Електромеханічні властивості двигуна постійного струму зі змішаним збудженням

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Електромеханічні властивості двигуна постійного струму зі змішаним збудженням

Двигуни зі змішаним збудженням використовуються в ковальсько-штампувальних машинах із маховиками, механізмах підйому та електротранспорту. Двигун має дві обмотки збудження: незалежну (НОЗ) та послідовну (ПОЗ), тому він має властивості двигуна з незалежним та послідовним збудженням, проте й більші габарити та вищу вартість, рис.2.67.

Размещено на http://www.allbest.ru/

При проектуванні двигуна задається співвідношення потоків обмоток при номінальному струмі якоря Фпоз/Фноз=0,751,0 , рис.2.68.

Размещено на http://www.allbest.ru/

З рис.2.68 видно, що при струмі якоря -І0 магнітний потік дорівнює нулю. Двигуни випускаються з підмагнічуванням або розмагнічуванням основного магнітного потоку Фноз, який створюється незалежною обмоткою збудження

Ф = Фноз Фпоз. (2.70)

Де “+” - підмагнічування потоку;

“-“ - розмагнічування потоку.

Механічна та електромеханічна характеристики двигуна не мають аналітичного виразу, тому для їх побудови використовуються універсальні характеристики у відносних одиницях M* = f(I*), * = f(I*), які подаються у довідниках для двигунів однієї серії. За їх допомогою та номінальними даними конкретного двигуна розраховуються природні та штучні характеристики згідно розглянутого пункту 2.1.2.4. Механічна характеристика двигуна зі змішаним збудженням на відміну від двигуна з послідовним збудженням перетинає вісь ординат, причому швидкість ідеального холостого ходу

(2.71)

визначається магнітним потоком тільки незалежної обмотки збудження, рис.2.69.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Механічна характеристика двигуна з підмагнічуванням магнітного потоку має меншу жорсткість, ніж із розмагнічуванням.

Для керування швидкості двигуна використовується зміна напруги якоря, струму незалежної обмотки збудження та введення додаткового електричного опору в коло якоря.

Для гальмування застосовується: рекуперативне гальмування, гальмування противмиканням та динамічне гальмування. При рекуперативному та динамічному гальмуванні послідовна обмотка збудження шунтується, тому в цих режимах двигун має прямолінійні механічні характеристики як у двигуна з незалежним збудженням. В режимі ж гальмування противмиканням механічні характеристики мають нелінійний вигляд.

Для зміни напрямку руху двигуна потрібно змінити напрямок струму тільки в обмотці якоря або одночасно в обох обмотках збудження.

2. Електромеханічні властивості двигунів змінного струму

2.1 Електромеханічні властивості асинхронного двигуна

Размещено на http://www.allbest.ru/

Асинхронний двигун (АД) є найпоширенішим двигуном серед усіх типів двигунів. Він має високу надійність, невисокі масу, габарити, вартість. Недоліком двигуна є невеликий пусковий момент, споживання реактивної потужності, складні математичні залежності між його параметрами, тому якісна система керування реалізується за допомогою відносно складних алгоритмів. Переважна більшість АД використовується у нерегульованих електроприводах. Конструктивно двигун складається з нерухомого статора, в пазах якого знаходиться трифазна обмотка статора. Кінці обмотки для комутації виводяться до клемної коробки. Виводи початків обмоток фаз позначаються символами С1, С2, С3, а кінці - С4, С5, С6 . За допомогою підшипникових щитів усередині статора встановлюється рухомий ротор з обмоткою ротора. В залежності від виду обмотки ротора АД розділяються на найбільш поширені двигуни з короткозамкненим та на менш поширені з фазним ротором, умовне графічне позначення яких відповідно представлено на рис.2.70,а та рис.2.70,б. Короткозамкнена обмотка найчастіше виконується у вигляді білячої клітки. Три кінці обмотки фазного ротора за допомогою трьох мідних кілець та трьох електричних щіток виводяться до клемної коробки ротора. Виводи трифазної обмотки статора підключаються до мережі за схемою “зірка” (рис.2.71, а) або “трикутник” (рис.2.71, б).

Як видно з рис.2.71 для “зірки” лінійний струм дорівнює фазному Іл=Іф, а лінійна напруга Uл =Uф. Відповідно для схеми “трикутник” струм Іл=Іф, а напруга Uл =Uф, тому обмотку за схемою “зірка” можна вмикати на більшу в напругу, чим за “трикутником”, наприклад, на 380 та 220 В відповідно при забезпеченні незмінної потужності двигуна. Випускаються двигуни або тільки з однією схемою увімкнення “зірка” чи “трикутник”, чи двигуни, які дозволяють робити перемикання з однієї схеми на іншу. В останньому випадку комутація здійснюється в клемній коробці за допомогою перемичок між шпильками С1-С6, рис.2.72.

При підключенні обмотки статора до мережі створюється магнітне поле, яке обертається із синхронною швидкістю

, [рад/с] (2.72)

маючи синхронну частоту обертання

, [об/хв] (2.73)

де f1 - частота напруги живлення статора, Гц;

р - число пар полюсів двигуна.

Для стандартної мережі з частотою напруги f1=50 Гц існує відповідний ряд синхронних швидкостей у залежності від числа пар полюсів двигуна, табл.2.1. Тому при проектуванні ЕП та механізму потрібно заздалегідь спиратися на вказаний ряд швидкостей. Із збільшенням числа пар полюсів збільшуються й габарити двигунів.

Таблиця 2.1.

Число пар полюсів	Синхронна частота обертання, об/хв
1	3000
2	1500
3	1000
4	750
5	600

Створене магнітне поле індукує ЕРС взаємоіндукції в обмотці статора Е1 та ротора Е2s

(2.74)

(2.75)

Де - ЕРС нерухомого ротора;

W1, W2 - кількість витків обмоток статора та ротора;

Kw1, Kw2 - коефіцієнти намотування обмоток статора та ротора;

s - ковзання двигуна.

Під дією ЕРС Е2s в обмотці ротора протікає струм ротора І2, який, взаємодіючи з магнітним потоком Ф, створює момент двигуна М. Цей момент обумовлює обертання ротора із швидкістю відносно швидкості магнітного поля c (2.72) та визначає ковзання двигуна

. (2.76)

В залежності від швидкості двигуна ковзання приймає значення відповідно до табл. 2.2.

Таблиця 2.2

Швидкість	Ковзання
= c	s = 0
= 0	s = 1
= - c	s = 2
> c	s < 0
< 0	s > 1
= н	s = sн

Часто ковзання представляється у відсотках

.

Двигуни звичайного виконання мають номінальне ковзання в межах 1,5-6%. Для металургійних, кранових та інших механізмів випускаються двигуни з підвищеним ковзанням 8-12%. Так як ковзання однозначно зв'язане із швидкістю формулою (2.76), із якої

, (2.77)

то механічна характеристика АД представляється також залежністю ковзання від моменту s=f(M). Згідно до (2.75) ЕРС ротора Е2s залежить від ковзання і при синхронній швидкості двигуна =c дорівнює нулю Е2s=0, що є ознакою роботи двигуна в точці ідеального холостого ходу. Частота ЕРС ротора Е2s та струму ротора І2 також залежить від ковзання

, (2.78)

тобто із зменшенням ковзання частота в роторі зменшується і при наближенні швидкості двигуна до синхронної швидкості c струм та ЕРС ротора наближаються за формою до постійного струму.

Відношення ЕРС статора до ЕРС нерухомого ротора називається коефіцієнтом трансформації і використовується для приведення параметрів ротора до статора

, (2.79)

де U1л н - номінальна лінійна напруга статора;

Е2н - номінальна ЕРС ротора.

На основі Г-подібної схеми заміщення фази двигуна з теорії електричних машин виводиться залежність для моменту двигуна, рис.2.73.



Де U1 - фазна напруга обмотки статора;

І1 - струм обмотки статора;

приведений струм обмотки ротора;

І - струм намагнічування, який створює магнітний потік Ф;

Х - індуктивний опір взаємоіндукції;

R1, Х1- активний та індуктивний опори обмотки статора;

приведений активний опір обмотки ротора;

приведений індуктивний обмотки ротора;

m1, m2 - кількість фаз обмоток статора та ротора.

Для трифазного двигуна з фазним ротором m1=m2=3, а для двигуна з короткозамкненим ротором m2=Z2, W2=0,5, Kw2=1. Згідно рис.2.73 струм ротора визначається залежністю

, (2.80)

Де Xk =X1 +X2' - сумарний індуктивний опір.

Активна електромагнітна потужність трифазного АД, яка передається до ротора через повітряний зазор, з однієї сторони дорівнює

, (2.81)

а з іншої

. (2.82)

Після порівняння потужностей (2.81) та (2.82) отримується рівняння електромагнітного моменту асинхронного двигуна

. (2.83)

Як видно з (2.83), момент двигуна залежить від квадрата напруги статора, тому АД дуже чутливий до зниження напруги живлення. Вираз для пускового моменту двигуна отримується з (2.83) при ковзанні s=1

. (2.84)

Функція (2.83) має точки екстремуму за ковзанням, які знаходяться з рівняння

.

Це критичне ковзання

. (2.85)

Критичному ковзанню відповідає критичний момент

. (2.86)

В рівняннях (2.85) та (2.86) знак “- “ береться, якщо швидкість двигуна більша за синхронну > c.

З урахуванням формул для критичного ковзання та моменту (2.85) та (2.86) рівняння моменту (2.83) перетворюється у формулу Клосса, яка використовується для аналітичної побудови механічних характеристик АД

, (2.87)

Двигуни середньої та великої потужності мають значення опору R1 значно менше, чим інші електричні опори (рис.2.73), тому часто воно нехтується R1=0 і формули критичного ковзання, моменту та Клосса значно спрощуються

. (2.88)

. (2.89)

. (2.90)

З формули (2.90) знаходиться простий вираз для знаходження критичного ковзання двигуна

(2.91)

Де м=Мk/Мн - відношення критичного та номінального моментів.

Як видно з (2.87) чи (2.90), механічна характеристика s=f(M) при малих ковзаннях s<<sk наближається до прямолінійної залежності

, (2.92)

а при великих s>>sk - до гіперболічного характеру

. (2.93)

Відповідно до наведеного, механічна характеристика асинхронного двигуна представлена на рис.2.74.

Характерними точками механічної характеристики є:

Точка ідеального холостого ходу: М=0, =с, s=0;

Номінальна точка:

М=Мн, =н, s=sн;

Пускова точка (точка короткого замикання):

М=Мп, =0, s=1;

Точка критичного (максимального) моменту:

М=Мk, s=sk.

Робочою ділянкою стійкої роботи двигуна в усталеному режимі є частина механічної характеристики між критичними ковзаннями sk1 та sk2. Синхронна швидкість поля с є швидкістю ідеального холостого ходу двигуна. Критичний момент Мк - це максимальний момент двигуна, який визначає його перевантажувальну здатність м=Мк/Мн=1,73,4. Більші значення мають двигуни спеціального виконання, наприклад, для кранових механізмів. Згідно до (2.86) критичний момент у II квадранті більший, ніж у I квадранті Мк2>Мк1. Величина пускового моменту Мп (2.84) залежить від величини активного електричного опору ротора R2', тому випускаються двигуни з різною конструкцією короткозамкнених роторів, наприклад, із круглими та глибокими пазами, подвійною кліткою тощо, які забезпечують кратність пускового моменту п=Мп/Мн=11,8. В порівнянні з двигунами постійного струму асинхронні двигуни мають невеликий пусковий момент, що є недоліком. Природна механічна характеристика двигуна відповідає його увімкненню на номінальні напругу U1 і частоту f1 статора при відсутності додаткових електричних опорів у колі ротора чи статора.

Електромеханічна характеристика двигуна представляється залежностями =f(I1), s=f(I1), а також =f(I'2), s=f(I'2), рис.2.75.

Характеристика s=f(I'2) будується на основі формули (2.80). При синхронній швидкості с (s=0) струм ротора дорівнює нулю, а при =0 (s=1) - пусковому I'2п. Максимальному струмові ротора

(2.94)

відповідає ковзання

, (2.95)

яке лежить в області від'ємних значень. При збільшенні абсолютних значень ковзання та швидкості струм ротора асимптотично наближається до усталеного значення

. (2.96)

Так як струм статора згідно рис.2.73 дорівнює , то за формою він повторює струм ротора, але зміщується по осі абсцис на величину струму намагнічування I. В точці ідеального холостого ходу s=0 двигун споживає з мережі реактивний струм намагнічування I1=I, який у залежності від типу двигуна може складати 2550 % номінального струму статора, що є недоліком двигуна з енергетичної точки зору.

Асинхронний двигун із короткозамкненим ротором характеризується наступними паспортними даними, які знаходяться на його табличці:

Рн, кВт - номінальна потужність, це - механічна потужність на валі двигуна, на яку може розраховувати користувач;

U1н, В - номінальна лінійна напруга статора;

I1н, А - номінальний лінійний струм статора;

nн, об/хв - номінальна частота обертання;

cosн - номінальний коефіцієнт потужності;

н - номінальний ККД;

схема з'єднання обмотки статора (зірка/трикутник).

Для двигуна з фазним ротором додатково вказується:

Е2н, В - номінальна ЕРС ротора;

I2н, А - номінальний струм ротора.

За цими паспортними даними можна знайти:

-

номінальну кутову швидкість, [рад/с];

-

номінальний механічний момент двигуна, [Нм];

-

номінальну електричну потужність,

яку споживає двигун,[ВA];

 -

номінальну активну електричну потужність,

яку споживає двигун, [Вт];

-

номінальний електричний опір двигуна, [Ом];

-

номінальний ККД, якщо його не вказано;

-

номінальне ковзання;

-

активний електричний опір обмотки ротора.

двигун асинхронний обертання електромеханічний

2.1.1 Способи керування швидкістю асинхронного двигуна та штучні механічні характеристики

Для зміни моменту двигуна згідно до формули (2.83) і відповідно для керування швидкістю існують наступні способи:

Зміна напруги статора U1;

Зміна частоти напруги статора f1, в тому числі одночасно зі зміною напруги статора U1;

Зміна активного електричного опору кола ротора R'2 (тільки для двигунів із фазним ротором);

Зміна числа пар полюсів p (тільки для спеціальних полюсоперемикаємих двигунів);

Використання енергії ковзання за допомогою спеціальних каскадних схем (тільки для двигунів із фазним ротором);

Подвійне живлення двигуна (тільки для двигунів із фазним ротором);

Зміна електричного опору кола статора R1 (тільки для двигунів із короткозамкненим ротором).

1) Керування швидкістю за рахунок зміни напруги статора.

Для реалізації способу керування двигун живиться від силового регулятора напруги (РН), який виготовляється на основі транзисторів чи тиристорів, рис.2.76.

Напруга статора врівноважується ЕРС статора та падінням напруги в колі статора

. (2.97)

Якщо знехтувати незначним значенням падіння напруги в статорі, то згідно до (2.97) приблизно можна прийняти

. (2.98)

З формули (2.74) знаходиться магнітний потік двигуна

. (2.99)

Як видно з (2.99), для запобігання насичення магнітної системи двигуна напругу статора можна тільки зменшувати відносно номінальної U1н, бо номінальний магнітний потік Фн лежить близько до потоку насичення Фнас рис.2.77.

Струм намагнічування I? відповідно до схеми заміщення на рис.2.73 пропорційно залежить від напруги статора U1. Зниження напруги статора не впливає на швидкість ідеального холостого ходу с (2.72) та на критичне ковзання Sk (2.85), а тільки зменшує пропорційно квадрата напруги критичний момент Мк (2.86), тому всі штучні характеристики проходять через одну точку с та мають однакове критичне ковзання Sk, рис.2.78. Перевагою даного способу керування є можливість плавної зміни швидкості. Недоліком є суттєве зменшення перевантажувальної здатності двигуна пропорційно квадрата напруги та зниження жорсткості механічної характеристики, тобто збільшення ковзання двигуна. Це призводить до підвищення втрат у колі ротора пропорційно ковзанню

, (2.100)

тому цей спосіб використовується при невеликому діапазоні керування швидкості в межах 2-4, а також для запуску механізмів та короткочасному зниженню швидкості.

Cпосіб якнайкраще підходить для струминних механізмів (вентиляторів, насосів тощо), момент опору яких залежить від квадрата швидкості. Розширення діапазону керування до 5-10 та підвищення жорсткості характеристик здійснюється за рахунок замкненої системи керування зі зворотним зв'язком за швидкістю.

2) Керування швидкістю за рахунок зміни частоти та амплітуди напруги живлення.

В цьому випадку обмотка статора двигуна живиться від силового перетворювача частоти, який реалізується на транзисторах чи тиристорах, рис.2.78. Якщо керування швидкістю здійснюється тільки зміною частоти f1, то її згідно до (2.99) можна тільки збільшувати відносно номінальної f1н для запобігання насичення магнітного кола двигуна.

