методические указания по лабораторной работе / использование частотного способа управления асинхронным двигателем

Министерство образования и науки Российской Федерации

Саратовский государственный технический университет

Балаковский институт техники, технологии и управления

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЧАСТОТНОГО СПОСОБА

УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМ ДВИГАТЕЛЕМ

Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу "Элементы и устройства систем управления"

для студентов специальностей 210100 дневной и вечерней форм обучения

Одобрено

редакционно-издательским советом

Балаковского института техники,

технологии и управления

Балаково 2009

Для обозначения скорости вращательного движения наряду с часто-

той вращения n используется и другая известная из физики величина – уг-

ловая скорость ω, которая выражается в радианах на секунду (рад/с). Меж-

ду угловой скоростью ω и частотой вращения n существует следующая связь:

Зависимость вращающего момента двигателя М от частоты враще-

ния его ротора n называется механической характеристикой электродвига-

теля.

Большое число производственных механизмов в процессе работы требуют регулирования скорости движения рабочих органов. К таким ме-

ханизмам относятся прокатные станы, транспортеры, экскаваторы, лифты.

Для изменения частоты вращения вала производственного механиз-

ма, а тем самым и скорости движения его рабочего органа применяют сле-

дующие способы.

Одним из наиболее простых способов управления частотой враще-

ния асинхронных двигателей (АД) является реостатное управление, при котором в статорные или роторные цепи обмоток двигателя вводятся до-

полнительные активные сопротивления (рис. 1).

а) – активные сопротивления в статорной цепи;

б) – активные сопротивления в роторной цепи.

Рис. 1. Реостатное управление частотой вращения АД

3

Широкое применяется способ введения дополнительного активного сопротивления в роторную цепь, особенно для асинхронных двигателей с контактными кольцами, к щеткам которых подсоединяются зажимы от внешних дополнительных активных сопротивлений, что позволяет про-

стым способом регулировать частоту вращения двигателя в относительно широких пределах.

Рассматриваемый способ характеризуется следующими показателя-

ми: плавность регулирования скорости определяется плавностью измене-

ния добавочного резистора; экономические затраты, связанные с создани-

ем данной системы управления АД, невелики; эксплуатационные затраты оказываются значительными, поскольку велики потери энергии в асин-

хронном двигателе.

Другим возможным способом управления частотой вращения асин-

хронных двигателей является изменение напряжения на зажимах его ста-

тора, при этом частота такого напряжения постоянна и равна частоте про-

мышленной сети переменного тока (рис.2).

~Uc

Преобразователь напряжения

U

АД

Rд

Рис.2. Управления частотой вращения АД изменением напряжения Между зажимами питающей сети и зажимами статора асинхронного

двигателя включен преобразователь напряжения, при использовании кото-

рого изменяется напряжение, подводимое статору двигателя.

4

Реализация преобразователя напряжения в «чистом» виде, когда фазное напряжение синусоидально, затруднительна. На практике напряже-

ние имеет сложную несинусоидальную форму.

К механизмам, у которых изменение скорости движения рабочего органа может происходить ступенчато, можно отнести большинство гру-

зовых и пассажирских лифтов, где для достижения требуемой точности ос-

тановки кабины производится предварительное снижение скорости ее движения. Для механизмов подач многих металлорежущих станков регу-

лирование скорости часто осуществляется путем ступенчатого изменения частоты вращения приводного электродвигателя. В этих случаях в качест-

ве приводных двигателей широко используются многоскоростные асин-

хронные электродвигатели, у которых регулирование частоты вращения производится путем изменения числа пар полюсов статорной обмотки

(рис.3). При этом изменяется частота вращения магнитного поля, созда-

ваемого обмоткой статора, а тем самым и частота вращения ротора двига-

теля.

Число пар полюсов асинхронного двигателя может быть равным 1, 2,

3, 4, 5, тем самым изменение числа пар полюсов электродвигателя может привести только к ступенчатому регулированию частоты его вращения.

Двигатели, допускающие регулирование их скорости вращения этим спо-

собом, называются многоскоростными.

а) – число пар полюсов 2; б) – число пар полюсов 1;

в) – число пар полюсов 1.

Рис.3. Ступенчатое регулирование скорости вращения двигателя

5

Наряду с такими электродвигателями, получившими название мно-

гообмоточных, широкое распространение получил другой тип многоско-

ростных асинхронных двигателей, у которых изменение числа пар полю-

сов вращающегося магнитного поля достигается за счет изменения схемы соединения статорной обмотки двигателя. Для этого каждая фаза статора разделена на две части и имеет от них соответствующее число выводов.

