3.13.3.6. Реализация
Наиболее часто на практике встречаются две схемы переключения статорной обмотки многоскоростных АД:
а) с треугольника (Д) на двойную звезду (УУ).
Рис. 18. Схемы и обмоток и механические характеристики при переключение статорной обмотки с треугольника на двойную звезду [36].
Изначально секции каждой фазы статора включены в треугольник последовательно согласно (рис. 18а). Переключение на схему двойная звезда (рис. 18б) вызовет уменьшение в 2 раза числа пар полюсов АД (подобно переходу от рис. 17а к рис. 17в) [36].
При различном подключении фаз к источнику питания ток в обмотках статора не должен превышать допустимого (Iном). С учетом этого, для схемы, приведенной на рис. 18а допустимая активная потребляемая мощность Р1доп=3U1I1номcosφ1. Для схемы двойная звезда (рис. 18б) Р1доп=3U1/sqrt(3)* 2I1номcosφ1уу=3,46U1I1номcosφ1уу. Из полученных выражений следует, что при cosφ1д ≈ cosφ1уу допустимая мощность АД меняется незначительно. Поэтому при увеличении вдвое числа пар полюсов АД и уменьшении тем самым вдвое синхронной скорости допустимый момент на валу АД (Р/) увеличивается примерно в 2 раза [36].
С учетом прикладываемого напряжения к фазам вид механической характеристики изменится подобно тому, как показано на рис.11в. Полученные характеристики соответствуют регулированию скорости при постоянной мощности [36].
2) Со звезды у (рис.19а) на двойную звезду уу (рис. 18б).
Рис. 19. Схемы и обмоток и механические характеристики при переключение статорной обмотки со звезды на двойную звезду [36].
Изначально секции каждой фазы статора включены в звезду последовательно согласно (рис. 19а). Переключение на схему двойная звезда (рис. 18б) вызовет уменьшение в 2 раза числа пар полюсов АД (подобно переходу от рис. 17а к рис. 17в) [36].
В отличие от рассмотренной выше схемы переключения треугольник — двойная звезда, в которой регулирование скорости АД осуществляется при постоянной мощности нагрузки на его валу, в этой схеме изменение скорости может осуществляться при постоянном моменте нагрузки Мс. Это следует из рассмотрения выражений допустимой мощности АД [36]:
- для схемы звезда Р1доп=3U1/sqrt(3)* I1номcosφ1уу=1,73U1I1cosφ1уу.
- для схемы двойная звезда Р1доп=3,46U1I1номcosφ1уу.
Из приведенных выражений видно, что допустимая мощность при переключении статорной обмотки на меньшее число пар полюсов (когда скорость АД увеличивается в 2 раза) возрастает также в 2 раза. Тем самым допустимые моменты при работе АД в обеих схемах включения примерно одинаковы и характеристики имеют показанный на рис. 19б вид [36].
Область применения:
На ЛА: Данный способ регулирования используется для изменения режима работы перекачивающих насосов топливной системы.
Кроме того: многоскоростные АД применяются в электроприводах к вентиляторам, насосам, металлорежущим и деревообрабатывающим станкам, где позволяют упростить "коробку скоростей" или совсем от нее освободиться [18], в грузовых и пассажирских лифтах [14].
3.13.4. Частотное управление ад
Регулирование скорости вращения АД путем изменения частоты напряжения f1, подаваемого на обмотку статора.
Проанализируем возможности управления АД при изменении только частоты напряжения.
В пределах рабочего участка механической характеристики АД, когда ток статора существенно не превышает номинальное значение, ЭДС в обмотках статора E1 незначительно отличается от напряжения сети [32]
U1E1= kФmf1 (19)
Из этого выражения следует, что при U1 = const изменение частоты f1 приводит к изменению потока машины. При этом поток обратно пропорционален частоте f1.
|
Рис. 20. Механические характеристики при f1 = var [32] |
В номинальном режиме магнитная цепь машины насыщена. Уменьшение частоты (с целью снижения угловой скорости) согласно (19) приведет к увеличению потока. Это произойдет вследствие того, что индуктивное сопротивление xL=2πf1L при снижении частоты f1 уменьшится, что приведет при фиксированном напряжении к увеличению намагничивающего тока, значение которого определяет значение магнитного потока. Увеличение магнитного потока приведет к увеличению степени насыщения магнитной цепи; увеличение тока намагничивания – к перегреву АД [46]. Поэтому допустимо только увеличение частоты выше номинального значения, что вызывает соответствующее уменьшение потока Фm.. В соответствии с выражением (15) увеличение f1 приводит к уменьшению критического момента. Критическое скольжение (см. выражение 18) при этом также уменьшается, а скорость холостого хода увеличивается [32].
|
Для оптимального регулирования угловой скорости АД ниже номинальных значений необходимо, наряду с уменьшением частоты уменьшать также и напряжение на зажимах двигателя по определенному закону. При определенных допущениях этот закон записывается в следующем виде:
U1/U1ном=f1/f1ном*sqrt(Mн/Мн ном) (20).
|
|
|
Рис. 21. Схема (а) и механические характеристики (б) АД при частотном управлении [40].
Особенности
Регулирование двухзонное:
- выше номинальной скорости по закону U1=U1ном, f1>f1ном;
- ниже номинальной скорости по закону (19).
Допустимая нагрузка: М=Мн при регулировании вниз от номинальной скорости (Ф = Фном = const) и Р = Рном при регулировании вверх от номинальной скорости (Ф < Фном) [40].
Реализация
- с помощью преобразователей частоты (ПЧ): ранее – с помощью электромашинных ПЧ, в современном электроприводе – с помощью полупроводниковых ПЧ.
Достоинства частотного управления:
- плавность регулирования [40];
- высокая жесткость механических характеристик, что способствует:
--- стабильности скорости при изменении момента сопротивления [40];
--- широкому диапазону регулирования скорости; диапазон регулирования 8...10 [40];
- экономичность регулирования, определяемая тем, что двигатель работает с малыми величинами абсолютного скольжения, и потери в двигателе не превышают номинальных [36].
Недостатки:
- сложность и высокая стоимость (особенно для приводов большой мощности) преобразователей частоты
- сложность реализации в большинстве схем режима рекуперативного торможения.
Подробнее об этом способе регулирования мы будем говорить в следующем семестре.
Выводы
При частотном управлении или изменении числа пар полюсов КПД двигателя остается высоким. При изменении питающего напряжения или введении в цепь ротора добавочного активного сопротивления КПД снижается тем больше, чем больше s, так как при этом мощность скольжения теряется во вторичной цепи двигателя [38].
3.14. Режимы торможения АД.
1) Рекуперативное торможение (генераторное с отдачей электрической энергии в сеть).
2) Торможение противовключением (электромагнитное торможение) [38].
3) Динамическое торможение.
3.14.1. Рекуперативное торможение
Этот режим торможения реализуется, когда скорость вращения ротора АД становится выше синхронной, то есть при Ω > Ω0.
В этом случае машина переводится в генераторный режим, отдает электроэнергию в сеть, затормаживаясь при этом. Величина отдаваемой электроэнергии пропорциональна частоте вращения.
Рекуперативное торможение может возникнуть:
- при отрицательном потенциальном моменте сопротивления (например, когда двигатель опускает груз), когда момент опускаемого груза превышает критический момент двигателя;
- если при вращении ротора со скоростью Ω уменьшить скорость вращения поля Ω0, например, в многоскоростных двигателях, когда их переключат с высших скоростей на низшие.
Скорость двигателя становится больше синхронной Ω>Ω0, скольжение s = (Ω0-Ω)/Ω0 становится отрицательным, что ведет к изменению направления передачи активной мощности, которая в двигательном режиме передавалась к ротору, а в генераторном режиме отдается в сеть.
|
Участок механической характеристики АД, соответствующий режиму генераторного торможения расположен в верхней части второго квадранта (рис. 22). Момент двигателя меняет свое направление, становится тормозным и уравновешивает момент сопротивления (точка g рис. 22). АД отдает активную электрическую мощность в сеть, получая из сети реактивную для создания магнитного поля [1].
|
Рис. 22. Режимы работы АД [1]. |
Рекуперативное торможение с энергетической точки зрения весьма выгодно, так как кинетическая энергия вращающихся масс превращается в процессе торможения в электрическую, отдаваемую в сеть. При использовании частотного управления асинхронными двигателями (например, в электроприводах тяговых и грузоподъемных механизмов) в процессе торможения можно плавно уменьшать частоту вращения n1 практически до нуля, осуществляя рекуперативное торможение до полной остановки двигателя.