Збільшення частоти призводить до пропорційного збільшення синхронної швидкості с (2.72) та до зменшення пропорційно квадрата частоти критичного моменту Мк (2.86), так як і синхронна швидкість і індуктивний опір обмоток статора та ротора залежать від частоти

(2.101)

Жорсткість механічних характеристик на робочій ділянці не змінюється, бо пропорційному збільшенню синхронної швидкості відповідає пропорційне зменшення критичного ковзання (2.85). Сімейство штучних механічних характеристик представлено на рис.2.80.



Робочі точки визначаються перетином механічних характеристик двигуна та механізму, який створює статичний момент Мс. Перевагою способу є плавна зміна швидкості при незмінній жорсткості характеристик. Недолік полягає в зменшенні перевантажувальної здатності двигуна та можливості керування швидкістю тільки вище номінальної.

Якщо знехтувати активним електричним опором статора R1, то критичний момент двигуна (2.89) стає залежним у квадраті від напруги та частоти статора

, (2.102)

де К - коефіцієнт пропорційності.

Звідсіля випливає основний закон частотного керування швидкістю асинхронного двигуна, який ще називається законом Костенка

. (2.103)

Згідно до нього частота змінюється пропорційно зміні напруги. Це забезпечує незмінне значення критичного моменту (2.102) та незмінний номінальний магнітний потік (2.99) при широкому діапазоні керування швидкістю від нулю і до максимальної. Найчастіше в якості максимальної виступає номінальна швидкість, якій відповідає номінальна напруга статора. Підвищення напруги вище номінальної обмежується електричною стійкістю ізоляції обмотки. Сімейство штучних механічних характеристик, які мають паралельні робочі ділянки, представлено на рис.2.81.

При низьких швидкостях падіння напруги в колі статора, яке нехтується при виводі закону керування, стає співрозмірним із напругою живлення статора, що призводить до зменшення критичного моменту (крива лінія з точок на рис.2.81). Для виправлення недоліку на низьких швидкостях напругу потрібно зменшувати в меншій мірі, чим за законом (2.103) або за допомогою замкненої системи керування підтримувати незмінним співвідношення ЕРС статора до частоти, щоб згідно (2.99) не змінювався магнітний потік. Крім того, при пуску двигуна, тобто при частоті близької до нульової, потрібне початкове значення напруги U1o для створення магнітного потоку і відповідно моменту двигуна. Для цього пуск починається з початкової частоти f1o=3-5 Гц та відповідного значення напруги або пропорція (2.103) дещо порушується, рис.2.82. В останньому випадку значення U1o може встановлюватися вручну чи автоматично, в тому числі з урахуванням величини динамічного моменту для створення заданого прискорення ЕП.

Для реалізації способу керування (2.103) найчастіше використовуються перетворювачі частоти з ланкою постійного струму, які складаються з керованого випрямляча (КВ), фільтра (Ф), автономного інвертора (АІ) та систем керування випрямлячем (СКВ), інвертором (СКІ) і електроприводом у цілому (СК), рис.2.83. Величина напруги статора U1 змінюється КВ, а частоти f1 - АІ. Для невеликих потужностей замість керованого випрямляча використовується некерований, а за допомогою АІ із системою широтно-імпульсної модуляції (ШІМ) одночасно регулюється і напруга й частота. АІ може бути джерелом напруги чи струму і в залежності від цього існують різні види замкнених систем керування швидкістю асинхронного двигуна.



Цей спосіб частотного керування швидкості асинхронного двигуна є основним. Його перевагою є плавна зміна швидкості від нуля і до максимальної (номінальної) при незмінній жорсткості механічних характеристик та перевантажувальної здатності двигуна. Діапазон керування складає 5-10 для розімкнутих систем та 1000 і більше для замкнених. Він називається “керування в першій зоні з постійним моментом двигуна”. Недолік полягає у відносній складності та підвищеній вартості перетворювача частоти.

Для струминних механізмів (вентилятори, насоси тощо), статичний момент яких пропорційний квадрату швидкості , найбільш економічним є закон керування

, (2.104)

при якому критичний момент двигуна зменшується пропорційно квадрата швидкості , відтворюючи характер статичного моменту та зменшуючи магнітний потік і споживання реактивної енергії, рис.2.84.

Для керування швидкістю із забезпеченням повної потужності двигуна, але з послабленням магнітного потоку і відповідно зменшенням критичного моменту двигуна застосовується закон керування

. (2.105)

При цьому момент двигуна (2.89) змінюється обернено пропорційно, а синхронна швидкість (2.72) пропорційно частоті, тому потужність (2.82), як їх добуток залишається незмінною. Сімейство штучних механічних характеристик показано на рис.2.85. Напруга вище номінальної не піднімається і при подальшому збільшенні частоти вона залишається незмінною.



Розглянуті частотні способи керування швидкістю асинхронного двигуна є найбільш поширеними. Розвиток елементної бази силової промелектроніки та впровадження мікропроцесорних систем керування електроприводом суттєво зменшили вартість та габарити перетворювачів частоти, а також забезпечили високу якість керування, що обумовлює заміну нерегульованих асинхронних ЕП на регульовані та витіснення з окремих галузей ЕП постійного струму.

3) Керування швидкості за рахунок увімкнення додаткового електричного резистора в коло ротора.

Для керування швидкості використовуються двигуни з фазним ротором, в коло ротора яких підключається трифазний реостат. Електричний опір реостата Rд за умовами комутації змінюється ступінчато шляхом закорочування секцій силовими контактами, рис.2.86.



Сумарний приведений активний електричний опір кола ротора дорівнює

.

Синхронна швидкість с (2.72) та критичний момент Мк (2.86) не залежать від R'2, тому всі штучні механічні характеристики проходять через одну точку ідеального холостого ходу. Критичне ковзання Sk (2.85) збільшується із збільшенням R'2, що призводить до зменшення жорсткості штучних характеристик, рис.2.87.

На основі відношення критичних ковзань на штучній та природній характеристиках знаходиться критичне ковзання на штучній характеристиці

(2.106)

чи величина додаткового опору, яка забезпечує потрібне критичне ковзання

. (2.107)

Формула (2.107) справедлива також для відношення ковзань при будь-якому статичному моменту.

Перевагою способу є простота його реалізації та підвищення пускового моменту двигуна, який приймає максимальне значення при критичному ковзанні sк =1. Недоліки полягають у керуванні швидкістю спупінчато, зменшенні жорсткості механічних характеристик, що призводить до різкого збільшення втрат у колі ротора пропорційно ковзанню (2.100) та до чутливості зміни навантаження. Це обмежує діапазон керування на рівні 1,5-2 для незмінного статичного моменту та 3-5 для моменту вентиляторного типу.



Увімкнення додаткового резистора в коло ротора застосовується при керуванні швидкістю двигуна за рахунок зміни напруги статора для збільшення пускового моменту. Використовуються також схеми з імпульсним регулюванням еквівалентного опору в колі ротора за допомогою широтно-імпульсної модуляції електронних ключів ЕК на тиристорах чи транзисторах, рис.2.88,а та б. Керування здійснюється зміною шпаруватості імпульсів у межах ?=0-1. Це дозволяє плавно змінювати швидкість, рис.2.89, проте додатковим недоліком є погіршення енергетичних показників ЕП через несинусоїдальність струмів двигуна.

4) Керування швидкості за рахунок зміни числа пар полюсів.

Для зміни швидкості застосовуються спеціальні асинхронні двигуни з короткозамкненим ротором, які дозволяють змінювати число пар полюсів p шляхом перемикання обмотки статора. Чим менше число пар полюсів, тим вища синхронна швидкість с (2.72). Так як число пар полюсів може бути тільки цілим: 1, 2, 3 і т.д., то швидкість змінюється ступінчато. Максимальна частота обертання, на яку випускаються двигуни широкого призначення, становить 3000 об/хв, а мінімальна - 500 об/хв. Найбільш поширені двошвидкістні двигуни, які мають одну обмотку статора розділену на дві частини. Виводи кожної частини позначені, як початок та кінець, наприклад, А1п та А1к. Серед багатьох схем з'єднання обмоток найчастіше використовуються схеми “зірка”, “трикутник” та “подвійна зірка”, рис.2.92, а,б,в.

Схема “подвійна зірка” забезпечує вдвічі менше пар полюсів, тому перемикання з неї здійснюється на схеми “ зірка” чи “трикутник”.



В першому випадку критичні моменти рівні, тому схема переключення “зірка/подвійна зірка” називається схемою з постійним моментом, рис.2.93,а. В другому випадку критичні моменти відрізняються майже вдвічі в 1,73 раза, тому схема “трикутник/подвійна зірка” називається схемою з постійною потужністю, рис.2.93,б. Для збереження напрямку обертання двигуна необхідно при перемиканні на “подвійну зірку” поміняти місцями будь-які два виводи обмотки статора.

Крім двошвидкістних застосовуються також три- та чотиришвидкістні двигуни. Тришвидкістні двигуни мають дві обмотки статора, одна з них постійно увімкнена у мережу, а друга перемикається, як у розглянутих двошвидкістних.

Перевагою способу є простота реалізації, незмінна та висока жорсткість механічних характеристик, висока економічність та надійність. Недоліком є зміна швидкості тільки ступінчато та невеликий діапазон керування швидкістю 2-6, який визначається кількістю перемикаємих полюсів. Двигуни мають підвищені габарити та вартість. Завдяки своїм перевагам двигуни застосовуються в ЕП вентиляторів, насосів, елеваторів, ліфтів, верстатів, в цементній та нафтовій галузях.

5) Каскадні схеми керування швидкістю двигуна.

В роторі двигуна виділяються втрати, які можна використати для керування швидкістю. Втрати пропорційні ковзанню (2.100) і в потужних двигунах, для яких застосовується цей спосіб, досягають значних величин. Керування швидкістю здійснюється введенням у коло ротора додаткової ЕРС, тому для реалізації способу керування застосовуються двигуни з фазним ротором. В залежності від використання енергії ковзання розрізняються електричні та електромеханічні каскадні електроприводи. В електричних каскадах енергія ковзання повертається в мережу, а в електромеханічних на вал асинхронного двигуна. За типом пристроїв перетворення енергії ковзання каскади розділяються на електромашинні, вентильно-машинні та вентильні. Електромашинні каскади в теперішній час не використовуються. Функціональна схема вентильно-машинного електромеханічного каскаду представлена на рис.2.94. Каскад складається з основного асинхронного двигуна М1, обмотку статора якого увімкнено у мережу. В колі ротора знаходиться трифазний діодний міст ДМ, послідовно увімкнений з обмоткою якоря двигуна постійного струму з незалежним збудженням М2. Керування швидкістю здійснюється зміною ЕРС двигуна постійного струму шляхом зміни його струму збудження Із. Обидва двигуни зв'язані механічним валом, тому електромагнітний момент каскаду дорівнює сумі їх моментів

, (2.108)

де Ed0 - ЕРС діодного мосту при ковзанні s=1;

Id - випрямлений струм у колі ротора;

Хд - приведений до ротора індуктивний опір фази двигуна.



Рівняння Кірхгофа для кола ротора має вигляд

, (2.109)

Де - ЕРС двигуна М2; (2.110)

R - активний опір кола ротора;

2?U - падіння напруги на вентилях ДМ.

