Функции электропривода и задачи курса

Глава первая

Введение, общие сведения

1.1. Определение понятия “электропривод”

Электропривод - это управляемая электромеханическая система. Её назначение - преобразовывать электрическую энергию в механическую и обратно и управлять этим процессом.

Электропривод имеет два канала - силовой и информационный (рис.1.1). По первому транспортируется преобразуемая энергия (широкие стрелки на рис. 1.1), по второму осуществляется управление потоком энергии, а также сбор и обработка сведений о состоянии и функционировании системы, диагностика ее неисправностей (тонкие стрелки на рис. 1.1).

Рис. 1.1. Общая структура электропривода

Силовой канал в свою очередь состоит из двух частей - электрической и механической и обязательно содержит связующее звено- электромеханический преобразователь.

В электрическую часть силового канала входят устройства ЭП, передающие электрическую энергию от источника питания (шин промышленной электрической сети, автономного электрического генератора, аккумуляторной батареи и т.п.) к электромеханическому преобразователю ЭМП и обратно и осуществляющие, если это нужно, преобразование электрической энергии.

Механическая часть состоит из подвижного органа электромеханического преобразователя, механических передач и исполнительного органа установки, в котором полезно реализуется механическая энергия.

Электропривод взаимодействует с системой электроснабжения или источником электрической энергии, с одной стороны, с технологической установкой или машиной, с другой стороны, и наконец, через информационный преобразователь ИП с информационной системой более высокого уровня, часто с человеком - оператором, с третьей стороны (рис. 1.1).

Можно считать, что электропривод как подсистема входит в указанные системы, являясь их частью. Действительно, специалиста по электроснабжению электропривод обычно интересует как потребитель электроэнергии, технолога или конструктора машин - как источник механической энергии, инженера, разрабатывающего или эксплуатирующего АСУ, - как развитый интерфейс, связывающий его систему с технологическим процессом или системой электроснабжения.

Практически все процессы, связанные с механической энергией, движением, осуществляются электроприводом. Исключение составляют лишь автономные транспортные средства (автомобили, самолеты, некоторые виды подвижного состава, судов), использующие неэлектрические двигатели. В относительно небольшом числе промышленных установок используется гидропривод, еще реже - пневмопривод.

Столь широкое, практически повсеместное распространение электропривода обусловлено особенностями электрической энергии - возможностью передвигать ее на любые расстояния, постоянной готовностью к использованию, легкостью превращения в любые другие виды энергии.

Сегодня в приборных системах используются электроприводы, мощность которых составляет единицы микроватт; мощность электропривода компрессора на перекачивающей газ станции - десятки мегаватт, т.е. диапазон современных электроприводов по мощности превышает 10¹². Такого же порядка и диапазон по частоте вращения: в установке, где вытягиваются кристаллы полупроводников, вал двигателя должен делать 1 оборот в несколько десятков часов при очень жестких требованиях к равномерности движения; частота вращения шлифовального круга в современном хорошем станке может достигать 150000 об/мин.

Но особенно широк - безгранично широк - диапазон применений современного электропривода: от искусственного сердца до шагающего экскаватора, от вентилятора до антенны радиотелескопа, от стиральной машины до гибкой производственной системы. Именно эта особенность - теснейшее взаимодействие с технологической сферой - оказывала и оказывает на электропривод мощное стимулирующее влияние. Непрерывно растущие требования со стороны технологических установок определяют развитие электропривода, совершенствование его элементарной базы, его методологии. В свою очередь, развивающийся электропривод положительно влияет на технологическую сферу, обеспечивает новые, недоступные ранее возможности.

С энергетической точки зрения электропривод - главный потребитель электрической энергии: сегодня в развитых странах он потребляет более 60% всей производимой электроэнергии. В условиях дефицита энергетических ресурсов это делает особенно острой проблему энергосбережения в электроприводе и средствами электропривода.

Специалисты считают, что сегодня сэкономить единицу энергетических ресурсов, например 1т условного топлива, вдвое дешевле, чем ее добыть. Нетрудно видеть. что в перспективе это соотношение будет изменяться: добывать топливо становится всё труднее, а запасы его всё убывают.

