Лекции Электропривод ГМиММ. 1. Роль электропривода в современных машинных технологиях

• Название: 1. Роль электропривода в современных машинных технологиях
• Анкор: Лекции Электропривод ГМиММ.doc
• Дата: 18.09.2017
• Размер: 3.83 Mb.
• Имя файла: Лекции Электропривод ГМиММ.doc
• Тип: Документы; #8591
• страница: 5 из 12

Способы регулирования скорости асинхронного двигателя

Асинхронный двигатель является наиболее массовым элек­трическим двигателем. Эти двигатели выпускаются мощностью от 0,1 кВт до нескольких тысяч киловатт и находят применение во всех отраслях хозяйства. Основным достоинством асинхронного двигателя является простота его конструкции и невысокая стои­мость. Однако по принципу своего действия асинхронный двигатель в обычной схеме включения не допускает регулирования скорости его вращения. Особое внимание следует обратить на то, что во избежание значительных потерь энергии, а, следовательно, для короткозамкнутых асинхронных двигателей во избежание перегрева его ротора, двигатель должен работать в длительном режиме с минимальными значениями скольжения.

Рассмотрим возможные способы регулирования скорости асинхронных двигателей (см. рис.6.1). Скорость двигателя опре­деляется двумя параметрами: скоростью вращения электромаг­нитного поля статора ω₀ и скольжением s:

ω = ω₀ – s_абс

ω = ω₀ – ω₀s (6.1)



Рис.6.1. Классификация способов регулирования асинхронных двигателей

Исходя из (6.1) принципиально возможны два способа регу­лирования скорости: регулирование скорости вращения поля ста­тора и регулирование скольжения при постоянной величине ω₀.

Скорость вращения поля статора определяется двумя параметрами (см.3.3): частотой напряжения, подводимого к обмоткам статора _f₁, и числом пар полюсов двигателя р_п. В соответствии с этим возможны два способа регулирования скорости: изменение частоты питающего напряжения посредством преобразователей частоты, включаемых в цепь статора двигателя (частотное регулирование), и путем изменения числа пар полюсов двигателя.

Регулирование скольжения двигателя при постоянной ско­рости вращения поля статора для короткозамкнутых асинхрон­ных двигателей возможно путем изменения величины напряже­ния статора при постоянной частоте этого напряжения. Для асин­хронных двигателей с фазным ротором, кроме того, возможны еще два способа: введение в цепь ротора добавочных сопротив­лений (реостатное регулирование) и введение в цепь ротора до­бавочной регулируемой э.д.с. посредством преобразователей час­тоты, включаемых в цепь ротора (асинхронный вентильный кас­кад и двигатель двойного питания).

В настоящее время благодаря развитию силовой преобразо­вательной техники созданы и серийно выпускаются различные виды полупроводниковых преобразователей частоты, что опре­делило опережающее развитие и широкое применение частотно-регулируемого асинхронного электропривода. Основными досто­инствами этой системы регулируемого электропривода являются:

• 
  плавность регулирования и высокая жесткость механиче­ских характеристик, что позволяет регулировать скорость в ши­роком диапазоне;
  
• 
  экономичность регулирования, определяемая тем, что двигатель работает с малыми величинами абсолютного скольже­ния, и потери в двигателе не превышают номинальных.
  

Недостатками частотного регулирования являются слож­ность и высокая стоимость (особенно для приводов большой мощности) преобразователей частоты и сложность реализации в большинстве схем режима рекуперативного торможения.

Изменение скорости переключением числа пар полюсов асинхронного двигателя позволяет получать несколько (от 2 до 4) значений рабочих скоростей, т.е. плавное регулирование скоро­сти и формирование переходных процессов при этом способе невозможно. Поэтому данный способ имеет определенные области применения, но не может рассматриваться, как основа для по­строения систем регулируемого электропривода.

Регулирование скорости асинхронного двигателя изменени­ем величины питающего напряжения при постоянной (стандарт­ной) его частоте для асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором имеет 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 неблагоприятны для качественного регулирования. Диапазон регулирования не превышает 1,5:1; более глубокое регулирование скорости можно допускать только кратковременно. Исходя из данной оценки, ре­гулирование изменением величины питающего напряжения при­меняется, главным образом, только для обеспечения плавного пуска нерегулируемых асинхронных электроприводов или для кратковременного снижения скорости. Иногда этот способ регу­лирования используется для регулирования скорости насосов и вентиляторов (механизмов с вентиляторным характером нагруз­ки) небольшой мощности (до 15 кВт), однако и в этом случае не­обходимо увеличение установленной мощности двигателя.

Для асинхронных двигателей с фазным ротором регулирова­ние скорости может производиться воздействием на роторную цепь двигателя. При введении добавочного сопротивления в цепь ротора энергия скольжения рассеивается не в объеме двигателя, а в сопротивлениях. Этот способ регулирования оценивается как неэкономичный. При использовании релейно-контакторных схем исключается плавность регулирования скорости. В настоящее время управление с введением добавочных сопротивлений в цепь ротора используется, в основном, для пуска асинхронных двига­телей с фазным ротором. Электроприводы с реостатно-контакторным управлением не рассматриваются нами, как регулируемые электроприводы.

Все способы регулирования, основанные на изменении скольжения асинхронного двигателя, связаны с выделением энер­гии скольжения в роторной цепи двигателя. В рассматриваемых выше способах эта энергия расходовалась на нагрев обмотки ро­тора и роторных сопротивлений. Существуют системы регулируемого электропривода, в которых энергия скольжения не теря­ется в сопротивлениях, а используется полезно – возвращается в питающую сеть, что делает регулирование в этих системах эко­номичным. К таким системам регулируемого привода относятся асинхронные вентильные каскады и двигатели двойного питания. Особенностью каскадных схем асинхронного привода является ограниченный диапазон регулирования – не больше, чем 2:1. В этом диапазоне каскадные схемы обеспечивают плавное и эконо­мичное регулирование скорости. Такие системы электропривода наиболее целесообразны для мощных турбомеханизмов-насосов и вентиляторов.

Лекция №4

4.1. Регулирование скорости изменением числа пар полюсов

Скорость вращения электромагнитного поля ста­тора зависит от числа пар полюсов дви­гателя р_п,, поэтому имеются специальные модификации асинхронных короткозамкнутых двигателей, позволяющие изменять число пар полюсов машины и тем самым получать две или более (3 и 4) ра­бочие скорости двигателя. Конструктивно изменение числа пар полюсов может быть достигнуто двумя способами. При первом в пазы статора укладываются две или три независимые обмотки с различными значениями р_п. При этом значительно увеличивают­ся габариты двигателей, но возможно получение любого соотно­шения числа пар полюсов.

При другом способе используется для получения различного числа пар полюсов одна и та же обмотка, а изменение р_п достига­ется переключением секций этой обмотки. Наибольшее распро­странение получили две схемы обмоток: звезда ( ) - двойная звезда () и треугольник (Δ) - двойная звезда.

Рассмотрим схему звезда - двойная звезда (см. рис.3.21). В этой схеме каждая из фазных обмоток состоит из двух секций, которые могут включаться параллельно или последовательно. При параллельном соединении напряжение подводится к сред­ним точкам обмоток, а начала обмоток замыкаются между собой. Образуются две параллельно включенные системы обмоток, со­единенные в двойную звезду (). Такое соединение соответст­вует меньшему числу пар полюсов р_п. Этой схеме соединения отвечает механическая характеристика с индексом на рис.3.21,б.

При последовательном соединении секций обмоток число пар полюсов увеличивается вдвое, поэтому номинальная скорость двигателя в этом случае будет вдвое меньше. Так, напри­мер, если схеме соединения соответствует число пар полю­сов р_п = 2, то номинальная скорость вращения будет 1470 об/мин (п₀ = 1500 об/мин). Переключив обмотки для соединения в звезду ( ), получим р_п = 4 и номинальную скорость вращения 735 об/мин (п₀ = 750 об/мин).



Рис.3.21. Схема (а) и механические характеристики
(б) двухскоростного асинхронного двигателя со схемой соединения

Поскольку длительно допустимый ток в обмотках должен остаться неизменным, то номинальная мощность на валу двига­теля будет:

при схеме Р_дв = 3U₁ · 2I_1н · cosφ₁ · ή_н,

при схеме Р_дв = 3U₁ · I_1н · cosφ₁ · ή_н,

Т.е. мощность двигателя при высокой скорости будет примерно в 2 раза выше, чем при низкой скорости. Однако длительно допус­тимый номинальный момент сохраняется постоянным, т к

М_н = Р_н/ω_н

Рассмотрим схему треугольник - двойная звезда (рис.3. 22) В этой схеме соединение обмоток двойная звезда соответствует вы­сокой скорости.

При последовательном включении полуобмоток и соедине­нии их в треугольник число пар полюсов увеличивается вдвое, следовательно, вдвое снижается скорость двигателя.



Рис.3.22. Схема и механические характеристики двухскоростного дви­гателя

Мощность двигателя при этом будет:



здесь U₁ – фазное напряжение питания.

Длительно допустимый момент при соединении обмоток в Δ будет в раз больше, чем при соединении в двойную звезду. Таким образом, при обеих схемах соединения двигатель пример­но сохраняет свою мощность.

Двух и многоскоростные двигатели применяются в тех слу­чаях, когда по условиям технологии необходимо иметь две или более фиксированные скорости вращения приводного электро­двигателя.

4.2 Регулирование скорости АД изменением скольжения

Величина потока асинхронного двигателя пропорциональна напряжению питания U₁, величина э.д.с. ротора, а, следовательно, и ток ротораI₂ также пропорциональны напряжению статора. По­этому момент асинхронного двигателя, в том числе максималь­ный момент, пропорциональны квадрату напряжения U₁ (см.3.21, 3.24). Это обстоятельство определяет недопустимость значитель­ного снижения напряжения питания при пуске и работе асин­хронного двигателя. Так, при снижении питающего напряжения на 30% его максимальный момент уменьшится примерно в два раза и при значительном статическом моменте двигатель может «опрокинуться», т.е. остановиться и оказаться под пусковым то­ком. Этот режим является для двигателя аварийным. Такая же ситуация может сложиться, если напряжение питания снижено при пуске двигателя под нагрузкой. Указанные случаи имеют ме­сто в слабых электрических сетях, что обуславливает большую аварийность асинхронных короткозамкнутых двигателей. Во из­бежание этого должны предусматриваться необходимые защит­ные средства, предотвращающие длительное нахождение асин­хронного двигателя под пусковым током.

В то же время преднамеренное снижение (регулирование) напряжения, подаваемого на статорные обмотки, иногда исполь­зуется для регулирования скорости асинхронного двигателя и для обеспечения плавности пуска.

Регулирование скорости асинхронного двигателя путем из­менения питающего напряжения сопряжено с возможностью пе­регрева его ротора и может производиться лишь при определен­ных условиях:

• 
  при малом диапазоне снижения скорости относительно номинальной;
  
• 
  при сниженном относительно номинального моменте со­противления на валу двигателя;
  
• 
  использовании двигателя с повышенным скольжением.
  

Рассмотрим механические характеристики асинхронного короткозамкнутого двигателя с повышенным скольжением при ре­гулировании напряжения статора (рис.3.13). При снижении на­пряжения U₁ критическое скольжение двигателя и скорость иде­ального холостого хода ω₀ остаются постоянными, а максималь­ный момент М_к двигателя уменьшается примерно пропорцио­нально квадрату снижения напряжения, соответственно снижает­ся жесткость рабочей части механической характеристики двига­теля. Регулирование скорости возможно в диапазоне ω₀ ÷ ω₀ (1 – s_к).

Предположим, что момент сопротивления на валу двигателя остается постоянным и равным номинальному М_с = М_н. При снижении напряжения до величины U₁₂ двигатель будет работать со скоростью, равной ω₀ (1 –s_р) со скольжениемs_р. Мощность скольжения Р_sвыделяемая в виде потерь в роторе дви­гателя будет равна Р_s = М_н · ω₀ ·s_р и пропорциональна заштри­хованной площади прямоугольника. Электромагнитная мощность Рэм = Мс · ω0 пропорциональна площади Оаг1, полез­ная мощность на валу двигателя
М_мех = М_с · ω₀ = М_с · ω₀ ·(1 –s_р) будет пропорциональна площади sрв,г1.

Номинальная мощность скольжения, на рассеяние которой рассчитана конструкция двигателя, пропорциональна площади Оаб5н. Сравним эту площадь с заштрихованной (Oaвs_p), которая отражает потери в роторе двигателя при работе в точке «в». Она примерно в 3 раза превосходит номинальные потери в роторе. Естественно, что при длительной работе в указанном режиме ро­тор двигателя будет перегреваться и двигатель выйдет из строя. Для того, чтобы можно было применить данный способ регулирования, нужно установленную мощность двигателя завысить в 3 раза или применить специальную конструкцию интенсивного теплоотвода.



Рис.3.13. Механические характеристики асинхронного двигателя при регулировании напряжения питания а) при постоянном моменте; б) при вентиляторном моменте нагрузки

Поэтому регулирование скорости изменением напряжения питания возможно в том случае, если момент сопротивления М_с при снижении скорости существенно меньше номинального. Та­кой способ регулирования применяется иногда для привода насо­сов и вентиляторов, у которых момент сопротивления на валу резко снижается при уменьшении скорости. Этот случай рас­смотрен на рис.3.13,6. Поскольку со снижением скорости М_с уменьшается примерно в квадрате от величины снижения скоро­сти, то мощность скольжения Р_s со снижением скорости растет не столь существенно. Если нагрузка на валу двигателя носит вен­тиляторный характер, то максимальная величина мощности скольжения составляет 15% от мощности на валу при номиналь­ной скорости. Поэтому для привода вентиляторов и насосов дос­таточно увеличение установленной мощности двигателя с повы­шенным скольжением в 1,5-2 раза.

Снижение напряжения на статоре асинхронного двигателя иногда используется для уменьшения пусковых токов двигателя. Это возможно, если момент сопротивления на валу двигателя при пуске не превышает 0,3-0,4/Н, (насосы, вентиляторы или другие рабочие машины, пуск которых производится вхолостую). В этом случае посредством тиристорного регулятора напряжение, под­водимое к обмотке статора, снижается, а затем по мере разгона двигателя увеличивается до номинального значения. Этим обес­печивается «плавный пуск» двигателя с уменьшенными пуско­выми токами и сниженными динамическими нагрузками на рабо­чую машину.

4.3. Регулирование скорости асинхронного двигателя в каскадных схемах его включения

Регулирование скорости АД при использовании некоторых рассмотренных способов сопровождается выделением в цепи ротора потерь мощности ΔР₂ = Мω₀s, что значительно снижает экономические показатели асинхронного ЭП.

Первые схемы, в которых полезно использовалась энергия потерь, создавалась путем специального со­единения АД с другими электрическими машинами. Поэтому эти схемы получили название каскадных: "В настоящее время существуют схемы, использующие энергию скольжения АД без добавочных электрических машин, а с помощью полупроводниковых приборов и трансформаторов. Однако эти схемы также назы­вают каскадными.

В общем случае каскадными называют такие схемы включения АД, которые, обеспечивая регули­рование его скорости, позволяют одновременно полез­но использовать энергию потерь в роторе.




Рис. 5.31. Схемы электромеханического (а) и электрического
(б) вентильно-машинных каскадов

По способу использования этой энергии различают схемы электромеханического машинно-вентильного каскада и электрического каскада.

В электромеханическом машинно-вентильном каска­де (рис. 5.31, а) обмотка ротора АД 2, приводящего в движение рабочую машину 1, подключается к тре­хфазному неуправляемому выпрямителю 4, собранному на полупроводниковых вентилях. К выводам выпрямителя присоединен якорь вспомогательной ма­шины 3 постоянного тока, ЭДС которой Е_{в м} направ­лена навстречу ЭДС выпрямителя Е_в. АД 2 и ма­шина 3 соединены одним валом..

Если пренебречь потерями в схеме, то можно установить, что рабочей машине 1 передается вся электромагнитная мощность Р_эм. Действительно, на вал от АД 2 поступает мощность
Р₂ = Мω, от вспомогательной машины 3— мощность Р_{В М}= ΔР₂ = = Мω₀s, в результате суммарная механическая мощ­ность на валу рабочей машины Р_{Р М} = Р₂ + Р_{в м} = Мω + Мω₀s = Мω₀ = Р_эм.

В электрическом каскаде (рис. 5.31,6) в отличие от электромеханического вспомогательная машина 3 не имеет механической связи с АД 2, а соединена одним валом с синхронным генератором 5, подключенным к сети переменного тока. За счет этого I, энергия потерь передается не на вал рабочей машины 1, а с помощью генератора 5 отдается в сеть, а рабочей машине передается только механическая мощность Р₂ = Мω.

Рассмотрим регулирование скорости в каскадных схемах, которое происходит за счет изменения ЭДС Е_вм вспомогательной машины 3 за счет воздействия на ток возбуждения I_В этой машины.

Предположим, что при работе ЭП в установив­шемся режиме происходит увеличение тока возбуждения I_В. Это повлечет за собой увеличение ЭДС Е_вм и вследствие этого уменьшение выпрямленного.
тока I_d, который определяется выражением

I_d = (Е_в–Е_{в м})/R_∑, (5.35)

где R_∑, — суммарное активное сопротивление цепи выпрямленного тока; Е_в — ЭДС выпрямителя 4.

Уменьшение I_d и тем самым тока ротора АД 2 вызовет снижение его момента, который станет меньше момента нагрузки М_с, создаваемого рабочей машиной 1. В результате скорость двигателя начнет снижаться, а его скольжение и ЭДС роторной обмотки Е₂ = Е_2кs начнут возрастать. Увеличение ЭДС ротора приведет к увеличению тока ротора и тем самым момента АД, который вновь станет равным моменту нагрузки, и скорость АД перестанет изменяться. Двигатель опять будет работать в установившемся режиме, но уже при более низкой скорости. В случае уменьшения тока I_в скорость АД будет возрастать.

Из механических характеристик электромеханичес­кого каскада для разных значений токов I_в (рис. 5.32, а) видно, что максимальный, момент по мере снижения скорости каскада возрастает, поскольку по мере увеличения тока возбуждения вспомогательной машины ее момент также возрастает. При этом максимальная механическая мощность каскада, определяемая произведением максимального момента на соответствующую этому моменту скорость, при I разных токах возбуждения вспомогательной машины 1 примерно одинакова. Поэтому электромеханический каскад называют каскадом постоянной мощности.



Рис. 5.32. Механические характеристики электромеханического (а) и электрического (в) каскадов: 1—4—соответственно при I_в = 0; 0,2; 0,4

При токе возбуждения вспомогательной машины, близком к нулю, механическая характеристика (рис. 5.32, б) электрического каскада близка к естест­венной характеристике АД. По мере увеличения тока возбуждения искусственные характеристики 2—4 располагаются ниже естественной 1, причем номиналь­ному току возбуждения I_в ном соответствует самая низкая характеристика. Максимальный момент каскада, определяемый только АД 2 (см. рис. 5.31), сохраняется на разных характеристиках примерно постоянным. Поэтому электрический каскад называ­ют каскадом постоянного момента.

В настоящее время в связи с широким распрост­ранением силовых тиристорных преобразователей появилась возможность заменять ими электромашин­ные вращающиеся преобразователи. В частности, электромашинный агрегат 3—5 (см. рис. 5.31,6) представляет собой преобразователь энергии посто­янного тока, поступающей от выпрямителя 4, в энер­гию переменного тока, отдаваемую в сеть. Такой машинный агрегат может быть заменен на статичес­кий преобразователь "частоты, состоящий из транс­форматора 2 и инвертора 3 (рис. 5:33). К обмотке ротора АД 1 подключен неуправляемый выпрями­тель 5 и инвертор 3, а также реактор 4, который служит для сглаживания пульсаций выпрямленного тока. Асинхронный ЭП по схеме рис. 5.33 получил название асинхронного вентильного каскада.

Инвертор, представляет со­бой преобразователь энергии постоянного тока в энергию переменного тока. Электродвижущую силу инвертора можно регули­ровать аналогично тому, как регулируется ЭДС машины постоянного то­ка. Поэтому механичес­кие характеристики асин­хронного вентильного ка­скада аналогичны характеристикам вентильно-машинного электрическо­го каскада.



Рис 5.33. Схема асинхронного винительного каскада

Существует много схем асинхронных вентильных каскадов, аналогичных рассмотренной. Эти схемы несколько отличаются по своей сложности, техническим возможностям регулирования скорости, энергетическим показателям и т. д: Однако принцип действия и назначение этих схем аналогичны: использование энергии скольжения для .совершения, полезной работы и возможность плавного регули­рования скорости АД.

Отметим основные показатели регулирования ско­рости АД в каскадных схемах включения.