Для двигателей с фазным ротором можно в принципе использовать все те же способы регулирования скорости вращения, как и для двигателей с короткозамкнутым ротором. Однако на практике из числа этих способов для двигателей с фазным ротором применяется только способ регулирования скорости вращения с помощью реакторов насыщения. Ниже рассмотрим способы регулирования скорости вращения, которые специфичны для двигателей с фазным ротором и в которых используется возможность включения регулирующих устройств во вторичную цепь.
Регулирование скорости вращения с помощью реостата в цепи ротора производится по той же схеме рис. 28-3, что и реостатный пуск двигателя, но реостат при этом должен быть рассчитан на длительную работу. При увеличении активного сопротивления вторичной цепи вид механической характеристики двигателя изменяется (см. рис. 28-4; а): характеристика становится более мягкой и скольжение двигателя при том же моменте нагрузки Мст увеличивается.
При Мст=const рабочее скольжение s с большой точностью пропорционально sт и, следовательно, активному сопротивлению цепи ротора. Поэтому скольжения s и s', соответствующие случаям rд = 0 и rд? 0, находятся в соотношении
,
откуда значение rд, необходимое для получения скольжения s', равно
. (28-8)
Рассматриваемый способ регулирования скорости связан со значительными потерями энергии в сопротивлении гд и поэтому малоэкономичен. Он применяется главным образом при кратковременной или повторно-кратковременной работе (например, пуско-наладочные режимы некоторых машин, крановые устройства и пр.), а также в приводах с вентиляторным моментом. В последнем случае мощность на валу с уменьшением скорости быстро снижается, и поэтому мощность скольжения и потери в цепи ротора ограничены.
К недостаткам реостатного регулирования скорости относятся также мягкость механических характеристик и зависимость диапазона регулирования от нагрузки. В частности, регулирование скорости на холостом ходу практически невозможно.
Регулирование скорости вращения посредством введения добавочной э. д. с. во вторичную цепь двигателя.
Регулирование скорости вращения асинхронного двигателя путем увеличения его скольжения всегда связано с выделением во вторичной цепи двигателя значительной электрической мощности скольжения
большая часть которой при реостатном регулировании теряется 'в реостате. Поэтому, естественно, возникает мысль о полезном использовании этой мощности и о повышении таким образом к. п. д. установки.
Полезное использование мощности скольжения возможно, если вместо реостата присоединить к контактным кольцам фазного двигателя приемник электрической энергии в виде подходящей для этой цели вспомогательной электрической машины.
Эта машина будет работать в режиме двигателя и оказывать воздействие на регулируемый асинхронный двигатель, развивая напряжение на его вторичных зажимах, так как при вращении вспомогательной машины в ее якоре индуктируется э. д. с. Можно также сказать, что задачей вспомогательной машины, как и реостата при реостатном регулировании, является создание «подпора» напряжения на контактных кольцах регулируемого асинхронного двигателя, ибо наличие определенного напряжения на кольцах U2к-- непременное условие выдачи с этих колец определенной мощности
во внешнюю цепь двигателя. Вместе с тем, вспомогательная машина в отличие от реостата позволяет полезно использовать эту мощность.
Прежде всего рассмотрим вопрос о влиянии на работу фазного асинхронного двигателя внешней добавочной э. д. с. Ед, вводимой во вторичную цепь двигателя с помощью его контактных колец, при условии, что частота этой добавочной э. д. с. всегда равна частоте вторичного тока и э. д. с. f2 = sf1 самого двигателя.
На рис. 28-13, а изображена векторная диаграмма вторичной цепи асинхронного двигателя при Ед = 0. Вторичный ток двигателя
' (28-9)
имеет значение, необходимое для создания нужного электромагнитного момента М в соответствии с моментом нагрузки Мст на валу.
Если теперь во вторичную цепь ввести э. д. с. Ед встречно э. д. с. скольжения Е2s. в этой же цепи, то вторичный ток
(28-10)
в первый момент времени уменьшится. Поэтому развиваемый двигателем момент М также уменьшится, двигатель начнет тормозиться, а скольжение s -- увеличиваться. При этом, согласно равенству (28-10), ток I2, а вместе с ним и момент М будут увеличиваться. Это будет происходить до тех пор, пока опять не наступит равновесие моментов М = Мст на валу. Двигатель при этом будет работать с увеличенным скольжением s, а векторная диаграмма вторичной цепи приобретет вид, изображенный на рис. 28-13, б. Очевидно, что посредством регулирования величины Ед можно регулировать величину s и, следовательно, скорость вращения двигателя.
Предположим теперь, что э. д. с. Ед имеет по сравнению с рассмотренным случаем противоположное направление и совпадает по фазе с э. д. с. на рис. 28-13. а. Тогда вместо выражения (28-9) получим
В первый момент после введения э. д. с. Ек ток I2 и момент М возрастут, двигатель будет ускоряться и s будет уменьшаться. При достаточном значении Ед скольжение s уменьшится до нуля, и если ток I2, создаваемый в этом случае только за счет действия Ед, все еще будет велик по сравнению с током, необходимым для создания момента М = Мст, то ускорение двигателя будет продолжаться и скорость превысит синхронную. Скольжение s и э. д. с. при этом изменят знаки и будут расти по абсолютной величине до тех пор, пока в соответствии с выражением (28-11) ток не упадет до необходимого значения. При s<0 угол -- отрицательный и векторная диаграмма вторичной цепи двигателя имеет вид, показанный на рис. 28-13, в. Ток I2 при этом будет иметь составляющую, совпадающую с Ф. Поэтому намагничивающий ток, потребляемый из первичной цепи, уменьшится и двигателя повысится.
Таким образом, с помощью добавочной э. д. с. Ед, путем изменения ее значения и направления, можно осуществить, плавное двухзонное регулирование скорости двигателя: ниже и выше синхронной.
Если пренебречь потерями, то мощность источника добавочной э. д. с. равна мощности скольжения sРэм, причем при s > 0 этот источник является приемником и потребляет энергию из вторичной цепи двигателя, а при s < 0 -- генератором и отдает мощность во вторичную цепь двигателя. Механическая мощность, развиваемая магнитным полем двигателя, при s > 0 будет меньше Рэм, а при s < 0 в соответствии с изменением знака мощности скольжения Рмх > Рэм.
Каскад асинхронного двигателя с машиной постоянного тока.
Реализация рассмотренного способа регулирования скорости вращения асинхронного двигателя посредством добавочной э, д. с. осуществляется в каскадных соединениях двигателя со вспомогательными электрическими машинами. Рассмотрим здесь каскадные соединения асинхронного двигателя с машиной постоянного тока. На рис. 28-14, а показана схема каскада фазного асинхронного двигателя АД, приводящего в движение некоторую рабочую машину РМ, с машиной постоянного тока независимого возбуждения - МПТ. Цепь якоря МПТ приключена к контактным кольцам асинхронного двигателя через ионный или полупроводниковый выпрямитель В, соединенный по трехфазной мостовой схеме.
Выпрямитель преобразовывает переменный ток частоты скольжения f2 = sf1 во вторичной цепи АД в постоянный ток в цепи якоря МПТ. Э. д. с. якоря МПТ в данном случае и является той рассмотренной выше добавочной э. д. с. Ед, которая (в данном случае с помощью выпрямителя В) вводится во вторичную цепь двигателя АД. Регулирование этой э. д. с. и скорости вращения АД производится путем регулирования тока побуждения МПТ.
На схеме рис. 28-14, а машина постоянного тока МПТ расположена на валу асинхронного двигателя АД. Она преобразовывает мощность скольжения Рs, потребляемую из вторичной цепи АД, в механическую мощность, которая через вал двигателя АД вместе с механической мощностью Рмх двигателя передается рабочей машине РМ. Такой каскад называется электромеханическим. Если при регулирований скорости вращения обеспечить полное использование мощности АД (Р1 = Рн = const) и пренебречь потерями, то в этом каскаде мощность, передаваемая рабочей машине РМ,
также остается при всех скоростях постоянной и равной номинальной мощности. В связи с этим электромеханический каскад иногда условно называют также каскадом постоянной мощности. Необходимая номинальная мощность вспомогательной машины каскада (в данном случае МПТ) зависит от пределов регулирования скорости:
Каскад с выпрямителями допускает регулирование скорости только вниз от синхронной (s>0). Если заменить выпрямитель управляемым ионным или полупроводниковым преобразователем, способным производить также обратное преобразование --постоянного тока в переменный, то можно осуществить регулирование скорости вверх от синхронной (s<0). Указанные на рис. 28-14 направления передачи мощности скольжения при s > 0 изменятся на обратные. Ввиду сложности системы управления таким преобразователем и некоторых других причин эти каскады до сих пор применения не получили. Ранее применялись также каскады, выполненные по схеме рис. 28-14, а, в которой вместо выпрямителя использовался одноякорный преобразователь переменного тока в постоянный .
На рис. 28-14, б изображена схема каскада, которая отличается от схемы рис. 28-14, а тем, что МПТ соединена механически со вспомогательной асинхронной или синхронной машиной ВМ. В этом каскаде мощность скольжения Рs при s > 0 передается с помощью ВМ, работающей в режиме генератора, обратно в сеть переменного тока. При s<0 ВМ работает в режиме двигателя. Такой каскад называется электрическим. В этом каскаде машине РМ передается только механическая мощность двигателя АД
которая при Р1 = Рн = const уменьшается пропорционально скорости вращения. Момент на валу РМ при этом остается постоянным, вследствие чего такой каскад иногда условно называют каскадом с постоянным моментом. Машины ВМ и МПТ на схеме рис. 28-14, б можно заменить трансформатором и полупроводниковым преобразователем постоянного тока в переменный и обратно.
Каскады позволяют осуществить экономичное и плавное регулирование скорости вращения асинхронного двигателя, однако вспомогательные машины и преобразователи удорожают установку. Поэтому каскады целесообразно применять только для привода мощных производственных механизмов, требующих регулирования скорости в достаточно широких пределах (например, прокатные станы, весьма мощные вентиляторы и др.). Рассмотренные выше каскадные соединений в связи с использованием в них ионных или полупроводниковых вентилей называют также вентильными каскадами.
Существуют также другие системы каскадов, в частности с использованием коллекторных машин переменного тока. Каскадные установки выполняются на мощности в сотни и тысячи киловатт с регулированием скорости вращения в пределах до 3:1 и больше.
studfiles.net
Скорость вращения ротора асинхронного двигателя
(28-3)
Способы регулирования скорости вращения асинхронных двигателей, согласно выражению (28-3), можно подразделить на два класса:
1) регулирование скорости вращения первичного магнитного поля
(28-4)
что достигается либо регулированием первичной частоты f1, либо изменением числа пар полюсов р двигателя;
2) регулирование скольжения двигателя s при n1 = соnst.
В первом случае к. п. д. двигателя остается высоким, а во втором случае к. п. д. снижается тем больше, чем больше s, так как при этом мощность скольжения (см. § 24-5)
(28-5)
теряется во вторичной цепи двигателя (мощность скольжения используется полезно только в каскадных установках).
Рассмотрим здесь главнейшие способы регулирования скорости вращения.
Регулирование скорости изменением первичной частоты (частотное регулирование) требует применения источников питания с регулируемой частотой (синхронные генераторы с переменной скоростью вращения, ионные или полупроводниковые преобразователи частоты и др.). Поэтому данный способ регулирования используется главным образом в случаях, когда для целых групп двигателей необходимо повышать (n > 3000 об/мин) скорости вращения (например, ручной металлообрабатывающий инструмент, некоторые механизмы деревообрабатывающей промышленности и др.) или одновременно и плавно их регулировать (например, двигатели рольгангов мощных прокатных станов и др.). С развитием полупроводниковых преобразователей все более перспективным становится также индивидуальное частотное регулирование скорости вращения двигателей. Схему короткозамкнутого асинхронного двигателя с частотным управлением при помощи полупроводниковых преобразователей можно получить, если на схеме рис. 11-14 заменить явно-полюсный ротор па ротор с обмоткой в виде беличьей клетки и питать эту схему от сети переменного тока через полупроводниковый выпрямитель. Управление инвертором при этом производится особым преобразователем частоты вне зависимости от положения ротора двигателя. Напряжение регулируется с помощью выпрямителя.
Если пренебречь относительно-небольшим падением напряжения в первичной цепи асинхронного двигателя, то
(28-6)
Существенное изменение потока Ф при регулировании n нежелательно, так как увеличение Ф против нормального вызывает увеличение насыщения магнитной цепи и сильное увеличение намагничивающего тока, а уменьшение Ф вызывает недоиспользование машины, уменьшение перегрузочной способности и увеличение тока I2 при том же значении М. Поэтому в большинстве случаев целесообразно поддерживать Ф =const. При этом из соотношения (28-6) следует, что одновременно с регулированием частоты пропорционально ей необходимо изменять также напряжение, т. е. поддерживать
(28-7)
Отступление от этого правила целесообразно только в случаях, когда Мст быстро уменьшается с уменьшением n (например, приводы вентиляторов, когда Мст ~ ). В этом случае более быстрое уменьшение U по сравнению с f1 вызывает уменьшение Ф и улучшает энергетические показатели двигателя (и к. п. д.) и в то же время уменьшение Мт с точки зрения перегрузочной способности не опасно.
При широком диапазоне регулирования правильнее поддерживать
Ф~
К недостаткам частотного регулирования относится громоздкость и высокая стоимость питающей установки.
Регулирование скорости изменением числа пар полюсов р используется обычно для двигателей с короткозамкнутым ротором, так как при этом требуется изменять р только для обмотки статора. Изменять р можно двумя способами: 1) применением на статоре нескольких обмоток, которые уложены в общих пазах и имеют разные числа пар полюсов р; 2) применением обмотки специального ' типа, которая позволяет получить различные значения р путем изменения (переключения) схемы соединений обмотки. Предложено значительное количество различных схем обмоток с переключением числа пар полюсов, однако широкое распространение из них получили только некоторые. Применение нескольких обмоток невыгодно, так как при этом из-за ограниченного места в пазах сечение проводников каждой из обмоток нужно уменьшать, что приводит к снижению мощности двигателя. Использование обмоток с переключением числа пар полюсов вызывает усложнение коммутационной аппаратуры, в особенности, если с помощью одной обмотки желают получить более двух скоростей вращения. Несколько ухудшаются также энергетические показатели двигателей.
Двигатели с изменением числа пар полюсов называются многоскоростными. Обычно они выпускаются на 2, 3 или 4 скорости вращения, причем двухскоростные двигатели изготовляются с одной обмоткой на статоре и с переключением числа пар полюсов в отношении р2 : p1 == 2 : 1, трехскоростные двигатели- с двумя обмотками на статоре, из которых одна выполняется с переключением р2 : р1 = 2 : 1, четырехскоростные двигатели -- с двумя обмотками на статоре, каждая из которых выполняется с переключением числа пар полюсов в отношении 2:1. Например, двигатель на f1 = 50 Гц с синхронными скоростями вращения 1500/1000/750/ /500 об/мин имеет одну обмотку с переключением на 2р = 4 и 8 и другую обмотку с переключением на 2p=6 и 12.
Многоскоростные двигатели применяются в металлорежущих и деревообрабатывающих станках, в грузовых и пассажирских лифтах, для приводов вентиляторов и насосов и в ряде других случаев.
Каждая фаза обмотки с переключением числа пар полюсов в отношении 2 : 1 (рис. 28-5) состоит из двух частей, или половин, с одинаковым количеством катушечных групп в каждой части. Когда обе части обмотки обтекаются токами одинакового направления, обмотка создает магнитное поле с большим числом полюсов (рис, 28-5, а, 2р = 4), а при изменеиии направления тока в одной части обмотки на обратное, число полюсов уменьшается вдвое (рис. 28-5, б и в, 2р =2). Подобные переключения производятся во всех фазах одновременно, и переключаемые части обмотки могут соединяться последовательно (рис. 28-5, а и б) или параллельно (рис. 28-5, в).
Ширина фазной зоны, занимаемой сторонами катушек катушечной группы, и шаг обмотки в зубцовых делениях одинаковы при обоих числах полюсов. Поскольку, однако, при переключении числа пар полюсов в отношении 2 : 1 полюсное деление изменяется в два раза, то величина фазной зоны в электрических градусах и относительный шаг обмотки при этом также изменяются в два раза.
Переключаемую обмотку выполняют так, что при меньшем числе пар полюсов (р1) фазная зона б== 60° эл. Тогда при удвоенном числе пар полюсов (р2 =2р1) ширина этой зоны будет б = 120° эл.
Нормальные чередования фазных зон при одинаковом направлении вращения магнитного поля для обеих скоростей вращения должны быть такими, как показано на рис. 28-6. Из рисунка видно, что, кроме изменения направлений токов в зонах X, У, Z (рис. 28-6, а) на обратные (т. e. обращение их в зоны А, В, С), для сохранения направления вращения поля, а следовательно, и ротора при переключении числа пар полюсов (рис. 28-6, б) необходимо также переключить концы двух фаз обмотки (например, фазы В и С). Обмотка выполняется так, что ее шаг равен полному (180? эл,) при большем числе полюсов (2р2), так как кривая н. с. обмотки с зоной б = 120° наиболее близка к синусоидальной при полном шаге. Тогда при меньшем числе полюсов относительный шаг в= 0,5.
Из сказанного следует, что обмотка с переключением числа полюсов создает н. с. с большим значением бьющих гармоник поля,
чем нормальная трехфазная обмотка с б = 60° и в = 5/6. Это приводит к некоторому ухудшению энергетических показателей двигателей с переключением числа полюсов по сравнению с нормальными. На рис. 28-7 и 28-8 представлены наиболее часто употребляемые схемы обмоток с переключением числа пар полюсов в отношений p2: p1=2: 1. Определим мощности и моменты, развиваемые двигателями с такими схемами обмоток при неизменном линейном напряжении сети Uл1 наибольшем допустимом (номинальном) токе в полуфазе обмотки I?ф. Пренебрегая разницей в условиях охлаждения при изменении скорости, вращения, можно принять, что значение I?ф одинаково при обеих скоростях вращения. Приближенно можно считать, что коэффициенты мощности и к. п. д. при одинаковых значениях I?ф для обеих скоростей вращения также одинаковы.
При указанных условиях мощности на валу для схем рис. 28-7, а и б соответственно равны:
Таким образом,
и, следовательно, при переходе от меньшей скорости вращения (рис. 28-7, а) к большей (рис. 28-7, б) допустимая мощность на валу увеличивается в два раза. Момент вращения при этом, очевидно, остается постоянным, и поэтому схема переключения Y/YY (рис. 28-7) называется также схемой переключения с М =const. При схемах рис. 28-8, а и б имеем соответственно:
;
, откуда
= 1,15.
Обычно при использовании схемы рис. 28-8 для обеих скоростей вращения указывается одинаковая номинальная мощность, т. е. принимается, что Р1 == Р2. Схема переключения Д/YY (рис. 28-8) называется также схемой переключения с Р =const.
Вид механических характеристик двигателей со схемами обмоток рис. 28-7 и 28-8 изображен на рис. 28-9.
При переключении многоскоростной обмотки магнитные индукции на отдельных участках магнитной цепи в общем случае изменяются, что необходимо иметь в виду при проектировании двигателя, чтобы, с одной стороны, добиться по возможности более полного использования
материалов двигателя, а с другой -- не допустить чрезмерного насыщения магнитной цепи.
Масса и стоимость многоскоростных двигателей несколько больше, чем у нормальных асинхронных двигателей такой же мощности.
Регулирование скорости уменьшением первичного напряжения.
При уменьшении U1 момент двигателя изменяется пропорционально и соответственно изменяются механические характеристики (рис. 28-10), в результате чего изменяются также значения рабочих скольжений s1,s2 s3... при данном виде зависимости Мcт= f(s). Очевидно, что регулирование s в этом случае возможно в пределах 0 <s < sт. Для получения достаточно большого диапазона регулирования скорости необходимо, чтобы активное сопротивление цепи ротора и соответственно sт были достаточно велики (сравни рис. 28-10, а и б).
Следует учитывать, что во вторичной цепи возникают потери, равные мощности скольжения Рs и вызывающие повышенный нагрев ротора. Этот метод регулирования скорости применяется также для двигателей с фазным ротором, причем в этом случае в цепь ротора включаются добавочные сопротивления.
В связи с пониженным к. п. д. и трудностями регулирования напряжения рассматриваемый метод применяется только для двигателей малой мощности. При этом для регулирования U1 можно использовать регулируемые автотрансформаторы или сопротивления, включенные последовательно в первичную цепь. В последние годы для этой цели все чаще применяют (рис. 28-11) реакторы насыщения, регулируемые путем подмагничивания постоянным током (см. § 18-4). При изменении значения постоянного тока подмагничивания индуктивное сопротивление реактора изменяется, что приводит к изменению напряжения на зажимах двигателя. Путем автоматического регулирования тока подмагничивания можно расширить зону регулирования скорости в область s > sт и получить при этом жесткие механические характеристики.
Импульсное регулирование скорости (рис. 28-12) производится путем периодического включения двигателя в сеть и отключения его от сети либо путем периодического шунтирования с помощью контактора или полупроводниковых вентилей сопротивлений, включенных последовательно в цепь статора. При этом двигатель беспрерывно находится в переходном режиме ускорения или замедления скорости вращения ротора и в зависимости от частоты и продолжительности импульсов работает с некоторой, приблизительно постоянной скоростью вращения. Подобное регулирование скорости применяется только для двигателей весьма малой мощности (Рн << 30- 50 Вт).
Более подробно некоторые вопросы регулирования скорости вращения асинхронных двигателей рассматриваются в курсах электропривода.
studfiles.net
Электроприводы с трехфазными асинхронными двигателями являются самым массовым видом электропривода в промышленности и коммунальном хозяйстве. Это обусловлено, в первую очередь, простотой его конструкции, и как следствие высокой надежностью в работе и неприхотливостью в эксплуатации, а также меньшими по сравнению с двигателями постоянного тока массой и габаритными размерами.
Анализ формул для электромеханической
(5.29)
и механической
(5.30)
характеристик, приведенных в гл. 2 (с. 31) показывает, что регулирование координат может быть обеспечено изменением подводимого к статору напряжения как по величине Us, так и по частоте f, а также с помощью добавочных резисторов и индуктивных сопротивлений в цепях статора (Rs и Хs) и ротора (Rr и Хr).
На рис. 5.7 приведены искусственные характеристики асинхронного двигателя для случая уменьшения напряжения на статоре (рис. 5.7, а), при введении в фазы статора добавочных активных и индуктивных сопротивлений (рис. 5.7, б), а также при введении в фазы ротора дополнительных активных сопротивлений (рис. 5.7, в). Искусственные характеристики при изменении частоты питающего напряжения при различных законах регулирования (при Us = const, Us/f = const и Us/f2 = const) приведены ранее в гл. 2, рис. 2.10 (с. 32).
Рис. 5.7. Схемы включения и характеристики асинхронного двигателя при уменьшении напряжения на статоре (а), введении в цепь статора активного или индуктивного сопротивлений (б),
введении в цепь ротора активного сопротивления (в)
Скорость идеального холостого хода асинхронного двигателя зависит от частоты питающего напряжения f и числа пар полюсов p
, (5.31)
а потому для всех рассмотренных на рис. 5.7 случаев регулирования остается неизменной.
Величина критического момента
(5.32)
имеет квадратичную зависимость от напряжения, находится в обратной зависимости, как от активного, так и от индуктивного сопротивлений в цепи статора и не зависит от величины активного сопротивления в цепи ротора двигателя.
Анализ рис. 5.7, а позволяет заключить, что простое изменение напряжения питания асинхронного двигателя не дает существенного эффекта по регулированию его скорости вращения. Диапазон регулирования непригодно мал, а потому такой способ регулирования скорости в настоящее время не находит практического применения.
На рис. 5.7, б приведены искусственные характеристики при включении в цепь статора добавочного активного или индуктивного сопротивления. Вид их зависит от величины этих сопротивлений, но при всех условиях момент двигателя при скорости выше нуля будет больше, чем в случае постоянного напряжения на зажимах статора, обеспечивающего пусковой момент той же величины. Кроме того, значение скорости вращения при критическом моменте также несколько увеличивается. На практике такой способ воздействия на асинхронный двигатель иногда применяется для ограничения пусковых токов и моментов, но в связи с низкими показателями качества регулирования для регулирования скорости не используется.