Глава вторая

ОСНОВЫ МЕХАНИКИ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

Уравнение движения

Рассмотрим самую простейшую механическую систему, состоящую из ротора двигателя и непосредственно связанной с ним нагрузки - рабочего органа машины (рис. 2.1.). Несмотря на простоту, система вполне реальна: именно так реализована механическая часть ряда насосов, вентиляторов, многих других машин. Далее в п. 2.2 показано, что к такой модели может быть приведена механическая часть большинства электроприводов, рассматриваемых в курсе.

Рис. 2.1. Модель механической части

Будем считать, что к системе на рис. 2.1 приложены два момента - электромагнитный момент М, развиваемый двигателем, и момент М_с, создаваемый нагрузкой, а также потерями механической части (трение); каждый момент имеет свою величину и направление. Движение системы определяется вторым законом Ньютона:

, (2.1)

где - угловая скорость,

J- суммарный момент инерции.

Правая часть уравнения (2.1) - динамический момент . Он возникает, если алгебраическая сумма моментов М и М_с отлична от нуля; величина и знак динамического момента определяют ускорение.

Режимы, при которых , т.е. моменты М и М_с равны по величине и противоположно направлены, называют установившимися или статическими, им соответствует , в том числе .

Режимы, когда , называют переходными или динамическими (ускорение, замедление).

В уравнении (2.1) момент М_с практически полностью определяется свойствами нагрузки, а момент М, который можно принять за независимую переменную, формируется двигателем. Скорость - зависимая переменная; определяется в динамических режимах решением (2.1) для любых конкретных условий, а в статических режимах находится из условия

Механические характеристики

Моменты М и М_с могут зависеть от времени, от положения, от скорости. Наиболее интересна и важна связь моментов М и М_с со скоростью . Зависимости и называют механическими характеристиками соответственно двигателя и нагрузки (механизма). Механические характеристики будут служить очень удобным и полезным инструментом при анализе статических и динамических режимов электропривода.

Поскольку как моменты, так и скорость могут иметь различные знаки, механические характеристики могут располагаться в четырех квадрантах плоскости . На рис. 2.3 в качестве примера показаны характеристики асинхронного двигателя (М) и центробежной машины (М_с). Знаки величин определяют, приняв одно из направлений движения за положительное, например: по часовой стрелке- + или вверх- + и т.п. Моменты, направленные по движению (движущие), имеют знак, совпадающий со знаком скорости (участок w₀ - М_к.з характеристики двигателя); моменты, направленные против движения (тормозящие), имеют знак, противоположный знаку скорости (остальные участки характеристик).

Рис. 2.3. Пример механических характеристик

Моменты принято делить на активные и реактивные.

Активные моменты могут быть как движущими, так и тормозящими, их направление не зависит от направления движения: момент, созданный электрической машиной (М на рис. 2.3), момент, созданный грузом, пружиной и т.п. Соответствующие механические характеристики могут располагаться в любом из четырех квадрантов.

Реактивные моменты - реакция на движение, они всегда направлены против движения, т.е. всегда тормозящие: момент от сил трения, момент, создаваемый центробежной машиной (М_с на рис. 2.3) и т.п. Механические характеристики всегда располагаются во втором и четвертом квадрантах.

Механические характеристики принято оценивать их жесткостью . Они бывают (рис. 2.4) абсолютно жесткими (1), абсолютно мягкими (2) могут иметь отрицательную < 0(3) или положительную (4) жесткость.

Рис. 2.4. Механические характеристики с различной жесткостью

Механические характеристики двигателя и нагрузки, рассматриваемые совместно, позволяют очень просто определить координаты - скорость и моменты - в установившемся (статическом) режиме w_уст и М_уст. Действительно, если отразить зеркально относительно оси скорости характеристику М_с (рис. 2.5, а), то точка А пересечения отраженной кривой - М_с с характеристикой двигателя М определит установившийся режим, поскольку выполнится условие М+(-М_с)= 0 или , отрезки АВ и ВС будут равными.

