Основы электротехники

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Выбор мощности двигателя для электропривода

При работе электропривода с длительной постоянной нагрузкой задача выбора электродвигателя (постоянного тока, асинхронного, синхронного) относительно проста.

Для электропривода, не требующего регулирования скорости в больших диапазонах ее изменения, рекомендуется применять синхронные двигатели. Эта рекомендация объясняется тем, что современный синхронный двигатель пускается в ход также быстро как и асинхронный, а его габариты меньше и работа экономичнее, чем асинхронного двигателя той же мощности (у синхронного двигателя выше коэффициент мощности cosц и больше максимальный момент M_max на валу).

При этом у асинхронных двигателей последнего поколения можно достаточно эффективно регулировать скорость вращения, осуществлять реверс с необходимым моментом для работы электропривода, но для этого применяются специальные устройства управления.

Но если электродвигатель привода должен работать в условиях регулируемой частоты вращения, реверса, частых пусков, больших изменений нагрузки, то при выборе вида двигателя необходимо сопоставить условия работы электропривода с особенностями механических характеристик различных видов электродвигателей.

В электротехнике принято различать естественную и искусственную механические характеристики двигателя. Естественная характеристика соответствует номинальным (рабочим) условиям его включения, нормальной схеме соединений и отсутствию каких-либо добавочных элементов в цепях двигателя и соединении этих цепей по специальным схемам.

Важным критерием для оценки механических характеристик электродвигателя служит их жесткость:

(1)

где: ДM -- изменение момента на валу двигателя;

Дn -- изменение скорости вращения ротора двигателя.

В зависимости от значения жесткости принято делить механические характеристики на абсолютно жесткие, Дn = 0,л = ?(синхронные двигатели), жесткие, у которых изменение частоты вращения мало л = 40 ч 10 (линейная часть характеристики асинхронного двигателя, характеристика двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением), мягкие с большим изменением частоты вращения, у которых л ? 10 (характеристика двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением, искусственная характеристика асинхронного двигателя с фазным ротором, искусственная характеристика двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением).

На рис. 1 представлены естественные механические характеристики различных видов двигателей.

Требования к жесткости механической характеристики в ряде случаев являются основанием для выбора вида двигателя.

При частых пусках и непостоянной нагрузке наиболее надежным, экономичным и простым в эксплуатации является асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором. При больших мощностях, если невозможно применить коротко-замкнутый асинхронный двигатель, устанавливается асинхронный двигатель с фазным ротором.

Двигатель постоянного тока сложнее по конструкции (из-за наличия коллекторно-щеточного узла), стоит дороже, требует более тщательного ухода в эксплуатации и изнашивается быстрее, чем двигатель переменного тока. Однако, в ряде случае предпочтение отдается двигателю постоянного тока, позволяющему простыми средствами изменить частоту вращения электропривода в широких пределах.

Тип двигателя (его конструкцию) выбирают в зависимости от условий окружающей среды. Приходится учитывать необходимость защиты среды от возможных искрообразований в двигателе (при наличие взрывоопасной атмосферы), а также самих двигателей от попадания в них влаги, пыли, химических веществ из окружающей среды.

Во многих случаях в приводах необходимо регулировать скорость вращения ротора двигателя.

Для регулирования частоты вращения двигателя существует два надежных, но существенно несовершенных метода:

1. включение резисторов в цепи якорных обмоток ротора;

2. переключение числа пар полюсов обмотки статора.

Первый метод рационален лишь при узких пределах регулирования при постоянстве момента на валу двигателя, а второй обеспечивает лишь дискретное (ступенчатое) регулирование и практически применяется в основном для маломощных приводов.

В настоящее время благодаря появлению мощных полупроводниковых приборов положение в этой области существенно изменилось. Современные электронные преобразователи дают возможность изменять в широком диапазоне частоту переменного тока, что позволяет плавно регулировать скорость вращающегося магнитного поля, а следовательно эффективно регулировать частоту вращения асинхронного и синхронного двигателей.

Оптимальный выбор мощности электродвигателя для привода должен удовлетворять следующим требованиям:

1. надежность в работе;

2. возможность работоспособного состояния в различных условиях;

3. экономичность в эксплуатации.

Установка двигателя большей мощности, чем это необходимо по условиям работы привода, вызывает излишние потери энергии при работе электрической машины, обуславливает дополнительные капитальные вложения, увеличение массы и габаритов двигателя.

Установка электродвигателя меньшей мощности снижает производительность электропривода и делает его работу ненадежной. При этом сам электродвигатель в подобных условиях может быть поврежден.

Электродвигатель необходимо выбирать так, чтобы его мощность использовалась возможно полнее. Во время работы двигатель не должен нагреваться до предельно допустимой температуры, в крайнем случае на очень непродолжительное время. Кроме того, двигатель должен нормально работать при возможных временных перегрузках и развивать пусковой момент на валу тот, который требуется для нормального функционирования исполнительного механизма.

В соответствии с этим мощность двигателя выбирается в большинстве случаев на основании условий нагревания до предельно допустимой температуры. Производится так называемый выбор мощности по нагреву. Затем осуществляется проверка соответствия перегрузочной способности двигателя условиям пуска машины и временным перегрузкам. Иногда, при большой кратковременной перегрузке, приходится выбирать двигатель, исходя из требуемой максимальной мощности. В подобных условиях максимальная мощность двигателя длительное время, как правило, не используется.

