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

Подождите немного. Документ загружается.

Если учесть, что отношения —^ и —

-*- гораздо меньше еди-

ы и ими можно пренебречь, то выражение (10 7) можно упро-

гь:

Для анализа электромеханических характеристик двигателя

частотном регулировании рассмотрим Т-образную схему за-

меняя двигателя (рис. 10.2). В отличие от ранее приведенной

жс.4.4а схемы замещения в данном случае приходится учиты-

«гго реактивные сопротивления двигателя зависят ог насто-

ящего напряжения и изменяются с изменением частоты.

В связи с этим нужно за-

метить, что номинальной час-

тоте 50Гц индуктивное соп-

ротивление контура намаг-

ничивания х^с на порядок (для

машин малой мощности) или

^Ис. 10

2. Схема

замещения

иа лва

порядка (для машин

асинхронного двигателя бОЛЫИОЙ МОЩНОСТИ) больше,

и активное сопротивление обмотки статора г,. Поэтому при

жзс и расчете электромеханических характеристик асинхрон-

двигателей, работающих при постоянной номинальной час-

питающего напряжения, сопротивлением г\ обычно пренеб-

(см.§4 2) Если же двигатель работает с переменной час-

>й напряжения, то при снижении частоты сопротивление г>

ювится соизмеримым с реакгивными сопротивлениями ма-

1Ы. и учет сопротивления Г| является необходимым.

Мощность скольжения, выделяемая в цепи ротора, определя-

:я формулой (4.37) и расходуется на нагрев обмоток ротора.

Р, = Mco

Sj =3/

, откуда

м = .

Из схемы замещения определим значение /

[1-3]

/> =

(10,8)

Подставил (10.8) в (10.6) получим формулу для механиче-

ских характеристик при переменных значениях величины и час-

тоты напряжения питания

М =

з и;

f л

(il

(10.9)

Заметим, что если положить — = 0 и /

= 1, то формула (10.9>

стане] идегггичной формуле (4.21) для механических характери-

стик нерегулируемого по частоте асинхронного двигателя.

Положив

— = о

найдем значения критического момента и

ds.

критическою скольжения

М. =

гг

xiA

V Vi' /

(10.10)

1+1

(10.11)

VI'/

'I • •*«*./

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

жиму рекуперативного торможения.

Анализируя выражение (10.10). можно установить, что, если

пренебрегать величиной активного сопротивления статора (Г|=0)»

то. для того чтобы при частотном регулировании (уменьшении

частоты вниз от номинальной) сохранять критический мом.фп

постоянным, нужно величину напряжения изменять пропорцио-

нально изменению частоты.

b\.

—- - const,

(10 12)

ГДet/,4-

Ш,

1^0,7

-0,1/

)

Механические харпггсриспнгк асинхронного

юли при чвстогпом регулировании прн

Механические ха-

рактеристики, соответст-

вующис частотному ре-

|улированию при выпол-

нении соотношения

(10.12) и показаны

на рис. 10.3 (сплошными

линиями). В первом

приближении пропорци-

ональное регулирование

напряжения в соответст-

вии с соотношением

(10.12) обеспечивает ра-

двигателя с постоянным потоком.

В действительности при малых значениях частоты (/i»<0,3)

гие напряжения на сопротивлении г, существенно снижает

шину напряжения, прикладываемого к контуру намагпичива-

(напряжение Cfa на рис. 10.2).

адение напряжения па индуктивном сопротивлении х\

ынается с уменьшением частоты и поэтому не оказывает га-

влияния на напряжение U

, как падение напряжения на ак-

Ном сопротивлении г\, которое не зависит от частоты

и более точном расчете, учитывая падение напряжения на

твлении r

механические характеристики имеют вид, по-

ый на рис. 10J пунктиром. Прн малых значениях частоты,

относительное значение падения напряжения на сопротив-

}

становится значимым, поток двигателя умен ынается и

ственно уменьшается критический момент М

кл

что следу-

же из формулы (10.10).

