Стремление к созданию экономичного, надежного и относительно простого электропривода с широким диапазоном регулирования скорости при отсутствии современной базы электроники привели к разработке импульсного метода регулирования скорости. Сущность данного метода заключается в том, что момент электрической машины периодически изменяется до некоторого значения, превышающее значение статического момента с последующим переходом к значению момента меньше статического. В результате таких манипуляций при установившемся движении среднее значение момента электродвигателя будет равно статическому моменту рабочей машины.
Естественно, что периодическое изменение момента будет приводить к изменению скорости электрической машины в известных пределах. При этом средняя скорость поддерживается на заданном уровне. Колебания значения момента достигается путем периодического изменения параметров статорной цепи. Получение требуемого значения средней скорости электродвигателя достигается путем изменения соотношения длительности работы машины с различными параметрами за время полного цикла. Импульсное управление осуществляется с помощью быстродействующих реле, контакторов, электромагнитных вибраторов или с помощью полупроводниковых приборов.
Типичные схемы подключения электродвигателя к источнику питания показаны ниже:
Из схем видно, что часть цикла электродвигатель подключен непосредственно к источнику питания, другую же часть оказывается подключенным либо через сопротивление (рисунок а)), либо отключен вовсе (рисунок б)), либо же переводится в режим противовключения (рисунок в)). Длительность периода (цикла) tц будет складываться с времени работы с добавочным сопротивлением или отключенного состояния t2 и времени, при котором электродвигатель подключен к источнику питания t1:
В первую часть цикла t1 момент электрической машины больше статического момента и происходит разгон машины до определенной скорости ω1. Во вторую часть цикла происходит замедление двигателя от скорости ω1 до ω2.
Величиной, характеризующей импульсную работу, является относительная длительность непосредственного подключения машины к источнику энергии, под которым понимают отношение:
Предполагая, что электродвигатель работает на линейной части механической характеристики, возрастание скорости в первую часть периода и падение во вторую будет происходить по соответствующим экспоненциальным законам. При установившемся процессе скорость в начале периода и в его конце будет одинакова и равна ω2. Процесс колебания скорости относительно среднего значения аналогичен процессу колебания температуры электрической машины, работающей в повторно-кратковременном режиме.
На рисунке ниже показаны колебания скорости относительно ее среднего значения при одинаковых значениях статического момента и длительности цикла, но при различной относительной длительности включения:
При больших значениях электромеханической постоянной привода В по сравнению с длительностью цикла кривизна экспоненциальных участков изменения скорости будет невелика, что позволит заменить их прямыми участками с приемлемой погрешностью. Среднее значение скорости при установившемся значении примерно будет равно:
При установившейся работе среднее значение момента электродвигателя за полный цикл должно быть равно статическому, то есть Мс = Мср.
Если асинхронная машина в первый момент первого отрезка времени развивает момент М1, а в начале второго М2, то средний момент электродвигателя за весь цикл с небольшой погрешностью может быть принят равным:
Предположив, что М1 = М2 + (М1 – М2) = М2 +ΔМ и подставив значение момента в выражение (2), получим:
Выражение (3) дает возможность по известным зависимостям М1 = f(ω) и М2 = f(ω) построить механические характеристики машины при импульсном управлении для требуемых значений ε.
При любой скорости значение среднего момента равно:
На рисунке ниже построены механические характеристики асинхронной машины при импульсном регулировании по схеме а) для различных значений ε:
Механические характеристики асинхронной машины работающей по схеме б) показаны на рисунке ниже:
Не сложно построить характеристику и для характеристики в) используя приведенную методику. Механические характеристики асинхронной машины для случая импульсного регулирования путем перевода машины с двигательного в тормозной режимы показаны ниже:
При заданных моментах М1 и М2 и известной зависимости Мс = f(ω), используя выражение (4), можно определить необходимое значение относительного времени включения контактов ε для обеспечения требуемой средней скорости электропривода:
На рисунке ниже показаны механические характеристики для М1, М2 и зависимость Мс = f(ω):
Рассмотрев приведенные выше механические характеристики мы видим, что по своему виду они похожи на механические характеристики асинхронной машины при регулировании скорости путем изменения напряжения питающей сети.
