Простые модели асинхронного электропривода

Глава четвертая

Технические реализации. Применения

Управляемый преобразователь УП в электроприводах, регулируемых изменением напряжения, может быть выполнен на основе либо регулируемого электромашинного агрегата, либо управляемого выпрямителя.

В первом случае электропривод носит название “ система генератор-двигатель ” (Г-Д) - рис. 3.25. Это традиционное техническое решение, обычно применявшееся при значительных мощностях (сотни кВт и выше). ЭДС генератора Г, вращаемого с практически неизменной скоростью w _г приводным асинхронным или синхронным двигателем ПД, служит источником питания якорной цепи двигателя Д. Поскольку

E_г = k_гФ_гw_г,

то ее можно изменять, воздействуя на напряжение цепи возбуждения U_вг = U_вх.

Рис. 3.25. Система генератор – двигатель

К очевидным и важным достоинствам такой реализации УП относятся двусторонняя проводимость генератора, т.е. естественная возможность работы во всех четырех квадрантах, отсутствие искажений питающей сети, высокий коэффициент мощности.

Недостатки - две дополнительные вращающиеся машины, необходимость обслуживать генератор, инерционность цепи управления.

Система Г-Д до настоящего времени находит применение в металлургии, мощных экскаваторах и т.п.

Во втором случае, ставшем в последние десятилетия основным, УП представляет собой статическое устройство - управляемый выпрямитель (рис. 3.26), собранный на тиристорах, включаемых схемой управления СУ с задержкой на угол a против момента естественного включения, благодаря чему

Е_a = Е_a0 cosa,

где Е_a0 - среднее значение ЭДС неуправляемого выпрямителя ().

Рис. 3.26. Система управляемый выпрямитель (тиристорный

преобразователь) – двигатель

В электроприводе используются все типы управляемых выпрямителей - однофазные, трехфразные, многофазные; мостовые и нулевые; нереверсивные и реверсивные.

Преимущества УП, выполненных таким образом, - отсутствие вращающихся машин, не требуют обслуживания, имеют высокое быстродействие. Недостатки - низкий коэффициент мощности

,

искажение напряжения питающей сети, трудно компенсируемое при значительных мощностях, необходимость в двух комплектах вентилей для работы в четырех квадрантах, необходимость в сглаживающих и уравнительных реакторах, утяжеляющих конструкцию.

Система тиристорный преобразователь-двигатель (система ТП-Д) является штатным техническим решением практически везде, где используется электропривод постоянного тока и лишь в последние годы активно вытесняется частотно-регулируемым асинхронным электроприводом.

Источник тока (I = const) в системе “ источник тока - двигатель ” также может быть организован на основе управляемого выпрямителя с сильной отрицательной обратной связью по току, и такое решение будет обладать всеми перечисленными выше недостатками.

Интересны параметрические источники тока, выполненные на основе резонансных LC - цепей. Рассмотрим кратко принцип действия таких источников тока - индуктивно-емкостных преобразователей (ИЕП) на примере схемы, показанной на рис. 3.27,а. Схема состоит из трех одинаковых реакторов переменного тока с реактивным сопротивлением х_L и трех одинаковых батарей конденсаторов с реактивным сопротивлением х_С. Точки А, В, С подключены к симметричной трехфазной сети переменного тока с напряжением U_1л; к точкам a, b, c подключена нагрузка - три одинаковые резистора, соединенные в звезду, причем величина их сопротивления может изменяться от нуля до R_2макс. В электроприводе нагрузкой является якорь двигателя, включенный через неуправляемый выпрямитель (рис. 3.27,б); тогда

а) б)

Рис. 3.27.. Схема индуктивно-емкостного преобразователя, нагруженного резисторами (а) и подключение двигателя (б)

Принцип действия ИЕП основан на явлении резонанса напряжений в цепи L-C. Пусть U_1л = const, f = const, х_L = х_С = х_р.э, активные сопротивления реакторов и конденсаторов пренебрежимо малы. Так как схема симметрична, рассмотрение проведем для одной фазы; токи и напряжения в других фазах будут иметь соответственно одинаковые амплитуды, но будут сдвинуты по фазе на .

Для схемы на рис. 3.27,а справедливы следующие уравнения, записанные в комплексных величинах:

Решая эти уравнения, с учетом равенства реактивных сопротивлений получим:

, (3.25)

то есть ток I₂ не зависит от величины R₂, а определяется лишь величинами U_1л и х_р.э - схема по отношению к нагрузке обладает свойствами источника тока.

Характеристики источника тока на рис. 3.27,а показаны на рис. 3.28 в относительных единицах; за базовые приняты I₂ и U_1ф.

Рис. 3.28. Характеристики индуктивно-емкостного преобразователя

Рассмотренное устройство отличается простотой, высокой надежностью, высокими технико-экономическими показателями, мало искажает при работе на неуправляемый выпрямитель напряжение сети, не нуждается в трансформаторе для согласования напряжений сети и нагрузки.

Электроприводы по системе “источник тока - двигатель”, практически не известные за рубежом, успешно применяются в отечественной практике в установках, транспортирующих гибкую ленту, полосу, нить, жилу кабеля с поддержанием натяжения при любой скорости (кабельная, текстильная промышленность, металлургия), в специальных лебедках с дозированным усилием, в нагрузочных устройствах испытательных стендов для создания заданных условий нагружения испытуемых двигателей, муфт, трансмиссий и т.п.

*

* *

Мы весьма подробно рассмотрели электроприводы постоянного тока, несмотря на то, что они в последние годы заметно сдали свои позиции. Если до недавнего времени практически все регулируемые электроприводы выполнялись как электроприводы постоянного тока, то, по мнению европейских экспертов, в 2000 году они составят лишь 15% всех регулируемых электроприводов: их место во многих применениях занимает частотно-регулируемый асинхронный электропривод.

Вместе с тем, изучение электропривода постоянного тока позволяет лучше понять некоторые общие вопросы: энергетические режимы, регулирование координат, ограничения, накладываемые на координаты и т.п. К тому же в современных регулируемых электроприводах переменного тока с векторным управлением стараются приблизить свойства к свойствам электропривода постоянного тока - и в этой части его изучение полезно.

* Буквой U здесь обозначена ЭДС источника

ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Принцип действия асинхронной машины в самом общем виде состоит в следующем: один из элементов машины - статор используется для создания движущегося с определенной скоростью магнитного поля, а в замкнутых проводящих пассивных контурах другого элемента - ротора наводятся ЭДС, вызывающие протекание токов и образование сил (моментов) при их взаимодействии с магнитным полем. Все эти явления имеют место при несинхронном - асинхронном движении ротора относительно поля, что и дало машинам такого типа название - асинхронные.

Статор обычно выполнен в виде нескольких расположенных в пазах катушек, а ротор - в виде “беличьей клетки” (короткозамкнутый ротор) или в виде нескольких катушек (фазный ротор), которые соединены между собой, выведены на кольца, расположенные на валу, и с помощью скользящих по ним щеток могут быть замкнуты на внешние резисторы.

Несмотря на простоту физических явлений и материализующих их конструктивов полное математическое описание процессов в асинхронной машине весьма сложно:

во-первых, все напряжения, токи, потокосцепления - переменные, т.е. характеризуются частотой, амплитудой, фазой или соответствующими векторными величинами;

во-вторых, взаимодействуют движущиеся контуры, взаимное расположение которых изменяется в пространстве;

в-третьих, магнитный поток нелинейно связан с намагничивающим током (проявляется насыщение магнитной цепи), активные сопротивления роторной цепи зависят от частоты (эффект вытеснения тока), сопротивления всех цепей зависят от температуры и т.п.

Рассмотрим самую простую модель асинхронной машины, пригодную для объяснения основных явлений в асинхронном электроприводе.

Принцип получения движущегося магнитного поля

Пусть на статоре расположен виток (катушка) А-Х (рис. 4.1,а,б), по которому протекает переменный ток i_A = I_msinwt; w = 2pf₁. МДС F_А, созданная этим током, будет пульсировать по оси витка

F_А = F_msinwt

а) б) в)

г)

Рис. 4.1. К образованию вращающегося магнитного поля в машине

(горизонтальные штриховые стрелки на рис. 4.1,в). Если добавить виток (катушку) В-Y, расположенный под углом 90⁰ к А-Х, и пропускать по нему ток i_B = I_mcoswt, то МДС F_В будет пульсировать по оси этого витка (вертикальные стрелки):

F_В = F_mcoswt.

Вектор результирующей МДС имеет модуль

Его фаза a определится из условия

.

Таким образом, вектор результирующей МДС при принятых условиях, т.е. при сдвиге двух витков в пространстве в и при сдвиге токов во времени на , вращается с угловой скоростью , где f₁ - частота токов в витках.

В общем случае для машины, имеющей р пар полюсов (р =1,2,3...), синхронная угловая скорость , рад/с, т.е. скорость поля, определится как

; (4.1)

для частоты вращения n₀, об/мин, будем иметь:

, (4.2)

т.е. при питании от сети f₁=50Гц синхронная частота вращения может быть 3000, 1500, 1000, 750, 600... об/мин в зависимости от конструкции машины.

Выражения (4.1) и (4.2) имеют принципиальный характер: они показывают, что для данной машины имеется лишь одна возможность изменять скорость поля - изменять частоту источника питания f₁.

Процессы при w = w₀

Пусть ротор вращается со скоростью w₀, т.е. его обмотки не пересекают силовых линий магнитного поля и он не оказывает существенного влияния на процессы.

В весьма грубом, но иногда полезном приближении можно представить обмотку фазы статора как некоторую идеальную катушку, к которой приложено переменное напряжение . Мы будем дальше либо обозначать его и другие синусоидально изменяющиеся переменные соответствующими заглавными буквами, если интерес представляют лишь их действующие значения, либо будем добавлять точку вверху, показывая тем самым, что речь идет о временнóм векторе, имеющем амплитуду и фазу j.

Очевидно, что приложенное напряжение уравновесится ЭДС самоиндукции (рис. 4.2,а,б)

, (4.3)

где w - число витков обмотки; k_об - коэффициент, зависящий от конкретного выполнения обмотки.

а) б) в)

Рис. 4.2. Идеализированная модель асинхронной машины при w = w₀ (а), векторная диаграмма (б) и кривая намагничивания (в)

Можно приближённо считать, что магнитный поток определяется приложенным напряжением, частотой и параметрами обмотки:

. (4.4)

Ток в обмотке (фазе) статора - ток намагничивания определится при этом лишь магнитным потоком и характеристикой намагничивания машины (рис. 4.2,в):

В серийных машинах при U₁=U_1н и f₁=f_1н, т.е. при номинальном магнитном потоке ток холостого хода I₁₀ составляет обычно 30% - 40% от номинального тока статора I_1н.