала выполните упражнение.

4.6.6 Частотное регулирование угловой скорости асинхронного электропривода

 

Рисунок 4.27 - Схема АД при частотном регулировании

 

Частотный способ является одним из наиболее перспективных и широко используемых способов регулирования скорости АД (рис.4.27). Принцип его заключается в том, что изменяя частоту f1 питающего АД напряжения, можно в соответствии с выражением w0=2p f1/р изменять его синхронную скорость  w0 , поучая тем самым различные искусственные характеристики. Это способ обеспечивает плавное регулирование в большом диапазоне, получаемые характеристики обладают высокой жёсткостью. Частотный способ тому же отличается ещё одним весьма важным свойством: при регулировании скорости АД не происходит увеличения её скольжения, как это имеет место при реастатном регулировании. Поэтому при  этом способе регулирования потери скольжения  оказываются небольшими, в связи с чем частотный способ наиболее экономичен.

Для улучшения использования АД и получения высоких энергетических показателей его работы – коэффициентов  мощности, полезного действия, перегрузочной способности – одновременно с изменением частоты питающего напряжения необходимо изменить 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 из условия сохранения его перегрузочной способности  l, которая определятся отношением критического момента двигателя Мк к моменту нагрузки Мс ,

                                ,                      (4.35)

 

Если пренебречь активным сопротивлением статора и учесть , что хк» f1 и w0» f1 , то выражение (4.35) можно записать как

(4.36)

 

где А – постоянная, не зависящая от f1.

Из (4.36) следует, что для любых двух значений частоты  f1i и fможно записать следующее соотношение

(4.37)

 

где Мci , Mck – моменты нагрузки при скоростях АД, соответствующим частотам f1i , f1k.

Отсюда следует основной закон изменения напряжения при частотном способе регулирования скорости АД

                                (4.38)

 

С помощью выражения (4.38) могут быть получены частные законы изменения напряжения и частоты при различных зависимостях момента нагрузки   Мc от скорости.

 При постоянном моменте нагрузки Мc=const, при этом согласно (4.38)

                                                  (4.39)

 

Т.е. напряжение на статоре должно изменятся пропорционально его частоте.

Для вентиляторного характера момента нагрузки соотношение (4) имеет вид

                                                (4.40)

 

А при моменте нагрузки обратнопропорционально скорости, соотношение   (4) запишется в виде

                                                     (4.41)

 

Рисунок 4.28 - Механические характеристики АД при различных законах частотного регулирования: а - ;б - в -

4.6.7 Каскадные схемы

Параметрические способы регулирования скорости АД (кроме изменения числа пар полюсов) имеют низкие энергетические по­казатели, так как с увеличением диапазона регулирования растут потери скольжения  в роторной цепи АД. Полез­ное использование энергии скольжения воз­можно в каскадных схемах включения АД, которые позволяют энергию скольжения отдавать либо в сеть, либо, превращая ее в механическую энергию, передавать на вал главного двигателя.

         Различают две группы каскадных схем: электрический и электромеханический кас­кад.

         Электрический каскад (рис. 4.29), по­требляя из сети электрическую мощность , передает на вал АДМ  механическую мощность за вычетом мощности потерь в ста­тореи мощности скольжения:

                                            .                                            (4.42)

 

Рисунок 4.29 - Принципиальная  схема  (а)   и  энерге­тическая диаграмма (б) электрического  каскада.

 

Мощность скольже­ния за вычетом мощности потерь в об­мотках ротораи в преобразователеU, являющемся преобразователем напряжения и частоты, возвращается в сеть:

                        .                               (4.43)

 

Электромеханический каскад

         Электромеханический каскад (рис. 4.30), потребляя из сети электрическую мощность  передает на вал двигателя М механическую мощность  за вычетом потерь мощности в статоре   и мощности скольжения .Мощность скольжения  через преобразователь U, являющийся в со­временных каскадах вентильным преобра­зователем переменного тока в постоянный, поступает на выводы вспомогательного двигателя М1, преобразуется в механическую и за вычетом мощности потерь в преобразо­вателе , роторной цепиМ , якоре  возвращается  на  вал    главного двигателя М: .Суммарная    мощность    на    валу каскада , т. е. в этом случае механи­ческая мощность на валу каскада примерно равна электромагнитной мощности, переда­ваемой со статора на ротор АД.

