Онищенко Г.Б. Электрический привод

Подождите немного. Документ загружается.

или, обозначая

−

получим:

)(82,3

AАМ −=

(6.25)

Здесь

экв

;

рн

= .

Механические характеристики вентильного каскада приведены на

рис.6.18.

Механические характеристики имеют сравнительно высокую жесткость

(примерно в 2 раза меньше, чем у ес-

тественной механической характеристики

асинхронного двигателя) и перемещаются

параллельно друг другу вдоль оси ординат

по мере увеличения противоэ.д.с. ин-

вертора E

, (по мере уменьшения угла

управления β). Уравнения (6.24) и (6.25)

позволяют рассчитать механические

характеристики при значениях момента до

0,72М

. Вследствие того, что ток ротора несинусоидален, критический момент

двигателя в схеме каскада не достигается и максимальный момент составляет

макс

=0,83М

, т.е. перегрузочная способность асинхронного двигателя в схеме

каскада снижается на 17%.

Принцип регулирования скорости в рассматриваемой схеме следую-

щий. Если установить угол управления β=90°, то противоэ.д.с. инвертора E

будет равна нулю. Этому условию соответствует верхняя механическая харак-

теристика. Если при наличии статического момента М

, на валу двигателя

уменьшить угол β (например установить β =60°), то увеличится противоэ.д.с.

инвертора E

и она станет больше, чем выпрямленная э.д.с. ротора E

. Тогда

ток ротора I

уменьшится до нуля (в обратную сторону ток пойти не может из-

за односторонней проводимости выпрямителя). Момент двигателя станет рав-

ным нулю, и под действием статического момента скорость двигателя будет

уменьшаться и, следовательно, возрастать скольжение. По мере роста скольже-

ния увеличивается э.д.с. ротора. Когда скольжение станет больше S

(для рас-

сматриваемою примера), по цепи ротора пойдет ток, и двигатель перейдет на

работу на механической характеристике, соответствующей S

. Скорость двига-

теля будет определяться точкой пересечения линии статического момента с

данной механической характеристикой. Для дальнейшего снижения скорости

нужно еще более увеличить противоэ.д.с. инвертора, т.е. уменьшить угол β.

Для увеличения скорости уменьшают противоэ.д.с. инвертора E

, ток

ротора возрастает, момент увеличивается, и двигатель разгоняется. По мере

увеличения скорости уменьшаются выпрямленная э.д.с. ротора, ток и момент

двигателя. Разгон двигателя будет происходить до тех пор, пока момент двига-

теля не уменьшится до значения, соответствующего статическому моменту.

Глубина возможного регулирования скорости определяется относи-

тельным значением напряжения трансформатора U

2Т

, от величины которого за-

висит максимальное скольжение S

0.макс

(см. формулу 6.22). Это обстоятельство

определяет целесообразность применения вентильных каскадов для привода

механизмов с вентиляторным характером нагрузки (насосов, вентиляторов и

др.), для которых не требуется, как правило, снижение скорости ниже 50% от

номинальной. Тогда трансформатор и инвертор могут иметь мощность в 2 раза

меньше, чем мощность асинхронного двигателя, что уменьшает стоимость

электропривода.

Ориентировочно

требуемая мощность трансформатора инвертора опре-

деляется соотношением

дв

максдв

тр

SР

965,0

т.е. составляет часть мощности двигателя, пропорциональную макси-

мальному скольжению.

В случае регулирования в схеме каскада в неполном диапазоне скорости

возникает задача пуска двигателя до нижней рабочей скорости в схеме каскада.

Обычно в этом случае используется схема реостатного пуска.

Одна из возможных схем показана на

рис.6.19. В этой схеме двигатель разгоняется

при включенном контакторе КМ1 и от-

ключенном КМ2 по схеме реостатного

пуска. По достижении определенной

скорости выше, чем

)1(

.00 макс

S−

, включается

контактор КМ2 и затем отключается КМ1, и

двигатель переходит на работу в схеме

вентильного каскада.

