Регулирование угловой скорости асинхронного электродвигателя изменением числа пар полюсов на статоре

СОДЕРЖАНИЕ:

Регулирование угловой скорости асинхронного электродвигателя изменением числа пар полюсов на статоре

Из этого уравнения следует, что скорость вращения можно регулировать путем:
а) изменения скольжения s;
б) изменения числа пар полюсов статорной обмотки р;
в) изменения частоты тока питающей сети f.

Регулирование скорости путем изменения скольжения.

Наиболее простым и распространенным способом регулирования скорости двигателей с контакными кольцами является введение в цепь ротора дополнительного сопротивления. В результате этого изменяется величина скольжения и, следовательно .изменяется и скорость. Величина максимального момента ММакс остается постоянной, а величина соответствующего ему скольжения и наклон характеристики меняются. Таким образом, скорость можно регулировать только вниз от номинальной скорости с диапазоном (2—3) : 1. Плавность регулирования скорости зависит от числа ступеней включаемого сопротивления. Регулировочные сопротивления должны быть рассчитаны на длительную нагрузку током.

Рекламные предложения на основе ваших интересов:

Регулируя скорость таким образом, следует иметь в виду, что при мощности, уменьшающейся пропорционально скорости вращения, работа допускается в течение коротких отрезков времени (не свыше 0,5 ч) с интервалами, превышающими длительность рабочего периода в 3—4 раза. Длительная работа двигателя на пониженной скорости допустима только при соответствующем снижении момента вращения.

Регулирование скорости с помощью добавочного сопротивления в цепи ротора имеет недостатки: при нем неизбежны значительные потери энергии и снижение жесткости механической характеристики. Кроме того, оно приводит к неустойчивой работе электродвигателя на малых оборотах; в этом случае приходится включать большие сопротивления, что увеличивает крутизну характеристик и влечет за собой колебания скорости вращения при небольших изменениях момента сопротивления нагрузки. Вместе с тем данный способ регулирования скорости находит сравнительно широкое применение для электропривода механизмов с повторно-кратковременным режимом работы, как, например, в крановых установках, а также в приводах с вентиляторным моментом.

Искусственные механические характеристики при различных сопротивлениях в цепи ротора были приведены на рис. 25.

Регулирование скорости вращения двигателя изменением числа пар полюсов. Переключая обмотки статора на различные соединения, дающие разное число пар полюсов, можно изменять ступенями скорость вращения двигателя. Такое регулирование скорости экономично и дает механические характеристики, обладающие большой жесткостью, вследствие чего двигатели с изменением числа полюсов — многоскоростные — находят широкое применение в приводных, не требующих плавного регулирования скорости. Переключение числа пар полюсов достигается изменением схемы соединений статорной обмотки. Чтобы не производить переключений в роторной обмотке, двигатели с переключением полюсов выполняются с короткозамкнутым ротором. Промышленность выпускает двух-, трех- и четырехскоростные двигатели с короткозамкнутым ротором.

При выборе многоскоростного двигателя следует обращать внимание на характер изменения номинального момента и номинальной мощности при переходе от одной скорости к другой.

Для четырехскоростных двигателей можно получать следующие синхронные скорости вращения в об/мин: 3000/1500/1000/500; 3000/1500/750/375; 1500/1000/750/500; 1000/750/500/375. Диапазон регулирования скорости достигает (6: 1) — (8: 1). На рис. 29 приведены механические характеристики двухскоростных асинхронных двигателей. При переходе с высшей скорости вращения на низшую двигатель переходит в генераторный режим с отдачей энергии в сеть.

Регулирование скорости изменением частоты питающего тока. Регулирование скорости двигателя путем изменения частоты питающего тока позволяет иметь плавное регулирование в широком диапазоне (10: 1). Механические характеристики двигателя при этом достаточно жесткие и обеспечивают стабильную работу привода. В случае поддержания магнитного потока двигателя неизменным регулирование его скорости производится при постоянном моменте. Для этого необходимо при изменении частоты в том же направлении и в той же кратности изменять и величину напряжения, т. е. обеспечивать постоянство отношения —.

Рассматриваемый способ регулирования скорости может быть применен для одного или нескольких асинхронных двигателей, работающих в одном и том же режиме.

Рис. 29. Механические характеристики двухскоростных асинхронных двигателей трехфазного тока а — при постоянном моменте и различных номинальных мощностях при высшей и низшей скоростях; б — постоянная номинальная мощность, но различные номинальные

Ток различной частоты получается при помощи независимого источника энергии, частота которого может быть регулируемой. К таким источникам относятся преобразователи частоты электромашинные, электронно-ионные и полупроводниковые.

Несмотря на высокие начальные затраты на оборудование и сложную схему, частотный принцип регулирования скорости применяется в некоторых случаях в промышленности, главным образом для одновременного регулирования скорости вращения группы асинхронных двигателей одного производственного механизма. В электроприводах строительных машин этот способ регулирования скорости пока еще не нашел применения.

Регулирование скорости при помощи дросселей насыщения. Основным элементом управления при этом способе регулирования является дроссель насыщения (рис.30). На сердечнике дросселя имеется обмотка постоянного тока, включаемая в цепь управления. Вторая обмотка переменного тока находится в силовой цепи, подающей питание к обмотке статора двигателя. При изменении величины постоянного тока в обмотке управления дросселя изменяется индуктивное сопротивление его основной обмотки переменного тока, включенной в цепь статора. Вследствие этого изменяется напряжение, подводимое к статору двигателя. Мощность, потребляемая в цепи управления постоянного тока, незначительна, порядка одного или нескольких процентов от мощности силовой цепи.

Рис. 30. Схема асинхронного двигателя
а — с дросселями насыщения в цепи статора; б — механические характеристики двигателя без добавочного сопротивления; в — то же, с добавочным сопротивлением в цепи ротора двигателя

Большие преимущества дроссельное регулирование имеет при управлении кранами. Они заключаются в том, что эта система управления обеспечивает: широкий диапазон регулирования скорости, плавность изменения скорости при спуске груза и торможении, достаточную независимость регулирования скорости от нагрузки, контроль за величиной ускорения. Кроме того, она ограничивает величину поднимаемого груза и позволяет управление мощным силовым приводом выполнять путем изменения небольшого по величине тока в цепи намагничивания дросселя. Дроссельное управление целесообразно применять для строительных и других видов кранов с большой высотой подъема в тех случаях, когда наряду с высокой скоростью, необходимой для обеспечения достаточной производительности, требуются малые посадочные скорости, а толчки и раскачивание грузов недопустимы.

Асинхронный электропривод с дросселями насыщения находит также применение для механизмов, работающих в тяжелых условиях (при наличии агрессивной или взрывоопасной среды), поскольку в таком приводе можно создать схемы бесконтактного управления им.

Наиболее благоприятным видом нагрузки для рассматриваемого метода регулирования является вентиляторная нагрузка (центробежные насосы и вентиляторы), так как в этом случае при снижении скорости, а следовательно, и возрастании скольжения уменьшается величина момента, благодаря чему потери в цепи ротора при расширении диапазона регулирования не увеличиваются.

Недостатком дроссельного регулирования является значительное уменьшение максимального вращающего момента двигателя при снижении напряжения в цепи статора, так как у асинхронных двигателей момент пропорционален квадрату напряжения. Кроме того, включение дросселя насыщения, обладающего большой индуктивностью, приводит к снижению коэффициента мощности установки.

Регулирование скорости вращения при помощи электромагнитной муфты скольжения. Этот метод регулирования скорости предусматривает установку между валом приводного двигателя и валом производственного механизма электромагнитной муфты скольжения. Обе части муфты вращаются, причем ведущая часть соединена с приводным двигателем, работающим практически с неизменной скоростью (рис. 31). Ведомая часть муфты соединяется с производственным механизмом, скорость которого должна регулироваться; эта часть муфты не имеет механической связи с ведущей.

При вращении ведущей части муфты магнитное поле индуктора пересекает якорь и наводит в нем токи, взаимодействие которых с магнитным полем индуктора создает вращающий момент. Таким образом, за счет магнитной связи ведущая часть муфты увлекает за собой ведомую. С целью повышения жесткости характеристик и увеличения диапазона регулирования скорости обычно вводят обратные связи по скорости с помощью центро-)ежного регулятора или тахогенератора. Рассматриваемый метод регулирования скорости обеспечивает плавное и в широком диапазоне (примерно 8 : 1) регулирование. Общий к. п. д. привода определяется произведением к. п. д. муфты и к. п. д. приводного двигателя. Потери в самой муфте определяются в основном потерями скольжения, выделяющимися в якоре муфты. Если принять за 100% мощность, потребляемую производственным механизмом, то установленная мощность электропривода с электромагнитной муфтой должна составлять 200%. В последние годы рассматриваемый способ регулирования скорости начинает широко применяться.

Рис. 31. Электромагнитная муфта скольжения
1 — ротор, связанный с валом электродвигателя; 2 — якорь; 3 — зубцы с обмоткой; 4 — контактные кольца; 5 — щетки; 6 — ведомый вал механизма

Получение устойчивых низких скоростей асинхронного привода. В подъемных и других установках иногда необходимо осуществлять достаточно плавную остановку. С этой целью важно перед полной остановкой производить торможение с малой скоростью.

Получение пониженной скорости возможно при совместной работе двух связанных асинхронных двигателей, один из которых работает в двигательном режиме, другой— в режиме противовключения. Электрическая часть и механические характеристики привода приведены на рис. 32.

Более жесткую механическую характеристику при пониженной скорости можно получить в том случае, когда первая машина работает в двигательном режиме, а вторая — в режиме динамического торможения. Режим динамического торможения второй машины осуществляется путем подключения обмоток статора к источнику постоянного тока. Электрическая схема и механическая характеристика приведены на рис. 33.

Работа на пониженной скорости может быть достигнута также и при одном асинхронном двигателе. Применяемая для этого электрическая схема и механические характеристики приведены на рис. 34. Введением полупроводникового выпрямителя ВП достигается совмещение двигательного и тормозного режимов. Результирующая характеристика 2 на рис. 34 обладает значительной жесткостью при малых скоростях.

Рассмотренные способы регулирования для получения низких скоростей обладают малым к.п.д., поэтому не применяются при длительных режимах работы.

Рис. 32. Механические характеристики двух асинхронных двигателей’ при работе одного из них в режиме противовключения

Рис. 33. Механические характеристики двух асинхронных двигателей при работе одного из них в режиме динамического торможения

Рис. 34. Механические характеристики асинхронного двигателя (работа на пониженной скорости)
1 — реостатная; 2 — при совмещении двигательного и тормозного режимов

Существуют также более сложные системы регулирования скорости вращения асинхронных двигателей, например импульсная, каскадная и некоторые другие.

Регулирование скорости ад изменением числа пар полюсов

Этот способ используется для регулирования скорости многоскоростных АД с короткозамкнутым ротором. Возможность получения искусственных характеристик АД данным способом, и следовательно, регулирования его скорости, непосредственно следует из выражения для угловой скорости магнитного поля АД ω =2π∙f1/p.

Изменение числа пар полюсов АД р производится за счет переключений в обмотке статора, при этом число пар полюсов короткозамкнутого ротора изменяется автоматически. Так как количество полюсов АД может быть равным только целому числу — 1, 2, 3 и т. д., то следовательно, данный способ обеспечивает только ступенчатое регулирование скорости. Двигатели, допускающие регулирование скорости этим способом, получили название многоскоростных. Изменение числа полюсов АД достигается, когда на статоре АД располагаются две (или больше) не связанные друг с другом обмотки, имеющие разное число пар полюсов р1 и р2. При подключении к сети одной обмотки, например с p1 парами полюсов, АД имеет синхронную скорость ω01 =2π∙f1/p1.

Вторая обмотка при этом обесточена. Для получения другой скорости отключается первая обмотка и подключается на сеть вторая обмотка с р2 парами полюсов, при этом синхронная скорость АД станет равной

ω02 =2π∙f1/p2 и АД будет иметь уже другую механическую характеристику.

Наряду с такими АД, получившими название многообмоточных, широкое

распространение получил другой тип многоскоростных АД, у которых изменение числа пар полюсов вращающегося магнитного поля достигается за счет изменения схемы соединения статорной обмотки АД. Для этого каждая фаза статора разделена на несколько одинаковых частей (чаще всего на две части) и имеет от них соответствующее число выводов. Рассмотрим принцип получения различного числа пар полюсов при переключении частей обмотки статора на следующем упрощенном примере. На рисунке 2 показана схема одной фазы статорной обмотки, которая состоит из двух одинаковых частей 1н—1к, 2н—2к, имеющих два проводника. Если секции соединены так, как это показано на рисунке 2 и к обмотке статора подведен ток I, имеющий в данный момент времени направление, показанное стрелками, то образуется магнитное

Рисунок 2 — Изменение числа пар полюсов обмотки статора

поле с четырьмя полюсами, т. е. p = 2 (направление магнитных силовых линий определяем с помощью правила буравчика). Оставив направление тока тем же, изменим несколько схему соединения обмотки, подключив конец первой секции 1к к концу второй 2к (рис. 2б). Из рис. 2б следует, что в этом случае статорная обмотка образует магнитное поле с числом пар полюсов, вдвое меньшим по сравнению с полем рис. 2а. Уменьшение вдвое числа пар полюсов достигается и в схеме рис. 1в, где секции соединены параллельно (1н с 2к, 1к с 2н). В том и другом случае (рис. 2 б и в) уменьшение числа пар полюсов, и следовательно, увеличение скорости АД, достигается изменением направления тока на противоположное в одной из секций (в данном случае во второй). При этом диапазон изменения угловой скорости магнитного поля равен двум. Наиболее часто на практике встречаются две схемы переключения статорной обмотки многоскоростных АД: 1) с треугольника (Δ) на двойную звезду (ΥΥ); 2) со звезды (Υ) на двойную звезду (ΥΥ). Рассмотрим схемы соединения статора ‘и механические характеристики АД для этих случаев. Треугольник — двойная звезда. Для получения большего числа пар полюсов р секции каждой фазы статора включены в треугольник согласно, т. е. так, как это показано на рис. 2а, где А1н и A2н — начала

соответственно первой и второй секций фазы A; А1к и A2к — их концы. Обозначения для выводов секций фаз В и С, схемы включения которых

аналогичны схемам фазы A, опущены. Соединение секций по схеме рис.2 б, как отмечалось выше, вызовет уменьшение в 2 раза числа пар полюсов АД. Схема рис. 2б, получила название двойной звезды.

Для получения общего вида механических характеристик определим допустимую мощность АД при включении его статора по схемам рис. 2, а и б. Учитывая, что допустимый ток в секции обмотки статора I1доп = I1ном

остается неизменным при переключении числа пар полюсов, допустимую первичную мощность определим: для схемы треугольник (рис. 2, а)

для схемы двойная звезда (рис. 2, б)

Рисунок 3 — Соединение обмоток статора в треугольник (а), двойную звезду (б) и механические характеристики при схемах треугольник -двойная звезда (Δ-ΥΥ) (в)

Из полученных выражений следует, что при cosφ ≈ cosφ1ΥΥ допустимая мощность АД остается практически неизменной. Поэтому при увеличении вдвое числа пар полюсов АД и уменьшении тем самым вдвое синхронной

скорости допустимый момент на валу АД увеличивается примерно в 2 раза.

Механические характеристики АД для данного способа переключения обмоток показаны на рис. 4в. Они соответствуют регулированию скорости при постоянной мощности. Звезда — двойная звезда. В этой схеме меньшей угловой скорости АД соответствует соединение обмоток статора, показанное на рис. 4а. Секции фаз статора

Рисунок 4 — Соединение обмоток статора в звезду (а) и механические характеристики двигателя при схемах звезда — двойная звезда (б) соединены в этой схеме также последовательно и согласно и образуют при подключении АД к сети систему р1. пар полюсов вращающегося магнитного поля, которой соответствует синхронная скорость ω01. Переключение на двойную звезду осуществляется по схеме на рис. 3б, при этом число пар полюсов станет p2 = p1/2.

Получаемые механические характеристики такого двухскоростного АД изображены на рис. 4б,. В отличие от рассмотренной выше схемы переключения треугольник — двойная звезда, в которой регулирование скорости АД осуществляется при постоянной мощности нагрузки на его валу, в этой схеме изменение скорости может осуществляться при постоянном моменте нагрузки Мс. Это следует из рассмотрения выражений допустимой мощности АД, которая для схемы двойная звезда (рис. 5, б) определяется формулой , а для схемы звезда согласно рис. 4а —

Из формул видно, что допустимая мощность при переключении статорной

обмотки на меньшее число пар полюсов (когда скорость АД увеличивается в 2 раза) возрастает также в 2 раза. Тем самым допустимые моменты при работе АД в обеих схемах включения примерно одинаковы и характеристики имеют показанный на рис. 4б вид. Помимо рассмотренных двухскоростных АД применяются также трех- и четырехскоростные АД. Первые из них помимо переключаемой обмотки статора, выполняемой аналогично рассмотренной выше, имеют также и одну непереключаемую обмотку. Четырехскоростные АД с различным числом пар полюсов р1, р2, p3, p4 позволяют получить четыре различные механические характеристики.

Рассматриваемый способ регулирования скорости характеризуется рядом

положительных показателей, что определяет широкое его применение в

регулируемом электроприводе переменного тока. К ним в первую очередь следует отнести экономичность регулирования, так как регулирование скорости изменением числа пар полюсов не сопровождается выделением в роторной цепи больших потерь энергии скольжения, вызывающих излишний нагрев АД и ухудшающих его КПД.

