Показатели качества регулирования угловой скорости электроприводов
Для количественного определения предъявляемых к регулируемому электроприводу требований и для сопоставления между собой возможных способов регулирования используются обобщенные показатели регулирования. К их числу относятся точность регулирования, плавность, стабильность скорости, допустимая нагрузка при различных скоростях, динамические показатели качества и экономичность регулирования.
Точность регулирования переменной определяется возможными отклонениями её от заданного значения под действием возмущающих факторов (изменений нагрузки, колебания напряжения мети и др.). При регулировании в разомкнутой системе может быть принято среднее значение координаты при известных пределах изменения всех возмущающих воздействий. При этом оценкой точности регулирования может служить отношение наибольшего отклонения к среднему значению
где и – максимальное и минимальное значение переменной при данных значениях параметра или задающего сигнала и пределов изменения возмущений.
Количественная оценка точности регулирования в замкнутых системах обычно выполняется иначе. Если по условиям работы электропривода важна точность воспроизведения значений регулируемой координаты, задаваемой на входе САР, требования к точности определяются допустимой ошибкой регулирования , абсолютное значение которой при единичной обратной связи можно записать так:
где – задающий сигнал, – текущие значения регулируемой координаты. При необходимости ошибку регулирования можно представить в относительных единицах, поделив на .
 |  |
| К определению понятия точности регулирования | К определению понятия диапазона регулирования |
Диапазон регулирования угловой скорости определяется отношением возможных установившихся скоростей: максимальной к минимальной
При заданной точности регулирования для установленных пределов изменения момента нагрузки и других возмущений. Диапазон регулирования скорости в разомкнутых системах обычно составляет 10:1, 20:1. Использование замкнутых систем регулирования позволяет получать до 30000:1.
Различные производственные механизмы требуют различных диапазонов регулирования. Например, главные привода металлорежущих станков в зависимости от назначения работают в с диапазонами , для механизмов подач универсальных металлорежущих станков требуется диапазон до 10000:1. Для прокатных станов средний диапазон регулирования скорости составляет 25:1.
Плавность регулирования характеризует скачок скорости при переходе от данной скорости к ближайшей возможной. Плавность тем выше, чем меньше этот скачек. Её можно оценить коэффициентом плавности регулирования, который определяется как отношение двух соседних значений угловых скоростей при регулировании
где и соответственно угловые скорости на i-той и (i-1) ступенях регулирования.
При плавном регулировании . Плавность регулирования во многих случаях определяет качество продукции. Высокая плавность регулирования достигается сегодня при использовании полупроводниковых преобразователей для ДПТ и АД.
Экономичность регулирования характеризуется затратами на сооружение и эксплуатацию электропривода. Применение регулируемого электропривода связано с дополнительными первоначальными затратами и эксплуатационными расходами, которые должны окупаться повышением производительности и надежности работы установки, а также улучшением качества продукции. При сравнении различных способов регулирования ориентировочное суждение о затратах можно составить, оценивая массогабаритные показатели дополнительного оборудования, а эксплуатационные затраты по энергии – КПД, характеризующим потери энергии
где – мощность, потребляемая из сети; – мощность на валу двигателя
и значением , характеризующим потребление активной мощности при регулировании.
Для регулируемых электроприводов с вентильными преобразователями, которые вносят искажения в форму потребляемого из сети тока, важным энергетическим показателем служит коэффициент мощности:
где – угол сдвига по фазе между первой гармоникой потребляемого тока и напряжением сети; – коэффициент искажений, характеризующий отношение эффективного значения первой гармоники тока к эффективному значению реальной кривой потребляемого тока, содержащей высшие гармоники.
Для современных регулируемых приводов наиболее характерные значения указанных показателей следующие: . Часто для достижения наилучших значений указанных показателей применяют специальные устройства, такие как фильтры, регулирование тока возбуждения синхронной машины, оптимизация частоты переключения вентилей, использование полупроводниковых приборов с низкими потерями на переключение.
Стабильность угловой скорости
Данный критерий характеризуется изменением угловой скорости при заданном отклонении момента нагрузки и тесно связан с понятием жесткости механической характеристики. Чем больше жесткость механической характеристики двигателя, тем выше стабильность скорости электропривода. Самой высокой стабильностью обладают синхронные двигатели, так как у них жесткость МХ .
Направление регулирования скорости
Показатель определяет возможность уменьшение или увеличение её по отношению к номинальному значению зависит от способов регулирования. Для приводов постоянного тока различают одно- и двухзонное регулирование.
В первом случае регулирование осуществляется при постоянстве магнитного потока путем изменения напряжения на якоре вниз от номинального значения. Такое регулирование называют регулированием с постоянством момента ( ).
Для перевода привода во вторую зону уменьшают магнитный поток двигателя (изменяют напряжение на обмотке возбуждения ниже номинального), при этом уменьшается перегрузочная способность двигателя по моменту ( ) и увеличивается скорость. Такое регулирование называют регулированием с постоянством мощности ( ).
Характеристики двух зон регулирования ДПТ с НВ представлены ниже
 |  |
| Характеристики двух зон регулирования ДПТ с НВ | Динамические показатели качества регулирования |
Допустимая нагрузка двигателя
Под указанным показателем понимают наибольшее значение момента, который двигатель способен длительно развивать при работе на регулировочных характеристиках. Определяется нагревом двигателя и различается в зависимости от способа регулирования. Изменение статического момента от скорости в зависимости от механизма может быть различным. Принципиально путем выбора соответствующей мощности двигателя можно удовлетворить любому изменению нагрузочного момента или мощности при регулировании скорости. Однако часто оказывается, что регулирование является неэкономичным, и двигатель при разных скоростях может оказаться недогруженным.
Недогрузка двигателя ведет к ухудшению эксплуатационных показателей привода, так как при этом уменьшается КПД двигателя, а для АД падает также значение коэффициента мощности. Желательно поэтому применять такой способ регулирования, при котором двигатель был бы по возможности полностью загружен при всех угловых скоростях.
Допустимая нагрузка определяется степенью нагрева двигателя, которая в свою очередь зависит от потерь в двигателе и условий охлаждения двигателя. Таким образом, можно заключить, что для полной загрузки двигателя необходимо, чтобы ток двигателя во всех режимах работы был близок к номинальному. Для того чтобы условия охлаждения двигателя не ухудшались в регулируемых приводах используют двигатели с принудительной вентиляцией. Конструкция таких двигателей содержит дополнительный отдельный двигатель вентилятора, который вращается с постоянной частотой, не зависимо от частоты вращения вала двигателя.
Показатели качества регулирования в динамических режимах работы электропривода
Динамические качества электропривода во многих случаях определяют производительность установки, износ механического оборудования, качество выпускаемой продукции. Поэтому качество переходных процессов имеет серьёзное значение. Качество переходного процесса можно оценить быстродействием, величиной перерегулирования и колебательностью процесса.
Быстродействие определяет быстроту реакции электропривода на изменения воздействий. Главным показателем быстродействия, непосредственно влияющим на производительность механизмов, является время переходного процесса или время регулирования. В автоматических системах регулирования быстродействие характеризуют показателями переходного процесса при отработке единичного скачкообразного управляющего воздействия. Обычно под временем регулирования понимают время, которое требуется привода для того, чтобы отклонение регулируемой координаты не превышало 5% от заданного значения.
Перерегулирование представляет собой динамическую ошибку и характеризуется максимальным отклонением от установившегося значения . Как правило, перерегулирование выражают в относительных единицах или процентах:
Колебательностьэлектропривода является фактором, влияющим на точность, динамические нагрузки и качество технологического процесса. Её общим показателем служит значение логарифмического декремента затухания
Экономичность регулирования
Характеризуется затратами на сооружение и эксплуатацию ЭП.
Экономически выгодным является такой ЭП, который обеспечивает большую производительность при высоком качестве технологического процесса и сравнительно быстро окупается. Оценками экономичности являются КПД и cosφ.
При работе двигателя на разных скоростях рассчитывать средневзвешенный КПД и cosφ.
— полезная мощность на валу ЭД
, где , , — соответственно полезная мощность, потери мощности и время работы ЭП на i-ступени регулирования
, где , — активная и реактивная мощности на i-ступени
Допустимая нагрузка двигателя соответствует такому моменту нагрузки, при котором нагрев двигателя не превосходит допустимого нормативного значения. При работе двигателя на естественной характеристике такой нагрузкой является номинальный момент двигателя, при котором по нему протекает номинальный ток и его нагрев равен нормативному.
10. Общие принципы построения систем управления электроприводами
Регулирование координат ЭП, которое осуществляется в целях управления движением ИО, реализуется воздействием на ЭД с помощью системы управления. СУ можно разделить на неавтоматизированные и автоматизированные.
Автоматизированные делятся на:
— разомкнутые (системы, в которых изменение внешних возмущений отражается на выходной величине)
— замкнутые (в них влияние возмущающего воздействия на выходную координату частично или полностью устраняется)
Система с обратной связью:
Система с обратной связью и частичной компенсацией возмущающего воздействия:
Системы с обратной связью – системы, работающие по принципу отклонения. Они являются основным видом замкнутых систем автоматизированного ЭП.
Их характерным признаком является наличие сигнала рассогласования или отклонения , который является входным управляющим сигналом ЭП.
Системы с величиной рассогласования = 0 называются астатическими.
Системы с величиной x ≠ 0 называются статическими.
Все обратные связи можно разделить на:
Жёсткая обратная связь характеризуется тем, что её сигнал действует как в установившемся, так и в переходных режимах, и служит для формирования только динамических характеристик ЭП.
Линейной называется обратная связь, которая математически описывается линейными уравнениями. Все остальные связи являются нелинейными.
При регулировании 2 и более координат ЭП используется 3 основных структурных схемы:
1) схема с общим суммирующим усилителем
— : невозможность регулирования координат независимо друг от друга, трудность достижения оптимального регулирования
2) схема с общим усилителем и нелинейными обратными связями
— : невозможность достижения независимой настройки всех координат ЭП
3) схема с подчинённым регулированием координат
Отличительной особенностью данной схемы является равенство количества усилителей разомкнутых контуров к числу регулируемых координат. В этой схеме замкнутые контуры располагаются таким образом, что выходной сигнал внешнего контура является задающим входным сигналом внутреннего контура. Т.е. каждый внутренний контур подчинён внешнему.
Система с подчинённым регулированием:
11. Механические характеристики и регулирование скорости электроприводов с двигателями постоянного тока независимого возбуждения
Принципиальная схема ДПТНВ:
Анализ работы двигателя проведён в предположении, что якорная цепь питается от идеального источника напряжения, параметры данной цепи постоянны, магнитный поток не зависит от нагрузки (реакция якоря не проявляется).
В основе работы ЭД лежат 3 фундаментальных закона электротехники:
1 закон: — закон электромагнитной индукции
2 закон: — закон электромагнитных сил
3 закон: — закон Кирхгофа
Е – ЭДС вращения, Ф – магнитный поток, I – ток в якорной цепи, k – коэффициент, определяемый конструкцией ЭД
В системе СИ коэффициент одинаков в выражении ЭДС и в выражении моментов
, где — число пар полюсов, N – число активных проводников обмотки якоря, а – число параллельных ветвей обмотки якоря
R – полное сопротивление якорной цепи
— сопротивление обмотки якоря, щёток, щёточных контактов, обмоток дополнительных полюсов и компенсационной обмотки.
— уравнение электромеханической характеристики ДПТНВ (*)
Для получения выражения механической характеристики подставим в (*) :
— мех. харак. двигателя
В этом выражении фигурирует электромагнитный момент двигателя, который > момента на валу в двигательном режиме его работы на величину , которая называется механическими потерями.
— скорость идеального ХХ
Если скорость двигателя = 0 и он подключен к источнику напряжения, то такой режим работы называется режимом КЗ
Если сохранить неизменным направление потока возбуждения, изменить полярность напряжения, приложенного к якорю, то это повлечёт за собой изменение направления тока в якоре, момента и скорости вращения двигателя.
Уравнение механической характеристики в этом случае:
Естественные характеристики ДПТ:
ab, a’b’ – режим рекуперативного торможения
ac, a’c’ – двигательный режим
cd, c’d’ – работа двигателя в режиме торможения противовключением
Механическая характеристика, снятая при условии, что , , носит название естественной механической характеристики.
Если , , — искусственные характеристики
Построить естественную электромеханическую характеристику
Искусственные характеристики ДПТ для случая когда:
Характеристики, полученные при введении добавочных сопротивлений в якорную цепь, называются реостатными характеристиками
Регулирование координат ДПТ независимого возбуждения резисторами в цепи якоря
— уравнение механической характеристики
— подводимая электромеханическая мощность
— механическая мощность на валу
Способ регулирования позволяет в широких пределах изменять скорость регулирования, обеспечивает необходимую плавность, но неэкономичен.
Расчёт регулировочных (добавочных) сопротивлений
1) Метод расчёта по
Т.к. при пуске ДПТ ток КЗ составляет , включают пусковые добавочные сопротивления.
Необходимо ограничить при пуске до значения
вводятся чтобы ток стал допустимым
Данный метод расчёта называется расчётом по допустимому току
При динамическом торможении:
При реверсе (противовключении):
Обычно используют не более 2 или 3 ступеней ускорения. В данном случае – 2.
m – количество ступеней
В данном случае
2) Метод отрезков
— при динамическом торможении с добавочным сопротивлением
— скорость на искусственной характеристике
3 – механическая характеристика при динамическом торможении для случая
— относительный перепад скоростей
После этого строятся характеристики
3) Метод пропорций
Регулирование скорости ДПТ независимого возбуждения изменением магнитного потока
Регулирование скорости данным способом возможно только вверх от основной.
При ослаблении потока одновременно увеличивается и наклон характеристик, т.к. не зависит от потока. Электромеханические характеристики сходятся в одной точке.
зависит от потока. При ослаблении потока уменьшается. Его уменьшение ограничивается допустимым моментом
— полезная мощность на валу двигателя
Данным способом производится регулирование при постоянной мощности.
Регулирование координат электропривода изменением подводимого к якорю напряжения
Плавное изменение напряжения осуществляется преобразователем, имеющим внутреннее сопротивление , ЭДС и коэффициент усиления преобразователем .
— выражение электромеханической характеристики
Подставив значение напряжения можно записать:
— выражение механической характеристики
За счёт влияния наклон характеристик больше чем при питании от источника бесконечно большой мощности.
При = 0 характеристика проходит через начало координат, что соответствует режиму динамического торможения.
В качестве преобразователей используются электромашинные, в которых источником является генератор постоянного тока (система Г-Д), а также полупроводниковые (ТП-Д – тиристорный преобразователь-двигатель).
Система Г-Д обеспечивает регулирование скорости в широких пределах в 4 квадрантах и широкую плавность регулирования.
— : большая установленная мощность и низкий КПД
Управляемые полупроводниковые преобразователи бывают:
— однофазными или 3-фазными
— реверсивными или нереверсивными
— собранными по нулевой или мостовой схемам
Схема однофазного тиристорного преобразователя 2-полупериодного выпрямления (нулевая схема):
СИФУ – система импульсно-фазового управления
Регулирование направления на двигателе осуществляется за счёт изменения сигнала управления
Если подан сигнал управления при угле , т.е. в момент естественного открытия тиристора, то в этом случае ЭДС будет наибольшая.
Если подан сигнал со сдвигом , то получаем , что соответствует режиму динамического торможения.
Если , то наибольшая.
Регулируя угол управления в широких пределах регулируется напряжение.
(для нереверсивного преобразователя)
Только при малых токах характеристики нелинейны
— : большие пульсации тока
При мостовой схеме пульсации значительно ниже.
Мостовая схема выпрямления (схема Ларионова):
Чтобы обеспечить работу ЭД в 4 квадрантах при нереверсивном преобразователе, нужно изменять направление тока возбуждения в нереверсивных преобразователях. В реверсивных схемах преобразователей этого не требуется.
Сигналы управления могут подаваться одновременно на все тиристоры или раздельно.
Схема реверсивного тиристорного преобразователя (перекрёстная схема):
Встречно-параллельная схема с нулевым выводом:
В данных схемах используется линейное согласование углов управления.
При задании характеристики нелинейные.
При нелинейном согласовании углов :
Наименьшие пульсации даёт перекрёстная мостовая схема:
12. Механические характеристики и регулирование скорости электроприводов с асинхронными двигателями (АД)
Схема включения 3-фазного АД (с фазным ротором):
Для исследования электромеханических и механических характеристик АД используется упрощённая схема замещения для одной фазы двигателя:
f – частота питающей сети
— число пар полюсов
n – номинальная скорость вращения ротора
Стандартный ряд синхронных скоростей вращения поля.
У АД скорость вращения ротора отстаёт от скорости вращения поля:
Если известно можно определить по формуле:
— приведённое сопротивление вторичной обмотки ротора к первичной
— коэффициент трансформации по ЭДС (обычно приводится в каталогах)
— линейное первичное напряжение , подаваемое на статор
— номинальная ЭДС на разомкнутых кольцах неподвижного ротора
— индуктивное сопротивление намагничивающей цепи двигателя
Это принято для упрощения, в реальных схемах не так.
— приведённый ток ротора
— уравнение электромеханической характеристики АД или зависимость
— индуктивное фазное сопротивление короткого замыкания
— второе выражение электромеханической характеристики АД
При увеличении S ток растёт и приближается к предельному значению
При отрицательных скольжениях (генераторный режим) вторичный ток изменяется от 0 до максимального значения
Электромеханической характеристикой также является или
Электромеханические характеристики АД:
1) S = 0, , , — точка идеального ХХ
2) S = 1, , — точка КЗ
3) , , — точка максимального значения тока ротора, лежащая в области отрицательных скольжений
4) , , — асимптотическое значении тока ротора при бесконечно большом значении скольжения и скорости
Выражение для механической характеристики АД можно получить, рассмотрев баланс мощности в цепи ротора:
— полезная механическая мощность
(*) — механическая характеристика АД, или
Эта характеристика имеет 2 максимума:
Формулу Клосса используют вместо (*) чаще для построения и расчёта механической характеристики АД:
Если то формула Клосса упрощается и по ней можно построить естественную характеристику АД:
— синхронная скорость вращающегося магнитного поля
1) S = 0, , М = 0 — точка идеального ХХ
2) S = 1, , — точка КЗ
3) , , , — точка максимумов
4) , , — асимптотические значения
Асимптотой механической характеристики является ось скорости.
если учитывается — сопротивление статорной цепи
— если в справочнике на дано , то его можно вычислить
Момент АД можно определить по формуле:
В пусковой области пропорциональность между током и моментом нарушается из-за значительного снижения коэффициента мощности роторной цепи при пуске.
— из этого выражения следует, что при поток в машине постоянен.
Коэффициент мощности АД и способы его повышения
, где S – полная кажущаяся мощность, — активная мощность
АД на каждый кВт активной мощности потребляет из сети (0,5-0,75) кВт реактивной мощности.
Чем ниже АД, тем большую реактивную мощность он потребляет и тем больше он загружает её дополнительным током, вызывая дополнительные потери.
Способы повышения АД:
1) Замена мало загруженных АД двигателями меньшей мощности
2) Ограничение времени работы АД на ХХ
3) Понижение напряжения питания АД, работающих с малой нагрузкой
4) Замена АД синхронными ЭД в тех случаях, когда это возможно по условиям технологического процесса
Регулирование скорости вращения АД (искусственные характеристики АД)
Зная выражение для угловой скорости вращения АД можно узнать возможные способы регулирования его скорости
1) Регулирование введением добавочного активного сопротивления в роторную цепь
Схема включения АД:
— при изменении в роторной цепи скольжение будет изменяться (увеличиваться)
Расчёт резисторов в цепи ротора
Этот расчёт может быть выполнен несколькими способами в зависимости от формы задания требуемой искусственной механической характеристики
1) Если характеристика задана полностью как характеристика 1 на рисунке
, где — активное сопротивлении фазы ротора
Данная формула справедлива не только для критического момента, но и для любого фиксированного момента
, где — скольжение АД на естественной характеристике, соответствующее моменту .
2) Если задана характеристика только рабочей частью, можно использовать метод отрезков
— ЭДС ротора при скольжении S = 1
— значение тока ротора
Электромеханические характеристики при изменении в роторной цепи будут выглядеть следующим образом:
2) Регулирование скорости с помощью введения добавочного сопротивления в статорную цепь
Данный способ регулирования применяется очень редко в связи с низкой экономичностью и малой пригодностью для регулирования скорости. Этот способ обычно применяется для ограничения токов и моментов для двигателя с КЗ-ротором в различных переходных процессах.
В некоторых ЭП ограничение токов и моментов осуществляется включением только в одну из фаз, что позволяет получить тот же эффект уменьшения тока и момента при меньшем числе резисторов.
Электромеханические характеристики при включении :
Искусственные механические характеристики АД при несимметричных сопротивлениях в цепи ротора и статора
1) Введение несимметричного сопротивления в цепь ротора
Неравные сопротивления в цепи ротора создают в фазах несимметричные токи, которые создают прямую и обратную МДС, вращающуюся по направлению и против направления вращения ротора.
Результирующая механическая характеристика получается с характерным провалом, и он тем больше, чем больше несимметричность включенных в ротор сопротивлений.
2) Включение несимметричного добавочного сопротивления в цепь статора
Включение добавочного резистора в цепь статора приводит к несимметричности напряжения на зажимах статора, что вызывает уменьшение пускового момента и момента вращения, а также незначительное изменение магнитного поля.
Импульсное регулирование скорости асинхронных электроприводов
Для импульсного регулирования активного сопротивления в статорной цепи параллельно сопротивлениям включаются контакты управляемого ключа K, работающего с изменяемой скважностью.
При γ = 1 двигатель будет работать на естественной характеристике, ключ К замкнут постоянно.
При γ = 0 двигатель будет работать на реостатной характеристике с полностью введённым добавочным сопротивлением , ключ К разомкнут.
Допустимый момент АД при снижении скорости резко падает из-за возрастания потерь в ЭД.
При увеличении М увеличивается
Сопротивление в роторной цепи также можно регулировать импульсными методами. В этом случае дополнительные потери, обусловленные регулированием скорости, выделяются в добавочных резисторах роторной цепи, поэтому допустимый момент АД примерно равен номинальному.
Одна из схем импульсного регулирования добавочного сопротивления в роторной цепи:
При γ = 1 двигатель будет работать на характеристике, близкой к естественной, ключ К замкнут.
При γ = 0 в ротор вводится , двигатель будет работать на реостатной характеристике, ключ К разомкнут.
Энергетические показатели при импульсном регулировании сопротивления несколько хуже, чем при ступенчатом регулировании, что обусловлено пульсациями выпрямленного тока.
+ : простота, плавность регулирования в широких пределах, высокое быстродействие, высокая точность регулирования
— : уменьшение модуля жёсткости и стабильности угловой скорости при введении добавочного сопротивления.
Чтобы устранить эти недостатки применяется замкнутая система импульсного регулирования скорости в роторной цепи
соответствует задающему скольжению в замкнутой системе
— скольжение, соответствующее равенству выпрямленного тока ( )
Регулирование скорости АД изменением подводимого напряжения
Схема изменения подводимого к статору напряжения
Между сетью и статором ЭД включен тиристорный регулятор напряжения (ТРН), выходное напряжение которого регулируется маломощным внешним сигналом управления
Изменяя величину этого сигнала можно регулировать напряжение от 0 до , при этом частота питающей сети остаётся постоянной Гц.
Схема 3-фазного ТРН:
Изменяется жёсткость механической характеристики и стабильность работы ЭП.
При применении замкнутой системы получаются следующие характеристики:
Регулирование скорости в системе «преобразователь частоты – АД»
Частотное регулирование применяют для 3-, 2-, 1-фазных АД и для синхронных двигателей.
Возможность регулирования скорости в АД частотой вытекает из выражения:
, где — частота напряжения, подводимого к статору
Если принять, что
, где — индуктивность КЗ
Частота питающей сети обратно пропорциональна критическому скольжению
Если — , то при частоте отличной от номинальной
Критический момент, при условии что , равен:
(*) , где С – коэффициент, равный
Если при — , то при
При неизменном напряжении сети с увеличением частоты критический момент резко падает. Что при всех значениях частоты он оставался постоянным, необходимо согласно (*) изменять и подводимое напряжение. Это необходимо делать таким образом, чтобы .
Если учесть, что , то
Если это выражение подставить в (*), то получим:
3) нагрузка идеализированная, вентиляторная
1) Закон частотного регулирования:
При постоянстве статической нагрузки напряжение источника питания должно изменяться пропорционально его частоте.
При постоянстве мощности статической нагрузки напряжение источника питания должно изменяться пропорционально корню квадратному из значения частоты.
При вентиляторной нагрузке напряжение источника питания должно изменяться пропорционально квадрату частоты.
Механические характеристики, соответствующие каждому из этих случаев:
При снижении частоты происходит уменьшение критического момента. Причина этого заключается в уменьшении магнитного потока АД при низких частотах, которая вызывается падением напряжения на сопротивлении R, уменьшающего ЭДС АД.
Для компенсации этого влияния, с уменьшением частоты необходимо снижать напряжение в меньшей степени, чем предусмотрено основным выражением .
Упрощённая схема при частотном управлении:
+ : жёсткие механические характеристики, малые потери мощности, любая плавность регулирования, возможность 2-зонного регулирования, использование простых, дешёвых и надёжных ЭД.
— : относительная сложность схемного исполнения преобразователя частоты, высокая стоимость.
Регулирование скорости АД изменением числа пар полюсов
Этот способ применяется для регулирования скорости многоскоростных АД с КЗ-ротором. У таких АД на статоре располагается 2 или более не связанных друг с другом обмотки, имеющие разное число пар полюсов.
Другой способ изменения числа пар полюсов – это изменение схемы соединения статорной обмотки. Для этого каждая фаза статора разделена на несколько одинаковых частей и имеет от них соответствующее число выводов.
Принципиальная схема включения секций одной фазы статора, обеспечивающей изменение числа пар полюсов:
На практике встречаются 2 схемы переключения статорной обмотки многоскоростных АД:
Определим допустимые мощности в 1 и 2 схемах включения:
Допустимая мощность АД при переключении остаётся неизменной. Поэтому при увеличении вдвое числа пар полюсов и уменьшении вдвое скорости вращения допустимый момент АД увеличивается примерно в 2 раза.
Допустимая мощность при переключении статорной обмотки на меньшее число пар полюсов увеличивается в 2 раза. Допустимые моменты в обоих случаях получаются одинаковыми.
+ : жёсткость механических характеристик, экономичность регулирования, большая перегрузочная способность
— : ступенчатость регулирования, небольшой диапазон регулирования.
1. Электротехнический справочник в 4-х томах. Том 4. Использование электрической энергии / под ред. В.Г. Герасимова. Изд. МЭИ, 2005, 696 с.
2. Справочник по автоматизированному электроприводу. Под ред. Елисеева В.А., Шинянского А.В. -М., Энергоатомиздат, 1981, 576 с.
3. Москаленко В.В. Автоматизированный электропривод. Л., Энергоатомиздат, 1986, 516 с.
4. Чиликин М.М. и др. Основы автоматизированного электропривода. М.,Энергия, 1974, 567 с.
Основные показатели регулирования скорости вращения электроприводов — Часть 3 из 4: Экономичность и стабильность работы на заданной скорости
Она характеризуется двумя видами затрат: капитальные затраты, в которые входит стоимость оборудования электропривода и его монтаж, и эксплуатационные затраты .
Экономически выгодным является такой электропривод, который обеспечивает наибольшую производительность приводимого им в действие производственного механизма при высоком качестве технологического процесса.
Главным показателем экономичности затрат является окупаемость электропривода. Согласно экономическим показателям, определенный процент от продажи продукции, выпускаемой данным производственным механизмом, отчисляется в счет стоимости электропривода и называется амортизационными отчислениями. Чем быстрее удается вернуть стоимость капитальных вложений электрического привода, тем меньше срок его окупаемости.
