Электромеханические системы

 

 

4.5. Двигатели с фазным  ротором - регулирование координат

 

Дополнительные возможности управлять  координатами асинхронного электропривода появляются, если ротор выполнен не короткозамкнутым, а фазным, т.е. если его обмотка состоит из катушек, похожих на статорные, соединенных между собой и выведенных на кольца, по которым скользят щетки, связанные с внешними устройствами. Схематически трехфазная машина с фазным ротором показана на рис. 4.10,а. Фазный ротор обеспечивает дополнительный канал, по которому можно воздействовать на двигатель, - в этом его очевидное достоинство, но очевидна и плата за него: существенное усложнение конструкции, бóльшая стоимость, наличие скользящих контактов. Именно эти негативные особенности привели к тому, что в общем объёме производства асинхронные двигатели с фазным ротором составляют небольшую долю.

       

     а)                   б)                        в)                                г)

Рис. 4.10. Асинхронный двигатель  с фазным ротором (а), схема (б) и характеристики (в) и (г) реостатного регулирования

 

К щеткам на кольцах в цепи ротора можно подключать как пассивные цепи, например, резисторы, так и активные, содержащие источники энергии; последняя возможность широко используется в электроприводах большой мощности (сотни - тысячи киловатт).

 

Реостатное  регулирование.

Как и в электроприводе постоянного  тока это простейший способ регулирования: в каждую фазу ротора включают одинаковые резисторы с сопротивлением R_д - рис. 4.10,б. Тогда общее активное сопротивление фазы ротора составит R₂ = R_р + R_д, а искусственные характеристики приобретут вид, представленный на рис. 4.10,в,г: предельное значение тока ротора I¢_{2 пред}  и критический момент М_к  в соответствии с (4.8) и (4.11) не изменяется, а s_к в соответствии с (4.12) растет пропорционально R₂:

.    (4.18)

Последнее соотношение для критического скольжения, очевидно, выполняется  и для скольжения при любом М = const, оно похоже на (3.16), а реостатные механические характеристики похожи на таковые для двигателя постоянного тока. Показатели реостатного регулирования скорости асинхронных двигателей с фазным ротором практически те же, что у электропривода постоянного тока.

1. Регулирование однозонное - вниз  от основной скорости.

2. Диапазон регулирования (2-3):1, стабильность скорости низкая.

3. Регулирование ступенчатое. С  целью устранения этого недостатка  иногда используются схемы, в  которых роторный ток выпрямляется и сглаживается реактором, а резистор, включаемый за выпрямителем, шунтируется управляемым ключом - транзистором с управляемой скважностью, благодаря чему достигается плавность регулирования, а при использовании обратных связей формируются жесткие характеристики.

4. Допустимая нагрузка М_доп = М_н, поскольку Ф » Ф_н и при мало меняющемся cos j₂  I_2доп » I_2н .

5. С энергетической точки  зрения реостатное регулирование  в асинхронном электроприводе  столь же неэффективно, как и в электроприводе постоянного тока - потери в роторной цепи при M = const пропорциональны скольжению:

,

а распределение этих потерь определяется в соответствии с (4.18) соотношением сопротивлений - собственно в роторной обмотке рассеивается мощность , а в дополнительных резисторах - мощность .

6. Капитальные затраты, как и в электроприводе постоянного тока, сравнительно невелики.

 

Каскадные схемы.

Интересные перспективы открывает  включение в роторную цепь активных элементов, при f₁ = const появляется возможность не потерять, а истратить полезно мощность скольжения , отдав её либо в сеть, либо на вал двигателя. Электроприводы такого типа называют каскадами или каскадными схемами.

Простейшая схема машино - вентильного каскада, иллюстрирующая общую идею, показана на рис. 4.11,а. ЭДС машины постоянного тока Е должна быть направлена встречно ЭДС роторного выпрямителя Е_d, что достигается соответствующей полярностью машины. Тогда

I_d=(E_d-E)/R_э,

где R_э - эквивалентное активное сопротивление контура выпрямитель - якорь машины.

а)

б)          в)    г)

Рис. 4.11. Схема (а), характеристики (б) и (в) и энергетическая диаграмма (г) машино-вентильного каскада

 

Поскольку E_d=kE₁s, а Е₁ » U₁ = const, то до некоторого скольжения s¢, определяемого уровнем ЭДС машины постоянного тока Е¢ (рис. 4.11,б), ток I_d = 0, а следовательно, I₂ = 0, и машина М1 не развивает момента. При s>s¢ ток начнет расти в соответствии с приведенным выше уравнением, вызывая увеличение момента (рис. 4.11,в). Мощность возвратится в сеть (рис. 4.11,г); знаки приближенного равенства показывают, что мы не учитываем электрических потерь в сопротивлениях контура выпрямитель - якорь и механических в машинах М2 и М3.

