Электропривод и электрооборудование (стр. 4 )

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 Rдоб 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.

б)

а)

 

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-

чается и выключается с помощью ключа ( контактного или тиристорного ).

Когда ключ замкнут двигатель работает на характеристики 1 (рисунок 3,б), если ключ разомкнут двигатель работает на реостатной характеристике –2. Рабочая зона регулирования располагается между двумя крайними характеристиками.

Энергетические показатели при импульсном регулировании сопротивления несколько хуже, чем при ступенчатом его изменении. Это обусловлено: пульсацией выпрямленного тока, увеличивающими потери; наличием в цепи обмоток тиристоров которые искажают форму тока двигателя, что приводит к появлению высших гармоник (дополнительные потери).

Данный способ регулирования обеспечивает плавное и в широких пределах (в замкнутых системах регулирования) регулирование угловой скорости достаточно простыми и дешевыми техническими средствами

Включение добавочных сопротивлений в цепь статора

Данный способ применяется главным образом для регулирования (ограничения) в переходных процессах тока и момента АД с короткозамкнутым ротором.

Искусственные характеристики (рисунок 12,б) мало пригодны для регулирования скорости, так как обеспечивают небольшой диапазон регулирования, малую перегрузочную способность и жесткость характеристик, а также низкую экономичность. Семейство характеристик аналогично характеристикам при регулировании частоты вращения АД питающим напряжением.

Данный способ применяется, например, в ЭП лифтов, имеющем двухскоростной АД. При переходе с высокой скорости на пониженную в цепь низкоскоростной обмотки статора вводятся добавочные резисторы, которые ограничивают ток и момент.

Данный способ может быть реализован, как ступенчато (в статорную цепь включаются активные сопротивления различного номинала), так и параметрически (рисунок 12,а), где статорная цепь образована дополнительными активными сопротивлениями зашунтированными ключами, как правило полупроводниковыми, чаще тиристорами.

При Е=1 – работа происходит на естественной характеристике (ключи контактные замкнуты), где Е – относительная величина включения.

Е=0 – работа осуществляется при включенном реостате (ключи разомкнуты).

При 0 < Е < 1 – работа на искусственных характеристиках.

Рисунок 12 – Схема параметрического регулирования частоты вращения АД с короткозамкнутым ротором (а), механические характеристики (б)

Индуктивное сопротивление также включают в статорную цепь для уменьшения пусковых значений тока и момента, причем если производить сравнение способов регулирования частоты вращения с помощью напряжения и дополнительных активных и индуктивных сопротивлений (рисунок 5), то наилучшие показатели регулирования с наибольшим Мкр, а соответственно и большей перегрузочной способностью наблюдается при регулировании угловой скорости с помощью дополнительных индуктивных сопротивлений.

Лекция № 8

Механические характеристики АД в тормозных режимах

Вопросы

1) Генераторное торможение

2)Торможение противовключением

3) Динамическое торможение

4) Торможение при самовозбуждении

5) Механические характеристики АД при несимметричных режимах

1 Генераторное торможение

В режиме генераторного торможения ротор вращается с частотой выше ω0, причем АД работает параллельно с сетью. Механическая характеристика данного режима находится во втором квадранте (рисунок 1).

wо

Генераторный режим

Двигательный режим

М

Рисунок 1 – Механическая характеристика АД в двигательном и генераторном режимах

При w > ω0, двигатель работает в режиме генератора параллельно с сетью и отдает электрическую энергию в сеть, потребляя при этом реактивную мощность для возбуждения.

Примером реализации может служить полюсопереключаемый АД. Если обмотку статора, работающую на повышенной w (точка а) переключить на меньшую w, то скорость окажется выше w02 и двигатель перейдет в режим генераторного торможения (участок bc), ниже скорости идеального холостого хода wо2 восстанавливается двигательный режим на меньшей скорости (точка d), рисунок 2.

 

Этот же вид торможения может быть реализован в системе «преобразователь частоты – двигатель» при переходе с характеристики на характеристику.

Другим примером реализации может служить тормозной спуск (для спуска грузов с повышенной угловой скоростью). Двигатель включают в направлении спуска (характеристика 3 рисунок 3), под действием Мс его частота вращения увеличивается выше - w0, до - wуст2 ( точка с).

Данный способ торможения является наиболее экономичным.

w
а	1
d
2
Мс
b
-М	М
-wуст1
c
3
-wуст2

 

Рисунок 3 – Примеры реализации тормозных режимов АД

2 Торможение противовключением

Режим осуществляется при изменении чередования фаз питающего напряжения (рисунок 3). АД работал на характеристике 1(точка а), при переключении фаз наблюдается переход в точку d (db- участок торможения до w=0), в точке b необходимо отключить АД.

