Вступление в специалиность ЄМС

     Недостатками  частотного регулирования являются сложность и высокая стоимость (особенно для приводов большой мощности) преобразователей частоты и сложность  реализации в большинстве схем режима рекуперативного торможения.

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

     Изменение скорости переключением числа пар  полюсов асинхронного двигателя  позволяет получать несколько (от 2 до 4) значений рабочих скоростей, т.е. плавное регулирование скорости и формирование переходных процессов  при этом способе невозможно.

     Поэтому данный способ имеет определенные области применения, но не может рассматриваться, как  основа для построения систем регулируемого  электропривода.

 

      3.1 Частотное регулирование скорости асинхронных электроприводов 
 

     Принципиальная  возможность регулирования угловой  скорости асинхронного двигателя изменением частоты питающего напряжения вытекает из формулы ω = 2πf₁ (1 - s)/p. При регулировании частоты также возникает необходимость регулирования амплитуды напряжения источника, что следует из выражения U₁ ≈ Е₁ = kФf₁. Если при неизменном напряжении изменять частоту, то поток будет изменяться обратно пропорционально частоте. Так, при уменьшении частоты поток возрастет, и это приведет к насыщению стали машины и как следствие к резкому увеличению тока и превышению температуры двигателя; при увеличении частоты поток будет уменьшаться и как следствие будет уменьшаться допустимый момент.

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

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

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

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

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

4 ОПИСАНИЕ  ПРИНЦИПА ДЕЙСТВИЯ СХЕМЫ ГЕНЕРАТОР  - ДВИГАТЕЛЬ 
 

     Система Г – Д включает в себя импульсный регулятор величины тока возбуждения  генератора с широтно-импульсным регулированием, в которой роль электронного ключа  выполняет транзистор, и последовательно  включенные электрические машины постоянного  тока – генератор и двигатель  соизмеримой мощности. Обмотка возбуждения генератора служит активно-индуктивной нагрузкой импульсного регулятора, обмотка возбуждения двигателя питается от независимого источника постоянного тока. Принципиальная схема системы представлена на рис. 4.1. 

 
 
 

     Принятые  на схеме обозначения:

     Т – транзистор,

     Д – диод (так называемый «обратный диод»,

     ОВГ – обмотка возбуждения генератора,

     ОВД – обмотка возбуждения двигателя,

     ЯГ  – якорь генератора,

     ЯД  – якорь двигателя,

       

       

       

       

       

       

       

        

     Последовательность  однополярных прямоугольных импульсов  управления транзистором (ток базы ). Эта импульсная последовательность формируется специальным устройством широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Подобное устройство может иметь различные схемные решения и в данной работе не рассматривается. Здесь – длительность импульсов управления транзистором, которая может регулироваться устройством ШИМ в широких пределах, – длительность паузы между импульсами, – период повторения импульсов.

     Величина  импульсов достаточна для приведения транзистора в состояние насыщения, когда его сопротивление очень  мало, и им можно пренебречь по сравнению  с сопротивлением нагрузки (участок  эмиттер – коллектор транзистора  можно считать участком короткого  замыкания).

     Будем понимать под «скважностью» импульсов  отношение Регулируя длительность импульса при неизменном значении периода , устройство ШИМ позволяет изменять значения скважности от нуля до (транзистор постоянно открыт, и ОВГ напрямую питается от источника постоянного тока с напряжением . Регулируя соотношение времени открытого и закрытого состояния транзистора в пределах периода повторения , удается регулировать ток в широких пределах и тем самым воздействовать на режим работы генератора и двигателя.

 

      4.1 Расчет электромагнитных процессов импульсного регулятора тока возбуждения генератора 
 

     На  рис. 4.1 изображена схема с независимым возбуждением: обмотка возбуждения питается от дополнительного источника, следовательно, независим от режима цепи якоря. Так как магнитные оси поля возбуждения и поля реакции якоря взаимно перпендикулярны, то магнитное поле реакции якоря не влияет на обмотку возбуждения генератора. Поэтому для расчета электромагнитных процессов импульсного регулятора тока возбуждения генератора можно отбросить правую часть схемы.

     Во  время импульса транзистор открыт, а диод закрыт, так как при такой  разности потенциалов на его концах он ток не пропускает, и расчетная  схема замещения выглядит, как  показано на рис. 4.2. 

Рисунок 4.2 – Расчётная схема замещения 

       

        
 
 

     Уравнение при включении r-L цепи на постоянное напряжение: 

L_в

+ r_в  

     Уравнение при включении r-L цепи на постоянное напряжение в параметрической форме: 

                               (4.1) 

     Во  время паузы транзистор закрыт. А  так как на катушке индуктивности  было запасено некоторое количество энергии, то диод откроется и потечет  ток  . Энергия будет рассеиваться виде тепла на резисторе и расчетная схема замещения выглядит как показано на рис. 4.3.

Рисунок 4.3 – Расчётная схема замещения 

       

       

     Уравнение при включении r-L цепи через диод: 

L_в

+ r_в  

     Уравнение при включении r-L цепи через диод в параметрической форме: 

                                         (4.2) 

     Когда транзистор снова откроется –  диод закроется, так как на концах диода установится такая разность потенциалов при которой он не пропускает ток. Таким образом, у нас два режима работы этой схемы: транзистор открыт – диод закрыт, транзистор закрыт – диод открыт.

По одному из законов коммутации ток в индуктивном  элементе непосредственно после  коммутации сохраняет значение, которое  он имел непосредственно перед коммутацией. В данном случае моментом коммутации является момент, когда транзистор открывается или закрывается. Следовательно. Когда транзистор закрывается, выполняется  равенство  , а когда диод закрывается , где ток транзистора в начале следующего периода повторения импульса. Отсчёт времени для тока транзистора и тока диода производится в разных системах отсчёта. Начало отсчёта времени для тока транзистора совпадает с началом периода повторения импульса, а начало отсчёта времени для тока диода совпадает с началом паузы. Тогда, исходя из формул 1 и 2, значения тока в момент коммутации будут вычисляться по следующим формулам: 

,                                            (4.3) 

     где значение тока на ОВГ в момент закрытия транзистора, а значение тока на ОВГ в момент открытия транзистора.

     Так как значения и чередуются, то выражение 3 объединяем в единую формулу: 

   (4.4) 

     Тогда функции  и будут выглядеть как сумма функций для каждого периода: 

;     (4.5)

,     (4.6) 

     где                                       . 

     Исходя  из первого закона Кирхгофа: 

.                                           (4.7) 

     Из  формул (4) – (7) получаем соответствующие  значения и , и графики функций для различных значений скважности в установившемся режиме: 

      При   и . 

     При        и . 

     При      и . 

     При   и . 
 

     4.2 Вычисление среднего значения тока для заданных значений скважности импульсов управления 
 

     Из  формул 1 и 2 следует, что среднее  значение тока обмотки возбуждения  генератора в установившемся режиме можно найти исходя из следующей  формулы: