Онищенко Г.Б. и др. Автоматизированный электропривод промышленных установок

Подождите немного. Документ загружается.

ем величины подводимого постоянного напряжения. Благо-

я своим хорошим регулировочным качествам вентильные

ргатели получили широкое применение для привода различных

:ышленных машин и механизмов.

Электропривод но системе транзисторным коммутатор -

вентильный двигатель с постоянными магнитами

Вентильный двигатель рассматриваемого типа выполнен на

трехфазной синхронной машины с постоянными магнитами

)ре. Трехфазные обмотки статора питаются постоянным

)М, подаваемым поочередно в две последовательно соедннен-

фазные обмотки Переключение обмоток производится тран-

рным коммутатором, выполненным по трехфазной мосто-

схеме. Транзисторные ключи открываются и закрываются в

имости от положения ротора двигателя. Схема вентильного

Цгателя представлена на

рис.

8.1

L I \тт| VDl| VTlj VD3| VT3; VD5 VTsI

h Л

П ft & Л Ф

г r -L I L

Рнс Схема пептплъкого umirnreiui с тршонсторкым коммутаторам

Момент, создаваемый двигателем, определяется взаимодей-

_ем двух потоков: статора, создаваемого током в обмотках

>ра. и ротора, создаваемого высокоэнергетическими посто-

выми магнитами (на основе сплавов самарий-кобальт и дру-

)

М = кФ)Ф

)•

(8.1)

где: 0 - пространственный угол между векторами потоков

втора и ротора;

р„ - число пар полюсов.

Магнитный поток статора стремится повернуть ротор с по-

стоянными магнитами, так, «гтобы поток ротора совпал по на-

правлению с потоком статора (вспомним магнитную стрелку

компаса) [1-8].

Наибольший момент, создаваемый на валу ротора, будег при

угле между векторами потоков равным ^

будет уменьшаться

до нуля по мере сближения векгоров потоков. Эта зависимость

показана на рис.8.2.

Вращение

ра

Перек-

; ключе- ,

1ше фаз!

! двнга- !

I теля

180° О"

0 60° 90° 120°

Рис.8.2. Зависимость момента двигатели

от угла между векторами потоков

статора

ротора Гири

рк*

Рассмотрим пространс-

твенную диаграмму векто-

ров потоков, соответству-

ющую двигательному режи-

му (при числе пар полюсов

/?,7=1). Предположим, что в

данный момент включены

транзисторы VT3 и VT2,

(см. схему рис.8.1) Тогда

гок проходит через обмогку

фазы Вив обратном

направлении через обмотку

фазы А Результирующий

вектор м.д.с. статора будет

занимать в пространстве

положение Ух (см.рис.8.3). Если ротор занимает в этот момент

положение, показанное на рис.8.4.. то двигатель будет развивать

в соответствии с 8.1 максимальный момент, под действием кото-

рого ротор будет поворачиваться по часовой стрелке. По мере

уменьшения утла 0 момент будет уменьшаться. Когда ротор по-

вернется на 30* необходимо в соответствии с графиком на

рис.8.2. переключить ток в фазах двигателя, тк, чтобы результи-

рующий вектор м.д.с. статора занял положение F\ (см.рнс.8.3)

Для этого нужно отключить транзистор VT3 и включить транзи-

стор VT5.

Переключение фаз выполняет транзисторный коммутатор

VT1-VT6, управляемый от датчика положения ротора DR; при

пом угол в поддерживается в пределах 90 i30°, что соответству-

ет максимальному значению момента с наименьшими пульса-

циями. При р„=] за один оборот ротора должно быть произведен

шесть переключений, благодаря которым м.д.с. статора совершит

полный оборот (см.рнс.8.3). При числе пар полюсов больше еди-

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

составит 360/р

градусов.

162

Направ-

ление Fi

Fporopa

:.8.3. Пространственная диаграмма

It статора ггри перехпточеннн фаз

д]»нгатсля

Рис.8,4. Пространственная диаграмма

потоков • двигвтельиом рсж1шс

Регулирование величины момент производится изменением

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

Мотках статора

(8.2)

где: R\

сопротивление обмотки статора.

Поскольку поток двигателя постоянен, то .э.д.с. £,, наводимая

ух последовательно включенных обмотках статора будет

горциональна скорости ротора. Уравнение электрического

новсеия для цепей статора будет

И.=КФ, OJ+2LR. I 2/., —

(S.3)

При отключении ключей ток в обмотках статора мгновенно

[исчезает, а замыкается через обратные диоды и фильтровый

енсатор С

Следовательно, регулируя напряжение питания двигателя U\

о регулировать величину тока статора и момента двигателя

А/ = . (8.4)

Нетрудно заметить, что выражения (8.2 - 8 4) подобны ана-

Гичным выражениям для двигателя постоянного тока, вследст-

чего механические характеристики вентильного двигателя в

ной схеме подобны характеристикам двигателя постоянного

ка независимого возбуждения при Ф^сот( (см.рнс.6.4).