Выбор мощности для привода с продолжительным режимом работы при постоянной или незначительно меняющейся нагрузке на валу является простым. В этом случае мощность двигателя должна быть равна мощности нагрузки, а проверки на перегрев и перегрузку во время работы электропривода не нужны (это объясняется изначально определенными условиями работы электродвигателя). В тоже время необходимо проверить, достаточен ли пусковой момент на валу двигателя для пусковых условий данной электрической машины.

Мощность продолжительной нагрузки определяется на основании проверенных практикой теоретических расчетов.

Рассмотрим конкретный пример. Например, мощность двигателя для вентилятора (и не только его, а любого двигателя) можно определить, как

(2)

где: V -- количество нагнетаемого воздуха, м³/с²;

Др -- перепад давления, Па;

з_вен -- коэффициент полезного действия (КПД) вентилятора (у крыльчатых вентиляторов он равен 0,2 ч 0,35);

з_пер -- КПД передачи от двигателя к крыльчатке вентилятора.

В приведенной формуле произведение VДр р представляет собой полезную мощность вентилятора, а 1000 -- коэффициент для перевода мощности в киловатты.

В инженерных расчетах для определения мощности электродвигателя привода при продолжительной его работе используют электрические (полученные экспериментальным путем) формулы, проверенные длительной практикой.

При кратковременном, повторно-кратковременном и продолжительном с переменной нагрузкой режимах работы электропривода важно знать закон изменения во времени превышения температуры двигателя над температурой окружающей среды.

Электрическая машина с точки зрения нагревания представляет собой весьма сложное тело. Тем не менее при инженерных расчетах, не требующих большой точности, можно считать электрическую машину однородным телом.

Это дает возможность применить к ней упрощенное уравнение нагревания:

(3)

где: С -- теплоемкость электрической машины;

Н -- теплоотдача машины;

Q₀ -- теплота, выделяемая в машине в единицу времени.

Рассмотрим два крайних случая: t = ? и t = 0. При t = ? получим:

Q_odt = HV_maxdt (4)

Решая это уравнение методом разделения переменных, получаем

(5)

где -- постоянная времени нагрева машины, определяемая экспериментально.

При t = 0 начальное превышение температуры будет V = V₀, на основании чего постоянная A = V_max -- V₀, а закон нарастания превышения температуры машины будет иметь вид

(6)

Таким образом превышение температуры машины V над температурой окружающей среды возрастает по показательному закону, стремясь к значению V_max. Значение начального превышения температуры V₀ лишь изменяет скорость нарастания температуры, не изменяя характера процесса (рис. 2). При различных значениях продолжительной нагрузки одной и той же машины в диапазоне мощностей электродвигателя (Р₁, Р₂, … Р_ном, … Р_к, … Р_n) графики V(t) будут отличаться лишь ординатами (рис. 3). Наибольшее допустимое для данной машины превышение температуры равно V_ном. Прямая, параллельная оси абсциссV_ном пересекает в различных точках кривых V(t), соответствующие различным значениям нагрузки электродвигателя.

Абсцисса точки пересечения определяет тот промежуток времени t_k, в течение которого мощность двигателя может быть временно равна мощности Р_к, представляющей собой перегрузку по отношению к его номинальной мощности в продолжительном режиме работы. Кривая нагревания, асимптотически приближающаяся к V_ном через промежуток времени t_n, соответствует номинальной мощности электродвигателя Р_ном. При нагрузках, меньших Р_ном, мощность двигателя используется не полностью. Однако, если двигатель загружается до номинальной мощности только на относительно короткое время, то по сути он тоже используется не на полную мощность. Целесообразно его кратковременно перегрузить, и чем меньше продолжительность работы, тем больше должна быть эта перегрузка. Предел повышения нагрузки двигателя по мере уменьшения продолжительности включения определяется мгновенной перегрузочной мощностью двигателя, зависящей от его электромагнитных, механических и коммутационных свойств (максимального момента мощности на валу у асинхронного двигателя, условий коммутации щеточно-коллекторного узла у машин постоянного тока и т.п.).

При повторно-кратковременном режиме электродвигатель попеременно то нагревается, то охлаждается. Изменение его температуры в течение времени каждого цикла «включение -- выключение» зависит при этом от предыдущего теплового состояния.

График зависимости нагревания и охлаждения машины от времени в подобных условиях показан на рис. 4.

Конечное превышение температуры каждой данной части цикла является начальным превышением температуры для последующей части цикла. Если во время той или иной части цикла наступает заметное изменение условий охлаждения электрической машины (остановка двигателя или существенное изменение частоты вращения ротора), то это изменяет значение постоянной времени нагрева машины ф, что должно быть учтено при построении графиков.

Рассмотренные методы определения мощности электродвигателя по температурным условиям посредством построения графиков нагревания требуют значительной затраты времени и трудоемких аналитических расчетов. В то же время графический метод сам по себе содержит систематические ошибки и в конце концов не дает точных результатов. Графические методы приведены выше лишь для того, чтобы наглядно показать картину изменения нагрева двигателя при переменной нагрузке.

В большинстве случаев для такого выбора мощности электродвигателя применяется более простые, так называемые инженерные расчеты, в частности эквивалентного тока. В основу метода эквивалентного тока положено допущение, что при переменной нагрузке двигателя его средние потери должны быть равны потерям при продолжительной (номинальной) нагрузке.

