Сделай Сам Свою Работу на 5

Регулирование частоты вращения АД с фазным ротором

 

Кроме АД с короткозамкнутым ротором существуют также АД с фазным ротором, у которого на роторе имеются три обмотки, соединенные в звезду, свободные концы которой выведены на контактные кольца. Обмотки ротора выполняется так же, как обмотки статора и имеют то же число полюсов. К контактным кольцам, которые изолирована друг от друга и от вала двигателя, прижаты щетки с гибкими проводниками-отводами. Концы гибких проводников выведены на клеммы борна (соединительной коробки с клеммами) АД. К этим клеммам подсоединяются активные сопротивления, которые соединены в звезду (рис.2.26,а). С помощью указанных активных сопротивлений, величина которых может изменяться либо ступенчато (рис.2.26,а), либо непрерывно (рис.2.26,в) решаются следующие задачи:

1) разгона двигателя с ограниченным током статора;

2) регулирования частоты вращения.

При анализе схем регулирования частоты с помощью ПЧ необходимо использовать следующие выражения, учитывающие также в виде замены на добавочные сопротивления , подключенные к ротору:

1) формулу частоты вращения поля статора (2.15) ;

2) формулу критического скольжения (2.32) ;

3) формулу критического момента (2.33) .

При введении добавочных сопротивлений Rд:

- синхронная частота ω0 не изменяется, так как она не зависит от Rд (2.15);

- критическое скольжение sк увеличивается в прямой пропорции от суммы ΣRд подключенных дополнительных сопротивлений (2.32); пропорционально увеличению критического скольжения sк увеличивается наклон искусственной механической характеристики (рис.2.17);

- критический момент Мк не изменяется, так как он не зависит от Rд (2.33).

Все эти особенности учтены в графиках МХ (рис.2.26,б).

ЭМХ при скольжениях меньших критического sк имеет с МХ одинаковый знак наклона, но ЭМХ имеют чуть большую кривизну (ри.2.17). Эта особенность учтена в графиках ЭМХ, нанесенных на рис.2.26,б.

1. Режим разгона АД с фазным ротором.

Параметры разгона АД с фазным ротором таковы, что ток статора во время разгона находится в пределах (1,3...2,6)Iном, и вращающий момент не только не понижается, а, наоборот, возрастает и находится в пределах (1,1...2,2)Мном. Этим разгон АД с фазным ротором выгодно отличается от разгона АД с короткозамкнутым ротором.



Для разгона осуществления разгона назначаются:

- максимальный ток IП1 на уровне (2,2...2,6)Iном во время разгона;

- минимальный ток IП2 на уровне (1,1...1,3)Iном во время разгона.

Процесс разгона АД сопровождается следующими состояниями схемы (рис.2.26,а):

1). Контакты К1, К2, К3 всех контакторов разомкнуты и в цепь ротора введено три добавочных сопротивления Rд1, Rд2 и Rд3 и ΣRд максимальное. Критическое скольжение самое большое, наклон 1-й искусственной ЭМХ, проходящей через точку 1, максимален. Сопротивления Rд1, Rд2 и Rд3 выбираются такими, чтобы ток статора был бы равным IП1. (точка 1)

 

2). АД разгоняется, во время разгона ток падает по 1-й искусственной ЭМХ. В точке 2', когда ток станет равным IП2, замыкается контакт К1 контактора. Остаются в работе два добавочных сопротивления Rд2 и Rд3 и ΣRд уменьшается. Следует скачок тока статора до IП1 в точку 3.

3). АД разгоняется далее, во время разгона ток падает по 2-й искусственной ЭМХ. В точке 4' шунтируется очередное добавочное сопротивление Rд2 и следует скачок тока статора до IП1 в точку 5.

4). АД разгоняется далее. В точке 6' шунтируется последнее добавочное сопротивление Rд3 и следует скачок в точку 7, которая принадлежит естественной ЭМХ. АД достигает номинальной частоты вращения.

Те же самые процессы разгона могут быть рассмотрены на базе МХ, для которых назначаются:

- максимальный момент МП1 на уровне (1,8...2,2)Мном во время разгона;

- минимальный момент МП2 на уровне (1,2...1,3)Мном во время разгона.

Аналогично вышеописанному, разгон состоит в последовательном прохождении точек МХ от 1-й до 7-й.

