Регулирование координат электропривода с асинхронным двигателем изменением напряжения обмотки статора
Изменение величины напряжения, подводимого к статору АД, позволяет с помощью относительно простых схем управления осуществлять в статических и динамических режимах регулирование его координат с хорошими технико-экономическими показателями.
На рис.70 приведены механические характеристика АД, построенные по формуле (183) для нескольких значений напряжения, подаваемого на обмотку статора, U13<U12<U1N. При постоянном значении момента нагрузки Мс=const уменьшение напряжения, подаваемого на обмотку статора, приводит к увеличению скольжения s, а значит к уменьшению угловой скорости вращения (см. формулу (175)).
Из рис. 70 видно, что при уменьшении напряжения, подаваемого на обмотку статора, происходит уменьшение критического момента, в тоже время величина критического скольжения остается неизменной. В результате при Ul peг=var искусственные характеристики при напряжениях меньших номинального оказываются малопригодными для регулирования скорости из-за уменьшения перегрузочной способности АД. Диапазон регулирования скорости очень мал. Разомкнутые схемы асинхронного ЭП с регулятором напряжения обмотки статора используются лишь для воздействия в переходных процессах на момент АД, что может требоваться, например, для обеспечения заданного ускорения движения ЭП или регулирования натяжения на исполнительном органе рабочей машины. Заметим, что регулирование напряжения на статоре не приводит к изменению скорости холостого хода Ω0= 2πf1/pп.
Для регулирования напряжения на статоре АД могут использоваться различные электротехнические устройства - автотрансформаторы, магнитные усилители, а также тиристорные регуляторы напряжения (ТРН), получившие в настоящее время наибольшее распространение из-за высокого КПД, простоты обслуживания, легкости автоматизации работы ЭП и большого их ассортимента, выпускаемого промышленностью. ТРН позволяют реализовывать самые разнообразные функции по управлению и оптимизации режимов работы ЭП с АД; на их основе строятся устройства, позволяющие формировать нужным образом динамические характеристики ЭП, они позволяют также реализовывать режимы работы АД с наилучшими энергетическими показателями при малых его нагрузках.
Рис. 70.Механические характеристики АД при различных значениях напряжения обмотки статора
На рис. 71 приведена схема подключения ТРН к АД с выводом нулевой точки обмотки статора, на рис. 72 приведена схема подключения ТРН к АД без вывода нулевой точки обмотки статора.
Рассмотрим принцип действия ТРН и основанную на его использовании распространенную систему ЭП «тиристорный регулятор напряжения - асинхронный двигатель» (ТРН - АД) [11].
Рис.71. Схема подключения ТРН к АД с выводом нулевой точки обмотки статора
Рис.72. Схема подключения ТРН к АД без вывода нулевой точки обмотки статора
На рис. 73 приведена схема однофазного ТРН (а) и временные диаграммы (б, в, г) при активном характере нагрузки. Силовая часть однофазного ТРН образована двумя тиристорами VS1 и VS2, включенными по так называемой встречно-параллельной схеме, которая обеспечивает протекание тока в нагрузке в оба полупериода напряжения сети U1. Тиристоры получают импульсы управления от системы импульсно - фазового управления СИФУ, которая обеспечивает их фазовый сдвиг на угол управления α в функции внешнего сигнала управления Uу .
Если на тиристоры VS1 и VS2 не подаются импульсы управления от СИФУ, то они закрыты и напряжение на нагрузке Uрег равно нулю. При подаче на тиристоры импульсов управления с углом управления α = 0 они будут полностью открыты и к нагрузке будет приложено все напряжение сети U1=Uрег. Если осуществлять подачу импульсов управления на тиристоры с некоторой задержкой относительно предельного режима (угол управления α > 0), то к нагрузке будет прикладываться часть напряжения сети (см. рис 73, б). Изменяя угол управления α от нуля до π, можно регулировать напряжение на нагрузке от полного напряжения сети до нуля. На рис. 73, в приведенонапряжение на встречно - параллельно включенных тиристорах, а на рис.73, г приведена временная диаграмма тока нагрузки. Форма тока нагрузки повторяет форму напряжения нагрузки. Выключение тиристора происходит при смене полярности напряжения на нем. На рис. 74 приведена схема однофазного ТРН (а) и временные диаграммы (б, в, г) при активно-индуктивном характере нагрузки. Как видно из рис. 74, г при
активно - индуктивном характере нагрузки форма тока нагрузки не повторяет форму напряжения нагрузки. Выключение тиристора происходит в момент спада тока, протекающего через тиристор, до нуля.