Однако при оценке регулируемого электропривода обязательно принимается во внимание надежность электропривода.
Эксплуатационные затраты складываются из расхода электрической энергии расходов на текущий ремонт и обслуживание электропривода.
Расход электроэнергии зависит от КПД электропривода, то есть от потерь, возникающих в электроприводе. Потери электроэнергии при регулировании скорости будут различными в зависимости от способов регулирования скорости. Они будут больше, если регулирование ведется в силовых цепях машины и меньше при регулировании в цепях возбуждения.
4. Стабильность работы на заданной скорости.
Иллюстрация изменения угловой скорости для механических характеристик различной жесткости.
Стабильность работы характеризуется величиной изменения скорости при заданном изменении тока или момента.
Стабильность работы на регулировочных характеристиках определяется жесткостью характеристик. Если у регулировочных характеристик жесткость меняется, стабильность работы на регулировочных характеристиках будет меняться по сравнению с естественной характеристикой. Величина отклонения скорости Δω во многих случаях ограничивает пределы регулирования электропривода.
Регулирование скорости электроприводов
Регулирование скорости является одним из путей достижения оптимальных режимов работы электропривода и упрощает конструкцию машин и механизмов. На открытых горных работах машины технологического процесса – одноковшовые и роторные экскаваторы, буровые станки и другие механизмы имеют регулируемый электропривод. На драгах регулируемый электропривод целесообразно применять для черпаковой цепи, носовых канатов, статическая нагрузка которых меняется в широких пределах, что обеспечит высокую производительность драг при минеральном расходе электроэнергии.
1.2. Основные показатели регулирования
Регулировкой скорости называется принудительное изменение скорости электропривода путем воздействия на его схему управления генератором автоматически при помощи различных датчиков, контролирующих технологический процесс.
Регулировочные свойства электропривода оцениваются следующими показателями: диапазоном регулирования, плавностью регулирования, экономичностью, допустимой нагрузкой при регулировании скорости.
Диапазон регулирования определяется отношением максимальной 
скорости вращения к минимальной 
, которые могут быть получены при регулировании: 
. Диапазон регулирования характеризуется цифрами, например, 20:1, 10:1.
1. Плавность регулирования характеризуется отношением скоростей на двух соседних характеристиках, 
.
2. Стабильность работы на заданной скорости характеризуется изменением скорости вращения ∆ω, при заданном отклонении момента нагрузки ∆М и зависит от жесткости механической характеристики, она тем выше, чем выше жесткость механической характеристики.
3. Экономичность регулируемого привода характеризуется затратами на его сооружение и эксплуатацию. При оценке экономичности принимают во внимание надежность в эксплуатации, величину потерь энергии в процессе регулирования. Потери мощности ∆Р определяют к.п.д. двигатели при регулировании: 
,
где η — к.п.д. двигателя, 
– мощность на валу электродвигателя.
4. Направление регулирования показывает в какую сторону (вверх или вниз) от основной скорости обеспечивается её регулирование. Основная скорость соответствует номинальным значениям величины магнитного потока статора и без добавочного сопротивления в цепи ротора (якоря) двигателя, т.е. на естественной механической характеристике.
5. Допустимая нагрузка при регулировании. Правильное использование мощности электродвигателя при его регулировании заключается в том, чтобы нагрузка двигателя приближалась к номинальной при любых скоростях.
Существует два основных закона регулирования скорости электроприводов при постоянном моменте и при постоянной мощности. Регулирование скорости при постоянном моменте, рис.1а осуществляется у двигателей подъемных кранов, лебедок, прокатных станков и др.
Регулирование при постоянной мощности, рис.1б осуществляется у металлорежущих станков и др. производных механизмов путем изменения тока возбуждения двигателей постоянного тока.
Рис.1 Механические характеристики электродвигателей при регулировании по закону постоянства момента (а) и постоянства мощности (б).
1.3.Регулирование скорости двигателя постоянного тока независимого возбуждения
Для регулирования скорости вращения наиболее благоприятными электромеханическими свойствами обладает двигатель постоянного тока с независимым возбуждением. Из уравнения скоростной характеристики 
видно, что скорость можно регулировать тремя принципиально различными способами: изменением тока возбуждения двигателя, изменением сопротивления в цепи якоря, изменением подводимого напряжения к якорю двигателя.
1.3.1. Регулирование скорости вращения изменением тока возбуждения находит широкое применение из-за своей простоты и экономичности.Регулирование осуществляется только вверх от основной скорости, так как магнитный поток можно только уменьшать. Допустимый момент при регулировании изменяется по гиперболе, мощность остается постоянной. Скоростные характеристики показаны на рис.2а. Они имеют общую точку тока короткого замыкания Iкз, что следует из уравнения скоростной характеристике при ω = 0. Скоростные характеристики имеют различные скорости идеального холостого хода, что видно также из уравнения скоростной характеристики. С изменением магнитного потока ω0 возрастает, принимая значения ω0 ΄ , ω0 ˝ .жесткость скоростных характеристик уменьшается, наклон к оси абсцисс увеличивается. Механические характеристики имеют те же скорости идеального холостого хода ω0, ω0 ΄ , ω0 ˝ , что и скоростные. Однако критический момент у них различный, 
. двигатель загружен в точках гиперболы Мс. По левую сторону от штрихпунктирной линии (гиперболы) двигатель недогружен, по правую – перегружен. Диапазон регулирования при изменении магнитного потока равен от 2 
1 до 5 
1. Верхний предел скорости при регулировании ограничен условиями коммутации и механической прочностью якоря. Нижний предел ограничен магнитным насыщением машин. Из-за незначительных потерь при регулировании этот способ является экономичным.
1.3.2. Регулирование скорости изменением сопротивления в цепи якоря регулирование осуществляется вниз от основной скорости.Из уравнения механической характеристики 
следует, что все реостатные характеристики имеют общую скорость идеального холостого хода 
и различные моменты 
. С увеличением сопротивления в цепи якоря наклон характеристик увеличивается, жесткость падает. Регулирование осуществляется с постоянным моментом при непостоянной мощности. Из-за потерь в реостате Rp регулирование неэкономичное. Диапазон регулирования скорости непостоянен и зависит от нагрузки.
Изменение сопротивления в цепи якоря можно осуществить также шунтированием якоря, рис.2б. в этом случае скорость идеального холостого хода реостатной характеристики принимает новое значение ω0 ΄ . Характеристики при шунтировании якоря более жесткие, чем при регулировании сопротивлением в цепи якоря. Уравнение механической характеристики при шунтировании якоря имеет вид:
,
где 
.
Шунтирование якоря применяется в приводах небольшой мощности при предварительном снижении скорости для более точной остановки привода. Из-за больших потерь в шунтирующем сопротивлении 
способ не экономичен.
Рис.2. Механические характеристики при регулировании изменением тока возбуждения (а) и шунтированием якоря и введением Rдоб (б).
1.3.3. Регулирование скорости вращения изменением питающего напряжения при неизменном токе возбуждения обеспечивает изменение ω пропорционально изменению U при неизменном угле наклона механических характеристик 3 (рис.2б). Механические характеристики двигателя с последовательным возбуждением также смещаются в область меньших или больших частот вращения и располагаются параллельно.