Поэтому для того чтобы регулировать скорость двигателя,

няя критический момент двигателя постоянным, нужно вс-

напряжения уменьшать в меньшей степени, чем умень-

стся частота, примерно в соотношении:

Рис. 10.4. Зависимость величины

напряжения питания ог частоты

1-U,.-/,.

2-Ui=Ui

/].+I|

i'i

Такой способ регулирова-

ния напряжения называют «про-

порциональное регулирование с

1 г компенсаций». Зависимость

= /(/].) показана на рис.

10.4. При регулировании напря-

жения в соответствии с

соотношением (10.13) механи-

ческие характеристики будут

иметь вид, показанный на

рис. 10.3 сплошными линиями.

Следует иметь в виду, что

величина /г компенсации зави-

сит от относительной величины

гкоторая для двигателей мощ-

ностью более 100кВт незна-

чительна и сю, как правило, можно пренебрегать; для двигателей

мощностью до 15кВт учет г, обязателен.

В ряде случаев, в частности, при вентиляторном характере

нагрузки, нет необходимости при снижении скорости поддержи-

вать критический момент двигателя равный номинальному И

этом случае более целесообразно выдерживать постоянным соот-

ношение между статическим моментом и критическим

•V/ /

y^j = const При этом следует пользоваться следующим со-

отношением между частотой и напряжением (формула М.П. Кос-

тенко);

(10.14)

где М . = —:£. - относительное значение статического момента

М„

при данной частоте (скорости).

Так, для привода вентилятора при снижении скорости в 2

раза, статический момент снижается в 4 раза Тогда, в соответст-

вии с (10 14) при снижении скорости и частоты в 2 раза, напря-

жение можно уменьшить в 4 раза. При этом сокращаются потери

в обмотке статора и магннтопроводе машины.

При стандартной частоте питания 501 ц невозможно Слу-

чить скорость асинхронного двигателя выше ЗОООоб/мин. Дня

получения более высокой скорости необходимо питать асин-

хронный двигатель напряжением с частотой более 50Г'ц. Для

•их механизмов: машины текстильной промышленности,

^нфовальные станки, центрифуги и другие, - необходимы ско-

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

»е применяют преобразователи частоты с выходной частотой

jiec 501ц. Однако повышение напряжения выше стандартного,

>авило. невозможно или затруднено. В этом случае исполь-

гие соотношения (10.12) невозможно, и регулирование ско-

ги повышением частоты выше номинальной производится

постоянном напряжении £/|*=1.

Очевидно, что в пом случае ток намагничивания 1

умснь-

:я с ростом частоты, соответственно падает поток двигате-

Как следует из (10.10), критический момент снижается при-

мо обратно пропорционально квадрату частоты. Однако, по-

|ьку ток ротора /

можно за сче1 увеличения скольжения

гльно поддерживать равным номинальному, то длительно

гимый номинальный момент уменьшается обратпо-

)рционально частоте в первой степени. 11оскольку с увели-

чением частоты скорость

двигателя увеличивается, то

длительно допус тимая мощ-

ность на валу двигателя

остается примерно посто-

янной. Поэтому регулирова-

ние повышением частоты

сверх номинальной при сох-

ранении постоянства напря-

жения относят к регули-

рованию с- постоянством

мощности. Механические

характеристики для этого

случая приведены на рис.

10.5. Регулирование измене-

нием частоты вниз от поми-

нальной с одновременным

регулированием напрнже-

в соответствии с соотношением (10.13) относят к регулиро-

нем с постоянным моментом.

Поскольку асинхронный двигатель при частотном регулиро-

1ии работает па рабочей линейной (линеаризованной) части

жической характеристики, то приближенно оценивать его

Намическне характеристики можно аналогично тому, как это

Наполнялось при анализе динамики нерегулируемого асинхрои-

tl)

к-

Лс!