Из рис. 3в и 4б видно, что механические характеристики многоскоростных

асинхронных электродвигателей отличаются хорошей жесткостью и достаточной перегрузочной способностью.

Рисунок 5 — Схема управления двухскоростным АД

Недостатком этого способа является ступенчатость изменения скорости двигателяи относительно небольшой диапазон ее регулирования, не превышающий обычно 6-8. На рис. 5 показана практическая схема управления двухскоростным АД с короткозамкнутым ротором. Схема обеспечивает две скорости АД путем соединения обмотки статора в треугольник или двойную звезду, а также его реверсирование. Она состоит из контакторов большой КМ1 и малой КМ2 скорости, линейных контакторов направления вращения АД «Вперед» КМ3 и «Назад» КМ4, блокировочного реле KV и кнопок управления SB3, SB1, SB2, SB4, SB5. Защита электропривода осуществляется тепловыми реле KK1 и КК2 и предохранителями FA. Для пуска АД, например, на низкую скорость нажимается кнопка SB4, после чего срабатывает контактор КМ2 и реле KV. Статор АД оказывается включенным по схеме треугольник, а реле KV, замкнув свои контакты в цепях аппаратов КМЗ и КМ4, подготавливают двигатель к подключению к сети. Далее нажатие кнопки SB1 или SB2 приводит к включению АД соответственно в направлении «Вперед» или

«Назад». После разбега АД до низкой скорости может быть осуществлен его разгон до высокой скорости. Для этого должна быть нажата кнопка SB5, что приведет к отключению контактора КМ2 и включению контактора KM1 и пересоединению в результате этого обмотки статора со схемы треугольник на схему двойная звезда. Остановка АД производится нажатием кнопки SB3, после чего он отключается от сети и схема возвращается в исходное положение. Применение двухцепных кнопок в схеме позволяет осуществить блокировку от одновременного срабатывания контакторов КМ1 и КМ2, КМЗ и КМ4. Этой же цели служат включенные в цепи катушек этих контакторов размыкающие блокировочные контакты КМ1, КМ2, КМЗ, КМ4.

Изменение числа оборотов электродвигателя. Регулирование скорости (частоты вращения) асинхронного двигателя

Качественный обмен воздуха в помещении в значительной мере влияет на комфорт жизни в квартире. Чистый воздух, сухие стены, мягкий микроклимат в доме напрямую зависит от наличия системы вентиляции. При этом к самой популярной на сегодняшний день системе обмена воздушных потоков в помещении относится принудительная вентиляция, работающая по приточно-вытяжному принципу.

Большинство современных вентиляторов для вытяжных систем снабжаются электродвигателем с регулируемой скоростью вращения. При этом для изменения оборотов вентилятора используют специальные регуляторы, в том числе и частотные системы изменения скорости вращения асинхронного двигателя , который используется как в вытяжных устройствах, так и в различных бытовых приборах в квартире.

Ещё не так давно устройства регулировки скорости вращения асинхронного электродвигателя состояли из простейших ручных выключателей и магнитного реле, благодаря которым можно было только запустить мотор на максимальных оборотах или выполнить полное его отключение.

Любой регулятор оборотов двигателя, в том числе и частотный, предназначен для изменения скорости вращения мотора. При этом основной функцией регулятора скорости является изменение производительности вытяжной системы или другого оборудования. Но помимо этого такие приборы обладают и дополнительными возможностями, о которых не стоит забывать:

  • уменьшение износа оборудования в процессе эксплуатации;
  • экономия потребляемой электрической энергии;
  • снижение шумов на максимальных оборотах.

Большинство приборов, регулирующих скорость вращения электродвигателя, могут быть использованы как отдельный элемент системы, так и являться дополнением электронного блока управления, бытовым прибором, приводящимся в действие мотором.

Варианты регулировки скорости электродвигателя

Для изменения скорости вращения как асинхронного, так и любого другого двигателя, используется несколько вариантов регулировки оборотов:

  • регулировка подачи напряжения;
  • переключение обмоток асинхронных многоскоростных двигателей;
  • частотная регулировка показателей тока;
  • использование электронного коммутатора.

Изменение напряжения даёт возможность использовать достаточно дешёвые устройства для плавной или многоступенчатой регулировки скорости. Если говорить об асинхронных моторах, которые имеют внешний ротор, то для них лучше использовать регулятор сопротивления якоря для изменения оборотов. При этом частотная регулировка позволяет изменять скоростные показатели в достаточно широком диапазоне.

Разновидности моделей, регуляторов оборотов

Устройства регулировки скорости для однофазных, трёхфазных и асинхронных двигателей различаются по принципиальному изменению оборотов вращения:

  • регуляторы, собранные на тиристорах;
  • симисторные стемы изменения скорости;
  • частотные регуляторы;
  • регуляторы на основе трансформаторов.

Тиристорные регуляторы скорости используются для однофазных двигателей и позволяют помимо изменения оборотов вращения защищать оборудование от перегрева и перепадов напряжения.

Симисторные устройства могут управлять сразу несколькими электромоторами, работающими как на постоянном, так и переменном токе, но при условии, что параметры мощности не будут превышать предельных значений. Такой способ изменения оборотов один из самых популярных, если необходимо регулировать скорость благодаря изменению показателей напряжения от минимального до номинального значения.

Трёхфазный регулятор, более точный, и снабжается предохранителем, контролирующим, уровень тока. А чтобы снизить шумовые эффекты на низких оборотах устанавливается сглаживающий фильтр, состоящий из конденсатора.

Частотный регулятор скорости для асинхронного двигателя используется при преобразовании входного напряжения в диапазоне от 0 до 480 вольт, а непосредственный контроль оборотов осуществляется благодаря изменению подаваемой электрической энергии. Чаще всего такие регуляторы используются в трёхфазных двигателях, систем кондиционирования и вентиляции достаточно большой мощности.

Также для мощных электромоторов используют регулятор на основе однофазного или трёхфазного трансформатора. Благодаря такому устройству появляется возможность ступенчатой регулировки скорости двигателей. При этом одним трансформатором можно управлять сразу несколькими устройствами в автоматическом режиме.

Частотные регуляторы асинхронных моторов

Ещё нет так давно встретить частотный регулятор скорости для асинхронного двигателя было практически невозможно, а стоимость таких устройств была неоправданно высокой. При этом основной причиной дороговизны таких устройств было отсутствие качественных транзисторов и модулей высокого напряжения. Но благодаря разработкам в сфере твердотельных электронных устройств этот вопрос был решён. Вследствие этого рынок электроники заполонили сварочные инверторы , инверторные кондиционеры и частотные преобразователи.

На сегодняшний день, частотные регуляторы – самый распространённый метод регулировки, мощностных характеристик оборотов и уровня производительности большинства механизмов, которые приводятся в действие асинхронным трёхфазным электродвигателем.

При таком методе изменения скоростных показателей в электродвигателе, к нему подключается специальный частотный регулятор. В большинстве случаев это тиристорные преобразователи частоты. При этом сама регулировка оборотов осуществляется посредством изменения частотных показателей напряжения, которые непосредственно влияют на скорость вращения асинхронного электромотора.

Хочется отметить, что во время снижения частотных показателей падает, и перегрузочная способность электродвигателя и поэтому для компенсации мощностных потерь нужно увеличивать напряжение. При этом величина напряжения зависит от конструктивных особенностей привода. Если регулировка выполняется на моторе, работающем с постоянным уровнем нагрузки на валу , то величина напряжения увеличивается пропорционально падению частоты. Но при увеличении оборотов это недопустимо и может привести к выходу из строя двигателя.

В случае, когда частотная регулировка выполняется на электродвигателе постоянной мощности, то увеличение напряжения производится пропорционально корню квадратному падения частоты. При изменении оборотов в вентиляционных установках подаваемое напряжение изменяется пропорционально квадрату снижения частоты.

Частотные регуляторы скорости для асинхронных электродвигателей – единственно правильный способ изменения оборотов мотора. В первую очередь это обусловлено возможностью изменения скорости в максимально широком диапазоне практически без потери мощности и уменьшения перегрузочных характеристик мотора.

Особенности использования регуляторов скорости

В качестве элемента системы, автоматического изменения скорости вращения, вентиляционных устройств частотный регулятор обеспечивает контроль функционирования всего вытяжного механизма. При этом в процессе использования устройства для регулировки оборотов любых, в том числе и асинхронных двигателей, появляются дополнительные шумы, которые можно устранить, только используя трансформаторный регулятор.

Также кроме шума во время работы электродвигателя на разных скоростях могут появиться электромагнитные помехи, устранить которые можно за счёт экранированного кабеля. При использовании трёхфазного регулятора с шумом проблем не возникает, но обязательна дополнительная установка сглаживающих фильтров. Но вне зависимости от модели используемого регулятора существуют рекомендации по их эксплуатации .

  1. Прежде чем включать устройство в сеть переменного тока важно проверить все соединительные элементы и провода на качество заземления.
  2. Чтобы устранить различные помехи в сети важно устанавливать специальный фильтр.
  3. Для недопущения перегрева регулятора оборотов мотора, его размещают в месте, куда не попадает солнце. В противном случае из-за повышения температуры устройство будет работать на предельной нагрузке и может перестать реагировать на показатели датчиков.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Реферат по общей электротехнике

«Регулирование скорости (частоты вращения)

Выполнил: ст. группы ТОА-328

Проверил: доц. Николаева С.И.

1. Способы регулирования асинхронного двигателя…………………………………3

2. Частотное регулирование асинхронных электроприводов………………………..6

3. Регулирование скорости, тока и момента с помощью резисторов в цепях ротора и статора…………………………………………………………………………………8

4. Регулирование скорости АД изменением числа пар полюсов…………………. 12
1. Способы регулирования 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.1). Скорость двигателя определяется двумя параметрами: скоростью вращения электромагнитного поля статора ω 0 и скольжением s:

Рис.1. Классификация способов регулирования асинхронных двигателей

Исходя из (1) принципиально возможны два способа регулирования скорости: регулирование скорости вращения поля статора и регулирование скольжения при постоянной величине ω 0 .

Скорость вращения поля статора определяется двумя параметрами (см.3.3): частотой напряжения, подводимого к обмоткам статора f 1 , 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.

Подробно принципы и схемы частотного регулирования скорости асинхронного двигателя рассмотрены ниже.

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.

2. Частотное регулирование асинхронных электроприводов

Принципиальная возможность регулирования угловой скорости асинхронного двигателя изменением частоты питающего напряжения вытекает из формулы ω = 2πf 1 (1 — s)/p. При регулировании частоты также возникает необходимость регулирования амплитуды напряжения источника, что следует из выражения U 1 ≈ Е 1 = kФf 1 . Если при неизменном напряжении изменять частоту, то поток будет изменяться обратно пропорционально частоте. Так, при уменьшении частоты поток возрастет, и это приведет к насыщению стали машины и как следствие к резкому увеличению тока и превышению температуры двигателя; при увеличении частоты поток будет уменьшаться и как следствие будет уменьшаться допустимый момент.

Для наилучшего использования асинхронного двигателя при регулировании угловой скорости изменением частоты необходимо регулировать напряжение одновременно в функции частоты и нагрузки, что реализуемо только в замкнутых системах электропривода. В разомкнутых системах напряжение регулируется лишь в функции частоты по некоторому закону, зависящему от вида нагрузки.

Частотное регулирование угловой скорости электроприводов переменного тока с двигателями с короткозамкнутым ротором находит все большее применение в различных отраслях техники. Например, в установках текстильной промышленности, где с помощью одного преобразователя частоты, питающего группу асинхронных двигателей, находящихся в одинаковых условиях, плавно и одновременно регулируются их угловые скорости. Примером другой установки с частотно-регулируемыми асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором могут служить транспортные рольганги в металлургической промышленности, некоторые конвейеры и др.

Частотное регулирование угловой скорости асинхронных двигателей широко применяется в индивидуальных установках, когда требуется получение весьма высоких угловых скоростей (для привода электрошпинделей в металлорежущих станках с частотой вращения до 20 000 об/мин).

Экономические выгоды частотного регулирования особенно существенны для приводов, работающих в повторно-кратковременном режиме, где имеет место частое изменение направления вращения с интенсивным торможением.

Для осуществления частотного регулирования угловой скорости находят применение преобразователи, на выходе которых по требуемому соотношению или независимо меняется как частота, так и амплитуда напряжения. Преобразователи частоты можно разделить на электромашинные и вентильные. В свою очередь электромашинные преобразователи могут быть выполнены с промежуточным звеном постоянного тока и непосредственной связью. В последних используют коллекторную машину переменного тока, на вход которой подают переменное напряжение с постоянной частотой и амплитудой, а на выходе ее получают напряжение с регулируемой частотой и амплитудой. Электромашинные преобразователи с непосредственной связью практического применения не получили.

3. Регулирование скорости, тока и момента с помощью резисторов в цепях ротора и статора

Один из распространенных способов регулирования скорости, тока и момента АД с фазным ротором связан с введением и изменением дополнительных резисторов в цепи его ротора. Схема, в которой реализуется этот способ регулирования, приведена на рис. 4.7, а. Основным достоинством этого способа является простота реализации, что определило его широкое применение в ряде электроприводов.

Для построения семейства получаемых при этом способе искусственных механических характеристик проведем анализ их характерных точек. С помощью выражения для скорости идеального холостого хода ω0 = ρf1/p отмечаем следующее:

1) скорость идеального холостого хода АД ω 0 при регулировании R д2 не изменяется;

2) максимальный (критический) момент двигателя Мк также остается неизменным;

3) критическое скольжение Sк увеличивается при увеличении R 2д.

Использование этих характеристик для регулирования скорости АД характеризуется такими же показателями, что и для ДПТ независимого возбуждения. Диапазон регулирования скорости небольшой — около 2 — 3, что определяется снижением жесткости характеристик и ростом потерь по мере увеличения диапазона регулирования скорости.

Плавность регулирования при реостатном регулировании небольшая и определяется плавностью изменения дополнительного резистора R2д. Скорость АД изменяется только вниз от основной.

Экономичность способа определяется стоимостью используемых средств регулирования и расходами при эксплуатации электропривода. Затраты, связанные с созданием данной системы электропривода, невелики, так как для регулирования обычно используются простые и дешевые ящики металлических резисторов. В то же время при эксплуатации этой системы затраты велики, поскольку значительны потери энергии.

Каждый электрик должен знать:  Виды изоляции кабелей и проводов

Электрические потери в роторной цепи ΔР2, называемые потерями скольжения. Чем больше скольжение s, тем больше потери в роторной цепи, поэтому реализация большого диапазона регулирования скорости приводит к значительным потерям энергии и снижению КПД электропривода.

Регулирование скорости этим способом применяется в тех случаях, когда требуется небольшой диапазон регулирования скорости и работа на пониженных скоростях непродолжительна. Например, этот способ нашел широкое применение в электроприводе ряда подъемно-транспортных машин и механизмов.

Рассматриваемый способ также используется для регулирования тока и момента АД при его пуске.

Если обратиться к характеристикам двигателя, то можно отметить, что за счет подбора сопротивления резистора пусковой момент АД может быть увеличен вплоть до значения критического момента Мк. Это свойство АД используется при его пуске с моментом нагрузки, превышающим пусковой момент АД Мп на естественной характеристике.

Пусковой ток АД уменьшается по мере увеличения R 2д, что позволяет с помощью введения добавочных резисторов осуществлять его ограничение.

Задача по расчету дополнительных резисторов в цепи ротора обычно формулируется следующим образом. Задана искусственная механическая характеристика АД (полностью или частично) или отдельная точка этой характеристики с координатами ω и, М и. Найти сопротивление дополнительного резистора R 2д, при включении которого в цепь ротора АД будет иметь заданную искусственную характеристику или же она будет проходить через заданную точку. При этом предполагается, что естественная механическая характеристика АД известна (рассчитана или снята экспериментально). Отметим, что требуемая искусственная характеристика может быть задана по условиям пуска или регулирования скорости.

Расчет сопротивления добавочного резистора R 2д может быть выполнен несколькими способами в зависимости от формы задания требуемой искусственной механической характеристики.

1. Искусственная характеристика задана полностью и известен участок критического момента. В этом случае расчет целесообразно вести по формуле, с помощью которой находится отношение критических скольжений АД на естественной и искусственной характеристиках,

2. Если искусственная характеристика задана своей рабочей частью и участок критического момента не определен, то удобно использовать метод отрезков, Чаще всего этот способ применяется для АД с короткозамкнутым ротором, у которых нельзя использовать цепь ротора для включения каких-либо регулирующих устройств. Так же используется включение резистора в одну фазу, что позволяет получить примерно такие же характеристики двигателя при уменьшении количества регулирующих элементов.

Искусственные характеристики построены исходя из анализа характерных точек механической характеристики, а именно:

1. Скорость идеального холостого хода ω 0 не зависит от сопротивления фазы статора R 1 , поэтому все искусственные характеристики проходят через одну и ту же точку на оси ординат.

2. Критические момент и скольжение АД уменьшаются по мере увеличения R 1д.

3. Пусковой момент АД М п, также уменьшается при увеличении R 1д.

Искусственные характеристики мало пригодны для регулирования скорости АД: они обеспечивают небольшой диапазон изменения скорости; жесткость характеристик АД и его перегрузочная способность, характеризуемая критическим моментом, по мере увеличения R 1д снижаются; способ отличает и низкая экономичность.

В силу этих недостатков регулирование скорости АД с помощью активных резисторов в цепи его статора применяется редко. Этот способ обычно используется для ограничения токов и моментов АД с короткозамкнутым ротором в различных переходных процессах — при пуске, реверсе и торможении. Например, такая схема применяется в электроприводе лифтов, имеющем двухскоростной АД. В таких электроприводах при переходе с высокой скорости на пониженную в цепь низкоскоростной обмотки статора вводится добавочный резистор, который обеспечивает ограничение тока и момента АД.

4. Регулирование скорости ад изменением числа пар полюсов

Этот способ используется для регулирования скорости многоскоростных АД с короткозамкнутым ротором. Возможность получения искусственных характеристик АД данным способом, и следовательно, регулирования его скорости, непосредственно следует из выражения для угловой скорости магнитного поля АД ω 0 = 2 πf 1 /p.

Изменение числа пар полюсов АД р производится за счет переключений в обмотке статора, при этом число пар полюсов короткозамкнутого ротора изменяется автоматически. Так как количество полюсов АД может быть равным только целому числу — 1, 2, 3 и т. д., то следовательно, данный способ обеспечивает только ступенчатое регулирование скорости. Двигатели, допускающие регулирование скорости этим способом, получили название многоскоростных.

Изменение числа полюсов АД достигается, когда на статоре АД располагаются две (или больше) не связанные друг с другом обмотки, имеющие разное число пар полюсов р 1 и р 2 . При подключении к сети одной обмотки, например с p 1 парами полюсов, АД имеет синхронную скорость

Вторая обмотка при этом обесточена. Для получения другой скорости отключается первая обмотка и подключается на сеть вторая обмотка с р2 парами полюсов, при этом синхронная скорость АД станет равной

и АД будет иметь уже другую механическую характеристику.

Наряду с такими АД, получившими название многообмоточных, широкое распространение получил другой тип многоскоростных АД, у которых изменение числа пар полюсов вращающегося магнитного поля достигается за счет изменения схемы соединения статорной обмотки АД. Для этого каждая фаза статора разделена на несколько одинаковых частей (чаще всего на две части) и имеет от них соответствующее число выводов.

Рассмотрим принцип получения различного числа пар полюсов при переключении частей обмотки статора на следующем упрощенном примере.

На рис. 1 показана схема одной фазы статорной обмотки, которая состоит из двух одинаковых частей 1н-1к, 2н-2к, имеющих два проводника. Если секции соединены так, как это показано на рис. 4.9, а, и к обмотке статора подведен ток I, имеющий в данный момент времени направление, показанное стрелками, то образуется магнитное

Рис. 1. Изменение числа пар полюсов обмотки статора

поле с четырьмя полюсами, т. е. p = 2 (направление магнитных силовых линий определяем с помощью правила буравчика). Оставив направление тока тем же, изменим несколько схему соединения обмотки, подключив конец первой секции 1к к концу второй 2к (рис. 1б). Из рис. 1б следует, что в этом случае статорная обмотка образует магнитное поле с числом пар полюсов, вдвое меньшим по сравнению с полем рис. 1а. Уменьшение вдвое числа пар полюсов достигается и в схеме рис. 1в, где секции соединены параллельно (1н с 2к, 1к с 2н). В том и другом случае (рис. 1 б и в) уменьшение числа пар полюсов, и следовательно, увеличение скорости АД, достигается изменением направления тока на противоположное в одной из секций (в данном случае во второй). При этом диапазон изменения угловой скорости магнитного поля равен двум.

Наиболее часто на практике встречаются две схемы переключения статорной обмотки многоскоростных АД: 1) с треугольника (Д) на двойную звезду (УУ); 2) со звезды (У) на двойную звезду (УУ)..

Рассмотрим схемы соединения статора «и механические характеристики АД для этих случаев.

Треугольник — двойная звезда. Для получения большего числа пар полюсов р^ секции каждой фазы статора включены в треугольник согласно, т. е. так, как это показано на рис. 2а, где А 1н и A 2н — начала соответственно первой и второй секций фазы A; А 1к и A 2к — их концы. Обозначения для выводов секций фаз В и С, схемы включения которых аналогичны схемам фазы A, опущены. Соединение секций по схеме рис.2 б, как отмечалось выше, вызовет уменьшение в 2 раза числа пар полюсов АД. Схема рис. 2б, получила название двойной звезды.

Для получения общего вида механических характеристик определим допустимую мощность АД при включении его статора по схемам рис. 2, а и б. Учитывая, что допустимый ток в секции обмотки статора I 1доп = I 1ном остается неизменным при переключении числа пар полюсов, допустимую первичную мощность определим:

для схемы треугольник (рис. 2, а)

для схемы двойная звезда (рис. 2, б)

Соединение обмоток статора в треугольник (а), двойную звезду (б) и механические характеристики при схемах треугольник — двойная звезда (Д-УУ) (в)

Из полученных выражений следует, что при cos φ1д ≈ cos φ1уу допустимая мощность АД остается практически неизменной. Поэтому при увеличении вдвое числа пар полюсов АД и уменьшении тем самым вдвое синхронной скорости допустимый момент на валу АД увеличивается примерно в 2 раза. Механические характеристики АД для данного способа переключения обмоток показаны на рис. 2в. Они соответствуют регулированию скорости при постоянной мощности.

Звезда — двойная звезда. В этой схеме меньшей угловой скорости АД соответствует соединение обмоток статора, показанное на рис. 3а. Секции фаз статора

Соединение обмоток статора в звезду (а) и механические характеристики двигателя при схемах звезда — двойная звезда (б) соединены в этой схеме также последовательно и согласно и образуют при подключении АД к сети систему р1. пар полюсов вращающегося магнитного поля, которой соответствует синхронная скорость ω 01 . Переключение на двойную звезду осуществляется по схеме на рис. 2б, при этом число пар полюсов станет p 2 = p 1 /2. Получаемые механические характеристики такого двухскоростного АД изображены на рис. 3б,. В отличие от рассмотренной выше схемы переключения треугольник — двойная звезда, в которой регулирование скорости АД осуществляется при постоянной мощности нагрузки на его валу, в этой схеме изменение скорости может осуществляться при постоянном моменте нагрузки М с. Это следует из рассмотрения выражений допустимой мощности АД, которая для схемы двойная звезда (рис. 4.10, б) определяется формулой (2), а для схемы звезда согласно рис. 3а — формулой

Из (2) и (3) видно, что допустимая мощность при переключении статорной обмотки на меньшее число пар полюсов (когда скорость АД увеличивается в 2 раза) возрастает также в 2 раза. Тем самым допустимые моменты при работе АД в обеих схемах включения примерно одинаковы и характеристики имеют показанный на рис. 3б вид.

Помимо рассмотренных двухскоростных АД применяются также трех- и четырехскоростные АД. Первые из них помимо переключаемой обмотки статора, выполняемой аналогично рассмотренной выше, имеют также и одну непереключаемую обмотку. Четырехскоростные АД с различным числом пар полюсов р 1 , р 2 , p 3 , p 4 позволяют получить четыре различные механические характеристики.

Рассматриваемый способ регулирования скорости характеризуется рядом положительных показателей, что определяет широкое его применение в регулируемом электроприводе переменного тока. К ним в первую очередь следует отнести экономичность регулирования, так как регулирование скорости изменением числа пар полюсов не сопровождается выделением в роторной цепи больших потерь энергии скольжения, вызывающих излишний нагрев АД и ухудшающих его КПД.

Из рис. 2в и 3б видно, что механические характеристики многоскоростных асинхронных электродвигателей отличаются хорошей жесткостью и достаточной перегрузочной способностью.

Рис. 4. Схема управления двухскоростным АД

Недостатком этого способа является ступенчатость изменения скорости двигателя и относительно небольшой диапазон ее регулирования, не превышающий обычно 6-8.

На рис. 4 показана практическая схема управления двухскоростным АД с короткозамкнутым ротором. Схема обеспечивает две скорости АД путем соединения обмотки статора в треугольник или двойную звезду, а также его реверсирование. Она состоит из контакторов большой КМ1 и малой КМ2 скорости, линейных контакторов направления вращения АД «Вперед» КМ3 и «Назад» КМ4, блокировочного реле KV и кнопок управления SB3, SB1, SB2, SB4, SB5. Защита электропривода осуществляется тепловыми реле KK1 и КК2 и предохранителями FA.

Для пуска АД, например, на низкую скорость нажимается кнопка SB4, после чего срабатывает контактор КМ2 и реле KV. Статор АД оказывается включенным по схеме треугольник, а реле KV, замкнув свои контакты в цепях аппаратов КМЗ и КМ4, подготавливают двигатель к подключению к сети. Далее нажатие кнопки SB1 или SB2 приводит к включению АД соответственно в направлении «Вперед» или «Назад».

После разбега АД до низкой скорости может быть осуществлен его разгон до высокой скорости. Для этого должна быть нажата кнопка SB5, что приведет к отключению контактора КМ2 и включению контактора KM1 и пересоединению в результате этого обмотки статора со схемы треугольник на схему двойная звезда.

Остановка АД производится нажатием кнопки SB3, после чего он отключается от сети и схема возвращается в исходное положение.

Применение двухцепных кнопок в схеме позволяет осуществить блокировку от одновременного срабатывания контакторов КМ1 и КМ2, КМЗ и КМ4. Этой же цели служат включенные в цепи катушек этих контакторов размыкающие блокировочные контакты КМ1, КМ2, КМЗ, КМ4.

Были использованы материалы сайта www.edulib.ru

Регулируемый асинхронный привод широко распространен и популярен так, что фактически заменил собой синхронные электродвигатели и привод постоянного тока.

Варианты регулировки скорости электродвигателя включают несколько существующих способов:

  1. Изменение подачи напряжения;
  2. Переключение обмоток асинхронных двигателей;
  3. Частотная регулировка скорости электродвигателя с помощью изменения токовых величин;
  4. Применение электронного коммутатора.

Во многом это произошло благодаря появлению частотных преобразователей, обеспечивающих энергетические и динамические показатели. Использование частотного считается самым прогрессивным и востребованным методом, входящим в способы регулировки оборотов вращения асинхронных двигателей.

Основное предназначение, которое выполняет частотный регулятор скорости для асинхронного двигателя основывается на осуществлении питания таким образом, чтобы рабочие характеристики агрегата радикально отличались от обычных параметров, получаемых из сети. При этом напряжение в сети и частота должны остаться неизменными.

Устройство и принцип работы, структура частотного регулятора

Частотный регулятор скорости для асинхронного двигателя будет необычайно актуальным в схемах управления такими приборами, как кондиционеры воздуха, холодильные камеры, электрические вентиляторы, насосы, все оборудование с использованием асинхронных электродвигателей.

Особенности использования регуляторов скорости для однофазных электродвигателей

В конструкцию частотного регулятора входит несколько элементов, обеспечивающих эффективность работы устройства, к ним относятся:

  1. Встроенный конвертер интерфейсов RS485 (работает опционно);
  2. Встроенный ПЛК контроллер;
  3. Встроенный ПИД-регулятор (формирует сигнал для управления устройством).

К преимущественным особенностям использования относятся инновационные технологии векторного управления. Значительная энергосберегающая эффективность – это функция, которая обеспечивается в автоматическом режиме. Управление регулятором скорости можно выполнять с помощью дистанционного пульта управления, минимальное расстояние для управления 5м.

Важно: в конструкции преобразователя частоты предусмотрена возможность автоматически регулировать выходное напряжение.

Популярные модели регуляторов скорости для однофазного двигателя

Среди многообразия устройств, выполняющих функцию управления электродвигателем, существуют две основные разновидности моделей регуляторов оборотов. Это электронные тиристорные однофазные регуляторы скорости, которые работают за счет плавного изменения напряжения питания. Вторая разновидность моделей регуляторов оборотов – трансформаторный однофазный регулятор скорости. Его работа заключается в изменении положения трехступенчатого кулачкового переключателя, с помощью которого происходит изменение комбинации переключения обмоток.

Частотное управление регулированием скоростью асинхронного электродвигателя в наше время является техническим стандартом. Использование частотного регулятора вытеснило очень многие способы управления. Симметричное и несимметричное управление напряжением и использование добавочных сопротивлений, изменение числа пар полюсов ушли в прошлое.

§ 97. РЕГУЛИРОВАНИЕ СКОРОСТИ ВРАЩЕНИЯ ТРЕХФАЗНЫХ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Число оборотов ротора в минуту определяется следующим вы­ражением:

Из выражения (122) видно, что число оборотов ротора можно регулировать изменением любой из трех величин, определяющих число оборотов ротора, т. е.изменением частоты тока сети f1 числа пар полюсов р и скольжения S.

Регулирование скорости асинхронных двигателей изменением частоты тока сети сложно, так как необходим какой-либо регули­рующий преобразователь частоты или генератор. Поэтому такой способ не имеет широкого применения.

Изменение числа полюсов машины возможно либо выполнением на статоре нескольких (обычно двух) обмоток с различным числом полюсов, либо одной обмотки, допускающей переключение на Различное число полюсов. Может быть помещено на статоре две обмотки, каждая из которых допускает переключение на различное число полюсов.

На рис 120 а схематически показаны две катушки одной фазы, соединенные последовательно. Ток, протекая по ним, создает маг­нитное поле с четырьмя полюсами.

Если изменить направление тока в одной из катушек, включив ее встречно с другой, то обмотка будет создавать двухполюсное магнитное поле (рис. 120, б). При изменении числа полюсов обмот­ки статора изменится скорость вращения его магнитного поля, а следовательно, и скорость вращения ротора двигателя. Этот способ регулирования скорости асинхронного двигателя экономичен, но недостатком его является ступенчатое изменение скорости. Кроме того, стоимость такого двигателя значительно возрастает вследст­вие усложнения обмотки статора и увеличения габаритов машин. Регулирование скорости изменением числа полюсов применяет­ся в двигателях с короткозамкнутым ротором; в двигателях с кон­тактными кольцами этот способ не используется, так как здесь одновременно с изменением числа полюсов обмотки статора необ­ходимо в той же мере изменить число полюсов обмотки вращающе­гося ротора, что весьма сложно.

Заводы СССР выпускают двух-, трех- и четырехскоростные дви­гатели, например, на синхронные скорости вращения 500-750 — 1000-1500 об/мин. Такие двигатели имеют на статоре две обмотки, каждая из которых допускает переключение на различное число полюсов.

Изменить скольжение можно введением в цепь обмотки ротора регулировочного реостата, а также изменением напряжения сети. При изменении напряжения питающей сети изменяется вращаю­щий момент двигателя, пропорциональный квадрату напряжения. При уменьшении вращающего момента начнет уменьшаться число оборотов ротора, т. е. увеличится скольжение.

Регулировочный реостат включается в цепь обмотки фазного ротора подобно пусковому реостату, но в отличие от пускового этот, реостат рассчитывается на длительное прохождение тока.

При включении регулировочного реостата сила тока в роторе уменьшится, что вызовет уменьшение вращающего момента двигателя и, следовательно, уменьшение скорости вращения или увеличение скольжения. При увеличении скольжения увеличивается э. д. с и ток в роторе. Скорость вращения или скольжения будет изменяться до восстановления равновесия моментов, т. е. пока сила тока в роторе не примет своего начального значения.

Этот способ регулирования скорости вращения может быть использован только в двигателях с фазным ротором и, несмотря на то, что является неэкономичным (так как в регулировочном реостате происходит значительная потеря энергии), имеет широкой применение.

Основные сведения о частотно-регулируемом электроприводе

Частотник в комплекте с асинхронным электродвигателем позволяет заменить электропривод постоянного тока. Системы регулирования скорости двигателя постоянного тока достаточно просты, но слабым местом такого электропривода является электродвигатель. Он дорог и ненадежен. При работе происходит искрение щеток, под воздействием электроэрозии изнашивается коллектор. Такой электродвигатель не может использоваться в запыленной и взрывоопасной среде.

Асинхронные электродвигатели превосходят двигатели постоянного тока по многим параметрам: они просты по устройству и надежны, так как не имеют подвижных контактов. Они имеют меньшие по сравнению с двигателями постоянного тока размеры, массу и стоимость при той же мощности. Асинхронные двигатели просты в изготовлении и эксплуатации.

Основной недостаток асинхронных электродвигателей – сложность регулирования их скорости традиционными методами (изменением питающего напряжения, введением дополнительных сопротивлений в цепь обмоток).

Управление асинхронным электродвигателем в частотном режиме до недавнего времени было большой проблемой, хотя теория частотного регулирования была разработана еще в тридцатых годах. Развитие частотно-регулируемого электропривода сдерживалось высокой стоимостью преобразователей частоты. Появление силовых схем с IGBT-транзисторами, разработка высокопроизводительных микропроцессорных систем управления позволило различным фирмам Европы, США и Японии создать современные преобразователи частоты доступной стоимости.

Известно, что регулирование частоты вращения исполнительных механизмов можно осуществлять при помощи различных устройств: механических вариаторов, гидравлических муфт, дополнительно вводимыми в статор или ротор резисторами, электромеханическими преобразователями частоты, статическими преобразователями частоты.

Применение первых четырех устройств не обеспечивает высокого качества регулирования скорости, неэкономично, требует больших затрат при монтаже и эксплуатации.
Статические преобразователи частоты являются наиболее совершенными устройствами управления асинхронным приводом в настоящее время.

