Лекция 9. Регулируемые электроприводы с АД

Цель: ознакомление с возможными вариантами регулируемого ЭП на базе АД.

Частоту вращения ротора электродвигателя переменного тока можно определить, как

, (9.1)

где f - частотa питающего напряжения;

p_п - число пар полюсов;

s - скольжение.

Изменяя один или несколько параметров, входящих в (9.1), можно регулировать частоту вращения и момент АД. Регулирование частоты вращения короткозамкнутой машины дискретно (2:1, 3:2, 3:1 и т.д.) осуществляется переключением числа пар полюсов на основании соотношения (9.1). Обмотка статора короткозамкнутой машины выполняется секционированной, выводы (начало – конец) которой располагаются на клеммной коробке и коммутируются релейно – контакторной частью системы управления.

Существует большое разнообразие схем переключения числа пар полюсов. При необходимости изменить напряжение на обмотке используют соединение обмоток треугольником, двойным треугольником, звезда – треугольник и т.д. Широкое распространение этот вид регулирования получил в станкостроении, грузоподъемной технике (лифты) и других отраслях. Трудоемкость изготовления многоскоростного электродвигателя возрастает по сравнению с обычной машиной за счет выполнения обмотки секционированной.

Регулирование частоты вращения электродвигателей изменением их скольжения основано на введении в цепь ротора АД дополнительного сопротивления или ЭДС, а также изменении напряжения на статоре электродвигателя.

Изменение добавочного сопротивления в цепи фазного ротора двигателя позволяет изменять форму механической характеристики электродвигателя и, следовательно, частоту вращения насосного агрегата. Мощность скольжения, пропорциональная глубине регулирования, при этом рассеивается в виде тепла в регулировочных реостатах. Этот способ регулирования при безусловной простоте и малой стоимости оборудования чрезвычайно неэкономичны из-за увеличения потерь скольжения пропорционально глубине регулирования скорости. Обычно они используются для двигателей малой мощности и формирования пусковых режимов АД.

Регулирование частоты вращения электродвигателей изменением напряжения на его статоре осуществляется обычно системой «тиристорный регулятор напряжения – асинхронный двигатель» (ТРН – АД, рисунок 9.1,в).

Вращающий момент асинхронного электродвигателя пропорционален квадрату напряжения, подводимого к электродвигателю.

При изменении напряжения значение критического скольжения не изменяется, поэтому максимальный момент при любых изменениях напряжения соответствует одному и тому же значению критического скольжения, равному примерно 0,1-0,2. Этим определяется сравнительно узкий диапазон регулирования по частоте вращения, который может обеспечить этот способ регулирования. Пределы регулирования можно увеличить, используя АД с повышенным скольжением или включение добавочного сопротивления в цепь фазного ротора, а также применяя системы управления, замкнутые по скорости.

При относительной дешевизне и простоте в обслуживании, основным недостатком данного варианта является то, что энергия скольжения рассеивается в двигателе, а коэффициент мощности системы уменьшается с увеличением скольжения двигателя.

В электроприводепо схеме асинхронного вентильного каскада (АВК – рисунок 9.1,д) регулирование частоты вращения электродвигателя осуществляется изменением противо- ЭДС инвертора, вводимой в цепь выпрямленного тока ротора асинхронного электродвигателя с фазным ротором. Энергия скольжения ротора рекуперируется в питающую электрическую сеть через преобразователь АВК, который состоит из двух основных элементов: неуправляемого выпрямителя и зависимого инвертора. Согласующий трансформатор необходим в том случае, если номинальное напряжение питающей сети отличается от номинального напряжения преобразователя АВК.

Основными достоинствами данной системы по сравнению с вариантом ПЧ-АД являются меньшая установленная мощность преобразователя, соответствующая глубине регулирования скорости, и простота управления. Как положительное качество отмечается также возможность при аварии в преобразователе перейти в нерегулируемый режим (закоротив ротор) или в режим с пониженной частотой вращения при введении в цепь ротора резистора.

Вентильный двигатель - электромеханическая система, состоящая из преобразователя частоты, синхронного электродвигателя и устройства, указывающего положение его ротора в пространстве (ДПР – рисунок 9.1,г). Преобразователь выполнен с явно выраженным звеном постоянного тока и состоит из управляемых выпрямителя и инвертора. Коммутация тиристорных вентилей инвертора в зоне малых частот осуществляется с помощью датчика положения ротора, а в зоне частот более 3-5 Гц осуществляется по коммутирующей сверхпереходной ЭДС, получаемой из напряжения на зажимах электродвигателя с помощью узла выделения коммутирующей ЭДС. По принципу действия эта система аналогична электродвигателю постоянного тока, у которого функции коллектора и щеточного аппарата выполняют тиристорный инвертор и датчик положения ротора.

Рисунок 9.1 -

Варианты систем регулируемого электропривода с АД

Питание двигателя частотно – регулируемого электропривода осуществляется вентильным преобразователем частоты (ПЧ – рисунок 9.1, а.б), в котором постоянная частота питающей сети преобразуется в переменную . Пропорционально частоте изменяется частота вращения электродвигателя, подключенного к выходу преобразователя. В настоящее время для реализации частотного управления машинами переменного тока применяют различные варианты преобразователей частоты, отличающиеся принципом действия, схемными решениями, алгоритмами управления и т.д. они достаточно глубоко разработаны. Развитие элементной базы и техники управления, появление новых датчиков, применение микропроцессорного и компьютерного управления обусловливают непрерывное совершенствование системы частотного асинхронного электропривода.

К достоинствам системы ПЧ-АД следует отнести следующее:

- высокий КПД в широком диапазоне регулирования скорости АД, так как последний во всем диапазоне регулирования работает с малой величиной скольжения ротора (малыми потерями скольжения);

- хорошие регулировочные свойства, обеспечивающие возможность плавно регулировать скорость и формировать требуемые характеристики и законы регулирования;

- надежность используемого в системе АД с короткозамкнутым ротором.

Законы частотного регулирования

Для идеализированного электродвигателя, у которого можно пренебречь активным сопротивлением статора, основной закон изменения напряжения при частотном регулировании выражается формулой:

(9.2)

где: М_С1 и М_С2 – моменты статической нагрузки, соответствующее работе двигателя при частотах f₁ и f₂;

U₁₁ U₁₂- напряжение на двигателе при тех же частотах.

При постоянстве момента статической нагрузки напряжение источника питания должно изменяться пропорционально его частоте.

В этом случае для идеализированного двигателя сохраняется перегрузочная способность (М_к=const) и закон изменения напряжения примет вид

U₁/ f₁ = const, (9.3)

При постоянстве мощности на валу двигателя в процессе регулирования скорости закон изменения напряжения:

, (9.4)

При вентиляторной нагрузке напряжение на статоре должено изменяться по закону:

(9.5)

Механические характеристики для этого случая представлены на рисунке 9.2.