Лекции по " Электроприводу и электрооборудованию"

  Недостатками регулирования частоты вращения  АД является небольшая плавность, невысокие энергетические показатели.

 Наиболее распространенные  способы регулирования:

1. напряжением;
2. частотой питающего тока;
3. переключением полюсов;
4. сопротивлениями  в статорной или роторной цепях,

что следует из выражений

,

 

.

 

Напряжение на АД изменяют с помощью любого регулятора напряжения (рисунок 2). Частота тока при этом не изменяется, не изменяется    и   S_к,  но изменяется М_к (рисунок 3).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Применение данного  способа ограниченно, т.к. уменьшается перегрузочная способность  АД.  Кроме того,  для реализации необходим АД с повышенным сопротивлением ротора или АД с фазным ротором.

Данный способ хорошо реализуется лишь на вентиляторной  характеристике  рабочей машины.

Регулировать напряжение можно  с помощью автотрансформаторов, магнитных усилителей и, что наиболее часто практикуется, тиристорных  регуляторов напряжения (ТРН) которые  получили широкое распространение из-за высокого КПД, простоты в обслуживании и автоматизации.

Рассмотрим принцип действия ТРН  и распространенную систему ЭП тиристорный регулятор напряжения-асинхронный двигатель (ТРН-АД).

На рисунке 4 представлена схема регулирования напряжения на однофазной  нагрузке переменного тока.

Силовая часть однофазного ТРН образована двумя встречно включенными тиристорами, которые обеспечивают протекание тока в нагрузке в оба полупериода напряжения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 4 – Схема (а) и  кривые напряжения (б) однофазного ТРН

 

Тиристоры получают импульсы управления от системы импульсно-фазового управления  (СИФУ), которая обеспечивает их сдвиг на угол управления α в функции внешнего сигнала управления U_у.

Изменяя угол управления можно регулировать напряжение на нагрузке от полного напряжения до нуля.

Следует отметить, что  получаемая форма напряжения  несинусоидальна. Несинусоидальное напряжение можно представить, как совокупность нескольких синусоидальных  гармоник, каждая из которых изменяется с определенной частотой. Частота изменения первой из них (основной гармоники) равна частоте питающего напряжения, а частота других гармоник больше, чем первая.  Первая гармоника имеет наибольшую амплитуду и по ней ведутся все основные расчеты.

Для реализации трехфазного ТРН  по два встречно включенных тиристора включают в каждую фазу питающего напряжения.

   Функциональные возможности ТРН – реверс, торможение, формирование всех динамических характеристик.

 

Частота питающего  тока  прямопропорциональна частоте вращения

 

,

но с частотой для регулирования  частоты вращения необходимо изменять и напряжение питания двигателя.

Если при U=const изменять f, то поток будет изменятся обратно пропорционально частоте.

  Так, при уменьшении частоты поток возрастает и это приведет к насыщению стали машины и как следствие к резкому увеличению тока и превышения температуры двигателя. При увеличении частоты поток будет уменьшатся и как следствие будет уменьшатся момент, в связи с чем,  одновременно с частотой  изменяется напряжение питания.

        Закон изменения напряжения при  этом зависит от характера  момента нагрузки М_с.

        При М_с=const, U должно регулироваться пропорционально его частоте        .

Для вентиляторной характеристики рабочей машины

.

При моменте нагрузки, обратно-пропорциональном скорости

.

Частотно регулируемый электропривод  нашел широкое применение для  регулировании частоты вращения АД, особенно короткозамкнутых. Этот способ обеспечивает плавное регулирование скорости в широком диапазоне, а получаемые характеристики обладают высокой жесткостью. Частотный способ отличается также тем, что регулирование скорости АД не сопровождается увеличением скольжения, поэтому потери мощности при регулировании скорости оказываются небольшими.

Необходимым элементом ЭП является преобразователь частоты (рисунок 5) на вход которого подается стандартное напряжение сети промышленной частоты, а с выхода снимается переменное напряжение  регулируемой частоты.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 5 – Электрическая  схема (а) и семейство механических характеристик АД (б) при регулировании частоты вращения частотой питающего тока

 

В области частот ниже  50 Гц  АД имеет постоянную перегрузочную способность, т.е. М_к=const (в области самых малых скоростей несколько снижается).

В области частот выше 50 Гц  момент критический снижается.

Преобразователи частоты, которые  нашли применение в частотных  асинхронных ЭП, можно разделить на две большие группы: электромашинные (вращающиеся) и статические, получившие в настоящее время наибольшее применение. Более подробно данный способ регулирования отражен в курсе лекций по автоматизированному электроприводу.

 

Число пар полюсов. 

Что следует из выражения

,

где  р- число пар полюсов.

Частоту вращения  этим способом можно регулировать, если задана f₁ и мало изменяется скольжение, т.к. число пар полюсов → целое число, то регулировка осуществляется  ступенчато. Данный способ очень актуален для   АД с короткозамкнутым  ротором.

Данный способ может  быть реализован только при использовании  специальных АД, получивших название многоскоростных. Особенностью этих двигателей является статорная обмотка, состоящая из двух одинаковых секций (полуобмоток), используя разные схемы соединения которых можно изменять число пар  полюсов.

 Чаще всего переключение  полюсов осуществляется изменением  направлением тока в отдельных половинах каждой фазной обмотки.

 

Частоту вращения  этим способом можно регулировать, если задана f₁ и мало изменяется скольжение, т.к. число пар полюсов → целое число, то регулировка осуществляется  ступенчато. Данный способ очень актуален для   АД с короткозамкнутым  ротором.

Данный способ может  быть реализован только при использовании специальных АД, получивших название многоскоростных. Особенностью этих двигателей является статорная обмотка, состоящая из двух одинаковых секций (полуобмоток), используя разные схемы соединения которых можно изменять число пар  полюсов.

 Чаще всего переключение  полюсов осуществляется изменением  направлением тока в отдельных половинах каждой фазной обмотки.

 

 

 

 

 

 

 

Фаза статорной обмотки (рисунок 6) состоит из двух одинаковых секций 1_н-1_к, 2_н-2_к, имеющая каждая по два проводника, соединенных последовательно и согласно. Ток направлен в одну сторону. По правилу буравчика определяем направление  магнитных  силовых линий. Магнитное поле имеет 4 полюса, а число пар полюсов равно двум.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Изменяем схему соединения, включаем секции  последовательно и встречно (рисунок 7), оставив тоже направление тока. В данном случае Р=1. Такой же результат наблюдается если секции соединить параллельно.

 

 

 

 

 

Наиболее часто применяются две схемы переключения статорных обмоток  многоскоростного АД:

- с треугольника  на  двойную звезду;

- со звезды  на двойную  звезду.

 

Треугольник – двойная  звезда. Для получения большего числа пар полюсов, секции каждой фазы статора включены последовательно и согласно, и соединены в треугольник (А_1н и А_2н – начало фазы, А_1к и А_2к – концы фазы А, обозначения для других фаз аналогичное) рисунок 8.

 

   

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 8 – Схема соединений секций каждой фазы АД в (а) -треугольник, (б) – двойная звезда, (в) – механические характеристики полюсопереключаемого АД

 

 

Звезда – двойная  звезда.  В этом случае низкая скорость (большее число пар полюсов) соответствует схеме соединения обмоток в одинарную звезду Р=2 (каждую фазу образуют последовательно соединенные секции, рисунок 9,а) при переключении на двойную звезду (рисунок 8,б) количество пар полюсов уменьшается в двое (Р=1). Характеристики данного полюсопереключаемого АД представлены на рисунке 9,б.

 

Диапазон регулирования  полюсопереключаемых АД находится в пределах 6:1 (3000…500 мин^-1). Механические характеристики многоскоростных АД отличаются хорошей жесткостью и достаточной перегрузочной способностью.

Схему переключения «звезда - двойная  звезда» целесообразно применять при постоянном моменте нагрузки, а схему «треугольник – двойная звезда» при нагрузке ЭП, имеющей характер постоянной мощности.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    

 

 

 

 

 

Рисунок 9 – Схема соединений секций  фаз АД в (а)  - одинарная  звезда,

(б) – механические характеристики полюсопереключаемого АД (одинарная звезда – двойная звезда)

 

 

 

3  Регулирование координат АД с помощью сопротивлений

 

  Данный вид регулирования координат, называется часто реостатным, может быть осуществлен введением добавочных резисторов в статорные или роторные цепи. Он привлекает в первую очередь простотой своей реализации, отличаясь в тоже время невысокими показателями качества регулирования и экономичности.

Реостатное регулирование  благодаря своей простоте находит  практическое применение, например, в приводе подъемно-транспортерных устройств, вентиляторов, насосов малой и средней мощности (до 100 кВт) (лифты для ограничения тока при пуске, реверсе, торможении).

Диапазон регулирования  мал  при S₁ составляет  (1,15…1,2) :1.

   В кратковременных режимах регулирование  частоты вращения в более широких пределах может производится лишь в замкнутых системах управления, в которых используются обратные связи для автоматического поддержания скорости на заданном уровне.

    Необходимо отметить, что в некоторых ЭП ограничение тока и момента осуществляется включением R_доб в одну фазу (несимметричные схемы), что позволяет получить тот же эффект при меньшем числе резисторов.

Включение добавочных сопротивлений в цепь ротора

Применяется, как с целью регулирования  тока и момента АД  с фазным ротором, так и для регулирования скорости. На рисунке 10,а представлена электрическая схема, а на рисунке 10,б механические характеристики при данном способе регулирования.

При данном способе скорость идеального холостого хода и его  максимальный (критический) момент остаются неизменными, а критическое скольжение изменяется пропорционально сопротивлению этого резистора. Рисунок 1 позволяет сделать вывод о том, что за счет изменения сопротивления в роторной цепи можно повышать пусковой момент АД вплоть до критического значения момента при одновременном снижении пускового тока, что позволяет сохранить перегрузочную способность АД.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Данный способ имеет  следующие показатели: регулировка  только вниз от естественной характеристики; небольшой диапазон регулирования скорости из-за снижения жесткости; плавность регулирования определяется плавностью изменения добавочного резистора; небольшие затраты. В тоже время эксплуатационные затраты оказываются значительными, поскольку велики потери в АД.

С увеличением скольжения возрастают потери в роторной цепи, т.е. реализация большого диапазона приводит к большим потерям энергии и снижению КПД  ЭП. Следовательно данный способ применяется при небольшом диапазоне регулирования или кратковременной работе двигателя на пониженных скоростях, например в ЭП подъемно-транспортных машин и механизмов.

В тех случаях, когда  нужно обеспечить постоянство пускового момента двигателя, в цепь ротора кроме R, вводят  L (последовательно или параллельно).

Импульсное, параметрическое регулирование угловой скорости АД

На рисунке 11,а представлена схема включения АД с фазным ротором при  импульсном параметрическом регулировании, на  рисунке 11,б механические характеристики при данном способе регулирования.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 11 – Схема включения АД с фазным ротором при параметрическом импульсном регулировании угловой скорости (а), механические характеристики (б)

 

В этом случае дополнительные потери мощности выделяются в добавочных резисторах вне машины, R -  включен через выпрямители в ро-

торной  цепи со сглаживающим реактором. Резистор периодически вклю-