Принцип частотного метода регулирования скорости асинхронного двигателя заключается в том, что, изменяя частоту f1 питающего напряжения, можно в соответствии с выражением

неизменном числе пар полюсов p изменять угловую скорость магнитного поля статора.

Этот способ обеспечивает плавное регулирование скорости в широком диапазоне, а механические характеристики обладают высокой жесткостью.

Регулирование скорости при этом не сопровождается увеличением скольжения асинхронного двигателя, поэтому потери мощности при регулировании невелики.

Для получения высоких энергетических показателей асинхронного двигателя – коэффициентов мощности, полезного действия, перегрузочной способности – необходимо одновременно с частотой изменять и подводимое напряжение.

Закон изменения напряжения зависит от характера момента нагрузки Mс . При постоянном моменте нагрузки Mс=const напряжение на статоре должно регулироваться пропорционально частоте:

Для вентиляторного характера момента нагрузки это состояние имеет вид:

При моменте нагрузки, обратно пропорциональном скорости:

Таким образом, для плавного бесступенчатого регулирования частоты вращения вала асинхронного электродвигателя, преобразователь частоты должен обеспечивать одновременное регулирование частоты и напряжения на статоре асинхронного двигателя.
Преимущества использования регулируемого электропривода в технологических процессах

Применение регулируемого электропривода обеспечивает энергосбережение и позволяет получать новые качества систем и объектов. Значительная экономия электроэнергии обеспечивается за счет регулирования какого-либо технологического параметра. Если это транспортер или конвейер, то можно регулировать скорость его движения. Если это насос или вентилятор – можно поддерживать давление или регулировать производительность. Если это станок, то можно плавно регулировать скорость подачи или главного движения.

Особый экономический эффект от использования преобразователей частоты дает применение частотного регулирования на объектах, обеспечивающих транспортировку жидкостей. До сих пор самым распространённым способом регулирования производительности таких объектов является использование задвижек или регулирующих клапанов, но сегодня доступным становится частотное регулирование асинхронного двигателя, приводящего в движение, например, рабочее колесо насосного агрегата или вентилятора.
Перспективность частотного регулирования наглядно видна из рисунка 1

Таким образом, при дросселировании поток вещества, сдерживаемый задвижкой или клапаном, не совершает полезной работы. Применение регулируемого электропривода насоса или вентилятора позволяет задать необходимое давление или расход, что обеспечит не только экономию электроэнергии, но и снизит потери транспортируемого вещества.
Структура частотного преобразователя

Большинство современных преобразователей частоты построено по схеме двойного преобразования. Они состоят из следующих основных частей: звена постоянного тока (неуправляемого выпрямителя), силового импульсного инвертора и системы управления.

Звено постоянного тока состоит из неуправляемого выпрямителя и фильтра. Переменное напряжение питающей сети преобразуется в нем в напряжение постоянного тока.

Силовой трехфазный импульсный инвертор состоит из шести транзисторных ключей. Каждая обмотка электродвигателя подключается через соответствующий ключ к положительному и отрицательному выводам выпрямителя. Инвертор осуществляет преобразование выпрямленного напряжения в трехфазное переменное напряжение нужной частоты и амплитуды, которое прикладывается к обмоткам статора электродвигателя.

В выходных каскадах инвертора в качестве ключей используются силовые IGBT-транзисторы. По сравнению с тиристорами они имеют более высокую частоту переключения, что позволяет вырабатывать выходной сигнал синусоидальной формы с минимальными искажениями.
Принцип работы преобразователя частоты

Преобразователь частоты состоит из неуправляемого диодного силового выпрямителя В, автономного инвертора , системы управления ШИМ, системы автоматического регулирования, дросселя Lв и конденсатора фильтра Cв (рис.2). Регулирование выходной частоты fвых. и напряжения Uвых осуществляется в инверторе за счет высокочастотного широтно-импульсного управления.

Широтно-импульсное управление характеризуется периодом модуляции, внутри которого обмотка статора электродвигателя подключается поочередно к положительному и отрицательному полюсам выпрямителя.

Длительность этих состояний внутри периода ШИМ модулируется по синусоидальному закону. При высоких (обычно 2…15 кГц) тактовых частотах ШИМ, в обмотках электродвигателя, вследствие их фильтрующих свойств, текут синусоидальные токи.

Таким образом, форма кривой выходного напряжения представляет собой высокочастотную двухполярную последовательность прямоугольных импульсов (рис. 3). Частота импульсов определяется частотой ШИМ, длительность (ширина) импульсов в течение периода выходной частоты АИН промодули-рована по синусоидальному закону. Форма кривой выходного тока (тока в обмотках асинхронного электродвигателя) практически синусоидальна.
Регулирование выходного напряжения инвертора можно осуществить двумя способами: амплитудным (АР) за счет изменения входного напряжения Uв и широтно-импульсным (ШИМ) за счет изменения программы переключения вентилей V1-V6 при Uв = const.
Второй способ получил распространение в современных преобразователях частоты благодаря развитию современной элементной базы (микропроцессоры, IBGT-транзисторы). При широтно-импульсной модуляции форма токов в обмотках статора асинхронного двигателя получается близкой к синусоидальной благодаря фильтрующим свойствам самих обмоток.

Такое управление позволяет получить высокий КПД преобразователя и эквивалентно аналоговому управлению с помощью частоты и амплитуды напряжения.

Современные инверторы выполняются на основе полностью управляемых силовых полупроводниковых приборов – запираемых GTO – тиристоров, либо биполярных IGBT-транзисторов с изолированным затвором. На рис. 2.45 представлена 3-х фазная мостовая схема автономного инвертора на IGBT-транзисторах.

Она состоит из входного емкостного фильтра Cф и шести IGBT-транзисторов V1-V6 включенными встречно-параллельно диодами обратного тока D1-D6.

За счет поочередного переключения вентилей V1-V6 по алгоритму, заданному системой управления, постоянное входной напряжение Uв преобразуется в переменное прямоугольно-импульсное выходное напряжение. Через управляемые ключи V1-V6 протекает активная составляющая тока асинхронного электродвигателя, через диоды D1-D6 – реактивная составляющая тока.

И – трехфазный мостовой инвертор;
В – трехфазный мостовой выпрямитель;
Сф – конденсатор фильтра;

шпоры эл маш. 8. Трансформатор

Название 8. Трансформатор
Анкор шпоры эл маш.doc
Дата 03.03.2020
Размер 3.44 Mb.
Формат файла
Имя файла шпоры эл маш.doc
Тип Документы
#3319
страница 3 из 8
Подборка по базе: ВЫБОР УСТАВОК СИЛОВОГО ДВУХОБМОТОЧНОГО ТРАНСФОРМАТОРА ТРД1.doc, Курсовая работа по трехфазным трансформаторам.doc, Трехфазный силовой трансформатор.doc, Трехфазный силовой трансформатор.doc, Монтаж и установка трансформаторной подстанции.docx.

34. Электромагнитный момент развиваемый асинхронной машиной.

При пользовании единицами системы СИ момент М выражается в ньютон-метрах.

Согласно выражению (25-6), электромагнитный момент при любом заданном значении скольжения пропорционален квадрату приложенного напряжения и тем меньше, чем больше гг и индуктивные сопротивления рассеяния машины . В соответствии с формулой (25-4) при любом заданном s величина М пропорциональна также квадрату вторичного тока.

Согласно равенству (25-6), при s>0 также М > О (режимы двигателя и противовключения)^ а при s 35. Механическая характеристика асинхронной машины. Вид механической характеристики в различных режимах работы машины.

Зависимость частоты вращения ротора от нагрузки (вращающегося момента на валу) называется механической характеристикой асинхронного двигателя (рис. 262, а). При номинальной нагрузке частота вращения для различных двигателей обычно составляет 98—92,5 % частоты

вращения n1 (скольжение sном = 2 – 7,5 %). Чем больше нагрузка, т. е. вращающий момент, который должен развивать двигатель, тем меньше частота вращения ротора. Как показывает кривая

Рис. 262. Механические характеристики асинхронного двигателя: а — естественная; б — при включении пускового реостата

на рис. 262, а, частота вращения асинхронного двигателя лишь незначительно снижается при увеличении нагрузки в диапазоне от нуля до наибольшего ее значения. Поэтому говорят, что такой двигатель обладает жесткой механической характеристикой. Наибольший вращающий момент Mmax двигатель развивает при некоторое скольжении skp, составляющем 10—20%. Отношение Mmax/Mном определяет перегрузочную способность двигателя, а отношение Мп/Мном — его пусковые свойства. Двигатель может устойчиво работать только при обеспечении саморегулирования, т. е. автоматическом установлении равновесия между приложенным к валу моментом нагрузки Мвн и моментом М, развиваемым двигателем. В двигателе с повышенным пусковым моментом естественная механическая характеристика приближается по своей форме к характеристике двигателя с включенным пусковым реостатом.

Виды: При включении в цепь обмоток ротора пускового реостата получаем семейство механических характеристик (рис. 262,б). Характеристика 1 при работе двигателя без пускового реостата называется естественной. Характеристики 2, 3 и 4, получаемые при подключении к обмотке ротора двигателя реостата с сопротивлениями R1п (кривая 2), R2п (кривая 3) и R3п (кривая 4), называют реостатными механическими характеристиками. При включении пускового реостата механическая характеристика становится более мягкой (более крутопадающей), так как увеличивается активное сопротивление цепи ротора R2 и возрастает sкp. При этом уменьшается пусковой ток. Пусковой момент Мп также зависит от R2. Можно так подобрать сопротивление реостата, чтобы пусковой момент Мп был равен наибольшему Мmax.

38. Регулирование скорости асинхронной машины изменением скольжения.

Этот способ используют в приводе тех механизмов, где установлены асинхронные двигатели с фазным ротором. Например, в приводе подъемно-транспортных машин . В цепь фазного ротора вводится регулировочный реостат. Увеличение активного сопротивления ротора не влияет на величину критического момента, но увеличивает критическое скольжение (рис. 2.21).

На рис. 2.21 приведены механические характеристики асинхронного двигателя при разных сопротивлениях регулировочного реостата Rр3>Rр2>0, Rр1=0.

Как следует из рис. 2.21 при этом способе можно получить большой диапазон регулирования частоты вращения в сторону понижения. Основные недостатки этого способа:

1 Из-за больших потерь на регулировочном реостате снижается коэффициент полезного действия, т.е. способ неэкономичный.

2 Механическая характеристика асинхронного двигателя с увеличением активного сопротивления ротора становится мягче, т.е. снижается устойчивость работы двигателя.

3 Невозможно плавно регулировать частоту вращения.

Из-за перечисленных недостатков этот способ применяют для кратковременного снижения частоты вращения.

. 37. Регулирование скорости асинхронной машины изменением числа пар полосов.

Эти двигатели (многоскоростные) имеют более сложную обмотку статора, позволяющую изменять ее число пар полюсов, и короткозамкнутый ротор. При работе асинхронного двигателя необходимо, чтобы обмотки ротора и статора имели одинаковое число пар полюсов. Только короткозамкнутый ротор способен автоматически приобретать то же число пар полюсов, что и поле статора. Многоскоростные двигатели нашли широкое применение в приводе металлорежущих станков. Нашли применение двух, трех и четырех скоростные двигатели.

На рис. 2.22 показана схема соединения и магнитное поле статора двигателя при последовательном (б) и параллельном (а) соединении полуобмоток.

У двухскоростного двигателя обмотка каждой фазы состоит из двух полуобмоток. Включая их последовательно или параллельно можно в 2 раза изменять число пар полюсов.

У четырехскоростного двигателя на статоре должно размещаться две независимые обмотки с разным числом пар полюсов. Каждая из обмоток позволяет в два раза изменять число пар полюсов. Например, у двигателя, работающего от сети c частотой f=50 Гц, со следующими частотами вращения 3000/1500/1000/500 [об/мин] с помощью одной из обмоток статора можно получить частоту вращения 3000 об/мин и 1500 об/мин (при этом р=1 и р=2). С помощью другой из обмоток можно получить частоту вращения 1000 об/мин и 500 об/мин (при этом р=3 и р=6)..

При переключении числа пар полюсов изменяется и магнитный поток в зазоре, что приводит к изменению критического момента Мкр (рис. 2.23 б). Если при изменении числа пар полюсов одновременно изменять и подведенное напряжение, то критический момент может остаться неизменным (рис. 2.23 а). Поэтому при этом способе регулирования могут быть получены два вида семейства механических характеристик (рис. 2.23).

Достоинства этого способа регулирования : сохранение жесткости механических характеристик, высокий К.П.Д. Недостатки: ступенчатое регулирование , большие габариты и большая стоимость двигателя.

36. Регулирование скорости асинхронной машины изменением частоты источника питания.

В качестве таких источников питания в настоящее время начали находить применение преобразователи частоты (ПЧ), выполняемые на мощных полупроводниковых приборах – тиристорах. Из уравнения трансформаторной ЭДС U1 = 4,44 w1 k1 f Ф следует, что для сохранения неизменным магнитного потока, т.е. для сохранения перегрузочной способности двигателя, необходимо вместе с частотой изменять и действующее значение подведенного напряжения. При выполнении соотношения , критический момент не изменяется и получается семейство механически характеристик, представленное на рис. 2.24.

На рис. 2.24 приведены механические характеристики при частотном регулировании .
Достоинства этого способа: плавное регулирование , возможность повышать и понижать частоту вращения, сохранение жесткости механических характеристик, экономичность. Основной недостаток – требуется преобразователь частоты , т.е. дополнительные капитальные вложения.

39. Регулирование скорости асинхронной машины изменением сопротивления в цепи статора.

Изменение напряжения, подводимого к обмотке статора асинхронного двигателя, позволяет регулировать скорость с помощью относительно простых технических средств и схем управления. Для этого между сетью переменного тока со стандартным напряжением U1ном и статором электродвигателя включается регулятор напряжения.При регулировании частоты вращения асинхронного двигателя изменением напряжения, подводимого к обмотке статора , критический момент Мкр асинхронного двигателя изменяется пропорционально квадрату подводимого к двигателю напряжения Uрет (рис. 3), а скольжение от Uрег не зависит.

Если момент сопротивления рабочей машины больше пускового момента электродвигателя (Мс > Мпуск), то двигатель не будет вращаться, поэтому необходимо запустить его при номинальном напряжении 17ном или на холостом ходу.

Регулировать частоту вращения короткозамкнутых асинхронных двигателей таким способом можно только при вентиляторном характере нагрузки. Кроме того, должны использоваться специальные электродвигатели с повышенным скольжением. Диапазон регулирования небольшой, до nкр.

40. Регулирование скорости асинхронной машины изменением сопротивления в цепи ротора.

Введение резисторов в цепь ротора приводит к увеличению потерь мощности и снижению частоты вращения ротора двигателя за счет увеличения скольжения, поскольку n = nо (1 — s).

Из рис. 1 следует, что при увеличении сопротивления в цепи ротора при том же моменте частота вращения вала двигателя уменьшается.

Жесткость механических характеристик значительно снижается с уменьшением частоты вращения, что ограничивает диапазон регулирования до (2 — 3) : 1. Недостатком этого способа являются значительные потери энергии, которые пропорциональны скольжению. Такое регулирование возможно только для двигателя с фазным ротором.

Рис. 1. Механические характеристики асинхронного двигателя с фазным ротором при различных сопротивлениях резисторов, включенных в цепь ротора

41. Регулирование скорости асинхронной машины изменением напряжения источника питания.

Так как частота вращения магнитного поля статора nо = 60f/р, то регулирование частоты вращения асинхронного двигателя можно производить изменением частоты питающего напряжения.

Принцип частотного метода регулирования скорости асинхронного двигателя заключается в том, что, изменяя частоту питающего напряжения, можно в соответствии с выражением при неизменном числе пар полюсов р изменять угловую скорость nо магнитного поля статора. Этот способ обеспечивает плавное регулирование скорости в широком диапазоне, а механические характеристики обладают высокой жесткостью.

Для получения высоких энергетических показателей асинхронных двигателей (коэффициентов мощности, полезного действия, перегрузочной способности) необходимо одновременно с частотой изменять и подводимое напряжение. Закон изменения напряжения зависит от характера момента нагрузки Мс. При постоянном моменте нагрузки напряжение на статоре должно регулироваться пропорционально частоте.

Схема частотного электропривода приведена на рис. 5, а механические характеристики АД при частотном регулировании — на рис. 6.

42. Однофазные асинхронные двигатели. Однофазные асинхронные двигатели — машины небольшой мощности, которые по конструктивному исполнению напоминают аналогичные трехфазные электродвигатели с короткозамкнутым ротором.

Однофазные асинхронные двигатели отличаются от трехфазных двигателей устройством статора, где в пазах магнитопровода находится двухфазная обмотка, состоящая из основной, или рабочей, фазы с фазной зоной 120 эл. град и выводами к зажимам с обозначениями С1 и С2, и вспомогательной, или пусковой, фазы с фазной зоной 60 эл. град и выводами к зажимам с обозначениями В1 и В2

Магнитные оси этих фаз обмотки смещены относительно друг друга па угол 0 = 90 эл. град. Одна рабочая фаза, присоединенная к питающей сети переменного напряжения, не может вызвать вращения ротора, так как ток ее возбуждает переменное магнитное поле с неподвижной осью симметрии, характеризуемое гармонически изменяющейся во времени магнитной индукцией.