Как известно из теории электрических машин, мощность потерь двигателя складывается из постоянных Р_пости переменных Р_пер мощностей. Мощность постоянных потерь равна сумме мощности потерь на трение, в магнитопроводе (у асинхронных двигателей и двигателей постоянного тока с параллельным возбуждением), на возбуждение у синхронных двигателей и двигателей с параллельным возбуждением. Мощность переменных потерь можно считать пропорциональной квадрату рабочего тока I двигателя и сопротивлению соответствующей обмотки r, причем приближенно можно считать последнее постоянным. Если ток изменяется за соответствующие промежутки времени, то за все рабочее время Уt=T суммарные потери энергии в двигателе будут равны

(7)

При переменной нагрузке эквивалентным током I_эк, за то же время работы электродвигателя Т потери энергии в двигателе вычисляются по более простой формуле:

(8)

Зная эквивалентный ток, номинальное напряжение и номинальный коэффициент мощности, можно определить номинальную мощность двигателя:

(9)

Метод эквивалентного тока можно применять лишь при условии постоянства мощности потерь в магнитопроводе и на трение, а также сопротивлений обмоток в течение всего рабочего времени Т.

В ряде случаев условия нагрузки определяют непосредственный момент, требуемый от двигателя, а не ток. Тогда можно пользоваться методом эквивалентного момента: у всех электродвигателей вращающий момент на валу пропорционален произведению тока и магнитного потока. У двигателей переменного тока (синхронных и асинхронных) можно приближенно считать постоянным коэффициент мощности cosц.

При таких упрощениях можно считать вращающий момент

(10)

где К_вр -- постоянная величина, откуда из вышеприведенного выражения для эквивалентного тока I_эк можно получить:

(11)

Далее по эквивалентному моменту и номинальной угловой скорости двигателя щ_ном рассчитывается номинальная мощность двигателя электропривода:

(12)

Для повышения надежности работы электропривода рекомендуется проверить, достаточен ли максимальный момент М_mах двигателя для того, чтобы удовлетворить требованиям кратковременных возможных перегрузок данного привода; иными словами должно быть выполнено следующее условие: коэффициент перегрузки двигателя л_ном должен быть по абсолютной величине больше отношения максимального момента М_mах нагрузки к номинальному моменту двигателя, то есть

(13)

На этом выбор типа, вида и мощности двигателя может быть закончен.

Режим работы определяет нагрузку на электродвигатель. В некоторых случаях она остается практически неизменной, в других может изменяться. Характер предполагаемой нагрузки обязательно учитывается при выборе двигателя. Действующими стандартами предусмотрены следующие режимы эксплуатации:

Режим S1 (продолжительный). При таком режиме эксплуатации нагрузка остается постоянной в течение всего времени, пока температура электродвигателя не достигнет необходимого значения (вентиляторы, центробежные насосы, транспортеры). Мощность привода рассчитывается по формулам, приведенным выше.

Режим S2 (кратковременный). При эксплуатации в этом режиме температура двигателя в период его включения не достигает установившегося значения. За время отключения электродвигатель охлаждается до температуры окружающей среды. При кратковременном режиме эксплуатации необходимо проверять перегрузочную способность электропривода. К механизмам, работающим в кратковременном режиме, относятся зажимные устройства металлорежущих станков, разводные мосты.

Режим S3 (периодически-кратковременный). Электродвигатель работает с периодическими отключениями. В периоды включения и отключения его температура не успевает достигнуть заданного значения или охладиться до температуры окружающей среды. При расчете мощности двигателя обязательно учитывается продолжительность пауз и потерь в переходные периоды. При выборе электродвигателя важным параметром является допустимое количество включений за единицу времени.

В этом режиме цикл работы таков, что пусковой ток не оказывает заметного влияния на превышение температуры. Продолжительность цикла недостаточна для достижения теплового равновесия и не превышает 10 мин. Режим характеризуется величиной продолжительности включения в процентах:

ПВ = (tр / (tр + tп)) х 100%

Нормируемые значения продолжительности включения: 15, 25, 40, 60 %, или относительные значения продолжительности рабочего периода: 0,15; 0,25; 0,40; 0,60.

Для режима S3 номинальные данные соответствуют только определенному значению ПВ и относятся к рабочему периоду. Режимы S1 - S3 являются в настоящее время основными, номинальные данные на которые включаются отечественными электромашиностроительными заводами в каталоги и паспорт машины. Номинальные режимы S4 - S8 введены для того, чтобы впоследствии упростить задачу эквивалентирования произвольного режима номинальным, расширив номенклатуру последних. Этот режим применяется в электроприводах кранов, подъемников, холодильных установках и т. д.

Режимы S4 (периодически-кратковременный, с частыми пусками) и S5 (периодически-кратковременный с электрическим торможением). В обоих случаях работа двигателя рассматривается по тем же параметрам, что и в режиме эксплуатации S3.

Повторно-кратковременный режим с влиянием пусковых процессов S4: tп и tн - время пуска и торможения

Повторно-кратковременный режим с влиянием пусковых процессов и электрическим торможением S5

Режим S6 (периодически-непрерывный с кратковременной нагрузкой). Работа электродвигателя в данном режиме предусматривает эксплуатацию под нагрузкой, чередующуюся с холостым ходом.

Перемежающийся режим работы S6: to -- время холостого хода

Режим S7 (периодически-непрерывный с электрическим торможением)

Последовательность идентичных циклов, каждый из которых включает достаточно длительный пуск, работу с постоянной нагрузкой и быстрое электрическое торможение. Режим не содержит пауз.

Перемежающийся режим работы с влиянием пусковых процессов и электрическим торможением S7

Режим S8 (периодически-непрерывный с одновременным изменением нагрузки и частоты вращения)

Последовательность идентичных циклов, каждый из которых включает время работы с неизменной нагрузкой и неизменной частотой вращения, затем следует один или несколько периодов при других постоянных нагрузках, каждой из которых соответствует своя частота вращения (например, этот режим реализуется при переключении числа пар полюсов асинхронного двигателя). Режим не содержит пауз.

