Онищенко Г.Б. Электрический привод

Подождите немного. Документ загружается.

ля и ведущими к его перегреву. Получаемые при этом способе механические

характеристики неблагоприятны для качественного регулирования. Диапазон

регулирования не превышает 1,5:1; более глубокое регулирование скорости

можно допускать только кратковременно. Исходя из данной оценки, ре-

гулирование изменением величины питающего напряжения применяется, глав-

ным образом, только для обеспечения плавного пуска нерегулируемых асин-

хронных электроприводов

или для кратковременного снижения скорости. Ино-

гда этот способ регулирования используется для регулирования скорости насо-

сов и вентиляторов (механизмов с вентиляторным характером нагрузки) не-

большой мощности (до 15кВт), однако и в этом случае необходимо увеличение

установленной мощности двигателя.

Для асинхронных двигателей с фазным ротором регулирование скоро-

сти может производиться воздействием

на роторную цепь двигателя. При вве-

дении добавочного сопротивления в цепь ротора энергия скольжения рассеива-

ется не в объеме двигателя, а в сопротивлениях. Этот способ регулирования

оценивается как неэкономичный. При использовании релейно-контакторных

схем исключается плавность регулирования скорости. В настоящее время

управление с введением добавочных сопротивлений в цепь ротора использует-

ся

, в основном, для пуска асинхронных двигателей с фазным ротором. Элек-

троприводы с реостатно - контакторным управлением не рассматриваются на-

ми, как регулируемые электроприводы.

Все способы регулирования, основанные на изменении скольжения

асинхронного двигателя, связаны с выделением энергии скольжения в ротор-

ной цепи двигателя. В рассматриваемых выше способах эта энергия расходова-

лась на

нагрев обмотки ротора и роторных сопротивлений. Существуют систе-

мы регулируемого электропривода, в которых энергия скольжения не теряется

в сопротивлениях, а используется полезно - возвращается в питающую сеть,

что делает регулирование в этих системах экономичным. К таким системам ре-

гулируемого привода относятся асинхронные вентильные каскады и двигатели

двойного питания. Особенностью каскадных схем асинхронного

привода явля-

ется ограниченный диапазон регулирования - не больше, чем 2:1. В этом диапа-

зоне каскадные схемы обеспечивают плавное и экономичное регулирование

скорости. Такие системы электропривода наиболее целесообразны для мощных

турбомеханизмов - насосов и вентиляторов.

6.2. Асинхронный электропривод с частотным регулированием

скорости

Возможность частотного регулирования скорости асинхронного двига-

теля - регулирование путем изменения частоты питающего напряжения - выте

кает из того обстоятельства, что скорость вращения электромагнитного поля

статора пропорциональна частоте питающего напряжения

⋅

(6.2)

Следует также учесть, что поскольку с изменением частоты питающего

напряжения изменяется и величина потока двигателя Ф

кf

≈=

(6.3)

то в большинстве случаев одновременно с изменением

частоты питающего напряжения необходимо регулировать и

его амплитуду. Необходимость регулирования напряжения

при уменьшении частоты вниз от номинальной связана с тем,

что из-за уменьшения индивидуального сопротивления обмо-

ток двигателя ток намагничивания будет возрастать, что

приведет к насыщению магнитопровода двигателя и его

перегреву. Регулирование

напряжения следует производить

таким образом, чтобы скольжение двигателя было ми-

нимальным.

Для реализации способа частотного регулирования асинхронный корот-

козамкнутый двигатель включается в питающую сеть с параметрами U

и f

че-

рез преобразователь частоты UF (см.рис.6.2). В качестве преобразователей час-

тоты в настоящее время используются, в основном, полупроводниковые преоб-

разователи частоты.

При частотном регулировании величина относительного скольжения S

зависит как от разности скоростей вращающегося электромагнитного поля и

ротора - абсолютного скольжения S

абс

= ω

- ω , так и от относительного значе-

ния f

, частоты питающего напряжения

= (6.4)

−

= (6.5)

Здесь f

, ω

, S

, - регулируемые значения частоты напряжения статора и

соответствующие значения скорости вращения поля и скольжения;

1н

и ω

0н

- номинальные значения частоты статора и скорости поля, со-

ответствующие паспортным данным двигателя.

С учетом (6.2)

*10

⋅

−=

(6.6)

Для анализа электромеханических характеристик двигателя при час-

тотном регулировании рассмотрим Т-образную

схему замещения двигателя (рис.6.3). В отличие от

ранее приведенной схемы замещения в данном

случае приходится учитывать, что реактивные

сопротивления двигателя зависят от частоты

питающего напряжения и изменяются с изменением частоты.

*111

fxx

нj

⋅=

⋅

fxx

кнк

нj

⋅=

⋅

μμ

(5.7)

В связи с этим нужно заметить, что при номинальной частоте 50Гц ин-

дуктивное сопротивление контура намагничивания х

μн

на порядок (для машин

малой мощности) или на два порядка (для машин большой мощности) больше,

чем активное сопротивление обмотки статора r

. Поэтому при анализе и расче-

те электромеханических характеристик асинхронных двигателей, работающих

при постоянной номинальной частоте питающего напряжения, сопротивлением

, обычно пренебрегают. Если же двигатель работает с переменной частотой

напряжения, то при снижении частоты сопротивление r

становится соизмери-

мым с реактивными сопротивлениями машины и учет сопротивления r

являет-

ся необходимым.

Мощность скольжения, выделяемая в цепи ротора, расходуется на на-

грев обмоток ротора как следует из (3.37)

3 rISMР

jjs

, откуда

= (6.8)

Из схемы замещения, учитывая, что отношения х

1н

/х

μн

нн

хx

гораздо

меньше единицы и ими можно пренебречь, определим значение

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

fxS

rfx

нjj

кн

(6.9)

Подставив (6.9) в (6.8), получим формулу для механических характери-

стик при переменных значениях величины и частоты напряжения питания

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

fxS

rfxS

нjj

кнj

(6.10)

Заметим, что если положить r

μн

= 0 и f

= 1, то формула (6.10) станет

идентичной формуле для механических характеристик нерегулируемого по

частоте асинхронного двигателя (см.3.21).

Положив dM/dS

=0, найдем значения максимального момента и крити-

ческого скольжения

()

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

++±

110

fxrr

кнj

, (6.11)

fxr

кн

кj

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

±=

(6.12)

Знак (+) соответствует двигательному режиму, знак (-) - режиму реку-

перативного торможения.

Анализируя выражение (6.11), можно установить, что, если пренебре-

гать величиной активного сопротивления статора (r

= 0), то, для того чтобы

при частотном регулировании (уменьшении частоты вниз от номинальной) со-

хранять критический момент постоянным, нужно величину напряжения изме-

нять пропорционально изменению частоты.

const

(6.13)

где

= .

Механические характеристики, соответствующие частотному регули-

рованию при выполнении соотношения

(6.13) и r

=0, показаны на рис.6.4

(сплошными линиями). В первом при-

ближении пропорциональное

регулирование напряжения в

соответствии с соотношением (6.13)

обеспечивает работу двигателя с

постоянным потоком.

В действительности при малых

значениях частоты (f

<0,3) падение напряжения на сопротивлении r

, сущест-

венно снижает величину напряжения, прикладываемого к контуру намагничи-

вания (напряжение U

aб

на рис.6.2).

rIUU

аб

−= .

Падение напряжения на индуктивном сопротивлении х

, уменьшается с

уменьшением частоты и поэтому не оказывает такого влияния на напряжение

aб

, как падение напряжения на активном сопротивлении r

которое не зависит

от частоты.

При более точном расчете с учетом падения напряжения U на сопро-

тивлении r

, механические характеристики имеют вид, показанный на рис.6.4

пунктиром. При малых значениях частоты, когда относительное значение па-

дения напряжения на сопротивлении r

становится значимым, поток двигателя

уменьшается и соответственно уменьшается максимальный момент М

, что

следует также из формулы (6.11).

Поэтому для того чтобы регулировать скорость двигателя, сохраняя

максимальный момент двигателя постоянным, нужно величину напряжения

уменьшать в меньшей степени, чем уменьшается частота, примерно в соотно-

шении:

)1(

*111*111

frIfUU

нн

−

= (6.14)

Такой способ регулирования напряжения называют «пропорциональное

регулирование с I·r компенсацией». Зависимость

)(

*1*1

ffU

показана на рис.6.5. При регулировании

напряжения в соответствии с соотношением (6.14)

механические характеристики будут иметь вид,

показанный на рис.6.4 сплошными линиями.

Следует иметь в виду, что величина I·r

компенсации зависит от относительной величины r

которая для двигателей мощностью более 100кВт

незначительна и ею, как правило, можно пре-

небрегать; для двигателей мощностью до 15кВт учет r

, обязателен.

В ряде случаев, в частности, при вентиляторном характере нагрузки, нет

необходимости при снижении скорости поддерживать критический момент

двигателя равным номинальному. В этом случае более целесообразно выдер-

живать постоянным соотношение между статическим и максимальным момен-

тами двигателя М

/М

= const. При этом следует пользоваться следующим со-

отношением между частотой и напряжением (формула М.П. Костенко):

**1*1 c

MfU = (6.15)

где М

с*

. = М

/М

- относительное значение статического момента при

данной частоте (скорости).

Так, для привода вентилятора при снижении скорости в 2 раза, статиче-

ский момент снижается в 4 раза. Тогда, в соответствии с (6.15) при снижении

скорости и частоты в 2 раза, напряжение можно уменьшить в 4 раза. При этом

сокращаются потери в обмотке статора и магнитопроводе машины.

При

стандартной частоте питания 50Гц невозможно получить скорость

асинхронного двигателя выше 3000 об/мин. Для получения более высокой ско-

рости необходимо питать асинхронный двигатель напряжением с частотой бо-

лее 50Гц. Для многих механизмов: машины текстильной промышленности,

шлифовальные станки, центрифуги и другие, - необходимы скорости рабочего

органа 6000, 9000, 1200 об/мин и более. В этом случае применяют

преобразова-

тели частоты с выходной частотой более 50Гц. Однако повышение напряжения

выше стандартного, как правило, невозможно или затруднено. В этом случае

использование соотношения (6.13) невозможно, и регулирование скорости по-

вышением частоты выше номинальной производится при постоянном напря-

жении U

=1.

Очевидно, что в этом случае ток намагничивания I

уменьшается с рос-

том частоты, соответственно падает поток двигателя. Как следует из (6.11),

максимальный момент снижается примерно обратно пропорционально квадра-

ту частоты. Однако, по-

поскольку ток ротора

можно за счет увеличения

скольжения длительно

поддерживать равным

номинальному, то длительно

допустимый номинальный

момент уменьшается обратно

пропорционально частоте в первой степени. Поскольку с увеличением частоты

скорость двигателя увеличивается, то длительно допустимая мощность на валу

двигателя остается примерно постоянной. Поэтому регулирование повышением

частоты сверх номинальной при сохранении постоянства напряжения относят к

регулированию с постоянством мощности. Механические характеристики для

этого случая приведены на рис.6.6. Регулирование изменением частоты вниз от

номинальной с одновременным регулированием напряжения в соответствии с

соотношением (6.14) относят к регулированию с постоянным моментом.

Задача 6.1. Частотно-регулируемый электропривод состоит из асин-

хронного короткозамкнутого двигателя типа 4А132М4УЗ и преобразователя

частоты типа инвертора напряжения.

Технические данные двигателя Р

=11кВт, U

1Л

=380B, ω

=1455 об/мин =

157 1/с, М

/М

=2,2, r

=0,43Ома,

r =0,32Ома, х

= 1,5Ома, х

=32Ома.

Требуется рассчитать механические характеристики привода при сле-

дующих соотношениях частоты и напряжения двигателя

const

, f

изменяется от 5 до 50Гц

constU =

, f

изменяется от 50 до 100Гц.

Решение.

1. Номинальный момент двигателя

Нм

152

11000

===

2. Номинальное скольжение двигателя

03,0

1500

14551500

−

ОН

НОН

пп

3. Расчет механических характеристик сводим в таблицу 6.1.

За базовые величины при расчете принять ω

= ω

0н

=157 1/с; М

=72Нм.

Расчет производится по формулам: ω

- (6.2); S

кj

- (6.12); M

кj

- (6.11); М-(6.10).

Таблица 6.1

Расчет механических характеристик асинхронного двигателя при час-

тотном регулировании

Характери- f

, U

, В ω

кj

, М

к*

, ω

0j*

, S

; ω

; М

Естественная

х-ка 220В

1,0

220

157

0,155

2,35

1,0

0,0

0,03

1,0

0,97

0,0

1,0

=const

30Гц

0,6

132

94,2

0,20

1,98

0,6

0,0

0,1

0,6

0,54

0,0

1,56

=const

15Гц

0,3

47,1

0,4

1,54

0,3

0,0

0,2

0,3

0,24

0,0

1,21

= const

5Гц

0,1

15,7

0,6

0,1

0,0

0,1

0,07

0,0

0,485

=220 В

=75 Гц

1,5

220

235,5

0,1

1,1

1,5

0,0

0,05

1,5

1.42

0,0

0,9

=220 В

=100 Гц

2,0

220

314

0,08

0,72

2,0

0,0

0,04

2,0

1,9

0,0

0,55

Как видно из полученных характеристик (рис.6.6), при снижении часто-

ты с одновременным снижением напряжения в соотношении

constfU =

*1*1

/ ,

критический момент при низких частотах питающего напряжения существенно

снижается, что связано с падением напряжения на активном сопротивлении r

Для того, чтобы критический момент остался постоянным, напряжение нужно

снижать в меньшей степени, чем частоту, компенсируя падение напряжения на

активном сопротивлении статора, т.е. следует пользоваться соотношением

(6.14). При повышении частоты сверх номинальной и сохранении величины

напряжения, равной номинальной, скорость двигателя возрастает, но макси-

мальный момент уменьшается.

6.3. Электропривод по системе преобразователь частоты с непо-

средственной связью - асинхронный двигатель

Существующие вентильные (полупроводниковые) преобразователи час-

тоты можно разделить на две группы:

1 - преобразователи с непосредственной связью питающей сети и на-

грузки, сокращенно НГГЧ;

2 - преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного то-

ка.

Преобразователь частоты с непосредственной связью включается в ста-

торную цепь асинхронного двигателя и служит для преобразования напряже-

ния стандартной частоты в регулируемое в определенных пределах напряжение

по величине и частоте.

Преобразователи частоты с непосредственной связью обычно пред-

ставляют собой три согласованно работающих

реверсивных тиристорных преобразователя

постоянного тока. Блок схема не-

посредственного преобразователя частоты

представлена на рис.6.7.

Каждая фаза асинхронного

двигателя

питается от своего реверсивного

преобразователя. Напряжение,

прикладываемое к обмотке статора, будет равно:

aUкU

ссхф

cos

где U

- напряжение питающей сети.

Если угол регулирования а устанавливать в соответствии текущим зна-

чением частоты, например,

cсх

Uк

⋅

cos

*11

и поддерживать неизменным в течение одного полупериода выходной частоты

преобразователя, а в течение второй полуволны переключать группы вентилей