Другой вариант торможения противовключением только при активном характере момента нагрузки Мс. Допустим, что требуется осуществить спуск груза, обеспечивая его торможение с помощью АД. Для этого АД включают на подъем с большим добавочным резистором в цепи ротора (характеристика 2). Вследствие превышения моментом нагрузки Мс пускового момента двигателя Мп и его активного характера груз опускается с установившейся скорость - wуст1. АД при этом работает в режиме торможения противовключения.

3 Динамическое торможение АД

Обмотка статора отключается от сети переменного тока и подключается к источнику постоянного тока, образуется неподвижное в пространстве магнитное поле или тормозной момент (рисунок 4).

Обмотки статора при подключении к источнику постоянного тока обладают только омическим сопротивлением, поэтому необходим источник постоянного тока пониженного напряжения.

 

Рисунок 4 – Схемы подключения обмоток статора АД к источнику постоянного тока в режиме динамического торможения

Двигатель работает в режиме генератора независимо от сети переменного тока, преобразовывая механическую энергию движущихся частей ЭП и рабочей машины в электрическую, которая рассеивается в виде тепла в цепи ротора.

Различным сочетанием добавочных сопротивлений в цепях статора и ротора (Rдоб) возможно получение семейства искусственных характеристик с различным тормозным моментом (рисунок 5).

Рисунок 5 – Механические характеристики АД при динамическом торможении

 

4 Торможение при самовозбуждении (конденсаторное торможение)

В данном случае обмотка статора отключается от сети и замыкается на конденсаторы. Способ основан на том, что после отключения от сети его электромагнитное поле исчезает не мгновенно, а в течение некоторого времени. За счет энергии этого поля можно обеспечить его

самовозбуждение и реализовать тормозной момент, который возникает лишь при условии n>(0,3…0,5) n0.

На малых частотах вращения необходимы большие емкости.

Необходимо отметить, что конденсаторы могут подключаться к статору АД постоянно или с помощью дополнительного контактора, будучи при этом соединенными в схему треугольника или звезды (рисунок 6). Достоинство данного вида торможения - торможение при отсутствии внешнего источника энергии (часто используется как аварийное торможение).

Рисунок 6 – Электрическая схема (а), механические характеристики (б) АД при торможении самовозбуждением

Возможно торможение при отключении АД от сети и закорачиванием выводов двигателя накоротко. Особенностью является быстротечность процесса торможения, но Мторм достаточно велик.

5  Механические характеристики АД при несимметричных режимах

Для получения искусственных характеристик к АД иногда подводят несимметричное напряжение сети или в цепь ротора несимметрично включают сопротивления.

При несимметричном напряжении вращающийся магнитный поток статора будет эллиптическим (некруговым). Известно, что эллиптическое поле может быть заменено двумя круговыми: прямого (М1) и обратного(М2).

Магнитный поток прямой последовательности создает движущее, а обратный –тормозной моменты.

Суммарный момент МΣ=М1+М2 , что позволяет регулировать частоту вращения (рисунок 7).

 

Рисунок 7 – Механические характеристики АД при несимметричном и симметричном режимах питающей сети

Крайний случай неполнофазного режима – однофазное включение

АД в сеть (рисунок 8).

Рисунок 8 – Механические характеристики АД при однофазном включении в сеть (отсутствует пусковой момент)

Если несимметричное напряжение приложено к статору АД с фазным ротором и одновременно в цепь ротора вводятся большие сопротивления, то суммарная механическая характеристика будет тормозной, подобной характеристике динамического торможения двигателя постоянного тока параллельного возбуждения.

При однофазном включении АД с фазным ротором М1 и М2 симметричны и Мобщий проходит через начало координат (рисунок 9).

Этот способ торможения АД с фазным ротором используется для тормозного спуска груза с пониженной скоростью и по сравнению с режимом противовключения более надежен, т. к. устраняет возможность самопроизвольного реверса.

Рисунок 9 – Механические характеристики АД с фазным ротором при однофазном включении и введении сопротивления в цепь ротора

 

В случае несимметричного включения сопротивлений в цепь ротора равенство токов в его обмотках нарушается и ротор будет создавать несимметричное вращающееся магнитное поле, то есть наблюдается такая же картина процессов, что и при несимметричном напряжении в цепи статора.

Механические характеристики АД всех тормозных режимах представлены на рисунке 10.

 

Рисунок 10 – Механические характеристики АД в тормозных режимах

Лекция № 9

Механические характеристики 1-фазного АД

Вопросы

1)  Механические характеристики однофазного АД

2)  Характеристики трехфазного АД в однофазном режиме

1 Механические характеристики 1-фазного АД

Наиболее часто однофазные АД применяются в быту, что связано с распространением сети однофазного переменного тока. Однофазные АД, как правило, имеют небольшую мощность и используются в приводе стиральных машин, холодильников, медицинских анклавов, пылесосов, центрифуг, небольших обработочных станков.

