ИНЖИНИРИНГ ЗЛЕКТРОПРИВОДОВ

Электромеханическая совместимость электродвигателей с силовыми полупроводниковыми преобразователями

Пульсации электромагнитного момента, вызванные воздействием высших гармоник напряжения на электродвигатели, приводят к ухудшению виброа­кустических характеристик двигателей, т. е. увеличению акустического шума и появлению вибраций, а также сопровождаются резонансными явлениями и у худшением прочностных характеристик. Иными словами, высшие гармони­ческие составляющие напряжения являются причиной появления еще одной проблемы — необходимости электромеханической совместимости преобразо­вателей и электрических машин, входящих в состав регулируемых электро­приводов.

Под воздействием несинусоидального напряжения в статорной обмотке двигателя будет протекать ток, который кроме основной гармоники будет со­держать и высшие гармонические составляющие. Следовательно, в воздушном зазоре электродвигателя будут присутствовать движущиеся магнитные поля, скорость и направление вращения которых определяются номером гармоники. В результате этого в роторе возникают магнитные поля, также вращающиеся с соответствующими угловыми скоростями, а в асинхронном двигателе — элек­тромагнитные моменты двух видов — постоянные и колебательные.

Постоянные электромагнитные моменты возникают при взаимодействии магнитных полей статора и ротора одного порядка, например 1-й гармоники статора с 1-й гармоникой ротора или 5-й гармоники статора с 5-й гармони­кой ротора.

Колебательные электромагнитные моменты возникают в результате взаи­модействия магнитных полей статора и ротора, имеющих разный порядковый номер. Кроме того, колебательные электромагнитные моменты возникают при взаимодействии магнитного поля основной гармоники с магнитными поля­ми высших гармоник. Вращающий электромагнитный момент возникает при наличии разности фаз между вращающимися магнитными полями статора и ротора. В общем виде электромагнитный момент асинхронного двигателя можно выразить следующим образом: М = /3j/,.sin cpST, где Is — составляющая магнитодвижущей силы, обусловленная током статорной обмотки; ц/,. — маг­нитный поток, создаваемый током ротора; ф„. — угол сдвига между двумя этими векторами. При взаимодействии магнитодвижущей силы и магнитного потока с одним порядковым номером угол сдвига между ними остается по­стоянным, поскольку эти векторы вращаются с одинаковой угловой скоро­стью. Следовательно, и электромагнитные моменты, создаваемые гармоника­ми одного порядка, будут постоянными.

Совершенно другая картина наблюдается в случае взаимодействия гармо­нических составляющих с разными порядковыми номерами. Если вектор маг­нитодвижущей силы основной гармоники Is вращается с угловой частотой со,, а вектор, например, 5-й гармоники магнитного потока ротора вращается с угловой частотой 5Ю], но в другую сторону, то, естественно, угол ф,[,.5 между этими векторами будет изменяться по синусоидальному закону. Причем за один оборот (период) вектора /$1 угол сдвига изменится шесть раз. Следова­тельно, электромагнитный момент, создаваемый основной гармоникой ста­тора Is и 5-й гармоникой ротора будет изменяться по синусоидальному зако­ну, т. е. колебаться, причем частота этих колебаний будет равна 6cos.

Рассмотрим электромагнитный момент, создаваемый основной гармони­кой статора и 7-й гармоникой ротора. В этом случае векторы /5, и |/,.7 вращаются с разными скоростями ю, и 7соь но в одну сторону. Угол сдвига между этими векторами (psir7 в процессе вращения также будет периодически изменяться по синусоидальному закону. Поскольку рассматриваемые векторы вращаются в одну сторону, то период изменения или колебания электромагнитного мо­мента МЛг1, как и в предыдущем случае, будет равен бсо,. Можно показать, что электромагнитные моменты, создаваемые при взаимодействии 1 и 11-й, 1 и 13-й гармоник, тоже носят синусоидальный характер, причем частота пульса­ций этих электромагнитных моментов равна 2x6(0].

В регулируемых электроприводах постоянного тока, в которых двигатели получают питание от преобразователей, напряжение, подводимое к якорным зажимам, представляет собой сумму некоторой постоянной и гармонических составляющих. Если в регулируемом электроприводе в качестве статического преобразователя используется широтно-импульсный преобразователь, то /=/шип. а если двигатель получает питание от выпрямителя, то/= mfc. В элек­тродвигателях постоянного тока также будут возникать колебания электромаг­нитного момента.

Механические колебания вращающихся частей двигателя, возникающие из-за наличия колебательных электромагнитных моментов, в силу их малости в обычных условиях не существенны. Исключение составляют случаи, когда двигатель используется при частотах вращения, составляющих несколько обо­ротов в минуту и ниже, а также случаи, когда необходимо очень точное регу­лирование.

Однако если частота колебательного вращающего момента становится рав­ной собственной частоте крутильных колебаний системы двигатель—механизм, наступает явление резонанса, сопровождающееся сильным шумом и вибра­циями, а в ряде случаев и механическими повреждениями. В этом случае гово­рят уже об электромеханической совместимости преобразователя и электро­двигателя, учет и обеспечение которой необходимо осуществлять на всех ста­диях проектирования и разработки регулируемых электроприводов.

Способы и устройства обеспечения электромеханической совместимости. Способы минимизации вредного влияния высших гармонических составляю­щих напряжения на характеристики электродвигателей можно условно разде­лить на следующие группы: применение фильтрующих устройств; использова­ние схемотехнических решений при разработке преобразователей, включая специальные законы их управления; принятие специальных конструкторских решений при проектировании электрических машин.

В зависимости от типа электропривода, т. е. от рода тока, перечисленные способы обеспечения электромеханической совместимости реализуются по - разному. Поэтому эти способы следует рассмотреть отдельно для электропри­водов постоянного и переменного токов.

В современных автоматизированных электроприводах постоянного тока в качестве устройств управления широко применяют управляемые выпрямите­ли и широтно-импульсные преобразователи. Для этих типов преобразователей характерна периодическая пульсирующая кривая напряжения на выходе. Ос­новные требования к фильтрам для уменьшения пульсаций можно сформули­ровать следующим образом: фильтр не должен существенно изменять режим габоты преобразователя; фильтр должен обеспечивать заданную по условиям электромеханической совместимости степень сглаживания напряжения на нагрузке во всех оговоренных режимах работы электропривода.

Выполнение первого требования достигается в основном соответствующим г ыбором схемы фильтра. Так, например, емкостный фильтр или фильтры с емкостным входным звеном в мощных электроприводах использовать не ре­комендуется, так как они ухудшают форму токов, протекающих через венти­ли и трансформатор в управляемых выпрямителях, в результате чего возраста­ют потери мощности. Установка таких фильтров на выходе широтно-импуль - ены. ч преобразователей изменяет расчетные условия коммутации, что может привести к аварийным ситуациям.

Второе требование, предъявляемое к фильтрующим устройствам, является определяющим при расчете параметров элементов схемы фильтра. Обычно это требование задается в виде коэффициента пульсаций напряжения на нагрузке. Отношение пульсаций напряжения на выходе преобразователя к коэффици­енту пульсаций напряжения на нагрузке определяет снижение пульсаций на­пряжения, достигаемое в результате применения фильтра. Это отношение на­зывается коэффициентом сглаживания. Для увеличения эффективности филь­трующих устройств и увеличения коэффициента сглаживания S на практике используют многозвенные фильтры. Коэффициент сглаживания таких фильт­ров равен произведению коэффициентов отдельных звеньев.

Для обеспечения электромеханической совместимости преобразователя и двигателя без применения фильтрующих устройств или с применением филь­тров, обладающих незначительными массогабаритными показателями, следу­ет использовать преобразователи с повышенными значениями частот первой армоники выходного напряжения. Так, при использовании в электроприводе з качестве преобразователя управляемого выпрямителя и необходимости обес­печения электромеханической совместимости целесообразно применять мно - тотактные схемы выпрямления. Если в качестве преобразователя используется широтно-импульсный модулятор, то в целях увеличения частоты пульсаций зыходного напряжения, необходимо повышать частоту коммутации его сило­вого ключа. Важнейшим преимуществом широтно-импульсных преобразова­телей является возможность плавного регулирования частоты коммутации, что позволяет устранять явления резонанса.

Для обеспечения электромеханической совместимости электрооборудова­ния, входящего в состав электропривода переменного тока на основе авто­номного инвертора с широтно-импульсной модуляцией, следует устанавли­вать как можно более высокую частоту модуляции. В этом случае частоты всех высших гармоник будут достаточно высокими и не будут оказывать суще­ственного влияния на появление пульсирующих электромагнитных момен­тов. Дополнительные потери мощности от высших гармоник в двигателе с увеличением их частоты уменьшаются. В преобразователях же при увеличении частоты модуляции увеличиваются потери на коммутацию в ключах, а также потери в звеньях коммутации. Следовательно, при проектировании регулиру­емых электроприводов с преобразователями на основе инверторов с широт­но-импульсной модуляцией большое значение имеет выбор оптимального значения частоты модуляции, для которого суммарные потери в электропри­воде будут минимальными.

Задачу обеспечения электромеханической совместимости двигателей с пре­образователями нельзя решать в отрыве от решения задачи обеспечения высо­кого коэффициента полезного действия привода. Для современных преобразо­вателей частоту модуляции выбирают в диапазоне 4... 20 кГц.