Браславский И.Я. Энергосберегающий асинхронный электропривод

Подождите немного. Документ загружается.

Постоянные коэффициенты, характеризующие удельный вес составляющих

суммарных потерь по отношению к мощности потерь в номинальном режиме,

определяются по следующим формулам:

На рис. 3.7 показаны энергетические характеристики суммарных потерь и КПД АД

типа 4А132М6 при фиксированных частотах. Анализ кривых (см. рис. 3.7) показывает, что

при номинальном моменте потери в двигателе практически равны номинальным потерям

при изменении частоты в диапазоне . При том же моменте уменьшение

частоты приводит к увеличению суммарных потерь по сравнению с номинальными. Так,

при суммарные потери в двигателе превышают величину его потерь при

номинальном режиме работы на 20 %.

Потери в двигателе зависят как от частоты, так и от момента нагрузки. При

невысоких нагрузках суммарные потери в двигателе с уменьшением частоты

уменьшаются. Однако при перегрузках характер поведения суммарных потерь в

двигателе меняется. В этих случаях с уменьшением частоты суммарные потери в двига-

теле начинают увеличиваться за счет увеличения потерь в меди обмоток статора и

ротора, при том что потери в стали и механические потери уменьшаются. Так, при

и перегрузке двигателя всего на 10 % суммарные потери в нем увеличиваются в

2 раза.

Коэффициент полезного действия двигателя в режиме пропорционального

управления также существенно зависит не только от частоты, но и от момента нагрузки. В

исследуемом диапазоне частот 0,25... 1 максимальное значение КПД приходится на точку,

характеризующуюся величиной момента

примерно равного 0,5.

Проанализируем суммарные потери в системе ПЧ—АД и ее КПД, энергетические

характеристики которой при законе пропорционального управления приведены на рис.

3.8. Характер поведения зависимостей потерь и КПД системы ПЧ—АД от частоты и

момента в целом такой же, как в АД. Объясняется это тем, что основную долю потерь в

системе составляют потери в двигателе. Однако за счет потерь в преобразователе

частоты потери в системе ПЧ—АД увеличиваются, а ее КПД уменьшается.

Заметим, что входящее в формулы расчета характеристик индуктивное

сопротивление

считалось постоянной величиной, равной его значению при

номинальном режиме работы АД

Правомочность практического использования приведенных ранее выражений для

расчета характеристик при

может быть оценена по методике [63], которая

сводится к анализу численных значений главного потокосцепления

и определения по

ним рабочего участка реальной характеристики намагничивания. В том случае, когда

значения

соответствуют нелинейному участку характеристики намагничивания и

оценка по

не удовлетворяет точности, расчет механических и энергетических

характеристик производят с учетом насыщения машины. Рабочая точка на нелинейной

характеристике намагничивания, соответствующая фиксированным значениям ,

определяется решением

следующих нелинейных

уравнений:

Совместное решение этих уравнений при фиксированных значениях

дает

потокосцепление

Для решения уравнений (3.27)...(3.30) можно воспользоваться рекуррентными

методами, разработанными для вычисления корней. При использовании метода

касательных уравнение (3.27) приводится к виду

Тогда итерационная формула метода касательных будет выглядеть так:

Где

—

коэффициент укорочения шага приближения, способствующий улучшению

условий сходимости решения, ; — производная функции по

переменной

; n

— номер итерации.

Для определения производной

можно воспользоваться точечной оценкой по

формуле

Где

- достаточно малая величина, называемая базой оценки, т. е. расстояние

между двумя, значениями функции,

g >

Искомыми данной задачи являются .

Зная

нетрудно

определить электромагнитный момент, токи и потокосцепления обмоток статора и ротора,

а также рассчитать ряд других рабочих характеристик АД, ПЧ и в целом системы ПЧ—АД.

Вначале по формулам (3.29) и (3.30) определяется

Затем после определения

коэффициентов

а, Ь, с

рассчитывается функция и оценка ее производной

Далее рассчитывается приращение

которое сравнивается с заданной

величиной погрешности вычисления корня

Если выполняется условие , то это

свидетельствует о том, что корень найден. В противном случае производится новое

определение потокосцепления

которым проводится очередной цикл вычислений.

Таким образом, использование закона пропорционального управления

для электропривода в области низких частот, а также для электропривода с глубоким

регулированием скорости неэффективно. В этих случаях применяют специальные режимы

управления с использованием средств автоматического регулирования или корректируют

закон пропорционального управления, обеспечивая увеличение отношения

при

понижении частоты для частичной или полной компенсации падения напряжения на

активных сопротивлениях обмотки статора.