Разновидностью 1-фазного АД являются исполнительные двигатели, которые применяются в различных устройствах автоматического управления и характеризуются возможностью широкого регулирования скорости.

Выпускаются 1-фазные АД серий:

·  АИРЕ (18…400 Вт) на U=127, 220, 380 В и nном=1370 до 2900 мин-1;

·  ДАК (Р=10…400 Вт); бытовые приборы, электроинструмент;

·  УАД (1…70 Вт);

·  ДАО – в ЭП с вентиляторной нагрузкой.

Необходимо отметить, что 1-фазные АД по сравнению с 3-фазными обычно имеют несколько худшие технические характеристики, так мощность 1-фазного АД составляет не более 70% от мощности 3-фазного АД в том же габарите (1-фазный АД, кроме того, имеет и более низкую перегрузочную способность).

1-фазные АД имеют на статоре две обмотки, основную и пусковую. Ротор 1-фазного АД выполняется короткозамкнутым, в виде белечьей клетки. Рассмотрим сначала работу однофазного АД, схема включения которого приведена на рисунке 1,а, в режиме, когда пусковая обмотка отключена. Рабочая обмотка двигателя подключается к 1-фазной сети переменного тока с U1 и f1 (рис.1). Однофазный ток I1 создает пульсирующее магнитное поле, которое можно разложить на два поля ФА, ФВ, имеющие равные амплитуды и вращающиеся в противоположные стороны с одинаковой частотой вращения wо=2πf/р.

При w=0 Ф∑=0, Мпусковой=0, то есть двигатель не запустится даже при отсутствии нагрузки на валу.

В связи с этим для пуска 1-фазного АД используется дополнительная пусковая обмотка, которая позволяет получить вращающееся магнитное поле при подключении двигателя к сети и за счет этого обеспечить определенный пусковой момент (рис. 2).

 

Рисунок 1 – Схема включения (а) и механические характеристики однофазного АД (б) при включении только рабочей обмотки

 

Порядок пуска следующий. Сначала замыкаются оба контактора S1,S2, при определенной скорости контактор S2 отключает пусковую обмотку. Пусковая обмотка укладывается на статоре двигателя со смещением ее оси на 900 по отношению к оси рабочей обмотки, а сдвиг токов обеспечивается включением в ее цепь дополнительного фазосдвигающего элемента, в качестве которого может использоваться резистор, катушка индуктивности или конденсатор. Наиболее благоприятные характеристики имеет двигатель при использовании в качестве фазосдвигающего элемента - конденсатор.

На рисунке 3 представлена механическая характеристика однофазного АД с работой, как пусковой, так и рабочей обмоток. Пуск двигателя осуществляется на характеристике (б) с включенной пусковой и рабочей обмотками, затем при отключении пусковой обмотки работа АД характеризуется характеристикой (а).

 

Пусковая обмотка с конденсатором может и не отключаться после окончания пуска АД и при его работе в основном режиме. Такой двигатель называется конденсаторным и имеет существенно лучшие технические показатели, нежели АД с пусковой обмоткой.

Для изменения направления вращения однофазного АД необходимо поменять концы одной из обмоток – пусковой или рабочей.

В реальном электроприводе отключение пусковой обмотки может осуществляться автоматически с помощью реле времени, токовым реле или центробежным регулятором.

Например, пусковое (токовое) реле холодильных камер (рисунок 4). Момент пуска характеризуется большим током, при достижении 75% номинальной частоты вращения реле отключает пусковые цепи.

 

Рисунок 4 – Схема подключения однофазного АД с пусковым токовым реле

Самым ненадежным элементом в данной схеме являются контакты токового реле. Двигатель проверяется прозвонкой контактов ( звонить между собой и на корпус ). Конденсатор заменяется на заведомо исправный или проверяется (путем кратковременной подачи напряжения не более 5 секунд)

.

Разновидностью однофазного АД является исполнительный двигатель, имеющий две обмотки (возбуждения 1 и управления 3), блок управления 2, регулирующий амплитуду напряжения или фазу относительно U1 или то и другое (рисунок 5).

Рисунок 5 – Схема включения и механические характеристики исполнительного АД

Механические характеристики исполнительного АД (1…4) при амплитудном управлении, построенные в относительных единицах (за базовые приняты номинальные значения скорости и момента) представлены для различных значений Uу/Uу. ном=1;0,75;0,5;0,25.

2 Трехфазный АД в однофазном режиме

Сравним мощности однофазного и трехфазного АД

.