Для регулирования частоты вращения двигателя указанным способом он должен быть подключен к источнику постоянного тока с регулируемым напряжением: к генератору с независимым возбуждением системы Г-Д, или управляемому выпрямителю. Обмотка возбуждения двигателя в этом случае должна питаться от источника, напряжение которого не изменяется, например, от дополнительного генератора или выпрямителя. Несмотря на то, что рассмотренный способ регулирования требует довольно сложного оборудования, его широко применяют в современных мощных электроприводах, так как он обеспечивает плавное и экономичное регулирование частоты вращения в очень широких пределах. Пуск двигателя при этом происходит без потерь энергии, так как нет пускового реостата (безреостатный пуск).
1.3.4. Регулирование скорости вращения двигателя независимого возбуждения в системе генератор-двигатель (Г-Д).
Система Г-Д, рис. 3а служит для реализации регулирования скорости изменением подводимого напряжения к якорю двигателя и позволяет получить плавное регулирование скорости в широких пределах. Якорь генератора Г вращается с постоянной скоростью двигателем переменного тока – синхронным или асинхронным электродвигателем. Напряжение на щетках генератора изменяется с помощью магнитного потока генератора за счет изменения тока в его обмотке возбуждения (ОВГ) сопротивлением Rовг практически от нуля до номинального, так как 
. В связи с этим для пуска двигателя отпадает необходимость в пусковом реостате. Напряжение, снимаемое со щеток якоря генератора Г, подводится на щетки якоря двигателя Д. Механические характеристики, получаемые при регулировании скорости подводимым напряжением, будут располагаться вниз от основной и параллельно, рис. 3б. Наклон естественной механической характеристики двигателя в системе Г-Д больше, чем у естественной двигателя, так как в цепь якоря двигателя включается сопротивление якоря генератора. Диапазон регулирования составляет от 6:1 до 8:1. Пределы регулирования могут быть расширены за счет изменения магнитного потока двигателя, Д=2:1 (общий диапазон регулирования составляет от 12:1 до 16:1).
Система Г-Д из-за своих преимуществ (плавности регулирования, больших пределов регулирования, жестких характеристик при регулировании) нашла широкое распространение.
К недостаткам системы Г-Д следует отнести: 1. Двойное преобразование энергии – что приводит к снижению КПД; 2. Наличие в системе трех электродвигателей ведет к увеличению установленной мощности в 3 раза; 3. Большие габариты, необходимость установки фундамента; 4. Высокие капитальные и эксплуатационные затраты.
Рис.3. Схема регулирования скорости двигателя по системе Г-Д (а) и механические характеристики системы (б).
С целью расширение пределов регулирования системы Г-Д, придания ее характеристикам специальной формы применяют в цепи питание обмоток возбуждения генератора и двигателя усилители – электромашинные, магнитные и электронные, имеющие одну или несколько цепей отрицательной обратной связи О.О.С.
1.3.5. Регулирование скорости двигателя питанием от управляемых выпрямителей
Указанных выше недостатков системы Г-Д имеют схемы приводов, у которых регулировка напряжения на электродвигателе осуществляется управляемыми выпрямителями. В настоящее время управляемые выпрямители выполняют на тиристорах под названием тиристорных преобразователей, которые обеспечивают пуск, регулировку скорости, торможение, реверс, получение специальных механических характеристик.
Высокие качества тиристорных преобразователей объясняются ценными свойствами тиристоров, представляющих собой четырехслойную кремниевую структуру, смежные слои которой обладают различными проводимостями электронной и дырочной, разделенные тремя p-n переходами 1, 2 и 3 (рис. 4а). Толщина слоев и концентрация основных носителей заряда в слоях различна. Тиристор имеет три электрода (рис. 4б). Крайние переходы П1 и П3 являются проводящими для тока от катода к аноду, средний П2 является для этого тока запирающим. Чтобы открыть тиристор при напряжении меньшем Uвкл необходимо к электроду УЭ подвести от источника напряжения Еу потенциал, положительный относительно катодаК тиристора. При этом переход 3 смещается напряжением Еу в проводящем направлении, в цепи появляется ток управления Iу, возникает инжекция электронов из области n4 в область Рз. снижается потенциальный барьер перехода 1, так как часть инжектированных электронов перебрасывается электрическим полем перехода 2 в область n2, что увеличивает встречную инжекцию дырок и ток тиристора. При некотором токе Iу сумма коэффициентов возрастает настолько, что α11 и α12 = 1 и тиристор открывается. Переключаясь из закрытого состояния в открытое (рис. 4в), тиристор коммутирует некоторую мощность, равную произведению напряжения и тока первичной цепи. Это мощность может быть на несколько порядков больше управляющей мощности (коэффициент усиления по мощности у тиристоров 10 4 ¸ 10 5 ).
Рис.4. Структура тиристора: а) обозначение на схеме; б) вольт-амперная характеристика
В открытом тиристоре изменением тока управления нельзя изменить тока анода или закрыть тиристор. Тиристор закрывается при снижении напряжения E0 до нуля. Когда тиристор работает в цепи переменного тока, то это происходит автоматически после того, как изменяется знак приложенного к нему напряжения. Чтобы закрыть тиристор, работающий в цепи постоянного тока, применяют либо схемы искусственной коммутации, либо отключают питающее напряжение.
Если Э.Д.С. источника энергии изменяется по синусоиде, то ток прерывается при прохождении через нуль. В момент начала положительного полупериода необходимо отпирать вентиль током Iу, для чего подают положительный импульс напряжения на У.Э. от системы управления. Изменяя момент подачи положительного импульса относительно точки начала полуволны напряжения, где a = 0, можно изменить продолжительность работы вентиля и среднее напряжение на нагрузке.
В тиристорных преобразователях приводов постоянного тока применяют различные схемы соединения тиристоров с источником питания, нагрузкой и схемой управления. При питании привода от сети переменного тока используют схемы регулируемого выпрямителя с потенциальным или с импульсно-фазным управлением. При питании привода от сети постоянного тока применяют схемы широтно-импульсного и частотно-импульсного регулирования напряжения.
Для примера рассмотрим схему нереверсивного тиристорного преобразователя с динамическим торможением (рис. 5).Тиристоры VS1÷VS6 образуют трехфазную мостовую схему выпрямителя, обеспечивающую получение напряжения с повышенной частотой пульсации. Блок управления формирует импульсы положительной полярности, временное положение которых для каждой группы тиристоров фаз А, Б и С изменяется в пределах угла α от 0 до 120 о . При угле α = 0 о среднее значение выпрямленного напряжения будет максимальным Uср. о max., а при α = 120 о равно нулю.
Рис.5. Функциональная схема нереверсивного тиристорного преобразователя
Тиристоры каждой фазы при α = 0 о работает в течение 
, а при увеличении угла время работы тиристоров уменьшается в соответствии с уравнением 
.
Изменением выпрямленного напряжения осуществляется пуск и регулировка скорости.
Для остановки электродвигателя тиристоры VS1÷VS6 запираются, а тиристор VS7 открывается, замыкая якорь двигателя на тормозное сопротивление Rт.
Тиристорные преобразователи широко применяются в качестве возбудителей в системе Г-Д, заменяя электромашинные и силовые магнитные усилители.
Регулирование скорости двигателей питаемых от аккумуляторов или контактной сети. Изменение напряжения питания двигателей постоянного тока производят двумя способами: 1. С помощью добавочных сопротивлений; 2. С помощью импульсных регуляторов постоянного напряжения работающих на принципе широтно-импульсного преобразователя (ШИП). Импульсные регуляторы применяют в электроприводах механизмов получающих питание от аккумуляторов или контактных сетей постоянного тока, это шахтные электровозы, электрокары, ручные электроинструменты.
Схема нереверсивного ШИП постоянного напряжения рис 7 состоит из электронного ключа, дросселя и обратного диода. В схеме в качестве ключа в зависимости от мощности применяют транзисторы или тиристоры. В схеме, приведённой на рис.6, принят тиристор, а между ним и нагрузкой включена индуктивностьL. При отпирании тиристора V1по индуктивностив нагрузку протекает ток iн (на рис.6, а путь тока показан сплошной линией), при этом сердечникLнамагничиваясь запасает энергию. При запирании тиристора ток в нагрузке iн2 (путь тока показан пунктирной линией) за счет э. д. с. самоиндукции L сохраняет свое прежнее направление, замыкаясь через обратный диод V2 на начало индуктивности. При открытом тиристоре диод закрыт. Эпюры напряжений и токов в схеме показаны на рис.6, б.
Выходное напряжение схема регулирует от нуля (при τи = 0) до входного напряжения Ud (при τи = T) в соответствии с уравнением Un=Ud (τ/T).
Изменяя ширину импульса, т. е. величину коэффициента заполнения, можно получать на выходе ШИП различные значения среднего напряжения на нагрузке, которое всегда меньше напряжения источника питания.
| Uн |
| Zн |
| E |
| Cвх |
| Uг |
| iн1 |
| iн2 |
| б |
| tu |
| T |
| T-tu |
| 2T |
| t |
| t |
| t |
| t |
| Uаб |
| iн |
| Iнmax |
| Iнmin |
| iv1 |
| iv |
| Iнmax |
| Iнmin |
| Iнmax |
| Iнmin |
| Uн |
| iн1 |
| iн2 |
| Рис.6. Принципиальная схема нереверсивного ШИП постоянного напряжения (а) и и его временные диаграммы (б) |
Частота вращения асинхронных электродвигателей определяется уравнением: 
.
Следовательно, ее можно регулировать, изменяя частоту F питающего напряжения, число пар полюсов p и величину скольжения S. Возможно регулирование частоты каскадным соединением двигателя с другими электрическими машинами.
Регулирование скорости изменением числа пар полюсов находит широкое применение в электроприводах с асинхронными короткозамкнутыми электродвигателями. Промышленность выпускает их двухскоростными, трехскоростными и четырехскоростными.
Изменение числа пар полюсов наиболее просто достигается у двухскоростных электродвигателей, имеющих две независимые обмотки на статоре. Отечественные двухскоростные электродвигатели серии 4А имеют следующие соотношения скоростей (синхронных): 3000/1500, 1500/750, 1000/500. У трехскоростного электродвигателя одна обмотка предназначается на две скорости с соотношением 1:2, вторая — на одну скорость, имеются следующие скорости:
Рис.7 Схемы включения многоскоростных асинхронных электродвигателей
3000/1500/1000, 1500/750/1000. У четырехскоростного электродвигателя каждая обмотка обеспечивает получение двух скоростей с тем же соотношением 1:2 500/750/1000/1500.
Приведенные на рис.7 схемы переключения числа пар полюсов применяются в многоскоростных асинхронных электродвигателях отечественного производства. На рис. 7a изображена схема звезда — двойная звезда (Y/YY). Здесь при большем числе полюсов обе части фазной обмотки соединены последовательно, и при включении в сеть их соединяют в звезду. При вдвое меньшем числе полюсов половины фазных обмоток соединяются в две параллельно включенные звезды.
На рис.7б приведены схемы треугольник — двойная звезда (∆/YY). Здесь при большем числе полюсов обе части фазной обмотки включены последовательно, а фазные обмотки соединяются треугольником. При вдвое меньшем числе полюсов питающие провода подводятся к середине сторон треугольника, а его углы соединяются в одной точке. Таким образом, получается схема двойной звезды.
Регулирование скорости переключением числа пар полюсов дает ступенчатое регулирование. Оно является простым и экономичным, механические характеристики при всех скоростях остаются жесткими. Диапазон регулирования 1:6 (8). Широкое использование многоскоростных электродвигателей в металлорежущих станках значительно уменьшило количество механических передач.
Регулирование скорости вращения за счет скольжения осуществляется изменением добавочного сопротивления в цепи ротора и может применяться только для электродвигателей с фазным ротором. При введении дополнительного сопротивления в цепь ротора величина скольжения возрастает, а скорость при заданном нагрузочном моменте будет соответственно снижаться, что приведет к изменению наклона механической характеристики. Регулирование скорости происходит при постоянном моменте и переменной мощности на валу электродвигателя. Поэтому такое регулирование целесообразно применять для механизмов, работающих при М = const, т.е. крановых механизмов, приводов передвижения горных машин. Регулирование скорости неэкономично, так как сопровождается большими потерями. Потери мощности при регулировании можно приближенно оценить по уравнению:
,
где P1 — подводимая к электродвигателю мощность.
Из выражения следует, что при снижении скорости «вниз» на 50% (S= = 0,5) половина подводимой к электродвигателю мощность превращается в потери. Поэтому диапазон регулирования будет небольшим, т.е. не будет превышать величины порядка 1:2.
Введение добавочного сопротивления в цепь ротора при данном регулировании скорости приводит к неустойчивой работе привода на малых скоростях, так как увеличение крутизны механической характеристики создает колебания скорости при небольших изменениях момента сопротивления нагрузки. Этот фактор также ограничивает диапазон регулирования скорости вращения.
Регулирование скорости асинхронных электродвигателей осуществляется также при помощи дросселей насыщения: а цепь статора электродвигателя включается реактивное сопротивление с переменной индуктивностью. Изменение индуктивности реактивных сопротивлений (дросселей) происходит путем изменения величины постоянного тока, протекающего через обмотку управления дросселями (рис. 8а). При равных токах в управляющей обмотке в цепь статора будут вводиться переменные реактивные сопротивления, в результате чего напряжение на зажимах статора электродвигателя при данном токе нагрузки будет снижаться, чем достигается соответствующее изменение скольжения, т.е. скорости вращения (рис. 8б). Достоинством описанного способа является плавное регулирование скорости вращения электродвигателя; недостатком — существенные потери энергии в роторе; уменьшение коэффициента мощности электродвигателя и громоздкость.
Рис. 8. Схема асинхронного двигателя с дросселем насыщения в цепи статора (а) и его механические характеристики (б).
Регулирование скорости асинхронных электродвигателей изменением частоты питающей сети.
Наиболее совершенным является частотный способ регулирования скорости асинхронных электродвигателей, обеспечивающий возможность регулирования «вверх» и «вниз», жесткие механические характеристики при любой скорости, широкий диапазон регулирования. Регулирование частоты питающей сети осуществляют специальными источниками переменного тока — статическими преобразователями частоты. В качестве источника напряжения с регулируемой частотой применяют частотные преобразователи со звеном постоянного тока и, реже, непосредственного (прямого) преобразования, которые регулируют частоту вниз от 50 Гц. Преобразователи со звеном постоянного тока (ПЧ) выполняются по схеме рис.9 и состоят из звена постоянного тока (регулируемый или нерегулируемый выпрямитель) и инвертора напряжения или тока. Инверторы бывают однофазные и трёхфазныё. Ключи инверторов делают на не запираемых и запираемых тиристорах и на биполярных, полевых и IGBT транзисторах. Трёхфазные инверторы на не запираемых тиристорах имеют векторное управление и поэтому формируют выходное напряжение ступенчатой формы, амплитуда которого изменяется через π/3 (рис 9а), что требует установки перед двигателем специального фильтра и искажает форму напряжения сети. Современные инверторы на транзисторах позволяют использовать широтно- импульсную модуляцию (ШИМ) с частотой 0,3-15кГц, что обеспечивает получение на выходе синусоидального напряжения с пульсацией в десятки мВи следовательно не требуются фильтры и нет искажения напряжения сети. В зависимости от мощности ПЧ питаются от однофазной и трёхфазной сети. Шкала мощностей преобразователей частоты от 120Вт до 10000 кВт. Выходное напряжение бывает однофазным и трёхфазным до 1000 вольт и выше 1000вольт.
Типовая схема низковольтного преобразователя частоты, представленная на рис. 9 выполнена с применением в схеме инвертора напряжения IGBT транзисторов. В нижней части рисунка изображены графики напряжений и токов на выходе каждого элемента преобразователя.
Переменное напряжение питающей сети (Uвх) с постоянной амплитудой и частотой (Uвх = const, fвх = const) поступает на управляемый или неуправляемый выпрямитель (1).
Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения (Uвыпр) используется фильтр (2). Выпрямитель и емкостный фильтр (2) образуют звено постоянного тока.
С выхода фильтра постоянное напряжение Ud поступает на вход автономного импульсного инвертора (3), схема которого может быть однофазной или трехфазной выполненной на тиристорах или транзисторах.
Автономный инвертор современных низковольтных преобразователей, как правило, выполняется на основе силовых биполярных, полевых или транзисторах с изолированным затвором IGBT. На рассматриваемом рисунке изображена схема преобразователя частоты с автономным инвертором напряжения как получившая наибольшее распространение.
В инверторе осуществляется преобразование постоянного напряжения Ud в трехфазное (или однофазное) импульсное напряжение U изменяемой амплитуды и частоты. По сигналам системы управления каждая обмотка электрического двигателя подсоединяется через соответствующие силовые транзисторы инвертора к положительному и отрицательному полюсам звена постоянного тока. Длительность подключения каждой обмотки в пределах периода следования импульсов модулируется по синусоидальному закону. Наибольшая ширина импульсов обеспечивается в середине полупериода, а к началу и концу полупериода уменьшается. Таким образом, система управления обеспечивает широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) напряжения, прикладываемого к обмоткам двигателя (рис.9). Амплитуда и частота напряжения синусоидального выходного напряжения определяются параметрами импульсов управления транзисторами инвертора. При высокой несущей ча-
Рис9. Структурная схема ПЧ со звеном постоянного тока
стоте ШИМ (2 — 15 кГц) обмотки двигателя вследствие их высокой индуктивности работают как фильтр. Поэтому в них протекают практически синусоидальные токи.
В схемах преобразователей с управляемым выпрямителем (1) изменение амплитуды напряжения Uвых может достигаться регулированием величины постоянного напряжения Ud, а изменение частоты – режимом работы инвертора (3).
При необходимости на выходе автономного инвертора устанавливается фильтр (4) для сглаживания пульсаций тока. (В схемах преобразователей на IGBT в силу низкого уровня амплитуды высших гармоник в выходном напряжении потребность в фильтре практически отсутствует).
Таким образом, на выходе преобразователя частоты формируется трехфазное (или однофазное) переменное напряжение изменяемой частоты и амплитуды (Uвых = var, fвых = var).
Инвертор (рис. 10а) выполнен по мостовой схеме и состоит из шести транзисторов VT1-VT6 и шести диодов VD1-VD6. Транзисторы VT1-VT6 обеспечивают подачу через определенные промежутки времени импульсов напряжения на фазы А, В, С двигателя АД. Изменяя периодичность включения и выключения транзисторов Т, изменяют частоту выходного напряжения F=1/T. Диоды VD1-VD6 передают источнику питания электромагнитную энергию, накапливаемую в индуктивностях фаз двигателя, т.е. компенсируют реактивную мощность нагрузки. Благодаря применению этих вентилей устраняются перенапряжения на элементах инвертора, и обеспечивается независимое друг от друга включение и выключение транзисторов.
Напряжение переменного тока на выходе инвертора может регулироваться различными способами:
а) Изменением питающего напряжения Ud источника постоянного тока (рис. 9б).
б) Изменением длительности высокочастотных импульсов τ пропускаемых каждым транзистором в течение полупериода Т/2 рабочей частоты (широтно-импульсная модуляция) в соответствии с уравнением
Uвых = Ud(τ/Т). В этом уравнении период повторения импульсов Т=const, а τ=var. При модуляции (регулировании) τ изменяют от 0 до Т, что обеспечивает изменение Uвых по синусоидальному закону (рис. 10б) в функции изменения τ, которую, в соответствии с программой задаёт система управления обычно выполняемая на микропроцессорах.
Рис. 10 Упрощенная схема трехфазного автономного инвертора (a) и кривая изменения его выходного напряжения (б).
1.5. Вопросы для самопроверки
1. Перечислить показатели регулирования скорости электродвигателей.
2. Какими способами регулируется скорость двигателей постоянного тока?
3. Проанализировать достоинства и недостатки способов регулирования скорости электроприводов на основе их механических характеристик.
4. Достоинства системы генератор-двигатель.
5. Перечислить способы регулирования скорости по системе Г-Д.
6. Написать уравнение механической характеристики системы генератор-двигатель.
7. Почему жесткость механической характеристики системы Г-Д меньше жесткости механической характеристики двигателя постоянного тока питаемого от сети?
8. Что называется характеристикой холостого хода генератора?
9. Перечислить недостатки системы Г-Д.
10. Какие достоинства имеет регулирование скорости двигателя постоянного тока от управляемого выпрямителя?
11. Начертите вольтамперную характеристику тиристора.
12. Какой принцип положен в основу схемы нереверсивного тиристорного преобразователя?
13. Перечислите способы регулирования скорости асинхронного двигателя.
14. Какие способы регулирования скорости электродвигателей применяют на драгах?
15. Какие имеются способы частотного регулирования скорости асинхронных электродвигателей?
16. Начертите структурную схему тиристорного преобразователя частоты.
17. Какими способами можно регулировать напряжение переменного тока на выходе инвертора тиристорного преобразователя частоты?
studopedia.org — Студопедия.Орг — 2014-2022 год. Студопедия не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования (0.029 с) .