а) б)

Рис. 2.5. К определению установившегося режима

Легко видеть, что здесь мы выполнили одну операцию - перенесли М_с из второго квадранта в первый. Эту операцию можно исключить, если записывать уравнение движения (2.1) в виде:

, (2.4)

где знак “-” перед и означает зеркальный перенос характеристики нагрузки (рис. 2.5, б). Этот прием традиционно используется в электроприводе, т.е. вместо общей и, конечно, правильной общей записи (2.1) используют измененную форму (2.4), помня, что это лишь удобный прием, при котором установившийся режим получается при простом пересечении характеристики М и -М_с

Механические характеристики двигателя и нагрузки позволяют определить, будет ли статически устойчив установившийся режим, т.е. вернется ли система после действия любого случайного возмущения к исходному статическому состоянию - рис. 2.6, а, или не вернется - рис. 2.6, б.

а) б)

Рис. 2.6. К определению статической устойчивости

В первом случае (рис. 2.6, а) показано, что любое случайное, например снижение скорости (w₁ < w_уст) сопровождается преобладанием движущего момента М над тормозящим М_с, и равновесие восстанавливается, система возвращается в исходное состояние. Во втором случае (рис. 2.6, б) такое же случайное изменение скорости приводит к преобладанию тормозящего момента, и равновесие не восстанавливается - система статически неустойчива.

Глава третья

Электроприводы постоянного тока

Основные уравнения

Для получения простейшей модели электропривода постоянного тока, описывающей установившиеся (статические) режимы и позволяющей получить основные характеристики, воспользуемся схемой на рис. 3.1.

Будем полагать, что якорная цепь питается от независимого источника с напряжением U*, сопротивление цепи якоря R постоянно, магнитный поток Ф определяется лишь током возбуждения и не зависит от нагрузки (реакция якоря не проявляется), индуктивные параметры цепей пока не учитываются, поскольку рассматриваются лишь установившиеся (статические) режимы.

Рис. 3.1. Схема электропривода с двигателем постоянного тока

Взаимодействие тока I в обмотке якоря с магнитным потоком Ф, создаваемым обмотками, расположенными на полюсах машины, приводит в соответствии с законом Ампера и возникновению электромагнитных сил, действующих на активные проводники обмотки и, следовательно, электромагнитного момента М:

М = kФI (3.1)

где k- конструктивный параметр машины.

В движущихся с угловой скоростью в магнитном поле под действием момента М проводниках обмотки якоря в соответствии с законом Фарадея наводится ЭДС вращения Е:

E = kФw, (3.2)

направленная в рассматриваемом случае встречно по отношению к вызвавшей движение причине - ЭДС источника питания U.

В соответствие со вторым законом Кирхгоффа для якорной цепи машины справедливо уравнение:

U-E = IR. (3.3)

Уравнения (3.1)-(3.3) - простейшая, но достаточная для понимания главных процессов в электроприводе постоянного тока модель. Для решения практических задач они должны быть дополнены уравнением движения с моментом потерь , входящим в М_с,

и уравнениями цепи возбуждения для конкретной схемы электропривода.

Разумеется, в условиях каждой задачи должно быть строго оговорено, что задано и известно, а что нужно искать.

Рассмотрим подробнее роль, которую играет ЭДС Е в процессе преобразования энергии, осуществляемом электрической машиной. Если существовал некоторый установившийся режим М₁ = М_с1, а затем М_сизменился, например, возрос до величины М_с2, то для получения нового установившегося режима необходимо иметь средство, которое изменило бы М, приведя его в соответствие с новым значением М_с. В двигателе внутреннего сгорания эту роль выполнит оператор, увеличив подачу топлива; в паровой турбине - специальный регулятор, который увеличит подачу пара. В электрической машине эту роль выполнит ЭДС. Действительно, при возрастании М_с скорость двигателя начнет снижаться, значит уменьшится в соответствии с (3.2) и ЭДС (полагаем для простоты, что Ф, а также U и R - постоянные). Из (3.3) следует, что

следовательно, ток вырастет, обусловив тем самым рост момента в соответствии с (3.1). Двигатель автоматически, без каких-либо внешних воздействий перейдет в новое установившееся состояние. Эти процессы будут иметь место при любых величинах и знаках М_с, то есть ЭДС будет выполнять функцию регулятора как в двигательном, так и в тормозных режимах работы машины.

