7.9. Способы регулирования скорости асинхронного электропривода

Общие свойства регулируемого по скорости электроприво­да, рассмотренные ранее на основе обобщенной структуры электропривода с линеаризованной механической характеристи­кой, необходимо дополнить рассмотрением ряда частных воз­можностей регулирования скорости асинхронного электропри­вода, связанных с его особенностями. Возможные способы регулирования скорости асинхронного электропривода можно разделить на три группы:

1) способы регулирования, при ко­торых скольжение изменяется в широких пределах и потери, выделяющиеся в виде теплоты в элементах роторной цепи, пропорциональны скольжению;

2) способы, при которых абсо­лютное скольжение двигателя при регулировании остается небольшим и не достигает критического скольжения на есте­ственной характеристике (s_а <s_к.e);

3) способы, при которых абсолютное скольжение при регулировании изменяется в ши­роких пределах, но потери энергии скольжения в роторной цепи двигателя ограничены.

К первой группе способов регулирования скорости асин­хронного электропривода относятся рассмотренное ранее рео­статное регулирование, регулирование изменением напряжения на статоре двигателя, наложение механических характеристик в двухдвигательном электроприводе, регулирование с по­мощью асинхронной муфты скольжения и др.

Изменение напряжения, рассмотренное в гл. 6, как средство регулирования момента в разомкнутой системе может быть использовано для регулирования скорости в системе автома­тического регулирования по отклонению. Для этого схемы с магнитным усилителем и тиристорным регулятором напря­жения необходимо дополнить отрицательной связью по ско­рости. Рассмотрим основные показатели такого способа регу­лирования.

Схема регулирования скорости асинхронного электропри­вода путем изменения напряжения на статоре приведена на рис. 7.31. Здесь магнитный или тиристорный регулятор напря­жения обозначенРН,введен регулятор скоростиPC, выход­ное напряжение которогоUyвоздействует на обмотку управле­ния магнитного усилителя или на вход тиристорного регуля­тора напряжения. На входPCподаны сигнал заданияUз,с и сигнал обратной связи по скоростиUo,c, получаемый с якоря тахогенератораТГ.В цепь управленияРНвведен сигнал сме­щения, с помощью которого приUy=0 устанавливается мини­мальное напряжение на выходеРН.Практически в схемах с магнитными усилителями для этой цели предусматривается отдельная обмотка смещения, а в тиристорных регуляторах напряжения для установки начального угла регулирования α₀обычно имеются соответствующие подстроечные элементы.

При оценке условий регулирования скорости в системе тиристорный регулятор—асинхронный двигатель (ТРН—АД) необходимо учитывать, что напряжение на выходе тиристор­ного регулятора несинусоидально, зависит от утла регулиро­вания αи от угла активно-индуктивной нагрузки_Н, которой является асинхронный двигатель для ТРНпри определенном скольженииs.Электромагнитный момент двигателя определя­ется первой гармоникой напряжения, а влияние высших гармоник невелико, и им можно пренебречь. Поэтому для расче­та механических характеристик двигателя необходимо знать зависимость первой гармоники напряжения U₁от напряжения управленияUyпри различных скольженияхsи соответственно различных_Н.

Примерные зависимости U₁/U_1номотUу/Uу.ном для ряда значений φ_Нприведены на рис. 7.32, причем в качествеU_у.ном принято напряжение, которое обеспечивает изменение угла α от 0 до 150° при линейной характеристике α=f(Uy),а кривые построены при напряжении смещенияUсм, которое обеспечи­вает начальный угол α₀=135°. Эти характеристики существен­но нелинейны и неоднозначны в связи со значительной за­висимостью напряжения от угла нагрузки_Н.

Зависимость угла нагрузки _Нот скольжения можно полу­чить, воспользовавшись упрощенной схемой замещения двига­теля, приведенной на рис. 3.27, б:

(7.88)

где x_ЭКВ, Rэкв — эквивалентные активное и индуктивное сопро­тивления двигателя, определяемые относительноU₁по схеме замещения;R_1Σ —суммарное активное сопротивление цепи ста­тора, включая сопротивление фазы ТРН.

Анализ (7.88) показывает, что угол _Низменяется в функ­ции скольжения быстро лишь приs <s_K, а приs_К<s< 1 его изменения лежат в пределах 40÷60°. Для этой области кривуюU₁=f(Uy)можно линеаризовать, как показано на рис. 7.32

Рис.7.31. Регулирование скорости в системе ТРН-АД

Рис.7.32. Зависимости пер­вой гармоники напряженияотсигнала управления в си­стеме ТРН – АД

(прямая 1)и приближенно записать

(7.89)

где

Так как момент асинхронного двигателя пропорционален квадрату напряжения, можно записать

(7.90)

где Me(s) — момент при данном скольжении, определяемый по естественной механической характеристике двигателя;U_1*=U₁/Uнοм —относительное значение первой гармоники напря­жения питания двигателя.