Перемежающийся режим работы с периодически изменяющейся частотой вращения S8

Режим S9 (режим с непериодическим изменением нагрузки и частоты вращения)

Большинство моделей современных электроприводов, эксплуатируемых продолжительное время, адаптированы к изменяющемуся уровню нагрузки.

2. Непосредственный преобразователь частоты

Принцип действия НПЧ

В НПЧ напряжение сети подается непосредственно на двигатель через управляемые вентили. Каждая фаза НПЧ выполняется на основе реверсивного двухкомплектного преобразователя с раздельным или совместным управлением комплектами.

На рис. 5 а приведена схема трехфазно-однофазного НПЧ, выполненного на основе трехфазных нулевых схем, преобразующего трехфазное напряжение сети частотой 50 Гц в однофазное с регулируемой частотой. При переключении комплектов В и Н на выходе формируется двуполярное напряжение. Возможны два закона управления ? прямоугольный и синусоидальный.

Рис. 5. Схема трехфазно-однофазного НПЧ (а), диаграммы напряжения и тока нагрузки при прямоугольном управлении (б) и диаграммы напряжения на нагрузке при синусоидальном управлении (в)

При прямоугольном управлении в течение полуволны тока на один комплект подаются управляющие импульсы с углом управления (углом задержки) б = const пока этот комплект работает в выпрямительном режиме, а затем с углом управления (углом опережения) в = б, когда для снижения тока необходим переход в инверторный режим (рис. 5 б). После бестоковой паузы аналогично подаются управляющие импульсы на второй комплект. При синусоидальном управлении угол управления б непрерывно меняется так, чтобы гладкая составляющая выходного напряжения изменялась по синусоидальному закону (рис. 5 в).

Схема трехфазно-трехфазного НПЧ, выполненного на основе трехфазных мостовых схем приведена на рис. 6. Эта схема требует разделения фаз нагрузки.

Расчет идеализированного НПЧ

Достаточно точный расчет НПЧ вызывает большие трудности. Дело в том, что если частота сети и выходная частота не кратны, то в схеме вообще не наступает установившийся режим - кривая выходного напряжения все время вырезается из различных участков входного.

Рис. 6. Схема трехфазно-трехфазного НПЧ

Поэтому, при расчете идеализированного НПЧ приходится принимать гораздо более сильные допущения, чем при расчете других преобразователей. Кроме обычных допущений об идеальности вентилей и трансформатора, принимается допущение о бесконечной пульсности. То есть принимается, что выходное напряжение формируется из бесконечного числа фаз (m_ф > ? ). Пусть на рис. 6 пульсность m не равна 3, а число фаз m_ф > ?. В выпрямителе с бесконечной пульсностью выходное напряжение постоянно, не имеет пульсаций и изображается горизонтальной прямой. В соответствии с теорией выпрямленное напряжение идеального неуправляемого выпрямителя для нулевой схемы:

,

а для мостовой:

,

где U₂ и U_2л ? фазное и линейное вторичные напряжения трансформатора;

m ? пульсность схем (произведение числа фаз на число выпрямляемых полупериодов).

Если выходное напряжение идеального НПЧ будет «вырезаться» из этого напряжения, то его максимальная амплитуда (максимальная амплитуда напряжения на нагрузке)

,

В дальнейшем рассматриваем синусоидальное управление и применяем метод основной гармоники.

При синусоидальном управлении и синусоидальной форме максимальное действующее значение 1-й гармоники напряжения на нагрузке

.

Однако, это максимальное напряжение может быть получено, если при изменении б достигается б_min = 0. Но это невозможно, т.к. в инверторном режиме при этом должно быть в = 0. Поэтому б_min > 0.

Действующее значение первой гармоники напряжения на нагрузке

,

где µ ? глубина регулирования.

Тогда

.

В реверсивном преобразователе минимальное значение угла управления б_min = 18 ... 25є. Поэтому µ_max = 0,9 ... 0,95. С учетом (1, 2) действующее значение первой гармоники напряжения на нагрузке в НПЧ, выполненных по нулевым схемам:

,

а в НПЧ, выполненных по мостовым схемам:

.

Действующее значение первой гармоники тока нагрузки

.

Определение действующего и среднего значения входного тока i₂ вызывает существенные трудности, оно сильно зависит от с (соотношения частоты сети щ и выходной частоты щ_н):

.

В токе i₂ появляется постоянная составляющая при

,

где m₂ ? число фаз на вторичной стороне трансформатора; k = 1, 2, 3.

Наиболее близок к синусоидальному входной ток в трехфазно-трехфазном НПЧ. Действующее значение первичного тока I₁ зависит от глубины регулирования и угла сдвига нагрузки

,

где n ? коэффициент трансформации; с ? коэффициент зависящий от и µ.

Для трехфазно-трехфазных НПЧ коэффициент с изменяется в пределах 1 ... 1,27.

При этом величина с растет с уменьшением глубины регулирования µ и угла сдвига нагрузки . При приближенных расчетах можно принимать, что с =1,27.

Рассмотрим энергетические показатели НПЧ. В трехфазно-трехфазном НПЧ в течение интервала повторяемости выходного напряжения активная составляющая мощности потребляется равномерно, а реактивная составляющая изменяется. Коэффициент мощности ч даже при µ = 1 не достигает 1. Наибольшее идеальное значение ч = 0,85 при µ = 1. Зависимости коэффициента мощности трехфазно-трехфазного НПЧ от угла сдвига нагрузки и глубины регулирования µ приведены на рис. 7.