Введение в цепь ротора асинхронного двигателя с фазным ротором активного сопротивления (рис. 5.7, в) приводит, как и у двигателя постоянного тока, к снижению жесткости механической характеристики, но при этом в отличие от предыдущих случаев не влияет на величину критического момента. Этот факт позволяет повышать пусковой момент при одновременном существенном снижении величины тока статора (см. рис. 5.7, в). Диапазон регулирования рассматриваемого способа невелик, до 3:1, скорость регулируется исключительно вниз от основной, потери энергии велики, однако до недавнего времени такие схемы находили широкое применение для задач уменьшения момента и тока в процессе пуска электропривода.
studfiles.net
Общие положения.
Скорость вращения ротора асинхронного двигателя
Способы регулирования скорости вращения асинхронных двигателей, согласно выражению (28-3), можно подразделить на два класса: 1) регулирование скорости вращения первичного магнитного поля
что достигается либо регулированием первичной частоты fltлибо изменением числа пар полюсов р двигателя; 2) регулирование скольжения двигателя s при пх — const. В первом случае к. п. д. двигателя остается высоким^ а во втором случае к. п. д. снижается тем больше, чем больше s, так как при этом мощность скольжения (см. § 24-5)
теряется во вторичной цепи двигателя (мощность скольжения используется полезно только вкаскадных установках — см. § 28-3).
Рассмотрим здесь главнейшие способы регулирования скоростивращения.
Регулирование скорости изменением первичной частоты(частотное регулирование) требует применения источников питания с регулируемой частотой (синхронные генераторы спеременной скоростью вращения, ионные или полупроводниковые преобразователи частоты и др.)- Поэтому данный способ регулирования используется главным образом в случаях, когда для целых групп двигателей необходимо повышать (п > 3000 об/мин) скорости вращения (например, ручной металлообрабатывающий инструмент, некоторые механизмы деревообрабатывающей промышленности и др.) или одновременно и плавно их регулировать (например, двигатели рольгангов мощных прокатных станов и др.). С развитием полупроводниковых преобразователей все более перспективным становится также индивидуальное частотное регулирование скорости вращения Двигателей. Схему короткозамкнутого асинхронного двигателя с частотным управлением при помощи полупроводниковых преобразователей можно получить, если на схеме рис. 11-14заменить явно-полюсный ротор на ротор с обмоткой в виде беличьей клетки и питать эту схему от сети переменного тока через полупроводниковый выпрямитель. Управление инвертором при этом производится особым преобразователем частоты вне зависимости от положения ротора двигателя. Величина напряжения регулируется спомощью выпрямителя.
Если пренебречь относительно небольшим падением напряжения в первичной цепи асинхронного двигателя, то
Существенное изменение величины потока Ф при регулировании п нежелательно, так как увеличение Ф против нормального вызывает увеличение насыщения магнитной цепи и сильное увеличение намагничивающего тока, а уменьшение Ф вызывает недоиспользование машины, уменьшение перегрузочной способности и увеличение тока /2 при том же значении М [(см. равенство (25-11)] и т. д. Поэтому в большинстве случаев целесообразно поддерживать Ф = = const. При этом из соотношения (28-6) следует, что одновременно с регулированием частоты пропорционально ей необходимо изменять также напряжение, т. е. поддерживать
Отступление от этого правила целесообразно только в случаях, когда Мст быстро уменьшается с уменьшением п (например, приводы вентиляторов, когда М„ = п2). В этом случае более быстрое уменьшение Ux по сравнению с /L вызывает уменьшение Ф и улучшает энергетические показатели двигателя (cos фх и к. п. д. — см. § 29-7)
и в то же время уменьшение Мтс точки зрения перегрузочной способности не опасно.
При широком диапазоне регулирования правильнее поддерживать
O = £1/f1 = const.
К недостаткам частотного регулирования относится громоздкость и высокая стоимость питающей установки.
Регулирование скорости изменением числа пар полюсов р используется обычно для двигателей с короткозамкнутым ротором, так как при этом требуется изменять р только для обмотки статора. Изменять р можно двумя способами: 1) применением на статоре нескольких обмоток, которые уложены в общих пазах и имеют разные числа пар полюсов р; 2) применением обмотки специального типа, которая позволяет получить различные значения р путем изменения (переключения) схемы соединений обмотки. Предложено значительное количество различных схем обмоток с переключением числа пар полюсов, однако широкое распространение из них получили только некоторые. Применение нескольких обмоток невыгодно, так как при этом из-за ограниченного места с пазах сечение проводников каждой из обмоток нужно уменьшать, что приводит к снижению мощности двигателя. Использование обмоток с переключением числа пар полюсов вызывает усложнение коммутационной аппаратуры, в особенности, если с помощью одной обмотки желают получить более двух скоростей вращения. Несколько ухудшаются также энергетические показатели двигателей.
Двигатели с изменением числа пар полюсов называются много-скоростными, Обычно они выпускаются на 2, 3 или 4 скорости вращения, причем двухскоростные двигатели изготовляются с одной обмоткой на статоре и с переключением числа пар полюсов в отношении р2 : pt= 2 : 1, трехскоростные двигатели — с двумя обмотками на статоре, из которых одна выполняется с переключением Рг : Pi = 2 : 1, четырехскоростные двигатели — с двумя обмотками на статоре, каждая из которых выполняется с переключением числа пар полюсов в отношении 2:1. Например, двигатель на /х = 50 гц с синхронными скоростями вращения 1500/1000/750/500 об/мин имеет одну обмотку с переключением на 2р = 4 и 8 и другую обмотку с переключением на 2р = 6 и 12.
Многоскоростные двигатели применяются в металлорежущих и деревообрабатывающих станках, в грузовых и пассажирских лифтах, для приводов вентиляторов и насосов и в ряде других случаев.
Каждая фаза обмотки с переключением числа пар полюсов в отношении 2 : 1 (рис. 28-5) состоит из двух частей, или половинок, с одинаковым количеством катушечных групп в каждой части.
Когда обе части обмотки обтекаются токами одинакового направления, обмотка создает магнитное поле с большим числом полюсов (рис. 28-5, а, 2р = 4), а при изменении направления тока в одной части обмотки на обратное число полюсов уменьшается вдвое (рис. 28-5, б и в, 1р = 2). Подобные переключения производятся во всех фазах одновременно, и переключаемые части обмотки могут
соединяться последовательно (рис. 28-5, а и б) или параллельно (рис. 28-5, в).
Ширина фазной зоны, занимаемой сторонами катушек катушечной группы, и величина шага обмотки в зубцовых делениях одинаковы при обоих числах полюсов. Поскольку, однако, при переключении числа пар полюсов в отношении 2 : 1 полюсное деление изменяется в два раза, то величина • фазной зоны в электрических градусах и относительный шаг обмотки при этом также изменяются в два раза.
Переключаемую обмотку выполняют так, что при меньшем числе пар полюсов {р^ фазная зона а = 60° эл. Тогда при удвоенном числе пар полюсов (р2 = 2рх) ширина этой зоны, будет а = 120° эл. Нормальные чередования фазных зон при одинаковом направлении вращения магнитного поля для обеих скоростей вращения должны быть
такими, как показано на рис. 28-6. Из рисунка видно, что, кроме изменения направлений токов в зонах X, Y, Z (рис. 28-6, а) на обратные (т. е. обращение их в зоны А, В, С), для сохранения направления вращения поля, а следовательно, и ротора при переключении числа пар полюсов (рис. 28-6, б) необходимо также переключить концы двух фаз обмотки (например, фазы В и С).
Обмотка выполняется так, что ее шаг равен полному (180° эл.) при большем числе полюсов (2р2), так как кривая н. с. обмотки с зоной а = 120° наиболее близка к синусоидальной при полном шаге. Тогда при меньшем числе полюсов относительный шаг |J = = 0,5.
Рис. 28-5. Принципиальные схемы
одной фазы обмотки с переключением
числа полюсов: а — при 2р = 4;
б, в — при 2р = 2
Из сказанного следует, что обмотка с переключением числа по-люсо'в создает н. с. с большей величиной высших гармоник поля, чем нормальная трехфазная обмотка с а = 60° и р = 5/в. Это приводит к некоторому ухудшению энергетических показателей двигателей с переключением числа полюсов по сравнению с нормальными.
На рис. 28-7 и 28-8 представлены наиболее часто употребляемые схемы обмоток с переключением числа пар полюсов в отношении р2■" pi = 2 : 1. Определим мощности и моменты, развиваемые двигателями с такими схемами обмоток при неизменном линейном напряжении сети Unи наибольшем допустимом (номинальном) токе в полуфазе обмотки /ф. Пренебрегая разницей в условиях охлаждения при изменении скорости вращения, можно принять, что величина /ф одинакова при обеих скоростях вращения. Приближенно
Рис. 28-6. Чередование фазных зон обмотки с переключением полюсов в отношении 1 : 2
Рис. 28-7. Принципиальная схема соединений обмотки с переключением числа полюсов в отношении 2 : 1 при постоянном моменте
Рис. 28-8. Принципиальная схема соединений обмотки с переключением числа полюсов в отношении 2 : 1 при постоянной мощности
можно считать, что коэффициенты мощности и к. п. д. при одинаковых значениях /ф для обеих скоростей вращения также одинаковы. При указанных условиях мощности на валу для схем рис. 28-7, а и б соответственно равны:
Таким образом,
и, следовательно, при переходе of меньшей скорости вращения (рис. 28-7, а) к большей (рис. 28-7, б) допустимая мощность на валу увеличивается в два раза. Момент вращения при этом, очевидно, остается постоянным, и поэтому схема переключения Y/YY (рис.28-7) называется также схемой переключения,с М = const. При схемах рис. 28-8, а и б имеем соответственно:
Обычно при использовании схемы рис. 28-8 для обеих скоростей вращения указывается .одинаковая номинальная мощность, т. е*>
принимается, что Pi = Л% Схема переключения Д/Кк (рис 28-8) называется также; схемой переключения с Р *4 — const.
Вид механических харак* тертетик двигателей cq cxe| мами обмоток рис. 28-7 и 28^1 изображен на рис. 28-9.
При переключении ышоЩ, скоростной, обмотки магни*?
нще индукции на отдельных участках магнитной цепи в обще*| случае изменяются, что необходимо иметь в виду при проектирован нии Двигателя, чтобы, с одной стороны, добиться по возможности более полного использования материалов двигателя» а с другой^ не допустить чрезмерного насыщения магнитной, цеди.
Вес и стоимость многоекороетнш двигателей несколько больше^ чемг у нормальных асинхронных двигателей такой же мощности/ Тем не менее это лучший и наиболее широко применяемый сносок регулирования скорости "короткозамкнувдх двигателей.
Регулирование скорости уменьшением величины первичного напряжения. При уменьшении Uxмомент двигателя ^змеияется пропорционально Щ я соотйелгственво ваменяются механические ка^актеристики (рис. 28-10), в результате чего, наменяйтся также значения рабочих скольжений su\, s3... при данном виде зависимости Л1„ = / (s). Очевидно, что регулирование s в этом случае во»? можно в нределйх 0 < s < Sm. Для получения достаточно большого
диапазона регулирования скорости необходимо, чтобы активное сопротивление цепи ротора и соответственно smбыли, достаточно велики (рис. 28-10, б).
Рис. 28-10. Механические характеристики асинхронных двигателей при различных величинах первичного напряжения
Следует учитывать, что во вторичной цепи возникают потери, равные мощности скольжения Psи вызывающие повышенный нагрев ротора.
Этот метод регулирования скорости применяется также для двигателей с фазным ротором, причем в этом случае 9 о&пь ротора включаются добавочные сопротивления.
В связи с пониженным к. п. д. и трудностями регулирования напряжения рассматриваемый метод.йршеняется только для двигателей малой мощности. При этом для регулирования Utможно использовать регулируемые автотрансформаторы или сопротивления, включенные последовательно в первичную день, В последние годы для этой цели все чаще применяют (рис, 28-11) реакторы насыщения, регулируемые путем додмагничивания постоянным током (см. § 18-4). При изменении величины постоянного тока подмагничива-ния индуктивное сопротивление реактора изменяется, что
приводит к изменению напряжения на зажимах -двигателя. Путем автоматического регулирования тока подмагничивания можно расширить зону регулирования скорости в область s >■ smи получить при этом жесткие механические характеристики.
Рис. 28-11. Схема регулирования асинхронного двигателя с помощью реактора с под1-магничиванием постоянным током
Рис. 28-12. Схема импульсного регулирования скорости вращения асинхронного двигателя
Импульсное регулирование скорости(рис. 28-12) производится путем периодического включения двигателя в сеть и отключения его от сети или путем периодического шунтирования с помощью контактора К сопротивлений, включенных последовательно в цепь статора, или полупроводниковых вентилей. При этом двигатель беспрерывно находится в переходном режиме ускорения или замедления скорости вращения ротора и в зависимости от частоты и продолжительности импульсов работает с некоторой, приблизительно постоянной скоростью вращения. Подобное регулирование скорости применяется только для двигателей весьма малой мощности (Рн < 30 -т- 50 в/п).
Более подробно некоторые вопросы регулирования скорости вращения асинхронных двигателей рассматриваются в курсах электропривода.
lektsia.com
В двигателях с глубокими пазами на роторе коротко замкнутая обмотка ротора выполняется в виде тонких и высоких полос (рис. 119). При такой конструкции обмотки происходит оттеснение
тока к верхней части проводников вследствие того, что нижние части проводников сцеплены с большим числом магнитных линий потока рассеяния, чем верхние части.
Таким образом, ток, протекающий по проводникам, стремится сконцентрироваться преимущественно в верхней их части, что равносильно уменьшению поперечного сечения или увеличению активного сопротивления этих проводников.
Это явление оттеснения тока в верхние части проводников особенно сильно сказывается в момент включения двигателя, когда частота тока в роторе равна частоте тока сети, и, следовательно, при пуске в ход повышается активное сопротивление обмотки ротора, что увеличивает пусковой момент. При увеличении скорости вращения ротора частота тока в его обмотке уменьшается и ток более равномерно распределяется по сечению стержней, и при нормальной скорости вращения неравномерность распределения тока по поперечному сечению стержней почти полностью исчезает. Пусковой момент двигателей этого типа Мп= (1 ÷1,5) Мн, а пусковой ток Iп= (4÷5) Iн.
Таким образом, в двигателях с двойной короткозамкнутой обмоткой и с глубокими пазами пусковые моменты больше и пусковые токи меньше, чем у обычных короткозамкнутых двигателей.
Однако рабочие характеристики этих двигателей несколько хуже, чем обычных короткозамкнутых двигателей — несколько меньше соs , к. п. д. и максимальный момент, так как больше потоки рассеяния, т. е. больше индуктивные сопротивления обмоток ротора.
§ 97. РЕГУЛИРОВАНИЕ СКОРОСТИ ВРАЩЕНИЯ ТРЕХФАЗНЫХ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Число оборотов ротора в минуту определяется следующим выражением:
Из выражения (122) видно, что число оборотов ротора можно регулировать изменением любой из трех величин, определяющих число оборотов ротора, т. е. изменением частоты тока сети f1 числа пар полюсов р и скольжения S.
Регулирование скорости асинхронных двигателей изменением частоты тока сети сложно, так как необходим какой-либо регулирующий преобразователь частоты или генератор. Поэтому такой способ не имеет широкого применения.
Изменение числа полюсов машины возможно либо выполнением на статоре нескольких (обычно двух) обмоток с различным числом полюсов, либо одной обмотки, допускающей переключение на Различное число полюсов. Может быть помещено на статоре две обмотки, каждая из которых допускает переключение на различное число полюсов.
На рис 120 а схематически показаны две катушки одной фазы, соединенные последовательно. Ток, протекая по ним, создает магнитное поле с четырьмя полюсами.