Регулировочная характеристика ТРН представляет собой зависимость действующего напряжения нагрузки Uнг от угла α, т.е. Uнг =f(α) при постоянном напряжении питающей сети (U=UN=const) и постоянном токе нагрузки (Iнг=const).
При чисто активном характере нагрузки зависимость Uнг =f(α) находят из соотношения
В относительных единицах
(201)
где U − действующее значение переменного напряжения на входе ТРН.
Вид регулировочной характеристики приведен на рис. 75.
Наличие индуктивности в цепи нагрузки вносит отличие в характер изменения тока нагрузки и напряжения.
Действующее значение напряжения нагрузки определяется по формуле
В относительных единицах
(202)
Рис.73. Схема (а) и временные диаграммы (б, в, г) однофазного ТРН при работе на активную нагрузку: напряжение нагрузки (б); напряжение на вентиле (в); ток нагрузки (г)
Рис.74.Схема (а) и временные диаграммы (б, в, г) однофазного ТРН при работе на активно-индуктивную нагрузку: u − напряжение питающей сети; uнг − напряжение нагрузки (б); uв − напряжение на тиристоре силовой схемы (в); iнг − ток нагрузки (г); α − угол управления; Ψ − длительность открытого состояния тиристора; δ − длительность проводящего состояния тиристора после смены знака напряжения питающей сети.
Рис.75.Регулировочная характеристика однофазного ТРН при активной нагрузке
Ток в нагрузке на интервале проводимости каждого тиристора ψ находят из анализа переходного процесса, обусловленного отпиранием тиристора. Его можно определить в виде суммы двух составляющих – принужденной и свободной. Принужденная составляющая тока iнг.пр отстает на угол φ=arctg(ωLнг/Rнг) от напряжения питания питающей сети u.
Принужденная составляющая тока определяется по формуле
(203)
Свободная составляющая тока нагрузки спадает по экспоненциальному закону:
(204)
с постоянной времени
τ=Lнг/Rнг=tgφ/ω. (205)
В момент времени ωt=α сумма принужденной и свободной составляющих, определяющая ток iнг, равна нулю:
откуда определяем коэффициент А:
Окончательно выражение для тока нагрузки принимает вид:
(206)
После подстановки в (189) значения ωt=π+δ, соответствующего току iнг=0 (см. рис. 74, б, в), получаем уравнение
(207)
которое может быть использовано для определения угла δ.
При активно – индуктивной нагрузке преобразователя представляет интерес определение так называемого критического значения угла управления α=αкр, при котором интервалы проводимости тока δ полностью занимают интервалы α. В этом случае ток iнг спадает до нуля в момент времени ωt=π+δ (т. е. момент запирания одного тиристора совпадает во времени с моментом отпирания другого тиристора), паузы в кривой тока iнг и напряжения Uнг отсутствуют, и длительность проводящего состояния каждого тиристора ψ становится равной 180°. Из уравнения (207) следует, что такой режим имеет место при
(208)
Действующее значение напряжения на нагрузке максимально, и относительная его величина, согласно соотношению (202), равна единице. Кривая тока iнг становится непрерывной и синусоидальной. В соответствии с выражением (206) при α=αкр имеем
(209)
Очевидно, аналогичный режим работы будет и при углах αкр>α>0. Диапазон углов α от нуля до αкр характеризует неуправляемую зону преобразователя, где изменение угла α не вызывает изменения действующего значения напряжения на нагрузке и ее тока. Для осуществления нормальной работы схемы в этой зоне (создания непрерывного тока нагрузки) необходимо подавать на тиристоры управляющие импульсы достаточной длительности, чтобы при малых углах α< αкр они перекрывали по длительности момент перехода тока нагрузки через нуль. В противном случае отпирающий импульс для очередного тиристора закончится раньше, чем прекратится ток в параллельном ему тиристоре, и тиристор не сможет открыться — произойдет пропуск его отпирания. Исходя из наименьшего угла α=0,длительность отпирающих импульсов должна быть не меньше φ.
Внешняя характеристика ТРН представляет собой зависимость напряжения Uнг от тока Iнг, т.е. Uнг=f(Iнг) при постоянном напряжении питающей сети, (U1=UN=const) и постоянном угле регулирования (α=const) (рис. 76).
Uнг=Uнг0-∆U, (210)
где Uнг 0 – действующее значение напряжения на выходе ТРН при холостом ходе нагрузке, т.е. при Iнг=0:
; (211)
∆U – падение напряжения на элементах ТРН при токе Iнг≠0:
∆U=∆Uв. пр+IнгRэ, (212)
Rэ – эквивалентное активное сопротивление схемы, равное сопротивлению соединительных проводов: Rэ=Rс.п.
