Регулирование частоты вращения асинхронных двигателей

Общественный транспорт - Электрические машины

Из формулы следует, что частоту вращения ротора асинхронного двигателя можно регулировать следующими способами: изменением частоты f 1 питающего напряжения, числа пар полюсов p и величины скольжения s.

Частотное регулирование. Этот способ позволяет плавно изменять частоту вращения в широком диапазоне. Для его осуществления требуется, чтобы двигатель получал питание от отдельного источника (рисунок 2.18).

В качестве такого источника в настоящее время наиболее находят применение полупроводниковые статические преобразователи частоты.

В зависимости от требований к механическим характеристикам асинхронного двигателя при частотном регулировании одновременно с изменением частоты f 1 приходится по определенному закону изменять и подводимое к обмотке статора напряжение U 1.

Максимальный момент двигателя приближенно (без учета сопротивления r 1) определяется по (2.40),

.

Учитывая, что , , , получим

(2.54)

Если при регулировании частоты вращения требуется, чтобы при любой частоте f 1 максимальный момент оставался неизменным (регулирование с ), то получим

, (2.55)

откуда следует, что для регулирования n 2 при необходимо подводимое к обмотке статора напряжение U 1 изменять пропорционально его частоте. При этом основной магнитный поток машины при различных значениях частоты f 1 остается неизменным, т.е.

(2.56)

Механические характеристики асинхронного двигателя при регулировании с M макс = constпоказаны на рисунке 2.19.

Недостатком частотного регулирования является относительно высокая стоимость преобразовательных установок.

Регулирование частоты вращения изменением числа пар полюсов статорной обмотки. Для осуществления данного регулирования на статоре в общих пазах размещают не одну, а две обмотки, имею-

щие различные шаги и, следовательно, различное число пар полюсов. В зависимости от необходимой частоты вращения в сеть подключается та или иная обмотка. Этот способ применяется сравнительно редко, так как имеет существенный недостаток – малое использование обмоточного провода (в работе находится только одна из обмоток).

Значительно чаще изменение числа пар полюсов достигается изменением (переключением) схемы соединений обмотки статора. Принцип такого переключения показан на рисунке 2.20.

При переходе с последовательного соединения двух катушек на параллельное число пар полюсов изменяется с 2 на 1. При наличии фазной обмотки на роторе, её также необходимо переключать одновременно с обмоткой статора, что является большим недостатком. Поэтому данный способ регулирования частоты вращения применяется только у двигателей с короткозамкнутым ротором.

Асинхронные двигатели с переключением числа пар полюсов называют многоскоростными. Они выпускаются на две, три и четыре частоты вращения. Известно большое число схем, позволяющее осуществлять переключение числа пар полюсов. Эти схемы разделяются на схемы регулирования с постоянным моментом и схемы регулирования с постоянной мощностью. Механические характеристики двухскоростных двигателей показаны на рисунке 2.21.

Рисунок 2.20 – Изменение числа пар полюсов переключением катушек обмотки:

а – две пары полюсов; б – одна пара полюсов

Рисунок 2.21 – Механические характеристики двухскоростного двигателя

с переключением числа пар полюсов в отношении 2:1

при постоянном моменте (а) и при постоянной мощности (б)

Из всех способов регулирования частоты вращения асинхронных двигателей способ переключения числа пар полюсов является наиболее экономичным, хотя и он имеет недостатки:

– двигатели имеют относительно большие габариты и массу по сравнению с двигателями нормального исполнения;

– регулирование частоты вращения ступенчатое.

Многоскоростные двигатели применяют для электропривода станков и различных механизмов, частоту вращения которых нужно регулировать в широких пределах (например – лифтовые асинхронные двигатели).

Регулирование частоты вращения за счет изменения питающего напряжения. Отмеченное регулирование можно осуществить посредством тиристорного регулятора напряжения РН (рисунок 2.22).

Так как вращающий момент асинхронного двигателя пропорционален , то механические характеристики при напряжениях, меньше номинального, пойдут ниже естественной (рисунок 2.23).

Если момент сопротивления M С остается постоян-ным, то как следует из рисунка 2.23, при снижении напряжения сколь-жение двигателя

увеличивается.

Частота вращения ротора при этом уменьшается.

