Электропривод и электрооборудование (стр. 3 )

В якорную цепь вводится дополнительное сопротивление, ограничивающее ток якоря.

w

Рисунок 14 – Характеристики ДПТ ПВ при торможении противовключением

Электропривод работал в точке а, при переключении полярности и включении ограничивающего сопротивления происходит переход в точку в, начинается процесс торможения противовключением – участок вс. В точке с торможение заканчивается, схема управления должна отключить двигатель, иначе произойдет разгон ЭП до - wуст.

4 Свойства и характеристики ЭП с ДПТ смешанного возбуждения

Двигатель смешанного возбуждения ДПТ СВ имеет две обмотки (рисунок 15): независимую ОВ2 и последовательную ОВ1, поэтому его механические характеристики занимают промежуточное положение между ДПТ независимого и последовательного возбуждения.

Магнитный поток ДПТ СВ представляет собой сумму двух составляющих потока от двух обмоток возбуждения (рисунок 16).

Рисунок 15 - Схема включения ДПТ СВ

 

Рисунок 16 – Зависимость магнитных потоков ДПТ СВ от тока якоря

При токе стремящемся к I=–I1, магнитный поток стремится к нулю и двигатель может быть размагничен, поэтому для избежания размагничивания при торможении с отдачей энергии в сеть (кв. II) при переходе через ω0 последовательную обмотку шунтируют (поэтому во втором квадрате механические характеристики имеют вид прямых, как в ДПТ НВ). Такой же вид имеют и характеристики динамического торможения, т. к. при динамическом торможении задействована только независимая ОВ (рисунок 17).

 

Рисунок 17 – Характеристики режимов работы ДПТ СВ

 

Имеется конечное значение w0 ( w0= - магнитный поток от независимой обмотки). Построение механических и электромеханических

характеристик ведется, как и для ДПТ ПВ по универсальным характеристикам. Регулирование частоты вращения и режимы торможения аналогичны ДПТ независимого и последовательного возбуждения.

Лекция №6

Механические характеристики асинхронных двигателей

Вопросы

1) Общие сведения по ЭП с асинхронными двигателями (АД)

2) Вывод и анализ механических характеристик АД с к. з. ротором

3) Расчет механических характеристик АД по паспортным данным

1 Общие сведения

ЭП с трехфазным асинхронным двигателем является самым массовым видом привода в промышленности и сельском хозяйстве. Такое положение определяется простотой изготовления и эксплуатацией АД, их меньшими (по сравнению с ДПТ) массой, габаритами и стоимостью, а также надежностью.

Таблица 1 – Сравнительная характеристика АД различных серий

Тип	Год разработки	Мощность удельная, кг/кВт	КПД	cos
АО	1949	22,5	70	0,76
АО2	1962	15	73,5	0,78
Д	1965	14	80	0,83
4А	1971	10	80,5	0,84
АИ	1983	7	82	0,86

В серии АИ по сравнению с 4А:

- снижение шума на 10-15 Дб;

- масса уменьшилась на 10-15%;

- провода с температурным индексом F=1550C;

- температура нагрева снижена на 150С.

Двигатели предназначены для работы в режимах S1…S8 в цепях переменного тока, f=50 Гц, U=220, 380, 660 В. По требованию заказчика могут выполняться на другие напряжения и f=60 Гц.

Модификации и конструктивные особенности АД имеют очень широкий диапазон: с повышенным пусковым моментом и скольжением; с фазным ротором; встраиваемые; маломощные; со встроенной температурной защитой; с электромагнитным тормозом; химостойкие и т. д. АД различаются по климатическому исполнению и категории размещения.

Основной областью применения АД до недавнего времени являлся нерегулируемый ЭП. В последние годы в связи с разработкой и серийным выпуском электротехнической промышленностью тиристорных преобразователей частоты и напряжения, стали создаваться регулируемые асинхронные ЭП с характеристиками, не уступающими по своим показателям ЭП постоянного тока. Такая прогрессивная тенденция развивается не только в России, но и за рубежом.