Итак, во время разгона:

- максимальный ток IП1 не превышал 2,6Iном;

- минимальный момент МП2 не опускался ниже 1,2Мном.

Это идеальные условия разгона сопоставимые с частотным пуском АД.

2. Способ регулирования частоты вращения АД с фазным ротором.

Наносим на плоскость М-ω график МС МХ нагрузки (сплошная линия). Точки пересечения графика МС с графиками МХ АД являются точками установившихся частот вращения ωИ1, ωИ2, ωИ3 и ωЕ нагруженного АД.

Достоинство способа состоит в простоте элементной базы, которая содержит несколько контакторов и несложную схему управления ими.

Недостатками способа являются:

1) небольшой диапазон регулирования частоты вращения (частоту можно понизить максимум в 3 раза);

2) ступенчатость регулирования частот (всего четыре частоты вращения ωИ1, ωИ2, ωИ3 и ωЕ);

3) мягкость (большой наклон) искусственных МХ, что приводит к нестабильности частоты вращения при изменении величины нагрузки (пунктирный график МС имеет другие точки пересечения с графиками МХ АД);

4) большие потери мощности в добавочных сопротивления (к.п.д. не выше 50%).

Устранить ступенчатость регулирования и несколько упростить схему силовой цепи можно, применив схему, изображенную на рис. 2.26, в. В цепь ротора через мостовой трехфазный выпрямитель подключено регулировочное сопротивление RР. Параллельно сопротивлению включен контакт ключа К. Периодически замыканием ключа с изменяющимся соотношением между временем, когда он замкнут, и когда о разомкнут, позволяет плавно изменять среднее значения сопротивления, подключенного к ротору.

Вопросы и задания

1. Как устроен АД с фазным ротором и какова область его применения?

2. Как изменяются параметры МХ и ЭМХ при включении в цепь ротора дополнительных сопротивлений?

3. Поясните режим разгона АД с фазным ротором.

4. Поясните способ регулирования частоты вращения АД с помощью добавочных сопротивлений в цепи ротора.

 

 

Полюсопереключаемые АД

 

Как следует из формулы частоты вращения поля статора (2.15) , синхронная частота АД обратно пропорциональна числу пар полюсов рП. Это свойство открывает еще один путь регулирования частоты вращения путем изменения числа пар полюсов.

На рис.2.27 представлены схемы соединения обмоток фазы А для АД с двумя парами полюсами (рП=2, п0=1500 об/мин) и одной парой полюсов (рП=1, п0=3000 об/мин). При рП=2 число катушек обмотки равно 4 и соединяются катушки между собою так, чтобы направления токов в соседних катушках были бы встречными - против и по часовой стрелке. В таком статоре полюса катушек будут чередоваться: N – S - N – S (рис.2.27,а) и их будет 4.

При рП=1 число катушек обмотки равно 4 и соединяются катушки между собою так, чтобы направления токов в первой паре катушек были бы однонаправленными, а во второй паре – между собой однонаправленными, а с первой парой катушек – встречными. В таком статоре полюса катушек будут чередоваться: N – S (рис.2.27,в), но их будет всего два.

На рис. 2.27, б показан график магнитного поля ФА(х) обмотки фазы А (утолщенная ступенчатая линия) при рП=2 и графики магнитный полей катушек (тонкие ступенчатые линии), которые построены по данным, содержащимся в строчках а) и г) на чертеже двухслойной обмотки с укороченным шагом (рис.2.10). График магнитного поля близок к синусоидальному.

На рис.2.27,г показан график магнитного поля ФА(х) обмотки фазы А (утолщенная ступенчатая линия) при рП=1 и графики магнитный полей катушек (тонкая ступенчатая линия), на которых учтено изменения направления токов согласно рис.2.27,в. График магнитного поля является трапециидальным, но не синусоидальным, так как слишком протяженная верхняя часть графика, на которой поле постоянно.

Если разложить на гармонические составляющие графики магнитных полей ФА(х) обмотки фазы А, приведенные на рис. 2.27, б и рис. 2.27, г, то окажется, что уровень гармоник в графике ФА(х) при рП=2 настолько мал, что ими можно пренебречь, а в графике ФА(х) при рП=1 достаточно велик, так что пренебречь гармониками нельзя.

