Регулирование скорости асинхронных электродвигателей Исполнитель

Регулирование скорости асинхронных электродвигателей

1. Регулирование скорости асинхронных электродвигателей
2. Регулирование скорости изменением частоты питающего напряжения

 {spoiler=Подробнее}

С точки зрения основных показателей регулирования скорости асинхронные двигатели, питаемые от сети, значительно уступают двигателям постоянного тока, поэтому их чаще всего используют для нерегулируемых установок. Однако преимущества асинхронных короткозамкнутых двигателей перед двигателями постоянного тока (надежность работы, простота конструкции и эксплуатации, меньшие стоимость, габариты и взрывоопасность) заставляют искать совершенные и приемлемые для широкого внедрения способы регулирования скорости асинхронных электродвигателей.

Основные способы регулирования скорости асинхронных двигателей могут быть разделены на следующие группы:

а) изменение скольжения введением в цепь ротора или статора активного или индуктивного сопротивления, а также подключением цепи ротора к источнику внешней э.д.с. в так называемых каскадных схемах;

б) изменение скорости вращающегося поля статора изменением числа пар полюсов р или изменением частоты питающего напряжения [см. формулу (18)];

в) импульсное регулирование скорости.

Для регулирования скорости асинхронных короткозамкнутых двигателей широко применяют электрические муфты, а также гидромуфты.

Регулирование скорости введением реостата в цепь ротора. Из уравнения (21) и рис. 14 следует, что введение активного сопротивления в цепь ротора вызывает увеличение скольжения. При заданном статическом моменте скольжение обратно пропорционально величине сопротивления в цепи ротора. Этот способ регулирования скорости имеет целый ряд недостатков. С уменьшением жесткости механической характеристики снижается стабильность работы двигателя на данной характеристике. Скорость может регулироваться только вниз от основной. Диапазон регулирования скорости непостоянен и зависит от нагрузки.

Потери мощности в роторной цепи ΔР₂ растут пропорционально скольжению (перепаду скорости) s

,

где P₁ — мощность, потребляемая из сети.

Коэффициент полезного действия привода при реостатном регулировании скорости ориентировочно может быть определен по формуле

.

В отличие от пускового реостата регулировочный реостат рассчитывают на длительную работу при полном токе нагрузки, вследствие чего он более громоздок и тяжел. Такой реостат сложен в обслуживании.

Из-за больших потерь и других недостатков, отмеченных выше, данный способ регулирования применяется сравнительно редко (на некоторых лебедках при непродолжительном регулировании).

Регулирование скорости переключением числа пар полюсов используют для асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором, так как для перехода на другую скорость требуется изменять число пар полюсов только на обмотке статора. Беличья клетка всегда образует столько же полюсов, сколько и обмотка статора. В двигателе же с фазным ротором для перехода на другую скорость пришлось бы одновременно переключать обмотку статора и ротора, что представляет значительные конструктивные трудности.

Отечественной промышленностью выпускаются двух-, трех- и четырехскоростные асинхронные электродвигатели на 750/1500, 500/1000, 1500/3000, 750/1000/1500, 500/750/1000/1500 об/мин и др.

Двухскоростные двигатели имеют на статоре либо две обмотки с разным числом полюсов, либо одну обмотку, допускающую переключение числа пар полюсов. Трех- и четырех- скоростные двигатели имеют две обмотки с переключением числа пар полюсов.

Практически наиболее употребительными схемами переключения числа пар полюсов одной обмотки статора являются схемы включения со звезды на двойную звезду (рис. 48, а, б) и с треугольника на двойную звезду (рис. 48, в и г).

При переключении по схеме, приведенной на рис. 48, а и б, регулирование осуществляется практически при постоянном моменте. После переключения сопротивление части обмотки, включенной на напряжение сети, уменьшается вдвое; ток возрастает, а следовательно, возрастает вдвое мощность двигателя.  Но  так как одновременно с этим увеличивается вдвое скорость, то момент двигателя остается постоянным. При переключении по схеме, приведенной на рис. 48, в и г, сопротивление фазы обмотки и напряжение, приложенное к ней, не изменяются, поэтому ток фазы до и после переключения остается прежним. Так как после переключения скорость увеличится вдвое и мощность останется постоянной, то момент двигателя уменьшится вдвое и регулирование будет осуществляться при постоянной мощности.

Механические характеристики двухскоростного асинхронного электродвигателя показаны на рис. 49. Из рис. 49 видно, что переход с высшей ступени скорости на низшую (точки 1, 2, 3) во всех случаях связан с работой в режиме рекуперативного торможения.

Механические характеристики отличаются большой жесткостью. Регулирование скорости переключением числа пар полюсов хотя и является ступенчатым, но в то же время весьма экономично. Этот способ применяют в приводе конвейеров, элеваторов, толкателей, питателей, вентиляторов и др.

Регулирование скорости изменением частоты питающего напряжения

Регулирование скорости изменением частоты питающего напряжения имеет весьма важное значение для электропривода рудничных машин. При данном способе сочетаются глубина и плавность регулирования с простотой конструкции, надежностью, удобством эксплуатации асинхронного короткозамкнутого электродвигателя.

Основным фактором, определяющим рабочий поток двигателя, является соотношение между напряжением и частотой статора. Изменяя это соотношение, можно регулировать поток двигателя.

Как известно из курса электротехники, ток ротора пропорционален первой степени рабочего потока, а вращающий момент — квадрату рабочего потока

.

Опрокидывающий момент двигателя изменяется пропорционально квадрату потока

.

Таким образом, основным вопросом частотного управления приводом переменного тока является выбор оптимального соотношения между величиной напряжения и частотой в процессе управления двигателем. Необходимо стремиться к тому, чтобы, механические характеристики во всем диапазоне отличались высокой жесткостью и двигатель имел наибольший вращающий момент.

Общий закон управления напряжением, обеспечивающий оптимальные условия работы двигателя, выражается уравнением

.                                                                                           (42)

При таком законе регулирования коэффициент перегрузки двигателя остается неизменным при разных частотах.

В случае регулирования скорости при постоянном моменте целесообразно соблюдать соотношение

;                                                                                                   (43)

в случае регулирования при постоянной мощности — соотношение

.                                                                                                 (44)

а в случае вентиляторной нагрузки, когда момент статического сопротивления зависит от скорости,

                                                                                                (45)

Механические характеристики асинхронного двигателя при, регулировании скорости изменением частоты показаны на рис. 50. Как видно из рисунка, механические характеристики обладают большой жесткостью, а регулирование скорости отличается большой плавностью и широким диапазоном. Двумя чертами отмечены характеристики в режиме рекуперативного торможения с отдачей энергии в сеть, тремя — в режиме торможения противовключением и четырьмя — в режиме динамического торможения. (Одной чертой обозначен двигательный режим.)

Несмотря на большие достоинства, частотное регулирование скорости асинхронного двигателя в электроприводе рудничных машин до последнего времени не находило широкого применения. Причина заключалась в отсутствии надежного и удобного в эксплуатации преобразователя частоты. Применение механических, контакторных, электромашинных преобразователей, и инверторов на ионных приборах — тиратронах, игнитронах, экситронах не дало существенных результатов. Положение коренным образом изменилось в связи с разработкой надежных, бесшумных, высокоэкономичных статических преобразователей частоты (инверторов) на тиристорах, обладающих относительно малыми габаритами и массой.

В рудничном электроприводе находят применение тиристорные преобразователи частоты (ТПЧ) с промежуточным звеном постоянного тока и с непосредственной связью.

Структурная схема инвертора с промежуточным звеном постоянного тока показана на рис. 51. Преобразователь состоит из управляемого выпрямителя ВУ, трехфазного инвертора И и схемы управления, которая содержит блок управления выпрямителя БУВ и блок управления инвертором БУИ.