АД выполняется в двух вариантах: с фазным ротором и ротором в виде беличьей клетки.

2 Вывод и анализ уравнения механической характеристик АД

Воспользуемся упрощенной П-образной схемой замещения асинхронного двигателя (рисунок 1).

Рисунок 1 – Схема замещения АД:

 

Uф – фазное напряжение сети;

I1 – фазный ток статора;

Iμ – ток намагничивания;

I'2 – ток приведенный ротора;

Х1, Х'2 – индуктивные сопротивления от потоков рассеяния фазы обмотки статора и приведенное фазы ротора;

R1,R'2 – первичные и вторичные приведенные активные сопротивления;

Rμ, Xμ - активное и индуктивное сопротивление контура намагничивания;

S – скольжение АД ( );

w0 – угловая скорость поля статора ();

f – частота питающего тока;

р – число пар полюсов АД.

В соответствии с приведенной схемой замещения можно получить выражение для вторичного тока

, (1)

где Хк – индуктивное сопротивление двигателя при коротком замыкании.

Из выражения (1) и схемы замещения следует, что ток в цепи ротора зависит от скольжения. При S=0, т. е. когда поля вращающегося ротора и статора равны w=w0 (ток ротора равен 0). При S=1, т. е. когда ротор не вращается (ток равен пусковому, т. е. max).

Из (1) следует, что ток пусковой зависит от параметров двигателя (R1, R'2, X1, X'2) и напряжения сети Uф, и не зависит от нагрузки.

Пусковой ток АД обычно в 5…8 раз превышает номинальный. Большие пусковые токи приводят к значительному падению напряжения в сети, что вредно отражается на уже работающих от этой сети приемниках.

Кратность пускового тока важная характеристика, приводимая в каталогах .

При составлении схемы замещения были приняты следующие допущения: активное сопротивление ротора не зависит от частоты вторичной цепи, насыщение магнитной системы не влияет на реактивные сопротивления обмоток ротора и статора, проводимость намагничивающего контура остается постоянной, т. е. ток намагничивания зависит только от приложенного напряжения, отсутствуют добавочные потери и высшие гармонические составляющие МДС.

С учетом этих допущений: мощность Р1, потребляемая двигателем из сети, расходуется на потери Ро в намагничивающем контуре, потери в меди Рм обмотки статора и преобразуется в электромагнитную мощность Рэм

, (2)

где m – число фаз.

С другой стороны

или Рэм=Мw0 или ,

подставляя I'2 получим

. (3)

Из (3) следует, что момент зависит от напряжения сети (АД очень чувствителен к колебаниям сети).

Исследование полученной зависимости М=f(S) на экстремум, которое осуществляется нахождением производной dM/dS и

приравниванием ее к нулю, обнаруживает наличие двух экстремумов момента и скольжения

, (4)

где + - двигательный или торможение противовключением;

- - генераторный режим параллельно с сетью;

, (5)

( + двигательный, - генераторный режимы).

Важно отметить Sк не зависит от напряжения.

Если (3) разделить на (4) получаем

, (6)

где МК – максимальный (критический) момент;

SК – критическое (max) скольжение;

a=R1/R'2.

Максимальный момент для генераторного режима можно найти аналогично, беря SК с отрицательным знаком.

Величина Мmax в генераторном режиме будет больше, чем в двигательном, что связанно с падением напряжения в активном сопротивлении цепи статора.

Если в уравнении (6) пренебречь активным сопротивлением статора (!), то получится формула удобная для расчетов

. (7)

Если в (7) вместо текущих значений момента и скольжения подставить их номинальное значение Мном и Sном и обозначить , то может получено выражение связывающее критическое и номинальное скольжение

) для Р>10кВт,

для Р<10 кВт, когда R нельзя пренебречь.

Характерные точки механической характеристики и режимы работы АД поясняются рисунком 2.

Рисунок 2 –Характерные точки механической характеристики АД

 

·  S=0, w=w0 – идеальный холостой ход,

·  S=1, w=0 – режим короткого замыкания,

·  S<0, w>w0 – генераторный параллельно с сетью (рекуперативное торможение),

·  S>1, w<0 – генераторное, последовательно с сетью (торможение противовключением).

Таким образом, рабочая часть характеристики ориентировочно может быть принята линейной, пусковая часть – нелинейной.

В зависимости от назначения АД могут иметь различные

и .

По ГОСТ: λм не ниже 1,65 – для АД с короткозамкнутым ротором

(обычно 1,7…2,2);

λм не ниже 1,8 – для фазного ротора;

λм=2,3…3,4 - для крановых двигателей;

λп обычно = 1,0…2,0 (могут λп=2,5…2,8).

Для повышения Мпуск и снижения Iпуск применяют двигатели с короткозамкнутым ротором специальной конструкции. Роторы имеют две клетки, расположенные концентрически, или глубокие пазы с высокими и узкими стержнями. Сопротивление ротора этих двигателей в пусковой период значительно больше, чем при wном, вследствие поверхностного эффекта, обусловленного повышенной частотой тока в роторе при больших скольжениях.

Необходимо отметить влияние высших гармоник зубцовых полей при работе АД под нагрузкой, что приводит к провалу механической характеристики при S=0,85 (рисунок 3).

Данная точка характеризуется .

Рисунок 3 – Механическая характеристика АД с характерным влиянием высших гармоник зубцовых полей

 

Зависимость номинального скольжения от мощности АД представлена на рисунке 4.

Рисунок 4 – Характеристика номинального скольжения для АД разной мощности

 

3 Расчет механических характеристик АД по паспортным данным

В паспорте приводятся: Рн; Uн; Iн; nн , мин-1; ηн; cosн

в каталогах: λmax,λn,λmin.

Порядок расчета:

1) ,

2) ,

3) Мк=Мmax=λmaxMн,

Sк из лекции № 9,

4) Задаваясь скольжением находим ,

5) Заполняем таблицу

S
M, Н·м

Рисунок 1 – Механическая

характеристика АД

Механическую характеристику можно построить по пяти характерным точкам (рисунок 1):

1)  S=0; w=w0; M=0;

2)  S=Sн; M=Mн; ;

3)  S=Sк; Mк=λmахMн;

4)  S=Smin=0,85; Mmin=λminMн;

5) S=1; w=0; M=Мпуск=λпускМ.

М+

Лекция № 7

Регулирование угловых скоростей ЭП с асинхронным двигателем

Вопросы

1)Регулирование угловой скорости ЭП с АД

2) Регулирование координат АД с помощью сопротивлений

1 Регулирование угловой скорости ЭП с АД

Наряду с использованием ЭП постоянного тока в последние годы с развитием полупроводниковой техники все большее внимание уделяется применению ЭП с АД (короткозамкнутый, фазный ротор) в различных системах регулирования. Для установок большой мощности в безредукторных, тихоходных ЭП экономически оправданный оказывается также регулируемый, синхронный двигатель.

Применение двигателей переменного тока обусловлено их простотой, дешевизной, высокой надежностью, существенно (в 2..3 раза) меньшими габаритами и массой по сравнению с двигателями постоянного тока. Кроме того, некоторые способы регулирования частоты вращения не требуют специальных преобразовательных устройств.

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 Sк, но изменяется Мк (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 Uу.

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 Мс.

При Мс=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. Мк=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.

Рисунок 7 – Схема фазы статорной обмотки при Р=1

Рисунок 6 – Схема фазы статорной обмотки при Р=2

Фаза статорной обмотки (рисунок 6) состоит из двух одинаковых секций 1н-1к, 2н-2к, 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 (А1н и А2н – начало фазы, А1к и А2к – 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).