Изменение напряжения питания вентильного двигателя в

сматриваемой схеме производится методом широтио-

пульсного регулирования (см.§6.3). Изменяя скважность им-

льсов транзисторов VT1-VT6 в периоды их включенного со-

стояния, можно регулировать среднюю величину напряжения,

подаваемого на обмотки статора двигателя.

Для осуществления режима торможения алгоритм работы

транзисторного коммутатора должен быть изменен таким обра-

зом, чтобы вектор м.д.с. статора отставал от вектора потока рото-

ра. Тогда момент двигателя станет отрицательным. Поскольку на

входе преобразователя установлен неуправляемый выпрямитель,

то рекуперация энергии торможения в данной схеме невозможна

При торможении происходит подзаряд конденсатора фильтра С.

Ограничение напряжения на конденсаторах осуществляется пу-

тем подключения разрядного сопротивления через транзистор

VT7 [1-8]. Таким образом, энергия торможения рассеивается в

разрядном сопротивлении.

8.3. Электропривод по системе тнрнсторный коммутатор

- синхронный двигатель

В вентильном двигателе средней и большой мощности

обычно используются синхронные двигатели обычной конструк-

ции с электромагнитным возбуждением. Поскольку двигатели

большой мощности имеют напряжение статора 6,0 или 10,0кВ, то

в качестве вентильного коммутатора используется тиристорный

преобразователь, состоящий из управляемого выпрямителя и ин-

вертора (см.рис.8.5) Инвертор выполняет функции коммутатора,

переключение кото-

рого производится

от датчиков поло-

жения ротора. По-

скольку тиристоры

являются полууп-

равляемыми прибо-

рами, то инвертор

работает, как зави-

симый, коммути-

руемый за счет э.д.с.

двигателя, наводи-

мой в обмотках ста-

тора вращающимся

электромагнитным

полем ротора. Дчя

обеспечения устой-

чивой коммутации

Рис.8.5 Схема д»кг*топ с ткрмсторкым мымутсром

пичнну тока,

Ьжно ИЗ.МС-

|ть момент,

ввиваемый

Вгателем.

аудирование

Ьростн в при-

мах рассмат-

|ВПемогО типа

нмчно произ-

юнтся введе-

Кем внешнего

Ьпура регу-

илей инвертора предусматривается опережение угла их от-

шання на угол Д который составляет не менее 15 , что ведет к

горому уменьшению момента вентильного двигателя

I Благодаря включению в цепь постоянного тока дросселя со

1чительной величиной индуктивности, преобразователь VT1-

"2 работает как источник тока, величина которого регулируется

!м импульсно-фазового регулирования выходного напряже-

I* выпрямителя VT1

_ cos а - кФ

о)

fae: Rw, - эквивалентное сопротивление цепи обмоток статора;

- напряжение питания выпрямителя.

Регулируя

—.

- *

•

Рис.8.7. Механические характеристики

вентильного дакгатсля но схеме рнс.8.6

Рис.8.6

Отр)>пур11ал

схема

регулируешь» элсюропрмвояв

с neirmiikrtux двипггг.тем

регулятор cxupociи. ?Т - регулятор

тон»,

ДС - Л2ТЧП1С ежоррегл,

ДТ -

логга*

тока

лнрования скорости (рис.

8.6). Подробно двухкон-

турные системы регули-

рования рассмотрены в

разделе 2, При этом

механические характер-

истики вентильного дви-

гателя (см.рис.8.7) булуг

подобны характеристи-

кам системы ТП-Д. рас-

смотренной в гл.6.

Поскольку в данной

схеме входной выпря-

митель принят управ-

ляемым. го возможен режим рекуперативного торможения, когда

э.д.с. двигателя кФ./о > K

cos а

•

cos (5.

Определенным недостатком рассматриваемой схемы являет-

ся усложнение коммутации тиристоров инвертора при малых

скоростях (ниже

0.1

wj, т.к. при этом э.д.с. двигателя становится

недостаточной для естественной коммутации вентилей зависимо-

го инвертора. В этом случае, при пуске двигателя до скорости

0,lft>i Для коммутации вентилей инвертора приходится прерывать

ток, запирая тиристоры выпрямителя, что усложняет схему его

управления

В последние годы с появлением запираемых тиристоров ста-

ли применять схемы с принудительной коммутацией вентилей

инвертора, что повышает регулировочные свойства вентильного

двигателя и дает возможность его использования для динамич-

ных электроприводов с широким диапазоном регулирования ско-

рости.