Рассмотрим влияние наибольших по амплитуде 1-й (основной) и 3-й и 5-й (высших) гармоник на МХ и к.п.д АД.

Влияние 1-й гармоники. Это основная гармоника и ее частота равна частоте напряжения сети ω1. Магнитные поля трех обмоток изменяются во времени по синусоидальным законом с фазовым электрическим сдвигом в 120о:

(2.51)

Этими полями создается вращающееся, например, против часовой стрелки магнитное поле статора Ф1ст (рис.2.4 и рис.2.5). Полем статора Ф1ст создается основной вращающий момент М1 АД, который и определяет использование двигателя по назначению.

Влияние 3-й гармоники. Это ближайшая к основной гармонике и ее частота равна 1. Магнитные поля трех обмоток изменяются во времени по синусоидальным законом с нулевым фазовым электрическим сдвигом:

(2.52)

Видно, что магнитные поля обмоток синфазные и ими создается не вращающееся, а пульсирующее поле Ф3ст. Полем Ф3ст создается тормозной момент М3 АД, который аналогичен моменту динамического торможения АД (см. тему 2.18).

Влияние 5-й гармоники. Это ближайшая к основной гармонике и ее частота равна 1. Магнитные поля трех обмоток изменяются во времени по синусоидальным законом с фазовым электрическим сдвигом в 120о, но в обратной к (2.51) последовательности фаз:

(2.53)

Этими полями создается вращающееся, по часовой стрелке магнитное поле статора Ф5ст (рис.2.4 и рис.2.5). Полем статора Ф5ст создается вращающий момент М5 АД, который встречно направлен к моменту М1 от 1-й гармоники.

Механические характеристики М1(ω), М3(ω) и М5(ω) от гармонических составляющих и общая механическая характеристика М(ω) приведены на рис.2.28. Видно понижение вращающего момента М(ω) в сравнении М1(ω), когда магнитный попок статора синусоидален. На разгонном участке МХ М(ω) образовался провал вращающего момента, что может сделать невозможным разгон даже малозагруженного АД.

За счет высших гармоник в магнитном поле статора возрастают потери мощности в стали Рст (рис.2.13), которые пропорциональны где ωГ частота гармоники. Так на 3-й гармонике потери вырастут в 4,2 раза, на 5-й в 8,1 раз. Значит только на одной частоте вращения к.п.д. полюсопереключаемого АД максимально, а на других частотах существенно падает.

Полюсопереключаемые АД используются из-за простоты схемы управления изменением частоты вращения. Однако эти АД существенно дороже АД с постоянной частотой вращения, а из за повышенных потерь в стали магнитопровода АД эксплуатируют недогруженным, чем снижают потери в меди Рм1 и Рм2 (рис.2.13).

Вопросы и задания

1. Поясните принцип изменения числа пар полюсов в полюсопереключаемом АД.

2. Покажите, что при изменении числа пар полюсов обмотки статора искажаются графики магнитных потоков фазных обмоток.

3. Почему о полюсопереключаемых АД понижается вращающий момент?

4. Почему о полюсопереключаемых АД понижается к.п.д.?

 

 

Способы торможения АД

 

Существуют три основных способа торможения АД:

1. Противовключением.

2. Динамическое торможение.

3. Рекуперативное.

Критериями выбора способа торможения являются:

- интенсивность снижения частоты вращения;

- потери энергии при торможении.

Необходимость в электрическом торможении АД обосновывается тем, что механические тормоза рассчитаны на их использование при частоте вращения не выше 0,2ωном.

1. Торможение противовключением.

Схема торможения приведена на рис. 2.29, а. До торможения АД был подключен к сети контактором КВ (работа с вращением вперед). Нагруженный на момент сопротивления МС нагрузки АД работал с частотой, соответствующей точке 1 (рис.2.29,б), и развивал двигательный момент.

Для торможения контактор КВ отключается и одновременно включается контактор КН (назад), которым изменяется порядок подключения двух фаз В и С АД к сети (можно изменять порядок подключения любых двух фаз АД). Магнитное поле статора АД изменяет направление вращения на противоположное и АД скачком по траектории 1-2 переходит на МХ МН(ω) вращения назад. АД снижает частоту вращения по траектории 2-3, и если его не отключить от сети после прохождения нулевой частоты вращения (полной остановки АД) он разгонится в обратную сторону по участку 4-5. Для недопущения обратного вращения нужно в интервале частот между точками 3 и 4 АД отключить от питания и наложить механический тормоз. По условиям эксплуатации правильно выбранных механических тормозов их нужно накладывать при снижении частоты до 20% от номинальной частоты вращения АД.

В начале торможения по обмоткам статора АД протекает большой ток противовключения IПВ=(6...8)I1ном. Однако этот ток не намного больше пускового тока равного IП=(5...7)I1ном. Поэтому реально ток IПВ не представляет опасности для АД.

Торможение происходит интенсивно с большим темпом снижения частоты, мощность торможения выделяется в виде тепла в обмотках АД.

2. Динамическое торможение.

Схема торможения приведена на рис.2.30,а. До торможения АД был подключен к сети контактором КР (работа). Нагруженный на момент сопротивления МС нагрузки АД работал с частотой, соответствующей точке 1 (2.30,б), и развивал двигательный момент.

Для торможения контактор КР отключается и одновременно включается контактор КТ (торможения), которым на два любых вывода АД подается постоянное напряжение UДТ величиной (0,25...0,4)U1ном. АД снижает частоту вращения по траектории 2-3. Точка 3 выбирается такой, чтобы в ней частота вращения АД не превышала 20% от номинальной частоты. В точке 3 АД отключается от напряжения UДТ и накладывается механический тормоз. Мощность торможения выделяется в виде тепла в обмотках АД.

Недостатком способа динамического торможения в том, что требуется применения в схеме электропривода источника постоянного напряжения.

3. Рекуперативное торможение.

Рекуперативное торможение возникает тогда, когда по какой-либо причине частота вращения АД становится больше синхронной частоты ω0. Такое возникает в двух случаях:

- при опускании груза, когда АД вращается в ту же сторону, в какую груз разгоняет двигатель (рис.2.31,а) и двигатель тормозит груз, не давая грузу неограниченно увеличивать частоту вращения АД;

- когда скачком уменьшается частота ω1 выходного напряжения ПЧ, от которого получает питание АД (2.31,б).

При опускании тяжелого груза (рис.2.31,а) с МХ нагрузки МС2 (рис.2.31,в) частота вращения АД ω увеличивается сверх синхронной ω0. В результате относительная частота вращения магнитного поля статора к ротору, равная ω0-ω (2.16) становится отрицательной, и, значит, поле вращается навстречу вращению ω ротора. В соответствии с принципом действия АД (рис.2.3), на ротор, перемещающийся в поле статора, действует сила, которая направлена в ту же сторону, в которую вращается поле. Для АД это является тормозным моментом МТГ, который тормозит спускаемый груз на скорости, опеределяемой точкой 2 (рис.2.31,в). Фаза тока I1 изменится на 180о по отношению сетевому напряжению U1 и, если в двигательном режиме АД (при частотах 0<ω<ω0) электрический фазовый сдвиг был 0<φ<90о, и из сети потреблялась активная мощность P=3U1I1cosφ>0, то на тормозном участке (при частотах ω0) активная мощность станет отрицательной: P=3U1I1cos(φ+180o)=-3U1I1cosφ<0. АД не потребляет активную мощность из сети, а, наоборот, отдает ее в сеть. Описанное явление возврата в сеть энергии торможения, называется рекуперацией энергии.

При скачкообразном понижении сигнала ωзад задания частоты ω1 питающего АД напряжения (рис.2.31,б) его МХ скачком переходит в МХ МПЗ с расположением, показанным на рис.2.31,в. Следует скачкообразный переход 1-3 на тормозной участок МХ МПЗ. АД тормозится до синхронной частоты ω0 с рекуперацией энергии торможения в сеть. Далее частота вращения ω АД понижается до точки 4, являющейся точкой пересечения МХ МПЗ(ω) и МС1.

Рекуперативное торможение является самым выгодным в энергетическом плане – энергия торможения возвращается в сеть.

Вопросы и задания

1. Поясните схему и МХ режима торможения АД противовключением.

2. Поясните схему и МХ режима динамического торможения АД.

3. Поясните схему и МХ режима рекуперативного торможения АД при спуске груза.

4. Поясните схему и МХ режима рекуперативного торможения АД при понижении частоты питающего напряжения.

 

 



©2015- 2019 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.