Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Ключев В.И. Электропривод / Глава седьмая.doc
Скачиваний:
143
Добавлен:
02.05.2014
Размер:
6.27 Mб
Скачать

В результате преобразования получим

где штрихами отмечены приведенные к цепи статора значения напряжений.

Подставив все принятые и полученные значения в (7.111) и выполнив некоторые преобразования, представим его в виде

(7.112)

С помощью выражений для потокосцеплений (2.20) можно получить

(7.113)

Значения 1x и 1yопределяются с помощью первых двух уравнений (7.112):

Так как (см. § 3.12)

то (7.113) при подстановке 1x и 1yможно представить в виде

(7.114)

Уравнения (7.114) позволяют получить выражение механи­ческой характеристики двигателя в режиме МДП. Для этого необходимо разрешить первые два уравнения относительно I'2x и I'2yподставить полученные выражения в третье урав­нение, преобразовать переменные двухфазной моделиU1maxиU’2maxк трехфазной с помощью (2.37), перейти от макси­мальных значений напряжений к действующим и выполнить необходимые математические преобразования. В результате этого получим

(7.115)

где эл =12 + arctg xks/R2- угол сдвига между осями полей статора и ротора.

Анализ уравнения механической характеристики асинхрон­ного двигателя в режиме работы МДП позволяет установить ряд интересных и практически важных особенностей рассмат­риваемой каскадной схемы. Момент двигателя в этом режиме содержит две составляющие, одна из которых соответствует естественной механической характеристике асинхронного дви­гателя, а другая — синхронному режиму, обусловленному на­пряжением U2, подведенным к цепи ротора.

Действительно, при U2 = 0 и L12L1(7.115) принимает вид

(7.116)

совпадающий с уравнением (3.76) при R1 =0 и R2 = R2.При неизменном задании частоты напряженияU2в цепи ротораUу,ч, = const,2 = const. Поэтому скольжение двигателя при работе в синхронном режиме остается неизменным (s = s0 = const) и асинхронная составляющая моментаMe(s)= Me(s0) = const. ЗависимостьМe=f()представлена на рис. 7.38,6 (кривая1).

Вторая составляющая обусловлена взаимодействием воз­буждаемого напряжением U2ротора с полем статора, созда­ваемым напряжением сетиU1:

(7.117)

На рис. 7.38, бпредставлены кривыеМсин = f()приэл= +90° (кривая 2) и приэл==-90° (кривая3). Результирующий момент двигателя

(7.118)

Если чередование фаз напряжений иодинаково, поля статоpa и ротора имеют одинаковое направление вращения и значения скольженияs0 и частоты ротора2 =0элs0поло­жительны. Двигатель при тормозной нагрузке работает в двига­тельном режиме, причем уголэлпринимает такое значение, при которомМ = Мс. Это область режима работы каскада со скоростью, меньшей синхронной<0. Если изменить нагрузку, приложив к валу двигателя движущий момент– Мс, возникнет переходный процесс, в котором под действием положительного динамического момента ротор двигателя уско­рится, изменит положение относительно оси поля статора и уголэлпо окончании переходного процесса примет отри­цательное значение, соответствующее по (7.118) условиюМ =-Мс,

Таким образом, при 2>0иs0>0двигатель работает со скоростью, меньшей синхронной, причем в зависимости от нагрузки на валу он может работать как в двигательном, так и в генераторном режиме. При этом переход в генера­торный режим обеспечивается изменением синхронной состав­ляющей (7.118) под действием изменений внутреннего углаэл, обусловленных изменениями нагрузки, а составляющаяMe(s0)остается неизменной. Механические характеристики, соответ­ствующие двум значениям2 > 0, представлены на рис. 7.38,6 (прямые 4, 5).

При работе в двигательном режиме с 2> 0(при подсинхронной скорости) потребляемая двигателем мощностьP1, если пренебречь потерями, поступает на вал двигателя (Р2) и в виде мощности скольженияРsв преобразователь частоты:

(7.119)

Мощность скольжения Рsпреобразуется преобразователем частоты и возвращается в сеть (рис. 7.39, а). Если при2>0машина работает в генераторном режиме (М = -Мc), то направление потоков мощностей изменяется на противополож­ное (рис. 7.39, б):

(7.120)

Уменьшение частоты ротора 2при2>0 влечет за со­бой увеличение скорости двигателя, так как

Следовательно, на рис. 7.38,6 уменьшение 2вызывает переход с характеристики 5 на характеристику4и затем при2= 0на характеристику 6.