Меняя ток возбуждения машины М2, а следовательно величину Е, можно изменять скольжение, при котором начинается рост тока I_d, и, следовательно, регулировать скорость (рис. 4.11,в).

Иногда вместо двух дополнительных электрических машин, возвращающих энергию скольжения в сеть, используется один статический преобразователь-инвертор, ведомый сетью.

Энергия скольжения не обязательно  должна возвращаться в сеть, есть каскады, в которых она отдается машиной  М2 на вал главного асинхронного двигателя.

Каскадные схемы используются при  очень больших мощностях (тысячи киловатт) и малых диапазонах регулирования - (1,1-1,2):1.

 

Электропривод с машиной двойного питания.

Каскадные схемы предполагали управление координатами в цепи выпрямленного  тока ротора. Вместе с тем существует и другая возможность - включение в цепь ротора преобразователя частоты (рис. 4.12,а). Структуры такого типа называют электроприводами с машинами двойного питания.

а)       б) 

Рис. 4.12. Схема (а) и характеристики (б) машины двойного питания

 

Поскольку при преобразовании энергии  поля должны быть неподвижны относительно друг друга, должны выдерживаться следующие соотношения скоростей и частот:

;      (4.19)

f₁ = f₂ + f,       (4.20)

где - угловые скорости поля статора и поля ротора относительно соответственно статора и ротора; f₁, f₂ - частоты напряжения статора и ротора; f - частота, соответствующая угловой скорости ротора.

Из (4.19) и (4.20) следуют богатые возможности  управления скоростью ротора : действительно, фиксируя f₁, т.е. , и управляя , можно получать любые f и теоретически в неограниченном диапазоне (рис. 4.12,б);  знаком “-” для f₂ и обозначено изменение чередования фаз, чему соответствует изменение направления вращения поля.

Если частота f₂ задается независимо от , механические характеристики представляются горизонтальными линиями (рис. 4.12,б), и в этом смысле машина подобна синхронной, которую мы рассмотрим далее. При изменении момента нагрузки меняется угол q между осями полей статора и ротора - как бы по-разному растягивается “магнитная пружина”. Наибольший момент М_max определяется предельной силой магнитной связи статора и ротора - при превышении моментом нагрузки этой величины нарушаются условия (4.19), “магнитная пружина” рвется, поля перестают быть неподвижными относительно друг друга, машина не развивает среднего момента и либо останавливается при реактивном М_с, либо вращается со скоростью, определяемой активным М_с; это, разумеется, аварийный режим.

Возможно и другое построение системы: частота f₂ может быть связана со скоростью ротора. В этом случае характеристики будут похожи на характеристики машины постоянного тока - будут иметь наклон, который можно трактовать как скольжение; видом связи можно формировать характеристики любого вида.

В рассматриваемой системе очень  многообразны энергетические режимы - они определяются соотношением частот f₁ и f₂, относительным направлением вращения полей, направлением действия (знаком) момента сопротивления. На рис. 4.12,б в качестве примера приведена диаграмма, иллюстрирующая режимы на одной из характеристик в предположении, что потери малы и не учитываются.

 

 

4.6. Синхронный двигатель.  Другие виды электроприводов

 

Статор синхронной машины очень похож на статор асинхронной и используется для создания вращающегося магнитного поля. Ротор выполнен в виде явнополюсного или неявнополюсного электромагнита, питаемого через кольца и щетки от источника постоянного напряжения, или в виде конструкции из постоянных магнитов. Магнит увлекается полем, движется синхронно с ним, связанный “магнитной пружиной”, отставая в двигательном режиме или опережая в тормозном на угол q, зависящий от электромагнитного момента.

Фаза статора неявнополюсной синхронной машины (р=1), если пренебречь активным сопротивлением обмотки, может быть представлена схемой замещения на рис. 4.13,а. Синусоидальное напряжение источника питания U уравновесится частично ЭДС Е, наведенной в неподвижной обмотке вращающимся магнитом - ротором, и определит вместе с реактивным сопротивлением Х_s ток I. Векторная диаграмма, отражающая указанные процессы, показана на рис. 4.13,б.

