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 R_д:

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

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

- критический момент М_к не изменяется, так как он не зависит от R_д (2.33).

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

ЭМХ при скольжениях меньших критического s_к 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)I_ном, и вращающий момент не только не понижается, а, наоборот, возрастает и находится в пределах (1,1...2,2)М_ном. Этим разгон АД с фазным ротором выгодно отличается от разгона АД с короткозамкнутым ротором.

Для разгона осуществления разгона назначаются:

- максимальный ток I_П1 на уровне (2,2...2,6)I_ном во время разгона;

- минимальный ток I_П2 на уровне (1,1...1,3)I_ном 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 R_д1, R_д2 и R_д3 и ΣR_д максимальное. Критическое скольжение самое большое, наклон 1-й искусственной ЭМХ, проходящей через точку 1, максимален. Сопротивления R_д1, R_д2 и R_д3 выбираются такими, чтобы ток статора был бы равным I_П1. (точка 1)

2). АД разгоняется, во время разгона ток падает по 1-й искусственной ЭМХ. В точке 2', когда ток станет равным I_П2, замыкается контакт К1 контактора. Остаются в работе два добавочных сопротивления R_д2 и R_д3 и ΣR_д уменьшается. Следует скачок тока статора до I_П1 в точку 3.

3). АД разгоняется далее, во время разгона ток падает по 2-й искусственной ЭМХ. В точке 4' шунтируется очередное добавочное сопротивление R_д2 и следует скачок тока статора до I_П1 в точку 5.

4). АД разгоняется далее. В точке 6' шунтируется последнее добавочное сопротивление R_д3 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 М_П1 на уровне (1,8...2,2)М_ном во время разгона;

- минимальный момент М_П2 на уровне (1,2...1,3)М_ном во время разгона.

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

Итак, во время разгона:

- максимальный ток I_П1 не превышал 2,6I_ном;

- минимальный момент М_П2 не опускался ниже 1,2М_ном.

Это идеальные условия разгона сопоставимые с частотным пуском АД.

2. Способ регулирования частоты вращения АД с фазным ротором.

Наносим на плоскость М-ω график М_С МХ нагрузки (сплошная линия). Точки пересечения графика М_С с графиками МХ АД являются точками установившихся частот вращения ω_И1, ω_И2, ω_И3 и ω_Е 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 ω_И1, ω_И2, ω_И3 и ω_Е);

3) мягкость (большой наклон) искусственных МХ, что приводит к нестабильности частоты вращения при изменении величины нагрузки (пунктирный график М_С 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 R_Р. 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 р_П. 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 (р_П=2, п₀=1500 об/мин) и одной парой полюсов (р_П=1, п₀=3000 об/мин). При р_П=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 р_П=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 Ф_А(х) обмотки фазы А (утолщенная ступенчатая линия) при р_П=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 Ф_А(х) обмотки фазы А (утолщенная ступенчатая линия) при р_П=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 Ф_А(х) обмотки фазы А, приведенные на рис. 2.27, б и рис. 2.27, г, то окажется, что уровень гармоник в графике Ф_А(х) при р_П=2 настолько мал, что ими можно пренебречь, а в графике Ф_А(х) при р_П=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 120^о:

(2.51)

Этими полями создается вращающееся, например, против часовой стрелки магнитное поле статора Ф_1ст (рис.2.4 и рис.2.5). Полем статора Ф_1ст 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 3ω₁. 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 Ф_3ст. Полем Ф_3ст 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 5ω₁. Магнитные поля трех обмоток изменяются во времени по синусоидальным законом с фазовым электрическим сдвигом в 120^о, но в обратной к (2.51) последовательности фаз:

(2.53)

Этими полями создается вращающееся, по часовой стрелке магнитное поле статора Ф_5ст (рис.2.4 и рис.2.5). Полем статора Ф_5ст 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 Р_ст (рис.2.13), которые пропорциональны где ω_Г 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 Р_м1 и Р_м2 (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 0,2ω_ном.

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 М_С 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 М_Н(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 I_ПВ=(6...8)I_1ном. Однако этот ток не намного больше пускового тока равного I_П=(5...7)I_1ном. Поэтому реально ток I_ПВ 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 М_С 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 U_ДТ величиной (0,25...0,4)U_1ном. 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 U_ДТ 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 М_С2 (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 М_ТГ, который тормозит спускаемый груз на скорости, опеределяемой точкой 2 (рис.2.31,в). Фаза тока I₁ изменится на 180^о по отношению сетевому напряжению U₁ и, если в двигательном режиме АД (при частотах 0<ω<ω₀) электрический фазовый сдвиг был 0<φ<90^о, и из сети потреблялась активная мощность P=3U₁I₁cosφ>0, то на тормозном участке (при частотах ω₀<ω) активная мощность станет отрицательной: P=3U₁I₁cos(φ+180^o)=-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 ω_зад задания частоты ω₁ питающего АД напряжения (рис.2.31,б) его МХ скачком переходит в МХ М_ПЗ с расположением, показанным на рис.2.31,в. Следует скачкообразный переход 1-3 на тормозной участок МХ М_ПЗ. 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 М_ПЗ(ω) и М_С1.

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.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: