27672

Способы регулирования частоты вращения 3-фазных асинхронных двигателей

Лекция

Физика

Основные сведения о регулировании частоты вращения асинхронных двигателей Регулирование скорости изменением числа пар полюсов обмотки статора. Принцип получения разного числа пар полюсов. Регулирование скорости изменением числа пар полюсов путем переключения обмотки статора со «звезды» на «двойную звезду» Регулирование скорости изменением числа пар полюсов путем переключения обмотки статора с «треугольника» на «двойную звезду»

Русский

2014-03-28

537.05 KB

31 чел.

ТЕМА ЛЕКЦИИ 16

Способы регулирования частоты вращения 3-фазных асинхронных двигателей

ПЛАН ЛЕКЦИИ

  1.  Основные сведения о регулировании частоты вращения асинхронных двигателей
  2.  Регулирование скорости изменением числа пар полюсов обмотки статора. Принцип получения разного числа пар полюсов.
  3.  Регулирование скорости изменением числа пар полюсов путем переключения обмотки статора со «звезды» на «двойную звезду»
  4.  Регулирование скорости изменением числа пар полюсов путем переключения обмотки статора с «треугольника» на «двойную звезду»
  5.  Регулирование скорости асинхронного двигателя изменением частоты тока статора

 

Основные сведения

Формула частоты вращения асинхронного двигателя имеет вид

n = 60f ( 1 – s ) / р,                                          (16-1)

где:

n – частота вращения, об/мин;

f – частота тока питающей сети;

s – скольжение ротора (относительное отставание ротора от магнитного поля обмотки статора );

р – число пар полюсов вращающегося  магнитного поля статора.

Из формулы следует, что регулировать скорость асинхронного двигателя можно тремя способами:

  1. изменением f – частоты тока питающей сети;
  2. изменением скольжения– s;
  3. изменением р –  числа пар полюсов.

Кроме того, существует 4-й способ – изменением напряжения на обмотке статора.

Коротко рассмотрим  особенности каждого способа регулирования скороти вращения асинхронного двигателя.

Регулирование скорости  изменением частота тока питающей сети плавное. Оно требует применения преобразователей частоты. На судах этот способ нашел ограниченное  применение, в основном, в электроприводах тяжеловесных лебёдок, грузовых и портальных кранов.

Регулирование скорости изменением скольжения применимо только для двигателей с фазным ротором, т.к. осуществляется введением добавочных резисторов в цепь фазного ротора. Регулирование плавное, но требует применения громоздких пускорегулировочных реостатов, в которых выделяется большое количество тепла.На судах этот способ нашел ограниченное применение, в основном, в электроприводах тяжеловесных лебёдок и кранов,  а так же в брашпилях.

Регулирование скорости изменением числа пар полюсов применяют только для двигателей с короткозамкнутым ротором. Теоретически его можно применить и для двигателей с фазным ротором, но в этом случае одновременно с переключением в обмотке статора необходимо производить аналогичные переключения и в обмотке ротора. Это вызовет недопустимое усложнение конструкции и увеличение массо-габаритных параметров двигателя. Недостаток  регулирования – его ступенчатость (в соотношении 1:2:4 или 1:2:6) и высокая стоимость полюсопереключаемых электродвигателей.

Область применения на судах – самая распостранённая, в электроприводах грузовых  лебёдок и кранов, а так же брашпилей и шпилей.

Регулирование скорости изменением напряжения на обмотке статора на судах не нашло широкого применения из-за 2-х недостатков: 

1. требуется отдельное устройство ( регулятор напряжения ), позволяющее  плавно изменять его выходное напряжение как по величине, так и по фазе;

2. при понижении напряжения возникает опасность опрокидывания двигателя, т.к. при этом резко (в квадрате) уменьшается вращающий момент двигателя.

Область применения  на судах – ограниченная, в основном, в системах судовой электроавтоматики (рулевые приводы и авторулевые) для  изменения скорости двухфазных асинхронных двигателей мощностью до 150-200 Вт.  

На судах до сих пор наиболее распостраненный способ регулирования – путем изменения числа пар полюсов.  Он применяется в електроприводах грузоподъемных механизмов и якорно-швартовных устройств.

  1.  

Регулирование скорости изменением числа пар полюсов обмотки статора.

 

Принцип получения разного числа пар полюсов

 

      Фазные обмотки статора, уложенные в пазы сердечника статора, представляют собой мощные электромагниты. Уменьшая число пар полюсов обмотки статора, можно увеличивать скорость двигателя, и наоборот уменьшить, в соответствии с выражением (16-1)

n = 60f ( 1 – s ) / р.