Наиболее часто на практике встречаются две схемы переключения статор-

ной обмотки многоскоростных асинхронных двигателей: с треугольника на двойную звезду; со звезды на двойную звезду.

В последние годы для регулирования частоты вращения асинхрон-

ных двигателей широкое применение находит импульсный способ. Сущ-

ность его заключается в периодическом (импульсном) изменении какого-

либо параметра двигателя или питающей сети. Такими параметрами явля-

ются напряжение питающей сети или активные сопротивления в цепях статора или ротора двигателя (рис. 4).

3~

АД

Rд k

Рис.4 – Импульсное регулирование электродвигателем Имеется сходство этого способа с реостатным регулированием: по-

лучаемые характеристики имеют малую жесткость, располагаются ниже естественной характеристики двигателя и позволяют получить лишь не-

большой диапазон регулирования. Невысока и экономичность из-за значи-

тельных потерь энергии. Области применения этого способа существенно расширяются при использовании тиристоров.

6

Принцип частотного способа управления частотой вращения асин-

хронных двигателей (рис.5) заключается в том, что, изменяя частоту пи-

тающего двигатель напряжения, можно изменять его частоту вращения,

получая различные искусственные характеристики.

Поэтому необходимым элементом системы управления двигателем является преобразователь частоты (и напряжения), на вход которого пода-

ется стандартное напряжение сети Uc (220, 380 В) стандартной промыш-

ленной частоты fc=50 Гц, а с его выхода снимается переменное напряжение

Uрег регулируемой частоты fрег, величины которых находятся между собой в определенном соотношении, определяемом видом нагрузки Мс. Регули-

рование выходной частоты и напряжения, преобразователя осуществляется с помощью управляющего сигнала, изменение которого определяет в ко-

нечном итоге изменение частоты вращения асинхронного двигателя.

~Uc, fc

Преобразователь частоты и напряжения

Uрег, fрег

АД

Рис.5. Частотное управление скоростью вращения двигателя Этот способ обеспечивает плавное регулирование в широком диапа-

зоне, получаемые характеристики обладают высокой жесткостью; не про-

исходит увеличения величины скольжения, как это имеет место, например,

при реостатном регулировании. Этот способ управления скоростью вра-

щения двигателя является самым эффективным, так как отличается высо-

кими энергетическими показателями, возможностью регулирования скоро-

сти в большом диапазоне со значительной перегрузочной способностью.

7

При испытании не нагруженного асинхронного электродвигателя могут быть установлены следующие скорости:

Изменение частоты питающего напряжения f1 влияет на величину скорости двигателя, а также на ток намагничивания Iμ также зависит от

Рис.6. Эквивалентная схема холостого хода АД Ток намагничивания

где Lh − индуктивность статора, Гн;

I − ток на выходе, А;

f1 − частота на выходе, Гц;

U1 − напряжение на выходе, В;

Хh − реактивное сопротивление статора, Ом;

R1 − сопротивление статора, Ом.

Пренебрегая сопротивлением статора R1 , имеем:

8

Чтобы сохранить ток намагничивания постоянным, напряжение U1

должно быть пропорционально частоте, согласно (5). Если это не выполня-

ется, то ток намагничивания становится либо меньше (ослабленное поле),

либо больше (перенасыщение).

По этой причине U/f-характеристика для инвертора обычно ли-

нейная в интервале до угловой частоты fUmax (рис.7).

U, В

Umax

Рис.7. U/f-характеристика инвертора ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Функциональная схема лабораторной установки включает выпрями-

тель, промежуточный контур, инвертор, АД мощностью 120 Вт и номи-

нальной частотой вращения 3000 об/мин (рис.8).

Рис.8. Функциональная схема лабораторной установки

9

Выпрямитель состоит из неуправляемой однофазной мостовой схе-

мы (рис.9) и предназначен для преобразования переменного напряжения сети в постоянное напряжение.

К промежуточному контуру

VD1 - VD4

Рис.9. Электрическая схема выпрямителя Далее оно сглаживается в промежуточном контуре конденсатором

(рис.10).

К инвертору

C2 C3

К выпрямителю

Рис.10. Электрическая схема промежуточного контура В идеале напряжение промежуточного контура составляет:

где U N − входное напряжение, В.

10