/1^1.6

—

м„

М.Х

—•

Рнс.10-5 Мсхалкчссхие характеристики

(ронного двигателя при регулировании

5ты выше номинальной и постоянстве

величины uanpxHcemw Ui

ного двигателя (см.§4.8). Тогда при условии, что при изменении

частоты поток двигателя поддерживается постоянным, т.е. вы-

полняется соотношение (10.10) или (10.13) асинхронный двига-

тель с питанием от преобразователя частоты может упрощенно

быть представлен структурной схемой, приведенной на

рис.

10.6.

Обозначения на структурной схеме приведены в §4.8. Преобра-

зователь представлен на структурной схеме как апериодическое

звено с постоянной времени Тп. Более полное представление о

динамических характеристиках асинхронного привода с частот-

ным регулированием скорости дано в главе 16.

Рис.

10.6.

Упрощенная структурная схема асинхронного двигателя при питании

от преобразователя частоты с регулированием напряжения,

обеспечивающего M,=const

Существующие вентильные (полупроводниковые) преобра-

зователи частоты можно разделить на три группы:

1 - преобразователи с непосредственной связью;

2 - преобразователи с промежуточным высокочастотным звеном;

3 - преобразователи частоты с промежуточным звеном постоян-

ного тока.

10.2. Электропривод по системе преобразователь частоты с

непосредственной связью - асинхронный двигатель

Преобразователь час-

тоты с непосредственной

связью включается в ста-

торную цепь асинхронного

двигателя и служит для

преобразования напряже-

ния стандартной частоты в

регулируемое в определен-

ных пределах напряжение

по величине и частоте.

Преобразователи частоты с

непосредственной связью

обычно представляют со-

бой три согласованно рабо-

непосрсдствснной с&пмо

кицих реверсивных тиристорных преобразователя постоянного

pi. Блок схема непосредственного преобразователя частоты

вставлена на рис.

10.7.

Развернутая схема каждого из трех ре-

Ьсивных преобразователей дана на рис.6.10в.

Т Каждая фаза асинхронного двигателя питается от своего ре-

Ьсивного преобразователя. Напряжение, прикладываемое к об-

утке статора, будет равно:

Ф =

J->с

cos

Если угол регулирования а устанавливать в соответствии с

"Жущим значением частоты, например,

cos or =

л/2 -к U

(10.15)

поддерживать неиз-

Щным в течение одно-

;полупериода входной

ы преобразовате-

а в течение второй

4|уволны переключать

«Ппы вентилей преоб-

|ователя с углом уп-

л 1 ;

5—

,и

2 nfi

2 tf

вления

а.. = а.

то

2nf

Рнс.10.8. Эпюры напряжений прсобргоовате/и частоты

с непосредственной связью прн прямоугольной форме

напряжения

лучим переменное на-

:ение прямоуголь-

Й формы заданной час-

|ы. Сдвинув моменты

ЗЮчения преобразо-

JCJiefi, питающих фазы

ж* 2 4

[И С двигателя соответственно на

—

п и —л , получим трехфаз-

систему напряжений прямоугольной формы заданной часто-

| и соответствующей ей амплитуды напряжения (рис. 10.8).

Если величину а„ и а„ в течение каждого полупериода задан-

ий частоты регулировать по арккосинусоидальному закону

= а

= /4arccos(2^/J/)

ре А = , то среднее значения фазных напряжений будут

(Меть синусоидальную форму

И„ = .4sin(2#/); И

= ЛЬ1П\ + ]: I/, = Jsin^,/

-ь

у .