В непредусмотренном 1-фазном режиме 3-фазный АД допускает на валу примерно в 2 раза меньшую мощность.

Учитывая, что Мк/Мн=2; Р=Мw; частота вращения при переходе из 3-фазного в 1-фазный режим не изменяется, то:

- если нагрузка на валу превышает номинальную то АД остановится, его ток близок к Iпуск;

- при нагрузке на валу 50…100% номинального АД будет продолжать вращаться с током больше номинального;

- если нагрузка на валу меньше 50% номинального, АД вращается и его ток не превышает номинального значения.

В реальных ЭП нагрузка на валу варьирует 60…110% номинального, поэтому не предусмотренный 1-фазный режим (при потере фазы, перегорании предохранителя) для 3-фазного АД считают аварийным.

Тем не менее, достаточно часто 3-фазный АД используется в 1-фазном режиме с уменьшенной нагрузкой на валу при использовании фазосдвигающих элементов Rп, С раб, Сраб+Спуск.

На рисунке 6 представлены механические характеристики 3-фазных АД в 1-фазном режиме при различных сочетаниях фазосдвигающих элементов. Набольший пусковой момент наблюдается при включении Срабочего и Спускового.

Если пуск двигателя осуществляется без нагрузки, то можно обойтись лишь Срабочим.

 

Схемы с резисторами более выгодны в связи с простотой, дешевизной и большей надежностью при эксплуатации. В качестве материала для изготовления резисторов можно использовать провода из фехраля, нихрома, константана которые наматываются на цилиндры из фарфора, асбоцемента.

При использовании резисторов для двигателей мощностью до 7,5 кВт применяются схемы представленные на рисунке 7.

 

Рисунок 7 – Схемы включения 3-фазных АД в 1-фазном режиме с пусковым резистором

Величину сопротивления резистора для АД мощностью до 7,5 кВт определяют по таблице 1.

Таблица 1 – Пусковые сопротивления резисторов для АД, работающих в 1-фазном режиме

Мощность электродвигателя, кВт	Пусковое сопротивление по схеме 7,а, Ом	Мощность электродвигателя, кВт	Пусковое сопротивление по схеме 7,б, Ом
0,6	25…30	0,6…1,1	8…15
1,1	20…25	1,5…2,2	3…6
1,5	10…15	3,0…4,5	1,5…3
2,2…3,0	5…10	5,5…7,5	1…2
4,5…7,5	3…5	7,5…10,0	1…2

Схемы включения двигателей с фазосдвигающими конденсаторами представлены на рисунке 8.

а)	б)

Рисунок 8 – Схемы включения 3-фазного АД в 1-фазном режиме с фазосдвигающими конденсаторами

Для схемы на рисунке 7,а конденсатор подбирают с емкостью равной 40 мкФ/кВт.

Для схемы на рисунке 7,б рабочая емкость равна 50 мкФ/кВт, а пусковая в 2 раза больше.

Конденсаторы необходимо подбирать металлобумажные (неполярные) с рабочим напряжением не менее Uн.

Мощность во всех случаях Р(1)=(0,5…0,6)Р(3).

Лекция 10

Расчет мощности электроприводов

Вопросы

1) Нагрев и охлаждение двигателей

2) Классификация режимов работы ЭП

3) Расчет мощностей и выбор двигателей в ЭП

1 Нагрев и охлаждение двигателей

Потери энергии в двигателе вызывают нагрев его отдельных частей. Допустимый нагрев двигателя определяется нагревостойкостью применяемых изоляционных материалов.

В современных двигателях применяется изоляция нескольких классов, допустимая температура нагрева которой составляет: класса А - до 1050С, Е –до 1200С, В – до 1300С, F – до 1550С, Н – до 1800С, С – свыше 1800С. В настоящее время при изготовлении ЭД применяются в основном изоляции классов В, F,Н.

Соблюдение установленных ограничений по допустимой температуре нагрева обеспечивает срок службы равный 15…20 лет. Превышение температуры резко снижает срок службы, так превышение допустимой температуры нагрева на 8…100С сокращает срок службы изоляции класса А вдвое.

Уравнение теплового баланса двигателя при неизменной нагрузке имеет вид

, (1)

где Q – количество теплоты (мощности потерь в двигателе), выделяемое

двигателем в единицу времени;

А – теплоотдача двигателя (количество теплоты, отдаваемой

двигателем в охлаждающую среду в единицу времени при

разности температур в 10С);

τ- превышение температуры двигателя над температурой

охлаждающей среды;

, (2)

где tд, tо. с – соответственно температура двигателя и охлаждающей среды;

С - теплоемкость двигателя (количество теплоты, необходимое для

повышения температуры двигателя на 10С).

Решение уравнения (1) имеет вид