Iэ  Iном

Находим с помощью диаграммы изменения тока нагрузки I_э:

Номинальный ток двигателя является максимальным током, то есть I_ном=80А. Отсюда следует, что условие по нагреву проходит:

Iэ  Iном

80А,

то есть двигатель выбран правильно.

Расчет шкива асинхронного двигателя:

d₁ = 50мм, где d – диаметр шкива генератора

n_ген = 6000 об/мин, где n_ген – номинальная частота вращения ротора генератора

, (4.7)

где _ген – угловая скорость генератора

n_дв = 3000 об/мин, где n_дв – частота вращения асинхронного двигателя

, (4.8)

где _дв – угловая скорость асинхронного двигателя.

Для того чтобы найти каким должен быть диаметр шкива у двигателя, чтобы он мог разогнать двигатель до 6500 об/мин составим пропорцию:

(4.9)

принимаем d₂ = 110 мм,

где d₂ – диаметр шкива у асинхронного двигателя.

Момент инерции шкива у двигателя:

_, (4.10)

где m₂ – масса шкива двигателя, R₂ – радиус шкива двигателя

, (4.11)

где V_2полн – полный объем цилиндра, V_2выр – объем вырезанной части цилиндра

, (4.12)

где R_{2 полн} – радиус полного цилиндра, H_{2 полн} – высота полного цилиндра

(4.13)

, (4.14)

где R_{2 выр} – радиус вырезанной части цилиндра, H_{2 выр} – высота вырезанной части цилиндра.

(4.15)

Найдем объем шкива двигателя:

(4.16)

Масса шкива равна:

, (4.17)

где  - удельный вес железа

Теперь можно найти момент инерции шкива у двигателя:

(4.18)

Рассчитаем передаточное отношение между валами генератора и двигателя:

(4.19)

4.3 Преобразователь частоты.

4.3.1 Частотно-регулируемый привод.

Одним из недостатков асинхронного двигателя является не экономичное регулирование частоты вращения. Изменение скольжения может быть достигнуто четырьмя способами.

Первый способ – это увеличение сопротивления в цепи ротора, но он применяется только для асинхронных двигателей с фазным ротором. Этот метод дает возможность регулировать частоту вращения в широком диапазоне от S = 1 до S = S_ном, но он не экономичен, так как введенные в цепь ротора резисторы вызывают большие потери от полного тока ротора.

Второй способ – это изменение потока машины осуществимо, например, путем изменения питающего напряжения, но возможно лишь только в сторону его уменьшения, и диапазон регулирования частоты не велик, что в нашем случае неприемлемо, так как требования к диапазону жесткие.

Третий способ – это регулирование частоты вращения путем изменения числа пар полюсов статора. Это широко распространено во многих приводных установках. Здесь обмотки асинхронного двигателя с переключением пар полюсов дают возможность ступенчатого (две, три или четыре ступени) регулирования частоты вращения. Основным недостатком данного метода является невозможность плавного регулирования.

Для нашего случая оказался более приемлемым четвертый метод – это регулирование частоты вращения поля статора путем регулирования частоты питающего напряжения. На протяжении последних 10 –15 лет в мире наблюдается широкое и успешное внедрение частотно регулируемого электропривода для решения различных технологических задач во многие отрасли экономики. Это объясняется в первую очередь разработкой и созданием преобразователей частоты на принципиально новой элементной базе, главным образом на биполярных транзисторах с изолированным затвором IGBT. Он позволяет регулировать частоту вращения в широком диапазоне.

Частотно-регулируемый привод: ПЧ – преобразователь частоты, НМ – нагрузочная машина, ЧРП – частотно-регулируемый привод

Рис. 4.9

Электрический двигатель преобразует электрическую энергию в механическую энергию и приводит в движение исполнительный орган технологического механизма. Преобразователь частоты управляет электрическим двигателем и представляет собой электронное статическое устройство. На выходе преобразователя формируется электрическое напряжение с переменными амплитудой и частотой.

Название «частотно регулируемый электропривод» обусловлено тем, что регулирование скорости вращения двигателя осуществляется изменением частоты напряжения питания, подаваемого на двигатель от преобразователя частоты.

В асинхронном электрическом двигателе частота вращения ротора в установившемся режиме отличается от частоты вращения на величину скольжения .

Частота вращения магнитного поля зависит от частоты напряжения питания. При питании обмотки статора электрического двигателя трехфазным напряжением с частотой создается вращающееся магнитное поле. Скорость вращения этого поля определяется по формуле:

= , (4.20)

где – число пар полюсов статора.

Переход от скорости вращения поля , измеряемой в радианах, к частоте вращения , выраженной в оборотах в минуту, осуществляется по следующей формуле:

= , (4.21)

где 60 – коэффициент пересчета размерности.

Подставив в это уравнение скорость вращения поля, получим, что: = . (4.22)

Таким образом, частота вращения ротора синхронного и асинхронного двигателей зависит от частоты напряжения питания.

На этой зависимости и основан метод частотного регулирования.

Изменяя с помощью преобразователя частоту на входе двигателя, мы регулируем частоту вращения ротора.