Для получения несколько скоростей электродвигателя применяют два способа:

1. Размещают на статоре отдельные обмотки в количестве, равном числу скоростей. Эти обмотки имеют разное число пар полюсов и  при работе двигателя включаются поочередно. Например, на судах применяются двигатели серии МАП на две или три скорости ( М – морской, А – асинхронный, П – полюсо-переключаемый );

          2. На  статоре  размещают обмотку, схему которой можно изменять по одному из двух вариантов:

 а)   переключение обмотки со «звезды» на «двойную звезду»;

 б) переключение обмотки с «треугольника» на «двойную звезду».

У таких двигателей, допускающих изменение схемы обмотки, каждая фазная обмотка состоит из двух одинаковых частей (секционных групп) с выводами Н1-К1, Н2-К2 (Н – начало, К – конец).

 

     

Рис. 16.1 Схема переключения секционных групп обмотки статора с последовательного (а) на параллельное (б) соединение; Н и К – начала и концы секционных групп

Объясним принцип изменения числа пар полюсов на примере только одной фазной обмотки (рис.16.1).

Пусть секционные группы соединены последовательно при помощи перемычки К1 – Н2, а на выводы Н1 и К2 подается питание (рис. 9.18, а). Задавшись произвольно выбранным направлением тока в сторонах секций (обозначено стрелками), перенесем эти направления в поперечные сечения проводников секций в верхней части в виде крестиков и точек.

По правилу буравчика найдем направление магнитных силовых линий вокруг каждого проводника с током. Рядом расположенные силовые  линии позволят определить положение электромагнитных полюсов обмотки статора. На рис. 16.1 а таких полюсов – четыре (2р = 4), поэтому синхронная частота вращения ротора составит (число пар полюсов 2 ,р = 2)  

n= 60f / р = 60х50 / 2 = 1500 об / мин.

При  переходе от последовательного соединения к параллельному соединению  надо соединить перемычками выводы Н1 и К2 (а не Н1 и Н2) и К1 и Н2 (а не К1 и К2) (рис. 16.1 б).

Повторяя сделанные выше рассуждения, можно найти, что при переходе от последовательного к параллельному соединению секционных групп число полюсов уменьшилось в 2 раза (число пар полюсов после переключения получилось  1, р = 1, 2р = 2), поэтому синхронная частота вращения ротора составит  

n = 60f / р = 60*50 / 1 = 3000 об / мин.

.

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

 

       При переключении обмотки статора первым способом,  путем переключения обмотки статора со «звезды» на «двойную звезду» ,двигатель при пуске включают в сеть по схеме «звезда» ( рис. 16.1а ), при этом питание сети подается на выводы С1, С2 и С3. Секционные группы Н1-К1 и Н2-К2 в каждой из трех фазных обмоток соединены последовательно.

Для перехода на «двойную звезду» поступают таким образом:

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

б) при помощи контактов первого трехполюсного контактора соединяют вместе выводы Н1 и К2; в) при помощи контактов второго трехполюсного контактора подают питание на средние выводы С4, С5 и С6 фазных обмоток.

В результате этих переключений секционные группы в каждой фазной обмотке соединяются параллельно, в целом образуя две «звезды», включённые  параллельно.

Переходный процесс протекает по  траектории «0АВСD» рис.16.2. При пуске двигатель включают «звездой», он переходит из точки «0» в точку «А», развивая пусковой момент, выражаемый отрезком «0А».

Рис.16.2 Схемы включения  и механические характеристики асинхронного двигателя при переключении обмотки статора со «звезды» на «двойную звезду» (а) и с «треугольника» на «двойную звезду» (б)

Поскольку в точке «А» пусковой момент больше номинального М, двигатель разгоняется по участку «АВ» до скорости . В точке «В» наступает установившийся режим на «одинарной звезде» при  номинальной  скорости .

При переключении обмотки на «двойную звезду» двигатель при постоянстве скорости переходит из точки «В» в точку «С», после чего разгоняется до точки «D», в которой наступает установившийся режим на «двойной звезде» при скорости .

Скорость вращения ротора для соединения фаз статора двойной звездой увеличивается в два раза.

При всех переключениях двигатель необходимо использовать полностью, т.е. зависящий от нагрузки ток статора должен быть равен номинальному току, на который рассчитана обмотка статора.