Характеристики не могут обеспечить более или менее значительный диапазон регулирования скорости и, кроме того, они обладают большой крутизной. Процесс поддержания постоянства средней скорости электродвигателя типа АЛ32-4 мощностью в Р = 1 кВт и n = 1420 об/мин на уровне nср = 677 об/мин по результатам обработки осциллограммы приведен на рисунке ниже:
Из рисунка видно, что при поддержании nср = 677 об/мин скорость вращения электродвигателя при работе с 5630 циклов в час колеблется от nмакс = 1015 об/мин до nмин = 339 об/мин. Ток статора за время включения t1 = 0,42 сек и ε = 0,648 меняется от Iмакс = 11,7 А до Iмин = 7,8 А при номинальном токе двигателя Iном = 4,2 А.
Для ограничения пределов колебаний значением Δn = 75 – 100 об/мин число циклов в час необходимо довести до 10 000 – 12 000 в час.
Помимо неудовлетворительного характера скорости при импульсном управлении крайне неблагоприятно протекает и процесс нагревания электрической машины.
Наличие современных частотных преобразователей, а также наличие таких недостатков в импульсном управлении как значительные колебания скорости и неблагоприятные условия нагрева машины привели к тому, что на практике данный способ практически нигде уже не применяется.
elenergi.ru
Асинхронный двигатель является наиболее массовым электрическим двигателем. Эти двигатели выпускаются мощностью от 0,1 кВт до нескольких тысяч киловатт и находят применение во всех отраслях хозяйства. Основным достоинством асинхронного двигателя является простота его конструкции и невысокая стоимость. Однако по принципу своего действия асинхронный двигатель в обычной схеме включения не допускает регулирования скорости его вращения. Особое внимание следует обратить на то, что во избежание значительных потерь энергии, а, следовательно, для короткозамкнутых асинхронных двигателей во избежание перегрева его ротора, двигатель должен работать в длительном режиме с минимальными значениями скольжения.
Асинхронный двигатель является наиболее массовым электрическим двигателем. Эти двигатели выпускаются мощностью от 0,1 кВт до нескольких тысяч киловатт и находят применение во всех отраслях хозяйства. Основным достоинством асинхронного двигателя является простота его конструкции и невысокая стоимость. Однако по принципу своего действия асинхронный двигатель в обычной схеме включения не допускает регулирования скорости его вращения. Особое внимание следует обратить на то, что во избежание значительных потерь энергии, а, следовательно, для короткозамкнутых асинхронных двигателей во избежание перегрева его ротора, двигатель должен работать в длительном режиме с минимальными значениями скольжения.
Рассмотрим возможные способы регулирования скорости асинхронных двигателей (см. рис.1). Скорость двигателя определяется двумя параметрами: скоростью вращения электромагнитного поля статора ω0 и скольжением s:
Рис.1. Классификация способов регулирования асинхронных двигателей Исходя из (1) принципиально возможны два способа регулирования скорости: регулирование скорости вращения поля статора и регулирование скольжения при постоянной величине ω0:
Скорость вращения поля статора определяется двумя параметрами (см.3.3): частотой напряжения, подводимого к обмоткам статора f1, и числом пар полюсов двигателя рп. В соответствии с этим возможны два способа регулирования скорости: изменение частоты питающего напряжения посредством преобразователей частоты, включаемых в цепь статора двигателя (частотное регулирование), и путем изменения числа пар полюсов двигателя. Регулирование скольжения двигателя при постоянной скорости вращения поля статора для короткозамкнутых асинхронных двигателей возможно путем изменения величины напряжения статора при постоянной частоте этого напряжения. Для асинхронных двигателей с фазным ротором, кроме того, возможны еще два способа: введение в цепь ротора добавочных сопротивлений (реостатное регулирование) и введение в цепь ротора добавочной регулируемой э.д.с. посредством преобразователей частоты, включаемых в цепь ротора (асинхронный вентильный каскад и двигатель двойного питания).