а)

б)

Рисунок  4.30 -  Принципиальная  схема  (а)  и  энерге­тическая    диаграмма    (б)    электромеханического каскада

        

Машинно-вентильные и вентильные каскады

По элементному составу различают ма­шинные, вентильно-машинные электромеха­нические и электрические каскады, а также вентильные электрические каскады. На рис. 4.31 приведены схемы машинно-вен­тильных каскадов, а на рис. 4.32 — вен­тильного каскада. Машинные каскады в связи с их громоздкостью, более низкими надеж­ностью и энергетическими показателями в на­стоящее время не создаются.

         В схемах рис. 4.31 выпрямленный ток цепи ротора, пропорциональный фазному току АД, определяется выражением

,                                     (4.44)

 

где — действующее значение ли­нейной ЭДС ротора АД;— ЭДС машины постоянного тока;ксх — коэф­фициент схемы вентильного преобразователя; для трехфазной мостовой схемы 1,35; —суммарное активное сопротивление роторной цепи, приведенное к цепи выпрямленного тока.

а)

б)

Рисунок 4.31 - Схемы   вентильно-машинных   электри­ческого (а) и электромеханического (б) каскадов

 

         В схеме электрического вентильно-машинного каскада (рис. 4.31, а) .Регулирование скорости осуществля­ется изменением ЭДС возбуждением машины   постоянного   тока.

Рисунок 4.32 - Схема   вентильного   каскада.

 

Механические характеристики каскада по схеме рис. 4.31, а  приведены на рис. 4.33, а. Значения ско­ростей холостого хода на каждой ха­рактеристике соответствуют току возбужде­нию машины постоянного тока (— рис. 4.29, б), при котором= 0 и АД не развивает момент.

а)

б)

Рисунок 4.33 - Механические характеристики (а) электрического вентильно-машинного каскада и зависимости (б) от скорости ЭДС машины посто­янного тока   и ЭДС АД в схеме рис. 4.31, а.

 

При   этом .

 

С ростом нагрузки при одном и том же значении вследствие роста скольжения;  > 0; АД ра­ботает на регулировочный характеристике, соответствующей заданному току возбужде­ния машины постоянного тока. Во втором квадранте характеристики располагаться не могут вследствие односторонней проводи­мости вентилей преобразователя. Такие же характеристики имеет каскад, выполненный по схеме рис. 4.32. При этом в числитель уравнения (4.44) должна входить ЭДС ин­вертора вместо .

         Регулирование скорости в электромеха­ническом каскаде по схеме рис. 4.31, б также осуществляется изменением ЭДС ДПТ, скорость которого равна скорости АД, так как они соединены общим валом. Механи­ческие характеристики АД и каскада при­ведены на рис. 4.34, б, в соответственно. На рис. 4.34, а приведены зависимости ЭДС  и  от скорости.

а)

б)

в)

 

Рисунок 4.34 - Зависимости от скорости ЭДС машины постоянного тока и  приведенной к цепи выпрям­ленного тока ЭДС АД (а), механические характеристики АД (б) и электромеханические характери­стики машинно-вентильного каскада (в)

4.7 Механические характеристики синхронного двигателя

Рисунок 4.35 – Схема синхронного двигателя

 

Схема включения синхронного двига­теля  приведена на рис. 4.35. Этот двигатель имеет обычный по своему конструктивному исполнению статор машины переменного тока. Его ротор выполняется с двумя об­мотками: пусковой обмоткой (ОП) типа беличьей клетки, как у асинхронного короткозамкнутого двигателя, и обмоткой возбуждения (ОВ) постоянного тока. Пер­вая из обмоток служит для асинхронного пуска синхронного двигателя, вторая — для его            возбуждения в нормальном рабочем режиме. Процессу пуска двигателя и рабочему режиму соответствуют различные ме­ханические характеристики.

Пусковая обмотка выполняется в двух вариантах: с повышенным сопротивлением. Машина имеет относительно большой пусковой мо­мент вследствие повышенного активного сопротивления.