Після підстановки у (2.108) значення струму з (2.109) з урахуванням ЕРС (2.110) знаходиться остаточне рівняння моменту каскаду

, (2.111)

Де s0 - ковзання каскаду при Іd=0.

Згідно до (2.111) момент каскаду збільшується із збільшенням магнітного потоку Ф, а швидкість зменшується, рис.2.95. В області невеликих навантажень може виникнути режим переривистих струмів, що зумовлює підйом механічних характеристик. При відсутності струму збудження Із механічна характеристика каскаду наближається до природної характеристики асинхронного двигуна, проте зі збільшеним електричним опором кола ротора на величину опору якоря ДПС та внутрішнього опору діодного мосту. Двигун постійного струму повертає на вал механічну потужність Рмех, яка дорівнює майже всій потужності ковзання ?Р2=P1s (2.100) за винятком втрат в роторі, діодному мості та двигуні постійного струму. Асинхронний же двигун створює на валі потужність

, (2.112)

яка з урахуванням поверненої потужності залишається незмінною, якщо знехтувати втратами. Таким чином, сумарна потужність підтримується незмінною незалежно від ковзання, тому вентильно-машинний електромеханічний каскад називається каскадом із постійною потужністю.

Перевагою цього каскаду є висока економічність при ККД 0,82-0,85 й коефіцієнті потужності 0,75-0,8, висока плавність керування та жорсткість характеристик, яка поступається тільки частотному керуванню. Недолік полягає у великій установленій потужності двигуна постійного струму, яка залежить від діапазону керування швидкістю

. (2.113)

Так при ковзанні s=0,5 потужність ДПС дорівнює потужності АД, тобто ДПС може самостійно здійснити привод механізму, тому практичний діапазон керування швидкістю не перевершує 2.

У вентильно-машинних електричних каскадах ДПС не зв'язаний з АД, а приводить у рух синхронний генератор, який повертає електричну енергію у мережу. Каскад забезпечує штучні механічні характеристики з постійним моментом та незмінною високою жорсткістю характеристик, яка поступається тільки характеристикам при частотному керуванні швидкості. ККД складає 0,82-0,85, а коефіцієнт потужності 0,7-0,75 й може бути збільшений шляхом перезбудження синхронного генератора. З розвитком напівпровідникової техніки машинні елементи каскаду замінилися на електронні. Найпоширенішою є схема асинхронно-вентильного електричного каскаду (АВК), рис.2.96.



Послідовно з діодним мостом увімкнено інвертор, який через узгоджувальний трансформатор підключено до мережі. Інвертор створює ЕРС, за допомогою якої здійснюється керування швидкістю двигуна, та повертає енергію ковзання у мережу. Задана швидкість встановлюється сигналом завдання Uзавд системи керування інвертором (СКІ). Механічні характеристики АВК приведено на рис.2.97.

Керування швидкістю здійснюється при постійному моменті, проте при зменшенні швидкості перевантажувальна здатність двигуна дещо зменшується на 10-15%. ККД цього каскаду більший, ніж у вентильно-машинних каскадах й складає 0,82-0,9, проте коефіцієнт потужності значно менший. Установлена потужність при діапазоні керування швидкістю рівному 2 складає 250%, із них 100% - АД і по 50% - діодний міст, інвертор, трансформатор. Розглянуті каскадні схеми забезпечують однозонне керування вниз від номінальної швидкості .

6) Керування швидкістю подвійним живленням двигуна.

Достатньо ефективні закони керування швидкістю можна отримати у двигуні подвійного живлення (ДПЖ), який також відноситься до каскадних систем електропривода. На відміну від розглянутих схем, ДПЖ дозволяє змінювати напрямок потоку енергії у колі ротора, тобто не тільки перетворювати енергію ковзання від ротора, а й направляти в ротор додаткову електричну енергію. Це забезпечує двозонне керування швидкістю, тобто як нижче так і вище номінальної. Для реалізації способу в коло ротора двигуна підключається перетворювач частоти, рис.2.98.

Проте основний недолік каскадних схем залишається, а саме, збільшення потужності перетворювача пропорційно діапазону керування швидкістю. При широкому діапазоні керування, коли потужності перетворювача й двигуна зрівнюються, раціональніше застосовувати розглянуте частотне керування швидкістю, яке забезпечує кращу якість керування з використанням більш простішого двигуна з короткозамкненим ротором.

В усталеному режимі роботи швидкість двигуна визначається синхронними швидкостями магнітних полів статора та ротора

, (2.114)

де “-” - відповідає обертанню полів в одному напрямку;

“+” - відповідає обертанню полів у протилежних напрямках.

Зміна напрямку обертання полів здійснюється зміною чергування фаз напруги живлення ротора. Згідно (2.114) можливі два способи керування швидкістю при незмінних напрузі U1 та частоті f1 статора:

Незалежне завдання частоти ротора f2;

Незалежне завдання безпосередньо швидкості ?.

1) В першому випадку величина швидкості двигуна визначається частотою ротора f2 і залишається незмінною

,

як і ковзання на конкретній характеристиці s=s0=const, тобто швидкість двигуна не залежить від навантаження, тому механічні характеристики абсолютно жорсткі. Такий режим роботи МПЖ називається синхронним режимом. Момент двигуна при цьому складається з асинхронного (2.83) та синхронного моментів при нехтуванні електричним опором ротора R1

, (2.115)

Де L1 - індуктивність обмотки статора;

L12 - взаємоіндуктивність обмоток статора та ротора;

кут зсуву між осями полів статора та ротора.

Таким чином при незмінній напрузі ротора U2 результуючий момент двигуна залежить від синхронного ковзання s0

. (2.116)

Найбільше значення моменту двигуна Мmax відповідає кутам . Асинхронний момент, найбільший синхронний момент та максимальний момент двигуна показані пунктирними лініями на штучних механічних характеристиках, рис.2.99. Так як асинхронний момент змінює знак при зміні знаку s0, то перевантажувальна здатність двигуна в першій зоні керування (підсинхронні швидкості) суттєво відрізняється від другої зони (надсинхронні швидкості).



Напрямки потоків механічної енергії на валі Р2, енергії ковзання в роторі Р1s та енергії статора Р1 представлено на рис.2.99 для роботи в рушійному режимі й режимі рекуперативного гальмування зі швидкостями в першій та другій зонах. Для їх забезпечення перетворювач частоти повинен мати двосторонню провідність та безконтактну зміну чергування фаз. При раціональному для МПЖ діапазоні керування швидкістю 2-3 частоту ротора необхідно змінювати в межах (0,2-0,3)f1н=10-15 Гц. Указані вимоги найкраще задовольняє перетворювач частоти з безпосереднім зв'язком. На розширення діапазону керування швидкості накладає обмеження також умова стійкої роботи МПЖ у межах критичних ковзань -sk<s0<sk , коли асинхронна складова моменту демпфірує коливання, які обумовлені синхронною складовою моменту. При ковзаннях більше критичних асинхронний момент навпаки розкачує ротор, що призводить до нестійкої роботи двигуна.

2) У другому випадку частота ротора залежить від швидкості двигуна, яка може змінюватися під дією навантаження. Цьому відповідає асинхронний режим роботи МПЖ. Для реалізації закону керування встановлюється датчик швидкості двигуна, наприклад, тахогенератор, за допомогою якого визначається частота ковзання. Для керування швидкості одночасно змінюється амплітуда та фаза напруги ротора за допомогою замкненої системи керування ЕП. Механічні характеристики в межах допустимого моменту представляють собою прямі із заданим статизмом.

Недоліком каскаду з ДПЖ є також необхідність перед початком керування здійснювати пуск двигуна до найменшої швидкості. Цей недолік не має суттєвого значення для механізмів, які рідко запускаються.

7) Керування швидкістю увімкненням додаткового резистора в коло статора.

Цей спосіб керування застосовується дуже рідко для двигунів із короткозамкненим ротором при відсутності інших засобів зменшити швидкість. Спосіб дуже неекономічний, тому використовується для короткочасної зміни швидкості. На рис.2.100 показано симетричне увімкнення додаткових резисторів у всі фази статора. Зміна опору здійснюється закорочуванням секцій реостата контакторами. Інколи для зменшення кількості елементів резистор вмикається тільки в одну чи дві фази статора.

Збільшення електричного опору кола статора R1?=R1+Rд1 призводить до зменшення критичного ковзання (2.85), критичного та пускового моментів (2.86) та (2.84) при незмінній синхронній швидкості, рис.2.101.

2.1.2 Зміна напрямку руху (реверс) та пуск асинхронного двигуна

Для зміни напрямку руху трифазного асинхронного двигуна потрібно змінити напрямок обертання магнітного поля статора. Для цього достатньо поміняти місцями будь-які два виводи обмотки статора, рис.2.102.

Пуск двигуна з короткозамкненим ротором здійснюється прямим увімкненням у мережу (прямий пуск). При цьому пусковий струм статора може досягати I1п=(57)I1н, що збільшує навантаження на мережу. Пуск декількох потужних двигунів найчастіше розноситься в часі за допомогою схем керування. Для обмеження пускового струму на час пуску в коло статора можуть підключатися струмообмежуючі реактори або в простішому випадку резистори Rco, рис.2.103.

Пуск двигунів із фазним ротором здійснюється за допомогою пускового реостата, який включається в коло ротора, рис.2.104. Кількість ступенів реостата визначається технологічними умовами і може досягати від 1 до 12.

Розрахунок опорів ступенів здійснюється за методикою, розглянутою в пункті 2.1.1.4 для двигунів постійного струму з незалежним збудженням, але замість відносного падіння швидкості * у формули підставляється номінальне ковзання двигуна sн, а замість електричного опору якоря Rя підставляється опір ротору Rр, який може бути визначено за відомою формулою

. (2.117)

Найчастіше пуск здійснюється у функції часу за допомогою реле часу, за командами яких у заданій послідовності замикаються контактори К1-К3. Попередньо розраховується час роботи двигуна на кожній штучній характеристиці та встановлюються витримки реле часу.

2.1.3 Режими гальмування асинхронного двигуна

Асинхронний двигун забезпечує наступні режими гальмування:

Рекуперативне (генераторне) гальмування;

Гальмування противмиканням;

Динамічне гальмування;

Гальмування із самозбудженням.

1) Ознакою переходу в режим рекуперативного гальмування є більша за синхронну швидкість двигуна. Цей режим можна реалізувати в статичному режимі чи в перехідному процесі. У статичному режимі за допомогою зовнішнього активного моменту Мс робоча точка переміщується в II чи IV квадранти, рис.2.105.



У перехідному процесі двигун переходить у режим рекуперативного гальмування при зменшенні стрибком частоти живлення двигуна або при переключенні числа пар полюсів із більшої на меншу швидкість, рис.2.106.

В режимі рекуперативного гальмування двигун виробляє та повертає в мережу активну потужність, але при цьому продовжує споживати з мережі реактивну потужність. При частотному керуванні перетворювач повинен забезпечувати роботу в першому та другому квадрантах для нереверсивного ЕП та у всіх чотирьох для реверсивного.

