Основы электроприводы

показывает, что возможны три принципиально различных  способа регулирования угловой скорости двигателя:                                                               1) изменением тока возбуждения (магнитного потока) двигателя;                                   2) изменением сопротивления цепи якоря посредством резисторов (реостатное);                                                                                                                          3) изменением подводимого к якорю двигателя напряжения.Реостатное регулирование скорости двигателя.Реостатное регулирование скорости электроприводов осуществляется путем изменения активных сопротивлений резисторов, включенных в главные цепи двигателей. При этом для двигателей постоянного тока имеются в виду резисторы, включаемые в цепи обмоток якоря. При регулировании скорости сопротивлением в цепи якоря во всем диапазоне имеем .

Рисунок 5.1 – Схема включения и механические характеристики двигателя постоянного тока параллельного возбуждения при реостатном регулировании скорости.                                                                                                             

Диапазон реостатного  параметрического регулирования тока и момента ограничен сверху перегрузочной  способностью двигателя по условиям коммутации, а пределы изменения  скорости, в которых можно получить заданную точность регулирования, уменьшаются  с ростом статической жесткости. Таким образом при условии  Мc = const диапазон регулирования обычно не превосходит 1 3.Потери мощности при реостатном регулировании пропорциональны потребляемой мощности и перепаду угловой скорости, выраженному в относительных единицах. Так, если момент нагрузки постоянен (следовательно, постоянна потребляемая мощность) и угловая скорость двигателя уменьшается вдвое, то примерно половина мощности, потребляемой из сети, будет рассеиваться в виде теплоты, выделяемой в реостате, т. е. данный способ регулирования (реостатный) является не экономичным.Реостатное регулирование скорости осуществляется простыми и дешевыми техническими средствами и обычно находит применение в тех случаях, когда требования к плавности регулирования невелики, продолжительность работы с пониженной скоростью незначительна и применение более совершенных методов регулирования экономически нецелесообразно (вентиляторы, дымососы).Регулирование скорости двигателя изменением питающего напряжения.Для реализации рассматриваемого способа регулирования необходимо иметь источник питания, напряжение, на зажимах которого может изменяться в широких пределах. Для электродвигателей постоянного тока в качестве таких источников используются различного рода управляемые преобразователи электрической энергии переменного тока в электрическую энергию постоянного тока. Наиболее широкое применение получили электромашинные и вентильные преобразователи. Регулирование напряжением, так же как и реостатное, осуществляется при постоянном потоке двигателя Ф=Фн=const. При этом механические характеристики представляют собой семейство параллельных друг другу прямых, т. е. имеют одинаковую жесткость (как показано на рис. 5.2), что определяет относительно высокую стабильность угловой скорости.

Рисунок 5.2 – Механические характеристики двигателя при изменении питающего напряжения.                                                                    

Диапазон регулирования  в системах привода без обратных связей ограничивается значением (8 10):1, а в замкнутых системах может достигать значений 1000:1 и более.Модуль жесткости механических искусственных характеристик меньше, чем модуль жесткости естественной характеристики. Однако по сравнению с реостатным регулированием при регулировании в зоне низких скоростей модуль жесткости характеристик оказывается значительно большим, что дает возможность существенно расширить диапазон регулирования скорости.Регулирование угловой скорости осуществляется вниз от основной, так как напряжение, прикладываемое к якорю, в большинстве случаев может изменяться только вниз от номинального (иногда, например, при регулировании угловой скорости двигателя с постоянными магнитами возможно регулирование как вниз, так и вверх от основной скорости — двухзонное).Оценив технические и экономические показатели параметрического регулирования скорости изменением напряжения, можно прийти к выводу, что высокие технические показатели регулирования скорости покупаются ценой значительного увеличения габаритов и стоимости электропривода. Дополнительные затраты, связанные с введением управляемого преобразователя, полностью окупаются высокой управляемостью системы, обеспечивающей возможность эффективного автоматического управления всеми режимами работы электропривода и точного автоматического регулирования его координат. Регулирование скорости двигателя изменением потока возбужденияЭтот принцип регулирования следует непосредственно из анализа выражений для скоростной и механической характеристики:

Ток возбуждения, а значит, и поток могут изменяться лишь в сторону уменьшения по сравнению  с номинальными, так как по условиям нормальной работы обмотки возбуждения ток в ней не может длительно превосходить номинальную величину. Кроме того, даже кратковременное увеличение оказывается неэффективным, так как в большинстве случаев магнитные цепи электрических машин уже при номинальном потоке близки и насыщению. Следовательно, речь идет лишь о регулировании скорости путем снижения потока или, как принято говорить, путем ослабления потока возбуждения. Основным достоинством рассматриваемого метода регулирования является то, что мощность обмотки возбуждения невелика и составляет, как правило, 25% мощности двигателя. Для машин малой, а иногда и средней мощности обычно используются резисторы в цепи возбуждения (рис. 5.3,а), а для крупных машин — специальные преобразователи, например генераторы, электромашинные усилители, магнитные усилители, регуляторы напряжения, вентильные преобразователи (рис. 5.3,б).

