ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРИВОД

Асинхронный электропривод с фазовым регулированием угловой скорости

Одной из эффективных возможностей повышения надежности и экономичности работы электроприводов с асинхронными двигателями является использование тиристорных регуляторов напряжения. Схема силовых цепей нереверсивного тиристорного регулятора напряжения приведена на рис. 5.14.

Схема состоит из трех пар встречно-параллельно включенных ти­ристоров VS1-VS6, управляемых от системы импульсно-фазового управления (СИФУ) входным сигналом Uy. Изменяя напряжение

управления, можно плавно менять действующее значение напряжения на обмотках статора двигателя.

Добавление в схему рис. 5.14 еще двух пар тиристоров позволяет получить реверсивную схему рис 5.15, обеспечивающую возможность вращения двигателя в двух направлениях. В тиристорных регуляторах напряжения небольшой мощности вместо пары тиристоров используют­ся симметричные тиристоры - симисторы, а также тиристорные модули различного типа, в том числе оптронные.

При снижении фазного напряжения U|у- синхронная скорость со0 и критическое скольжение, vK двигателя остаются постоянными, а крити­ческий момент двигателя Мк уменьшается пропорционально квадрату фазного напряжения. Соответственно снижается жесткость рабочей части механической характеристики. При постоянной нагрузке Мс ре­гулирование скорости возможно в диапазоне от со0 до со0 (1 — ^Ke). Ме­ханические характеристики асинхронного двигателя с короткозамкну­тым ротором при изменении напряжения обмотки статора приведены на рис. 5.16. При снижении питающего напряжения на 30 % критический мо­мент асинхронного двигателя уменьшается примерно в два раза, и при значительном статическом моменте двигатель может остановиться и оказаться под пусковым током. Указанные случаи имеют место в сла­бых электрических сетях (северные районы, сельские местности). Сле­довательно, в системе управления электроприводом необходима время - токовая защита, предотвращающая нахождение двигателя под недопус­тимым током длительное время.

В то же время преднамеренное снижение напряжения, подаваемого на статорные обмотки, часто используется для регулирования скорости асинхронного двигателя и для обеспечения плавности пуска.

Регулирование скорости асинхронного двигателя путем изменения напряжения обмотки статора сопряжено с возможностью перегрева его ротора и может производиться лишь при определенных условиях:

• при малом диапазоне снижения скорости относительно номи­нальной;

• при снижении относительно номинального момента сопротив­ления на валу двигателя;

• при использовании двигателя с повышенным скольжением.

Предположим, что момент сопротивления на валу двигателя оста­ется постоянным и равным номинальному (Мс =МЯ). При снижении

напряжения до Ul2 двигатель будет работать со скольжением, sp и ско­ростью Юр = <jo0 (1 - sp). Мощность АРм2, выделяемая в виде потерь в обмотке ротора двигателя, будет равна

= Мс • со0 • sp = 3 • (/2 j2 • R2

и пропорциональна площади прямоугольника Оаб, чр.

Номинальная мощность скольжения, на рассеяние которой рассчи­тана конструкция двигателя, пропорциональна площади Оабли, она примерно в два раза меньше потерь в роторе двигателя, работающего в точке «в». Естественно, что при работе в указанном режиме ротор дви­гателя будет перегреваться. Поэтому регулирование скорости асин­хронного двигателя изменением напряжения статора возможно в том случае, когда момент сопротивления Мс при снижении скорости суще­ственно меньше номинального момента. Свойством снижения момента сопротивления с уменьшением скорости обладают вентиляторные на­грузки

Мс =М0 + я • оох, (5.38)

где М0 - момент от сил трения, Н • м; а - коэффициент, Н • м • с/рад; х = 2 - для вентиляторов; х = 3 - для центробежных насо-

Механические характеристики для случая вентиляторной нагрузки приведены на рис. 5.17.

Поскольку со снижением скорости от <юн до со0 (1- ) момент со­

противления Мс уменьшается примерно в квадрат раз от величины снижения скорости, то мощность потерь в обмотке ротора АРш2 со сни­жением скорости растет в меньшей степени, чем при постоянной на­грузке.

Скорости, соответствующие установившимся режимам работы электропривода, можно определить графически по точкам пересечения механических характеристик асинхронного двигателя М = /(со) и ме­ханической характеристики вентилятора Мс = /(со). Точки, соответст­вующие установившимся значениям скорости или скольжения sH, ,vр,, sp2, могут соответствовать устойчивому или неустойчивому равнове­сию.

Возникает вопрос об устойчивости работы электропривода с вен­тиляторной нагрузкой при скольжении, vр,.

При известных параметрах вентилятора и двигателя значения к^с и

кр достаточно просто определяются путем численного дифференциро­вания выражений (5.40) и (5.42) в математической системе MathCAD. Результаты расчетов к^с и к^, а также их разность - к^с, найденные

для напряжения статора Un, представлены на рис. 5.18.

Анализ графических зависимостей рис. 5.18 показывает, что усло­вие (5.39) выполняется в окрестностях скорости сор1 = со0(1 — л*р1). По­этому вращение вентилятора при скольжении j j будет устойчивым.

Устойчивое вращение вентиляторов со скольжениями, большими

при регулировании их скорости изменением напряжения подтверждает­ся практическими исследованиями для различных типов вентиляторов.

Пример 5.4. Для короткозамкнутого асинхронного двигателя типа 4А112МВ6УЗ рассчитать и построить механические и электромехани­ческие статические характеристики для следующих напряжений обмот­ки статора: Un= 0,7 • UlH; Ul2 = 0,8 • UlH; UlH.

Основные параметры асинхронного двигателя и его схемы заме­щения:

•номинальная мощность двигателя Ря = 4 кВт;

• номинальное фазное напряжение U= 220 В;

•номинальное скольжение £н =0,051 о. е.;

•номинальный ток обмотки статора /1н = 9,125 А;

• активное сопротивление фазы обмотки статора R =1,878 Ом;

• индуктивное сопротивление рассеяния фазы обмотки

статора Х1ст= 2,248 Ом;

• активное сопротивление ротора, приведенное к обмотке

статора R2 =1,393 Ом;

• индуктивное сопротивление рассеяния фазы обмотки ротора,

і

Электромеханические характеристики /2 = /(л) для различных на­пряжений обмотки статора приведены на рис. 5.20.

Графики электромеханических характеристик /2 = / (v) и /1 = / (л) для различных напряжений обмотки статора приведены на рис. 5.20.

Вывод. При изменении напряжения статора критический и пуско­вой момент асинхронного двигателя уменьшаются пропорционально квадрату фазного напряжения. Одновременно пропорционально напря­жению уменьшается ток короткого замыкания. Этим свойством поль­зуются для ограничения бросков тока при пусках асинхронных двигате­лей. Регулирование скорости происходит за счет изменения жесткости характеристик. На практике для некоторых типов вентиляторов удается получить диапазон регулирования скорости D = 1:10 за счет работы двигателя на участках механической характеристики со скольжениями, большими s„.

к

Тиристорные пусковые устройства в электроприводах с асинхронными двигателями

Одна из эффективных возможностей повышения надежности и экономичности работы электроприводов с асинхронными двигателями связана с использованием в их структурах тиристорных пусковых уст­ройств, называемых также мягкими пускателями [12]. Тиристорное пус­ковое устройство (ТПУ) представляет собой специализированный регу­лятор напряжения переменного тока с фазовым управлением (см. рис. 5.14 или рис. 5.15), предназначенный для регулирования напряжения на статоре асинхронного двигателя при неизменной его частоте. Отличаясь простотой схемы, незначительными массой и габаритами, эти устройст­ва позволяют:

• ограничить ток и момент на валу двигателя при пусках, ревер­сах и торможениях;

• уменьшить электрические, механические и тепловые нагрузки на элементы самого электропривода, кинематических схем технологи­ческого оборудования и систем электроснабжения и тем самым увели­чить их срок службы;

• существенно снизить падения напряжения в питающей сети при пусках мощных двигателей.

Функциональная схема асинхронного электропривода с тиристор­ным пусковым устройством и задатчиком интенсивности на входе при­ведена нарис. 5. 21.

Тиристорные пусковые устройства в настоящее время широко применяют практически во всех отраслях промышленности, строитель­стве, жилищно-коммунальном хозяйстве.

Задатчик интенсивности (ЗИ), установленный на вход тиристорно­го пускового устройства, формирует темп роста напряжения на обмот­ках статора асинхронного двигателя М. Как правило, выходное напря­жение задатчика интенсивности - линейно-нарастающее, но может быть сформирован и более сложный закон изменения напряжения управле­
ния (рис. 5.22), определяющий не только ускорение электропривода, но и его рывок.

Ускорение d(£>/dt при пуске и торможении двигателя определяется темпом изменения сигнала Uy задатчика интенсивности, причем они связаны между собой зависимостью

зультате моделирования, приведены на рис. 5.23, а динамическая меха­ническая характеристика - на рис. 5.24.

Сравнительный анализ графиков переходных процессов скорости и момента, а также динамических механических характери­стик при пуске двигателя прямым включением в сеть (см. рис. 5.9. - 5.11) и через тиристорное пусковое устройство показывает, что в ре­зультате формирования соответствующего закона изменения напряже­ния управления Uу можно:

•устранить броски динамического момента двигателя на начальном участке пуска;

•уменьшить максимальное перерегулирование скорости и момента в конце пуска, на рабочем участке механической характеристики.