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: 6 из 12

Практический диапазон регулирования скорости в каскадных схемах обычно не превышает двух. Вызвано это тем обстоятельством, что по мере роста диапазона регулирования скорости и тем самым скольжения АД требуется увеличивать уста­новленную мощность всех устройств в его роторной цепи. Так, при диапазоне регулирования. равным двум установленная мощность машинно-вентильного электрического каскада составляет 250% номиналь­ной мощности АД, из них основной АД —100%, выпрямитель, вспомогательная машина и синхронный генератор —по 50%.

Плавность регулирования скорости АД в каскадных схемах высокая и определяется плавностью изменения ЭДС вспомогательной машины или ПЧ. Регулирование скорости производится вниз от естественной характеристики, а некоторые специальные каскадные схемы обеспечивают и двухзонное регулирование скорости.

Несмотря на значительные капитальные затраты при реализации данного способа регулирования скорости, применение каскадных схем за счет полез­ного использования энергии скольжения оказываются экономически целесообразным для мощных асинхрон­ных ЭП с небольшим (не более 2—3) диапазоном регулирования скорости. К ним относятся ЭП мощ­ных вентиляторов, центробежных насосов, компрессо­ров, воздуходувок, испытательных установок.

4.4 Асинхронный электропривод с частотным регулировани­ем скорости

Возможность частотного регулирования скорости асинхрон­ного
двигателя-регулирование путем изменения частоты пи­тающего напряжения – вытекает из того обстоятельства, что ско­рость вращения электромагнитного поля статора пропорциональ­на частоте питающего напряжения

(6.2)

Следует также учесть, что поскольку с изменением частоты питающего напряжения изменяется и величина потока двигателя Ф₁

(6.3)

то в большинстве случаев одновременно с изменением частоты питающего напряжения необходимо регулировать и его амплитуду. Необходимость регулирования напряжения при уменьшении частоты вниз от номинальной связана с тем, что из-за уменьшения индиви­дуального сопротивления обмоток двигателя ток намагничивания будет возрастать, что приведет к насыщению магнитопровода двигателя и его перегреву. Регулирование напряжения следует производить та­ким образом, чтобы скольжение двигателя было минимальным.



Рис.6.2. Схема вклю­чения асинхронного двигателя с питанием

от преобразователя частоты

Для реализации способа частотного регулирования асин­хронный короткозамкнутый двигатель включается в питающую сеть с параметрами U_cи f_c через преобразователь частоты UF (см.рис.6.2). В качестве преобразователей частоты в настоящее время используются, в основном, полупроводниковые преобразо­ватели частоты.

Существующие вентильные регулирование скорости изменением частоты реализуется с помощью полупроводниковых преобра­зователей частоты которые мож­но разделить на две группы:

1 – преобразова­тели с непосредствен­ной связью питающей сети и нагрузки, сокращенно НПЧ;

2 – преобразова­тели частоты с промежуточным зве­ном постоянного тока.

Преобразователь частоты с непосред­ственной связью включается в статорную цепь асинхронного двигателя и служит для преобразования напряжения стандартной частоты в регулируемое в определенных пределах напряжение по величине и частоте.

Преобразователи частоты с непосредственной связью обычно представляют собой три согласованно работающих реверсивных тиристорных преобразователя постоянного тока. Блок схема не­посредственного преобразователя частоты представлена на рис.6.7.



Рис.6.7. Блок-схема преобразователя час­тоты с непосредственной связью

Каждая фаза асинхронного двигателя питается от своего ре­версивного преобразователя.

Преобразователи частоты с не­посредственной связью по схеме рис.6.7 дают воз­можность при час­тоте питания 50Гц получать выход­ную частоту в пределах 0-20Гц. По­этому асинхронные электроприводы данного типа чаще всего применяются для тихоходных безредукторных электроприводов средней и большой мощности.

Основным дос­тоинством преобразователей частоты с непосредственной связью является естест­венная коммутация вентилей под действием напряжения питаю­щей сети, как это происходит в управляемых тиристорных преобразователях (выпрямителях), используемых в приводе посто­янного тока. Благодаря возможности перевода преобразователя из выпрямительного в инверторный режим, в рассматриваемых схемах возможно торможение асинхронного двигателя с отдачей энергии торможения в сеть (рекуперативное торможение). Меха­нические характеристики асинхронного электропривода с преоб­разователем частоты с непосредственной связью показаны на рис.6.9.



Рис.6.9. Механические характеристики электропривода НПЧ-АД

2. Преобразователи частоты со звеном постоянного тока

В этой системе используются преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного тока. Блок схема такого пре­образователя представлена на рис.6.10.



Рис.6.10. Блок-схема электропривода с преобразо­вателем частоты с промежуточным звеном постоян­ного тока

Перемен­ное напряже­ние промыш­ленной сети сначала выпрямляется посредством регулируемого или нерегулируемого выпрямителя UD, а затем подается на автономный инвертор, преобразующий постоянное напряжение (или ток) в напряжение (или ток) регулируемой частоты и величины.

Регулирование величины напряжения (или тока) промежуточного звена постоянного тока может производиться управляемым выпрямителем UD , либо (в инверторах напряжения) в качестве первого звена используется неуправляемый выпрямитель, а регулирование напряжения осуществляется инвертором методом широтно-импульсной модуляции. В первом случае функции управления четко разделены: выпрямитель управляет величиной тока или напряжения, а инвертор - значением выходной частоты преобразователя. Во втором случае обе этих функции возлагаются на инвертор.

Важным узлом преобразователей с промежуточным звеном постоянного тока является фильтр F. Этот фильтр выполняет две функции: сглаживает пульсации выпрямленного напряжения (или тока) и служит устройством для накопления и отдачи энергии, что необходимо для обеспечения циркуляции реактивной мощности между обмотками асинхронного двигателя и фильтром. По­скольку на входе преобразователя установлен полупроводниковый 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 инвертора, нижний - качеством выходного напряжения или тока; при несинусоидальной форме тока в обмотках двигателя при ма­лых частотах нарушается равномерность вращения ротора.

При частотном регулировании величина относительного скольжения s_j зависит как от разности скоростей вращающегося электромагнитного поля и ротора – абсолютного скольжения s_абс = ω₀ – ω, так и от относительного значения f ₁ частоты пи­тающего напряжения

С учетом (6.2)

(6.6)



Рис.6.3. Схема замещения асин­хронного двигателя

Для анализа электроме­ханических характеристик двигателя при частотном ре­гулировании рассмотрим Т-­образную схему замещения двигателя (рис.6.3). В отли­чие от ранее приведенной схемы замещения в данном случае приходится учитывать, что реактивные сопротивления двигателя зависят от частоты питающего напряжения и изменя­ются с изменением частоты.



(6.13)

где

Механиче­ские характери­стики, соответ­ствующие час­тотному регули­рованию при выполнении со­отношения (6.13) и r₁ = 0, показаны на рис.6.4 (сплош­ными линиями). В первом при­ближении пропорциональное регулирование напряжения в соответствии с соотношением (6.13) обеспечивает работу двигателя с постоянным потоком.



Рис.6.4. Механические характеристики асин­хронного двигателя при ЭЭ

частотном регулиро­вании при U₁*/f₁*=const

В действительности при малых значениях частоты (f₁* < 0,3) падение напряжения на сопротивлении r₁ существенно снижает величину напряжения, прикладываемого к контуру намагничива­ния (напряжение U_аб на рис.6.5).

U_аб = U₁ – I₁r₁

Падение напряжения на индуктивном сопротивлении х₁ уменьшается с уменьшением частоты и поэтому не оказывает та­кого влияния на напряжение U_аб, как падение напряжения на ак­тивном сопротивлении r₁ которое не зависит от частоты.



Рис.6.5. Зависимость величины напряжения питания от частоты

1 – U_1* = f_1* , 2 – U₁= U_1нf_1* + I₁r₁(1 – f_1*).

При более точном расчете с учетом падения напряжения на сопротивлении r₁ меха­нические характеристики име­ют вид, показанный на рис.6.4 пунктиром. При малых значе­ниях частоты, когда относи­тельное значение падения напряжения на сопротивлении r₁ становится значимым, поток двигателя уменьшается и соответственно уменьшается максимальный момент М_к, что следует также из формулы (6,11).

Поэтому для того чтобы регулировать скорость двига­теля, сохраняя максимальный момент двигателя постоянным, нужно величину напряжении уменьшать в меньшей степени, чем уменьшается частота, при­мерно в соотношении:

U₁ = U_1нf_1* + I₁r₁ (1 – f_1*) (6.14)

Такой способ регулирования напряжения называют «про­порциональное регулирование с I · r компенсацией». Зависимость U_1* =f(f_1*) показана на рис.6.5. При регулировании напряжения в соответствии с соотношением (6.14) механические характери­стики будут иметь вид, показанный на рис.6.4 сплошными ли­ниями.

5. 
   Тормозные режимы асинхронных двигателей
   

Полная механическая характеристика асинхронного двига­теля во всех квадрантах по­ля М_s, пред­ставлена на рис.3.14.

Асин­хронный двига­тель может ра­ботать в трех тормозных ре­жимах: рекупе­ративного тор­можения, дина­мического тор­можения и тор­можения противовключением; специфи­ческим тормоз­ным режимом является также конденсатор­ное торможе­ние.



Рис.3.14. Полная механическая характеристика асинхронного двигателя

Рекуперативное генераторное торможение возможно, когда скорость ротора выше скорости вращения электромагнитного поля статора, чему соответствует отрицательное значение скольжения ω> ω₀; s < 0 .

Для того, чтобы ротор двигателя перешел синхронную ско­рость и разогнался до скорости выше синхронной, к его валу должен быть приложен внешний совпадающий со знаком скоро­сти вращающий момент. Это может быть, например, в приводе подъемной лебедки в режиме спуска груза.

Механическая характеристика асинхронного двигателя в ре­жиме рекуперативного торможения идентична (с учетом угловой симметрии) характеристике двигателя в двигательном режиме. Расчет характеристик может производиться по формуле Клосса (3.27), Максимальный момент в режиме рекуперативного тормо­жения несколько выше, чем максимальный момент в двигатель­ном режиме. Для рекуперативного режима



Несколько большая величина максимального момента в генераторном режиме объясняется тем, что потери в статоре (на сопротивлении r₁) в двигательном режиме уменьшают момент на валу, а в гене­раторном режиме момент на валу должен быть больше, чтобы покрыть поте­ри в статоре.



Рис.3.15. Энергетическая диаграмма асинхронного двигателя в режиме
реку­перативного торможения

Энергетический баланс в режиме ре­куперативного генераторного торможения определяется следующим (рис.3.15). Ме­ханическая мощность, поступающая на вал двигателя, преобразу­ется в электромагнитную мощность вращающегося поля Рэм и электрическую мощность, трансформируемую в роторную цепь двигателя. По аналогии с (3.35) получим

Р_мех = Р_эм – Р_s = Мω₀ – М ω₀s

Электромагнитная мощность, за исключением потерь в ста­торе, отдается в питающую сеть, а мощность скольжения рассеи­вается в роторной цепи. Отметим, что в режиме рекуперативного торможения асинхронный двигатель генерирует и отдает в сеть активную мощность, а для создания электромагнитного поля асинхронный двигатель и в режиме генератора должен обмениваться с сетью реактивной мощностью. Поэтому асинхронная машина не может работать автономным генератором при отклю­чении от сети. Возможно, однако, подключение асинхронной машины к конденсаторным батареям, как к источнику реактив­ной мощности (см. рис.3.19).



Рис.3.16. Схемы подключения асинхронного двигателя в режиме
дина­мического торможения

Способ динамического торможения характеризуется тем, что статорные обмотки отключаются от сети переменного тока и подключаются к источнику постоянного напряжения (см. рис.3.16). При питании обмоток статора постоянным током соз­дается неподвижное в пространстве электромагнитное поле, т.е. скорость вращения поля статора ω_0дт = 0. Скольжение будет равно

s_дт = – ω/ ω_0н

где ω_0н – номинальная угловая скорость вращения поля ста­тора.

Вид механических характеристик (см. рис.3.17) подобен ха­рактеристикам в режиме рекуперативного торможения. Исходной точкой характеристик является начало координат. Регулировать интенсивность динамического торможения можно изменяя величину тока возбуждения I_дт в обмотках статора. Чем выше ток, тем больший тормозной мо­мент развивает двига­тель. При этом, однако, нужно учитывать, что при токах I_дт >I_1н на­чинает сказываться насыщение магнитной це­пи двигателя.



Рис.3.17. Механические характеристи­ки асинхронного двигателя в режиме
динамического торможения

Для асинхронных двигателей с фазным ротором регулирование тормозного момента мо­жет производиться так­же введением дополни­тельного сопротивления в цепь ротора. Эффект от введения добавочно­го сопротивления анало­гичен тому, которое имеет место при пуске асинхронного двигателя: благодаря улуч­шению cosφ₂ повышается критическое скольжение двигателя и увеличивается тормозной момент при больших скоростях вращения

Работу асинхронного двигателя в режиме динамического торможения можно рассматривать как работу трехфазного асин­хронного двигателя при питании его постоянным током, т.е. то­ком при частоте f₁|=0. Второе отличие заключается в том, что об­мотки статора питаются не от источника напряжения, а от источ­ника тока. Следует также иметь в виду, что в схеме динамическо­го торможения ток протекает (при соединении обмоток в звез­ду) не по трем, а по двум фазным обмоткам.

Энергетически в режиме динамического торможения асин­хронный двигатель работает как синхронный генератор, нагру­женный на сопротивление роторной цепи двигателя. Вся механи­ческая мощность, поступающая на вал двигателя, при торможении преобразуется в электрическую и идет на нагрев сопротивле­ний роторной цепи.

Возбуждение асинхронной машины в режиме динамического торможения может осуществляться не только подачей постоянного тока в обмотки статора машины, но также в режиме самовозбуждения путем подключения конденсаторов к цепям статора асинхронной машины, как это показано на рис. 3.19. Такой способ торможения называют конденсаторным торможением асинхронных двигателей. По энергетической сущности этот вид торможения идентичен динамическому торможению, т.к. энергия, поступающая с вала, преобразуется в электрическую и выделяется в виде потерь в роторе двигателя.



Рис.3.19. Схема включения асинхронного двигателя в ре­жиме динамического торможе­ния с самовозбуждением от конденсаторов

Процесс самовозбуждения асинхронного двигателя проис­ходит следующим образом. Под действием остаточного потока ротора в обмотках статора наводится э.д.с,, под действием кото­рой возникает намагничивающий ток, протекающий через кон­денсаторы. При этом увеличивается поток машины, следователь­но, наводимая э.д.с. и ток намагничивания. Верхняя и нижняя границы режима самовозбуждения и величина тормозного мо­мента зависят от величины емкости конденсаторов. Данный спо­соб торможения применяется для приводов малой мощности (до 5кВт), т.к. требует установки конденсаторов значительного объе­ма.