Это поле можно представить двумя составляющими — одинаковыми круговыми магнитными полями прямой и обратной последовательностей, вращающимися с магнитными индукциями, вращающимися в противоположные стороны с одной и той же скоростью. Однако при предварительном разгоне ротора в необходимом направлении он при включенной рабочей фазе продолжает вращаться в том же направлении.

По этой причине пуск однофазного двигателя начинают с разгона ротора путем нажатия пусковой кнопки, вызывающего возбуждение токов в обеих фазах обмотки статора, которые сдвинуты по фазе на величину, зависящую от параметров фазосдвигающего устройства Z, Повышение надежности эксплуатации однофазных асинхронных двигателей обеспечивают встраиванием в корпус машин центробежного выключателя с размыкающими контактами, присоединенными к зажимам с обозначениями ВЦ и В2, и теплового реле с аналогичными контактами, имеющими выводы с обозначениями РТ и С1

Перемена направления вращения ротора достигается изменением направления тока в одной из фаз обмотки статора при пуске путем переключения пусковой кнопки и перестановки металлической пластины на зажимах электродвигателя или только перестановкой двух аналогичных пластин

43. Асинхронные машины специального исполнения. Для перевода AM в генераторный режим необходим источник реактивной мощности для возбуждения. Если генератор работает параллельно сети, то реактивную мощность он будет потреблять из сети. Если генератор работает на автономную нагрузку то для получения реактивной мощности используется батарея конденсаторов подключаемая параллельно обмотки статора

Асинхронный преобразователь частоты

Выполняется на базе AM с фазным ротором Используется для получения переменного тока 100 — 200 Гц (Б)

Использование AM режиме трансформатора.

Фазорегулятор В основе АД с фазным ротором, ротор заторможен. Поворот обеспечивается червячной парой

Трехфазный индукционный регулятор (б) (потенциалорегулятор)

В основе AM с фазным ротором.

Трансформатор с вращающимся полем для преобразования числа фаз или частоты

Их базой является AM с фазным ротором т. к. нет необходимости вращать ротор то воздушный зазор выполняется нулевым.

Для того чтобы получить требуемую частоту это достигается не синусоидальным магнитным потоком. Рабочий режим выбирается с насыщением стали В > 2 Тл.

Для получения нужной частоты выполняются специальные схемы с выделением требуемой частоты (такие преобразователи используются для получения утроенной частоты)

44. Конструкция синхронных машин.

Синхронная машина — это электрическая машина переменного тока, частота вращения ротора которой равна частоте вращения магнитного поля в воздушном зазоре.

Синхронная машина состоит из двух основных частей: неподвижной — статора и вращающейся — ротора, и имеет две основные обмотки. Одна обмотка подключается к источнику постоянного тока. Протекающий по этой обмотке ток создает основное магнитное поле машины. Эта обмотка располагается на полюсах и называется обмоткой возбуждения. Иногда у машин небольшой мощ­ности обмотка возбуждения отсутствует, а магнитное поле создается постоянными магнитами. Другая обмотка является обмоткой якоря. В ней индуктируется основная ЭДС машины. Она укладывается в пазы якоря и состоит из одной, двух или трех обмоток фаз. Наибольшее распространение в синхронных машинах нашли трехфазные обмотки якоря.

В синхронных машинах чаще всего находит применение конструкция, при которой, обмотка якоря располагается на статоре, а обмотка возбуждения — на роторе (рис. 1). Синхронные машины небольшой мощности иногда имеют обращенное исполнение, когда обмотка якоря располагается на роторе, а обмотка возбуждения — на полюсах статора (рис. 2). В электромагнитном отношении обе конструкции равноценны.

принцип действия синхронного генератора. Если через обмотку возбуждения протекает постоянный ток, то он создает постоянное во времени магнитное поле с чередующейся полярностью. При вращении полюсов и, следовательно, магнитного поля относительно проводников обмотки якоря в них индуктируются переменные ЭДС, которые, суммируясь, определяют результирующие ЭДС фаз.

45. Режимы работы синхронных машин

Синхронная машина может работать автономно в качестве генератора, питающего подключенную к ней нагрузку, или параллельно с сетью, к которой присоединены другие генераторы. При работе параллельно с сетью она может отдавать или потреблять электрическую энергию, т. е. работать генератором или двигателем. При подключении обмотки статора к сети, ток статора создает вращающееся магнитное поле. В результате взаимодействия этого поля с током обмотки возбуждения создается электромагнитный момент. При работе машины в двигательном режиме этот момент является вращающим, а при работе в генераторном режиме — тормозным. В установившемся режиме ротор неподвижен относительно магнитного поля и вращается с частотой n = n1 независимо от механической нагрузки на валу ротора или электрической нагрузки.

Двигательный режим Принцип действия синхронного двигателя основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля якоря и магнитного поля полюсов индуктора. Обычно якорь расположен на статоре, а индуктор — на роторе. В мощных двигателях в качестве полюсов используются электромагниты (ток на ротор подаётся через скользящий контакт щетка — кольцо), в маломощных — постоянные магниты. Существует обращённая конструкция двигателей, в которой якорь расположен на роторе, а индуктор — на статоре (в устаревших двигателях, а также в современных криогенных синхронных машинах, в которых в обмотках возбуждения используются сверхпроводники.)

Рис. 1 Структура электропривода

Название Рис. 1 Структура электропривода
страница 2/2
Дата публикации 18.03.2013
Размер 255.01 Kb.
Тип Документы

userdocs.ru > Математика > Документы

5. Регулирование скорости вращения двигателей переменного тока

Практика показывает, что во многих случаях, когда требуется получить глубокое и плавное регулирование скорости, применяют электроприводы постоянного тока. Использование таких двигателей даёт выгодное соотношение общей стоимости электропривода и его функциональных характеристик, поскольку именно двигатели постоянного тока позволяют более простыми средствами осуществить качественное регулирование скорости. Однако при использовании двигателей постоянного тока необходимо преобразовывать переменный ток в постоянный. Это преобразование всегда связано с потерями энергии и увеличением капитальных затрат на преобразовательную установку. Поэтому в ряде регулируемых установок применяют двигатели переменного тока, более простые, дешёвые, надёжные и экономичные в эксплуатации.

Чаще всего применяются асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором, реже асинхронные двигатели с контактными кольцами, иногда коллекторные двигатели переменного тока.

Синхронные двигатели широко используются в промышленных установках средней и большой мощности, не требующих регулирования скорости вращения. Хотя принципиально имеется возможность регулирования скорости вращения синхронных электродвигателей изменением частоты, однако, как правило, синхронные двигатели должны быть отнесены к числу нерегулируемых.

Наибольшее применение получили следующие способы регулирования скорости вращения асинхронного двигателя:

а) введением сопротивления в цепь ротора;

б) изменением числа пар полюсов;

в) изменением частоты питающего напряжения;

г) каскадным включением асинхронного двигателя с другими машинами или вентильными преобразователями.

Для целей регулирования скорости, кроме упомянутых, могут быть использованы некоторые специальные способы включения электрических двигателей: импульсное регулирование, регулирование с помощью дросселей насыщения и другие.
^ 5.1. Регулирование скорости вращения асинхронного двигателя ведением сопротивления в цепь ротора.
Введение сопротивления в цепь ротора (реостатное регулирование) позволяет, как и у двигателей постоянного тока, регулировать скорость вращения двигателя. Плавность регулирования зависит от числа ступеней включаемого сопротивления. Регулирование осуществляется вниз от основной скорости, причём лучшее использование двигателя достигается при регулировании с постоянным моментом. Диапазон регулирования непостоянен и зависит от нагрузки. Жёсткость характеристик значительно уменьшается по мере снижения скорости, что ограничивает диапазон регулирования до (2÷3) : 1. Недостатком этого способа регулирования являются также значительные потери энергии.

Более благоприятным в отношении потерь энергии является реостатное регулирование скорости при вентиляторном моменте нагрузки, когда подводимая мощность значительно уменьшается по мере снижения скорости. Поэтому такой способ регулирования находит более широкое применение в приводах с вентиляторным моментом нагрузки, а также в механизмах с повторно-кратковременным режимом работы, как, например, в крановых устройствах.
^ 5.2. Регулирование скорости вращения асинхронного двигателя изменением числа полюсов.
Синхронная угловая скорость асинхронного электродвигателя зависит от частоты f1 питающего напряжения и от числа пар полюсов статора p:

или синхронная скорость вращения

Поэтому числом пар полюсов можно регулировать скорость вращения двигателя.

У двигателей с переключением числа полюсов обмотка каждой фазы состоит обычно из двух одинаковых частей, в одной из которых изменяется направление тока путём переключения этих частей с последовательного на параллельное соединение. Такое переключение (рис. 7.1) приводит к уменьшению числа полюсов вдвое и, следовательно, к увеличению вдвое синхронной скорости машины.

Рисунок.5.1. Схема переключения обмоток статора с последовательного на параллельное соединение.
П рактически присоединение обмоток производится переключением обмотки статора по схеме, приведённой на рисунке 7.2, где осуществлён переход от одиночной звезды к двойной, или по схеме, где произведено переключение с треугольника на двойную звезду.

Кроме двухскоростных двигателей, применяются трёхскоростные двигатели, имеющие дополнительно ещё одну не переключаемую обмотку, а также четырёхскоростные двигатели, в статоре которых обычно закладывается две независимые обмотки на разные числа полюсов, каждая из которых переключается по одной из указанных выше схем.

Двигатели с переключением полюсов выполняют с короткозамкнутым ротором.

Регулирование скорости вращения переключением полюсов является не плавным, а ступенчатым. Вместе с тем рассматриваемый способ регулирования является весьма экономичным и отличается механическими характеристиками, обладающие большой жёсткостью.

Благодаря своим преимуществам двигатели с переключением полюсов находят широкое применение там, где не требуется плавного регулирования скорости, например в некоторых металлорежущих станках в целях уменьшения количества механических передач. Они применяются также для вентиляторов, насосов, элеваторов в цементной, нефтяной и других отраслях промышленности.

Рисунок 5.2.Схемы переключения обмоток статора на двойную звезду.
^ 6. Частотное регулирование асинхронных двигателей.

6.1. Основные сведения
Возможность регулирования скорости вращения  ротора АД изменением частоты питающего напряжения f1 вытекает из выражения синхронной скорости

где p число пар полюсов асинхронного электродвигателя.

Для реализации частотного регулирования угловой скорости вращения используются полупроводниковые (тиристорные или транзисторные) преобразователи, выходное напряжение и частота которых изменяются независимо или по какому-либо закону.

Преобразователи частоты (ПЧ) бывают двух типов:

1) с непосредственной связью нагрузки и питающей сети (ПЧН);

2) со звеном постоянного тока.

ПЧН используются в тех случаях, когда частота напряжения питающей сети гораздо выше частоты напряжения питания нагрузки, например, в безредукторных низкоскоростных приводах где необходимо плавное регулирование угловой скорости (приводы шаровых мельниц, крановые электроприводы), а также в машинах двойного питания.

ПЧН позволяют регулировать выходную частоту только вниз от частоты питающей сети fС, причем

ПЧ со звеном постоянного тока позволяют изменять выходную частоту как вверх, так и вниз от частоты питающей сети и могут применяться в электроприводах различных промышленных механизмов.

Полупроводниковые ПЧ имеют высокие КПД (0.920.98), надежность, быстродействие, а также малые массу и габариты.

В зависимости от требований, предъявляемых к системам частотного управления, применяются разомкнутые и замкнутые системы управления частотно-регулируемыми приводами.

Разомкнутые системы частотного управления обычно имеют жесткую связь между регуляторами частоты и напряжения, которая реализуется посредством функционального преобразователя, обеспечивающего требуемый закон изменения напряжения на статоре АД в функции частоты. Разомкнутые системы позволяют обеспечить требование постоянства перегрузочной способности двигателя в ограниченном диапазоне регулирования, зависящего от характера нагрузки (при MС = const от (0.20.3) Н до номинальной скорости Н ).

В замкнутых системах регулирования скорости перегрузочная способность АД поддерживается постоянной выбором соответствующего закона изменения питающего напряжения в функции частоты, а жесткость механической характеристики — обратной связью по э.д.с., скорости и т.д..

В разомкнутых системах реализуются следующие законы регулирования:

— для механизмов с постоянным моментом сопротивления MС = const, закон изменения напряжения от частоты имеет вид U/f1 = const, либо E/f1 = const c IR — компенсацией;

— для вентиляторной нагрузки при диапазоне регулирования скорости D = 2:1 закон изменения напряжения от частоты имеет вид U/f1 2 = const;

— для механизмов с постоянной мощностью PС = const закон изменения напряжения будет U / = const.

Частотное регулирование скорости является экономичным, т.к. управление производится при малых скольжениях.
^ 6.2. Законы частотного управления
Величина напряжения, подводимого к статору, связана с частотой и магнитным потоком АД известным соотношением

Если при неизменной величине напряжения ^ U1 изменять его частоту f 1, то поток Ф будет изменяться обратно пропорционально частоте. При уменьшении частоты поток будет возрастать, что приведет к насыщению магнитной системы машины и резкому увеличению тока статора. При увеличении частоты поток уменьшится и, как следствие, будет уменьшаться момент, развиваемый двигателем. Поэтому для поддержания необходимой перегрузочной способности АД и полного его использования в тепловом отношении необходимо одновременно с изменением частоты изменять по определенному закону напряжение на статоре.

В общем случае напряжение целесообразно регулировать так, чтобы перегрузочная способность АД была одинакова при всех частотах.

При условии = справедливо равенство  =  .

Основной недостаток закона управления  =  при MС = const состоит в том, что при конкретном значении  = s момент АД, соответствующий этому  уменьшается при снижении частоты, так как при этом все большая часть приложенного к статору напряжения U1 падает на активном сопротивлении статора.

Увеличивающаяся активная составляющая падения напряжения на статоре АД ведет к уменьшению э.д.с. E1, и, следовательно, магнитного потока. При этом также снижаются максимальный момент и критическое абсолютное скольжение, что в свою очередь вызывает возрастание потерь в электродвигателе.

Для устранения этого недостатка используют закон частотного управления с компенсацией падения напряжения на активном сопротивлении статора.
^ 6.3. Схемы статических преобразователей.
Преобразователь с непосредственной связью предназначен для преобразования высокой частоты в низкую и состоит из 18 тиристоров (рис.8.1). В основе преобразователя находится трёхфазная однополупериодная схема выпрямления; каждая фаза преобразователя состоит из двух таких встречно включенных выпрямителей. Группу из трёх вентилей, имеющих общий катод, называют «положительной» или выпрямительной, а группу с общим анодом – «отрицательной», или инверторной. В течение одного полупериода выходного напряжения преобразователя пропускают ток выпрямительные группы, а в течение другого – инверторные. Частота выходного напряжения определяется длительностью промежутков времени пропускания тока обеими группами. Полуволна выходного напряжения состоит из отрезков волны напряжения питающей сети. На рисунке 8.2. показана кривая выходного напряжения при неизменном угле открывания вентилей  = 0.

При переключении от одной группы к другой могут оказаться одновременно включенными два вентиля разных групп, подключенных к разным фазам сети, что может привести к образованию цепи тока через эти вентили. С целью ограничения этого тока применяются уравнительные реакторы, которые одновременно сглаживают форму кривой напряжения.

Возможно осуществление преобразователей частоты с непосредственной связью и без уравнительных реакторов, где используется раздельная система управления вентильными группами.

Регулирование напряжения на выходе преобразователя достигается изменением угла открытия вентилей.

Рисунок 6.1. Схема статического преобразователя частоты с непосредственной связью.

Рисунок 6.2. Форма выходного напряжения трёхфазного преобразователя

с непосредственной связью
Преобразователь с непосредственной связью можно использовать в случаях, когда частота питающей сети много выше частоты, соответствующей номинальной скорости асинхронного двигателя. Этот же преобразователь может быть применён, когда требуется одна рабочая скорость, обусловленная частотой сети, и пониженная скорость (одна или несколько) для вспомогательных операций.

Кроме того, данный тип преобразователя целесообразно применить для регулирования скорости вращения асинхронного двигателя с контактными кольцами, работающего в режиме двойного питания, когда статор его присоединён к сети, а ротор присоединён к той же сети через преобразователь частоты.

Наибольшее применение для промышленных приводов может иметь статический преобразователь частоты с промежуточным звеном постоянного тока, блок-схема которого представлена на рисунке 8.3.

Рисунок 6.3. Блок-схема статического преобразователя частоты с промежуточным звеном постоянного тока.
На схеме обозначены:

УВ – управляемый выпрямитель;

БУВ – блок управления выпрямителем;

БУИ – блок управления инвертором;

БЗС – блок задания скорости.
Преобразователь состоит из двух силовых элементов – управляемого выпрямителя УВ и инвертора И. На вход выпрямителя подаётся нерегулируемое напряжение переменного тока промышленной частоты; с выхода УВ постоянный ток регулируемого напряжения подаётся на инвертор, который преобразует энергию постоянного тока в энергию переменного тока регулируемого напряжения и частоты. Кроме двух силовых элементов преобразователь содержит ещё систему управления, состоящую из блока управления выпрямителем БУВ и блока управления инвертором БУИ. Выходная частота регулируется в широких пределах и определяется частотой коммутации тиристоров 1Т – 6Т, которая задаётся блоком управления инвертором. В такой схеме производится раздельное регулирование напряжением и частотой, что позволяет осуществить при помощи блока задания скорости БЗС требуемое соотношение между напряжением и частотой на зажимах асинхронного двигателя. Если в блоке задания скорости БЗС сопоставлять задающий сигнал с сигналом обратной связи по скорости, то можно осуществить систему автоматического частотного управления с точным поддержанием скорости вращения двигателя.