В настоящее время благодаря развитию силовой преобразовательной техники созданы и серийно выпускаются различные виды полупроводниковых преобразователей частоты, что определило опережающее развитие и широкое применение частотно-регулируемого асинхронного электропривода. Основными достоинствами этой системы регулируемого электропривода являются:
плавность регулирования и высокая жесткость механических характеристик, что позволяет регулировать скорость в широком диапазоне;
- экономичность регулирования, определяемая тем, что двигатель работает с малыми величинами абсолютного скольжения, и потери в двигателе не превышают номинальных;
Недостатками частотного регулирования являются сложность и высокая стоимость (особенно для приводов большой мощности) преобразователей частоты и сложность реализации в большинстве схем режима рекуперативного торможения.
Подробно принципы и схемы частотного регулирования скорости асинхронного двигателя рассмотрены ниже.
Изменение скорости переключением числа пар полюсов асинхронного двигателя позволяет получать несколько (от 2 до 4) значений рабочих скоростей, т.е. плавное регулирование скорости и формирование переходных процессов при этом способе невозможно.
Поэтому данный способ имеет определенные области применения, но не может рассматриваться, как основа для построения систем регулируемого электропривода.
Принципиальная возможность регулирования угловой скорости асинхронного двигателя изменением частоты питающего напряжения вытекает из формулы ω = 2π f1 (1 - s)/p. При регулировании частоты также возникает необходимость регулирования амплитуды напряжения источника, что следует из выражения U1 ≈ Е1 = kФf1. Если при неизменном напряжении изменять частоту, то поток будет изменяться обратно пропорционально частоте. Так, при уменьшении частоты поток возрастет, и это приведет к насыщению стали машины и как следствие к резкому увеличению тока и превышению температуры двигателя; при увеличении частоты поток будет уменьшаться и как следствие будет уменьшаться допустимый момент.
Для наилучшего использования асинхронного двигателя при регулировании угловой скорости изменением частоты необходимо регулировать напряжение одновременно в функции частоты и нагрузки, что реализуемо только в замкнутых системах электропривода. В разомкнутых системах напряжение регулируется лишь в функции частоты по некоторому закону, зависящему от вида нагрузки. Частотное регулирование угловой скорости электроприводов переменного тока с двигателями с короткозамкнутым ротором находит все большее применение в различных отраслях техники. Например, в установках текстильной промышленности, где с помощью одного преобразователя частоты, питающего группу асинхронных двигателей, находящихся в одинаковых условиях, плавно и одновременно регулируются их угловые скорости. Примером другой установки с частотно-регулируемыми асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором могут служить транспортные рольганги в металлургической промышленности, некоторые конвейеры и др.
Частотное регулирование угловой скорости асинхронных двигателей широко применяется в индивидуальных установках, когда требуется получение весьма высоких угловых скоростей (для привода электрошпинделей в металлорежущих станках с частотой вращения до 20 000 об/мин).
Экономические выгоды частотного регулирования особенно существенны для приводов, работающих в повторно-кратковременном режиме, где имеет место частое изменение направления вращения с интенсивным торможением.
Для осуществления частотного регулирования угловой скорости находят применение преобразователи, на выходе которых по требуемому соотношению или независимо меняется как частота, так и амплитуда напряжения. Преобразователи частоты можно разделить на электромашинные и вентильные. В свою очередь электромашинные преобразователи могут быть выполнены с промежуточным звеном постоянного тока и непосредственной связью. В последних используют коллекторную машину переменного тока, на вход которой подают переменное напряжение с постоянной частотой и амплитудой, а на выходе ее получают напряжение с регулируемой частотой и амплитудой. Электромашинные преобразователи с непосредственной связью практического применения не получили.
masters.donntu.org
ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫИ АСИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД
Наиболее рациональным способом плавного регулирования угловой скорости является частотный способ, возможность которого базируется на линейной зависимости угловой скорости магнитного поля статора от частоты напряжения питания; си0 2к//р„.
По этому принцип}' возможно осуществление широко регулируемых электроприводов с жесткими механическими характеристиками. Важным преимуществом частотного привода являются благоприятные энергетические показатели. Это объясняется тем, что двигатель работает при малых скольжениях, что обусловливает малые потери и высокий КПД во всем диапазоне регулирования скорости. Однако при изменении частоты возникает необходимость одновременного регулирования напряжения, подводимого к статору. Действительно, ЭДС обмотки статора АД определяется как
Е,=сФU
Если пренебречь падением напряжения в статорной обмотке, ПОЛОЖИВ U~E], TO U 1~сФ/!, т. е. при неизменном напряжении и регулировании его частоты изменяется магнитный поток машины. В частности, уменьшение J) вызовет увеличение потока, что приведет к насыщению магнитопровода двигателя и вызовет резкое возрастание намагничивающего тока, и недопустимый нагрев как стали, так и обмоток статора.
С другой стороны, увеличение// приводит к уменьшению потока, что при постоянстве момента сопротивления вызывает увеличение тока в роторе, т. е. перегрев ротора при недоиспользовании стали. Таким образом, для наилучшегоиспользования двигателя необходимо регулировать напряжение одновременно в функции частоты, а иногда и в функции момента сопротивления.
Для того чтобы реализовать принцип частотного управления, необходимо взаимосвязанно управлять напряжением (током) в статоре асинхронной машины при изменении частоты питания. Поэтому в разомкнутых системах ПЧ - АД не удается достичь большого диапазона регулирования скорости, так как в сильной степени проявляется етатизм (влияние изменений момента нагрузки) на механические характеристики привода. Кроме того, при снижении скорости может возникать область статической неустойчивости, которая затрудняет практическое использование таких приводов.
Существует несколько алгоритмов одновременного изменения частоты и напряжения статора в статическом режиме. Чаще всего стремятся сохранить постоянной перегрузочную способность двигателя, т. е. сделать так, чтобы при всех режимах отношение максимального момента к моменту сил сопротивления оставалось постоянным:
|
|
Таким образом, напряжение необходимо регулировать не только в функции частоты, но и в функции нагрузки. Критический момент трехфазного АД:
|
|
где со0 - синхронная скорость; R/ - активное фазное сопротивление обмогки статора; хк=хі+х'2 - индуктивное фазное сопротивление к. з.
Пренебрегая величиной Ri по сравнению с х* и учитывая, что Х}:^2тс[іЬІГ, можно получить
|
|
Следовательно, критический момент прямо пропорционален квадрату напряжения и обратно пропорционален квадрату частоты, поэтому
|
|
Таким образом, для сохранения постоянной перегрузочной способности необходимо изменять напряжение пропорционально частоте и корню квадратному от момента нагрузки. Этот общий принцип регулирования может быть уточнен для конкретных режимов работы механизма:
|
|
а) При моменте нагрузки, не зависящем от скорости,
Мс=const, и по выражению (*) следует, что напряжение надо изменять пропорционально частоте
U
= const
Такой способ с точностью до принятого допущения R /'= О обеспечивает постоянную перегрузочную способность двигателя на малой скорости. Поскольку справедливо предположение, что Uj-Ei, такой способ регулирования соответствует 0=const. Фактически же, при увеличении нагрузки, ЭДС при постоянном напряжении на статоре уменьшается, что сопровождается уменьшением Мк - Критический момент, а следовательно, и перегрузочная способность двигателя возрастает, если использовать способ регулирования с поддержанием O=const во всем диапазоне скоростей и нагрузок.
б) При моменте нагрузки, требующем постоянства мощности на всех скоростях, те. при изменении момента нагрузки обратно пропорционально скорости Мс=Р/со, считая, что скорость двигателя пропорциональна частоте, из (*) следует, что напряжение необходимо изменять пропорционально корню квадратному из частоты
и
= const
|
|
в) При вентиляторной характеристике механизма, т. е.
при Мс=СО)2 из (*) следует, что напряжение необходимо изменять пропорционально квадрату частоты
—— = const
|
|
Благодаря своей простоте, данные зависимости широко распространены на практике, однако они являются приближенными. При малых частотах и малых напряжениях на двигателе возрастает роль падения напряжения на активном сопротивлении статора. Если снижать напряжение строго пропорционально частоте при Mc=const, то это приведет к уменьшению магнитного потока. Поэтому в частотном приводе напряжение должно снижаться в меньшей степени. Для этого применяют систему IR-компенсации, в которой закон регулирования Uj/f)= const заменен соотношением
|і/, —IlRl I / fі = const
В приводах, в которых производится компенсация падения напряжения на сопротивлении статора, поддерживается постоянное соотношение между частотой и напряжением | U)—
///;/], которое отличается от напряжения сети на величину падения напряжения на активном сопротивлении статора.
Оптимальный закон частотного управления при постоянстве перегрузки является не единственным, используемым на практике. Например, часто реализуются другие законы: постоянства магнитного потока машины, минимума потерв и другие. Частотное регулирование с поддержанием постоянства потока практически тождественно управлению с компенсацией падения напряжения в статорных цепях. При этом асинхронный привод приобретает следующие свойства:
1. Токи статора, ротора и поток (кроме потерь в стали) остаются неизменными.
2. При работе с максимальным потоком двигатель имеет более жесткую рабочую часть механической характеристики и больший критический момент на естественной характеристике.
3. При уменьшении нагрузки поток становится избыточным, что приводит к завышению потерь и нарушению оптимальности этого закона регулирования при переменном моменте нагрузки.
При управлении по минимуму потерв создание необходимого момента, пропорционального произведению тока ротора на поток, осуществляется при равенстве переменных и постоянных потерь, связанных с возбуждением машинві (ее магнитным потоком)- Такое управление обеспечивает минимум потерь и оптимальность КПД привода.
Наглядное представление о перечисленных выше законах частотного регулирования скорости АД дает схема замещения (рис. 1. 6), представленная в относительных единицах на рис. А. На схеме обозначено:
0. со0/(оп относительная частота;
v=co/co„ - относительная скорость ротора:
/]=o.-v = (co0-oj)/coi1 - абсолютное скольжение, значение которого не зависит от о.(со0).
Рассмотрим механические характеристики co-f(M) асинхронного двигателя при различных законах изменения напряжения на зажимах статора при частотном регулировании.
1. Характеристика co=f(M) при законе регулирования скорости Ui/o.=consl (кривая 1 на рис.4). Из схемы видно, что поскольку R] не зависит от о., то по мере снижения частоты доля падения напряжения на активном сопротивлении растет и напряжение за активным сопротивлением Е! а уменьшается. ЭДС двигателя E’ja, которая должна была бы уменьшаться пропорционально а, уменьшается в большей степени, что вызывает снижение жесткости и критического момента по мере уменьшения частоты.
|
Рисунок 4 - Схема замещения є относительных единицах и механические характеристики при различных законах частотного управления |
2. Регулирование напряжения с компенсацией падения напряжения в активном сопротивлении обмотки статора. Если напряжение на зажимах двигателя менять таким образом, что EJo.=const, то величина потока не зависит от частоты питающего напряжения, а зависит от тока двигатечя. Механические характеристики при таком способе регулирования скорости будут обладать требуемой перегрузочной способностью и высокой жесткостью во всем диапазоне регулирования скорости. При номинальной частоте характеристика co=f(M) практически совпадает с характеристикой при законе U i/a,=const.
3. Характеристика co=f(M) при Ф=const или E^/a=const (кривая 2). При Ф=const максимальный момент двигателя получается значительно больше, чем максимальный момент, развиваемый двигателем при регулировании по закону EJo.=const.
4. Характеристика co=f(M) при законе поддержания постоянства потокосцепления ротора, который обеспечивается путем изменения напряжения на зажимах статора в функции частоты а и абсолютного скольжения /і, причем эти функции нелинейны. В этом случае механическая характеристика представляет собой прямую, подобную характеристике двигателя постоянного тока с независимым возбуждением (кривая 3 на рис. 4). Данный способ регулирования скорости реализуется в системах векторного управления.
К одним из наиболее распространенных устройств современной силовой электроники относятся автономные инверторы напряжения. В составе преобразователей частоты они преобразуют постоянное напряжение в переменное напряжение регулируемой частоты и среднего значения. Они …
С начала 90-х годов ведущие электротехнические фирмы выпускают ПЧ третьего поколения, среди которых наиболее значительной является группа преобразователей со звеном постоянного тока и автономным инвертором напряжения с широтно-импульсной модуляцией для …
5.1 Элементная база В истории развития преобразовательной техники для электроприводов переменного тока можно выделить три этапа. До начала 80-х годов частотно-регулируемые приводы строились на базе тиристорных ПЧ с аналоговым управлением, …
msd.com.ua