2) Гальмування противмиканням у статичному режимі можна отримати тільки при активному статичному моменті для двигуна з фазним ротором. Для цього достатньо увімкнути в коло ротора додатковий резистор Rд із таким опором, щоб робоча точка перемістилася з першого в четвертий квадрант. Величина опору визначає швидкість 2 , з якою буде обертатися двигун в режимі гальмування противмиканням, рис.2.107.

При реактивному статичному моменті цей режим можна отримати тільки в перехідному процесі. Для гальмування механізму здійснюється реверс двигуна. Для обмеження при гальмуванні струму статора двигуна з короткозамкненим ротором у його коло можуть бути увімкнені додаткові резистори. Якщо двигун із фазним ротором, то на хід перехідного процесу та завдання початкового гальмівного моменту можна вплинути зміною додаткового опору Rд у колі ротора, рис.2.108.

На ділянці 2-3 механічної характеристики двигун буде сповільнюватися в режимі гальмування противмиканням. В точці 3 двигун потрібно відключити від мережі інакше він почне розганятись у зворотному напрямку, прямуючи до усталеної точки 6. Введення додаткового опору Rд у коло ротора дозволяє створювати умову, коли момент короткого замикання при зупинці в точці 5 буде меншим за статичний момент Мс, тому двигун не зможе розігнатися у зворотному напрямку й буде стояти під струмом. Його також потрібно відключити від живлення.

Перевагою гальмування противмиканням є створення значних моментів гальмування при низьких швидкостях. Недолік полягає у низькій енергетичній ефективності, так як двигун споживає електричну енергію з мережі та механічну від механізму й усю перетворює в тепло.

3) Для організації режиму динамічного гальмування потрібно джерело постійного струму. Обмотка статора працюючого двигуна відключається від мережі змінного струму і переключається на джерело постійного струму, рис.2.109.

При обертанні ротора двигуна в постійному магнітному полі, яке створює обмотка статора, виникає гальмівний момент. Так як обмотка статора трифазна, то при підключенні до джерела постійного струму використовуються різні схеми з'єднання фаз обмотки, табл.2.3. При цьому постійний струм І, який протікає через обмотку статора, в залежності від схеми з'єднання відповідає еквівалентному змінному струмові, створюючи однакову за величиною магніторушійну силу. Цей еквівалентний струм визначає характерні точки механічної характеристики в режимі динамічного гальмування, а саме, критичний момент

(2.118)

та критичне ковзання

, (2.119)

де Х індуктивний опір взаємоіндукції.

Таблиця 2.3

№, п/п	Схема	Струм Іекв
1
2
3
4
5

Так як опір Х>>X1, то критичне ковзання (2.119) в режимі динамічного гальмування менше, чим в рушійному режимі (2.85), і відповідно жорсткість механічних характеристик буде більшою при однакових критичних моментах. Величину гальмівного моменту дуже просто задавати величиною постійного струму, так як критичний момент (2.118) пропорційний квадрату струму. При цьому критичне ковзання залишається незмінним (2.119). Якщо двигун із фазним ротором, то додатково на величину гальмівного моменту можна впливати введенням резистора Rд у коло ротора. Критичний момент залишиться незмінним, а збільшується критичне ковзання і відповідно зменшується жорсткість штучних механічних характеристик, які всі проходять через початок координат, рис.2.110. Після вмикання режиму гальмування з робочої точки 1 двигун сповільнюється до зупинки при реактивному статичному моменті на ділянках характеристик 2-0, 3-0 чи 4-0 у залежності від величини струму чи додаткового опору в роторі. Якщо ж статичний момент активний, то після зупинки двигун почне розганятися в протилежному напрямку до нової робочої точки в четвертому квадранті.

Перевагою способу є простота керування гальмівним моментом, а недоліком - незначна величина гальмівного моменту при низьких швидкостях.

4) Гальмування із самозбудженням застосовується достатньо рідко. Воно основується на тому, що після відмикання двигуна від мережі магнітне поле в ньому затухає не миттєво. Це й використовується для створення гальмувального моменту. На практиці знайшли застосування конденсаторне та магнітне гальмування. При конденсаторному гальмуванні до обмотки статора підключаються конденсатори, з'єднанні в схему “зірка” чи “трикутник”, рис.2.111,а.

Конденсатори можуть бути увімкнуті постійно чи підключатися тільки на час гальмування. Із збільшенням ємності конденсаторів збільшується гальмівний момент, а штучні механічні характеристики зміщуються в область низьких швидкостей, рис.2.111,б.

При магнітному гальмуванні виводи обмотки статора зразу закорочуються після відключення від мережі, рис.2.112. При цьому створюється дуже короткочасний гальмівний момент.

При використанні регульованого електропривода з перетворювачем частоти чи регулятором напруги з'являються додаткові можливості для організації ефективного гальмування за рахунок комбінації різних способів та підтримки заданого моменту гальмування.

2.1.4 Динамічні властивості асинхронного двигуна

Асинхронний двигун є суттєво нелінійною ланкою. Для повного аналізу використовуються складні математичні моделі та ЕОМ. За умови не насичення магнітного кола двигуна, симетричності фаз найчастіше використовуються еквівалентна двофазна модель двигуна у векторному вигляді. Найбільш спрощена модель може бути отримана при лінеаризації робочої ділянки механічної характеристики двигуна прямою. Цьому відповідає робота двигуна при збільшенні та зменшенні навантаження, а також пуск двигуна з фазним ротором при додатковому опорі в колі ротора, тобто коли робоча точка не виходить за межі робочої ділянки характеристики. Ця модель не адекватно описує процес пуску та реверсу двигуна двигуна з короткозамкненим ротором. Живлення обмотки статора може здійснюватися від джерела напруги чи струму:

1) При живленні від джерела напруги процес в електромеханічному перетворювачі описується наступним рівнянням

, (2.120)

Де - електромагнітна стала часу;

Размещено на Allbest.ru