Расчёт момента и мощности при регулирование скорости переключением обмоток статора со звезды(Y) на двойную звезду(YY)

          

         Если при  переключении обмоток статора со звезды(Y) на двойную звезду(YY) принять  и η- к.п.д. двигателя одинаковыми на всех ступенях переключения, то получим мощность:

  1.  При соединении фаз обмотки статора звездой

PY = 3UФIн=UЛ Iн                             (16-1)

Учитываем, что при соединении звездой    Iн = Iл = Iф ,        =Ф

Скорость ωY и момент MY для соединения одинарной звездой :                                                          

                 ωY = (1-s) ;   MY = PYY  .

- две пары полюсов

  1.  При соединении фаз обмотки статора дойной  звездой секции обмоток статора включаются по две параллельно,  и ток каждой фазы увеличивается в два раза

           PYY = 3UФ 2Iн=UЛ Iн = 2PY.               (16-2)

Окончательно получаем, что мощность для двойной звезды увеличилась в два раза

PYY = 2PY.

Скорость для соединения двойной звездой увеличивается в два раза:

ωYY =(1-s) = (1-s)  = 2ωY                               (16-3)

Уравнение  (16-3) умножили и разделили на 2 и получили (16-4) учитывая  (1-s) = ωY  скорость для одинарной звезды

                                                      ωYY =2ωY                                                  (16-4)

   

Момент  двигателя после соединения двойной звездой не изменяется       

(учитывая, что PYY = 2PY ):

MYYPYY/ωYY = 2PY/2ωY = PY/ωY

MYY = MY

       Таким образом, получили, что  переключение обмоток статора асинхронного двигателя с одинарной  звезды (Y) на двойную звезду (YY) позволяет вдвое увеличить скорость, а так же и мощность двигателя при неизменном (постоянном) моменте на валу.

При переходе со «звезды» на «двойную звезду мощность и скорость увеличиваются в 2 раза, но момент двигателя не изменяется (отсюда название способа - «регулирование скорости при постоянном моменте»).

31.03.13 17.31

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

При переключении обмотки статора вторым способом двигатель при пуске включают в сеть по схеме «треугольник» (рис.16-2 б),при этом питание сети подается на выводы С1, С2 и С3. Секционные группы Н1-К1 и Н2-К2 в каждой из трех фазных обмоток соединены последовательно.

Для перехода на «двойную звезду» точно так же, как в предыдущем случае, а именно:

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

б) при помощи контактов первого трехполюсного контактора соединяют вместе выводы Н1 и К2;

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

В результате этих переключений секционные группы в каждой фазной обмотке соединяются параллельно, в целом образуя две «звезды», включённые параллельно.

Расчёт момента и мощности при регулирование скорости переключением обмоток статора с треугольника  на двойную звезду(YY)

  1. При соединении фаз обмотки статора треугольником мощность равна

Pтр. = 3UФIн=UЛ Iн                             (16-5)

Учитываем, что фазное напряжение равно линейному напряжению

UФ=UЛ

Скорость и момент для соединения треугольником:

ωтр. =(1-s)          Mтр. = Pтр./ωтр.                          (16-6)

  1. При соединении фаз обмотки статора двойной  звездой секции обмоток статора, соединённые  ранее треугольником,  включаются по две параллельно,  и  ток каждой фазы увеличивается в два раза. Уравнение  (16-5) умножаем на 2 и получим (16-7)

  PYY = UЛ Iн                               (16-7)

Умножим и разделим  (16-7) на 3 и получим

PYY = UЛ Iн =  UЛ Iн=   Pтр. = 1,15 Pтр.

PYY =  Pтр. = 1,15 Pтр.                              (16-8)

Из  (16-8) видно, что  мощность при переключении обмоток статора с треугольника  на двойную звезду (YY) практически  почти не изменилась (PYY = 1,15 Pтр.). Скорость ωтр. =(1-s)  после соединения фаз обмоток статора двойной звездой увеличивается в два раза:

ωYY =(1-s) = (1-s) = 2ωтр.,                                 (16-9)

ωYY = 2ωтр..

Определим, как изменяется момент двигателя при переключении обмоток статора с треугольника  на двойную звезду(YY):

MYY = PYY/ωYY =1.15Pтр./2ωтр. = 0,58 Mтр.

MYY =0,58 Mтр.                                       (16-10)

     Таким образом, получили, что  переключение обмоток статора асинхронного двигателя с треугольника  на двойную звезду позволяет вдвое увеличить скорость, но при этом мощность двигателя  почти не изменяется , а момент на валу уменьшается  и составляет 0,58 от момента при соединении треугольником (момент уменьшается почти в два раза).

     

      Регулирование скорости  асинхронного двигателя изменением числа пар полюсов экономичное, но при этом способе ограничена плавность регулирования (регулирование ступенчатое).

При переходе с «треугольника» на «двойную звезду:

  1. мощность увеличивается на 16%, т.е. почти не изменяется (отсюда название способа - «регулирование скорости при постоянной мощности» );
  2. скорость увеличивается в 2 раза;
  3. момент двигателя уменьшается почти в 2 раза

( М= 0,58 М).

На судах регулирование скорости переключением обмотки статора со «звезды» на «двойную звезду» применяют в грузоподъемных механизмах, т.к. при этом способе критический момент двигателя не изменяется и потому отсутствует опасность опрокидывания двигателя. В то же время такая опасность существует при  переключением обмотки статора с «треугольника» на «двойную звезду», потому что момент двигателя уменьшается почти в 2 раза ( М= 0,58 М).

На судах переключение обмотки статора с «треугольника» на «двойную звезду» применяют ограниченно, в электроприводах якорно-швартовных устройств  для получения самой высокой скорости, которая используется для перемещения  свободного (ненагруженного) швартовного каната.

             

Регулирование скорости асинхронного двигателя изменением частоты тока статора

       Изменяющийся по частоте  ток статора приводит к изменению угловой скорости поля статора

и пропорционально изменяется скорость ротора. Из выражения (1-1) следует, что регулирование скорости двигателя изменением скорости вращающегося магнитного поля статора   происходит без значительного изменения скольжения и позволяет получать различные скорости на жестких механических характеристиках.

С помощью электромашинных и полупроводниковых устройств можно плавно изменять частоту тока статора , а следовательно и скорость двигателя. Скорость двигателя можно увеличить вверх до   от номинальной и уменьшать в  раз от номинальной.

Верхний предел скорости ограничивается механической прочностью ротора, нижний – особенностями роботы преобразователей частоты.В настоящее время наиболее целесообразно применение тиранзисторных преобразователей частоты, в которых происходит сначала выпрямление переменного тока частоты сети, а затем инвертирование в переменный ток нужной частоты.

Для сохранения постоянной (неизменной) перегрузочной способности двигателя на всех скоростях и поддержания постоянных значений КПД и , одновременно с изменением частоты тока, необходимо изменять напряжение, подводимое к двигателю.

Перегрузочная способность  лвигателя не будет изменяться при изменении частоты тока статора, если отношение критических моментов двигателя  при всех частотах тока  и соответствующих напряжениях  будет равно отношению соответствующих статических моментов нагрузки .

                                         (16-12)

         

         Подставим в уравнение (16-12) значения критических моментов из известного ранее соотношения:

И получим:

После преобразования получим (1-3):

      Где :  – статические моменты при скоростях, соответствующих частотам  и  ;

               и  напряжения при тех же частотах тока статора.

         Из уравнения (16-13) следует, что с изменением частоты  нужно так же изменить и величину подводимого к двигателю напряжения . Т.е. для каждой частоты  необходимо соответствующее этой частоте напряжение .

        Закон изменения напряжения определяется характером зависимости статического момента от скорости.

       Если пренебречь моментом холостого хода рабочего механизма, то уравнение статического момента можно записать в виде

Подставив значения статических моментов (16-14) в уравнение (16-13) получим

                               (16-15)

откуда

где : – относительная частота напряжения, подаваемого на статор двигателя;

        – показатель степени, определяющий закон изменения напряжения с изменением частоты тока статора.

         С изменением частоты тока будут изменяться синхронная скорость поля статора  и индуктивные сопротивления обмоток двигателя.

Двигатель будет развивать критический момент при критическом скольжении для данной частоты тока

 

 

        Рассмотрим регулирование напряжения для наиболее  распространенных законов изменения нагрузки.

 

1.Статический момент не изменяется с изменением скорости

При этом уравнение (1-5)

при

обозначим  – постоянный коэффициент

и получим                              

или  

          Из () следует, что подводимое к двигателю напряжение должно изменятся пропорционально изменению частоты тока, для сохранения постоянного отношения . При этом критический момент  (в соответствии с (16-18)) остается без изменений, то есть обеспечивается постоянная перегрузочная способность двигателя.

          Соответствующие изменения напряжения при частотном регулировании обуславливаются необходимостью сохранения величины магнитного потока при разных частотах тока статора.