При работе с Uз,с=constскорость двигателя в рабочей зоне механической характеристики поддерживается системой регулирования примерно постоянной, поэтому для режимов малых отклонений от точки статического равновесия (7.90) можно линеаризовать:

(7.91)

Подставив (7.91) в (7.89), получим уравнение механической характеристики для рассматриваемого режима:

(7.92)

где

Таким образом, при принятых допущениях в замкнутой системе формируется линейная механическая характеристика со скоростью идеального холостого хода ω_0з.си модулем жесткости βз,с, которые определяются заданием и коэффициен­том обратной связи по скоростиk_О.С. При большихk_О.С жесткость искусственных характеристик получается значитель­ной, и уравнение (7.92) удовлетворительно описывает реальную механическую характеристику. Как показано на рис. 7.33, от­личия проявляются лишь в режиме, близком к холостому ходу, и при значениях напряжения, близких кU_1НОМ.Иными словами, (7.92) удовлетворительно описывает механическую ха­рактеристику замкнутой системы электропривода в возможных пределах регулирования момента, рассмотренных в §6.7.

При данном способе регулирования потери в роторной цепи пропорциональны скольжению. Поэтому допустимый момент при регулировании скорости при независимой вентиляции двигателя можно определить изсоотношения

Откуда

(7.93)

Следовательно, для того чтобы при продолжительной ра­боте с малой скоростью двигатель не. нагревался сверх допустимой температуры, необходимо снижать его нагрузку в обратно пропорциональной зависимости от скольжения. Для двигателей с самовентиляцией это снижение должно быть больше с учетом ухудшения условий охлаждения по мере роста скольжения. Зависимость Мдоп=f/(ω) показана на рис. 7.33.

Этот недостаток ограничивает область применения замкну­тых систем асинхронного электропривода, основанных на регу­лировании напряжения, механизмами, у которых момент на­грузки при регулировании скорости быстро уменьшается, например механизмами с вентиляторной нагрузкой (см. § 1.3). Кроме того, этот способ успешно применяется в тех случаях, когда в рабочем цикле требуется кратковременное снижение скорости, а основное время электропривод работает на есте­ственной характеристике.

Дополнительные возможности регулирования скорости дает применение многодвигательного электропривода. Рассмотрим эти возможности на примере двухдвигательного асинхронного электропривода, схема которого приведена на рис. 7.34, а.

Благодаря наличию механической связи между роторами двигателей 1Ди2Дв статических режимах работы угловые скорости двигателей одинаковы, а результирующий момент электропривода равен сумме моментов двигателей. При линеа­ризации механических характеристик результирующая механическая характеристика может быть получена в виде (4.127):

(7.94)

Рис.7.33. Механические характе­ристики асинхронного электропри­вода при автоматическом регули­ровании скорости изменением на­пряжения

Рассматривая (794), можно убедиться, что путем целе­направленного изменения жесткостей механических характе­ристик двигателей, а также соотношения скоростей идеального холостого хода в двухдвигатсльном электроприводе можно получить результирующие искусственные характеристики, обес­печивающие регулирование скорости.

В качестве примера на рис. 7.34, апредставлена схема двух­двигательного электропривода, в котором двигатель1Дпри включении контактораК1питается от сети, а при включении контактов контактораК2в его обмотку статора подается постоянный ток Iпдля реализации режима динамического торможения. Второй двигатель2Дпостоянно питается от сети переменного тока.

Наличие фазного ротора у каждого двигателя позволяет вводить в цепи ротора добавочные резисторы и таким обра­зом изменять значения β₁ и β₂, а переключение двигателя1Д в режим динамического торможения дает ω₀₁=0. Приэтом подбором жесткостей можно получить глубокое регулирование скорости, как показано на рис. 7.34,б.Здесь добавочное сопро­тивление в цепи двигателя1Д,работающего в режиме дина­мического торможения, равно нулю и жесткость характеристики 1 β₁максимальна. Для ограничения тока и увеличения жесткости результирующей характеристики в цепь ротора дви­гателя2Двведен добавочный резистор со значительным сопротивлением (характеристика 2,s_К2>s_КЕ). Жесткость рабо­чего участка результирующей характеристики3βрез = β₁+ β₂, т. е. выше, чем жесткость β₁приR_ДОБ=0, а скорость идеаль­ного холостого хода ω_0Идостаточно мала. При моменте на­грузки Мс результирующая механическая характеристика3 обеспечивает устойчивую пониженную скорость ω_С.П.

Рис.7 34 Схема (я) и меха­нические характеристики (б, в) двухдвигательного асинхрон­ного электропривода

Недостатком данного способа регулирования скорости яв­ляются значительные потери. Результирующий момент

(7.95)

т. е. двигатель 1Ддля получения малой скорости, работая в режиме динамического торможения, подгружает двигатель2Дмоментом Μ_1П,соответственно

где М_1П— тормозной момент1Дпри работе на пониженной скорости ω_С.П.

Как следствие, потери энергии в роторной части двигателя 2Дсущественно больше, чем при реостатном регулировании (М_2П>М_С)

Для того чтобы оценить допустимую нагрузку двухдвига­тельного электропривода при пониженной скорости, необходи­мо для сравнения рассмотреть режим работы с полной ско­ростью, при котором оба двигателя подключены к сети пере­менного тока и работают на общий вал. Как показывает рис. 7.34, в, в этом случае оба двигателя работают в двига­тельном режиме:

Сравнивая рис. 7.34,6 и в, можно заключить, что допусти­мый на низкой скорости момент Мдоп существенно меньше половины номинального момента агрегата Мдоп = М₂ном — Μ_1П.

Таким образом, если необходимо регулировать скорость при M_C=const, то при работе на полной скорости агрегат должен недоиспользоваться в 2,5—3 раза по мощности. Если на по­ниженной скорости электропривод должен работать малую долю времени цикла, то недоиспользование мощности агре­гата из-за кратковременной перегрузки двигателя2Дна малой скорости может быть сокращено до 1,25—1,5 раза.. Поэтому наиболее целесообразно применение этого способа в случаях, когда работа с пониженной скоростью в цикле весьма кратковременна. При этом перегрузки на пониженной скорости не сказываются существенно на нагреве двигателей, а низкий КПД системы не может заметно ухудшить энергетические показатели электропривода.

При полной идентичности механических характеристик обоих двигателей каждый из них несет половину общей нагрузки, и при этих условиях номинальный момент агрегата равен:

Однако практически, как показано на рис. 7.34, в,естествен­ные характеристики двигателей вследствие разброса парамет­ров могут несколько различаться (β_1C≠β_2C)·При этом момен­ты, развиваемые двигателями при ω₁= ω₂= ω₃, оказываются не равными:

На рис. 7.34, в β_2Е> β_1Cсоответственно М₂> Μ₁.Так как по условиям нагрева двигателя должно быть Μ₂= Мном,

Рис.7.35. Схемы (я, б) и характеристики(в)асинхронного двигателя при переключении числа пар полюсов

первый двигатель недогружается тем в большей степени, чем меньше жесткость его характеристики. Очевидно, что если при проектировании не учесть возможного несовпадения характе­ристик двигателей и выбрать двигатели из условия M_1ном=М_2ном= М_с,ном/2, то двигатель с большей жесткостью_епри­мет на себя нагрузку, большую номинальной, и выйдет из строя.

Ко второй группе способов регулирования скорости асин­хронного электропривода относятся частотное регулирование, особенности которого будут ниже рассмотрены, и регулиро­вание путем изменения числа пар полюсов.

Регулирование скорости путем изменения числа пар полю­сов осуществляется при питании двигателя от сети при f₁= f_1ном=constпутем переключения одной статорной обмотки с треугольника на двойную звезду (рис. 7.35,а)или ест звезды на двойную звезду (рис. 7.35,6). Число пар полюсов р_ппри этом изменяется вдвое, что вызывает соответствующие изме­нения скорости поля₀:

При наличии на статоре двигателя двух обмоток, обеспе­чивающих возможность указанного переключения числа пар полюсов, можно обеспечить четыре регулировочных ступени с большими возможностями изменения р_п. Следовательно, дан­ный способ регулирования скорости требует применения спе­циальных двигателей. Габариты и стоимость таких двигателей выше, чем у двигателей односкоростных, однако простота способа и высокая жесткость регулировочных характеристик определяют целесообразность его использования во многих практических случаях. В качестве примера на рис. 7.35, в по­казаны механические характеристики двухскоростного двига­теля типа МТКМ 512-6/20, на статоре которого предусмот­рены две независимые обмотки с числом пар полюсовp_п1= 3 и р_п2=10.

У двигателя с фазным ротором роторная обмотка выве­дена на контактные кольца, что создает возможность подвода напряжения не только к цепи статора, но и к цепи ротора. Активная цепь роторной обмотки, содержащая регулируемые источники напряжения, позволяет полезно использовать энер­гию скольжения и вследствие этого осуществлять экономич­ное регулирование скорости при широких пределах изменения скольжения двигателя. Этот характерный для асинхронного электропривода способ регулирования скорости подробно рас­сматривается ниже.