При 2=0 роторная цепь питается постоянным напряже­нием и двигатель работает в чисто синхронном режиме, рассмотренном в § 3.15. Действительно, при этомs0 = 0, асинхронная составляющая Ме(s0) = 0 и момент двигателя полностью определяется (7.117):

где Iв=U2/R2; E=0элL12Iв; xc- индуктивное сопротивление синхронной машины: xc=0элL1).

Сравнивая это выражение с (3.118) при x1q = x1d = хc,можно убедиться в их полном совпадении. Следовательно, характе­ристика б на рис. 7.38,6 представляет собой механическую характеристику неявнополюсной синхронной машины, которой становится асинхронный двигатель при питании его роторной обмотки постоянным током.

Изменив знак Uу,ч, можно изменить чередование фаз роторного напряженияU2.При этом поле ротора вращается в направлении, противоположном полю статора,2<0, ско­рость двигателя =0 + 2 > 0,яскольжение отрицательно. Механические характеристики, соответствующие двум значени­ям2< 0, представлены на рис. 7.38, б (прямые 7 и 8).

Рассматривая этот рисунок, можно видеть, что и здесь в зависимости от нагрузки на валу можно иметь как двига­тельный, так и генераторный режим работы двигателя. При этом асинхронная составляющая момента при данном значении

Рис. 7.39. Направление потоков мощности в каскадной схеме при <0(а,б) и при>0(в, г):

а, в —двигательный режим работы каскада;б, г -генераторный режим работы каскада

s0 < 0отрицательна и неизменна, а значения момента, соответствующиеМc обеспечиваются изменениями углаэлза счет поворота ротора относительно поля статора под дей­ствием возникающих динамических моментов.

При сверхсинхронной скорости (s0 < 0)при работе в дви­гательном режиме механическая мощностьРгобеспечивается потреблением мощности как по цепи статораP1, так и по цепи ротора (мощность скольженияPs):

Р2 =P1+Ps.

При переходе в генераторный режим и том же s0посту­пающая с вала мощность P2передастся в сеть по обоим каналам, т. е. направления потоков изменяются на противо­положные, как показано на рис. 7.39, в иг.

Механические характеристики на рис. 7,38, б соответствуют U2 = const,при этом максимум синхронной составляющей момента (7.117)Мmaxизменяется в функции скольженияs0(см. кривые 2 и3).Поскольку составляющаяMе(s0)при изме­нении знакаs0 изменяет знак, перегрузочная способность дви­гателя в режиме МДП при2 > 0и при2 < 0оказывается существенно различной. При скоростях ниже синхронной (2>0) двигательные моментыМе(s0)существенно снижают пере­грузочную способность в генераторном режиме: максимальные значения тормозного моментаМпри данномU’2в этом режиме ограничиваются кривой 9. При скоростях, больших синхронной (2 > 0), тормозные моменты ограничивают макси­мальные значения результирующего момента, соответствую­щиеэл=+90° в двигательном режиме (кривая10на 7.38,6).

Практически требуемую перегрузочную способность во всем диапазоне регулирования скорости можно поддерживать, изме­няя напряжение и’2в функцииs0 и нагрузки. При этом должно обеспечиваться ограничение токов ротора и статора на допус­тимом уровне во всех режимах.

Изменения напряжения u'2обеспечиваются соответствую­щими изменениями сигнала задания напряженияuу,нпреобра­зователя частоты. При данной нагрузке, например, приМс=0 путем изменения U2можно воздействовать на потребление реактивной мощности в цепи статора аналогично рассмотрен­ному в § 3.15 для синхронного двигателя.

Проведенный анализ показывает, что в режиме МДП свойства каскада близки свойствам синхронного двигателя, причем при 2=0они совпадают. Специфика проявляется только в наличии сильной асинхронной составляющей момен­таMe(s0), в возможности работы при различных скоростях, задаваемых воздействием на напряжениеuу,ч, и в возбуждении ротора переменным током угловой частоты скольжения2.

Известно, что синхронный двигатель склонен к качаниям, обусловленным упругой электромагнитной связью между по­лями статора и ротора М=f(эл), и для борьбы с ними снабжается демпферной обмоткой, создающей асинхронную составляющую момента. В рассматриваемой каскадной схеме имеет место более сильная асинхронная составляющая, опре­деляемая естественной механической характеристикой асин­хронного двигателя (без учета внутренних сопротивлений пре­образователя частоты). Поэтому при работе в области ско­ростей, близких к скорости поля0, гдеsк<s0 < sкжесткость характеристикМe=f()высока, отрицательна и оказывает на колебания ротора сильное демпфирующее действие, анало­гичное вязкому трению.