Если пренебречь падением напряжения в обмотке статора то можно считать, что сщгласно уравнению 14-15 [ ]

Откуда получаем отношение , пропорционально потоку , который должен оставаться постоянным

       Если нарушить это условие, т.е. при  изменять только частоту тока статора  , то:

     а) с уменьшением частоты тока статора  , поток  будет увеличиваться, это вызовет увеличение потерь от намагничивающего тока;

б) с увеличением частоты тока статора  , поток  уменьшиться, что при неизменном  – статическом моменте сопротивления механизма, вызовет увеличение сопротивления току ротора, (соответственно рост температуры).

     Таким образом, в обоих случаях двигатель будет перегреваться при моменте на валу, даже меньшем номинального значения.

      Из уравнения (1-8) следует, что при постоянном статическом моменте , ,  критический момент остается неизменным , а критическое скольжение  увеличивается с уменьшением частоты, это вызвано уменьшением индуктивного сопротивления  пропорционально . .

        При увеличении критического скольжения критический момент наблюдается при меньшей скорости ротора.

        При низких частотах индуктивное сопротивление  становится соизмеримым с независящим от частоты активным сопротивлением статора . И при низких частотах, падение напряжения на сопротивлении  более чувствительно снижает значение магнитного потока и вызывает уменьшение критического момента двигателя (кривая  и  на рис.1-1).

Рис. 1-1 Механическая характеристика асинхронного двигателя при частотном регулировании и , .

       При малых значениях индуктивности  значительно увеличивается критическое скольжение. Поэтому для поддержания постоянного критического момента при малых частотах напряжения снижают медленней, чем частоту тока статора. (Пунктирные кривые для   и ).

Статический момент нагрузки изменяется по квадратичному закону

и  

Из уравнения (1-5) получим

                 

Откуда следует, что подводимое напряжение в этом случае необходимо изменять пропорционально квадрату частоты тока . При этом сохраняется постоянным соотношение:

Так как критический момент согласно (1-7) при  

Будет изменяться пропорционально квадрату частоты тока.

Рис.1-2 Механические характеристики асинхронного двигателя при частотном регулировании и статическом моменте

     Если в процессе частотного регулирования скорости двигателя не изменять напряжения, то с увеличением частоты тока значение критического момента асинхронного двигателя уменьшается. , с ротором , при  поток, а следовательно момент  будет уменьшаться.

Рис.1-3 Механические характеристики асинхронного двигателя при частотном регулировании и неизменном напряжении на статоре

§ 5.13. СИСТЕМЫ ЧАСТОТНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

21.10.2010 18:37  Администратор

 

Структурная схема преобразователя частоты (рис. 5.44, a), питающегося от сети постоянного тока, содержит следующие основные элементы: входной фильтр 1, служащий для уменьшения пульсации тока в питающей сети; регулятор напряжения 2, позволяющий изменять напряжение на асинхронном двигателе в соответствии с выбранным законом регулирования при изменении частоты; собственно преобразователь частоты 3 (инвертор), поочередно подключающий фазы обмотки статора двигателя 4 к шинам разной полярности.

Рис. 5.44. Структурная схема (а) преобразователя частоты, питающегося от сети постоянного тока, и графики его выходных напряжения  (б) и тока  (в)

Рассматриваемая структурная схема является типичной. Она позволяет наиболее четко представить все функциональные зависимости, существующие в преобразователе частоты: переключение фаз обмотки двигателя, регулирование напряжения и фильтрацию переменных составляющих тока, не допуская их попадания в питающую сеть. Часто в эту схему вводят различные изменения, например после регулятора напряжения 2 включают еще один фильтр; иногда функции преобразователя частоты и регулятора напряжения совмещают в одном устройстве и т. п.

В зависимости от схемы преобразователя частоты его выходное напряжение имеет прямоугольную форму  (рис. 5.44, б)

Рис. 5.45. Схемы питания одной фазы асинхронного двигателя (а) и трех

его  фаз  (б)  от транзисторного  мостового  инвертора

 

или ступенчатую (рис. 5.44, в) форму. В соответствии с этим изменяется и ток i в фазах двигателя.

Принципиальные схемы питания частотно-регулируемых двигателей. На рис. 5.45, а показана однофазная мостовая схема транзисторного инвертора (без регулятора напряжения и фильтра), применяемого в настоящее время для регулирования частоты вращения двигателей мощностью до 10 кВт. Транзисторы можно представить в виде идеальных ключей, поочередно попарно включающихся: при включении транзисторов T1 и Т4 к началу фазы АХ подают положительный потенциал, а к концу ее—отрицательный. После их выключения и включения транзисторов Т2 и ТЗ к концу фазы АХ подают положительный потенциал, а к началу—отрицательный. Таким образом, на фазу АХ подается переменное напряжение и прямоугольной формы (рис. 5.44, б), основная гармоническая которого ul=(4Usinωt)/π. Частота f1 питающего напряжения определяется частотой переключения транзисторов. При активно-индуктивной нагрузке Rн-Lн, которую представляет фаза статора, ток в ней i отстает по фазе от напряжения. Для его замыкания в отрезки времени, когда напряжение изменяет свою полярность, служат обратные диоды DI...D4. Например, после закрытия транзисторов Т1 и Т4 ток в нагрузке некоторое время проходит в прежнем направлении—от А к X, замыкаясь через диоды D3, D2 и через источник питания (во встречном направлении), пока не уменьшится до нуля.

 

 

Схема трехфазного мостового транзисторного инвертора показана на рис. 4.46. Благодаря поочередному включению транзисторов ток последовательно проходит по контурам обмоток АВ-АС-ВС-ВА-СА-СВ-АВ, благодаря чему в двигателе создается вращающееся магнитное поле. Достоинством трехфазной мостовой схемы преобразователя является то, что В кривых фазных токов отсутствуют третьи гармонические.

В ряде случаев регулирование напряжения осуществляется без установки специального регулятора — «внутренними» силами инвертора. Для этого выходное напряжение инвертора

Рис. 4.47. Графики изменения напряжения, подаваемого на обмотку статора двигателя при широтноимпульсном регулировании (а) и при широтноимпульсной модуляции по синусоидальному закону (б)

модулируется высокочастотными сигналами (рис. 4.47, а), при которых кратковременные импульсы напряжения сменяются паузами. Среднее напряжение за полупериод получается равным

(4.74)

Ucp = U ∑τ /0,5T = γU,

где ∑τ — сумма проводящих отрезков времени за полупериод T/2; γ = ∑τ/0,5T— коэффициент заполнения.

 

где ∑τ — сумма проводящих отрезков времени за полупериод Т/2;  у = ∑τ/0,5Т-коэффициент заполнения.

Путем изменения соотношения между проводящими и непроводящими отрезками времени, т. е. изменения коэффициента заполнения, можно регулировать среднее значение выходного напряжения при неизменном значении входного напряжения. Рассмотренный метод регулирования называют широтно-импульсным.

При широтно-импульсном регулировании в мостовом инверторе (см. рис. 5.45, а) в течение одного полупериода один транзистор, подающий питание на фазу статора, включен все время (например, Т2), а другой—периодически с временами τ (в данном случае Т3). Во время пауз, т. е. когда транзистор Т3 закрыт, ток через нагрузку замыкается по контуру: транзистор Т2—диод D4 — нагрузка, т. е. минуя источник тока, благодаря чему во время пауз напряжение равно нулю.

При широтно-импульсном методе регулирования напряжения влияние высших гармонических значительно сильнее (особенно при малых γ), чем при прямоугольной форме напряжения. Для их уменьшения увеличивают число импульсов в полупериоде, т. е. частоту модуляции fи, делая ее не меньше чем в 12 раз выше частоты основной гармонической fм инвертора (машинной частоты).

При мощностях до сотен ватт это обстоятельство не создает  заметных  неудобств,   так  как  частотные  свойства

Рис. 5.47. Схема питания одной фазы асинхронного двигателя от инвертора

напряжения (а) и инвертора тока (б) на тиристорах

 

транзисторов очень высокие. При мощностях более 10 кВт применяют не транзисторы, а более мощные вентили — тиристоры, частотные свойства которых значительно ниже, вследствие чего применение широтно-импульсного регулирования требует специальных тиристоров (с повышенными динамическими свойствами), так как необходимая частота импульсов составляет примерно  5000...10000 Гц.

Некоторое улучшение спектрального состава выходного напряжения можно получить, применив широтно-импульсную модуляцию по синусоидальному закону (см. рис. 5.46,5), при которой ширина импульсов изменяется в течение полупериода; наибольшая ширина импульсов наблюдается в середине периода, а к началу и концу полупериода уменьшается.

На рис. 5.47,й приведена схема одной фазы инвертора на тиристорах при использовании широтно-импульсной модуляции. Кроме главных тиристоров Т1...Т4 и соответствующих им обратных диодов 1...4 фаза инвертора имеет еще два коммутирующих узла, состоящих из конденсатора Ск и реактора Lк, которые служат для запирания тиристоров. Конденсаторы Ск через вспомогательные тиристоры В1...В4 заряжаются от сети прежде, чем включаются главные тиристоры. Например, перед включением тиристоров Т1 и Т4 конденсаторы должны иметь полярность, показанную на рис. 5.47, а. По сигналу управления тиристоры Т1 и Т4 включаются и проводят ток  какое-то время.