Рис. 7. Зависимости коэффициента мощности трехфазно-трехфазного НПЧ от угла сдвига нагрузки и глубины регулирования при допущении синусоидальности выходного напряжения

Ток и особенно напряжение на выходе НПЧ содержат широкий спектр гармоник, точный расчет которого весьма затруднителен. Тем не менее, для асинхронного двигателя нормального исполнения погрешности расчета по методу основной гармоники в определении первичных токов и полной мощности не превышает 5...7% и могут быть учтены соответствующим их увеличением. Таким образом, метод основной гармоники позволяет выполнить ориентировочные расчеты НПЧ с достаточной для практики точностью. Для точных проектных расчетов, безусловно, целесообразно применение ЭЦВМ.

Преимущества НПЧ - однократное преобразование энергии, позволяющее получить более высокий КПД, однотипность применяемых вентилей.

Недостатки НПЧ ? низкая предельная частота (25 Гц в НПЧ на основе трехфазных мостовых и 15 Гц в НПЧ на основе трехфазных нулевых схем при питании от сети с частотой 50 Гц), низкий коэффициент мощности, вызванный непрерывным регулированием угла управления. Последний недостаток, ухудшая энергетические показатели, сводит на нет преимущества, обусловленные однократным преобразованием энергии.

В рассматриваемых НПЧ применена естественная коммутация, то есть такая же, как в управляемых выпрямителях, выполненных на тиристорах с неполной управляемостью. Переход на полностью управляемые вентили или применение устройств искусственной коммутации, как это делается в автономных инверторах, позволяет преодолеть указанный частотный предел. Однако, такие преобразователи пока не нашли распространения.

Классическая схема непосредственного преобразователя частоты НПЧ будет представлять собой три обычных тиристорных реверсивных преобразователя постоянного тока, которые управляются тремя гармоническими сигналами (синусоидами), сдвинутые на угол 2р/3 по выходной частоте. Поэтому, подбирая непосредственный преобразователь частоты НПЧ или проектируя его необходимо учитывать свойства тиристорных преобразователей, коммутируемых сетью, которые более подробно исследованы в электроприводах постоянного тока.

При использовании системы импульсно-фазового управления СИФУ тиристорным реверсивным преобразователем с опорной синусоидой данный преобразователь можно рассматривать как пропорциональный усилитель сигнала входного напряжения. При совместном управлении комплектами непосредственного преобразователя частоты его можно представить как источник напряжения с регулируемой частотой и амплитудой. В НПЧ с совместным управлением свойственны такие недостатки как присутствие уравнительных реакторов и токов, значительное увеличения потерь в этих реакторах при увеличении выходной частоты непосредственного преобразователя частоты, неполное использование преобразователя по напряжению из-за необходимости ограничения угла открывания тиристоров в режиме выпрямления. Указанные недостатки отсутствуют у непосредственных преобразователей частоты с раздельным управлением вентильными группами, но они имеют другие недостатки, которые обуславливаются не идеальностью тиристорного преобразователя как усилителя входного сигнала. Они связаны с дискретностью процессов, происходящих в вентильной схеме, а также вентильными свойствами, которые вместе с дискретностью приводят к изменению динамических характеристик устройства в режимах непрерывного и прерывистого тока, неполной управляемости вентилей.

В электроприводах постоянного тока эти свойства проявляются в системах, где требуется обеспечить предельное быстродействие. В НПЧ эти же динамические свойства проявляются в установившемся режиме при непрерывной обработке гармонического сигнала управления (синусоиды). Ниже показана схема соединения НПЧ по трехфазной нулевой схеме с двигателем, представленным в виде источников ЭДС с включенными последовательно индуктивностями X₁^/:

Рассмотрим как будет изменятся выходное напряжение НПЧ при подаче на вход СИФУ с опорной синусоидой трех гармонических сигналов. При большом соотношении частот питания НПЧ и управления на выходе получим напряжение, полностью воспроизводящее сигнал управления (задающую синусоиду). Но, при изменении соотношения частот 1:5 получить данную идентичность невозможно из-за дискретности процессов. Для того, что бы обеспечить идентичность в работе вентильных групп и задающего сигнала необходимо выполнить следующее соотношение:

для m = 3.

для m = 6.

Где: m - количество фаз, f₁, f₂ - частота сети и частота на выходе непосредственного преобразователя частоты, k - натуральный ряд чисел.

В соотношениях частот f₁ и f₂ в выходном напряжении присутствуют основные гармоники, высшие и субгармоники. Но даже при соотношении f₂ = f₁/(2k+1) возможна не симметрия, которая связана с неполной управляемостью вентилей и дискретностью. Выход из работы вентильного комплекта будет осуществляться только при спадании до нуля тока нагрузки, при этом момент спадания может произойти или не произойти до поступления следующего управляющего импульса. В зависимости от этого переключение работающих комплектов будет весьма неоднозначным по отношению к задающему гармоническому сигналу и разброс при этом составит (120 f₂/ f₁)⁰. Как правило, возникающая не симметрия фиксируется самой вентильной схемой. Допустим, переключение в одной фазе затянулось. Это, в свою очередь, приведет к уменьшению тока, только что вступившего в работу вентильного комплекта и, соответственно, к его более быстрому спаду. Результатом станут разные амплитуды и длительности полупериода тока. В такой системе практически отсутствуют активные сопротивления, которые способствуют ликвидации такой не симметрии, из-за этого в нагрузочном токе возможна постоянная составляющая.

Таким образом, непосредственный преобразователь частоты создает не симметрию в выходном напряжении, которая довольно специфически проявляет себя при двигательной нагрузке. Поскольку вращающиеся электродвигатели переменного тока являются нелинейными устройствами, то в данном случае эта нелинейность будет проявляться в различности параметров схемы замещения, таких как основные гармоники, высшие и субгармоники. Высшие и субгармоники по амплитуде намного меньше основной, и это приведет к тому, что любая не симметрия в напряжении будет довольно ощутимо влиять на ток, а работа НПЧ существенно зависит от тока.

Также высшие гармоники и субгармоники влияют на момент электродвигателя, что влияет на постоянство скорости. Колебания скорости приводит к изменениям ЭДС по амплитуде и фазе, что раскачивает систему электропривода.

На практике было доказано, что непосредственный преобразователь частоты с раздельным управлением неработоспособен при двигательной нагрузке как источник напряжения. Но, в то же время довольно просто реализуется режим работы НПЧ в качестве источника тока. Замыканием обратной связи системы по току обеспечивают непрерывное регулирование угла открывания тиристоров по сигналу ошибки тока, чем исключают выше перечисленные недостатки непосредственных преобразователей частоты связанные с не симметрией по току. Схема преобразователя с непосредственной связью представлена на рисунке 8. По этой схеме напряжение трехфазной сети и с неизменной частотой f₁ преобразуется в напряжение однофазной сети с переменной частотой f_2, т. е. изменяется не только частота, но и число фаз.

Рис. 8. Непосредственный преобразователь частоты

От трехфазной сети можно получить однофазный ток переменной частоты, и, наоборот, от однофазной сети - трехфазный ток. Обычно преобразователи частоты питаются от трехфазной сети, при этом улучшается форма кривой вторичного напряжения.

Преобразователь с непосредственной связью представляет собой управляемый выпрямитель, имеющий два комплекта тиристоров. Выходное напряжение формируется за счет последовательной коммутации тиристоров, присоединенных к различным фазам первичной сети. Положительная полуволна формируется за счет тиристоров группы К(катодная группа), а отрицательная - за счет тиристоров группы А(анодная группа). Форма вторичного напряжения представлена на рисунке 9.

Рис. 9. Формирование выходного напряжения НПЧ

Как и в реверсивных преобразователях постоянного тока, управление тиристорами катодной и анодной группы может быть совместным и раздельным. При совместном управлении для ограничения уравнительных токов необходимы реакторы, которые усложняют установку. Поэтому обычно используется раздельное управление, и при переключении с одной группы тиристоров на другую вводится небольшая (примерно 0,1 мс) бестоковая пауза. Для регулирования напряжения используются те же тиристоры. При увеличении угла регулирования соответствующий тиристор включается несколько позже, и среднее напряжение снижается. Изменением углов регулирования последовательно включаемых тиристоров может быть обеспечено и формирование кривой напряжения, в большей степени приближающейся к синусоидальной. электропривод ток двигатель

Схема для преобразования трехфазного напряжения сети в трехфазное переменной частоты представлена на рисунке 10. Как видно, существенный недостаток НПЧ - большое число тиристоров (в данном случае 18). Сформированная кривая напряжения представлена на рисунке 11. При активно-индуктивной нагрузке, и в частности, при питании электродвигателя, в некотором интервале (при изменении знака напряжения) тиристоры переводятся в инверторный режим.

Регулирование частоты в системах с НПЧ может осуществляться только в зоне низких частот. Поскольку кривая вторичного напряжения формируется из отрезков синусоид первичного напряжения, то максимальная частота не может быть поднята выше уровня, равного половине частоты питающей сети. При питании преобразователя от сети 50 Гц частота может регулироваться только в зоне от 20 Гц до 0.

Рис. 10. Схема НПЧ для преобразования трехфазного напряжения сети в трехфазное переменной частоты

Рис. 11. Напряжение на входе и выходе НПЧ

Различают НПЧ с естественной и принудительной коммутацией. НПЧ с естественной коммутацией (циклоконверторы) представляют собой комплекс быстродействующих реверсивных тиристорных преобразователей, выполненных по различным схемам: нулевым или мостовым, мало- или многоимпульсным, встречно-параллельным или перекрестным, с совместным или раздельным управлением. Пример выполнения силовой схемы тиристорного НПЧ представлен на рис.12.

Рис.12. НПЧ с естественной коммутацией: а -- структурная схема силовой части НПЧ; б) -- структурная схема мостового ТП

Основные достоинства НПЧ с естественной коммутацией:

- относительно высокий КПД, достигаемый благодаря однократному преобразованию электрической энергии;

- возможность двухстороннего обмена между питающей сетью и двигателем, что обеспечивает как двигательные, так и тормозные режимы ЭП с рекуперацией энергии в сеть;

- использование устройств с естественной коммутацией (тиристоров), более надежных, экономичных и обладающих большей перегрузочной способностью в сравнении с устройствами принудительной коммутации;

- возможность получения сколь угодно низких частот выходного напряжения преобразователя и обеспечения равномерного вращения двигателя на малых скоростях;

- практически неограниченная мощность НПЧ;

- возможность конструирования НПЧ по блочно-модульному принципу, обеспечивающему удобство эксплуатации и резервирования. Основные недостатки данных НПЧ:

- ограничение максимальных значений выходной частоты на уровне порядка 1/3…2/3 от частоты питающей сети;

- наличие субгармоник и постоянных составляющих выходного напряжения и тока при неблагоприятных соотношениях частот на входе и выходе ПЧ;

- низкий коэффициент мощности, несинусоидальность и модуляция входных токов ПЧ. Невысокие показатели электромагнитной совместимости с питающей сетью;

- сложность (многоэлементность) силовых цепей и цепей управления, что оправдывается лишь на больших мощностях.

Такие НПЧ преимущественно применяются в тихоходных синхронных и асинхронных электроприводах средней и большой мощности. Например насосы, вентиляторы, кондиционеры, увлажнители воздуха, сплит системы. НПЧ с принудительной коммутацией (матричные) реализуются на полностью управляемых ключах - транзисторах или запираемых тиристорах. Они в значительной степени лишены указанных недостатков НПЧ с естественной коммутацией. Управление осуществляется на основе ШИМ. Примеры реализации силовых схем таких НПЧ представлены на рис.13.

Из рисунка видно, что любая фаза сети может быть непосредственно подключена к любой фазе двигателя.

Рис.13. Примеры силовой части ПНЧ с принудительной коммутацией

3. Линейный асинхронный двигатель

Стандартные асинхронные двигатели предназначены для работы в продолжительном режиме работы (условное обозначение S1), при котором нагрузка, приложенная к валу и условия охлаждения двигателя практически постоянны в промежутке времени, достаточном для нагрева двигателя до установившейся температуры.

Существует большое разнообразие линейных двигателей. В настоящее время больший интерес проявляется к асинхронным линейным двигателям как относительно простым по конструкции. Эти двигатели можно представить как разрезанную по образующей и развернутую в плоскость обычную асинхронную машину вращательного движения.

Развернутый в плоскость статор асинхронного двигателя является первичным элементом, а развернутый ротор вторичным элементом линейного двигателя. Стальной сердечник первичного элемента выполняется шихтованным, а в его пазах укладывается многофазная (обычно трехфазная) обмотка.

Вторичный элемент выполняется с короткозамкнутой обмоткой, уложенной в пазы стального сердечника, или представляет собой сплошную токопроводящую пластину. Пластина изготовляется из меди, алюминия или ферромагнитной стали. При включении обмотки первичного элемента в многофазную сеть образуется магнитное поле, которое перемещается вдоль магнитопровода со скоростью

V₁ = 2фf₁

где ф - полюсное деление;

f₁ - частота питающего напряжения.

При своем перемещении магнитное поле индуктирует во вторичном элементе машины ЭДС. Эта ЭДС вызывает токи, от взаимодействия которых с магнитным полем образуется механическая сила (тяговое усилие), стремящаяся сдвинуть элементы относительно друг друга.

В линейном двигателе в зависимости от его конструкции и назначения возможно относительное перемещение как первичного, так и вторичного элемента. Как и в обычном асинхронном двигателе, перемещение элемента происходит с некоторым скольжением относительно поля

S = (v₁ - v) / v₁

где v - скорость движения элемента.

Номинальное скольжение линейного двигателя равно 2-6%. На работу линейного двигателя оказывают существенное влияние краевые эффекты, возникающие из-за конечных размеров разомкнутых магнитопроводов элементов. Это приводит к ухудшению таких характеристик, как тяговое усилие, коэффициент мощности и КПД. Линейные двигатели могут быть успешно применены на ленточных и тележечных конвейерах, в приводах эскалаторов и движущихся тротуаров, в металлорежущих и ткацких станках, где рабочие органы совершают возвратно-поступательное движение. Большие перспективы имеет применение линейных двигателей для транспорта. Основным преимуществом линейного двигателя в этом случае является возможность получения высоких скоростей движения до 400-500 км/ч.

Принципиальная схема линейного асинхронного двигателя показана на рис. 14. Если обмотки статора такого двигателя подключить к сети переменного тока, то образуется магнитное поле, ось которого будет перемещаться вдоль воздушного зазора со скоростью, пропорциональной частоте питающего напряжения и длине полюсного деления.

Рис. 14. Асинхронный двигатель вращательного (а) и поступательного (б) движения. 1,3 -- обмотки статора и ротора (вторичного элемента); 2,4 -- магнитопроводы статора и ротора; А--А - след плоскости разреза двигателя вращательного движения

Это перемещающееся вдоль зазора магнитное поле пересекает проводники обмотки ротора и индуктирует в них ЭДС, под действием которой по обмотке начнут протекать токи.

Взаимодействие токов с магнитным полем приведёт к появлению силы, действующей, по известному правилу Ленца, в направлении перемещения магнитного поля. Ротор, в дальнейшем будем называть его уже вторичным элементом, под действием этой силы начнёт двигаться с некоторым отставанием (скольжением) от магнитного поля, как и в обычном асинхронном двигателе.

Представленная на рис. 14 конструкция представляет собой линейный двигатель с одинаковыми размерами статора и вторичного элемента. Помимо такой конструкции, в зависимости от назначения линейного двигателя вторичный элемент может быть длиннее статора (рис. 15 а) или короче его (рис. 15б).

Рис. 15 Различные виды конструкций линейных асинхронных двигателей

Такие двигатели получили соответственно название двигателей с коротким статором и коротким вторичным элементом. Вторичный элемент линейного двигателя не всегда снабжается обмоткой.

Часто, и в этом одно из достоинств линейного асинхронного двигателя, в качестве вторичного элемента используется металлический лист (полоса), как показано на рис. 15д. Вторичный элемент при этом может располагаться также между двумя статорами (рис. 15в) или между статором и ферромагнитным сердечником (рис. 15г). Двигатель с конструктивной схемой, приведённой на рис. 15д, получил название двигателя с односторонним статором, со схемой по рис. 15в - с двусторонним статором и со схемой по рис. 15г - с односторонним статором и сердечником.

Вторичный элемент выполняется из меди, алюминия или стали, причём использование не магнитного вторичного элемента предполагает применение конструктивных схем с замыканием магнитного потока через ферромагнитные элементы, как, например, на рис. 15 в, г.

Некоторое распространение получили сложные составные вторичные элементы с прилегающими друг к другу полосами из немагнитного и ферромагнитного материала, при этом ферромагнитная полоса выполняет роль части магнитопровода.

Принцип действия линейных двигателей с вторичным элементом в виде полосы повторяет работу обычного асинхронного двигателя с массивным ферромагнитным или полым немагнитным ротором. Обмотки статора линейных двигателей имеют те же схемы соединения, что и обычные асинхронные двигатели, и подключаются обычно к сети трёхфазного переменного тока. Отметим, что линейные двигатели очень часто работают в так называемом обращённом режиме движения, когда вторичный элемент неподвижен, а передвигается статор.

Такой линейный двигатель, получивший название двигателя с подвижным статором, находит, в частности, широкое применение на электрическом транспорте.

Дуговой двигатель характеризуется расположением обмотки на части окружности, как это показано на рис. 16. Особенностью этого двигателя является зависимость частоты вращения его статора 1 от длины дуги, на которой располагаются обмотки 2 статора 3.

Рис. 16

Пусть обмотки статора располагаются на дуге, длина которой соответствует центральному углу

б = 2фр,

где ф - длина полюсного деления и p - число пар полюсов.

Тогда за один период тока вращающееся поле статора совершит поворот на угол 2фр/р = б/р, а в течение одной минуты поле повернётся на n = б/p60f/2р оборотов, т. е. будет иметь частоту вращения n, об/мин. Выбирая различные б, можно выполнять дуговые двигатели с различными частотами вращения ротора.

Конструкция трубчатого линейного двигателя представлена на рис. 17. Трубчатая линейная асинхронная машина с односторонним статором 1,2 - обмотка и сталь статора; 3,4 - ферромагнитный и проводниковый материалы вторичного элемента. Статор двигателя имеет вид трубы, внутри которой располагаются перемежающиеся между собой плоские дисковые катушки (обмотки статора) и металлические шайбы, являющиеся частью магнитопровода. Катушки двигателя соединяются группами и образуют обмотки отдельных фаз двигателя. Внутри статора помещается вторичный элемент также трубчатой формы, выполненный из ферромагнитного материала.

Рис. 17 Простейший вид линейного асинхронного двигателя с аксиальным магнитным потоком.

При подключении к сети обмоток статора вдоль его внутренней поверхности образуется бегущее магнитное поле, которое индуктирует в теле вторичного элемента токи, направленные по его окружности. Взаимодействие этих токов с магнитным полем двигателя создаёт на вторичном элементе силу, действующую вдоль трубы, которая и вызывает (при закрепленном статоре) движение вторичного элемента в этом направлении. Трубчатая конструкция линейных двигателей характеризуется аксиальным направлением магнитного потока в отличие от плоского линейного двигателя, в котором магнитный поток имеет радиальное направление. В настоящее время линейные асинхронные двигатели используют для привода в движение экипажей высокоскоростного пассажирского транспорта на магнитном подвесе, тележек, подъемных кранов, заслонок и других линейно движущихся объектов.

При использовании такого двигателя на высокоскоростном наземном транспорте (рис. 18, а) статор 2 с обмоткой 3 устанавливают на движущемся экипаже 1, а ротором служит стальная полоса 5, расположенная на железнодорожном пути 4 между рельсами. Возникающая продольная сила перемещает экипаж по рельсовому пути, а вызванная краевыми эффектами поперечная сила F_п способствует магнитному подвешиванию экипажа. При использовании двигателя в приводе тележки подъемного крана (рис. 18,б) статор 2 с обмоткой 3 устанавливают на тележке 6, а ротором служит стальная полоса 4, укрепленная на балке 5, по которой перемещается тележка.

Рис. 18. Схемы установки линейных двигателей на движущемся экипаже и на тележке подъемного крана

В некоторых случаях линейные двигатели применяют в металлообрабатывающих станках для получения возвратнопоступательного перемещения элементов станка путем периодического изменения чередования фаз обмотки статора двигателя. Однако при этом возникают довольно значительные потери мощности из-за того, что часть кинетической энергии подвижного элемента станка бесполезно теряется в каждом цикле ускорения и замедления. Кроме того, существенно увеличивается общая масса этого элемента за счет сочлененной с ней подвижной части линейного двигателя.



Список использованной литературы

1. А. С. Касаткин, М. В. Немцов. Электротехника: уч. пособие для Вузов.-- 5-е издание, переработанное.-- М.: Энергия, 2003г.

2. В. Ю. Ломоносов и др. Электротехника. М.: Энергоатомиздат, 1990г.

3. Г. Г. Кудрявцев и др. Микропроцессоры в системах технического обслуживания средств связи и управления -- М.: Радио и связь, 1999г.

4. В. Н. Драчков, В. В. Панферов. Электротехника и электроника. Ч.1 Электротехника. Учебное пособие. Академия ГА, 2006г.

5. В. Н. Драчков, В. В. Панферов. Электротехника и электроника. Ч. 2 Электротехника. Учебное пособие. Академия ГА, 2004г.

6. Батяев А.А., Новотельнова А.В. Выбор асинхронного двигате-ля по мощности и расчет механических характеристик асинхронного электропривода с использованием персонального компьютера: Метод. указания по выполнению расчетно-графической работы для студентов всех спец. / Под ред. Л.П. Булата. - СПб.: СПбГУНиПТ, 2006. - 19 с.

7. Кавалёв Ю.М., Электрические машины, - М.: Энергия, 1989

Размещено на Allbest.ru