Рис.76.Внешниехарактеристики ТРН при активной нагрузки
Коэффициент мощности асинхронного ЭП с ТРН χ дает оценку эффективности потребления мощности от питающей сети и представляет собой отношение активной мощности, потребляемой ЭП от питающей сети по первой (основной) гармоники, P(1), к полной мощности S, потребляемой ЭП от питающей сети, т.е.
, (213)
где kиск – коэффициент искажения формы кривой тока, потребляемого от питающей сети;
kсдв– кэффициент сдвига:
kсдв=cosφ.
Параметр φ характеризует угол сдвига первой гармоники потребляемого тока от кривой напряжения питающей сети.
Перемножив cosφ и kиск получим
(214)
Отметим, что и для двустороннего фазового регулирования коэффициент мощности также определяется по формуле (214). При этом коэффициент сдвига равен единице, а коэффициент искажения соответствует выражению (214).
Нетрудно видеть, что в одиночных преобразователях переменного напряжения независимо от используемого метода фазового регулирования коэффициент мощности равен относительному значению напряжения нагрузки, т.е. χ= Uнг/U, и связан с ним линейной зависимостью (рис. 77).
На основе однофазной схемы, показанной на рис. 73, а, работают трехфазные схемы для регулирования напряжения на статоре АД, состоящие из шести тиристоров VS1... VS6 (см рис. 71 и рис.72). Отметим, что в таких схемах вместо пары встречно-параллельно включенных тиристоров может применяться полупроводниковый прибор симметричный тиристор, обеспечивающий протекание тока в фазе двигателя в обоих направлениях и имеющий такой же принцип действия, что и тиристор. Его применение сокращает число электронных приборов вдвое и упрощает схему СИФУ.
Отметим, что напряжение на нагрузке является несинусоидальным и его можно представить совокупностью нескольких синусоидальных напряжений - гармоник, каждая из которых изменяется с определенной частотой. Частота изменения первой из них (основной гармоники) равна частоте питающего напряжения, а частоты изменения других гармоник больше, чем первой. Обычно первая гармоника имеет наибольшую амплитуду и по ней ведутся все основные расчеты.
Кроме регулирования координат двигателя ТРН позволяет осуществлять изменение направления его скорости, т.е. реверс. Реверсивная схема ТРН (рис. 78) по сравнению со схемой, приведенной на рис. 72, а, дополнена двумя парами встречно-параллельно включенных тиристоров. Подключение этих пар тиристоров (при отключении двух соответствующих пар тиристоров основной схемы) позволяет изменить чередование фаз питающего напряжения, подаваемого на обмотку статора асинхронного двигателя. При этом направление вращения магнитного поля, созданного обмоткой статора, и соответственно направление вращения ротора АД изменятся на обратное.
Рис. 77. Зависимость коэффициента мощности ТРН от относительного напряжения на нагрузке для одиночного преобразователя
Функциональные возможности ТРН по управлению АД этим далеко не исчерпываются. С их помощью можно обеспечивать принудительное электрическое торможение АД, формирование требуемых динамических характеристик ЭП в переходных режимах, обеспечение экономичных режимов АД при его работе с переменной нагрузкой. На базе рассмотренных схем ТРН реализуются тиристорные реверсивные и нереверсивные контакторы (пускатели) для пуска, реверса и торможения АД. Разработаны и успешно применяются серии систем плавного пуска асинхронных двигателей на токи от единиц до тысяч ампер. В качестве примера можно привести системы плавного пуска типа РSS03…PSS350 и PST. С помощью систем плавного пуска можно осуществлять плавный пуск и остановку привода, сводя механические и электрические перегрузки к минимуму. При выборе типоразмера системы плавного пуска следует руководствоваться рекомендациями фирмы - разработчика (АВВ). При пуске двигателя без повышенной нагрузки на валу (ЭП центробежного насоса, компрессора, лифта) – типоразмер системы должен соответствовать номинальной мощности двигателя, а при пуске с повышенной нагрузкой (ЭП измельчителя, мельницы, смесителя, мешалки и т.п.) систему необходимо выбирать на один типоразмер больше того, что соответствует номинальной мощности двигателя.
Системы плавного пуска выполняются на современной элементной базе силовой электроники, снабжены интеллектуальными устройствами управления и программным обеспечением.
Дата добавления: 2019-02-08; просмотров: 1423;