6.5.1.Двигатели двойного питания

В отличие от схем вентильного каскада, где поток энергии скольжения

направлен только в одну сторону - от ротора двигателя к инвертору и далее в

питающую сеть, в схемах двигателя двойного питания

в цепь ротора включа-

ется преобразователь (рис.6.20), обеспечивающий

двухсторонний обмен энергией, как от ротора

двигателя в питающую сеть, так и от сети в обмотки

ротора асинхронного двигателя. Таким

преобразователем является преобразователь частоты

с непосредственной связью. При этом добавочная

э.д.с., вводимая в цепь ротора, может быть

направлена как против э

.д.с. ротора, согласно с ней

или под некоторым углом (π-δ). В общем случае

)(

δπ

−

доб

еUU

Ток ротора будет определяться из уравнения

равновесия напряжений в контуре ротора

)(

ϕδπϕ

−−−

доб

Активная и реактивная составляющие тока ротора будут равны:

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

+−⋅=

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

+−⋅=

)sin(sin

)cos(cos

ϕδϕ

добн

(6.26)

В этих формулах: Е

, Е

2н

- текущая и номинальная (при S=l) э.д.с. рото-

ра;

222

)( Sxrz += ;

arccos

Активная составляющая тока ротора определяет момент двигателя М и

механическую мощность двигателя

)1(

SМР

мех

−

Реактивная составляющая тока ротора определяет реактивную мощ-

ность, циркулирующую в статорной и роторной цепях двигателя

)sin(cos

ϕδδ

доб

⋅−= (6.27)

Равенства (6.26) и (6.27) показывают, что,

регулируя величину и фазу добавочного напряжения

доб

, вводимого в цепь ротора, можно управлять ак-

тивной и реактивной мощностями двигателя. Из этого

положения также следует, что при соответствующих

значениях U

и δ активная составляющая тока ротора

может быть отрицательна при положительных

скольжениях S>0 и положительна при отрицательных

скольжениях S<0. Это означает, что в системе

двойного питания асинхронный двигатель может

работать в несвойственных ему в обычных схемах

включения режимах: генераторном при скорости

ниже синхронной и двигательном при скорости выше

синхронной. Энергетические диаграммы для

указанных режимов приведены на

рис.6.21,а.

Направление потока энергии в режиме генераторного торможения при

скорости ниже синхронной противоположно тому, какое было в двигательном

режиме (см. рис.6.16).

Мощность торможения Р

мех

в рассматриваемом случае недостаточна для

создания электромагнитной мощности Р

эм

поэтому из сети через трансформа-

тор и роторный преобразователь забирается и направляется в ротор двигателя

недостающая мощность, пропорциональная скольжению

SMР

S 0

= . Сумма ме-

ханической мощности, поступающей с вала, и мощность скольжения

эмSмех

PMРP

образует электромагнитную мощность, которая рекуперируется в пи-

тающую сеть. Отдаваемая в сеть мощность равна разности рекуперируемой

мощности, отдаваемой по цепи статора, и мощности, забираемой со стороны

трансформатора

тррекотд

РРР

−

В двигательном режиме при скорости выше синхронной (рис.6.21,б) в

роторную цепь двигателя добавляется мощность скольжения, забираемая из се-

ти со стороны трансформатора. Она складывается с электромагнитной мощно-

стью, поступающей в двигатель со стороны статора. Сумма этих мощностей

преобразуется в механическую мощность на валу двигателя, обеспечивая рабо-

ту двигателя с

моментом М при скорости выше синхронной

мехроттрпотрстпотр

РSМРРРР =

−

+ |)|1()(

01..

Заметим, что, несмотря на то, что скольжение в этом случае отрица-

тельно, двигатель развивает двигательный момент.

В обоих рассматриваемых режимах преобразователь частоты работает

таким образом, что энергия от трансформатора поступает в ротор двигателя,

т.е. двигатель питается как со стороны статора, так и ротора.

Поскольку частота f

э.д.с. и тока ротора определяется скольжением

двигателя f

= f

S , то и частота добавочной э.д.с. U

доб

вводимой в цепь ротора,

должна совпадать с частотой э.д.с. ротора и изменяться при изменении сколь-

жения двигателя.

Максимально возможный диапазон регулирования скорости вниз и

вверх от синхронной определяется двумя параметрами -возможными макси-

мальными значениями частоты f

и напряжения U

доб.макс

на выходе преобразова-

теля частоты, служащего для питания цепи ротора. Максимальный диапазон

регулирования скорости будет равен

макс

мин

макс

−

Абсолютное значение максимального скольжения равно

доб

макс

|| =

Так как преобразователь частоты с непосредственной связью, как пра-

вило, обеспечивает регулирование частоты в пределах 20Гц (при частоте пита-

ния 50Гц), чему соответствует максимальное скольжение

4,0||

макс

S , то макси-

мальный диапазон регулирования скорости двигателя двойного питания будет

равен

1:3,26,0/4,1

≈=

Д .

Регулирование скорости в схеме двигателя двойного питания произ-

водится изменением величины и знака относительного значения добавочной

э.д.с.

ндоб

ЕU

, при этом частота па выходе преобразователя автоматически

поддерживается равной частоте тока ротора

Механические характеристики двигателя

двойного питания при ε=0,2 приведены на

рис.6.22. Пуск двигателя до значения

минимальной рабочей скорости производится

так же, как и в схемах вентильного каскада (см.

рис.6.19).

Основным достоинством схем

вентильного каскада и двигателей двойного

питания является

высокий кпд, сохраняющийся при регулировании скорости в

заданном диапазоне. Поскольку эти системы регулируемого асинхронного при-

вода имеют ограниченный диапазон регулирования, как правило, не выше 2:1,

то эти системы применяются, главным образом, для привода мощных (выше

250кВт) турбомеханизмов: вентиляторов, центробежных насосов и других ма-

шин.

6.6. Вентильный двигатель

Под вентильным двигателем понимают систему регулируемого элек-

тропривода, состоящую из электродвигателя переменного тока, конструктивно

подобного синхронной машине, вентильного преобразователя и устройств

управления, обеспечивающих коммутацию цепей обмоток электродвигателя в

зависимости от положения ротора двигателя. В этом смысле вентильный двига-

тель подобен двигателю постоянного тока, в котором посредством коллектор-

ного коммутатора подключается тот виток обмотки якоря, который находится

под полюсами возбуждения.

Двигателям постоянного тока присущи серьезные недостатки, обуслов-

ленные, главным образом, наличием щеточно-коллекторного аппарата.

1. Недостаточная надежность коллекторного аппарата, необходимость

его периодического обслуживания.

2. Ограниченные величины напряжения на якоре и, следовательно,

мощности двигателей постоянного тока, что ограничивает их применение для

высокоскоростных приводов большой мощности.

3. Ограниченная перегрузочная способность двигателей постоянного

тока, ограничение темпа изменения тока якоря, что существенно для высоко-

динамичных электроприводов.

В вентильном двигателе указанные недостатки не проявляются, по-

скольку здесь

щеточно-коллекторный коммутатор заменен бесконтактным

коммутатором, выполненным на тиристорах (для приводов большой мощности)

или на транзисторах (для приводов мощностью до 200кВт). Исходя из этого,

вентильный двигатель, который конструктивно выполняется на базе синхрон-

ной машины, часто называют бесконтактным двигателем постоянного тока. По

управляемости вентильный двигатель также подобен двигателю постоянного

тока - его скорость регулируется изменением величины подводимого постоян-

ного напряжения. Благодаря своим хорошим регулировочным качествам вен-

тильные двигатели получили широкое применение для привода различных

промышленных машин и механизмов.

6.6.1. Электропривод по системе транзисторный коммутатор -

вентильный двигатель с постоянными магнитами

Вентильный двигатель рассматриваемого типа выполнен на базе трех-

фазной синхронной машины с

постоянными магнитами на роторе. Трехфазные

обмотки статора питаются постоянным током, подаваемым поочередно в две

последовательно соединенные фазные обмотки. Переключение обмоток произ-

водится транзисторным коммутатором, выполненным по трехфазной мостовой

схеме. Транзисторные ключи открываются и закрываются в зависимости от

положения ротора

двигателя. Схема

вентильного двигателя

представлена на рис.6.23.

Момент,

создаваемый двигателем,

определяется взаимодей-

ствием двух потоков:

статора Ф

, создаваемого током в обмотках статора, и ротора Ф

, создаваемого

высокоэнергетическими постоянными магнитами (на основе сплавов самарий-

кобальт и других).

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

ФкФМ

sin

, (6.27)

где: θ - пространственный угол между векторами потоков статора и ро-

тора;

- число пар полюсов.

Магнитный поток статора стремится повернуть ротор с постоянными

магнитами, так, чтобы поток ротора совпал по направлению с потоком статора

(вспомним магнитную стрелку компаса).

Наибольший момент, создаваемый на валу ротора, будет при угле

между векторами потоков равным 90° и будет

уменьшаться до нуля по мере сближения векторов

потоков. Эта зависимость показана на

рис.6.24.

Рассмотрим пространственную диаграмму

векторов потоков, соответствующую двигательному

режиму (при числе пар полюсов р

=1). Предпо-

ложим, что в данный момент включены транзисторы

VT3 и VT4, (см. схему рис.6.23). Тогда ток проходит

через обмотку фазы В и в обратном направлении через обмотку фазы А. Ре-

зультирующий вектор м.д.с. статора будет занимать в пространстве положение

, (см. рис.6.25). Если ротор занимает в этот момент положение, показанное на

рис.6.26., то двигатель будет развивать в соответствии с (6.27) максимальный

момент, под действием которого ротор будет поворачиваться по часовой стрел-

ке. По мере уменьшения угла θ момент будет уменьшаться. Когда ротор повер-

нется на 30°, необходимо в соответствии с графиком на

рис.6.24. переключить

ток в фазах двигателя, так, чтобы результирующий вектор м.д.с. статора занял

положение F

(см. рис.6.25). Для этого нужно отключить транзистор VT3 и

включить транзистор VT5. И далее следует переключать транзисторы в порядке

возрастания номеров.

Переключение

фаз выполняет

транзисторный

коммутатор VT1-VT6,

управляемый от датчика

положения ротора DR;

при этом угол θ

поддерживается в пределах 90°±30º, что соответствует максимальному значе-

нию момента с наименьшими пульсациями. При р

=1 за один оборот ротора

должно быть произведено шесть переключений, благодаря которым м.д.с. ста-

тора совершит полный оборот (см. рис.6.25). При числе пар полюсов больше

единицы поворот вектора м.д.с. статора, а, следовательно, и ротора, составит

360/ р

градусов.

Регулирование величины момента производится изменением величины

м.д.с. статора, т.е. изменением средней величины тока в обмотках статора

−

= (6.28)

где R

- сопротивление обмотки статора.

Поскольку поток двигателя постоянен, то э.д.с. Е

наводимая в двух по-

следовательно включенных обмотках статора будет пропорциональна скорости

ротора. Уравнение электрического равновесия для цепей статора будет

LRIкФU

11121

22 ++⋅=

(6.29)

где L

- индуктивность обмотки статора.

При отключении ключей ток в обмотках статора мгновенно не исчезает,

а замыкается через обратные диоды и фильтровый конденсатор С.

Следовательно, регулируя напряжение питания двигателя можно регу-

лировать величину тока статора и момента двигателя

IФкM

(6.30)

Нетрудно заметить, что выражения (6.28 - 6.30) подобны аналогичным

выражениям для двигателя постоянного тока, вследствие чего механические

характеристики вентильного двигателя в данной схеме подобны характеристи-

кам двигателя постоянного тока независимого возбуждения при Ф=const.

Изменение напряжения питания вентильного двигателя в рассматри-

ваемой схеме производится методом широтно-импульсного регулирования.

Изменяя скважность импульсов транзисторов VT1-VT6 в периоды

их включен-