а)      б)     в)

         

г)       д)

Рис. 4.13. Схема замещения (а), векторная  диаграмма (б) и характеристики (в), (г) и (д) синхронной машины

 

Для синхронной машины очень важен  угол q  между и или, что то же, между осью поля статора и осью ротора - он, как отмечалось, характеризует степень растянутости “магнитной пружины”.

Основные соотношения между  электрическими и механическими  величинами найдем, пользуясь формулой

   (4.21)

и векторной диаграммой на рис. 4.13,б, из которой следует, что

.

Из вспомогательного треугольника АВС определим

  ,

т.е. получим

,

и окончательно найдем

. (4.22)

Таким образом, электромагнитный момент синхронной машины зависит от q, причем для малых q  можно принять

М » с_эмq .      (4.22,а)

Максимальный момент М_max при постоянном напряжении и частоте пропорционален ЭДС, т.е. в линейном приближении току возбуждения машины; для нормальных машин М_max/М_н = 2 - 2,5.

Если машина имеет явнополюсной ротор, то к моменту, определенному по (4.22), добавится еще одна - реактивная составляющая, пропорциональная sin 2q  (пунктир на рис. 4.13,в). Общий вид моментной характеристики синхронной машины показан на рис. 4.13,в штрих-пунктирной линией, механическая характеристика изображена на рис. 4.13,г.

Синхронная машина имеет характерную  зависимость тока статора I от тока возбуждения I_в - так называемые V-образные кривые (рис. 4.13,д). Их форма связана с тем, что при изменении тока возбуждения меняются реактивная составляющая тока статора и её знак.

Электропривод с синхронной машиной  до недавнего времени был неуправляемым, имел тяжелый пуск - для него на роторе размещалась специальная пусковая “беличья клетка” (асинхронный пуск). Появление современных электронных преобразователей частоты радикально изменило эту ситуацию: появились маломощные частотно-управляемые электроприводы на основе синхронных машин с постоянными магнитами, электроприводы с синхронными реактивными машинами. Электронные коммутаторы, позволяющие бесконтактно переключать обмотки машины, стали основным элементом так называемых бесконтактных двигателей постоянного тока и т.п.

Особое  место в ряду множества  новых электроприводов, обязанных  своим появлением успехам электронной  техники, занимает шаговый электропривод, осуществляющий преобразование электрического сигнала (кода, цифры) в дозированное угловое или линейное перемещение, а также силовая версия этого электропривода - вентильно-индукторный электропривод, получивший в 90-е годы интенсивное развитие.

В отличие от подавляющего большинства  традиционных электрических машин действие вентильно-индукторной машины основано на притяжении ферромагнитного тела к возбужденному электромагниту - индуктору. Машина ВИМ (рис. 4.14) состоит из n-полюсного статора, несущего катушки, и m-полюсного пассивного ротора, при чем n ¹ m.   Электронный коммутатор К подключает по сигналу датчика положения Д катушки - фазы к источнику питания - выпрямителю В  или батарее. При возбужденной фазе А-Х (рис. 4.14) два полюса ротора притянуты к соответствующим полюсам статора. При размыкании А-Х и подключении к источнику питания фазы B-Y, т.е. при перемещении поля по часовой стрелке ближайшие полюса ротора притянутся к вновь возбужденной фазе, и ротор повернется на некоторый угол против часовой стрелки. Повторение переключений приведет к непрерывному вращению ротора со скоростью, определяемой частотой переключений. На момент, соответствующий каждой скорости, будут влиять как ток, протекающий по обмоткам включенной фазы, так и углы включения и отключения фазы.

 

Рис. 4.14. Схема вентильно-индукторного электропривода

 

Из изложенного принципа действия вентильно-индукторной машины следует, что удовлетворительная работа привода возможна лишь при весьма тонком управлении, включающем формирование импульсов тока. При таком управлении, осуществляемом специализированной схемой управления СУ вентильно-индукторный электропривод превосходит по основным показателям традиционный частотно-управляемый асинхронный электропривод.

В настоящее время - конец 90-х годов - теория и практика вентильно-индукторного электропривода находятся еще в стадии разработки, однако уже полученные результаты позволяют надеяться, что этот новый тип электропривода займет достойное место в семействе регулируемых электроприводов благодаря предельной простоте, низкой стоимости и высокой надежности машины, широким функциональным возможностям и хорошим энергетическим показателям.