Если изменить направление тока в одной из катушек, включив ее встречно с другой, то обмотка будет создавать двухполюсное магнитное поле (рис. 120, б). При изменении числа полюсов обмотки статора изменится скорость вращения его магнитного поля, а следовательно, и скорость вращения ротора двигателя. Этот способ регулирования скорости асинхронного двигателя экономичен, но недостатком его является ступенчатое изменение скорости. Кроме того, стоимость такого двигателя значительно возрастает вследствие усложнения обмотки статора и увеличения габаритов машин. Регулирование скорости изменением числа полюсов применяется в двигателях с короткозамкнутым ротором; в двигателях с контактными кольцами этот способ не используется, так как здесь одновременно с изменением числа полюсов обмотки статора необходимо в той же мере изменить число полюсов обмотки вращающегося ротора, что весьма сложно.
Заводы СССР выпускают двух-, трех — и четырехскоростные двигатели, например, на синхронные скорости вращения 500—750 — 1000—1500 об/мин. Такие двигатели имеют на статоре две обмотки, каждая из которых допускает переключение на различное число полюсов.
Изменить скольжение можно введением в цепь обмотки ротора регулировочного реостата, а также изменением напряжения сети. При изменении напряжения питающей сети изменяется вращающий момент двигателя, пропорциональный квадрату напряжения. При уменьшении вращающего момента начнет уменьшаться число оборотов ротора, т. е. увеличится скольжение.
Регулировочный реостат включается в цепь обмотки фазного ротора подобно пусковому реостату, но в отличие от пускового этот, реостат рассчитывается на длительное прохождение тока.
При включении регулировочного реостата сила тока в роторе уменьшится, что вызовет уменьшение вращающего момента двигателя и, следовательно, уменьшение скорости вращения или увеличение скольжения. При увеличении скольжения увеличивается э. д. с и ток в роторе. Скорость вращения или скольжения будет изменяться до восстановления равновесия моментов, т. е. пока сила тока в роторе не примет своего начального значения.
Этот способ регулирования скорости вращения может быть использован только в двигателях с фазным ротором и, несмотря на то, что является неэкономичным (так как в регулировочном реостате происходит значительная потеря энергии), имеет широкой применение.
§ 98. ОДНОФАЗНЫЕ АСИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ
Однофазные асинхронные двигатели широко применяют при небольших мощностях (до 1—2 квт). Такой двигатель отличается от обычного трехфазного двигателя тем, что на статоре его помещается однофазная обмотка. Поэтому любой трехфазный асинхронный двигатель может быть использован в качестве однофазного. Ротор однофазного асинхронного двигателя может иметь фазную или короткозамкнутую обмотку.
Особенностью однофазных асинхронным двигателей является отсутствие начального или пускового момента, т. е. при включении такого двигателя в сеть ротор его будет оставаться неподвижным.
Если же под действием какой-либо внешней силы вывести ротор из состояния покоя, то двигатель будет развивать вращающий момент.
Отсутствие начального момента является существенным недостатком однофазных асинхронных двигателей. Поэтому они всегда снабжаются пусковым устройством.
Наиболее простым пусковым устройством являются две обмотки, помещенные на статоре, сдвинутые друг относительно друга на половину полюсного деления (90° электрических). Эти обмотки катушек питаются от симметричной двухфазной сети, т. е. напряжения, приложенные к обмоткам катушек, равны между собой ил сдвинуты на четверть периода по фазе. В этом случае токи, протекающие по катушкам, окажутся также сдвинутыми по фазе на четверть периода, что в дополнение к пространственному сдвигу катушек дает возможность получить вращающееся магнитное поле. При наличии вращающегося магнитного поля двигатель развивает пусковой момент.
Простейшую двухфазную обмотку можно представить в виде двух катушек (рис. 121), оси которых смещены в пространстве на 90° (электрических). Если по этим катушкам, имеющим одинаковое число витков, пропустить равные по величине и сдвинутые по фазе на четверть периода синусоидальные токи, т. е.
то магнитные поля этих катушек будут также синусоидальны и сдвинуты по фазе на четверть периода, т. е.
При этом вектор ВА направлен по оси катушки А — X, а вектор Вв — по оси катушки В — У.
В любой момент результирующее магнитное поле равно геометрической сумме магнитных полей катушек А и В, т. е.
Следовательно, в любой момент результирующее магнитное поле двухфазной обмотки имеет неизменное значение, равное амплитуде поля одной фазы.
Можно записать:
fiziku5.ru
А. Принцип действия
По предложенной классификации каскадное регулирование скорости асинхронных двигателей относится к регулированию при плавном изменении скорости идеального холостого хода (w0=var). В каскадных схемах регулируется мощность скольжения (рис.8.45), которая или возвращается в электрическую сеть или превращается в механическую мощность, передаваемую на вал главного двигателя. По способу использования мощности скольжения различают электромеханический и электрический каскады. В электромеханических каскадах мощность скольжения возвращается на вал асинхронного двигателя, а в электрических - в сеть.
По виду преобразовательного устройства каскадные схемы разделяются на: 1) каскады с промежуточным звеном постоянного тока и 2) каскады с непосредственным преобразователем частоты. Преобразовательные устройства могут быть электромашинными или статическими. В настоящее время в электроприводе используют статические преобразовательные устройства, обычно построенные на основе силовых полупроводниковых приборов.
Принцип регулирования скорости АД в каскадных схемах основан на введении добавочной ЭДС Еg частоты скольжения f2=f1s в цепь ротора. В этом случае ток в цепи ротора определяется выражением
(8.284)
а электромагнитный момент
(8.285)
где R2, X2 – активное и индуктивное сопротивления фазы ротора;
Е2 – ЭДС фазы ротора при s=1;
S – скольжение.
Если статический момент постоянный (Мс=const), то введение Еg со знаком минус приводит к уменьшению тока ротора (и момента), а следовательно, к возрастанию скольжения до значения, при котором наступает равновесие электромагнитного и статического моментов. При согласном введении добавочной ЭДС Еg (знак плюс) скольжение уменьшается, и равновесие моментов наступает при более высокой скорости. При этом возможна работа АД в двигательном режиме при отрицательном скольжении. Проблема такого регулирования состоит в том, чтобы добавочная ЭДС имела такую же частоту, которую имеет ток ротора. В зависимости от способов создания добавочной ЭДС и введения ее в цепь ротора АД существует много разновидностей каскадных схем. В настоящее время применяются две каскадные схемы: 1) машинно-вентильный (электромеханический) каскад и 2) асинхронно-вентильный (электрический) каскад.
Электромеханический каскад с промежуточным звеном постоянного тока в виде одноякорного преобразователя был предложен Кремером в 1904 году, а электрический каскад с непосредственным электромашинным коллекторным преобразователем частоты предложил Шербиус в 1905 году.
Б. Машинно-вентильный (электромеханический) каскад
В настоящее время электромеханические каскады создаются обычно для однозонного регулирования скорости вниз от основной. Каскад включает неуправляемый (диодный) выпрямитель НВ в роторной цепи, который питает машину постоянного тока МПТ, соединенную с валом асинхронного двигателя АД (рис.8.46). Для сглаживания выпрямленного тока используется дроссель Др.
В соответствии с энергетической диаграммой рис.8.45 полная механическая мощность PMx, передаваемая на вал АД, определяется выражением
(8.286)
Мощность скольжения
(8.287)
через цепь постоянного тока также поступает на этот вал. Если пренебречь потерями в цепи постоянного тока (в диодах, дросселе, МПТ), то суммарная мощность на валу электрических машин
(8.288)
не зависит от регулируемого параметра s, т.е. остается постоянной при данной нагрузке. По этому электромеханический каскад называется еще каскадом постоянной мощности.
Энергетическая диаграмма электромеханического каскада с учетом потерь мощности в обмотке ротора DРпер.2, выпрямителя DРНВ и машине постоянного тока DРМПТ показана на рис.8.47. Суммарная механическая мощность (без учета механических потерь) на валу электрических машин составит
(8.289)
Для цепи постоянного тока электромеханического каскада можно составить эквивалентную схему, показанную на рис.8.48. На этой схеме обозначены:
Еd0 – максимальное значение выпрямленной ЭДС, которое для трехфазного мостового выпрямителя составляет
(2.290)
где Е2 – действующее значение фазной ЭДС обмотки ротора при неподвижном роторе и I2=0;
Е – противо ЭДС машины постоянного тока:
(8.291)
Xg – эквивалентное индуктивное сопротивление, приведенное к цепи постоянного тока:
(8.292)
где
(8.293)
(8.294)
w1, w2 – числа витков фазы обмотки статора и ротора;
X1 – индуктивное сопротивление рассеяния фазы обмотки статора;
(8.295)
R1, R2 – активные сопротивления фаз обмотки статора и ротора;
DUв, DUщ – падения напряжения на одном диоде и одной щетке МПТ соответственно,
Rдр – активное сопротивление дросселя,
Rя – сопротивление обмотки якоря МПТ,
В – идеальный вентиль, показывающий однонаправленное протекание выпрямленного тока.
Обозначим
(8.296)
тогда можно записать выражение для выпрямленного тока
(8.297)
Обозначим
(8.298)
как суммарную противо ЭДС, в результате выражение для выпрямленного тока Id можно записать в сжатом виде
(8.299)
На основании (8.299) определяем скольжение s0 и скорость w0к идеального холостого хода каскада, соответствующие Id=0:
(8.300)
(8.301)
где w0 – синхронная угловая скорость АД.
Подставив (8.301) в (8.291) и (8.298), а затем в (8.300), найдем, что скольжение идеального холостого хода каскада
(8.302)
зависит от магнитного потока Ф машины постоянного тока МПТ. Следовательно, с помощью тока возбуждения Iв (см.рис.8.46) можно устанавливать необходимый магнитный поток Ф, а значит s0, и получать желаемую скорость w0к идеального холостого хода каскада. Так осуществляется регулирование скорости АД в электромеханическом каскаде.
Электромагнитную мощность Рэм, которая передается роторной цепи от статора АД, можно выразить через параметры выпрямленного тока:
(8.303)
Выпрямленный ток ротора Id с учетом (8.296) и (8.299) представим в виде
(8.304)
где
(8.305)
(8.306)
(8.307)
(8.308)
Для дальнейших преобразований обозначили
(8.309)
тогда
(8.310)
и электромагнитная мощность (8.303) с учетом (8.310) получает вид
(8.311)
Обозначим
(8.312)
как абсолютное скольжение, подобно частотному управлению АД, и
(8.313)
тогда (8.311) преобразуется к виду
(8.314)
Максимальное значение Рm электромагнитная мощность (8.314) принимает при абсолютном скольжении
(8.315)
подстановка которого в (8.314) приводит к результату
(8.316)
Разделив (8.314) на угловую скорость (8.301) идеального холостого хода каскада, получим выражение электромагнитного момента
(8.317)
где
(8.318)
Подобно частотному управлению АД обозначим относительную скорость идеального холостого хода каскада
(8.319)
Теперь текущее значение угловой скорости АД можно записать в виде
(8.320)
а электромагнитный момент (8.317) представить как функцию a и sa:
(8.321)
где
(8.322)
Зависимости (8.320) и (8.321) представляют собой параметрическое уравнение (параметры a и sa) семейства механических характеристик электромеханического каскада. Жесткость этих характеристик
(8.323)
зависит от нагрузки (sa) и относительной скорости a идеального холостого хода каскада. Можно видеть, что с уменьшением a модуль жесткости механических характеристик возрастает. Механические характеристики электромеханического каскада показаны на рис.8.49. При sa<<skn-a механические характеристики каскада можно линеаризовать:
(8.324)
Из (8.324) находим уравнение семейства линеаризованных механических характеристик:
(8.325)
где
(8.326)
bл – модуль жесткости линеаризованных механических характеристик.
Нижняя граница регулирования скорости в электромеханическом каскаде ограничивается допустимыми габаритами машины постоянного тока. Мощность МПТ определяется мощностью скольжения Рск, которая может реализовываться как при максимальном моменте Мmax и минимальной скорости wmin, так и при минимальном моменте Мmin и максимальной скорости wmax:
(8.327)
Номинальная мощность МПТ будет определяться максимальным (номинальным) моментом и максимальной (номинальной) скоростью:
(8.328)
где Рном АД – номинальная мощность асинхронного двигателя,
D – диапазон регулирования скорости.
При D=2 номинальная мощность МПТ равна номинальной мощности АД, что практически и ограничивает этой величиной целесообразный диапазон регулирования скорости в электромеханическом каскаде.
Регулирование скорости в каскаде экономичное, поскольку потери мощности в роторной цепи
(8.329)
пропорциональны абсолютному скольжению, плавное и происходит, как следует из проведенного анализа, при постоянной мощности. В номинальном режиме к.п.д. каскада составляет (82¸86)%, а коэффициент мощности АД равен 0,75¸0,85.
Асинхронный двигатель пускается в электромеханическом каскаде с помощью пускового реостата, который не показан на рис.8.46. После пуска АД к выпрямителю роторной цепи подключается МПТ, а затем отключается пусковой реостат и устанавливается необходимое возбуждение МПТ.
Электромеханические каскады применяются для электроприводов средней и большой мощности (большие 200кВт), которые длительно работают и не требуют рекуперативного торможения.
В. Асинхронно-вентильный (электрический) каскад
В электрическом каскаде добавочная ЭДС в цепи выпрямленного тока ротора создается ведомым сетью инвертором ВИ, который через согласующий трансформатор Тр присоединяется к питающей электрической сети (рис.8.50). Эквивалентная схема асинхронно-вентильного каскада (АВК) приведена на рис.8.51. В дополнение к рис.8.48 здесь обозначено
(8.330)
(8.331)
(8.332)
Rтр, Xтр – активное и индуктивное сопротивления трансформатора Тр, приведенные ко вторичной обмотке,
w1тр,w2тр – числа витков первичной и вторичной обмоток трансформатора Тр,
mи – число эквивалентных фаз (пульсов) противо ЭДС инвертора ВИ,
Xи – эквивалентное сопротивление, соответствующее коммутационному падению напряжения в цепи постоянного тока инвертора,
DUвå - суммарное падение напряжения на проводящих вентилях выпрямителя и инвертора,
Еи0 – наибольшее среднее значение инвертируемой ЭДС.
Выпрямленный ток ротора определяется суммарной ЭДС и эквивалентным сопротивлением цепи постоянного тока:
(8.333)
где
(8.334)
(8.335)
aи – угол открывания вентилей ВИ в инверторном режиме.
Скольжение s0, соответствующее идеальному холостому ходу двигателя в АВК, находим, приравнивая нулю(8.333):
(8.336)
Выражение для скорости идеального холостого хода w0к остается прежним (8.301).
В связи с тем что, выпрямленный ток ротора Id для электромеханического и электрического каскадов определяется одинаковыми выражениями (8.304) и (8.333), все выводы, связанные с определением электромагнитной мощности, будет аналогичными. Различие наступает при определении электромагнитного момента, который для АВК находится делением электромагнитной мощности (8.314) на синхронную угловую скорость w0:
(8.337)
Поступая аналогично предыдущему, определяем параметрическое уравнение семейства механических характеристик АД в АВК
(8.338)
и модуль жесткости этих характеристик
(8.339)
Анализ (8.339) показывает, что с уменьшением a модуль жесткости механических характеристик уменьшается при одной и той же нагрузке (sa=const). Поэтому механические характеристики асинхронного двигателя при разных a не будут конгруэнтными, в отличие от характеристик АД при частотном управлении с постоянным магнитным потоком (рис.8.52).
Характеристики (8.338) могут быть линеаризованы при sa<<skn-a с получением уравнения
(8.340)
где
(8.341)
Следует заметить, что из-за значительной величины R2E, определяемой (8.335), жесткость механических характеристик асинхронного двигателя в АВК значительно ниже, чем естественной характеристики.
Регулировочные свойства АВК ограничены пределами изменения угла инвертирования aи min£aи£90%. Минимальная величина угла инвертирования ограничена условиями устойчивой работы инвертора и составляет обычно aиmin³20 эл. град.
Регулирование скорости при неуправляемом выпрямителе однозонное, вниз от основной, плавное, экономичное, при постоянном допустимом моменте. Диапазон регулирования обычно D=(1,5¸10):1. Коэффициент мощности низкий (cosj»0,25¸0,45), что обусловлено большим потреблением реактивной мощности АД и ВИ, а также искажением кривой тока инвертора. К.п.д. при максимальной скорости находится в пределах (80¸90)%. Мощность АВК составляет от сотен кВт до десятков МВт.