Примером принципиальной силовой схемы статического преобразователя частоты с промежуточным звеном постоянного тока, выполненного на тиристорах, может служить схема, приведённая на рисунке 8.4.

Рисунок 6.4. Схема статического преобразователя частоты с промежуточным звеном постоянного тока.
В качестве управляющего выпрямителя используются два тиристора 7Т и 8Т и два диода 7Д и8Д, включенные в мостовую схему для получения двухполупериодного выпрямленного напряжения, среднее значение которого можно регулировать, воздействуя на фазу напряжения управляющих электродов 7Т и 8Т. Инвертор состоит из шести тиристоров 1Т – 6Т, шести последовательно включенных с ними диодов 1Д – 6Д, шести диодов, включенных по трёхфазной мостовой схеме 10Д – 15Д и шести колебательных контуров LC.

Преобразование постоянного напряжения в трёхфазное переменное осуществляется коммутацией тиристоров 1Т – 6Т, работающих в определённой последовательности. Время открытого состояния каждого тиристора соответствует 120 электрическим градусам выходной частоты, последовательность их открывания соответствует их нумерации на схеме, то есть сначала открывается 1Т, через 60 открывается 2Т и т.д. до 6Т. При коммутации в каждый момент времени открыты одновременно два тиристора. Открывание тиристоров осуществляется подачей положительного импульса на управляющий электрод от БУИ. Для закрывания тиристоров необходимо ток, протекающий через него, довести до нуля. Это достигается с помощью коммутирующих контуров LC, например, при включении 3Т через ранее открытый 1Т происходит разряд конденсатора С и 1Т закрывается.

Диоды 1Д – 6Д служат для отделения коммутирующих конденсаторов от нагрузки, что даёт возможность существенно снизить их ёмкость в сравнении с обычным параллельным инвертором.

Через мост 10Д – 15Д реактивная энергия двигателя возвращается конденсатору С.

Напряжение на выходе инвертора регулируется изменением напряжения на его входе – управляемым выпрямителем, а частота – изменением частоты подачи импульсов на тиристоры.

Преобразователь с промежуточным звеном постоянного тока позволяет регулировать частоту как вверх, так и вниз от частоты питающей сети, он отличается высоким КПД, значительным быстродействием, малыми габаритами, сравнительно высокой надёжностью и бесшумен в работе.
Кроме рассмотренных преобразователей частоты могут быть использованы тиристорные преобразователи с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), которые позволяют получить весьма широкий диапазон регулирования частоты при кривой тока, близкой к синусоидальной. При этом с введением обратных связей можно получить большой диапазон регулирования скорости вращения асинхронного двигателя (до 1000 : 1 и выше).

МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Основные требования к электроприводам станков. При обработке деталей на металлорежущих станках требуется сохранять заданные скорости резания и подачи. Отклонение от выбранного режима резания приводит к ухудшению качества обработки или уменьшению производительности труда. Поэтому электропривод станка должен сохранять примерное постоянство скорости при изменениях нагрузки, вызванных колебаниями припуска. Этому требованию удовлетворяют электродвигатели с достаточно жесткими механическими характеристиками.

Нужная скорость резания станка обеспечивается совместно электродвигателем и кинематической цепью станка. Если требуемая частота вращения шпинделя станка, например шлифовального, достаточно велика (1000…3000 об/мин), то вал электродвигателя можно связать непосредственно со шпинделем. А если же нужна низкая частота вращения шпинделя, то применять электродвигатель с пониженной номинальной частотой вращения нецелесообразно, так как при этом масса электродвигателя возрастает примерно обратно пропорционально номинальной частоте его вращения при той же мощности. Возрастают размеры и стоимость электродвигателя. Такой привод становится конструктивно и экономически неприемлемым. Поэтому, как показал опыт, в станкостроении целесообразно использовать электродвигатели с относительно высокой номинальной частотой вращения (1000…3000 об/мин) и механическими передачами для последующего понижения частоты вращения до нужного значения.

При небольшой частоте вращения шпинделя электродвигатель может иметь различные номинальные частоты вращения. Чем быстроходнее двигатель, тем он меньше по габаритам и дешевле, но тем сложнее механическая передача от двигателя к рабочему органу станка. Лучшее решение выбирают из экономического сравнения возможных вариантов. Это относится и к приводам подачи и вспомогательных перемещений. Но в отдельных случаях в станкостроении применяют и тихоходные электродвигатели специальной конструкции для повышения жесткости передачи или упрощения конструкции.

При необходимости обработки с различными скоростями резания применяют регулируемый электропривод, коробки передач или их сочетания в зависимости от результатов экономического анализа различных вариантов.

В некоторых случаях (электрокопировальные станки) большое значение приобретают динамические свойства привода: быстродействие, способность мгновенно изменять частоту вращения и др.

У приводов вспомогательных перемещений основную нагрузку составляет момент от сил трения, при этом коэффициент трения при покое значительно больше, чем во время движения. Поэтому электропривод должен обеспечивать достаточно большой начальный (пусковой) момент. У некоторых приводов вспомогательных перемещений и приводов подачи нагрузка кроме сил трения создается при подъеме и массой подвижных узлов станка. Электродвигатели станков должны быть достаточно дешевыми, долговечными и надежными в работе.

Механические характеристики асинхронных электродвигателей. Асинхронные электродвигатели нашли широкое применение в промышленности благодаря простоте конструкции, надежности и экономичности в эксплуатации, минимальной стоимости и возможности питания от электрической сети переменного тока.

Схема асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором приведена на рис. 5.1, а, с фазным ротором – на рис. 5.1, в, а соответствующие им механические характеристики в двигательном режиме на рис. – 5.1, б и г.

Вращающий момент М (Н∙м) на валу двигателя, угловая скорость ω (рад/с), частота вращения n (об/мин) его вала и мощность Р (Вт), развиваемые двигателем, связаны известными соотношениями

Угловая скорость и частота вращения магнитного поля статора, называемые синхронными, будут:

где f1, р – соответственно частота сети и число пар полюсов.

Принцип действия асинхронного электродвигателя заключается в следующем. Трехфазный ток, протекающий по обмотке статора, создает вращающееся магнитное поле с частотой вращения n (или угловой скоростью ω). Это поле, пересекая обмотки статора и ротора, индуктирует в них ЭДС. ЭДС статора и падение напряжения в обмотке статора уравновешивают приложенное напряжение питающей сети. ЭДС ротора создает в замкнутых проводниках ротора ток, который взаимодействует с полем статора и приводит к созданию электромагнитного момента Мэ, действующего по направлению вращения поля и приводящего во вращение ротор (если Мэ больше Мс).

Особенностью асинхронного двигателя является отставание ротора от магнитного поля статора, которое выражается скольжением:

Наибольшую мощность Рн, с которой может работать двигатель в нормальном для него режиме, называют номинальной мощностью. Соответствующие этой мощности значения тока Iн, частоты вращения nн, скольжения Sн называют номинальными значениями данных величин. Номинальное скольжение асинхронного двигателя составляет 1,5…7 % (меньшие значения относятся к двигателям большей мощности).

Электромагнитный вращающий момент асинхронного двигателя, как и любой электрической машины, пропорционален магнитному потоку Ф и активной составляющей вторичного тока (тока ротора)

где к – конструктивный коэффициент.

Скольжение sк, при котором момент двигателя имеет максимальное (критическое) значение, называется критическим:

где R2¢ – активное сопротивление фазы ротора, приведенное к частоте и напряжению статора;

Величина критического момента Мк определяет перегрузочную способность электродвигателя. У асинхронных короткозамкнутых электродвигателей нормального исполнения кратность критического момента , у двигателей краново-металлургической серии . Величина критического момента пропорциональна квадрату напряжения в сети U1:

В сетях промышленных предприятий напряжение может изменяться, например, при пуске мощных двигателей, при ударных нагрузках, характерных для прокатных станов. Поэтому наибольшая допустимая перегрузка с учетом возможности снижения напряжения в сети на 10 % принимается .

Уравнение механической характеристики асинхронного электродвигателя имеет вид (упрощённая формула Клосса)

По данной формуле, зная значения Мк и sк, можно рассчитать соответствующие значения момента М для разных положительных и отрицательных значений s (в том числе и значений s

В каталогах обычно приводят следующие технические данные асинхронного двигателя: Рн (кВт), n и n (об/мин), и (Мп– пусковой момент). По этим данным можно определить значения всех величин, необходимых для расчета и определения механических характеристик по (5.1), из выражений , , ; ;

Из рис. 5.1 видно, что верхний (рабочий) участок естественной механической характеристики обладает большой жесткостью β (β = dM/ds). Увеличение сопротивления в цепи ротора (рис. 5.1, г) приводит к увеличению критического скольжения sк, а критический момент Мк остается неизменным, т. е. жесткость искусственных механических характеристик уменьшается с увеличением активного сопротивления в цепи ротора.

Активное сопротивление фазы обмотки ротора можно определить по формуле

где Е, I – соответственно фазная ЭДС и номинальный ток обмотки ротора (находят по каталогу).

Пример. Рассчитать естественную механическую характеристику асинхронного короткозамкнутого двигателя типа А2-72-4 с Рн = 30 кВт; Uн = 380 В; nн = 1460 об/мин; λк = 2.

Решение

5. Уравнение механической характеристики

6. Задаваясь значениями s для двигательного режима от 0 до 1, рассчитываем соответствующие им значения момента М (табл. 5.1) и строим характеристику (рис. 5.2).

s 0,026 0,04 0,1 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
n, об/мин
М, Н×м

Асинхронный двигатель может работать во всех трех известных тормозных режимах.

Рекуперативное торможение с отдачей энергии в сеть можно получить, если к валу асинхронного двигателя, подключенного к сети, приложить добавочный момент по направлению вращения такой величины, чтобы ротор стал вращаться со скоростью выше синхронной (ω > ω). При этом скольжение будет отрицательным s = (ω – ω)/ω 1 или ) и располагаются во II и IV квадратах (рис. 5.3, линии с четырьмя засечками). Таким образом, ротор двигателя, включенного на подъем, вращается в противоположную сторону, так как в цепь ротора введено большое сопротивление и момент электродвигателя достигает момента сопротивления лишь при отрицательном скольжении (на рис. 5.3, точка Б). Такой режим часто используется в металлургических кранах при спуске грузов в тормозном режиме.

Торможение противовключением может осуществляться реверсом магнитного поля статора (переменой мест двух фаз статора). Одновременно в цепь ротора вводится ступень реостата, ограничивающая ток и увеличивающая тормозной момент. На рис. 5.3 показан график перехода асинхронного двигателя с фазным ротором в режиме торможения противовключением. В точке 1 двигательного режима осуществляется реверс и двигатель переходит на работу в точку 2, по линии 2–3 осуществляется интенсивное торможение противовключением. В точке 3 двигатель останавливается и его необходимо отключить от сети, иначе он начнет вращаться в противоположном направлении.

В режиме динамического торможения двигатель отключают от сети переменного тока и две фазы обмотки статора подключают к источнику постоянного тока. В статоре создается неподвижное в пространстве магнитное поле, которое индуктирует в обмотках вращающегося ротора ток. Взаимодействие его с неподвижным полем статора создает тормозной момент. На рис. 5.3 показаны механические характеристики в этом режиме при различных значениях сопротивления цепи ротора (линии с тремя засечками).

На рис. 5.4 представлена схема осуществления динамического торможения с самовозбуждением, когда для возбуждения используется выпрямленное напряжение обмотки ротора. Условие самовозбуждения наступает лишь при определенном граничном значении угловой скорости , которое зависит от суммарного сопротивления фазы ротора. Таким образом, в интервале от 0 до условие самовозбуждения отсутствует, а механическая характеристика (рис. 5.4, б) совпадает с осью ординат. При двигатель самовозбуждается и его момент быстро увеличивается до значения, определяемого моментом нагрузки на валу. Увеличение сопротивления роторной цепи приводит к возрастанию (рис. 5.4, кривая 2). Механические характеристики имеют достаточно высокую
жесткость, что позволяет получать низкие устойчивые скорости спуска грузов. Достоинством этого режима торможения является экономичность, поскольку при спуске груза энергия из сети не потребляется.

Пуск асинхронных электродвигателей. Для ограничения бросков тока и повышения пускового момента пуск электродвигателей, особенно средней и большой мощности, осуществляется через специальное пусковое устройство. Простейшее из них – пусковой реостат, секции которого изготовлены из стали, чугуна, хрома, фехраля и других сплавов с повышенным сопротивлением. По мере разгона двигателя реостат выводится ступенями.

В случае если питающая сеть недостаточно мощная, применяется пуск асинхронных двигателей при пониженном напряжении с помощью реактора L или автотрансформатора (рис. 5.5). При реакторном пуске сначала замыкается линейный контактор КМ1, а после разгона двигателя – контактор КМ2, а КМ1 отключается. При автотрансформаторном пуске сначала включаются контакторы КМ1 и КМ3, а после разгона двигателя КМ1 и КМ3 отключаются, а контактор КМ2 включает двигатель на полное напряжение сети.

Регулирование скорости асинхронных электродвигателей. Способы регулирования скорости асинхронного электропривода определяются из анализа уравнения механической характеристики асинхронного двигателя:

и формулы угловой скорости вращения поля статора

где Uф – фазное напряжение сети;

R2∑ – приведенное к статору сопротивление роторной цепи;

R1 – сопротивление обмотки статора;

p – число пар полюсов;

Xк – реактивное сопротивление короткого замыкания.

Изменением числа пар полюсов обеспечивается ступенчатое регулирование синхронной угловой скорости двигателя ω. Такой способ регулирования скорости может быть реализован только при использовании специальных АД, получивших название м н о г о с к о р о с т н ы х. Особенность этих АД состоит в том, что их каждая фаза статорной обмотки имеет две одинаковые секции (полуобмотки). За счет разных схем их соединения можно изменять число пар полюсов р АД. Ротор многоскоростных АД обычно выполняется короткозамкнутым.

Так как число пар полюсов АД может принимать только дискретные значения (р = 1, 2, 3, 4, . ), то и скорость АД этим способом может регулироваться лишь ступенчато.

Наиболее часто на практике применяются две схемы переключения статорной обмотки многоскоростных АД: с треугольника на двойную звезду и со звезды на двойную звезду. Схема, в которой фазы статорной обмотки образованы двумя параллельно включенными секциями, получила название двойной звезды. Схему переключения «звезда – двойная звезда» целесообразно применять при постоянном моменте нагрузки Мс, а схему «треугольник – двойная звезда» – при нагрузке, имеющей характер постоянной мощности. Помимо двухскоростных АД применяются также трех- и четырехскоростные. Первые из них кроме переключаемой обмотки статора имеют также и одну непереключаемую обмотку. Четырехскоростные АД имеют две переключаемые обмотки статора с различным числом пар полюсов.

Рассматриваемый способ регулирования скорости АД характеризуется рядом положительных показателей, что определяет широкое его применение в регулируемом электроприводе переменного тока . К ним прежде всего следует отнести экономичность, так как регулирование скорости не сопровождается выделением в роторной цепи дополнительных потерь энергии, вызывающих излишний нагрев АД и ухудшающих его КПД. Недостатком способа является ступенчатость изменения скорости двигателя и относительно небольшой диапазон ее регулирования, не превышающий обычно 6…8.

При регулировании скорости введением реостата в цепь ротора вся энергия скольжения выделяется в виде потерь в цепи двигателя. Недостатки способа: уменьшение стабильности скорости при ее снижении, ступенчатость и относительно малый диапазон регулирования (2 : 1). Данный метод нашел широкое применение в металлургических кранах из-за простоты и малой стоимости применяемой аппаратуры.

Благодаря разработке и внедрению надежных тиристорных преобразователей частоты (ТПЧ) стало широко применяться частотное управление асинхронными электроприводами. Достоинства метода: регулирование производится при малых потерях скольжения, плавное регулирование скорости, возможность применения асинхронных короткозамкнутых двигателей, диапазон регулирования до 100 : 1.

Регулирование скорости асинхронного привода изменением питающего напряжения осуществляется путем включения по встречно-параллельной схеме в каждую фазу статора двух тиристоров (рис. 5.6, а). Изменяя угол регулирования тиристоров, можно плавно регулировать величину подводимого к статору напряжения. При этом снижается критический момент двигателя и увеличивается наклон механических характеристик, так как вращающий момент двигателя пропорционален квадрату напряжения фазы статора (рис. 5.6, б). Практически этот метод регулирования находит применение лишь для двигателей с фазным ротором в замкнутых системах управления с тиристорными регуляторами напряжения.

Электромеханические свойства синхронных двигателей.Синхронные двигатели в основном применяются в приводах средней и большой мощности, когда режим работы длительный и не требуется регулирования скорости: воздуходувки, компрессоры, вентиляторы, насосы, дробилки, мельницы, приводы черновых клетей прокатных станов и др. Достоинства двигателей: простота конструкции, надежность, высокие значения cosφ и КПД, возможность работы с cosφ = 1 и даже с опережающим током, что позволяет осуществлять компенсацию реактивной мощности других электроприемников сети.