Двигатели, у которых пусковая обмотка выполня­ется с повышенным активным сопротивлением, применяются обычно для механизмов с большим значением статического момента при пуске. К таким механизмам могут быть отнесены нерегулируемые прокатные станы, где значительны силы трения при низких скоро­стях и требуется повышенное значение пускового момента. Обычно статический момент Мс.п.х при пуске вхолостую составляет 0,3— 0,4 Мн. При этом значение входного скольжения составляет sB = = 0,02÷0,05, вследствие чего двигатель легко входит в синхронизм.

Рисунок 4.36 – механическая характеристика СД при пуске

 

         Для механизмов с увеличивающимся по мере разбега привода ста­тическим моментом, например, при вентиляторном характере ста­тического момента, используют двигатели с пусковой  обмоткой  нормального исполнения. Пусковой момент незначителен.

Однако характе­ристике 2 соответствует большее, чем характеристике 1, значение скольжения sв2 > sв1, что затрудняет процесс вхождения двигателя в син­хронизм.  Пусковые обмотки синхронных двигателей рассчитываются на кратковременный ре­жим их работы продолжительностью 20—30 с. Увеличение времени пуска выше допустимого может привести к перегреву клетки и ее повреждению. Кроме обеспечения режима пуска, пусковая обмотка играет роль демпферной обмотки, стабилизируя переходные режимы при работе двигателя в синхронном режиме.

Способы пуска синхронного двигателя

Существует два способа пуска синхронного двигателя:

·        Разгоняют ротор до подсинхронной скорости ω=0,95ω0 с помощью постороннего двигателя, а затем подают возбуждения.

·        Асинхронный пуск синхронного двигателя – основной способ пуска.

При асинхронном  пуске синхронного двигателя его обмотка статора подклю­чается к сети, при этом ротор приводится в движение благодаря наличию пусковой обмотки. Обмотка возбуждения двигателя при пуске замыкается на ограничивающий резистор Rp. После достижения подсинхронной скорости в обмотку возбуждения подаётся постоянный ток и отключается разрядный резистор.

После процесса синхронизации угловая скорость синхронного двигателя определяется выражением

 

где f1 - частота сети, Гц;

Векторная диаграмма синхронного двигателя

Рассмотрим упро­щенную векторную диаграмму синхронного двигателя. На этой диаграмме приняты следующие обозначе­ния:

I - вектор фазного тока статора;

Е, Uс — векторы фазных э. д. с. обмотки статора и  напряжения сети;

хс — индуктивное сопротивление фазы статора;

φ— фазовый угол сдвига между током статора и напряжением сети;

Θ — внутренний угол сдвига между э. д. с. статора и напря­жением сети.

При построении диаграммы принято, что активное сопротивле­нце обмотки статора пренебрежимо мало (Rc«0). В этом случае вся активная мощность, потребляемая из сети, передается на ротор, т. е.:

Рэм = Р = 3UCI cos φ ,                                   (4.45)

 Отсюда:

.                                       (4.46)

 

Из векторной диаграммы:

Рисунок 4.38 - Векторная диаграмма СД

 

 .                                          (4.47)

 

С другой стороны, из треугольника ABC:

                                            ,                                         (4.48)

 

откуда 

  ,  

 

подставляя в формулу для момента    

.

 

Рисунок 4.39 - Зависимость момента СД от угла внутреннего сдвига фаз

Угловая характеристика синхронного двигателя

Зависимость момента синхронного двигателя от угла внутрен­него сдвига фаз приведена на рис. 4.39. Наибольшего значения момент двигателя достигает при угле  θ = π/2. Эта величина харак­теризует собой перегрузочную способность синхронного двигателя. Увеличение угла 6 более значения π/2 может привести к неустой­чивой работе двигателя и выпадению его из синхронизма. При меньших значениях θ его работа устойчива. Важной величиной, отмеченной на рис., является номинальный угол сдвига фаз θН, который характеризует возможный длительный режим работы двигателя по условиям нагревания, а, следовательно, и его номи­нальный момент Мн. Отношение максимального момента к номи­нальному так же, как и для асинхронного двигателя, называется перегрузочной способностью и обозначается Км. Номинальный угол сдвига фаз обычно составляет 30—25°, а перегрузочная способность синхронных двигателей лежит в пре­делах 2—3.