Однако при | s0 | > | sr | жесткость этой характеристики ме­няет знакст > 0, т. е. механическая характеристика имеет положительный наклон и может оказывать не демпфирующее, а раскачивающее действие, приводящее к неустойчивой работе каскада. Это обстоятельство ограничивает область применения синхронного режима работы каскада установками, в которых требуется небольшой диапазон изменения скорости [регулиро­вание в пределах ±(20-30)%0]. При этом|s0| <| sk|ди­намические свойства каскада могут в достаточной мере соот­ветствовать требованиям.

Следует заметить, что для указанного диапазона двухзон­ное регулирование скорости в каскадной схеме имеет преиму­щества перед другими способами, так как обеспечивает эко­номичное регулирование скорости при относительно неболь­шой требуемой мощности преобразователя частоты, который должен быть рассчитан на максимум мощности скольжения

Psmax = Pномs0max.

Соответственно при регулировании скорости в пределах ±(20—30)% 0 требуемая мощность преобразователя частоты составляет 20—30% номинальной мощности двигателя.

При необходимости изменения скорости в более широких пределах путем введения обратных связей обеспечивают зави­симость частоты 2от скорости двигателя, аналогичную зависимости частоты при асинхронном режиме работы. В этом случае механические характеристики каскада имеют конечную жесткость, определяемую настройкой обратных связей, а режим работы каскада называетсяасинхронным.

Возможности двухзонного регулирования скорости с рабо­той как в двигательном, так и в генераторном режимах при каждой скорости в каскадных схемах обеспечиваются только при применении полностью управляемых преобразователей частоты, обладающих способностью пропускать энергию как в прямом, так и в обратном направлениях (см. рис. 7.39). При указанном ограниченном диапазоне двухзонного регули­рования скорости требуются изменения частоты напряжения от 0 до(0,2-0,3)f1ном=1015 Гц. Этим условиям наибо­лее полно соответствуют преобразователи частоты с непосред­ственной связью; применение их экономически особенно вы­годно в электроприводах, мощность которых составляет сотни и тысячи киловатт.

Недостатком таких каскадов является необходимость рео­статного пуска двигателя до низшей скорости в диапазоне регулирования. Этот недостаток не имеет существенного зна­чения для механизмов, работающих продолжительно, без частых пусков.

Экономичность мощных каскадных электроприводов с ра­ботой асинхронного двигателя в режиме МДП определяется при указанных условиях высоким КПД тиристорного преоб­разователя, возможностью снижения общего потребления ре­активной мощности путем рационального управления напря­жением U2, а также относительно небольшими габаритами, массой и стоимостью преобразователя. Последние два до­стоинства проявляются в тем большей мере, чем в более узких пределах требуется регулировать скорость электропри­вода.

Однако в большинстве случаев мощность электроприводов, требующих регулирования скорости, составляет десятки и сот­ни киловатт, а требуемый диапазон регулирования скорости Dпревышает диапазон, рациональный для каскада с МДП. ЕслиD >2—3, мощность преобразователя частоты становится соизмеримой с мощностью двигателя. При этом более целе­сообразно использовать частотное регулирование скорости, позволяющее реализовать непрерывное управление скоростью во всех переходных процессах асинхронного электропривода аналогично системам Г-Д и ТП-Д.

Тем не менее в силу рассмотренных особенностей каскад­ных схем существует достаточно широкая область их приме­нения в тех случаях, когда условия работы механизмов позволяют снизить требования к управлению потоком мощ­ности скольжения на пути ее возвращения в сеть или передачи на вал двигателя. К числу таких механизмов относятся не­реверсивные механизмы, работающие с реактивной нагрузкой на валу и не требующие работы двигателя в генераторном режиме в процессах торможения.

При указанных условиях можно ограничиться однозонным регулированием скорости, при котором в двигательном режи­ме направление потока мощности скольжения неизменно — от ротора двигателя в сеть (рис. 7.39) или на вал. Это позволяет существенно упростить каскадные схемы, применив в канале преобразования мощности скольжения неуправляемый выпрямитель.

В электрических каскадах выпрямленный выпрямителем ток роторе преобразуется в переменный ток и передается в сеть. Если для преобразования тока и рекуперации энергии сколь­жения используется электромашинный агрегат, каскад называ­ется машинно-вентильным.При применении для этой цели вентильного инвертора, ведомого сетью, каскад называетсявентильным(асинхронно-вентильным) каскадом.

Электромеханические каскады являются машинно-вентиль­ными. В них выпрямленный ток направляется в. обмотку якоря машины постоянного тока, соединенной с валом асин­хронного двигателя, которая преобразует электрическую энер­гию скольжения в механическую, поступающую на вал дви­гателя.

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Оставленные комментарии видны всем.

Соседние файлы в папке Ключев В.И. Электропривод