Н. Д. Ясенев электрический привод курс лекций
 Скачать 5.65 Mb.
|
|
5.2. Регулирование скорости двигателей постоянного тока Уравнения электромеханической и механической характеристик двигателя постоянного тока позволяют определить, какие параметры влияют на вид характеристики могут быть использованы для регулирования 𝑛 = 𝑈− 𝐼 𝑎 𝑅 𝑎 𝑘 𝑒 Φ ; n = 𝑈 𝑘 𝑒 Φ − 𝑀𝑅 𝑎 𝑘 𝑒 𝑘 𝑚 Φ 2 . Судя по этим уравнениям, на вид механической и электромеханической характеристик должны влиять три параметра сопротивление якорной цепи а, напряжение питания U, магнитный поток Φ. 5.2.1. Регулирование скорости изменением сопротивления цепи якоря Введение добавочных сопротивлений в цепь якоря (рис. 5.1) вызывает увеличение падения скорости под нагрузкой, поэтому характеристики с увеличением этого сопротивления становятся мягче (рис. 5.2). Рис. 5.1. Схемы включения добавочных сопротивлений в цепь двигателей постоянного тока а – при независимом возбуждении б – при последовательном возбуждении Регулирование осуществляется с непостоянным диапазоном чем меньше нагрузка, тем меньше диапазон. Регулирование ступенчатое, т. к. для создания плавного регулирования требуется очень большое число ступеней, что нецелесообразно, т. к. нерационально увеличивает установку. Рис. 5.2. Регулировочные характеристики двигателей постоянного тока а − при независимом возбуждении б – при последовательном возбуждении При работе на регулировочных характеристиках большие потери энергии, поэтому регулирование неэкономичное. Поскольку при увеличении диапазона регулирования жесткость характеристик снижается, снижается и стабильность работы, те. при небольшом колебании момента нагрузки скорость изменяется значительно. Регулирование однозонное, только вниз. Способ применяется для кратковременного получения пониженных скоростей в приводах не требующих строгого поддержания рабочей скорости (например, подъемно-транспортные машины. В настоящее время данный способ регулирования практически не применяется. 5.2.2. Регулирование скорости изменением магнитного потока Этот способ применяется, как правило, у двигателей с независимым возбуждением. Магнитный поток изменяется за счет изменения тока возбуждения, что может быть получено при использовании регулируемых выпрямителей или за счет регулирования сопротивления вцепи обмотки возбуждения. Последний способ используется у двигателей небольшой мощности. В зоне малых моментов нагрузки ослабление магнитного потока приводит к росту скорости, поскольку уменьшается ЭДС двигателя и для компенсации возрастания тока требуется дополнительный разгон. Рис. 5.3. Схема с регулированием тока возбуждения (а механические (б) и скоростные (в) характеристики В зоне больших нагрузок скорость падает за счет того, что снижается момент двигателя. Диапазон регулирования может быть от 2 до 4, регулирование плавное, особенно при использовании регулируемых выпрямителей, однозон- ное (только вверх, достаточно экономичное, т. к. капитальные затраты сравнительно невелики и дополнительные эксплуатационные расходы почти отсутствуют Стабильность работы достаточно высокая, но при ослаблении потока несколько снижается. Этот способ регулирования возможен только при постоянстве мощности, поэтому допустимое значение момента нагрузки с ростом скорости снижается. Допустимый момент на искусственной характеристике определяется номинальным током якорной цепи М доп = Кн I аN . По уравнениям для ЭДСна естественной и искусственной характеристи- кахполучим: Ее = К е Φ N на а, Е и = К е Φ и и = а а. Отсюда получим N ω N = Φ и ω и , Φ и = Φ N ω N / и. Тогда М доп. и = К m ϕ и ан = Ка и = Ми. Следовательно М доп. и и = М = Р. Таким образом, регулирование происходит при постоянстве мощности 44 5.2.3. Регулирование скорости изменением напряжения питания якоря При изменении величины напряжения, питающего обмотку якоря, чем оно ниже, тем ниже n 0 . Характеристики располагаются параллельно естественной, но ниже. Регулирование напряжения постоянного тока можно производить тремя способами 1. Применением потенциометрических схем. 2. Применением генератора постоянного тока с регулируемым напряжением возбуждения. 3. Использованием регулируемого преобразователя напряжения. Применение потенциометрических схем. В ряде приводов, особенно в подъемно-транспортных машинах, находят применение схемы потенциометрического деления напряжения питания якорной обмотки, получившие название схем с шунтированием якоря. У двигателя с независимым возбуждением используется схема, представленная на рис. 5.4. Рис. 5.4. Схема с шунтированием якоря Для этой схемы можно записать U = Е + а а, + п п, U = ш ш + п п, п ш + I а Подставив третье уравнение во второе, получим U = ш ш + ш пап. Отсюда п = 𝑈− 𝐼 а 𝑅 п 𝑅 ш + п Первое уравнение можно записать в виде U = Е + а а, + 𝑈− 𝐼 а 𝑅 п 𝑅 ш + пап Отсюда получим Е = U − а а, − 𝑼− 𝑰 а 𝑹 п 𝑹 ш + 𝑹 п R п + а п =U 𝑹 ш 𝑹 ш + п I а (R а ,+ 𝑹 п 𝑹 ш 𝑹 ш + 𝑹 п ). Обозначим 𝑅 ш 𝑅 ш + п = Аи поделим все уравнение на К е ϕ н : n = An 0 − а+ А 𝑅 п 𝐾 е ϕ . Получили уравнение электромеханической характеристики в схеме с шунтированием якоря. Заменив ток моментом, получим уравнение механической характеристики n = An 0 − МА 𝑅 п 𝐾 𝑚 𝐾 е ϕ 2 . Рис. 5.5. Электромеханические характеристики в схеме с шунтированием якоря Характеристики линейные, располагаются ниже естественной. На рис. 5.5 представлены семейства электромеханических характеристик при различных величинах сопротивлений R ш и R п Аналогично выглядят механические характеристики. При определенных значениях шип характеристики проходят ниже естественной (рис. 5.6). Достоинство метода по сравнению с реостатным регулированием, описанным в 5.2.2, в том, что характеристики более жесткие. Для двигателя с последовательным возбуждением этот метод также применим (рис. 5.7). В этом случае двигатель получает режим холостого хода, при котором скорость тем меньше, чем меньше ш. При переходе во второй квадрант характеристика имеет максимум момента, поскольку рост ЭДС снижает ток возбуждения. Пока машина в насыщенном состоянии, создается тормозной момент, но после выхода из насыщения момент резко падает и скорость возрастает. Рис. 5.6. Механические характеристики при определенных ш и R п Способ неэкономичен из-за потерь энергии. Применяется для кратковременного снижения скорости. В настоящее время практически не используется. Рис. 5.7. Схема с шунтированием якоря двигателя с последовательным возбуждением (аи его характеристики (б 1 – естественная, 2 – с шунтированием якоря при определенных шип Регулирование скорости двигателя постоянного тока в системе «гене- ратор–двигатель» (система «Г–Д»). В системе «генератор–двигатель» двигатель питается от специального агрегата, состоящего из нескольких машин рис. 5.8). В него входят гонный двигатель М, в качестве которого обычно используется асинхронный или синхронный двигатель, генератор постоянного тока G1, возможен возбудитель G2. Последнего может и не быть, а вместо машины для возбуждения может быть использован управляемый выпрямитель. Рис. 5.8. Схема электропривода по системе «генератор–двигатель» Напряжение с якорной обмотки генератора подается на якорную обмотку двигателя М. Цепи возбуждения генератора и двигателя могут питаться от автономных источников, нов приведенной схеме они питаются от общего возбудителя с использованием реостатов R 1 и Изменяя положение движка потенциометра R 1 , можно менять напряжение и ток возбуждения генератора, отчего будет изменяться напряжение, поступающее на якорь двигателя. Кроме регулирования скорости система «Г–Д» позволяет производить все управление двигателем вцепи возбуждения генератора (рис. 5.9). Рис. 5.9. Диаграмма пуска и торможения двигателя в системе «Г–Д» Для пуска потенциометр R 1 устанавливается в положение, соответствующее необходимому напряжению, после чего включается напряжение переключателем. При этом за счет индуктивности обмотки возбуждения генератора его ток возбуждения и магнитный поток нарастают плавно, что обуславливает плавное нарастание напряжения генератора. Это позволяет снизить пусковые токи двигателя без использования добавочных сопротивлений в главной цепи. При отключении возбуждения генератора переключателем П поток возбуждения и напряжение генератора станут уменьшаться. Скорость и ЭДС двигателя в первый момент не меняются, поэтому ЭДС двигателя станет больше, чем напряжение генератора. Двигатель переходит в режим рекуперативного торможения, а генератор преобразует полученную электрическую энергию в механическую и через гонный двигатель может отдать ее в сеть переменного тока. Для реверсирования двигателя переключатель П переключают в обратную сторону и меняют полярность напряжения на обмотке возбуждения генератора. Двигатель сначала остановится в режиме рекуперативного торможения, а затем разгонится в обратном направлении. Диапазон регулирования в системе «Г–Д» – около 10, регулирование плавное. Диапазон ограничен в нижнем пределе влиянием остаточного намагничивания генератора. Для получения двух- зонного регулирования частоты вращения схему дополняют регулированием потока возбуждения двигателя. Недостатками системы «Г–Д» являются низкий КПД, высокая стоимость установки, большие габариты и строительные расходы, усложнение эксплуатации за счет увеличения числа коллекторных машин. Применение тиристорных преобразователей напряжения система «ТП–Д») В качестве управляемых преобразователейнапряжения для питания двигателей постоянного тока в настоящее время находят применение управляемые полупроводниковые выпрямители, элементной базой которых в основном являются тиристоры, представляющие собой полупроводниковые четырехслойные переключающие приборы. Структурная схема, условное обозначение и вольтамперная характеристика тиристора приведены на рис. 5.10. Рис. 5.10. Структура и условное обозначение тиристора (а его вольтамперная характеристика (б) Если положительный вывод внешнего источника напряжения подсоединить к аноду, а отрицательный – к катоду, то до уровня напряжения U пр тири- стор остается закрытым, а при U > пр он открывается и проводит ток. Однако это весьма высокий уровень напряжения ив нормальных условиях он не достигается. Для открытия тиристора используется подача на управляющий электрод положительного относительно катода импульса напряжения достаточной амплитуды и длительности. Чем выше значение тока управления, тем меньше напряжение отпирания тиристора. Ток управления, при котором тиристор откроется при анодном напряжении около 1 В, равен примерно 30–100 мА. Причем после открытия тиристор остается в этом состоянии вне зависимости оттого, есть ли ток управления или нет. Таким образом, величина тока управления и длительность его протекания определяет только момент открытия тиристора. Для того чтобы тиристор запереть, необходимо снизить анодный ток до очень малого значения (примерно 4 мА) или сменить полярность приложенного напряжения на противоположную. При этом, если обратное напряжение превысит уровень пробоя −U обр , то тиристор выйдет из строя. Рассмотрим, каким образом тиристор может использоваться для регулирования выпрямленного напряжения. Пусть тиристор включен последовательно с нагрузкой в цепь, питаемую переменным током (рис. 5.11). Рис. 5.11. Схема включения тиристора и диаграмма напряжений и токов На его управляющий электрод подают импульсы с системы импульсно- фазового управления (СИФУ), причем момент подачи этих импульсов относительно начала положительной полуволны питающего напряжения (точка естественной коммутации) можно изменять. Если импульсы подаются точно в момент начала положительной полуволны, то тиристор открывается сразу же и остается открытым весь полупериод. Если же СИФУ подает импульсы с запаздыванием, тес углом открытия α> 0, то тиристор открывается только в момент поступления импульса. От этого среднее значение тока за полупериод будет тем меньше, чем больше. Для управления двигателями или другими потребителями постоянного тока используются многофазные схемы выпрямления, позволяющие уменьшить пульсации тока. Наибольшее распространение получили мостовые схемы. В общем случае для получения требуемого напряжения выпрямитель питается через трансформатор (рис. 5.12). На управляющие электроды тиристоров подаются импульсы от систем СИФУ 1 и СИФУ 2. Поскольку в проведении тока каждый раз должны участвовать два тиристора, импульсы подаются одновременно на 2 тиристора с соответствующими углами открытия, определяющими конечное значение выпрямленного напряжения. Например, сначала работает Т с Та затем Т с Т. После этого Т работает в паре с Т и т. д. Порядок работы тиристоров определяется соотношением линейных напряжений работает та пара, на которой наибольшее напряжение. Обеспечивая подачу импульсов с заданным углом открытия, можно регулировать напряжение на нагрузке. Особенностью силовых преобразователей является то, что при очень малых нагрузках появляются прерывистые токи, что приводит к появлению пульсаций момента и скорости. Среднее выпрямленное напряжение определяется соотношением U d = U d0 cos α −I d ( 𝑥 т 𝑚 2π +R т +R L ), где U d0 − среднее значение выпрямленного напряжения при холостом ходе выпрямителя и полностью открытых тиристорах U d0 = 𝑚 π √2 U sin π 𝑚 , где U − действующее значение переменного фазного