Переменное напряжение трехфазного тока выпрямляется и подается на инвертор. Трехфазная схема управления инвертором вырабатывает отпирающие импульсы определенной частоты, сдвинутые по фазе на 120°. Эти импульсы поочередно, со сдвигом в 120° отпирают тиристоры инвертора и на выходе появляется напряжение трехфазного переменного тока, форма которого в большей или меньшей степени приближается к синусоиде. Изменяя частоту отпирающих импульсов, можно изменить частоту выходного напряжения преобразователя.

На  рис. 52 показана схема силовой части преобразователя частоты со звеном постоянного тока для питания асинхронного короткозамкнутого электродвигателя драги. Здесь УВ — управляемый выпрямитель, собранный на тиристорах  УВ13—УВ18; УВ1—УВ6 — основные управляемые вентили инвертора И. Коммутация инверторных тиристоров осуществляется параллельно включенными звеньями LC. Реакторы L ограничивают ток разряда конденсаторов. Неуправляемые вентили В7—В12 составляют группу обратного тока. Они служат для пропускания в сеть реактивного тока двигателя. Неуправляемые вентили В1—В6, включенные последовательно с тиристорами, препятствуют разряду конденсаторов на нагрузку, что снижает величину установленной емкости коммутирующих конденсаторов.

На рис. 53 представлена схема преобразователя частоты с непосредственной связью.

Основой преобразователя служит трехфазная мостовая схема выпрямления. В течение одного полупериода выходного напряжения преобразователя пропускают ток вентили катодной группы, а в течение другого — анодной группы. Полуволна: выходного напряжения состоит из отрезков волны напряжения питающей сети.

Для ограничения тока между вентилями разных групп применяют уравнительные реакторы УР.

К достоинствам преобразователей частоты с непосредственной связью можно отнести однократное преобразование энергии, а следовательно, и более высокий к.п.д., возможность обмена реактивной энергией между двигателем и сетью; отсутствие коммутирующих конденсаторов, так как коммутация тиристоров осуществляется естественным путем. В то же время преобразователи с промежуточным звеном постоянного тока проще, чем преобразователи с непосредственной связью; проще и схема управления ими. Они позволяют плавно и в широких пределах регулировать выходную частоту независимо от частоты сети; выходное напряжение их сравнительно мало искажено.

Недостатком их является двойное преобразование энергии, невозможность без усложнения схемы выпрямителя возвращения энергии в сеть. Последнее обстоятельство исключает, в частности, рекуперативное торможение двигателя. Таким образом, выбор того или иного инвертора зависит от режима работы механизма. Так, например, в приводе угольных и проходческих комбайнов, где отсутствуют тормозные режимы, наибольшее применение, очевидно, найдут преобразователи с промежуточным звеном постоянного тока. В приводе подъемных машин, где имеют место частые реверсы, и тормозные режимы, а преобразователь должен пропускать реактивную мощность нагрузки в сеть (рекуперативный режим торможения), целесообразно, использовать преобразователь с непосредственной связью.

Частотно-регулируемый электропривод переменного тока имеет перед тиристорным электроприводом постоянного тока то преимущество, что здесь используется простой, надежный короткозамкнутый асинхронный  электродвигатель. Имеется возможность создания полностью бесконтактного электропривода, что важно с точки зрения надежности, взрывобезопасности, простоты ухода. Однако сам преобразователь частоты уступает тиристорному выпрямителю в таких основных показателях, как сложность, масса, габариты и т.п. Несколько хуже будут и динамические характеристики частотно-регулируемого привода при использовании его в механизмах, осуществляющих резание и разрушение горных пород. Наиболее перспективным следует считать применение частотно-регулируемого привода переменного тока в регулируемых установках водоотлива, проветривания, пневмоснабжения, конвейерного транспорта. Найдут они известное применение и в приводе забойных машин.

Литература

1. Электропривод рудничных машин. М.М. Фотиев, М.: Недра, 1981
2. Электропривод и электрификация открытых горных работ. Б.П. Белых, В.И. Щуцкий,… М., Недра, 1983, 269 с.
3. Общий курс электропривода. М.Г. Чиликин, А.С. Сандлер, М., Энергоиздат, 1981, 576 с.

{/spoilers}