3.2. Характеристики и режимы при независимом возбуждении, U=const

При использовании в электроприводе постоянного тока двигателя с независимым возбуждением - рис. 3.2 с питанием от источника напряжения U=const уравнение электромеханической характеристики w(I) получится подстановкой (3.2) в (3.3) и решением относительно :

(3.4)

Рис. 3.2. Схема двигателя постоянного тока независимого возбуждения

Механическую характеристику w(М) получим, подставив в (3.4) ток, выраженный из (3.1):

. (3.5)

При заданных U, Ф и R уравнения (3.4) и (3.5) однозначно определяют связь между , I и М в любых режимах. Характеристики и это прямые линии, проходящие через две характерные точки: М= 0, и w = 0, I = I_кз, М = М_кз; при Ф = const они различаются лишь масштабами по оси абсцисс.

Скорость (рис. 3.3) соответствует режиму идеального холостого хода: М= 0, E = U и направлены встречно.

Рис. 3.3. Механические (электромеханические) характеристики электропривода постоянного тока независимого возбуждения при U = const

Величина - перепад скорости под влиянием нагрузки.

Увеличением нагрузки при определенных условиях, которые рассматриваются ниже, можно прийти к режиму короткого замыкания: , , M = k ФI_кз = M_кз.

При изменении полярности U характеристика займет положение, показанное на рис. 3.3 пунктиром.

Участки характеристики между w₀ и М_кз, где знаки w и М совпадают, соответствуют, как было условлено ранее, двигательному режиму работы; участки с разными знаками и М - тормозным режимам.

Тормозные режимы - это генераторные режимы, поскольку механическая энергия, поступившая с вала машины, преобразуется в электрическую и передается через электрические зажимы машины. В зависимости от того, куда поступает электрическая энергия, различают три тормозных режима.

а) Торможение с отдачей энергии в сеть (рекуперативное) или генераторный режим работы параллельно с сетью

Если якорь двигателя вращать от некоторого постороннего источника со скоростью, превышающей скорость идеального холостого хода, то ЭДС двигателя будет больше приложенного напряжения, в результате чего ток в якоре двигателя и момент изменят свой знак. Механическая энергия, поступающая при этом на вал двигателя, преобразуется в электрическую и за вычетом потерь в двигателе рекуперируется в сеть.

На механических характеристиках торможению с отдачей энергии в сеть соответствуют участки ab и a’b’ (рис. 3.3)

б) Торможение противовключением или генераторный режим работы последовательно с сетью

В режиме противовключения изменяет знак скорость двигателя при сохранении знака момента или знак момента двигателя при сохранении знака скорости.

Первый случай имеет место при воздействии активного момента статической нагрузки, превышающего момент короткого замыкания на данной характеристике.

В результате изменения знака скорости ЭДС двигателя будет совпадать с приложенным напряжением, и ток в якоре определится выражением:

Второй случай используется для остановки двигателя путем изменения полярности напряжения, подводимого к его якорю.

Вследствие механической инерции скорость двигателя и ЭДС в начальный момент сохраняются неизменными, а ток будет равен:

На механических характеристиках (рис. 3.3) торможению противовключением соответствуют участки cd и c’d’.

В режиме торможения противовключением энергии поступает в привод и со стороны механизма, и от сети и рассеивается в сопротивлениях якорной цепи; в предыдущем случае энергия, поступающая от механизма, передавалась в сеть.

в) Динамическое торможение или генераторный режим работы независимо от сети

Если якорная цепь отключена от источника питания и замкнута на внешний резистор, то при вращении двигателя от внешнего источника или по инерции в якорной цепи индуцируется ЭДС и протекает ток , создающий момент. Характеристики проходят через начало координат - штрих-пунктир на рис. 3.3.

3.3. Характеристики и режимы при независимом возбуждении, I=const

В ряде применений якорная цепь двигателя постоянного тока независимого возбуждения питается не от источника напряжения, как в предыдущем случае, а от источника тока (I=const) - рис. 3.4. При этом, естественно, сохраняют силу фундаментальные соотношения (3.1)-(3.3), однако свойства электропривода радикально изменяются.