Для механизмов с переменной нагрузкой, особенно при вероят­ности возникновения ее пиков, применяются двигатели с высокой перегрузочной способностью. В некоторых случаях осуществляется автоматическое увеличение э.д.с. двигателя за счет кратковре­менного его перевозбуждения, что приводит к увеличению Е, а зна­чит, к повышению Ммах соответственно Км. Следует также отметить, что синхронный двигатель менее чувствителен к снижению напря­жения питающей сети, чем асинхронный двигатель, так как его момент согласно  пропорционален первой степени напряжения.

4.8 Регулирование скорости синхронного электропривода

Вентильным двигателем (ВД) называется устройство, состоящее из электродвигателя переменного тока (по конструкции аналогичного синхронному) и вентильного коммутатора (преобразова­теля частоты), управляемого в функции положения ротора или маг­нитного потока двигателя. На статоре его располагается обычно трех­фазная обмотка (обмотка переменного тока), а ротор является воз­будителем; возбуждение может быть выполнено либо от обмотки воз­буждения, размещаемой на роторе и питаемой через кольца и щетки от источника постоянного тока, либо с помощью постоянных магнитов, расположенных в пазах ротора. В вентильном двигателе большой и средней мощности используются синхронные двигатели обычной конструкции.

Существенным отличительным признаком ВД является наличие вентильного коммутатора, который функционально заменяет щетки и механически вращающийся коллектор машины постоянного тока. Вентильный коммутатор выполняется на транзисторах для приводов мощностью до 200 кВт, для приводов большой мощности  - на тиристорах. Вентильный коммутатор присоединяется к выводам статора и выпол­няет функции распределителя постоянного тока с преобразованием его в переменный. Последовательность переключения тока статора и связанная с этим очередность включения тиристоров вентильного коммутатора определяется датчиком положения ротора.

Вентильные двигатели различаются по типу преобразователя частоты, конструктивному исполнению машины и устройству системы управления. Несмотря на многообразие сочетаний конструкций элек­трических машин и принципов управления ВД имеют следующие общие признаки, а именно: возможность регулирования угловой ско­рости изменением подводимого к статору напряжения (вниз от номи­нальной), тока возбуждения (при наличии обмотки возбуждения) и угла опережения включения вентилей относительно фазных ЭДС двигателя (вверх от номинальной).

Характеристики ВД аналогичны характеристикам двигателя по­стоянного тока независимого возбуждения. Можно получить характеристики как у двигателя с последовательным возбуждением для этого обмотку возбуждения синхронного двигателя включают последовательно в цепь выпрямленного тока на входе инвертора.

В ВД используются чаще всего два вида преобразователей частоты: 1) с промежуточным звеном постоянного тока и 2) с непосредственной связью (НПЧ).

Коммутация тока в вентилях инвертора может быть естественной или искусственной.

Инверторы с естественной коммутацией — это преобразователь постоянного тока в переменный, отдающий энергию нагрузке, кото­рая уже содержит источник ЭДС той же частоты, что и выходное на­пряжение преобразователя; при этом благодаря действию этой ЭДС осуществляется коммутация вентилей; такая коммутация и называется естественной. Регулирование угловой скорости в этом случае производится изменением выпрямленного напряжения за счёт УВ или тока возбуждения с помощью ТВ., т.к. β=const для получения надёжной коммутации.

Рисунок 4.40 - Вентильный двигатель

 

Инвертор с искусственной коммутацией — это преобразователь постоянного напряжения или тока в переменные с принудительной (обычно конденсаторной) коммутацией тока в вентилях, отдающий энергию нагрузке. Регулирование угловой скорости в этом случае возможно тремя способами: изменением выпрямленного напряжения за счёт УВ, тока возбуждения с помощью ТВ и угла β.

 Принципиальная схема ВД с естественной коммутацией инвертора тока приведена на рис.4.40. Схема содержит управляемый выпрямитель УВ, сглаживающий реактор L, инвертор тока И, тиристорный возбудитель ТВ двигателя М и системы управления выпрямителем СУВ и инвертором СУИ. Угловое положение ротора ВД контролируется косвенно — управление вентилями инвертора осуществляется в функции фазы напряжения на выводах обмотки статора двигателя [ U (φ)].

Переключение инвертора может выполняться от  датчика положения ротора. В этом случае инвертор  работает как зависимый, коммутируемый за счёт э. д. с. двигателя, наводимой в обмотках статора вращающимся электромагнитным полем ротора.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]