Основы электроприводы

 

 

Рисунок 6.3 – Конструкция короткозамкнутого ротора 

1-сердечник ротора, 2-стержин беличьей клетки, 3-веитилиционные  лопасти, 4-короткозамыкающие кольца.

Лучшее использование  двигателя и более благоприятные  характеристики могут быть получены, если применить двигатель с фазным ротором, в роторную цепь его включить дополнительный нерегулируемый резистор и регулировать напряжение на статоре (рис. 6.4, а). Механические характеристики для рассматриваемого способа приведены  на рис. 6.4, б. Преимущество этого способа  по сравнению с реостатным заключается  в том, что управление двигателем осуществляется плавно и исключается  контактная аппаратура в роторной цепи.Потери энергии в приводе получаются примерно такими же или несколько больше, как и при реостатном регулировании; потери мощности скольжения в основном выносятся из двигателя и выделяются в дополнительном резисторе, что увеличивает допустимый момент. Этот способ может быть использован при вентиляторной нагрузке для продолжительного режима, а при Мс = const для кратковременного режима работы. Очевидно, что регулирование изменением напряжения может быть осуществлено только вниз от основной угловой скорости. Механические характеристики (рис. 6.4, б) по мере снижения напряжения становятся мягкими и не обеспечивают стабильности угловой скорости при возможном отклонении нагрузки. Кроме того, наличие постоянно включенного резистора приводит к недоиспользованию двигателя по скорости (угловая скорость всегда меньше номинальной) и по мощности. Повышение стабильности угловой скорости и расширение диапазона регулирования до (5 10):1 достигается в замкнутых системах.

 

Рисунок 6.4 – Схема включения двигателя с фазным ротором с нерегулируемым резистором в роторной цепи и регулированием напряжения на статоре (а) и механические характеристики (б).

Для регулирования напряжения используются как тиристорные регуляторы напряжения с фазовым управлением, так и реакторы насыщения, автотрансформаторы и импульсные, например тиристорные  или контактные регулирующие устройства. Если регулирование скорости осуществляется с помощью тиристорного регулятора напряжения с фазовым управлением, то возникают дополнительные потери в двигателе, обусловленные высшими гармониками в кривой напряжения. Потери в меди статора и ротора за счет высших гармоник возрастают в среднем на 10%. Общие электромагнитные потери в меди и стали двигателя, рассчитанные с учетом высших гармоник, возрастают не более чем на 10—12% по сравнению с общими потерями, определенными при синусоидальном напряжении.При снижении напряжения, подводимого к статору, уменьшается магнитный поток двигателя, что при постоянстве момента нагрузки приводит к возрастанию токов ротора и статора, поэтому возрастают потери и превышение температуры обмоток двигателя. Возрастание потерь и, кроме того, ухудшение условий вентиляции двигателя с уменьшением угловой скорости приводит к необходимости снижения допустимого момента. Регулирование скорости изменением напряжения, подводимого к статору, находит применение преимущественно при использовании двигателей небольшой мощности (до 2030 кВт) с контактными кольцами при включении дополнительного сопротивления в роторной цепи для механизмов повторно-кратковременного и кратковременного режимов работы. Частотное регулирование скорости асинхронных электроприводов Питание асинхронных двигателей осуществляется при этом не от общей сети, а от преобразователя частоты ПЧ, показанного на рис. 6.5, энергия к которому подводится от сети постоянной частоты f1С и напряжения U1С. На выходе преобразователя, как правило, меняется не только частота f1, но и напряжение U1. Для преобразования частоты могут быть использованы электромашинные или полупроводниковые устройства, различающиеся по принципу действия и конструкции.

Рисунок 6.5 – Схема включения асинхронных двигателей, получающих питание от преобразователя частоты.                                                                           

При регулировании частоты  возникает также необходимость  регулирования напряжения источника  питания.  С другой стороны, пренебрегая  в первом приближении падением напряжения на сопротивлениях обмотки статора. Из приведенного выражения следует, что при неизменном напряжении источника питания  и регулировании его частоты изменяется магнитный поток асинхронного двигателя. В частности, уменьшение частоты приводит к возрастанию потока и как следствие к насыщению машины и увеличению тока намагничивания, что связано с ухудшением энергетических показателей двигателя, а в ряде случаев и с его недопустимым нагревом.