Так, в промышленных электроприводах предусматривается следующая коррекция

зависимости в области низких частот:

где — значение напряжения при — граничное значение частоты,

при которой происходит излом характеристики;

— постоянные коэффициенты.

Закон управления при постоянстве полного потокосцепления обмотки

статора. Известно, что причиной уменьшения потока при законе пропорционального,

управлении является влияние активного сопротивления

обмотки статора [17,53]. В

этом случае большая часть напряжения на статоре падает на сопротивлении

а мень-

шая часть приходится на намагничивающий контур (см. рис. 1.1). Для устранения влияния

активного сопротивления статора на характеристики АД напряжение на статоре

регулируется так, чтобы электродвижущая сила (ЭДС) , эквивалентной схемы

замещения не зависела бы от нагрузки. При этом для сохранения максимального момента

двигателя по мере снижения должна уменьшаться пропорционально. Таким

образом, приходим к режиму, который характеризуется соотношением

где

k —

коэффициент пропорциональности между . Этому условию соответствует режим

работы двигателя при постоянстве полного потока, сцепленного с обмоткой статора. В

частном случае

, что соответствует режиму управления при постоянстве

. В режиме постоянства полностью компенсируется падение напряжения на

активных сопротивлениях статора. Этим устраняется влияние активных сопротивлений на

главный поток двигателя.

При пренебрежении эффектом насыщения магнитных цепей двигателя и вытеснения

тока в роторе уравнения механической характеристики в режиме постоянства

приводятся к следующему виду:

Описанная ранее процедура расчета механических характеристик двигателя в

режиме пропорционального управления полностью применима для режима .

На рис. 3.9 приведены механические характеристики и характеристики напряжения

статора АД типа 4А132М6 при

Расчеты выполнены при фиксированных

частотах. В этом режиме напряжение на статоре регулируется так (см. рис. 3.9,

б),

чтобы

падение напряжения на активных сопротивлениях обмотки статора полностью

компенсировалось. Режим

принципиально отличается от режима

пропорционального управления тем, что в нем напряжение поставлено в зависимость не

только от частоты но и от нагрузки

С увеличением нагрузки напряжение

увеличивается на столько, на сколько это необходимо, чтобы компенсировать

напряжение, падающее на активном сопротивлении обмотки статора. В результате

результирующий ток намагничивания и главное потокосцепление становятся незави-

симыми от частоты и изменяются только при изменении момента нагрузки. Зависимости

тока намагничивания и главного потокосцепления АД от момента

в режиме

приведены на рис. 3.10.

Для линейной магнитной цепи двигателя ток намагничивания и главное

потокосцепление могут быть рассчитаны по следующим формулам:

В этом режиме абсолютное скольжение

и момент

не зависят от частоты

и будут иметь те же значения, что и при , если обеспечивается постоянство

, т.е. обеспечивается то потокосцепление, которое имеет место при

номинальном режиме работы двигателя.

Аналитические выражения абсолютного скольжения и электромагнитного момента в

критической точке при линейной магнитной цепи АД и пренебрежении вытеснением тока

в роторе имеют следующий вид:

Момент двигателя в режиме короткого замыкания рассчитывается по формуле

При асинхронный двигатель работает при скольжении

на всех частотах, хотя жесткость механической характеристики падает с увеличением

момента. Однако при фиксированном значении момента уровень падения скорости для

всех характеристик одинаков.

Уравнения электромеханических характеристик в режиме

const описываются

следующими выражениями:

Подставив в формулу (3.35) найдем ток статора в режиме идеального

холостого хода:

Ток статора в режиме короткого замыкания получим из (3.35) при значениях

На рис. 3.11 приведены зависимости токов статора и ротора АД от момента

режиме . Токи в обмотках статора и ротора не зависят от частоты и

увеличиваются с увеличением момента нагрузки, что сказывается на характере

изменения суммарных потерь в двигателе и его КПД. В связи с этим при любом

фиксированном моменте нагрузки за счет потерь в стали и механических потерь

суммарные потери в двигателе с уменьшением частоты будут уменьшаться. Вместе с тем

на рис. 3.12 видно, что с увеличением момента потери в двигателе мало зависят от его

частоты за счет преобладающего влияния потерь в меди обмоток статора и ротора.

Энергетические характеристики суммарных потерь и КПД АД в режиме

приведены на рис. 3.12. Сравнение режимов пропорционального управления и

постоянства потокосцепления обмотки статора по энергетическим показателям

показывает существенное преимущество последнего при низких частотах и изменении

нагрузки двигателя в широких пределах. Суммарные потери АД в режиме

меньше, а КПД выше.

