Лекція 9 Регулювання швидкості електроприводів змінного струму

 

Кутова швидкість двигунів а, отже, електроприводів змінного струму може регулюватися такими способами:

1) зміною числа пар полюсів [див. (3.11)];

2) зміною частоти джерела напруги [див. (3.11)];

3) зміною значення активного опору роторного кола у двигунів з фазним ротором [див. (3.20) і (3.26)];

4) зміною напруги на двигуні в схемах автоматичного керування;

5) застосуванням керованої муфти ковзання і спеціальних схем увімкнення двигунів.

Додаткові можливості регулювання кутової швидкості дає імпульсне керування зовнішнім опором роторного кола.

Зміна числа пар полюсів. Спосіб регулювання кутової швидкості визначається залежністю

ω₀= 2 π f₁/ p,

де р — число пар полюсів, що підлягає зміні. Для цієї мети промисловістю випускаються спеціальні асинхронні двигуни з короткозамкненим ротором, які дозволяють за рахунок переключення обмоток змінювати число пар полюсів статора.

Такі двигуни називаються багатошвидкісними і виконуються для регулювання як з постійною потужністю, так і з постійним моментом. Для зміни р існують дві схеми переключення обмоток статора: з одинарної зірки на подвійну (рис. 4.19, а) і з трикутника на подвійну зірку (рис. 4.19, б).

Рисунок 4.19 – Схеми переключення обмоток двошвидкісного асинхронного двигуна

 

Для правильного складання цих схем керуються позначеннями виводів обмоток статора. На рис. 4.19 цифра перед буквою С позначає номер обмотки. Маркірування С1, С2, С3 означає початок, а С4, С5, С6 — кінець котушок обмотки.

Якщо до переключення обмоток при схемі одинарної зірки (число пар полюсів 2р) потужність двигуна при номінальному навантаженні

,                     (4.20)

то після переключення обмоток у схему подвійної зірки (число пар полюсів р) кутова швидкість зростає в двічі, напруга на кожній половині обмотки фази збільшується вдвічі, потужність двигуна

                        (4.21)

Тому, що при номінальному навантаженні cоsφ_λ  cosφ_λλ, то, розділивши (4.21) на (4.20), одержимо

P_номλ = 2 Р_номλ                                                              (4.22)

Обертальні моменти двигуна до (М_λ) і після (М_λλ) переключення залишаються постійними (М_λ = М_λλ = const):

М_λ = P_номλ / ω;               М_λ = 2 P_номλ /(2 ω)                                    (4.23)

Механічні характеристики для схем обмоток «зірка — подвійна зірка» показані на рис. 3.10, а.

При схемі з'єднання обмоток у трикутник (число пар полюсів 2р)

Р_номΔ= 3 I_ном U_ном cos φ_Δ                                                                            (4.24)

Після переключення на подвійну зірку (число пар полюсів p)кутова швидкість зростає, струм у фазі мережі I = 2I_ном і потужність двигуна визначається співвідношенням (4.21). Взявши відношення (4.24) до (4.21), при рівності cosφ_Δ= cosφ_λλ одержимо

                                         (4.25)

тобто при обох схемах увімкнення потужність двигуна залишається приблизно однією й тією ж (Р ≈ const).

Обертальні моменти двигуна

M_Δ= P_номΔ/ ω;              M_λλ = P_номλλ /(2ω)

змінюються пропорційно змінам кутових швидкостей:

M_Δ= M_λλ ≈ ω_λλ / ω_Δ                                                                 (4.26)

де ω_Δ і ω_λλ — кутові швидкості, що відповідають схемам з'єднання обмоток у трикутник і в подвійну зірку.

Механічні характеристики для схем «трикутник — подвійна зірка» зображені на рис. 3.10, б.

Спосіб регулювання швидкості зміною числа полюсів простий у реалізації та економічний, оскільки двигун працює з малими ковзаннями на кожній з характеристик. Основний недолік цього способу — ступінчасте регулювання і невелике число швидкостей (до чотирьох).

Зміна частоти напруги живлення. Цим способом регулювання можна виконувати як нижче, так і вище основної швидкості.

Для підтримки Ф = const при зміні частоти джерела живлення f₁ напруга на обмотці статора асинхронного двигуна також повинна змінюватися [див. (3.27)].

На підставі формули (3.29) регулювання при U / f₁= const доцільно для електроприводів з М_ст= const. Якщо М_cт виробничого механізму змінюється при регулюванні швидкості так, що потужність Р_ст = М_ст ω, то регульоване джерело змінного струму повинно забезпечувати зміни U і f₁ у таких межах, щоб . Для вентиляторного навантаження (див. лекцію 2) при регулюванні кутової швидкості значення U і f₁ повинні змінюватися так, щоб U / f²₁ = const.

Таким чином, закон зміни напруги визначається не тільки частотою f₁, але й характером зміни моменту статичного навантаження на валу двигуна.

Механічні характеристики для зазначених трьох випадків представлені на рис. 4.20.

На рис. 4.20, а наведені регулювальні характеристики при М_ст=const, на рис. 4.20, б — при Р_ст = const, на рис. 4.20, в — при M_ст = var (вентиляторне навантаження). Характеристики при f_1.1, f_1.2 і f_1.3 побудовані за формулами (3.21) і (3.24) при f₁= var з урахуванням законів зміни напруги. Регулювання кутової швидкості двигунів, виконаних на частоту f₁ = 50 Гц, вище номінальної (підвищенням частоти) допустимо в 1,5 — 2,0 рази. Зазначене обмеження обумовлене перед усе міцністю кріплення обмотки ротора, а також підвищеними втратами потужності в сталі статора. Регулювання швидкості нижче номінальної (тобто зниженням частоти) обмежується нестабільністю роботи двигуна, у зв'язку з чим діапазон регулювання D_пн = 1:10 ÷ 1:15.

 

Спосіб регулювання кутової швидкості зміною f₁ дозволяє отримати жорсткі механічні характеристики (рис. 4.20). Втрати потужності при роботі на регулювальних характеристиках невеликі тому, що двигун працює на лінійних ділянках механічних характеристик при невеликих значеннях ковзання (Р_в.е = M ω₀s). При наявності відповідного перетворювача частоти можна отримати будь-яку плавність регулювання.

Основний недолік електроприводів з регулюванням частотою — необхідність застосування перетворювачів частоти, які мають відносно складні схеми. В електроприводі застосовуються різні типи перетворювачів частоти, які можуть бути розділені на дві групи: електромашинні та вентильні.

В електромашинних перетворювачах, які складаються звичайно з двох двомашинних агрегатів, джерелом змінної частоти служать електричні машини змінного струму. Ці перетворювачі мають ряд істотних недоліків, основні з яких — низький ККД через чотириразове перетворення енергії (60 — 70 %), громіздкість та інерційність.

Зараз найбільше розповсюдження отримали вентильні перетворювачі частоти. Тому вентильний електропривод змінного струму, перетворювальним пристроєм якого є регульований перетворювач частоти, називається системою «перетворювач частоти — двигун» (ПЧ-Д).

Поява статичних перетворювачів частоти розширила застосування асинхронних двигунів, дозволила досягти високих швидкостей, недосяжних для двигунів постійного струму. При цьому система регулювання виходить досить економічною.

В якості статичних перетворювачів частоти найбільше розповсюдження отримали два їх різновиди:

1) автономний інвертор з ланкою постійного струму, який вимагає попереднього випрямлення змінного струму мережі та наступного його інвертування. Вихідна частота не зв'язана з частотою мережі і може змінюватися від одиниць до декількох тисяч герців;

2) перетворювач з безпосереднім зв'язком (циклоконвертор), у якому об'єднані функції випрямляча та інвертора. Вихідна частота такого перетворювача навіть у випадку застосування шестифазних схем живлення при частоті мережі 50 Гц не перевищує 15 — 16 Гц.

Найбільше розповсюдження отримали перетворювачі частоти з проміжною ланкою постійного струму, які виконані на тиристорах. Структурна схема електропривода з таким перетворювачем показана на рис. 4.21. Перетворювач складається з трьох основних вузлів: керованого випрямляча В, який перетворює енергію мережі змінного струму з напругою U_мер і частотою f₁ в енергію постійного струму при регульованій напрузі U_= var; автономного інвертора АІ,що перетворює енергію постійного струму в енергію змінного струму з напругою U_~ = var і частотою f₂= var на виході; системи керування СК з блоками керування випрямлячем БКВ, інвертором БКІ та блоком завдання швидкості БЗШ для роздільного регулювання напруги та частоти.

Напруга керованого випрямляча регулюється як у випрямному, так і в інверторному режимах. У першому випадку двигун М працює в руховому режимі, у другому — у режимі рекуперативного гальмування.

Автономний інвертор виконується за різними схемами. Одна з можливих схем — схема паралельного інвертора напруги з діодами реактивного струму та автотрансформаторною комутацією (або з двообмоточними комутуючими дроселями) — зображена на рис. 4.22, а.