Глава 9. Способы регулирования асинхронного двигателя

9.1. Классификация способов регулирования асинхронного

двигателя

Асинхронный двигатель является наиболее массовым

электрическим двигателем. Эти двигатели выпускаются мощно-

стью от

0,1

кВт до нескольких тысяч киловатт и находят приме-

нение во всех отраслях хозяйства. Основным достоинством асин-

хронною двигателя является простота его конструкции и невы-

сокая стоимость. Однако по принципу своего действия асинхрон-

ный двигатель в обычной схеме включения не допускает регули-

рования скорости его вращения (см.гл.4). Особое внимание сле-

дует обратить на то, ЧТО во избежание значительных потерь энер-

гии, а, следовательно, для короткозамкнутых асинхронных двига-

телей во избежание перегрева его рогора. двигатель должен рабо-

тать в длительном режиме с минимальными значениями сколь-

жения.

Рассмотрим возможные способы регулирования скорости

асинхронных двигателей (см.рис.9.1). Как следует из (4.6 и

скорость двигателя определяется двумя параметрами: скоростью

вращения электромагнитного ноля статора шо и скольжением v

(9.1)

= Q)

- cv

Исходя из (9. Г) принципиально возможны два способа рсгу-

Ьования скорости: регулирование скорости вращения поля ста-

ри и регулирование скольжения при постоянной величине о)

Скорость вращения поля статора определяется двумя пара-

Ирами частотой напряжения, подводимого к обмоткам статора

и числом пар полюсов двигателя р

. В соответствии с этим

оможны два способа регулирования скорости: изменение час-

питающего напряжения посредством преобразователей час-

I, включаемых в цепь статора двигателя (частотное регулиро-

вке), и путем изменения числа пар полюсов двигателя.

Регулирование скольжения двигателя при постоянной скоро-

£ вращения поля статора для короткозамкнутых асинхронных

тслей возможно путем изменения величины напряжения

ра прн постоянной частоте этого напряжения. Для асин-

ных двигателей с фазным ротором, кроме того, возможны

два способа: введение в цепь ротора добавочных сопротив-

ий (реостатное регулирование) и введение в цепь ротора до-

мной регулируемой э.д.с. посредством преобразователей час-

1, включаемых в цепь ротора (асинхронный вентильный кас-

и двигатель двойного питания).

Способы регулирования скорости асинхронного двигателя

Изменение скорости электро-

магнитного поля статора

oj„

Час-

Псре-

тотное

клю-

регу-

чепне

ЛИрО-

числа

вание

пар

изме-

полю-

нени-

сов Ря

ем Л

Изменение скольжения дннгатсля

s пой постоянной величине ом

Изме-

Введение

нение

добавоч-

величи-

ного со-

ны пи-

против-

тающе-

ления в

го

на-

цепь

пряже-

ротора

ния V|

Нщл

Дснн

хрон

ный

вен-

тиль-

ныЛ

к ас-

кап

я короткозамкнутых асинхронных

двигателей ^

Дви-

га-

тель

двой

ного

П1ГПЗ

НИН

Для асинхронных двигателей с'фаэным ротором

Рнс;9.1. Классификация способов регулирования асинхронных дпигатслсй

9.2. Оценка способов регулировании асинхронного двигателя

В настояшее время благодаря развитию силовой преобразо-

вательной техники созданы и серийно выпускаются различные

виды полупроводниковых преобразователей частоты, что опре-

делило опережающее развитие и широкое применение частотно-

регулируемого асинхронного электропривода. Основными досто-

инствами этой системы регулируемого электропривода являются

- плавность регулирования и высокая жесткость механиче-

ских характеристик, что позволяет регулировать скорость в ши-

роком диапазоне;

- экономичность регулирования, определяемая тем. что

двигатель работает с малыми величинами абсолютного скольже-

ния. и потери в двигателе не превышают номинальных.

Недостатками частотного регулирования являются слож-

ность и высокая стоимость (особенно для приводов большой

мощности) преобразователей частоты и сложность реализации в

большинстве схем режима рекуперативного торможения.

Подробно принципы и схемы частотного регулирования ско-

рости асинхронного двигателя рассмотрены в главе 10

Изменение скорости переключением числа пар полюсов

асинхронного двигателя (см.4) позволяет получать несколько

(от 2 до 4) значений рабочих скоростей, т.е. плавное регулирова-

ние скорости и формирование переходных процессов при этом

способе невозможно. Поэтому данный способ имеет определен-

ные области применения, но не может рассматриваться, как ос-

нова для построения систем регулируемого электропривода.