Схема синхронного двигателя приведена на рис. 5.7. На роторе расположены две обмотки: короткозамкнутая (пусковая) ОП и возбуждения постоянного тока ОВ. Обмотка возбуждения двигателя при пуске замыкается на разрядный резистор Rр, который предохраняет ее от пробоя. При скорости, близкой к синхронной (ω ≥ 0,95ω), обмотка возбуждения автоматически подключается к источнику постоянного тока на полное напряжение (контакты КМ замыкаются). При этом двигатель входит в синхронизм. Для нормального вхождения в синхронизм необходимо, чтобы входной момент был больше статического момента на валу: Мвх > Мс.

Механическая характеристика синхронного двигателя абсолютно жесткая и представляет собой прямую, параллельную оси моментов, т.е. скорость двигателя независимо от нагрузки остается постоянной и равной скорости вращения магнитного поля статора. При увеличении нагрузки на валу электродвигателя возрастает лишь угол сдвига (θ) оси полюсов ротора относительно полюсов вращающегося поля статора (или угол сдвига вектора напряжения статора относительно вектора ЭДС, индуктированной в обмотке статора полем ротора). Зависимость момента двигателя М от угла θ называется угловой характеристикой синхронного двигателя, которая представляет собой синусоиду: М = Мmaxsinθ.

При холостом ходе оси полюсов ротора и поля статора совпадают (θ = 0 и М = 0). При увеличении нагрузки угол возрастает, соответственно возрастает и момент электродвигателя М. При дальнейшем увеличении нагрузки (θ > 90 о ) момент М начнет уменьшаться, что соответствует выпадению электродвигателя из синхронизма и его остановке. Номинальной нагрузке на валу соответствует угол θ = 20…30°. Поэтому перегрузочная способность синхронного двигателя λк = Мmax / Мн = 2–3.

Максимальный момент Мmax пропорционален фазному напряжению сети и току в обмотке возбуждения. Поэтому перегрузочная способность синхронного двигателя может быть повышена путем увеличения тока возбуждения, что позволяет обеспечить устойчивую работу двигателя при значительных толчках нагрузки и колебаниях напряжения сети. Синхронный двигатель менее чувствителен к колебаниям напряжения сети, чем асинхронный, так как его момент пропорционален первой степени напряжения.

Для синхронного двигателя принципиально возможны все три способа торможения – рекуперативное, динамическое и противовключением. Практически используется только динамическое торможение. Рекуперативное торможение не применяется, так как нельзя получить снижения скорости без применения преобразователя частоты. В режиме противовключения электродвигатель, работая в асинхронном режиме, потребляет из сети большой ток, а так как его пусковая (асинхронная) обмотка рассчитана на кратковременную работу и длительное протекание по ней больших токов недопустимо, такое торможение нежелательно.

При динамическом торможении возбуждение синхронного двигателя сохраняется, а обмотка статора отключается от сети и замыкается на тормозной резистор. Его механические характеристики в этом режиме подобны характеристикам асинхронного двигателя при динамическом торможении.

Особенностью синхронного двигателя является то, что путем изменения тока возбуждения можно регулировать потребляемую из сети реактивную мощность. В процессе изменения тока возбуждения вектор тока двигателя может совпадать с вектором напряжения сети, отставать от него или опережать. В случае совпадения данных векторов двигатель потребляет из сети только активную мощность (cosφ = 1). Когда вектор тока двигателя опережает вектор напряжения сети, двигатель отдает в сеть реактивную мощность. Это свойство синхронного двигателя широко используют для компенсации реактивных нагрузок цехов или всего завода. В данном случае синхронный двигатель выполняет кроме основной функции также и функцию синхронного компенсатора, что дает большой экономический эффект.

Дата добавления: 2015-12-01 ; просмотров: 3699 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Регулирование скорости асинхронного двигателя изменением числа пар полюсов путем переключения обмотки статора со «звезды» на «двойную звезду»

Дата добавления: 2014-10-07 ; просмотров: 1898 ; Нарушение авторских прав

При переключении обмотки статора первым способом двигатель при пуске включа

ют в сеть по схеме «звезда» ( рис. 4.15, а ), при этом питание сети подается на выводы С1, С2 и С3.

Секционные группы Н1-К1 и Н2-К2 в каждой фазной обмотке соединены последо-

Рис. 4.15. Схемы включения и механические характеристики асинхронного двигателя при переключении обмотки статора со «звезды» на «двойную звезду»

( а ) и с «треугольника» на «двойную звезду» ( б )

Для перехода на «двойную звезду» поступают так:

а ) снимают питание с выводов С1, С2 и С3;

б ) при помощи контактов первого трехполюсного контактора соединяют вместе вы

воды Н1 и К2 в каждой фазной обмотке;

в ) при помощи контактов второго трехполюсного контактора подают питание на средние выводы С4, С5, С6 фазных обмоток

В результате этих переключений секционные группы в каждой фазной обмотке сое

диняются параллельно, в целом образуя две «звезды», включены параллельно.

Переходный процесс протекает по траектории «0АВСD».

При пуске двигатель включают «звездой», при этом он переходи из точки «» в точку «А», развивая пусковой момент, выражаемый отрезком «».

Поскольку в точке «А» пусковой момент больше номинального М , двигатель раз

гоняется по участку «АВ».

В точке «В» наступает установившийся режим на «звезде».

При переключении обмотки на «двойную звезду» двигатель при постоянстве скоро

сти ( из-за инерции массивного ротора ) переходит из точки «В» в точку «С», после чего разгоняется до точки «D», в которой наступает установившийся режим на «двойной звез-

Переходный процесс протекает по траектории «0АВСD».

Основные параметры двигателя соотношения для «звезды» и «двойной звезды» та-

1. синхронная угловая скорость ротора

т.е. при переходе на двойную звезду скорость увеличилась в 2 раза;

2. критический и номинальный моменты одинаковы

3. полезная мощность двигателя ( мощность на валу )

т.е. при переходе на двойную звезду мощность увеличилась в 2 раза ( за счет увели

чения скорости в 2 раза ).

По закону сохранения энергии, в случае увеличения полезной ( механической ) мощности в 2 раза мощность двигателя, потребляемая из сети

Р = UI cosφ ( 8.15 )также должна увеличиться в 2 раза.

Такое удвоение электрической мощности объясняется тем, что на «звезде» двига-

тель потребляет из сети линейный ток Iн, протекающий ( на рис. 8.27 – сверху вниз ) через последовательно соединенные секционные группы ( половины обмотки ), поэтому

. При переходе на двойную звезду потребляет из линии удвоенный ток Iн, протекаю

щий ( рис. 8.27 ) через параллельно соединенные секционные группы, поэтому

Регулирование скорости переключением обмотки статора со «звезды» на «двой-

ную звезду» не связано с опасностью опрокидывания двигателя и поэтому используется в электроприводах ГПМ и ЯШУ.

| следующая лекция ==>
Принцип получения разного числа пар полюсов | Сов путем переключения обмотки статора с «треугольника» на «двойную звезду»

Не нашли то, что искали? Google вам в помощь!

ЭП. 9. Регулирование частоты вращения асинхронного двигателя путем введения резисторов в цепь ротора

Полезен материал? Поделись:
Название 9. Регулирование частоты вращения асинхронного двигателя путем введения резисторов в цепь ротора
Анкор ЭП.docx
Дата 28.09.2020
Размер 1.8 Mb.
Формат файла
Имя файла ЭП.docx
Тип Документы
#23070
Подборка по базе: Тема 6 Гос регулирование КФХ.docx, Правовое регулирование социального обслуживания лиц пожилого воз, ГОС. РЕГУЛИРОВАНИЕ РЕГИОНАЛЬНОГО РАЗВИТИЯ.docx, Банковское регулирование и надзор в РФ.docx, Банковское регулирование и надзор в РФ.docx, Лекции. Праовое регулирование и деонтология СМИ.docx, Определение начала-концов обмотки асинхронного электродвигателя., РАСЧЕТ МЕХАНИЧЕСКОЙ И ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ ХАРАКТЕРИСТИК АСИНХРОН, ДИПЛОМ. правовое регулирование закупок.doc.

В простейшей системе Г–Д изменение питающего напряжения (выходного напряжения генератора) происходит путем изменения тока возбуждения в независимой обмотке возбуждения генератора (например, с помощью реостата в цепи возбуждения). Снижение питающего напряжения приводит к снижению частоты вращения двигателя при сохранении рабочего момента и жесткости рабочих характеристик (справедливо для двигателей с независимым и параллельным возбуждением).

9.Регулирование частоты вращения асинхронного двигателя путем введения резисторов в цепь ротора

Введение резисторов в цепь ротора приводит к увеличению потерь мощности и снижению частоты вращения ротора двигателя за счет увеличения скольжения, поскольку n = nо (1 — s).

Из рис. 1 следует, что при увеличении сопротивления в цепи ротора при том же моменте частота вращения вала двигателя уменьшается.

Жесткость механических характеристик значительно снижается с уменьшением частоты вращения, что ограничивает диапазон регулирования до (2 — 3) : 1. Недостатком этого способа являются значительные потери энергии, которые пропорциональны скольжению. Такое регулирование возможно только для двигателя с фазным ротором.

Регулирование частоты вращения асинхронного двигателя изменением напряжения на статоре

. Для этого между сетью переменного тока со стандартным напряжением U1ном и статором электродвигателя включается регулятор напряжения.

При регулировании частоты вращения асинхронного двигателя изменением напряжения, подводимого к обмотке статора, критический момент Мкр асинхронного двигателя изменяется пропорционально квадрату подводимого к двигателю напряжения Uрег (рис. 3), а скольжение от Uрег не зависит.

Рис. 1. Механические характеристики асинхронного двигателя с фазным ротором при различных сопротивлениях резисторов, включенных в цепь ротора

Рис. 2. Схема регулирования скорости асинхронного двигателя путем изменения напряжения на статоре

Рис. 3. Механические характеристики асинхронного двигателя при изменении напряжения подводимого к обмоткам статора

Если момент сопротивления рабочей машины больше пускового момента электродвигателя (Мс > Мпуск), то двигатель не будет вращаться, поэтому необходимо запустить его при номинальном напряжении 17ном или на холостом ходу.

Регулировать частоту вращения короткозамкнутых асинхронных двигателей таким способом можно только при вентиляторном характере нагрузки. Кроме того, должны использоваться специальные электродвигатели с повышенным скольжением. Диапазон регулирования небольшой, до nкр.

Для изменения напряжения применяют трехфазные автотрансформаторы и тиристорные регуляторы напряжения.

Рис. 4. Схема замкнутой системы регулирования скорости тиристорный регулятор напряжения — асинхронный двигатель (ТРН — АД)

Замкнутая схема управления асинхронным двигателем, выполненным по схеме тиристорный регулятор напряжения — электродвигатель позволяет регулировать скорость асинхронного двигателя с повышенным скольжением (такие двигатели применяются в вентиляционных установках).

Регулирование частоты вращения асинхронного двигателя изменением частоты питающего напряжения

Так как частота вращения магнитного поля статора nо = 60f/р, то регулирование частоты вращения асинхронного двигателя можно производить изменением частоты питающего напряжения.

Принцип частотного метода регулирования скорости асинхронного двигателя заключается в том, что, изменяя частоту питающего напряжения, можно в соответствии с выражением при неизменном числе пар полюсов р изменять угловую скорость nо магнитного поля статора.

Этот способ обеспечивает плавное регулирование скорости в широком диапазоне, а механические характеристики обладают высокой жесткостью.

Для получения высоких энергетических показателей асинхронных двигателей (коэффициентов мощности, полезного действия, перегрузочной способности) необходимо одновременно с частотой изменять и подводимое напряжение. Закон изменения напряжения зависит от характера момента нагрузки Мс. При постоянном моменте нагрузки напряжение на статоре должно регулироваться пропорционально частоте.

Схема частотного электропривода приведена на рис. 5, а механические характеристики АД при частотном регулировании — на рис. 6.

Рис. 5. Схема частотного электропривода

Рис. 6. Механические характеристики асинхронного двигателя при частотном регулировании

С уменьшением частоты f критический момент несколько уменьшается в области малых частот вращения. Это объясняется возрастанием влияния активного сопротивления обмотки статора при одновременном снижении частоты и напряжения.

Частотное регулирование скорости асинхронного двигателя позволяет изменять частоту вращения в диапазоне (20 — 30) : 1. Частотный способ является наиболее перспективным для регулирования асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Потери мощности при таком регулировании невелики, поскольку минимальны потери скольжения.

Большинство современных преобразователей частоты построено по схеме двойного преобразования. Они состоят из следующих основных частей: звена постоянного тока (неуправляемого выпрямителя), силового импульсного инвертора и системы управления.

Звено постоянного тока состоит из неуправляемого выпрямителя и фильтра. Переменное напряжение питающей сети преобразуется в нем в напряжение постоянного тока.

Силовой трехфазный импульсный инвертор содержит шесть транзисторных ключей. Каждая обмотка электродвигателя подключается через соответствующий ключ к положительному и отрицательному выводам выпрямителя. Инвертор осуществляет преобразование выпрямленного напряжения в трехфазное переменное напряжение нужной частоты и амплитуды, которое прикладывается к обмоткам статора электродвигателя.

В выходных каскадах инвертора в качестве ключей используются силовые IGBT-транзисторы. По сравнению с тиристорами они имеют более высокую частоту переключения, что позволяет вырабатывать выходной сигнал синусоидальной формы с минимальными искажениями. Регулирование выходной частоты Iвых и выходного напряжения осуществляется за счет высокочастотной широтно-импульсной модуляции.

Регулирование частоты вращения асинхронного двигателя переключение числа пар полюсов

Ступенчатое регулирование скорости можно осуществить, используя специальные многоскоростные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором.

Из выражения nо = 60f/р следует, что при изменении числа пар полюсов р получаются механические характеристики с разной частотой вращения nо магнитного поля статора. Так как значение р определяется целыми числами, то переход от одной характеристики к другой в процессе регулирования носит ступенчатый характер.

Существует два способа изменения числа пар полюсов. В первом случае в пазы статора укладывают две обмотки с разным числом полюсов. При изменении скорости к сети подключается одна из обмоток. Во втором случае обмотку каждой фазы составляют из двух частей, которые соединяют параллельно или последовательно. При этом число пар полюсов изменяется в два раза.

Рис. 7. Схемы переключения обмоток асинхронного двигателя: а — с одинарной звезды на двойную; б — с треугольника на двойную звезду

Регулирование скорости путем изменения числа пар полюсов экономично, а механические характеристики сохраняют жесткость. Недостатком этого способа является ступенчатый характер изменения частоты вращения асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Выпускаются двухскоростные двигатели с числом полюсов 4/2, 8/4, 12/6. Четырехскоростной электродвигатель с полюсами 12/8/6/4 имеет две переключаемые обмотки.

Использованы материалы книги Дайнеко В.А., Ковалинский А.И. Электрооборудование сельскохозяйственных предприятий.

В зависимости от способа возбуждения различают четыре типа двигателей постоянного тока:
— двигатель постоянного тока с независимым возбуждением (обмотка возбуждения питается от отдельного источника или возбуждение осуществляется постоянными магнитами);
— двигатель постоянного тока с параллельным возбуждением (обмотка возбуждения и обмотка якоря подключены параллельно к одному источнику);
— двигатель постоянного тока с последовательным возбуждением (обмотка возбуждения подключена последовательно обмотке якоря);
— двигатель постоянного тока со смешанным возбуждением (имеет две обмотки возбуждения — последовательную и параллельную, намотанные на одни и те же полюса).

Двигатель постоянного тока с параллельным возбуждением:

Скорость вращения двигателя постоянного тока можно регулировать тремя способами:

1) изменяя сопротивление в цепи якоря;

Рис. 5.12

При увеличении сопротивления в цепи якоря, уменьшается величина напряжения, подводимого к обмоткам якоря, что приводит к уменьшению скорости вращения.

2) изменяя подводимое к цепи якоря напряжение;

Рис. 5.13

При уменьшении напряжения уменьшается скорость холостого хода, но наклон характеристики остается при этом неизменным.

Недостаток: увеличение напряжения приводит к ухудшению коммутации.

3) изменяя магнитный поток главных магнитных полюсов Ф с помощью регулировочного реостата R р.

Рис. 5.14

При увеличении сопротивления в цепи обмотки возбуждения уменьшается магнитный поток, что приводит к увеличению скорости холостого хода. (Rp↑ → IB↓ → Ф↓ → n↑).

Недостаток: магнитный поток можно увеличивать не более, чем в два раза, т.к. увеличение скорости приводит к ухудшению коммутации.

Двигатель постоянного тока с последовательным возбуждением:

Из механической характеристики видно, что при уменьшении момента на валу до нуля, скорость вращения стремится к бесконечности, т.е. двигатель «идет в разнос».

Скорость вращения двигателя постоянного тока можно регулировать тремя способами:

1) изменяя сопротивление в цепи якоря;

2) изменяя напряжение сети;

Увеличивая сопротивление реостата Rр3, уменьшается величина напряжения, подводимого к обмотке якоря, что приводит к уменьшению скорости вращения

3) изменяя поток возбуждения (путем включения реостатов параллельно обмотке якоря или обмотке возбуждения).

Если реостат включается параллельно обмотке возбуждения, то магнитный поток уменьшается от номинального до минимального и скорость вращения увеличивается (рис.5.19).

Если реостат включается параллельно обмотке якоря, то магнитный поток увеличивается, а частота вращения уменьшается (рис.5.20).

Двигатель постоянного тока со смешанным возбуждением:

Механическая характеристика двигателя со смешанным возбуждением (3) располагается между характеристиками двигателя с параллельным возбуждением (2) и двигателя с последовательным возбуждением (1). Такая характеристика позволяет получить значительный пусковой момент и исключает возможность разноса двигателя при холостом ходе.

Регулирование скорости осуществляется аналогично двигателю с параллельным возбуждением.

12.,с 12-15.13 уравнения с 42-43 метод

15.Существует три способаторможения двигателей постоянного тока: 1) рекуперативное ( с возвратом энергии в сеть); 2) динамическое; 3) противовключение. [5]

Во всех указанных режимах электромагнитный момент М воздействует на якорь в направлении, противоположном и, т. е. является тормозным.

Рекуперативное торможение. Двигатель с параллельным возбуждением переходит в режим рекуперативного торможения при увеличении его частоты вращения и выше п = U/ceФ. В этом случае ЭДС машины становится больше напряжения сети и ток согласно (8.80) изменяет свое направление, т. е. двигатель переходит в генераторный режим. В этом режиме машина создает тормозной момент, а выработанная электрическая энергия отдается в сеть и может быть полезно использована.

В машине с параллельным возбуждением (рис. 8.71, а) механические характеристики генераторного режима являются

Рис. 8.71. Схема и механические характеристики машины постоянного тока в двигательном и генераторном режимах

продолжением механических характеристик двигательного режима в область отрицательных моментов (рис. 8.71, б). Поэтому переход из двигательного режима в генераторный может происходить автоматически, если под действием внешнего момента якорь будет вращаться с частотой n > n. Можно перевести машину в генераторный режим и принудительно, если перевести ее на работу с характеристики 1 на характеристику 2, уменьшив n путем увеличения магнитного потока (тока возбуждения) или снижения напряжения, подводимого к двигателю, В этом случае некоторой частоте вращения и соответствует на характеристике 1 двигательный режим (точка А), а на характеристике 2 — режим рекуперативного торможения (точка В).

Двигатели с последовательным возбуждением не могут переходить в резким рекуперативного торможения. При необходимости рекуперативного торможения схему двигателей в тормозном режиме изменяют, превращая двигатели в генераторы с независимым возбуждением.

Рис. 8.72. Схема и механические характеристики двигателя с параллельным возбуждением в режиме динамического торможения

Двигатели со смешанным возбуждением могут автоматически переходить в генераторный режим, что обусловило их применение в троллейбусах, трамваях и других устройствах с частыми остановками, где двигатель должен обладать мягкой механической характеристикой.

Динамическое торможение . При этом виде торможения двигателя с параллельным возбуждением обмотку якоря отключают от сети и присоединяют к ней реостат Rдо6 (рис. 8.72, а) При этом машина работает как генератор, создает тормозной момент, но выработанная электрическая энергия бесполезно гасится в реостате. Регулирование тока Ia = Е/(ΣRa + Rдоб), т. е. тормозного момента М, осуществляют путем изменения сопротивления Rдоб, подключенного к обмотке якоря

(рис. 8.72, б), или ЭДС Е (воздействуют на ток возбуждения). При n = 0 тормозной момент Мравен нулю, следовательно, машина не может быть заторможена в неподвижном состоянии.

Рис. 8.73. Схемы машины с последовательным возбуждением в режимах двигательном (в) и динамического торможения (б)

Двигатель с последовательным возбуждением может работать в режиме динамического торможения при независимом возбуждении и при самовозбуждении. При независимом возбуждении обмотку возбуждения отключают от обмотки якоря и подключают к питающей сети последовательно с резистором, сопротивление которого выбирают так, чтобы ток возбуждения не превышал номинального значения. При этом механические характеристики двигателя линейные (см. рис. 8.72, б). При самовозбуждении при переводе машины в генераторный режим необходимо переключить провода, подводящие ток к обмотке возбуждения (рис. 8.73, а, б). Последнее необходимо для того, чтобы при изменении направления тока в якоре (при переходе с двигательного режима в генераторный) направление тока в обмотке возбуждения оставалось неизменным и создаваемая этой обмоткой МДС Fв совпадала по направлению с МДС Fост от остаточного магнетизма. В противном случае генераторы с самовозбуждением размагничиваются.

Рис. 8.74. Зависимости ЭДС от тока якоря для двигателя с последовательным возбуждением в режиме динамического

На рис. 8.74 показаны зависимости ЭДС Еот тока якоря Iа при различных частотах вращения (n1 > n2 > n3 > n4) и вольт-амперные характеристики Iа(ΣRa + Rдоб) = f(Ia) полного сопротивления, включенного в цепь якоря (Rдоб1> Rдоб2 > Rдоб3).

Точки пересечения А1, А2 и А3 указанных зависимостей определяют значения тока якоряIa = сеnФ/(ΣRa + Rдоб), при котором работает машина в режиме динамического торможения, а следовательно, и значение тормозного момента — М. При увеличении n и неизменном значении Rдоб возрастает ЭДС, ток якоря и тормозной момент.

Самовозбуждение оказывается возможным только при частоте вращения, большей некоторого критического значения nкр, при котором вольт-амперная характеристика сопротивления цепи якоря располагается по касательной к зависимости Е = f(Ia). Так, например, при подключении к машине реостата, с сопротивлением Rдоб1 тормозной режим при частоте вращения n1 может быть реализован (точка А1);

Рис. 8.75. Зависимость частоты вращения от тока двигателя в режиме динамического торможения якоря (а) и механические характеристики (б)

при уменьшении же ее до значения n2 он невозможен. На рис. 8.75,а показаны зависимости частоты вращения от тока якоря, а на рис. 8.75,б

Рис.8.76. схема и механические характеристики двигателей в режиме электромагнитного торможения

— механические характеристики двигателя при работе в режиме динамического торможения. В соответствии с рис. 8.74 при увеличении Rдоб динамическое торможение оказывается возможным при более высоких частотах вращения (nкр1 > nкр2 > nкр3). Двигатель со смешанным возбуждением также может работать в режиме динамического торможения.

Торможение электродвигателейпостоянного тока

В электроприводах с электродвигателями постоянного тока применяют три способа торможения: динамическое, рекуперативное и торможение противовключением.

Динамическое торможениеэлектродвигателя постоянного тока осуществляется путем замыкания обмотки якоря двигателя накоротко или через резистор. При этом электродвигатель постоянного тока начинает работать как генератор, преобразуя запасенную им механическую энергию в электрическую. Эта энергия выделяется в виде тепла в сопротивлении, на которое замкнута обмотка якоря. Динамическое торможение обеспечивает точный останов электродвигателя.

Рекуперативное торможение электродвигателя постоянного тока осуществляется в том случае, когда включенный в сеть электродвигатель вращается исполнительным механизмом со скоростью, превышающей скорость идеального холостого хода. Тогда э. д. с, наведенная в обмотке двигателя, превысит значение напряжения сети, ток в обмотке двигателя изменяет направление на противоположное.Электродвигатель переходит на работу в генераторном режиме, отдавая энергию в сеть. Одновременно на его валу возникает тормозной момент. Такой режим может быть получен в приводах подъемных механизмов при опускании груза, а также при регулировании скорости двигателя и во время тормозных процессов в электроприводах постоянного тока.

Рекуперативное торможение двигателя постоянного тока является наиболее экономичным способом, так как в этом случае происходит возврат в сеть электроэнергии. В электроприводе металлорежущих станков этот способ применяют при регулировании скорости в системах Г — ДПТ и ЭМУ — ДПТ.

Торможение противовключением электродвигателя постоянного тока осуществляется путем изменения полярности напряжения и тока в обмотке якоря. При взаимодействии тока якоря с магнитным полем обмотки возбуждения создается тормозной момент, который уменьшается по мере уменьшения частоты вращения электродвигателя. При уменьшении частоты вращения электродвигателя до нуля электродвигатель должен быть отключен от сети, иначе он начнет разворачиваться в обратную сторону.

Рассмотрим три основных способа электрического торможения асинхронных двигателей.

Торможение по способу противовключения, как было указано, производится при переключении двигателя на ходу. Магнитное поле при этом вращается в другую сторону относительно направления вращения двигателя, и вращающий момент двигателя является тормозным — действует против направления вращения.

Генераторное торможение имеет место при переключении многоскоростного двигателя на ходу с большей скорости на меньшую, т.е. при переключении машины с меньшего числа полюсов на большее. В первый момент переключения скорость двигателя оказывается намного больше скорости его поля, т.е., скольжение получается отрицательным и машина переходит в режим работы генератором. Торможение происходит с превращением кинетической энергии вращающихся частей в электрическую энергию, которая за вычетом потерь в машине отдается в сеть. Генераторное торможение может быть также в подъемнике при спуске тяжелого груза, разгоняющего двигатель до скорости, превышающей синхронную; тогда машина начинает отдавать в сеть энергию, сообщаемою ей опускающимся грузом.

Торможение в режиме работы генератором возможно только при сверхсинхронной скорости. Если двигатель в конце торможения должен быть остановлен, то к концу торможении следует перейти на механическое торможение или на другой вид электрического (динамическое, противовключение). Фиксации положения в конце при необходимости производится только с помощью механического тормоза.

При динамическом торможении обмотка статора двигателя отключается от трехфазной сети и включается в сеть постоянного или однофазного переменного токи. При этом возможны различные способы соединения фаз обмотки статора.

Обмотка статора, питаемая постоянным током, создает неподвижное магнитное поле. Аналогично тому, как при нормальной работе двигателя его вращающееся поле увлекает за собой ротор, неподвижное поле при динамическом торможении заставляет ротор быстро останавливаться. Кинетическая энергия вращающихся частей переходит в теплоту, выделяющуюся в цепи ротора за счет токов, индуктированных в ней неподвижным полем статора. Плавность торможения обеспечивается регулированием напряжения на зажимах статора, Тормозной момент двигателя с фазным ротором может регулироваться также реостатом в цепи ротора. Недостатком динамического торможения является необходимость наличия источника постоянного тока с низким напряжением.

Общие сведения об электрических машинах — Регулирование скорости вращения трехфазных асинхронных двигателей

Содержание материала

Общие положения

Из выражения для скорости вращения трехфазного асинхронного двигателя, представленного в виде,

видны следующие принципиально возможные способы регулирования его скорости вращения:

  1. путем изменения числа оборотов вращающегося магнитного поля пи что, в свою очередь, возможно осуществить двумя путями: а) изменением частоты напряжения подводимого к статору двигателя, б) изменением числа полюсов обмотки статора;
  2. изменением скольжения двигателя s при данном числе оборотов вращающегося магнитного поля щ.

Следует иметь в виду, что у самовентилируемых двигателей при снижении скорости вращения ухудшаются условия охлаждения, и это необходимо учитывать при их нагрузке.
Рассмотрим, как практически может быть реализован каждый из этих способов.

Регулирование скорости вращения изменением частоты первичного напряжения (частотное регулирование)

Для этого способа регулирования скорости вращения необходим источник питания с регулируемой частотой. В установках малой и средней мощности им может быть синхронный генератор, работающий при
переменной скорости вращения, статический преобразователь частоты — ионный или полупроводниковый (транзисторный или тиристорный). Развитие полупроводниковых преобразователей делает этот источник переменной частоты все более перспективным. Необходимость в самостоятельном источнике питания двигателя, усложняя установку и повышая ее стоимость, ограничивает применение этого способа регулирования скорости вращения асинхронных двигателей.
При регулировании частоты необходимо стремиться к тому, чтобы избежать ухудшения характеристик двигателя. В большинстве случаев это достигается сохранением постоянства потока Ф, так как увеличение потока увеличивает насыщение магнитной цепи и намагничивающий ток, а уменьшение потока приводит к недоиспользованию машины, уменьшению перегрузочной способности и увеличению тока ротора /2 при требуемом значении момента М (182).
Пренебрегая относительно небольшим падением напряжения в обмотке статора, имеем
Отсюда видно, что для сохранения значения потока неизменным одновременно с регулированием частоты необходимо изменять напряжение по закону U1=f 1. Это, вообще говоря, означает дальнейшее усложнение источника питания.
В случае, когда статический момент сопротивления рабочей машины заметно уменьшается с уменьшением скорости вращения (прежде всего это относится к центробежным машинам с так называемой вентиляторной характеристикой момента Мст=п2), энергетические показатели привода (cos ф1 и г|) улучшаются при более быстром уменьшении напряжения сравнительно с уменьшением частоты; наблюдаемое уменьшение максимального момента Мтах с учетом характера изменения статического момента сопротивления с позиций перегрузочной способности в этом случае можно считать вполне приемлемым.

Регулирование скорости вращения изменением числа полюсов обмотки статора

Рис. 174. Схемы одной фазы трехфазной обмотки с переключением числа полюсов: а — 2 р = 4; б — 2 р =2.

Этот способ позволяет изменять скорость вращения только ступенями. Статор должен иметь одну специальную обмотку, допускающую переключение ее на две схемы по числу полюсов, или две. Для первого случая наиболее выполнимое соотношение полюсов равно двум, его обычно и выбирают.
Каждая фаза обмотки с переключением числа пар полюсов в отношении 2:1 состоит из двух частей (полуобмоток фаз) с одинаковым количеством катушечных групп в каждой части. Используется обычно двухслойная обмотка. Для переключения изменяют направление тока в половине катушек (рис. 174). Переключаемые части обмоток (полуобмотки фаз) можно соединять параллельно и последовательно. Переключения выполняют одинаково во всех фазах и одновременно.
Сопоставляя однообмоточный двигатель с переключением числа полюсов с двигателем, на статоре которого уложены две обмотки, каждая на свое число полюсов, можно отметить, что во втором случае ухудшено использование машины, так как на каждой ступени к сети подключена только одна из обмоток, размещенных на статоре. В то же время у двигателя с двумя обмотками на статоре схема переключателя полюсов проще, чем у однообмоточного двухскоростного двигателя, особенно если отношение двух скоростей не равно 2.
Применяя две обмотки, каждая с переключением полюсов в отношении 1 :2, можно получить 4 ступени скорости. Если лишь одна обмотка выполнена допускающей переключение, будет получено 3 ступени скорости.
С числом ступеней больше 4 двигатели не выполняют. Практически регулирование переключением числа полюсов применяется в двигателях с короткозамкнутым ротором, так как в обмотке типа беличьего колеса число полюсов автоматически устанавливается равным числу полюсов вращающегося поля, и не требуется каких-либо переключений. В двигателе же с фазным ротором одновременно с изменением числа полюсов на статоре должно быть изменено и число полюсов фазной обмотки ротора. Усложнение обмотки наряду с необходимостью устройства дополнительных контактных колец на роторе значительно усложняет его конструкцию, такие двигатели применяются редко.
В качестве основных вариантов двигателя с переключением полюсов можно принять два, при которых двигатель на всех ступенях скорости вращения имеет или постоянный момент, или постоянную мощность.
Сложность проектирования многоскоростных двигателей состоит в том, что на всех ступенях насыщение магнитной системы, с одной стороны, не должно превышать допустимых пределов, с другой — не быть столь малым, чтобы заметно ухудшалось использование машины. Достаточно высокими должны быть обмоточные коэффициенты, коэффициент мощности, коэффициент полезного действия, перегрузочная способность, и, если необходимо, начальный пусковой момент, наконец, на каждой ступени скорости вращения должна быть установлена номинальная мощность по условиям нагрева машины с учетом того, что на разных ступенях меняются условия охлаждения. В таблице 7 указан ряд схем, наиболее полно удовлетворяющих требованиям этой многогранной задачи проектирования.
ТАБЛИЦА 7

Среди указанных схема 1 (рис. 175, а) — единственная, в которой изменение момента согласуется с изменением скорости вращения в том смысле, что меньшей скорости соответствует меньший момент и наоборот. Эта схема рациональна для приводов вентиляторного типа.
В многоскоростных двигателях, спроектированных на базе серий А и А2, номинальная мощность на каждой ступени скорости вращения установлена по условиям допустимого превышения температуры обмотки статора и применена схема 4 таблицы 7 (рис. 175,б). При переключении скорости вращения условие постоянства момента или мощности не выдерживается, но на разных ступенях моменты отличаются друг от друга меньше, чем мощности. Поэтому двигатель с определенной степенью допущения можно рассматривать как двигатель с постоянным моментом.

Рис. 175. Схемы обмоток при переключении числа полюсов:
а — при двойном числе полюсов Y, при одинарном числе полюсов А; б —при двойном числе полюсов Д, при одинарном числе полюсов YY (двойная звезда).

Способ регулирования скорости вращения переключением числа полюсов широко применяется для короткозамкнутых двигателей. Достоинство его заключается в отсутствии потерь при регулировании, недостаток способа состоит в том, что регулирование ступенчатое при ограниченном числе ступеней.

Многоскоростные двигатели применяют в следующих случаях:

  1. если рабочий процесс рационально проводить на большей скорости, пуск и остановку механизма — на меньшей (например, подъемники). Здесь основная цель — останавливать без резких толчков массы, обладающие значительной инерцией;
  2. на установках с различными скоростями рабочего режима и холостого хода (например, лесопильные рамы);
  3. в установках, скорость которых желательно менять в зависимости от технологических факторов (металлорежущие и деревообрабатывающие станки, центробежные сепараторы, вентиляторы для животноводческих и птицеводческих помещений, землечерпалки).
Добавить комментарий