Рис. 3.4. Схема двигателя постоянного тока независимого возбуждения при питании от источника тока

Электромеханическая и механическая характеристики представлены теперь вертикальными прямыми (рис. 3.5)

I = const (3.6)

и

М = kФI = const (3.7)

и привод приобретает новое свойство “источника момента”. Это связано с тем, что источник питания - источник тока - нейтрализует действие ЭДС, она теперь уже не играет роли внутреннего регулятора и не влияет на скорость. В свою очередь, напряжение U становится зависимой переменной

U = E + IR = kФw + IR, (3.8)

и характеристика (рис. 3.5) определяет энергетические режимы работы электропривода.

Рис. 3.5. Характеристики электропривода при питании якоря от

источника тока

Режима идеального холостого хода в рассматриваемой структуре нет - “источник момента”.

Двигательный режим соответствует участку ab в I квадранте: Мw > 0, т.е. механическая энергия поступает к потребителю - технологической машине, UI > 0 - электрическая энергия поступает к своему потребителю - двигателю.

Режим короткого замыкания - точка a, здесь Е = 0 и U = IR.

На участке ac Мw < 0, т.е. механическая энергия поступает от технологической машины и, преобразуясь в электрическую, передается в якорную цепь; по-прежнему IU > 0 - электрическая энергия от источника тока также поступает в якорную цепь. Этот режим мы определили раньше как торможение противовключением.

В точке с U = 0 - режим динамического торможения: вся поступившая механическая энергия рассеивается в сопротивлениях якорной цепи.

И, наконец, на участке cd Мw < 0 и UI< 0 - рекуперативное торможение, если источник тока позволяет передать энергию в сеть. Если источник тока обладает односторонней проводимостью (пунктир на рис. 3.4) этого режима не будет, и электропривод будет продолжать работать в режиме динамического торможения (пунктир на рис. 3.5).

Глава четвертая

ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Процессы под нагрузкой

При нагружении вала ; отличие скоростей w и w₀ принято характеризовать скольжением

. (4.5)

Теперь в роторной цепи появится ЭДС , наведенная по закону электромагнитной индукции и равная

=E₁_¢s; (4.6)

штрихом здесь и далее отмечены приведенные величины, учитывающие неодинаковость обмоток статора и ротора. Частота наведенной ЭДС составляет

f₂=f₁s (4.7)

Ток I₂^¢ в роторной цепи, обладающей сопротивлением R₂^¢ и индуктивностью L₂^¢, определится как

или после простых преобразований

, (4.8)

где Х₂^¢ - индуктивное сопротивление рассеяния вторичной цепи при частоте f₁.

Мы получили уравнение, соответствующее традиционной схеме замещения фазы асинхронного двигателя - рис. 4.3, в которой учтены и параметры статора R₁ и Х₁. Эта простая модель пригодна для анализа установившихся режимов при симметричном двигателе с симметричным питанием.

Рис. 4.3. Схема замещения фазы асинхронного двигателя

Номинальные данные

На шильдике или в паспорте асинхронного двигателя обычно указаны номинальные линейные напряжения при соединении обмоток в звезду и треугольник , токи , частота f_1н, мощность на валу Р_н, частота вращения n_н. КПД , .

Для двигателей с короткозамкнутым ротором в каталоге приводятся кратности пускового тока , пускового момента , критического момента , иногда - типовые естественные характеристики.

Для двигателей с фазным ротором указывается ЭДС на разомкнутых кольцах заторможенного ротора Е_2н при U_1н и номинальный ток ротора I_2н.

Приводимых в каталоге данных недостаточно, чтобы определить по ним параметры схемы замещения и пользоваться ей при всех расчетах, однако по каталожным данным можно построить естественную электромеханическую и механическую характеристики, воспользовавшись несколькими опорными точками - рис. 4.7.

а) б)

Рис. 4.7. К построению естественных характеристик асинхронного

двигателя с к.з. ротором

Точка 1 ( ) получится из ряда n₀=3000, 1500, 1000, 750, 600 об/мин как ближайшая большая к n_н; .

Точка 2 - номинальная.