Тиристори VS1 — VS6 інвертора є комутуючими пристроями, за допомогою яких кожна обмотка фази двигуна з різною полярністю підключається до випрямленої напруги. Принцип дії схеми заснований на розрядженні комутуючого конденсатора С1 – С6 на відповідну половину обмотки L1 – L6 автотрансформатора Т1 – Т3. Послідовність відчинення тиристорів відповідає їх порядковим номерам у схемі. Наприклад, якщо відчиненні тиристори VS1 і VS2, то струм у двигуні протікає по фазах а і с, при цьому одночасно заряджається конденсатор С4. Для зачинення тиристора VS1 та відчинення тиристора VS3 одночасно подається короткочасний керуючий імпульс на тиристор VS4 (порядку десятків мікросекунд) та більш тривалий імпульс на тиристор VS3. Відчинення тиристора VS4 викликає розрядження конденсатора С4 через обмотку L4 автотрансформатора T1. В обмотці L1 наводиться напруга, яка зачиняє тиристор VS1. Більш тривалий імпульс, поданий на керуючий електрод тиристора VS3, викликає його відчинення. Кут відчиненого стану (або здійснюючого комутацію) тиристора в цій схемі λ = π.

При подачі імпульсу t_i (протіканні струму) у котушках фаз двигуна за рахунок індуктивності накопичується електромагнітна енергія. При паузі t₀ (зачиненого стану тиристорів) ця енергія повертається в джерело постійного струму через діоди зворотного струму VS7 — VS12 у той момент, коли миттєві значення струмів мають напрямки, протилежні миттєвим значенням напруги.

У розглянутому інверторі тиристори можна зачиняти в будь-який момент часу та в такий спосіб здійснювати широтно-імпульсне регулювання вихідної напруги U_d. Широтно-імпульсне регулювання за рахунок зміни ширини імпульсу U_d дозволяє моделювати або змінювати середнє значення напруги U_ср за синусоїдальним законом (рис. 4.22, б). При модулюванні U_ср різниця між прямокутною та основною (синусоїдальної) формою гармонійної напруги вирівнюється за рахунок індуктивних елементів, які входять у силове коло інвертора.

Система керування комутуючими вентилями VS1 — VS6 інвертора виконується так, щоб забезпечувалися потрібна послідовність відчинення та зачинення вентилів і порядок чергування фаз змінного струму.

Зміна значення активного опору роторного кола двигунів з фазним ротором (реостатне регулювання). Регулювання кутової швидкості здійснюється при увімкненні в три фази ротора зовнішнього опору (див. рис. 3.1).

При зміні опору ступінями отримуються реостатні характеристики (див. рис. 3.6).

З розгляду цих характеристик при різних значеннях R_2Σ видно, що регулювати швидкість можна тільки в бік зниження. Як і для двигунів постійного струму, спосіб регулювання для розглянутих двигунів має ті ж самі недоліки. Плавність регулювання залежить від числа ступіней опору, який вмикається. Діапазон регулювання D_пн ≈ 1:2.

Економічність роботи електропривода на регулювальних характеристиках при значних ковзаннях низька перед усе через втрати потужності в додаткових опорах:

Р_в.е = Р_е s.        (4.27)

При імпульсній зміні опору плавність регулювання значно поліпшується, для чого застосовується тиристорний комутатор К (рис. 4.23, а). Зовнішній опір R_2вш вмикається через трифазний випрямляч UZ1 та дросель L1, що згладжує.

У квазісталому режимі комутації зміна коефіцієнта заповнення імпульсів υ призводить до зміни еквівалентного зовнішнього опору R_ек = R_2вш (1 - υ). У результаті R_2Σ= R_2вт + R_ек збільшується та при деякому М_cт ковзання s ≡ R_2Σ також збільшується, а кутова швидкість зменшується.

Механічні характеристики при імпульсній зміні опору роторного кола асинхронного двигуна наведені на рис. 4.23, б. При υ = 1 механічна характеристика не збігається з природною. Це пояснюється тим, що тиристорний комутатор при відчиненому тиристорі має кінцевий опір.

Деяке погіршення енергетичних показників асинхронних двигунів при імпульсній зміні опору в роторному колі обумовлено крім пульсацій випрямленого струму наявністю вентилів у колі ротора, що призводить до викривлення форми струму двигуна і, як наслідок, до появи моментів вищих гармонік.

Зміна напруги на двигуні. Регулювання кутової швидкості цимспособом здійснюється, як правило, у схемах автоматичного керування, в яких за допомогою пристрою зворотного зв'язку за швидкістю двигуна забезпечується безперервне регулювання та підтримка необхідної напруги.

Як відомо, зі зміною напруги, яка підводиться до двигуна, змінюється обертальний момент. При деяких значеннях М_ст і U_дв стала кутова швидкість може виявитися на нестійкій частині механічної характеристики. Для стабілізації цієї швидкості необхідно зі зміною М_ст змінювати U_дв.

Для автоматичної підтримки напруги, моменту двигуна та його кутової швидкості при живленні зниженою напругою використовуються різні пристрої (рис. 4.24, а – г), які вмикаються в коло статора: автотрансформатори Т1, дроселі насичення L1, магнітні підсилювачі МП, тиристорні регулятори напруги ТРН. Для плавного і стійкого регулювання напруги схеми (рис. 4.24, б, в, г) мають негативний зворотній зв'язок за швидкістю, який здійснюється за допомогою тахогенератора BR1. За рахунок зміни коефіцієнта трансформації автотрансформатора Т1, або струму підмагнічування І_кер дроселя і магнітного підсилювача, або напруги сигналу керування, який впливає на кут a відчинення тиристорів, напруга U_дв буде регулюватися. Необхідне значення U_кер, а отже, і U_дв визначається в системі автоматичного регулювання з негативним зворотнім зв'язком різницею напруги U_з, яка задає, та напруги тахогенератора U_тг: U_кер = U_з – U_тг.

Рисунок 4.24 – Схеми асинхронного електроприводу для регулювання кутової швидкості зміною напруги на двигуні

 

Згідно до співвідношень (3.20) і (3.21), зі зміною напруги на статорі змінюється критичний момент двигуна, а при введенні зовнішнього опору R_2вш – критичне ковзання.

Тому що напругу U_дв можна тільки зменшувати, то штучні механічні характеристики при різних значеннях I_кер (або кутах a) і U_дв = var будуть мати вид, показаний на рис. 4.25 штриховими лініями.

Припустимо, що двигун з ТРН працював у точці 1 на характеристиці a_з (рис. 4.25). При збільшенні навантаження на його валу відбудеться деяке зменшення його кутової швидкості, сигнал керування U_кер = U_з – U_тг при постійному U_з зростає. Внаслідок цього кут a зменшиться, напруга на статорі збільшиться і двигун стане розвивати більший момент. Достатньо порівняно невеликого зниження кутової швидкості, щоб момент двигуна врівноважив момент навантаження, який збільшується, (точка 2 на характеристиці з a₂). Змінюючи величину U_з, можна отримати за допомогою ТРН сімейство жорстких механічних характеристик.

Переваги розглянутих схем регулювання швидкості зміною напруги на клемах статора — їх відносна простота, надійність, зручність в експлуатації. Тому що дроселі насичення (магнітні підсилювачі) і тиристори є безконтактними елементами автоматики, то в поєднанні з асинхронним двигуном вони утворять систему електропривода, який надійно працює у важких виробничих умовах (підвищеній вологості, запиленості тощо).

Недолік цих схем — невисокий ККД, який визначається великими втратами енергії ковзання [див. (4.21)]. Наприклад, при діапазоні регулювання D_пн = 1:2 і усталеності моменту навантаження значення ККД електропривода складає 50%, при діапазоні D_пн = 1:5 значення ККД дорівнює 20 %; при подальшому збільшенні діапазону ККД продовжує знижуватися.

Застосування електромагнітної (або індукторної) муфти ковзання ЕМК. Схема такого електропривода показана на рис. 4.26, а.

Рисунок 4.26 – Принципова схема регулювання швидкості асинхронного електроприводу з електромагнітною муфтою ковзання та отримані механічні характеристики

 

Електромагнітна муфта ковзання складається з двох частин, які обертаються: якоря Я, що виконаний у вигляді порожнього масивного сталевого циліндра, та індуктора І, який представляє собою дворядне зубчасте сталеве колесо з тороїдальною обмоткою збудження ОЗ. При проходженні по обмотці збудження постійного струму виникає магнітний потік, який замикається через якір та індуктор. Внаслідок неоднакових магнітних опорів повітряного зазору над зубцями та впадинами індуктора утворюється нерівномірне магнітне поле по колу якоря. При обертанні ротора двигуна М з'єднана з ним частина муфти переміщується відносно іншої. В активній частині якоря з'являються вихрові струми. Взаємодія вихрових струмів з основним магнітним потоком створює момент, який приводить в обертання частину, яка ведеться. Зміною напруги U_з, що задає, яка знімається з потенціометра R1 та посиленого підсилювачем П1, регулюється струм збудження I_з муфти. У результаті цього плавно змінюється обертальний момент, а отже, і кутова швидкість вала муфти, яка ведеться і пов'язаного з ним робочого органа РО виробничого механізму. Механічні характеристики електропривода з електромагнітною муфтою ковзання зображені на рис. 4.26, б. Характеристики при різних струмах збудження зображені штриховими лініями. Зі зменшенням I_з механічні характеристики стають менш жорсткими, чим при I_з.ном, тому при різних значеннях моменту навантаження кутова швидкість буде нестабільною. Для стабілізації швидкості та розширення діапазону регулювання в схемі електропривода з ЕМК застосовують негативний зворотній зв'язок за швидкістю, який здійснюється за допомогою тахогенератора BR1. При цьому для різних значень напруги U_з, що задає, можуть бути отримані жорсткі характеристики (рис. 4.26, б). Регулювання швидкості здійснюється в бік зниження від основної кутової швидкості асинхронного двигуна. Діапазон регулювання при автоматичному регулюванні може досягати D_пн = 1:30 … 1:40.

Втрати в електромагнітній муфті ковзання складаються з втрат в обмотці якоря, обумовлених ковзанням і моментом, який передається, втрат в обмотці збудження, втрат у сталі якоря та механічних втрат. При регулюванні кутової швидкості з постійним моментом ККД ЕМК

h_емк ≈ 1 — s.                 (4.28)

ККД всього електропривода з ЕМК

h = h_дв (1 — s),            (4.29)

де h_дв — ККД асинхронного двигуна.

Коефіцієнт потужності електропривода з ЕМК залежить тільки від переданого обертового моменту і визначається коефіцієнтом потужності асинхронного двигуна. Спосіб регулювання кутової швидкості за допомогою ЕМК простий, має високу плавність регулювання при малій потужності керування. Недолік – значні втрати потужності в якорі, великі габарити і маса ЕМК.

Застосування каскадних схем. За допомогою цих схем енергію ковзання, яка втрачається при реостатному регулюванні кутової швидкості, корисно використовують або віддаючи в мережу, або перетворюючи її в механічну енергію на робочому органі машини. У першому випадку схеми називаються електричними каскадами, а в другому — електромеханічними каскадами, а електроприводи — каскадами. Створення каскадів доцільно для потужних електроприводів від 100 кВт і вище.

На рис. 4.27, а наведена схема електричного вентильного каскаду. У якості перетворювача електричної енергії ковзання в ній служить вентильний інвертор І.

Схема працює наступним чином: ЕРС роторного кола асинхронного двигуна М випрямляється випрямлячем UZ1 і подається на інвертор І. За допомогою системи керування інвертором (на схемі не показана) перетворюється випрямлена ЕРС ротора в трифазну ЕРС змінного струму, яка за допомогою погоджувального трансформатора Т1 повертає енергію ковзання в мережу.

Регулювання кутової швидкості у вентильному каскаді здійснюється зміною кута регулювання b вентилів у інверторному режимі. Цей кут називається кутом випередження відчинення вентилів. Він дорівнює b = p - a та завжди менше 90°.

Регулювання кутової швидкості в цьому каскаді здійснюється в бік зниження від основної швидкості асинхронного двигуна Регулювальні властивості каскаду при зменшенні кута b обмежені допустимим кутом інвертування:

b_доп  g_і + d,

де g_і — кут комутації інвертора; b — кут відновлення запірних властивостей вентилів (приблизно 2°).

Отже, діапазон регулювання швидкості обмежений як допустимим кутом інвертування, так і перевантажувальною здатністю каскаду: D_пн ≈ 1:2 … 1:2,5.

Механічні характеристики вентильного каскаду при різних кутах b представлені на рис. 4.27, б.

Підвищене падіння напруги випрямленого струму обумовлює трохи меншу жорсткість механічних характеристик двигуна в порівнянні з природною характеристикою. Максимальний момент двигуна, який отримується при регулюванні по мірі зниження кутової швидкості зменшується приблизно до 0,75 М_кр.п.

Встановлена потужність вентильного каскаду, яка складається з суми потужностей асинхронного двигуна, випрямляча, інвертора і трансформатора, що погоджує, виявляється в 2,5 рази більше потужності двигуна. Це є великим недоліком каскаду. Крім того, при порівняно високому ККД (0,6 — 0,85) коефіцієнт потужності вентильного каскаду виявляється невисоким через викривлення кривих струму двигуна і трансформатора.

---

Дата добавления: 2018-02-15; просмотров: 2869; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!