Принципы регулирования

Угловая скорость вращения АД равна:

,

где w₀ — угловая скорость вращения магнитного поля статора, рад/с;

S — скольжение.

Если выразить скольжение через уравнение равновесия для фазы обмотки ротора:

,

где Е₂ — ЭДС, наведенная в обмотке ротора, В;

U₂ — напряжение ротора, В;

I₂ — ток фазы обмотки ротора, А;

Z₂ — полное сопротивление фазы обмотки ротора, Ом,

то можно получить

.

Анализ данного выражения показывает, что существует два принципиальных способа регулирования: изменением напряжения обмотки ротора и изменением скорости вращения магнитного поля статора.

При реализации этих принципов наибольшее практическое применение получили следующие способы регулирования угловой скорости АД: реостатное регулирование; переключением числа полюсов; каскадные включения АД; изменением питающего напряжения; изменением частоты питающего напряжения.

Реостатное регулирование АД заключается в изменении сопротивления обмотки ротора путем включения в цепь добавочного сопротивления.

При увеличении добавочного сопротивления критический момент остается постоянным, жесткость рабочих участков характеристик уменьшается, а, следовательно, и стабильность работы АД на данной частоте вращения становится меньше. Направление регулирования возможно только одно-зонное — "вниз" от номинальной частоты вращения. Экономичность низкая из-за потерь в добавочном сопротивлении. Диапазон регулирования до 3:1. Плавность зависит от числа ступеней реостата и может повыситься за счет применения импульсного регулирования. Главным недостатком этого способа является невозможность его применения на АД с короткозамкнутым ротором.

Для регулирования скорости АД изменением величины питающего напряжения характерно снижение перегрузочной способности за счет снижения критического момента при снижении жесткости характеристик. При этом изменение напряжения возможно только в сторону уменьшения. Несмотря на возможность плавного регулирования другие показатели — экономичность, стабильность и диапазон регулирования довольно низки. Практическое применение данный способ имеет в электроприводах малой мощности.

Скорость вращения магнитного поля статора АД равна: ,

гдеf — частота питающего напряжения, Гц;

р — число пар плюсов.

Данное выражение показывает, что скорость w₀ обратно пропорциональна числу пар полюсов электрической машины. На практике эта взаимосвязь реализуется, например, переключением статорных обмоток АД со схем "звезда" или "треугольник" на схему соединения "двойная звезда". Механические характеристики при данном способе показывают его высокую стабильность (жесткость не меняется). Экономичность высокая, диапазон до 8:1. Широкое применение этот способ регулирования получил в электроприводах, не требующих плавного регулирования скоростей, с двумя-тремя ступенями скорости.

Каскадные способы относятся к регулированию напряжения обмотки ротора, но, в отличие от реостатного способа обеспечивают высокие экономичность и плавность. Сущность каскадных методов регулирования АД сводится к тому, что в цепь ротора вводится добавочная ЭДС, позволяя полезно использовать энергию скольжения. В зависимости от реализации энергии скольжения каскады делятся на электрические и электромеханические. В первом случае энергия скольжения возвращается в питающую цепь, во втором — энергия, преобразованная в механическую, возвращается на вал двигателя. Широкое распространение получили вентильные и вентильно-машинные каскады с применением полупроводниковых преобразователей. Положительные стороны каскадных схем регулирования делает выгодным их применение в электроприводах большой мощности, но область их применения ограничивается большими габаритами и необходимостью наличия фазного ротора у двигателей.

7. Частотное регулирование скорости АД. Особенности частотного регулирования скорости

синхронных двигателей (СД)

I. 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.

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 делятся на электромашинные и вентильные (статические).

Недостатки (большие габариты установки в целом, наличие большого количества вращающихся частей, инерционность, невысокая надежность, невозможность применения в электроприводе малой мощности) ограничивают применение электромашинных преобразователей и приводят к необходимости создания статических преобразователей, которые в зависимости от элементной базы можно разделить на транзисторные и тиристорные. В зависимости от структуры статические преобразователи делятся на преобразователи с промежуточным звеном постоянного тока и НПЧ.

Предназначен НПЧ для преобразования высокой частоты в низкую и состоит из восемнадцати тиристоров, объединенных во встречно-параллельные группы с раздельным управлением. В основе преобразователя лежит трехфазная нулевая схема выпрямления; каждая фаза преобразователя состоит из двух таких встречно включенных выпрямителей. Группу из трех вентилей, имеющих общий катод, называют положительной или выпрямительной, а группу с общим анодом — отрицательной или инверторной. Вентильные группы могут управляться раздельно, либо совместно.