Рисунок 5.3 – Схемы включения двигателя при регулировании скорости.

Изменением магнитного потока следует, что для того, чтобы при разных потоках эдс   была равна одному и тому же номинальному напряжению сети , частота вращения должна увеличиваться обратно пропорционально ослаблению потока. Например, если поток ослаблен вдвое, то частота вращения должна увеличиться также вдвое и т. д.

Электромеханическим характеристикам  при изменении тока возбуждения соответствуют различные значения угловой скорости идеального холостого хода, определяемые по:

 На рис. 5.4 по оси  ординат отложено значение угловой  скорости идеального холостого  хода  для естественной характеристики, когда поток .

 Значения угловых скоростей  идеального холостого хода при  ослабленном потоке  и лежат, очевидно, выше .

Рисунок 5.4 – Электромеханические и механические характеристики двигателя постоянного тока параллельного возбуждения при регулировании угловой скорости током возбуждения.                                                                           

Все электромеханические  характеристики пересекаются с осью абсцисс в одной точке. Последнее  следует из того, что при   уравнение для любой электромеханической характеристики имеет вид:

откуда определяется ток  в якоре двигателя

.

Следовательно, при различных  токах возбуждения и при угловой  скорости двигателя, равной нулю, ток  в якорной цепи равен току короткого  замыкания двигателя. Этим значением  тока и определяется общая точка  пересечения электромеханических характеристик.Механические характеристики, показанные на рис. 5.4, имеют те же значения угловых скоростей идеального холостого хода, что и для электромеханических характеристик. Однако эти характеристики не пересекаются в одной точке на оси абсцисс. Диапазон регулирования ограничивается различными факторами. Главным из них является ухудшение условий коммутации с возрастанием угловой скорости, поскольку реактивная ЭДС, вызывающая искрение на коллекторе пропорциональна току и угловой скорости. Кроме того, при больших угловых скоростях требуется повышать механическую прочность якоря. Нижний предел угловой скорости ограничивается степенью насыщения машины и нагревом обмотки возбуждения, т. е. номинальной угловой скоростью. Большинство двигателей независимого возбуждения, не предназначенных для регулирования скорости, и допускают повышение ее только на 1020%. Двигатели, специально сконструированные для работы с регулированием скорости, дают возможность работать со скоростью, в 35 раз превышающей скорость идеального холостого хода при номинальном значении магнитного потока.Стабильность угловой скорости при регулировании определяется относительным перепадом угловой скорости при изменении нагрузки. В данном случае при номинальном токе якоря как , поэтому независимо от тока возбуждения относительный перепад сохраняется одним и тем же для естественной и искусственной характеристик, т. е. угловая скорость сравнительно стабильна.Следует отметить, что ослабление потока однозначно приводит к росту скорости только в том случае, когда момент нагрузки на валу двигателя обратно пропорционален скорости. Если жеМс= const, то увеличение скорости будет иметь место лишь до определенного значении . При дальнейшем снижении потока начнется и снижение угловой скорости, так как в случае Мс= const ослабление потока приводит к увеличению тока якоря , а значит, и к увеличению падения напряжения на сопротивлениях цепи якоря. Начиная с некоторого значения потока в процессе его снижения рост скорости идеального холостого хода идет медленнее, чем уменьшается скорость, обусловленная падением напряжения на .Оценивая энергетические показатели данного способа регулирования скорости двигателей постоянного тока с параллельным возбуждением, необходимо отметить, что потери в силовой цепи двигателя и его кпд такие же, как и при работе на естественной характеристике. Следует также учитывать, что в связи с относительно малой мощностью цепи обмотки возбуждения по сравнению с номинальной мощностью двигателя затраты на регулировочные устройства (реостаты или преобразователи в цепи обмотки возбуждения) невелики.Двигатели независимого возбуждения, регулируемые путем ослабления потока, широко применяются для привода механизмов, мощность которых с изменением скорости остается постоянной.

Влияние параметров (сопротивление роторной цепи), , f на вид механических характеристик асинхронного двигателя с короткозамкнутым и фазным ротором. Способы регулирования скорости вращения асинхронных двигателей.

В последние годы с развитием полупроводниковой техники все большее внимание уделяется применению различных систем регулируемых электроприводов переменного тока с асинхронными двигателями с короткозамкнутым или фазным ротором. Применение двигателей переменного тока обусловлено их простотой, дешевизной, повышенной надежностью, существенно (в 23 раза) меньшими габаритами и массой по сравнению с двигателями постоянного тока. Кроме того, некоторые способы регулирования угловой скорости не требуют специальных преобразовательных устройств.Отмечая достоинства двигателей переменного тока, нельзя не обратить внимания на то, что относительно простые способы регулирования угловой скорости электроприводов переменного тока обладают и рядом недостатков, к которым можно отнести в одном случае небольшую плавность, в другом — невысокие энергетические показатели и т. д. Более эффективные способы регулирования осуществляются при помощи сравнительно сложных преобразовательных устройств и средств управления.Наибольшее распространение получили следующие способы регулирования угловой скорости асинхронного двигателя: 1) реостатное регулирование; 2) переключением числа пар полюсов; 3) частотное регулирование; 4) изменением напряжения на статоре; 5) каскадным включением асинхронного двигателя с другими машинами или преобразователями. Для регулирования угловой скорости, кроме упомянутых, могут быть использованы некоторые другие способы включения электрических двигателей: импульсное регулирование, регулирование изменением подводимого к статору напряжения, регулирование с помощью электромагнитной муфты скольжения и др. Реостатное регулирование угловой скорости асинхронных двигателей Введение резисторов в цепь ротора (реостатное регулирование) позволяет, как и для двигателей постоянного тока, регулировать угловую скорость двигателя. Регулирование осуществляется вниз от основной угловой скорости. Плавность регулирования зависит от числа ступеней включаемых резисторов. Для асинхронных двигателей с фазным ротором применяется регулирование скорости путем изменения сопротивлений в цепи ротора, а для двигателей с короткозамкнутым ротором используются сопротивления в цепи статора, как это показано на рис. 6.1

а) б)

Согласно выражениям (6-1) при увеличении активного сопротивления  вторичной цепи увеличивается критическое  скольжение, и механическая характеристика становится более мягкой (см. рис. 6.2).

Рисунок 6.2 – Механические характеристики асинхронного двигателя при регулировании скорости изменением сопротивления в цепи ротора а) и статора б).                                                                                                                                              

а) б)

При увеличении скольжения в 2 раза по сравнению с номинальным, т. е. при снижении скорости всего лишь на 815%, допустимый момент уменьшается в 2 раза. По этой причине диапазон регулирования обычно не превышает (1,5 2):1. При неизменном моменте нагрузки и реостатном управлении потери мощности в роторной цепи изменяются пропорционально скольжению, а потери в статоре не зависят от скольжения и остаются неизменными при данном моменте нагрузки. Если, например, скорость двигателя снижена вдвое по сравнению с номинальной, то примерно половина всей потребляемой из сети мощности теряется в регулировочных резисторах. Следовательно, с ростом регулировочного сопротивления при одном и том же скольжении снижается к. п. д.Рассматриваемый способ регулирования скорости связан со значительными потерями энергии в добавочном сопротивлении и поэтому малоэкономичен. Он применяется главным образом при кратковременной или повторно-кратковременной работе (например, пуско-наладочные режимы некоторых машин, крановые устройства и пр.), а также в приводах с вентиляторным моментом. В последнем случае мощность на валу с уменьшением скорости быстро снижается, и поэтому мощность скольжения и потери в цепи ротора по величине ограничены. К недостаткам реостатного регулирования скорости относятся также мягкость механических характеристик и зависимость диапазона регулирования от величины нагрузки. В частности, регулирование скорости на холостом ходу практически невозможно. Реостатное регулирование скорости асинхронного двигателя с фазным ротором продолжает находить практическое применение при невысоких требованиях к точности регулирования. Реостатное регулирование благодаря своей простоте находит практическое применение, например, в приводе подъемно-транспортных устройств, вентиляторов и насосов малой и средней мощности (до 100 кВт). Регулирование угловой скорости асинхронного электропривода изменением напряженияЕсли регулировать напряжение, подводимое к трем фазам статора асинхронного двигателя, то можно, пренебрегая влиянием регулирующего устройства на характеристики двигателя, изменять максимальный момент, не изменяя критического скольжения. Для изменения напряжения на зажимах статора могут использоваться различные устройства: автотрансформаторы, дроссели насыщения, тиристорные регуляторы напряжения. Критическое скольжение, не зависящее от напряжения, остается неизменным. Не изменяется также и синхронная угловая скорость, которая зависит только от частоты питающего напряжения и числа пар полюсов двигателя. Регулирование угловой скорости двигателя при этом способе происходит за счет уменьшения модуля жесткости механических характеристик и осуществляется вниз от номинальной угловой скорости. Плавность регулирования определяется плавностью изменения напряжения; при применении тиристорного регулятора напряжения угловая скорость регулируется бесступенчато.Механические характеристики двигателя с короткозамкнутым ротором при регулировании напряжения на статоре приведены на рис. 6. Из этих характеристик следует, что пределы регулирования весьма ограничены даже при использовании вентиляторной нагрузки, но они могут быть существенно расширены в замкнутых системах электропривода. В действительности вследствие уменьшения критического скольжения из-за влияния параметров регулирующего устройства пределы регулирования в разомкнутых системах еще уменьшаются. Так как большие потери мощности скольжения в двигателе с короткозамкнутым ротором выделяются в самом роторе, то допустимый момент резко уменьшается по мере роста скольжения, поэтому такой неэкономичный способ регулирования угловой скорости асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором можно использовать только при малой мощности двигателя и в кратковременном режиме работы.