Для получения приемлемой формы выходного напряжения

частота напряжения питающей сети должна быть в несколько раз

выше частоты выходного напряжения

Преобразователи частоты с непосредственной связью по

схеме рис 10.7 дают возможность при частоте питания 50Гп по-

лучать выходную частоту в пределах 0-20Гц. Поэтому асинхрон-

ные электроприводы данною типа чаще всего применяются для

тихоходных безредукторпых электроприводов средней и боль-

шой мощности

Основным достоинством

преобразователей часто-

ты с непосредственной

связью является естест-

венная коммутация вен-

тилей под действием на-

пряжения питающей сети,

как это происходит в уп-

равляемых тиристорных

преобразователях (выпря-

мителях), используемых в

приводе постоянного то-

ка Благодаря возмож-

ности перевода преобра-

зователя из выпрямитель-

ного в ннвергорный ре-

жим, в рассматриваемых

схемах возможно торможение асинхронного двигателя с отдачей

энергии торможения в сеть (рекуперативное торможение). Меха-

нические харак-

Рис 10.9. Механические характеристики JJJ^K-

трогфнволп НПЧ-АД

териетики асин-

хронного элек-

тропривода с

пребразователем

частоты с непос-

редственной

связью показаны

на

рис. 10.9

Для повышения

диапазона регу-

лирования часто-

UF1

/c=comt

Uc'-const

U=cf»nsi

/">/c

UF2

St§)

UF3I

Ряс.10

U.iok-c*c«I

np«o6p»Son*Tefl*

частоты с

промежуточным ыосояэтвгкппыи домом

рименяют схемы с промежуточным звеном повышенной час-

I (см.рисДОЛО). В такой системе первым звеном прсобразо-

ta энергии является вентильный агрегат, преобразующий па-

шне стандартной частоты в напряжение нерегулируемой

1СННОЙ частоты (400-20001 ц), а затем это напряжение по-

гвом преобразователя частоты с непосредственной связью

ащается в регулируемое по частоте и напряжению Такие

мы эффективны для многодвигательных электроприводов

, Электропривод но системе преобразователь частоты ти-

па автономный инвертор - асинхронный двигатель

В этой системе используются преобразователи частоты с

ежуточиой цепью постоянного тока. Блок схема такого пре-

дателя представлена на рис. 10.11.

менное

UD F UF /i=var

яженне

ышлен-

jcerH сна-

выпрям-

ая пос-

том ре-

уемого

нерегу-

Ui=vur

Рис 10.11. Блок-схема преобразователя час го ты с

промежуточной цепью постояшого тока

мого выпрямителя UD, а затем подается на автономный ин-

р, преобразующий постоянное напряжение (или ток) в на-

ение (или гок) регулируемой частоты и величины

Регулирование величины напряжения (или тока) промежу-

ого звена постоянного тока можег производиться управляе-

M выпрямителем UD. либо (в инверторах напряжения) в каче-

первого звена используется неуправляемый выпрямитель, а

лнрование напряжения осуществляется инвертором методом

гно-имиульсного регулирования. В первом случае функции

шения четко разделены' выпрямитель управляет величиной

ка или напряжения, а инвертор значением выходной частоты

фазователя. Во втором случае обе этих функции возлагают-

|на инвертор.

Важным узлом преобразователей с промежуточным звеном

Тоянного тока является фильтр F.

)тот фильтр выполняет две

нкции: сглаживает пульсации выпрямленною напряжения (или

ка) и служит устройством для накопления и отдачи энергии,

необходимо для обеспечения циркуляции реактивной мощно-

сти между обмотками асинхронного двигателя и фильтром. По-

скольку на входе преобразователя установлен полупроводнико-

вый выпрямитель, то циркуляция реактивной мощности между

асинхронным двигателем и сетью невозможна.

Преобразователи частоты по типу автономного инвертора,

используемые в электроприводах, позволяют получать выходную

частоту от долей Герца до нескольких сотен Гц. Верхний предел

ограничивается возможной частотой коммутации вентилей ин-

вертора, нижний - качеством выходного напряжения или тока;

при несинусоидальной форме тока в обмотках двигателя при ма-

лых частотах нарушается равномерность вращения ротора — он

переходит в режим «шагания».

/c-const

Uc'const

Рис Ю.

12. Схема частегного

глеггроп^ипода

с автономным инвертором

гока

При частотно-токовом управлении асинхронным двигателем

применяются автономные инверторы тока (см.рис. 10.12). Отли-

чительной особенностью этих инверторов является наличие

мощного дросселя (индуктивного фильтра L) в цепи постоянного

тока и отсутствие обратных диодов в мостовой схеме инвертора.

Дня коммутации тиристоров используются коммутирующие кон-

денсаторы С. Принцип коммутации состоит в следующем

180