Регулирование скольжения этим способом возможно в пределах

0< s < s кр.

Дальнейшее снижение напряжения (ниже U 1(2)) недопустимо, так как при этом M макс < M С и двигатель остановится.

Регулирование частоты вращения двигателей изменением подводимого напряжения U 1 имеет существенный недостаток: в этом случае увеличиваются потери и, таким образом, снижается КПД двигателя. При снижении напряжения пропорционально U 1 уменьшается основной магнитный поток машины, вследствие чего при M = M С =const возрастают ток в обмотке ротора и, следовательно, электрические потери в роторе. Магнитные потери в стали статора уменьшаются. Обычно при нагрузках двигателей, близких к номинальной, снижение U 1 приводит к увеличению суммарных потерь и повышению нагрева двигателей. Поэтому рассматриваемый способ регулирования частоты вращения находит применение главным образом для машин небольшой мощности.

Регулирование частоты вращения асинхронных двигателей путем включения в цепь ротора добавочного активного сопротивления. Данный способ регулирования применяется только в двигателях с фазным ротором. Он позволяет плавно изменять частоту вращения в широких пределах (рисунок 2.24). Недостатками его являются: большие потери энергии в добавочных сопротивлениях, чрезмерно «мягкая» механическая характеристика двигателя при большом сопротивлении в цепи ротора. В некоторых случаях последнее является недопустимым, так как небольшому изменению нагрузочного момента соответствует существенное изменение частоты вращения. На практике данный способ применяется, главным образом, для регулирования частоты вращения небольших двигателей, например, в подъемных устройствах.

При данном способе регулирования частоты вращения двигателя регулировочный реостат (добавочное активное сопротивление), включаемый в цепь ротора, должен быть рассчитан на длительный режим работы. Поэтому пусковые реостаты, рассчитанные на кратковременное прохождение тока в период пуска, не могут использоваться как регулировочные.

1. Преобразователи частоты с непосредственной связью

Недостатки электромашинных преобразователей и развитие электронной базы привели к созданию статических преобразователей на основе использования тиристоров или транзисторов.

По структуре схемы статических преобразователей ча­стоты сходны с аналогичными схемами электромашинных преобразователей и могут быть представлены двумя основ­ными классами: с непосредственной связью и с проме­жуточным звеном постоянного тока.

Преобразователь с непосредственной связью предназна­чен для преобразования высокой частоты в низкую и состоит из 18 тиристоров, объединенных во встречно-параллельные группы с раздельным управлением (рис. 1). 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.

Во избежание короткого замыкания управляющие им­пульсы при раздельном управлении должны подаваться на тиристоры одной из вентильных групп, в соответствии с на­правлением тока в нагрузке. Для обеспечения раздельной работы применяется специальное логическое устройство, исключающее возможность прохождения тока в одной группе в то время, когда ток проходит в другой группе.

В преобразователях с совместной работой вентильных групп необходимо включение дополнительных реакторов, ограничивающих уравнительный ток между вентилями каждой группы, а углы управления положительной, и отри­цательной групп изменяются по определенному закону, исключающему появление постоянной составляющей урав­нительного тока. Преобразователи с совместным управле­нием работой вентильных групп обладают большой установ­ленной мощностью силовых элементов.

Рисунок 1 - Преобразователь частоты с непосредственной связью
В течение одного полупериода выходного напряжения преобразователя пропускают ток выпрямительные группы, а в течение другого — инверторные. Выходное напряжение состоит из отрезков волн напряжения питающей сети. На рисунке 2 показана кривая выходного напряжения при не­изменном угле включения вентилей? = 0.

Рисунок 2 - Форма выходного напряжения трехфазного преобразова­теля частоты с непосредственной связью
К достоинствам этого типа преобразователей можно отнести: 1) однократное преобразование энергии и, следо­вательно, высокий КПД (около 0,97—0,98); 2) возможность независимого регулирования амплитуды напряжения на вы­ходе от частоты; 3) свободный обмен реактивной и активной энергией из сети к двигателю и обратно; 4) отсутствие ком­мутирующих конденсаторов, так как коммутация тиристоров производится естественным путем (напряжением сети.)

К недостаткам рассмотренного преобразователя частоты относятся: 1) ограниченное регулирование выходной ча­стоты (от 0 до 40 % частоты сети); 2) сравнительно большое число силовых вентилей и сложная схема управления ими; 3) невысокий коэффициент мощности — максимальное зна­чение на входе преобразователя около 0,8).

Этот преобразова­тель может быть применен в случае использования тихоход­ного безредукторного привода, когда возникает необходи­мость в плавном регулировании угловой скорости (напри­мер, в приводе шаровых мельниц, где номинальная угловая скорость двигателя соответствует 12—15 Гц и регулируется вниз; при этом частота питающей сети составляет 50 Гц). Кроме того, данный тип преобразователя целесообразно применить для регулирования угловой скорости асинхрон­ного двигателя с фазным ротором, работающего в режиме двойного питания, когда статор его присоединен к сети, а ротор питается от той же сети через преобразователь частоты.
2 Статический преобразователь частоты с промежуточным

звеном постоянного тока
Широкое применение в АЭП имеет статический преобразователь частоты с проме­жуточным звеном постоянного тока, структурная схема ко­торого приведена на рисунке 3. Преобразователь состоит из двух силовых элементов — управляемого выпрямителя УВ и инвертора И. На вход УВ подается нерегулируемое на­пряжение переменного тока промышленной частоты; с вы­хода УВ постоянное регулируемое напряжение подается на инвертор И, который преобразует постоянное напряжение в переменное регулируемой амплитуды и частоты. Кроме двух силовых элементов, преобразователь содержит еще систему управления, состоящую из блока управления вы­прямителем БУВ и блока управления инвертором БУИ. Выходная частота регулируется в широких пределах и опре­деляется частотой коммутации тиристоров инвертора, кото­рая задается блоком управления инвертором БУИ. В такой схеме производится раздельное регулирование амплитуды и частоты выходного напряжения, что позволяет осущест­вить при помощи блока задания скорости БЗС требуемое соотношение между действующим значением напряжения и частотой на зажимах асинхронного двигателя.

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.

Рисунок 3 - Структурная схема статического преобразователя частоты с промежуточным эвеном постоянного тока: УВ — управляемый выпрямитель; И — инвертор; БУВ, БУН—соответ­ственно блок управления выпрямителей и инвертором; БЗС — блок задавания скорости
Примером принципиальной электрической схемы статического преобразователя частоты с промежуточным звеном постоян­ного тока, выполненного на тиристорах для привода неболь­шой мощности (до 5 кВт), может служить схема, приведен­ная на рисунке 4.

В качестве управляемого выпрямителя используются два тиристора (VS7 и VS8) и два диода (VD15 и VD16), включен­ные в так называемую полууправляемую мостовую схему для получения двухполупериодного выпрямленного напря­жения, среднее значение которого можно регулировать обычным способом, воздействуя на угол включения тиристоров VS7 и VS8.

Автономный инвертор напряжения (АBН) состоит из шести тиристоров (VS1 — VS6), шести последова­тельно включенных с ними диодов (VD9 — VD14) и шести дио­дов, включенных по трехфазной мостовой схеме (VD18 — VD3) и, наконец, шести колебательных контуров LС.

Преобразование постоянного напряжения в трехфазное переменное осуществляется коммутацией тиристоров VS1 — VS6, работающих в определенной последовательности. Время открытого состояния каждого тиристора составляет 2/3 полупериода выходного напряжения (длительность откры­того состояния тиристоров равна 120°); последователь­ность включения тиристоров отвечает их нумерации по схеме, т.е. сначала включается VS1, через 60° включается VS2 и т. д. до VS6. После VS6 вновь VS1 и т. д. через каждую 1/6 периода выходного напряжения. В каждый момент времени вне коммутации открыты одновременно два тиристора. Включение тиристоров осуществляется подачей положи­тельного импульса на управляющий электрод от БУИ. Для выключения тиристоров необходимо ток, протекающий через него, довести до нуля. Это достигается с помощью коммутирующих контуров LС; например, при включении VSЗ через ранее открытый V1 происходит разряд конденса­тора С и VS1 закрывается.

Рисунок 4 - Схема статического преобразователя частоты с промежуточ­ным звеном постоянного тока.
Выходное напряжение при чисто активной нагрузке имеет ступенчатую форму (рис.5), и длительность каж­дой ступени соответствует 1/6 периода выходного напряже­ния.

