Электроприводы переменного тока

Глава четвертая

ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Номинальные данные

На шильдике или в паспорте асинхронного двигателя обычно указаны номинальные линейные напряжения при соединении обмоток в звезду и треугольник токи частота мощность на валу

частота вращения КПД

Для двигателей с короткозамкнутым ротором в каталоге приводятся кратности пускового тока пускового момента

критического момента иногда — типовые естественные характеристики.

Для двигателей с фазным ротором указываются ЭДС на разомкнутых кольцах заторможенного ротора при и номинальный ток ротора

Приводимых в каталоге данных недостаточно, чтобы определить по ним параметры схемы замещения и пользоваться ей при всех расчетах, однако по каталожным данным можно построить естественную электромеханическую и механическую характеристики, воспользовавшись несколькими опорными точками (рис. 4.7).

Точка 1 получится из ряда

1500, 1000, 750, 600 об/мин как ближайшая к

Точка 2 — номинальная.

Для определения точки 3 нужно рассчитать

определить и вычислить по (4.10), подставив

в это уравнение

Точка 4 рассчитывается непосредственно

по каталожным данным.

Современные двигатели с короткозамкнутым ротором проектируют так, чтобы иметь повышенный пусковой момент и в некоторых каталогах указывают так называемый «седловой» момент (рис. 4.7, а).

Некоторое представление о характеристиках современных асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором можно получить из следующих данных:

(меньшие значения у двигателей большей мощности — сотни киловатт);

Как следует из этих данных, естественные свойства асинхронных двигателей весьма неблагоприятны: малый пусковой момент, большой пусковой ток и самое главное — ограниченные возможности управления координатами.

Упражнения

4.9.1. На рис. 4.1, г поле вращается по часовой стрелке. Что нужно сде
лать, чтобы изменить направление вращения поля?

4.9.2. Принцип получения вращающегося поля показан выше на примере
примитивной двухфазной машины, хотя большинство реальных
машин — трехфазные. Рассмотрите получение вращающегося поля
для трехфазной машины. Как там должны быть сдвинуты витки
(обмотки) и токи?

4.9.3. Что нужно сделать, чтобы реверсировать поле в трехфазной машине?

4.9.4. В США используется частота Напишите ряд синхронных
частот вращения для американских двигателей. На что следует
обращать внимание, применяя американские двигатели в нашей
стране, наши — в США?

4.9.5. В ходе ремонта асинхронной машины проточили ротор (увеличили
зазор). Как это можно определить опытным путем?

4.9.6. После ремонта асинхронного двигателя ток холостого хода вырос
в 2 раза. Назовите возможные причины.

4.9.7. Можно ли асинхронную машину, рассчитан
ную на и использовать при

Объясните, какой случай и почему категорически недопустим.

4.9.8. Начертите векторную диаграмму, соответст
вующую схеме на рис. 4.3.

4.9.9. Определите, в какой точке (А, В или С) часто
та тока в роторе наименьшая.

4.9.10. Сравните выражение для потерь в роторной цепи (4.9) с соответ
ствующей формулой для электроприводов постоянного тока. Сде
лайте выводы.

4.9.11. Сопоставьте энергетические режимы асинхронного электроприво
да и электропривода постоянного тока.

4.9.12. Постройте естественные механическую и электромеханическую
характеристики для двигателя (см. Приложение 2).

4.9.13. Постройте приближенно характеристики динамического торможе
ния двигателя при трех значениях

4.9.14. По каталожным данным для двигателей серии А (АИР) (см. Прило
жение 2) постройте графики при различной полюсности.

4.9.15. Сопротивление фазы обмотки ротора 3 Ом (см. рисунок). Какие
дополнительные резисторы включены в фазы ротора на характери
стиках

4.9.16*. По каталожным данным проведите качественное и количественное сопоставление свойств двигателей постоянного тока, асинхронных с короткозамкнутым ротором и асинхронных с фазным ротором. Обратите внимание на характеристики, массогабаритные показатели.