напряжения m − число фаз выпрямителя т, т − приведенные к вторичной обмотке индуктивное и активное сопротивления активное сопротивление сглаживающего реактора L. Рис. 5.12. Схема тиристорного выпрямителя Исходя из этого, уравнения получим для электромеханической характеристики α 𝐾 е Φ − 𝐼 а 𝑅 э 𝐾 е Φ , а для механической n = 𝑈 𝑑0 cos е 𝑅 э 𝐾 е 𝐾 м э = ( 𝑥 т 𝑚 2π +R т +R L +R а ). Для построения реверсивных приводов используют два комплекта выпрямителей. В реверсивных схемах можно получить генераторное торможение. Для этого у обратного комплекта создается большой угол α, и его выпрямленное напряжение будет меньше, чем ЭДС двигателя. Тогда ток идет под действием ЭДС и создает тормозной момент. Энергия отдается в сеть переменного тока. Такой обратный режим называется инверторным (преобразование постоянного тока в переменный. Тиристорные выпрямители не требуют строительных расходов, обладают высоким КПД, ноу них хуже cosφ, появляются высшие гармоники тока за счет его несинусоидальности, стоимость систем довольно высока, они плохо переносят перегрузки потоку. Следует отметить, что в системе «ТП–Д» характеристики имеют меньшую жесткость, чем в системе «Г–Д», за счет большего сопротивления цепи якоря. Рис. 5.13. Механические характеристики тиристорного электропривода При конечных значениях индуктивности сглаживающего реактора и малых нагрузках наступает режим прерывистых токов (то есть в выходном токе присутствуют бестоковые паузы, это приводит к нелинейному искажению механических характеристик в области малых моментов (нелинейно увеличивается частота вращения, рис. 5.13). Чем больше угол отпирания тиристоров, тем шире зона прерывистых токов. Это является одним из основных недостатков системы «ТП–Д». Вместе стем совершенствование полупроводниковых схем выпрямления способствует их широкому использованию. Тиристорные выпрямители находят применение не только для питания цепей якоря, но и для цепей возбуждения машин постоянного тока и синхронных машин. 5.3. Регулирование скорости асинхронных электродвигателей Вопрос о регулировании скорости приводов переменного тока чрезвычайно актуален. Разработка все более современных широко регулируемых электроприводов на базе асинхронного двигателя является в настоящее время одним из важнейших направлений развития регулируемых электроприводов. Параметрами асинхронных двигателей, по которым можно осуществлять регулирование, являются число пар полюсов, частота и амплитуда питающего статор напряжения, сопротивления ротора и статора. 5.3.1. Регулирование скорости переключением числа полюсов Переключение числа полюсов возможно только у специально выпускаемых многоскоростных асинхронных короткозамкнутых двигателей. Наличие короткозамкнутого ротора позволяет сделать конструкцию менее сложной. Двигатели выпускаются на две, три и четыре скорости. Статорная обмотка этих двигателей секционирована, ив каждой фазе секции можно переключать на параллельное и последовательное соединение (рис. 5.14). Рис. 5.14. Способы включения секций обмоток статора При параллельном включении секций число пар полюсов становится меньше, что приводит к изменению скорости поля статора чем число пар полюсов больше, тем меньше скорость n 0 = 60 Изменение частоты вращения поля статора приводит к соответствующему изменению частоты вращения ротора. В зависимости от схемы соединения фаз и секций можно получить разные характеристики (рис. 5.15). Рис. 5.15. Характеристики асинхронного двигателя при переключении числа пар полюсов а − переключение со схемы двойная звезда на схему треугольник б − переключение со схемы двойная звезда на схему «звезда» При схеме двойная звезда скорость вращения ротора высокая характеристика. При переключении на схему звезда скорость вращения снижается в два раза. При этом в два раза снижается и мощность двигателя характеристика рис. 5.15, б Р з Р дз = 𝑈 ф 𝐼 𝑁 𝑈 ф 2 𝐼 𝑁 = 1 2 ; М дз = М з ; n дз = 2n з . При переключении на схему треугольник снижается скорость вращения, но возрастает момент, поэтом регулирование происходит при постоянстве мощности (риса Р тр Р дз = 𝑈 л 𝐼 𝑁 𝑈 ф 2 𝐼 𝑁 = √3 2 =0,87; n дз = 2n тр . Регулирование получается ступенчатое, максимальный диапазон − 1:8. Регулирование сравнительно экономичное, но машина дороже на 25–40 . Способ регулирования используется в тех случаях, когда требуется получать пониженные скорости, например в подъемно-транспортных механизмах и турбомашинах. |