Энергетические характеристики суммарных потерь и КПД системы ПЧ—АД в режиме

представлены на рис. 3.13. Потери в системе монотонно возрастают с

увеличением момента и, как видно на рис. 3.13, зависят от частоты. Общий характер

поведения потерь при фиксированном значении момента и изменении скорости двигателя

сохраняется, т.е. уменьшение частоты приводит к уменьшению потерь в системе ПЧ—АД.

В целом коэффициент полезного действия электропривода в режиме больше

по сравнению с режимом пропорционального управления.

При учете насыщения расчет характеристик в режиме сводится к решению

итерационным методом следующих нелинейных уравнений:

Для применения итерационной формулы метода касательных уравнение (3.37)

приводится к виду

Тогда описанная ранее процедура алгоритма решения нелинейных уравнений

(3.27)...(3.30) сохраняется и для данного случая.

Расчет механической характеристики при ведется в следующей

последовательности. При фиксируется значение частоты . Последовательно

для каждого из заданного диапазона значений решается система

уравнений (3.37) ...(3.40). В качестве варьируемой переменной используется главное

потокосцепление

. Искомым решением является

для заданных . Зная

определим электромагнитный момент :

В результате совместного решения уравнений (3.37)... (3.41), находим зависимость

скорости от электромагнитного момента

двигателя при фиксированной частоте

Для расчета рабочих характеристик вначале определяется потокосцепление ротора:

Затем по формулам

рассчитываются напряжение , ток статора , ток ротора и другие

характеристики двигателя.

Анализ характеристик АД в режиме показывает, что при всех частотах

двигатель работает в условиях, наиболее близких к условиям его работы при

номинальной частоте, а его скольжение и момент с линейной характеристикой

намагничивания постоянны и зависят лишь от его параметров.

Осуществление закона управления при постоянстве потокосцепления статора

сложнее, так как напряжение на статоре в этом случае должно изменяться в функции

частоты и нагрузки . Реализовать такой закон управления в параметрической

форме не представляется возможным. На практике режим обеспечивается

регулированием непосредственно либо

для чего в системах автоматического

управления предусматриваются соответствующие датчики или вычислители.

Закон управления при постоянстве главного потокосцепления АД.

Компенсация падения напряжения в активных сопротивлениях обмотки статора устраняет

снижение главного потока с понижением частоты, обусловленное ими самими, но не

устраняет снижения потока с увеличением нагрузки из-за падения напряжения на

индуктивных сопротивлениях

. Рассматриваемый закон частотного управления

предполагает полную компенсацию напряжения как на активном сопротивлении

, так и

на индуктивном сопротивлении статора

. В этом случае не зависит от на-

грузки при данной частоте. При таком управлении основной электромагнитный поток

двигателя становится больше, чем в режиме компенсации падения напряжения на

активных сопротивлениях обмотки статора и сохраняет постоянное значение при всех

частотах и при всех значениях момента нагрузки. Этот режим эквивалентен v режиму

работы двигателя при постоянстве главного

потокосцепления .

Таким образом, характерная особенность этого режима состоит в том, что магнитное

состояние АД не зависит от изменения частоты и нагрузки.

Механические характеристики в режиме описываются следующими

уравнениями:

За расчетное базовое значение главного потокосцепления принимают его величину

при холостом ходе АД или в точке номинального режима.

На рис. 3.14 приведены рабочие характеристики: механические и напряжения

статора АД типа 4А132М6, имеющего , в режиме

Благодаря

поддержанию постоянным главного потокосцепления независимо от частоты и момента

нагрузки перегрузочная способность двигателя существенно возрастает. В нашем примере

критический момент увеличился в 1,8 раза.

Критическое скольжение в рассматриваемом режиме зависит только от активного

сопротивления и индуктивности рассеяния обмотки ротора, а критический

электромагнитный момент определяется величиной главного потокосцепления и

значением индуктивности рассеяния обмотки ротора. Пренебрегая эффектом вытеснения

тока в роторе, можно получить следующие выражения для расчета координат

критической точки в данном режиме:

Момент двигателя в режиме короткого замыкания рассчитывается по формуле

На рис. 3.14,

построены кривые, иллюстрирующие закон регулирования

напряжения статора в зависимости от частоты и электромагнитного момента двигателя.

Эти кривые показывают, какое напряжение должно быть подано от ПЧ в режиме

управления . В частности, при напряжение статора

значительно превышает номинальное, особенно при больших моментах. На рис. 3.15

показаны зависимости тока намагничивания и главного потокосцепления АД в режиме

Электромеханические характеристики двигателя в режиме постоянства главного

потокосцепления рассчитываются по следующим формулам: