Lektsii_El_privod

ротора, определяемые угловой частотой вращения и механическими потерями.

С увеличением скольжения превалируют потери скольжения; номинальная мощность, затрачиваемая на возбуждение ЭМС общего назначения с номинальным моментом от 75 до 1600 Н м, составляет в среднем от З до

0,7% максимальной мощности, передаваемой муфтой. В ЭМС специального назначения для передачи больших моментов мощность, затрачиваемая на возбуждение, еще меньше [22].

Таким образом, КПД. муфты

При регулировании частоты вращения асинхронного двигателя с постоянным моментом нагрузки, пренебрегая для муфт средней и большой

снижается, развиваемая мощность снижается пропорционально уменьшению частоты вращения, а потребляемая муфтой мощность не изменяется.

Таким образом, избыточная мощность рассеивается в виде теплоты в рабочей поверхности якоря муфты. Зависимости потребляемой мощности потерь в якоре муфты полезной мощности и КПД от угловой частоты вращения при неизменном и вентиляторном моментах нагрузки приведены на рис.5.22, а и б. Анализ этих зависимостей указывает на то, что потери мощности в якоре ЭМС, как и следовало ожидать, совпадают с потерями мощности скольжения в роторной цепи асинхронного двигателя при

реостатном регулировании, а также при регулировании изменением подводимого напряжения. КПД электропривода с ЭМС равен

(5.52)

где - КПД приводного асинхронного двигателя.

Так как КПД асинхронного двигателя является функцией, развиваемой мощности, то со снижением частоты вращения выходного вала ЭМС КПД электропривода будет еще более резко падать, чем на характеристиках рис.

5.22.

Рис.5.22. Зависимость мощностей и КПД от угловой скорости: а –при постоянном моменте нагрузки (M = const); б –при вентиляторном моменте нагрузки; 1- потребляемая мощность; 2- полезная мощность;

3 – потери в якоре муфты; 4 – КПД.

Коэффициент мощности электропривода с ЭМС зависит только от передаваемого момента и определяется коэффициентом мощности асинхронного двигателя. Если регулирование частоты вращения происходит с постоянным моментом, равным номинальному, то коэффициент мощности поддерживается номинальным независимо от скольжения ЭМС. При вентиляторной нагрузке коэффициент мощности зависит от скольжения ЭМС и заметно снижается со снижением астоты вращения.

Вследствие значительных потерь мощности в якоре ЭМС находят применение в приводах небольшой мощности (примерно до 20 кВт),

регулируемых с постоянным моментом и работающих в повторно-

кратковременном и кратковременном режимах. В случае вентиляторной нагрузки пределы регулирования, как и используемая мощность привода,

могут быть значительно расширены.

Электропривод с электромагнитной муфтой скольжения привлекает своей простотой, высокой плавностью регулирования и малой мощностью преобразовательного устройства для намагничивания муфты. Применение электромагнитных муфт позволяет в ряде случаев упростить автоматизацию технологических процессов и регулирование скорости движения исполнительных органов рабочих машин.

5.9.Асинхронный вентильный каскад

Вэлектромеханических системах, где применяется асинхронный двигатель с фазным ротором, возможно регулирование частоты вращения

изменением сопротивления дополнительного резистора , включенного в

роторную цепь. Однако регулирование частоты вращения сопровождается выделением в роторной цепи потерь мощности, пропорциональных скольжению. Поэтому этот способ не является экономичным. Потери мощности в роторе могут составить ощутимое значение. Пусть диапазон регулирования частоты вращения

D = 2: 1, момент электродвигателя постоянен и равен номинальному. Тогда при скольжении s = 0,5, что соответствует половине синхронной частоты вращения, потери мощности в роторе:

где принято, что Таким образом, потери мощности могут составлять половину номинальной

мощности электродвигателя . При увеличении диапазона регулирования скорости эти потери возрастают еще больше. В общем случае при скольжении электромагнитная мощность передается на вал ротора с КПД,

равным 1 - s, а полный КПД двигателя оказывается меньше этого значения.

При низких угловых скоростях электромагнитная мощность почти полностью рассеивается в цепи ротора, поэтому КПД двигателя в этом случае имеет очень малое значение. Таким образом, регулирование скорости

в широком диапазоне изменением сопротивления ротора связано с большими потерями. Реализовать непосредственно энергию скольжения асинхронного двигателя затруднительно, так как частота В роторной цепи отлична от частоты питающей сети. Однако при некоторых технических решениях это возможно. Первые схемы, позволяющие использовать энергию скольжения асинхронного двигателя, создавались путем специального соединения асинхронного двигателя с другими электрическими машинами. Поэтому они назывались каскадными. Вентильные преобразователи позволили создавать каскадные схемы без вращающихся электрических машин.

Каскадными называют такие схемы включения асинхронного двигателя,

которые позволяют использовать энергию скольжения путем отдачи ее в сеть или превращения ее в механическую энергию, передаваемую на вал главного двигателя [17].

Существуют две принципиально различные группы схем каскадов. В

соединен с питающей сетью. В каскадах этой группы энергия скольжения

за вычетом потерь энергии непосредственно в обмотке ротора АД и

элементах преобразователя Пр +

возвращается в питающую сеть, что иллюстрируется энергетической диаграммой на рис.5.23, б. Между элементами преобразователя и асинхронным двигателем в схеме на рис.5.23, а, а имеется только электрическое соединение. Такие каскадные установки называются электрическими. На рис. 5.23, а приведена принципиальная схема каскадных установок другого типа. Энергия скольжения в каскадах этой группы поступает на вход преобразователя. Преобразователь на выходе

создает напряжение которое подается на зажимы вспомогательного

двигателя ВД. Последний преобразует электрическую энергию,

поступающую от преобразователя в механическую, которая возвращается на вал АД, поскольку валы АД и ВД соединены.

Рис. 5.23. Электрический асинхронный каскад: а - принципиальная схема; б - энергетическая диаграмма.

Если пренебречь потерями в двигателях каскада, то становится

очевидным, что на вал каскадной установки от АД поступает механическая

равна электромагнитной мощности, передаваемой со статора на ротор

асинхронного двигателя. Из рис.5.24, а видно, что элементы

преобразователя соединены с АД как электрическим (вход Пр - кольца АД),

так и механическим путями (вал ротора ВД - вал ротора АД). Поэтому такие каскады называются электромеханическими. Приведенная на рис.5.24, б

энергетическая диаграмма характеризует последовательность преобразования энергии электромеханического каскада.

Рис.5.24. Электромеханический асинхронный каскад:

а - принципиальная схема; б – энергетическая диаграмма.

Таким образом, в качестве АД может быть использован только асинхронный двигатель с фазным ротором, который называется главным приводным двигателем. Момент на валу электрического каскада равен моменту только АД, а момент на валу электромеханического каскада равен

добавочной ЭДС, с помощью которой можно регулировать угловую частоту вращения двигателя. Покажем, каким образом это возможно. Положим, что АД работает в двигательном режиме, потребляя электрическую энергию из питающей сети переменною тока и отдавая энергию скольжения в роторную цепь. Пусть к валу электродвигателя приложен статический момент , не зависящий от частоты вращения. Если добавочная ЭДС в роторной цепи

= 0, то ток ротора определяется только ЭДС роторной обмотки и ее

параметрами. При введении в цепь ротора часть энергии скольжения

потребляется источником ЭДС, а количество электрической энергии,

выделяемой непосредственно в обмотке ротора, уменьшается. Это приводит к уменьшению тока ротора согласно выражению

замедляться и снова работает в установившемся режиме, но уже при более низкой частоте вращения.

При увеличении добавочной ЭДС ротора угловая скорость двигателя

кестественной.

Современные каскадные схемы, как правило, построены на использовании

статических полупроводниковых преобразователей.

На рис.5. 25 приведена схема асинхронною вентильного каскада (АВК).

Для преобразования постоянного тока в переменный в нем использован инвертор И, состоящий из управляемых тиристоров. Для согласования напряжения ротора двигателя с напряжением сети служит трансформатор Т.

Добавочной ЭДС, вносимой в цепь выпрямленного тока ротора АД в данном случае является ЭДС инвертора, которая регулируется изменением угла опережения открывания тиристоров . Ток ротора двигателя АД выпрямляется трехфазным мостовым выпрямителем В. для сглаживания пульсаций выпрямленного тока в схему включен реактор L. При работе АВК мощность скольжения с ротора АД через выпрямитель и инвертор поступает обратно в электрическую сеть, где она полезно используется. Регулирование ЭДС инвертора приводит к изменению потока энергии от ротора АД в сеть и,

как следствие, к изменению частоты вращения электропривода. В

соответствии со схемой замещения (рис.5.25, б) для цепи выпрямленного тока ротора можно записать

действующее значение вторичного линейного напряжения трансформатора;

- угол опережения инвертора; и - падение

напряжения соответственно в диодах выпрямителя и тиристорах инвертора;

- выпрямленный ток; - эквивалентное сопротивление цепи

выпрямленного тока

Рис.5.25. Асинхронный вентильный каскад.

Выпрямленный ток

Момент, развиваемый асинхронным двигателем, примерно пропорционален выпрямленному току ротора. Следовательно, регулирование последнего изменением ЭДС инвертора позволяет регулировать момент и частоту вращения двигателя.

Если выпрямленная ЭДС инвертора равна выпрямленному напряжению ротора двигателя, то ток в цепи ротора и момент, развиваемый двигателем,

равны нулю.

При уменьшении ЭДС инвертора ток в цепи ротора возрастает, момент двигателя увеличивается, и частота вращения повышается. Так как с увеличением частоты вращения скольжение s и ЭДС трехфазного мостового выпрямителя уменьшаются, то ускорение двигателя происходит до тех пор,

пока момент двигателя не становится равным моменту нагрузки.

При увеличении ЭДС инвертора ток ротора и момент уменьшаются, и

частота вращения двигателя снижается. По мере уменьшения частоты вращения повышается выпрямленное напряжение ротора. Ток ротора и момент двигателя увеличиваются до тех пор, пока момент, развиваемый двигателем, снова не становится равным статическому моменту сопротивления. При этом двигатель начинает работать в установившемся режиме с новым значением частоты вращения (скольжения).

При постоянстве управляющего воздействия и изменении момента нагрузки на валу переходный процесс протекает аналогично изложенному.

Например, при увеличении момента на валу двигателя частота вращения снижается, вследствие этого возрастает ЭДС ротора и, следовательно,

увеличивается выпрямленный ток и момент двигателя до тех пор, пока момент двигателя не становится равным моменту сопротивления на его валу.

В режиме холостого хода момент на валу двигателя и ток ротора равны

нулю. Поэтому должны быть взаимно уравновешены выпрямленные напряжения в выражении ( 5.56 ), т. е.

где - коэффициент трансформации асинхронного двигателя.

Если = 1, то частота вращения холостого хода двигателя можно регулировать до номинального значения.

Чтобы двигатель развивал момент, в цепи ротора должен протекать ток, при этом выпрямленное напряжение ротора должно обеспечить протекание этого тока навстречу ЭДС инвертора. Это достигается за счет некоторого снижения угловой скорости двигателя при увеличении нагрузки, что приводит к соответствующему увеличению напряжения и тока ротора. При малом сопротивлении ротора мощность скольжения Р s, определяемая первыми гармониками тока и напряжения, примерно равна мощности в цепи выпрямленного тока

(5.61)

Если не учитывать падение частоты вращения при нагрузке, то полученное соотношение можно подставить в формулу (5.59), справедливую для скольжения при холостом ходе двигателя. Используя зависимость для ЭДС инвертора, получим :

Следовательно, момент в установившемся режиме пропорционален выпрямленному току ротора , который, в свою очередь, линейно зависит от разности выпрямленной ЭДС выпрямителя и ЭДС инвертора. На рис. 5.25,

в показан примерный вид механических характеристик АВК. Меньшая жесткость характеристик АВК по сравнению с естественной характеристикой асинхронного электродвигателя объясняется дополнительными падениями