Рисунок 5 - Форма выходного на­пряжения при чисто активной нагрузке
Диоды VD9…VD14 служат для отделения коммутирующих конденсаторов от нагрузки, что дает возможность сущест­венно снизить их емкость по сравнению с обычным парал­лельным инвертором. Через мост VD18… VD23 реактивная энергия двигателя возвращается конденсатору С1. Напряжение на выходе инвертора регулируется изменением напря­жения на его входе — управляемым выпрямителем, а часто­та — изменением частоты подачи импульсов на тиристоры.

Достоинствами однофазной схемы выпрямления явля­ется меньшее количество тиристоров по сравнению с трех­фазной схемой выпрямления, а также более простое управ­ление, что снижает стоимость преобразователя. Поэтому при небольшой мощности привода и малом диапазоне регу­лирования напряжения целесообразно использовать одно­фазный выпрямитель, хотя пульсации выпрямленного на­пряжения получаются довольно большими, что требует применения сглаживающего реактора значительной индук­тивности.

Для преобразователей большей мощностис относительно большим диапазоном регулирования выпрямленного напряжения (до 20: 1) используются трех­фазный полностью управляемый выпрямитель, обычно вы­полняемый по мостовой схеме.

При больших диапазонах регулирования напряжения целесообразно для средней мощности преобразователя (до 20 кВт) применять мостовую схему с трехфазным полу­управляемым выпрямителем, который содержит три тиристора и три диода. В данном случае схема оказывается более простой по сравнению с полностью управляемым вы­прямителем.

1. 
   Преобразователь частоты с инвертором, работающим по принципу широтно-импульсной модуляции (ШИМ)

В тех случаях, когда инвертор питаетсяот сети постоян­ного тока или от неуправляемого выпрямителя, применяется широтно-импульсный регулятор (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 сШИР 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 широтно-импульсной модуляции (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 ввесьма 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.

Простейшая схема трехфазного преобразователя частоты с инвертором, работающим по принципу ШИМ, приведена на рисунке 6.

Рисунок 6 - Принципиальная электрическая схема трехфазного преобразователя частота с инвертором, работающим по принципу ШИМ
Преобразователь состоит из мостового неуправ­ляемого выпрямителя (VD7 — VD12) и автономного инвертора из шести тиристоров (VS1 — VS6) и шести обратных диодов (VD1 — VD6), предназначенных для передачи реактивной мощности от двигателя М к конденсатору С. Конденсаторы С1 — С6 и реакторы L1 — L3 осуществляют коммутацию тиристоров. Выходное напряжение также регулируется от нуля до максимального значения, определяемого постоянным напряжением навходе инвер­тора.

Инверторы с ШИМ могут найти широкое применение в си­стемах электроснабжения, имеющих питающую сеть посто­янного тока, где к тому же может быть использовано реку­перативное торможение.

В последнее время в связи с разработкой более мощных транзисторов, рассчитанных на напряжение до 3000 В и на ток в несколько десятков и даже сотен ампер, стало воз­можным производство транзисторных преобразователей ча­стоты. На рисунке 7 представлена принципиальная силовая схема преобразователя частоты на транзисторах с промежуточным звеном постоянного тока и с ШИР. Напряжение от неуправ­ляемого мостового выпрямителя регулируется ШИР, выполненным с помощью транзистораVT1, затем черезфильтр LС подается па инвертор.

Рисунок 7 - Принципиальная силовая схема преобразователя частоты на транзисторах с промежуточным звеном постоянного тока
Транзисторный преобразователь частоты более экономичен и надежен, чем тиристорный, из-за меньшего числа переключающих элементов. Эти пре­образователи могут выполняться и с инверторами с ШИМ. Транзисторные преобразователи частоты для регулируе­мых электроприводов малой и средней мощности являются более перспективными, чем тиристорные.

При использовании преобразова­телей частоты по рассмотренным схемам допу­стим только двигательный режим работы привода и дина­мическое торможение. Торможение противовключением в схемах с преобразователями частоты обычно не использу­ется из-за больших токов (необходимо усложнять схему).

Дата добавления: 2015-07-15