Для определения точки 3 ( ) нужно рассчитать , определить и вычислить s_к по (4.10) или (4.10, а), подставив в эти уравнения M_н и .

Точка 4 (w = 0, М = М_п, I₁ = I_1п) рассчитывается непосредственно по каталожным данным.

Современные двигатели с короткозамкнутым ротором проектируют так, чтобы иметь повышенный пусковой момент М_п, и в некоторых каталогах указывают так называемый “седловой” момент М_сед - рис. 4.7, а.

Некоторое представление о характеристиках современных асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором можно получить из следующих данных:

s_н=0, 01-0, 05 (меньшие значения у двигателей большей мощности - сотни кВт);

k_I= 5-7;

k_М= 1, 3-1, 6;

Как следует из этих данных, естественные свойства асинхронных двигателей весьма неблагоприятны: малый пусковой момент, большой пусковой ток и самое главное - ограниченные возможности управления координатами.

Частотное регулирование.

Как следует из (4.1) пропорциональна частоте f₁ и не зависит для данной машины от каких-либо других величин. Вместе с тем, изменяя f₁, следует заботиться об амплитуде напряжения: при уменьшении f₁ для сохранения магнитного потока на некотором, например, номинальном уровне в соответствии с (4.4) следует изменять так, чтобы

При увеличении частоты от номинальной при U₁=U_1н поток в соответствии с (4.4) будет уменьшаться.

Как следует из (4.11, а), в пренебрежении R₁, т.е. в предположении, что E₁»U₁, критический момент также пропорционален , тогда как критическое скольжение s_к обратно пропорционально f₁.

Механические характеристики при частотном регулировании в предположении, что E₁=U₁, показаны на рис. 4.8, б.

Сопротивление цепи статора, которым мы пренебрегаем, оказывает влияние на характеристики особенно малых машин (киловатты) - пунктир на рис. 4.8, б, поскольку при снижении частоты E₁< U₁. Для компенсации этого влияния обычно несколько увеличивают напряжение при низких частотах - пунктир на рис. 4.8, в.

Проведем оценку частотного регулирования скорости по введенным ранее показателям

1. Регулирование двухзонное - вниз ( ) и вверх (U₁=U_1н, f₁> f_1н) от основной скорости.

2. Диапазон регулирования в разомкнутой структуре (8-10): 1. Стабильность скорости - высокая.

3. Регулирование плавное.

4. Допустимая нагрузка - М=М_н при регулировании вниз от основной скорости (Ф » const), Р = Р_нпри регулировании вверх (Ф < Ф_н).

5. Способ экономичен в эксплуатации - нет дополнительных элементов, рассеивающих энергию; как будет показано далее, малы потери в переходных процессах. Несомненное достоинство - гибкость управления координатами в замкнутых структурах. Современные методы так называемого векторного управления обеспечивают частотно-регулируемому электроприводу практически те же свойства по управляемости, которые имеет самый совершенный электропривод постоянного тока.

6. Способ требует использования преобразователя частоты (ПЧ) - устройства, управляющего частотой и амплитудой выходного напряжения. Такие устройства - совершенные и доступные - появились в последнее десятилетие, однако они ещё сравнительно дороги - около 100 USD/кВт в 1999 г. Принцип построения современных ПЧ рассмотрен далее.

Параметрическое регулирование

Отсутствие до недавнего времени доступного и качественного преобразователя частоты приводило к поиску других решений, одно из которых - изменение U₁ при f₁= f_1н= const - рис. 4.9, а.

а) б)

Рис. 4.9. Схема (а) и механические характеристики (б) асинхронного электропривода с параметрическим регулированием

Как следует из (4.11, а), критический момент при таком регулировании будет снижаться пропорционально U₁², критическое скольжение в соответствии с (4.12, а) останется неизменным - сплошные линии на рис. 4.9, б. В замкнутой по скорости структуре - пунктир на рис. 4.9, а - можно получить характеристики, показанные на рис. 4.9, б пунктиром, т.е. способ внешне выглядит весьма привлекательно.

Проведём его оценку.

1. Регулирование однозонное - вниз от основной скорости

2. Диапазон регулирования в замкнутой структуре (3-4): 1; стабильность скорости удовлетворительная.