Асинхронный электродвигатель с фазным ротором

1 – станина; 2 – обмотка статора; 3 – ротор; 4 – контактные кольца; 5 – щетки

Увеличение частоты  приводит к снижению потока двигателя, что при постоянном моменте нагрузки на валу в соответствии, с выражением  приводит к возрастанию тока ротора, т. е. к перегрузке его обмоток по току при недоиспользованной стали. Кроме того, с этим связано снижение максимального момента и перегрузочной способности двигателя. Для наилучшего использования асинхронного двигателя при регулировании скорости изменением частоты необходимо регулировать напряжение одновременно в функции частоты и нагрузки. Регулирование напряжения лишь в функции одной частоты с учетом характеристики механизма может быть реализовано в разомкнутых системах частотного управления. Регулирование напряжения в функции нагрузки можно осуществить, как правило, лишь в замкнутых системах, в которых при использовании обратных связей напряжение при данной частоте может изменяться в зависимости от нагрузки. По мере снижения частоты при   падает доля э. д. с. по отношению к приложенному напряжению вследствие относительного возрастания падения напряжения в сопротивлении статора с ростом нагрузки, что приводит к уменьшению магнитного потока, а, следовательно, к снижению электромагнитного момента. Как следствие убывания магнитного потока и абсолютного критического скольжения по мере снижения частоты падает максимальный момент и снижается жесткость механических характеристик (см. рис. 6.6).

Рисунок 6.6 – Механические характеристики асинхронного двигателя.

При частотном управлении по закону .Изменение частоты источника питания позволяет регулировать скорость асинхронного двигателя как выше, так и ниже основной. Обычно при регулировании выше основной скорости частота источника питания превышает номинальную не более чем в 1,52 раза. Указанное ограничение обусловлено, прежде всего, прочностью крепления обмотки ротора. Кроме того, с ростом частоты питания заметно увеличиваются величины мощности потерь, связанные с потерями в стали статора. Регулирование скорости вниз от основной, как правило, осуществляется в диапазоне до 1015. Нижний предел частоты ограничен сложностью реализации источника питания с низкой частотой, возможностью неравномерности вращения и рядом других факторов. Таким образом, частотное регулирование скорости асинхронного двигателя может осуществляться в диапазоне до 20–30. Использование двигателей специальной конструкции дает возможность расширить диапазон регулирования за счет увеличения верхнего предела скорости. Нижний предел скорости может быть уменьшен путем введения в схему управления различных обратных связей.Если при регулировании частоты напряжение изменяется таким образом, что Ф=const, то допустимый момент на валу асинхронного двигателя при частотном регулировании скорости также будет неизменным ( ).Этот способ регулирования позволяет получить жесткие механические характеристики. Потери мощности при частотном управлении невелики. При наличии соответствующего преобразователя частоты можно получить любую плавность регулирования. Важно отметить, что указанные положительные свойства можно реализовать с бесконтактным асинхронным короткозамкнутым двигателем, который является наиболее простым, надежным и дешевым электрическим двигателем. 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 (например, для центрифуг, шлифовальных станков, 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. Основным недостатком электроприводов с частотным управлением является необходимость использования преобразователей частоты, которые в настоящее время характеризуются относительной сложностью по схемному исполнению и высокой стоимостью. Этот недостаток ограничивает применение частотноуправляемых электроприводов. Тем не менее, преимущества этих приводов столь значительны, что на протяжении многих лет и в настоящее время ведутся интенсивные работы по созданию преобразователей частоты для регулирования скорости асинхронных двигателей. В случае создания приемлемых по сложности и стоимости преобразователей частоты частотноуправляемый привод с асинхронным короткозамкнутым двигателем получит широкое распространение в технике.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы:

1) Чиликин М. Г., Общий курс электропривода: учебник для вузов / М. Г. Чиликин, А.С. Сандлер.– 6-е изд. доп. и перераб. – М.: Энергоиздат, 1981. – 576 с., с ил.

2) Основы автоматизированного  электропривода: учеб.пособие для вузов / М. Г. Чиликин, М. М. Соколов, В. М. Терехов, А. В. Шинянский. – М.: Энергия, 1974. –568 с., с ил.

3) Чиликин М. Г. Теория автоматизированного электропривода: учеб.пособие для вузов / М. Г. Чиликин, В. И. Ключев, А. С. Сандлер. – М.: Энергия, 1979. – 616 с., с ил.

4) Вешеневский С. Н. Характеристики двигателей в электроприводе. / С. Н. Вешеневский. – 6-е изд., исправленное. – М.: Энергия, 1977. – 432 с., с ил.

5) Зимин Е.Н. Автоматическое  управление электроприводами: учеб.пособие для студентов вузов. / Е. Н. Зимин, В.И. Яковлев. – М.: Высш. школа, 1979. – 318 с., с ил.

6) Андреев В. П. Основы  электропривода: учеб.пособие для студентов вузов. / В. П. Андреев. 2-е изд., перераб. – М.: Энергия, 1963. – 772 с., с ил.

7) Ключев В. И. Электропривод и автоматизация общепромышленных механизмов: учебник для вузов. / В. И. Ключев, В. М. Терехов. – М.: Энергия, 1980. – 360 с., с ил.