В наиболее распространенном частотно регулируемом приводе на основе асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором применяются скалярное и векторное частотное управление.

При скалярном управлении по определенному закону изменяют амплитуду и частоту приложенного к двигателю напряжения. Изменение частоты питающего напряжения приводит к отклонению от расчетных значений максимального и пускового моментов двигателя, КПД, коэффициента мощности. Поэтому для поддержания требуемых рабочих характеристик двигателя необходимо с изменением частоты одновременно соответственно изменять и амплитуду напряжения.

В существующих преобразователях частоты при скалярном управлении чаще всего поддерживается постоянным отношение максимального момента двигателя к моменту сопротивления на валу. То есть при изменении частоты амплитуда напряжения изменяется таким образом, что отношение максимального момента двигателя к текущему моменту нагрузки остается неизменным. Это отношение называется перегрузочная способность двигателя.

При постоянстве перегрузочной способности номинальные коэффициент мощности и к.п.д. двигателя на всем диапазоне регулирования частоты вращения практически не изменяются.

Максимальный момент, развиваемый двигателем, определяется следующей зависимостью:

= , (4.23)

где - постоянный коэффициент.

Поэтому зависимость напряжения питания от частоты определяется характером нагрузки на валу электрического двигателя.

Для постоянного момента нагрузки поддерживается отношение U/f = const, и, по сути, обеспечивается постоянство максимального момента двигателя. Характер зависимости напряжения питания от частоты для случая с постоянным моментом нагрузки изображен на рис.4.10. Угол наклона прямой на графике зависит от величин момента сопротивления и максимального крутящего момента двигателя.

Зависимость напряжения питания от частоты

Рис.4.10

Вместе с тем на малых частотах, начиная с некоторого значения частоты, максимальный момент двигателя начинает падать. Для компенсации этого и для увеличения пускового момента используется повышение уровня напряжения питания.

Используя зависимость максимального крутящего момента от напряжения и частоты, можно построить график U от f для любого типа нагрузки.

Важным достоинством скалярного метода является возможность одновременного управления группой электродвигателей.

Скалярное управление достаточно для большинства практических случаев применения частотно регулируемого электропривода с диапазоном регулирования частоты вращения двигателя до 1:50.

Типовая схема низковольтного преобразователя частоты и графики напряжений и токов на выходе каждого элемента преобразователя.

Рис. 4.11

Переменное напряжение питающей сети (U_вх.) с постоянной амплитудой и частотой (U_вх = const, f_вх = const) поступает на управляемый или неуправляемый выпрямитель (1).

Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения (U_выпр.) используется фильтр (2). Выпрямитель и емкостный фильтр (2) образуют звено постоянного тока.

С выхода фильтра постоянное напряжение u_d поступает на вход автономного импульсного инвертора (3).

Автономный инвертор современных низковольтных преобразователей, как было отмечено, выполняется на основе силовых биполярных транзисторов с изолированным затвором IGBT. На рассматриваемом рисунке изображена схема преобразователя частоты с автономным инвертором напряжения как получившая наибольшее распространение.

В инверторе осуществляется преобразование постоянного напряжения U_d в трехфазное (или однофазное) импульсное напряжение U_и изменяемой амплитуды и частоты. По сигналам системы управления каждая обмотка электрического двигателя подсоединяется через соответствующие силовые транзисторы инвертора к положительному и отрицательному полюсам звена постоянного тока. Длительность подключения каждой обмотки в пределах периода следования импульсов модулируется по синусоидальному закону. Наибольшая ширина импульсов обеспечивается в середине полупериода, а к началу и концу полупериода уменьшается. Таким образом, система управления обеспечивает широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) напряжения, прикладываемого к обмоткам двигателя. Амплитуда и частота напряжения определяются параметрами модулирующей синусоидальной функции.

При высокой несущей частоте ШИМ (2 … 15 кГц) обмотки двигателя вследствие их высокой индуктивности работают как фильтр. Поэтому в них протекают практически синусоидальные токи.

В схемах преобразователей с управляемым выпрямителем (1) изменение амплитуды напряжения U_и может достигаться регулированием величины постоянного напряжения U_d, а изменение частоты – режимом работы инвертора.

При необходимости на выходе автономного инвертора устанавливается фильтр (4) для сглаживания пульсаций тока. (В схемах преобразователей на IGBT в силу низкого уровня высших гармоник в выходном напряжении потребность в фильтре практически отсутствует.)

Таким образом, на выходе преобразователя частоты формируется трехфазное переменное напряжение изменяемой частоты и амплитуды (U_вых = var, f_вых = var).

Как правило, мощность инвертора подбирается равной мощности электродвигателя. Это правило распространяется на электродвигатели с номинальным количеством оборотов 1500 и 3000 оборотов в минуту. При использовании других электродвигателей или в некоторых особых случаях применения выбор преобразователя частоты (инвертора) должен соответствовать следующему условию: номинальный выходной ток преобразователя частоты (инвертора) должен быть не меньше номинального тока электродвигателя.