3. Плавность высокая.

4. Допустимая нагрузка резко снижается с уменьшением скорости, поскольку магнитный поток Ф º U₁ при f₁= const. Рассмотрим это важное обстоятельство подробнее, воспользовавшись выражением для потерь в роторной цепи (4.9). Допустимыми в продолжительном режиме потерями можно считать номинальные , допустимые потери при регулировании определятся как DР_доп = М_допw₀s. Приравняв выражения для потерь, получим

, (4.17)

т.е. даже для специального двигателя с повышенным скольжением (очевидно невыгодного) s_н¢ = 0, 06 вместо стандартного s_н = 0, 03 снижение скорости всего на 20% (s = 0, 2) потребует снижения момента в 3 раза - рис. 4.9, б.

5. Таким образом, рассмотренный способ регулирования очевидно неэффективен для использования в продолжительном режиме. Даже для самой благоприятной нагрузке - вентиляторной ( ) необходимо двух-трехкратное завышение установленной мощности двигателя с повышенным скольжением, интенсивный внешний обдув.

Важно отметить, что выражение (4.17) универсально для двигателей с короткозамкнутым ротором при , и все попытки обойти это ограничение каким - либо “хитрым” способом, кстати, все еще предпринимаемые, - бесперспективны.

Способ регулирования скорости изменением напряжения может в ряде случаев использоваться для кратковременного снижения скорости, а система ПН-АД очень полезна и эффективна для снижения пусковых токов, для экономии энергии при недогрузках.

6. Преобразователь напряжения ПН - простое устройство в 3-4 более дешевое, чем преобразователь частоты, и именно эта особенность системы ПН-АД приводила в ряде случаев к её неоправданному применению.

Кроме изложенных способов регулирования координат двигателей с короткозамкнутым ротором для этой цели используются иногда специальные двигатели с переключением обмоток статора, изменяющим число пар полюсов, т.е. в соответствии с (4.1) ступенчато регулирующие . Эти двигатели тяжелы, дороги, привод требует дополнительной переключающей аппаратуры и в связи с этим проигрывает современному частотно-регулируемому электроприводу.

Реостатное регулирование.

Как и в электроприводе постоянного тока это простейший способ регулирования: в каждую фазу ротора включают одинаковые резисторы с сопротивлением R_д - рис. 4.10, б. Тогда общее активное сопротивление фазы ротора составит R₂= R_р+ R_д, а искусственные характеристики приобретут вид, представленный на рис. 4.10, в, г: предельное значение тока ротора I¢ _{2 пред} и критический момент М_к в соответствии с (4.8) и (4.11) не изменяется, а s_к в соответствии с (4.12) растет пропорционально R₂:

. (4.18)

Последнее соотношение для критического скольжения, очевидно, выполняется и для скольжения при любом М = const, оно похоже на (3.16), а реостатные механические характеристики похожи на таковые для двигателя постоянного тока. Показатели реостатного регулирования скорости асинхронных двигателей с фазным ротором практически те же, что у электропривода постоянного тока.

1. Регулирование однозонное - вниз от основной скорости.

2. Диапазон регулирования (2-3): 1, стабильность скорости низкая.

3. Регулирование ступенчатое. С целью устранения этого недостатка иногда используются схемы, в которых роторный ток выпрямляется и сглаживается реактором, а резистор, включаемый за выпрямителем, шунтируется управляемым ключом - транзистором с управляемой скважностью, благодаря чему достигается плавность регулирования, а при использовании обратных связей формируются жесткие характеристики.

4. Допустимая нагрузка М_доп= М_н, поскольку Ф » Ф_н и при мало меняющемся cos j₂ I_2доп » I_2н.

5. С энергетической точки зрения реостатное регулирование в асинхронном электроприводе столь же неэффективно, как и в электроприводе постоянного тока - потери в роторной цепи при M = const пропорциональны скольжению:

а распределение этих потерь определяется в соответствии с (4.18) соотношением сопротивлений - собственно в роторной обмотке рассеивается мощность , а в дополнительных резисторах - мощность .

12 3 4 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