Регулирование скорости асинхронного двигателя изменени-

ем величины питающего напряжения при постоянной (стандарт-

ной) его частоте было подробно рассмотрено в §4.3.2. Было уста-

новлено, что этот способ регулирования для асинхронных двига-

телей с короткоЗам кнуты м ротором имеет весьма ограниченное

применение вследствие того, что регулирование скорости здесь

сопряжено с потерями энергии скольжения, выделяющимися в

роторе двигателя и ведущими к его перегреву. Получаемые при

этом способе механические характеристики (см.рис.4.12) небла-

гоприятны для качественного регулирования. Диапазон регули-

рования не превышает 1,5:1; более глубокое регулирование ско-

рости можно допускать только кратковременно. Исходя из даН1

ной оценки, регулирование изменением величины питающего

напряжения применяется,

лавным образом, только для обеспе-

чения плавного пуска нерегулируемых асинхронных электро-

дов или для кратковременного снижения скорости. Иногда

способ регулирования используется для регулирования ско-

насоеов и вентиляторов (механизмов с вентиляторным ха-

>м нагрузки) небольшой мощности (до 15кВт), однако и в

случае необходимо увеличение установленной мощности

ел я.

Для асинхронных двигателей с фазным ротором регулирова-

корости может производиться воздействием на роторную

гдвигателя. При введении добавочного сопротивления в цепь

"а (см.§4.2) энергия скольжения рассеивается не в объеме

вля, а в сопротивлениях. Этот способ регулирования оце-

ся как неэкономичный. При использовании релейно-

горных схем исключается плавность регулирования скоро-

В настоящее время управление с введением добавочных со-

злений в цепь ротора используется, в основном, для пуска

|рсронных двигателей с фазным ротором, а также в крановых

приводах.

се способы регулирования, основанные на изменении

Пения асинхронного двигателя, связаны с выделением энер-

ольжения в роторной цепи двигателя. В рассматриваемых

Ь способах эта энергия расходовалась на нагрев обмотки po-

ll роторных сопротивлений. Существуют системы регули-

joro электропривода, в которых энергия скольжения не теря-

в сопротивлениях, а используется полезно - возвращается в

щую сеть, что делает регулирование в этих системах эко-

нчным. К таким системам регулируемого привода относятся

,|Хронные вентильные каскады и двигатели двойного питания,

системы рассмотрены в главе 11. Особенностью каскадных

асинхронного привода является отраниченный диапазон ре-

новация - Jic больше, чем 2:1. В этом диапазоне каскадные

Ы обеспечивают плавное и экономичное регулирование ско-

Такие системы электропривода наиболее целесообразны

ощных турбомеханизмов - насосов и вентиляторов.

Пива 10. Асинхронный электропривод с частотным регули-

рованием скорости

10.1. Принципы частотного ретулирования

Возможность частотного регулирования скорости асинхрон-

двигателя - регулирование путем изменения частоты ни-

щего напряжения - вытекае

из того обстоятельства, что ско-

рость вращения электромагнитного поля статора пропорциональ-

на частоте питающего напряжения

2лг •/,

(Or,

Р,

(101)

Следует также учесть, что поскольку с изменением частоты

питающего напряжения изменяется и величина потока двигателя

Фи

(10.2)

Щ Щ

го и большинстве случаев одновременно с изменением частоты

питающего напряжения необходимо регулировать и его величи-

ну. причем регулирование напряжения следует производить та-

ким образом, чтобы скольжение двигателя было минимальным.

Для реализации способа частотного регулирования асин-

хронный короткозамкнутмй двигатель включается в питающую

сеть через преобразователь частоты UF (см.рис

Л 0.1).

В качестве

преобразователен частоты в настоящее время используются, в

основном, полупроводниковые преобразователи частоты.

При частотном регулировании величина относительною

скольжения ч, зависит как от разности скоростей вращающегося

электромагнитного поля и ротора — абсолютного скольжения

Sgfc = (Oq — to

. так и от относительного значения частоты питаю-

щего напряжения

fi - const

I). - const

llL= f

- 0)

CO.

(Ю.2)

(10.3)

Рис.!0.1. Схема вклю-

чения асинхронного

двигателя с питанием

от преобразователя

частоты

Здесь Д., щ, s. - регулируемые

значения частоты напряжения статора и

соответствующие значения скорости

вращения ноля н скольжения;

/,„ И (oq* - номинальные значения

частоты

см а

гора и скорости поля,

соответствующие паспортным данным

двигателя.

С учетом (ЮЛ)

Sj=

^-р-. 00.4)

Щп А•