Для их запирания на вспомогательные тиристоры В1 и В4 подают импульсы управления и после включения этих тиристоров заряженные конденсаторы Ск подключаются к тиристорам Т1 и Т4 так, что разрядный ток конденсатора направляется против тока тиристора. В связи с этим ток через тиристоры Т1 и Т4 прекращается, а конденсаторы продолжают разряжаться через нагрузку и обратные диоды до тех пор, пока напряжение на них не изменит знак и оно станет равным напряжению питания (или несколько больше). После перезаряда конденсаторы оказываются подготовленными к запиранию тиристоров Т2 и ТЗ. Для запирания тиристоров Т2 и ТЗ (при широтно-импульсной модуляции) открывают вспомогательные тиристоры В2 и ВЗ. Приведенный пример показывает сложность выполнения инвертора на тиристорах, для которого кроме главных тиристоров требуются узлы запирания, состоящие из вспомогательных тиристоров, конденсаторов Ск и реакторов Lк. Это увеличивает массу и стоимость инверторов и снижает их надежность.

Кроме того, в инверторах рассмотренного типа (инверторах напряжения) возможны очень большие пики тока при малых частотах вращения двигателя. Это объясняется тем, что минимальная длительность приложения напряжения τmin довольно велика, так как она определяется временем перезаряда коммутирующего конденсатора. При малой частоте вращения двигателя ЭДС вращения в обмотке статора практически отсутствует и за период проводящего состояния инвертора ток в обмотке существенно возрастает.

Используют и другой тип инвертора — инвертор тока, в котором не может возникать больших пиков токов, а коммутирующие устройства существенно упрощаются (рис. 5.47, б). На входе такого инвертора включают мощный реактор Lвх, вследствие/чего ток в нем практически неизменен и равен току нагрузки (IIн). При включенном состоянии тиристоров Т1 и Т4 ток в нагрузке проходит от начала фазы к концу, а коммутирующий конденсатор Ск заряжается с полярностью, показанной на схеме. Когда нужно изменить направление тока в нагрузке, подают отпирающие импульсы управления на тиристоры Т2 и ТЗ. При этом разрядный ток коммутирующего конденсатора ускоряет включение тиристоров Т2 и ТЗ и способствует выключению тиристоров Т1 и Т4. Затем конденсатор перезаряжается, изменяя свою полярность, и оказывается подготовленным к следующему циклу изменения тока в нагрузке. Недостатки инвертора тока—наличие мощного реактора и необходимость иметь на входе регулятор напряжения.

При питании инвертора от сети переменного тока его можно выполнить без коммутирующих узлов (инвертор с непосредственной связью). Каждая фаза такого инвертора (рис. 5.48, а) связана с каждой фазой сети двумя тиристорами, включенными встречно-параллельно. Поэтому каждую фазу двигателя можно подключить к трехфазной сети в любом сочетании с другой фазой. На рис. 5.48,6 показано образование из напряжения сети с периодом Тс выходного напряжения пониженной частоты с периодом Тм, которое подают на фазы двигателя. Недостатком рассматриваемого инвертора является то, что его максимальная выходная частота   меньше   частоты   сети   практически   в   2...3   раза.

Рис. 5.48.  Схема питания трехфазного  асинхронного двигателя  от

преобразователя  частоты с непосредственной связью с сетью переменного тока (а) и графики изменения напряжения,  подаваемого на фазу двигателя  (б)

 

Поэтому подобные преобразователи частоты применяют только для питания мощных тихоходных асинхронных двигателей.

Система управления преобразователя частоты. Система управления должна регулировать выходные напряжения и частоту преобразователя по требуемому закону. Как показано выше, очень распространенным является регулирование при постоянном магнитном потоке двигателя Φ и постоянной частоте ротора f2, так как такой закон регулирования обеспечивает близкие к оптимальным условия работы двигателя во всем диапазоне частоты вращения при постоянном моменте нагрузки.

 

Для поддержания постоянного потока Φ при постоянной частоте ротора f2 необходимо обеспечить, что , так как постоянство Φ = const обусловливает неизменность намагничивающего тока I0≈=const, а постоянство I2=const и, следовательно, Μ=const — постоянство тока ротора I2. Таким образом, для частотного регулирования асинхронного двигателя можно применить систему управления, структурная схема которой приведена на рис. 5.49, а. Преобразователь частоты ПЧ получает питание от источника постоянного тока ИПТ и подает трехфазное напряжение на статор асинхронного двигателя АД. Система автоматического регулирования должна устанавливать в

 

 

 

Рис. 5.49. Структурная схема

системы управления асинхронным

двигателем при частотном

регулировании (а) и зависимость

I1=f(f2) при Фm=const  (б)

 

 

 

преобразователе ПЧ такие выходное напряжение U1 и частоту f1, чтобы в статоре двигателя проходил заданный ток Il, а ротор имел заданную частоту f2. Для этого система должна иметь два канала управления, один из которых задает U1 в соответствии с измеренным значением тока статора I1, а второй — частоту f2. В нее входят датчики ДТ и ДЧ тока I1 и частоты fp, пропорциональной частоте вращения ротора, и устройства, задающие сигналы уставки I1у и f2у, пропорциональные требуемым значениям тока и частоты f2.  При этом частота f1=f2у+fp.

На рис. 5.49, б показана зависимость тока статора от частоты тока в роторе при постоянном магнитном потоке Ф = Фном, построенная для двигателя мощностью 100 кВт. Приведенная кривая соответствует оптимальному закону регулирования, так как при отклонении от нее в область больших токов магнитный поток возрастает и в магнитной цепи возникает повышенное насыщение, а при отклонении от нее в область меньших токов магнитный поток уменьшается, что приводит к снижению электромагнитного момента и возрастанию электрических потерь. Естественно, что специфические условия эксплуатации привода могут внести существенные коррективы в указанный закон регулирования I1 и f2 (например, если двигатель длительно работает с моментами, меньшими номинального).

При повышенных частотах вращения по сравнению с номинальной, как правило, осуществляется закон регулирования при постоянной мощности согласно (5.67). Однако иногда приходится работать в режиме «ослабления поля», когда пропорционально частоте вращения п2 изменяется частота питающего напряжения f1, а первичное напряжение U1 остается неизменным. При этом с повышением частоты f1 уменьшаются магнитный поток и максимальный момент двигателя. Такой метод регулирования используют только в том случае, если максимальная частота вращения незначительно превышает номинальную: nmax≤1,4/nном. При этом снижение максимального момента не слишком велико, а система управления существенно упрощается.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

70456. Психология общения: основные направления исследований 37 KB
  Активное исследование О. в зарубеж. социальной психологии началось во 2-й пол. XIX в. и было представлено публикациями, касающимися роли языка и обычаев, связанными с психологией народов. Рост интереса к проблемам О. в ХХ в. был вызван потребностями учета межличностных и ролевых...
70457. Эффекты восприятия как перцептивные ошибки 28.5 KB
  Проблема группы в социальной психологии. Проблема группы – это ключевое понятие социальной психологии. Группа может изучаться с позиции любой общности: социальной производственной бытовой экономической целевой и т. Основы социальной стратификации заложены М.
70458. Общность и группы 37 KB
  Не только общество но и отдельный человек живет по законам группы. Сегодня человек не мыслит себя вне группы: он член семьи ученического класса молодежной тусовки производственной бригады спортивной команды. В зависимости от того в какой мере объективная принадлежность индивида...
70459. Развитие групп 27.5 KB
  Формирование стадия на которой происходит отбор членов группы в соответствии с их функциональным или техническим опытом для выполнения целей стоящих перед группой. Члены группы знакомятся обмениваются официальной информацией друг о друге вносят предложения о работе группы например...
70460. Руководство и лидерство как формы социальной власти в группе 28.5 KB
  Лидерство и руководство рассматриваются в социальной психологии как групповые процессы связанные с социальной властью в группе. Под лидером и руководителем понимается человек оказывающий ведущее влияние на группу: лидер в системе неформальных отношений руководитель...
70461. Конфликт как форма социального взаимодействия 30 KB
  Понятие конфликт характеризуется исключительной широтой содержания и употребляется в разнообразных значениях. Самым общим образом конфликт можно определить как предельное обострение противоречий. В специальной литературе конфликты рассматриваются на социальном...
70462. Основные модели конфликта 44.5 KB
  Любые организационные изменения противоречивые ситуации деловые и личностные отношения между людьми нередко порождают конфликтные ситуации которые субъективно сопровождаются серьезными психологическими переживаниями.
70463. Проблема оптимального и эффективного поведения в конфликт 48 KB
  Методы прекращения конфликта. Уклонение Такой стиль поведения обычно выбирают в тех случаях когда: проблема вызвавшая столкновение не представляется субъекту конфликта существенной; предмет расхождения по его мнению мелочный основан на вкусовых различиях не заслуживает траты времени и сил...