Классической областью применения АВК являются турбомеханизмы, но в последние годы найдены и другие направления их полезного использования: нагрузочные стенды, подъемно-транспортные машины, металлорежущие станки, машины бумажного и прокатного производства. Для ликвидации такого недостатка как низкий коэффициент мощности применяют сложные схемы силовых преобразователей и специальные законы управления.
Вентильные каскады используют тогда, когда применение двигателей постоянного тока ограничено величиной Р×w£(0,32¸0,37)× 
.Асинхронные двигатели с фазным ротором имеют величину Рw в 2¸3 раза большую, чем двигатели постоянного тока.
Двухзонное регулирование скорости в АВК требует двухстороннего направления энергии в роторной цепи. Такие режимы реализуются в машине двойного питания (МДП).
Г. Машина двойного питания
Если в роторную цепь асинхронного двигателя с фазным ротором включить преобразователь частоты ПЧ с двухсторонним направлением энергии и системой управления СУ, то получим машину двойного питания (рис.8.53). В качестве преобразователя частоты чаще всего используется непосредственный преобразователь частоты (НПЧ), частота и амплитуда напряжения на выходе которого могут регулироваться по данному закону с помощью системы управления. НПЧ обеспечивает питание со стороны ротора так, чтобы в машине было создано вращающееся относительно ротора в необходимом направлении круговое магнитное поле с требуемыми по режиму работы амплитудой МДС, частотой и фазой. Преобразователь частоты должен также обеспечить свободный обмен энергией между обмотками ротора и электрической сетью (обычно через трансформатор). Этими свойствами и обладает НПЧ.
Частота тока ротора f2 связана с частотой тока статора f1 через скольжение s:
(8.342)
где
(8.343)
На основе (8.342) и (8.343) имеем соотношения:
(8.344)
(8.345)
которые показывают возможность регулирования скорости ротора w изменением частоты f2 (МДП-двигатель) и стабилизации частоты f1 при колебаниях скорости ротора (МДП-генератор).
Знак плюс в (8.344) соответствует такому порядку чередования фаз на выходе ПЧ, при котором направление вращения магнитного поля ротора и самого ротора противоположные. При этом угловая скорость ротора w выше синхронной угловой скорости w0.
Установившийся режим работы МДП описывается векторными уравнениями (2.154), которым соответствует эквивалентная схема рис.2.7. Для построения векторной диаграммы МДП примем, что векторы напряжения статора и ротора комплексной плоскости Re–Im имеют такие выражения (рис.8.54):
(8.346)
где
(8.347)
При этом, добавочная ЭДС 
, которая вводится в цепь ротора, может быть записана в виде
(8.348)
Вектор суммарной ЭДС 
в принятой системе координат в комплексной плоскости
(8.349)
будет определять вектор приведенного тока ротора 
:
(8.350)
где
(8.351)
(8.352)
(8.353)
(8.354)
Электромагнитный момент трехфазной МДП
(8.355)
Подставляя (8.351) в (8.355), получаем
(8.356)
В соответствии с эквивалентной схемой рис.2.7 можно найти соотношения между ЭДС Е1 и напряжением статора U1:
(8.357)
Преобразуя (8.356) с учетом (8.357) получаем выражение электромагнитного момента МДП:
(8.358)
где
(8.359)
МК, sК – критический момент и критическое скольжение трехфазного АД (e=0).
Электромагнитный момент МДП имеет три составляющие. Первая составляющая соответствует обычному асинхронному двигателя, когда отсутствует добавочная ЭДС в цепи ротора (e=0). Вторая составляющая обусловлена добавочной ЭДС, которая вводится в роторную цепь с целью воздействия на скорость двигателя. Третья составляющая связана с воздействием на коэффициент мощности. Как показано в [ ], первая и третья составляющие достигают максимальных значений при скольжении s=±sК, а вторая- при s=0. В зависимости от режима работы МДП каждая из составляющих может иметь главное значение. Если исследовать на экстремум (8.358) , то можно найти, что при скольжении
(8.360)
электромагнитный момент МДП имеет максимальное значение
(8.361)
Скольжение s0, соответствующее идеальному холостому ходу МДП, находим из (8.358), принимая М=0:
(8.362)
Скорость идеального холостого хода МДП
(8.363)
Если a=0 или a=180°, то воздействие добавочной ЭДС будет только на скорость ротора и, приняв а=0 в (8.358), механические характеристики МДП можно выразить параметрическим уравнением
(8.364)
где
sa – абсолютное скольжение.
В этом случае при скольжении
(8.365)
или
электромагнитный момент принимает максимальное значение
(8.366)
При 0<a<180° роторная цепь МДП будет вырабатывать реактивную мощность емкостного характера.
При управлении МДП за независимую переменную можно взять a или s. В связи с этим возможна работа МДП в синхронном или асинхронном режиме. В синхронном режиме скольжение s постоянное, следовательно, скорость ротора w=w0×(1–s) тоже будет постоянной. Желаемая скорость ротора
обеспечивается заданием величины f2 частоты тока ротора независимо от величины момента на валу МДП. Необходимая величина электромагнитного момента получается за счет угла q0 между векторами 
и 
, который, в свою очередь, зависит от регулируемого угла a. В синхронном режиме электромагнитный момент обеспечивается или изменением e( 
) или при e=const изменением a, что обычно происходит в синхронной машине.
При a=const и =var МДП работает в синхронном режиме при переменном возбуждении. Этот режим определяется U-образными характеристиками. Если s=0, то синхронный режим соответствует обычной синхронной машине.
В асинхронном режиме скольжение s=var, а угол a=const, что выполняется с помощью изменения в зависимости от нагрузки ( /s=const). При =0 и a=0 получаем обычный АД. При a=0 (s0= –e) МДП работает в надсинхронном режиме, а при a=180° (s0=e) – в подсинхронном режиме. При a>0 повышается cosj и критический момент МДП, а при a<0 эти показатели уменьшаются. Механические характеристики МДП показаны на рис.8.55.
Функциональная схема МДП, которая позволяет получить синхронный и асинхронный режимы работы, приведена на рис.8.56. Регулятор Р управляет преобразователем частоты ПЧ и через него – полем ротора МДП. Регулятор имеет два канала управления, в которых формируется закон управления вектором МДС ротора. Количество выходов регулятора равно количеству обмоток ротора. Для формирования закона управления вектором МДС ротора в регулятор поступают сигналы от датчиков напряжения электрической сети ДНС, датчиков тока ротора ДТР и тока статора ДТС, датчика положения ротора ДПР (в асинхронном режиме) и задающего генератора ЗГ частоты ротора (в синхронном режиме). Датчики ДНС дают информацию о модуле, фазе и частоте напряжения сети , а датчик ДПР – информацию об угловом положении ротора (j) относительно статора и угловой скорости (w) ротора. Задающий генератор ЗГ дает необходимые сведения о векторе напряжения 
источника независимой частоты.
Если переключатель П находится в положении 1, то функциональная схема соответствует асинхронному режиму МДП, а если в положении 2 – то синхронному.
Одной из проблем применения МДП и каскадных схем в электроприводе является проблема пуска. Это связано с ограниченной мощностью преобразователей частоты и выпрямителей. Применяют реостатный и комбинированный способы пуска асинхронного двигателя. Для реостатного пуска используются сопротивления и индукционные реостаты. Сущностью способа пуска с помощью индукционного реостата состоит в изменении активно-индуктивного сопротивления обмотки, намотанной на стальной сердечник, с изменением частоты, что и происходит в цепи ротора во время пуска. Индукционные реостаты обычно применяют для пуска электроприводов турбомеханизмов.
Для тяжелых условий пуска МДП применяют комбинированный способ. На первом этапе комбинированного пуска обмотку статора МДП замыкают накоротко, а в роторную цепь включают ПЧ, который имеет максимальную частоту, соответствующую половине синхронной скорости АД. С помощью изменения частоты ПЧ от нуля до максимальной разгоняют ротор двигателя до половинной синхронной скорости. Затем статорную обмотку размыкают и подключают на сеть. Частоту ПЧ плавно уменьшают от максимальной до нуля, при этом ротор увеличивает скорость до синхронной. Установленная мощность ПЧ в данном случае равна половине мощности МДП. Этот способ пуска сложный в реализации и связан с индуктированием значительных ЭДС в обмотке ротора при переключении обмотки статора на сеть.
Читайте также:
lektsia.com