К достоинствам этого типа преобразователей можно отнести: однократное преобразование энергии и, следовательно, высокий КПД (около 0,97…0,98); возможность независимого регулирования амплитуды напряжения на выходе от частоты; свободный обмен реактивной и активной энергией из сети к двигателю и обратно; отсутствие коммутирующих (бутстреповых) конденсаторов, так как коммутация тиристоров производится естественным путем (напряжением сети.)

К недостаткам рассмотренного преобразователя частоты относятся: ограниченное регулирование выходной частоты (от 0 до 40 % частоты сети); сравнительно большое число силовых вентилей и сложная схема управления ими; невысокий коэффициент мощности — максимальное значение на входе преобразователя около 0,8.

Наибольшее применение для промышленных приводов может иметь статический преобразователь частоты с промежуточным звеном постоянного тока. Преобразователь состоит из двух силовых элементов — управляемого выпрямителя и инвертора. На вход выпрямителя подается нерегулируемое напряжение переменного тока промышленной частоты; с выхода постоянное регулируемое напряжение подается на инвертор, который преобразует постоянное напряжение в переменное регулируемой амплитуды и частоты. Кроме двух силовых элементов, преобразователь содержит еще систему управления, состоящую из блока управления выпрямителем и блока управления инвертором. Выходная частота регулируется в широких пределах и определяется частотой коммутации тиристоров инвертора. В такой схеме производится раздельное регулирование амплитуды и частоты выходного напряжения.

Преобразователь с промежуточным звеном постоянного тока позволяет регулировать частоту как вверх, так и вниз от частоты питающей сети; он отличается высоким КПД (около 0,96), значительным быстродействием, малыми габаритами, сравнительно высокой надежностью и бесшумен в работе.

Для преобразователей большей мощности (от 20 кВт и выше) с относительно большим диапазоном регулирования выпрямленного напряжения (до 20:1) используется трехфазный полностью управляемый выпрямитель, обычно выполняемый по мостовой схеме.

В тех случаях, когда инвертор питается от сети постоянного тока или от неуправляемого выпрямителя, применяется ШИР напряжения.

Системы с ШИР могут обеспечить большой диапазон регулирования выходного напряжения и позволяют уменьшить габариты фильтрующих устройств. Питание инвертора от неуправляемого выпрямителя через ШИР позволяет получить высокий коэффициент мощности на входе преобразователя частоты во всем диапазоне регулирования. Недостатками преобразователя частоты с ШИР на входе инвертора являются необходимость установки силового тиристора, рассчитанного на всю мощность, потребляемую инвертором, снижение КПД преобразователя из-за дополнительного преобразования энергии (потери мощности в ШИР), усложнение схемы преобразователя и снижение его надежности, поэтому ШИР на входе инвертора используется в основном только при наличии сети постоянного тока.

В случае применения в преобразователях частоты автономных инверторов напряжения с фазной или индивидуальной коммутацией тиристоров или транзисторных инверторов можно совместить в самом инверторе функции инвертирования и регулирования напряжения методом ШИМ. Такие тиристорные инверторы и их системы управления существенно сложнее рассмотренных инверторов с межфазной коммутацией, а КПД их ниже из-за повышенных потерь, связанных с высокой частотой коммутации тиристоров.

Несмотря на этот недостаток инверторы с индивидуальной и фазовой коммутацией тиристоров (и транзисторные) используются в весьма перспективных преобразователях частоты с инверторами с ШИМ, применяемых в приводах с глубоким регулированием скорости. Отличительной особенностью этих инверторов является не только возможность регулирования в них как напряжения, так и частоты от нуля до номинального значения, но и получение формы выходного тока, близкой к синусоидальной. Это позволяет в таких системах обеспечить весьма широкий диапазон регулирования угловой скорости асинхронного двигателя и уменьшить потери в нем от высших гармоник напряжения. При использовании инверторов с ШИМ отпадает необходимость в источнике регулируемого выпрямленного напряжения, что упрощает силовую схему и позволяет получить коэффициент мощности преобразователя, близкий к единице.

Единственным способом регулирования скорости синхронного двигателя является частотный метод регулирования.

Синхронный электропривод обладает рядом особенностей:

· привод большой мощности, работающий при постоянных нагрузках близких к критической;

· склонность к качаниям, учитывая то, что двигатель работает в области нагрузок близких к критическим при изменении частоты питания обмотки статора и как следствие изменение скорости, электромагнитный момент двигателя так же будет изменяться.

Поэтому одновременно с изменением частоты питания цепи статора в целях сохранения перегрузочной способности двигателя, а также устойчивости системы регулирования одновременно с изменением частоты в синхронных машинах необходимо изменять ток возбуждения. Обычно в большинстве случаев применяется пропорциональный закон регулирования. Однако в ряде случаев используется зависимость частоты и тока возбуждения, которая может изменяться в зависимости от изменения скорости или его электромагнитного момента.