4.9.17.В частотно-регулируемых электроприводах с

фирмы закладывают несколько вариантов изменения U/f. Зачем они это делают? Изобразите качественно зависимости U(f) для нагрузки для вентиляторной

нагрузки

4.9.18. Сопоставьте свойства частотно-регулируемого
асинхронного электропривода и электропривода

постоянного тока по системе ТП—Д. Сравните основные технические данные двигателей постоянного тока с высотой оси вращения 160 мм (см. Приложение 2) с аналогичными данными асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором с той же высотой оси. Сделайте выводы.

4.9.19*. Завод-изготовитель двигателей для параметрического регулирования приводит данные одного из них (см. Приложение 2). Сравните эти данные с аналогичными данными серийного двигателя (см. там же), сделайте выводы. Можно ли использовать двигатель, изготавливаемый для параметрического регулирования, для регулируемого электропривода вентилятора мощностью 7,5 кВт

при частоте вращения, примерно равной 3000 об/мин

Какой двигатель следовало бы выбрать при частотном регулировании скорости этого вентилятора? Сравните основные технические данные.

4.9.20. Регуляторы напряжения широко используются в мировой прак
тике для облегчения условий пуска мощных асинхронных двигате
лей с короткозамкнутым ротором. Объясните, за счет чего облег
чается пуск.

4.9.21. Регуляторы напряжения иногда применяются для экономии элек
троэнергии при сильной недогрузке двигателя на отдельных участ
ках цикла За счет чего экономится энергия? Проведи
те подробный анализ, использовав схему на рис. 4.3 и с учетом то
го, что и при так как

4.9.22. Изобразите принципиальную схему, упоминавшуюся в п. 3 оцен
ки показателей регулирования на с. 85.

4.9.23*. В импортном электроприводе барабана, принимающего при небольшой частоте вращения (десятки оборотов в минуту) проволоку с волочильного стана, для обеспечения характеристики была использована схема на рис. 4.10, б с двигателем мощностью 11 кВт. Оцените эффективность этого решения. Сравните с электроприводом постоянного тока по системе ИТ—Д.

4.9.24. Изобразите схему каскада с передачей мощности скольжения на
вал главного двигателя и соответствующие механические характе
ристики. Как можно осуществить пуск каскада?

4.9.25. Почему каскады целесообразны при больших мощностях и малых
диапазонах регулирования?

4.9.26. Оцените установленную мощность машин каскада на рис. 4.11, а,
приняв мощность двигателя Ml за единицу и задавшись диапазо
ном регулирования скорости.

4.9.27. Изобразите энергетические диаграммы (направление потоков
энергии), подобные рис. 4.12, б (справа), для других характеристик
машины двойного питания, показанных на рис. 4.12, б (в центре).

4.9.28. Сформулируйте принципиальные отличия синхронного двигателя
от асинхронного в конструкции и принципе действия.

4.9.29. Изобразите векторные диаграммы синхронной машины для пра
вой и левой ветвей V-образной характеристики

4.9.30*. Сопоставьте электроприводы, рассмотренные в данной главе. Выберите показатели, подчеркните положительные и отрицательные свойства каждого, укажите рациональные области применения.

4.9.31. Будет ли работоспособен инвертор на рис. 4.16, а, если вместо ре
зистора R включить цепь Объясните ответ.

4.9.32. Выше была проанализирована работа инвертора напряжения при
180-градусной коммутации и соединении нагрузки в звезду. Прове
дите анализ для 120-градусной коммутации. Сделайте то же при со
единении нагрузки в треугольник.

4.9.33. Сопоставьте результаты, полученные в задаче 4.9.32. Сравните, в
частности, амплитуды.

4.9.34*. Сравните основные свойства трех типов ПЧ — на основе инвертора напряжения, инвертора тока и с непосредственной связью. Сведите результаты сравнения в таблицу, отметьте рациональные, на ваш взгляд, применения ПЧ каждого типа, приведите примеры.

• 4.10. Резюме

Поле в двухфазном двигателе вращается с угловой скоростью

если две катушки обмотки сдвинуты в пространстве на 90° и в них протекают переменные токи, сдвинутые во времени на 90°. Принцип пространственного и временного сдвига для получения вращающегося поля сохраняется ив (в частности, в трехфазных) машинах.

Если вращать ротор с синхронной скоростью он не будет вли-

ять на работу машины и приложенное к обмотке напряжение уравновесится ЭДС самоиндукции

откуда следует, что в пренебрежении сопротивлением обмотки статора а ток намагничивания определится при заданном магнитном потоке кривой намагничивания машины и составит 40— 50 % номинального тока.

Под нагрузкой в обмотке (замкнутых стержнях) ротора наво-

дится ЭДС, возникает ток и при взаимодействии его с магнитным полем создается момент, уравновешивающий момент нагрузки при скольжении

Зависимость момента от скольжения имеет экстремум

с координатами так как при практически неизменном потоке

ЭДС и ток ротора растут с ростом скольжения s, а уменьшается,

стремясь к нулю. На рабочем участке механическая характеристика близка к линейной:

Асинхронный электропривод имеет те же энергетические режимы, что и электропривод постоянного тока; режим динамического торможения реализуется при питании обмоток статора постоянным током.

Каталожные данные для двигателей с короткозамкнутым ротором, кроме номинальных напряжений, частоты, мощности, частоты вращения, КПД и содержат кратности пускового тока и момента, а также кратности критического момента, что удобно использовать для построения естественных характеристик.

Основной недостаток двигателей с короткозамкнутым ротором — ограниченные возможности регулирования координат.

Скорость поля обычного двигателя может регулироваться только изменением частоты с соответствующим изменением напряжения. Это регулирование — двухзонное, вверх и вниз

от основной скорости, диапазон в разомкнутой

структуре , плавное, допустимая нагрузкапри регули-

ровании вниз и при регулировании вверх, способ экономичен,

однако требует относительно дорогого ПЧ.

Параметрическое регулирование исполь-

зуемое иногда ввиду более дешевого преобразователя — ТРН, практически непригодно для продолжительного режима работы даже при вентиляторной характеристике нагрузки поскольку потери, зависящие от скольжения и рассеиваемые в двигателе, резко снижают допустимую нагрузку:

•

Двигатели с фазным ротором допускают использование реостатного регулирования с теми же показателями, что и в приводах постоянного тока.

При больших мощностях и малых диапазонах регулирования используются каскадные схемы с возвратом мощности скольжения в сеть или на вал основного двигателя.

В электроприводах с синхронными двигателями используется эффект «магнитной пружины»: ротор — магнит увлекается вращающимся полем статора, отставая от него на угол 0 в двигательном режиме и опережая — в генераторном.

Возможно лишь частотное регулирование скорости. На основе синхронных двигателей с постоянными магнитами, управляемых электронными коммутаторами, построены различные варианты специальных электроприводов.

В последние годы возрос интерес к вентильно-индукторным приводам, принцип действия которых основан на притяжении электромагнитом — индуктором статора пассивного полюса ротора. Эти приводы очень просты, надежны, дешевы, однако их качественная работа возможна лишь при хорошо организованном микропроцессорном управлении.

Большинство ПЧ, ставших в последние годы неотъемлемой частью регулируемого асинхронного электропривода, выполнены на основе АИН с ШИМ. Реже используются ПЧ на основе инверторов тока и цик-локонверторы — преобразователи с непосредственной связью.

***

Не рассмотрены модели асинхронного двигателя, учитывающие быстрые процессы и пространственное распределение переменных. Эти модели активно используются при построении эффективных систем векторного управления, прямого управления моментом и т.п.

Не рассмотрены регулируемый синхронный электропривод и его многочисленные модификации. Не приведен анализ процессов и характеристик вентиль-но-индукторного электропривода.

Глава четвертая

ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА