Pakhomov_A_N__Krivenkov_M_V_Elektricheskiy_privod_uchebnoe_posobie

231

β = dM ≡ − 1 , dω Rяц

что существенно осложняет использование реостатного регулирования – небольшое случайное изменение M с на низких скоростях приводит к значи-

тельному изменению ω ; 3) регулирование однозонное вниз от основной скорости, так как с рос-

том Rд увеличивается ω , и все искусственные характеристики располагаются ниже естественной;

4)реостатное регулирование ступенчатое, так как величина сопротивления резистора в якорной цепи допускает лишь дискретное изменение. Получение большого числа ступеней затруднено, так как требует большого количества коммутирующих аппаратов (контакторов);

5)при принятых ранее допущениях (внешний обдув) можно считать,

что M доп = M н на любой реостатной характеристике, так как магнитный по-

ток неизменен; 6) потери энергии при регулировании значительны из-за включения ре-

зистора – элемента, на котором падает электрическая энергия, нагревая его. Эти потери зависят от глубины реостатного регулирования, а КПД пропорционален скорости:

η = ω . ω0

Капитальные затраты на реостатное регулирование сравнительно невелики, так как к ДПТ добавляется лишь недорогой резистор и коммутационная аппаратура.

Оценивая реостатное управление ДПТ по всем показателям, нетрудно видеть, что это весьма несовершенный способ регулирования. Вместе с тем, он всё еще широко применяется на практике (подъемно-транспортные установки, общепромышленные и др. механизмы) в случаях, когда источником питания является сеть постоянного тока. Это объясняется практическим отсутствием до недавнего времени других возможностей регулировать скорость вниз от основной при питании от сети с неизменным напряжением (U = Uн = const ). Кроме того, реостатное управление ДПТ часто используется

для регулирования (ограничения) тока и момента при пуске ДПТ. Разновидностью реостатного управления при U = Uн = const являются

схемы с шунтированием якоря ДПТ (см. разд. 3.6), несколько расширяющие регулировочные возможности. В потенциометрической схеме напряжение на якоре двигателя, работающего вхолостую, меньше напряжения сети, поэтому

232

скорость идеального холостого хода снижается в зависимости от соотношения величин добавочного Rд и шунтирующего якорь сопротивлений.

Способ управления ДПТ путем изменения магнитного потока применяется в электроприводе металлорежущих станков, наматывающих устройств, прокатных станов и др. Показатели регулирования координат при изменении магнитного потока ДПТ:

1)диапазон регулирования скорости D = 3-4, что больше реостатного способа регулирования; регулирование момента при I = const производится в широких пределах;

2)стабильность регулирования скорости и момента относительно высо-

кая;

3)регулирование скорости однозонное вверх от основной и применяется в сочетании с другими способами, позволяющими регулировать скорость вниз от основной;

4)регулирование координат плавное, можно получить характеристики, расположенные как угодно близко друг к другу.

5)допустимое значение момента при регулировании скорости уменьшением магнитного потока меньше номинального M доп = cM IнФ < M н (линия

со штриховкой на рис. 3.9, б), при этом допустимая мощность, снимаемая с вала машины, на искусственных характеристиках остается неизменной:

Pдоп = M доп × w = U нIн - Iн2 Rя = const ;

6) простота реализации и отсутствие дополнительных элементов в силовой цепи, в которых рассеивается энергия, делают способ регулирования координат с изменением магнитного потока весьма эффективным с энергетической точки зрения – регулирование не сопровождается дополнительными потерями энергии;

Капитальные затраты на регулирование также весьма низкие, что связано с малой мощностью цепи возбуждения, которая на 1,5-2 порядка меньше, чем мощность двигателя.

Показатели регулирования координат при изменении питающего напряжения ДПТ:

1)диапазон регулирования D достигает 8-10;

2)стабильность скорости достаточно высокая;

3)регулирование однозонное, вниз от основной скорости;

4)регулирование плавное;

5)M доп = M н , так как cE Фн = const ;

6)регулирование экономичное, поскольку не используются дополнительные резисторы, рассеивающие энергию.

233

Коэффициент мощности kм вентильного электропривода постоянного тока при регулировании скорости ДПТ определяется углом сдвига ϕ1 первой гармоники потребляемой из сети тока относительно напряжения сети и коэф-

фициентом искажения kI этого же тока:
	k	м	= k	I	cos j »	I1		× cos a ,	(8.1)
					1	I
где I1 и I –	действующие значения потребляемого из сети тока и его первой
гармоники;	α – угол открывания вентилей.

Из формулы (8.1) следует, что при снижении скорости (увеличении диапазона регулирования) происходит уменьшение коэффициента мощности

электропривода kм ¯º cos(a -) .

Капитальные затраты определяются типом используемого УВП. Следует отметить, что при управлении напряжением отпадает необходимость в пусковых и тормозных резисторах с соответствующей коммутационной аппаратурой.

Регулирование координат изменением питающего напряжения часто используется в сочетании с ослаблением магнитного поля ДПТ – двухзонное регулирование с повышением общего диапазона регулирования до 16. Кроме того, наличие в электроприводе УВП открывает широкие возможности обеспечения требуемых показателей регулирования за счет «замыкания» в системе электропривода обратных связей по регулируемой координате (см. разд. 8.4). Так, в замкнутых системах можно достичь увеличения диапазона регулирования до 100 и выше.

Асинхронные двигатели (АД) с короткозамкнутым ротором – самые распространенные электрические машины переменного тока и до недавнего времени использовались лишь в нерегулируемом электроприводе, поскольку практически единственная возможность эффективно регулировать скорость – изменять частоту напряжения, приложенного к статорным обмоткам, была технически трудно реализуема. Сейчас, благодаря успехам электроники, час- тотно-регулируемый электропривод (рис. 4.5, а) становится основным типом регулируемого электропривода. Особенно интересным является применение такого электропривода в традиционно нерегулируемых насосах, вентиляторах, компрессорах. Как показывает опыт, это техническое решение позволяет экономить до 50 % электроэнергии, до 20 % воды и более 10 % тепла [6].

Воспользовавшись основными показателями регулирования координат, получим следующие оценки частотного способа регулирования скорости АД:

1)диапазон регулирования в разомкнутой структуре составляет 8-10;

2)стабильность скорости – высокая (жесткость искусственных характеристик меняется слабо);

3)регулирование двухзонное вниз (U1 / f1 ≈ const ) и вверх (U1 = U1н и

f1 > f1н ) от основной скорости;

234

4)регулирование плавное ввиду наличия в системе электропривода полупроводникового преобразователя частоты;

5)допустимая нагрузка M = M н при регулировании вниз от основной

скорости (Ф ≈ const ), P = Pн при регулировании вверх ( Ф < Фн );

6) способ экономичен в эксплуатации, так как нет дополнительных элементов, рассеивающих энергию.

Однако капитальные затраты на реализацию частотного способа регулирования скорости АД сравнительно высокие – стоимость полупроводниковых ПЧ в 1999 г. составляла около 100 $/кВт [6].

Отсутствие до недавнего времени доступного и качественного ПЧ приводило к поиску других решений, одно из которых – изменение U1 при

f1 = f1н = const . Схемная реализация этого способа регулирования с примене-

нием полупроводникового преобразователя напряжения (ПН) приведена на рис. 8.5, а. Критический момент АД при U1 = var будет снижаться пропор-

ционально U12 , критическое скольжение останется неизменным – сплошные линии на рис. 8.5, б.

	ω	U1н
		ПН
	ω

		U1= var
BG	M	f = const
		1

ω	ω
0
	U1	U	ест. х-ка
		1
	U1	U1н>U1 >U1 >U1
0			M
	Mн

а

б

Рис. 8.5

Регулирование координат изменением питающего напряжения имеет следующие показатели:

1)диапазон регулирования невелик и составляет 1,2-1,3;

2)стабильность скорости ухудшается (жесткость искусственных характеристик уменьшается);

3)регулирование однозонное вниз от основной скорости;

4)плавность регулирования высокая (применение ПН);

5)допустимая нагрузка резко снижается с уменьшением скорости:

M доп = M нsн ,

s

235

т. е. даже для специального двигателя с повышенным скольжением sн = 0,06 снижение скорости всего на 20 % (s = 0,2) потребует снижения момента в 3

раза (рис. 8.4, б); 6) рассмотренный способ регулирования очевидно неэффективен для

использования в продолжительном режиме – даже для самой благоприятной

вентиляторной нагрузке ( M ≡ ω2 ) необходимо двух-трехкратное завышение установленной мощности двигателя с повышенным скольжением, а также интенсивный внешний обдув.

Способ регулирования скорости АД изменением напряжения может в ряде случаев использоваться для кратковременного снижения скорости, а система ПН-АД очень полезна и эффективна для снижения пусковых токов, для экономии энергии при недогрузках. Кроме того, ПН – простое устройство, в 3-4 более дешевое, чем ПЧ, и именно эта особенность системы ПН-АД приводила в ряде случаев к её неоправданному применению. Кроме того, используя ОС по регулируемым координатам, можно немного повысить значения показателей регулирования (см. разд. 8.4).

Кроме изложенных способов регулирования координат АД с короткозамкнутым ротором иногда используются специальные двигатели с переключением обмоток статора, изменяющим число пар полюсов p , что позволяет

ступенчато регулировать ω0 (рис. 4.7). Такие «многоскоростные» двигатели

тяжелы, дороги, электропривод требует дополнительной переключающей аппаратуры и в связи с этим проигрывает современному частотнорегулируемому электроприводу.

Дополнительные возможности управлять координатами асинхронного электропривода появляются, если ротор выполнен не короткозамкнутым, а фазным (обмотка ротора состоит из катушек, похожих на статорные, соединенных между собой и выведенных на кольца, по которым скользят щетки, связанные с внешними устройствами). Схематически трехфазная машина с фазным ротором показана на рис. 8.6, а. Фазный ротор обеспечивает дополнительный канал, по которому можно воздействовать на двигатель. В этом его очевидное достоинство, но очевидна и плата за него: существенное усложнение конструкции, большая стоимость, наличие скользящих контактов. Именно эти негативные особенности привели к тому, что в общем объёме производства АД с фазным ротором составляют небольшую долю.

К щеткам на кольцах в цепи ротора можно подключать как пассивные цепи, например, резисторы, так и активные, содержащие источники энергии. В первом случае, как и в электроприводе постоянного тока, реостатное регулирование координат – простейший способ, при котором в каждую фазу ротора АД

включают одинаковые резисторы с сопротивлением	Rд	(рис. 8.6, б). Тогда об-
щее активное сопротивление фазы ротора составит	R′	∑	= R′	+ R′	, а искусст-
	2		2	д

венные характеристики приобретут вид, показанный на рис. 8.6, в и г.

			236
			ω		ω
			ω0	Rд= 0	ω	ест. х-ка
					0		Rд= 0
M		M	0	I2пред I2			R д1 M
		Rд
			Rд2	Rд1	0	Mн	Rд2 >R д1
а		б	в			г
			Рис. 8.6
Предельное значение тока ротора				′	и критический момент M к не
				I2пред
изменяются (рис. 8.6, в и г), а критическое скольжение sк							растет пропорцио-
′	∑ :
нально R2

s		′	′
ки	=	R2	+ Rд	.
sке			′
			R2

Последнее соотношение для критического скольжения, очевидно, выполняется и для скольжения при любом M = const . Реостатные механические характеристики и показатели реостатного регулирования скорости АД с фазным ротором практически те же, что у электропривода постоянного тока:

1)диапазон регулирования 2-3;

2)стабильность скорости низкая;

3)регулирование однозонное вниз от основной скорости;

4)регулирование ступенчатое, что возможно устранить используя схемы, в которых роторный ток выпрямляется, а резистор, включаемый за выпрямителем, шунтируется управляемым ключом (транзистором с управляемой скважностью), благодаря чему достигается плавность регулирования, а при использовании обратных связей (в замкнутых системах) формируются жесткие характеристики;

5)допустимая нагрузка M доп = Mн (рис. 8.6, г), поскольку Ф ≈ Фн и при

мало меняющемся cos ϕ2 I2доп » I2н ;

6) с энергетической точки зрения реостатное регулирование в асинхронном электроприводе столь же неэффективно, как и в электроприводе постоянного тока – потери в роторной цепи при M = const пропорциональны

скольжению P = P s , а распределение этих потерь определяется соотноше-
2	1					DP = P s × R′		/ R′
нием сопротивлений собственно роторной обмотки АД									∑	и
дополнительных резисторов DP = P s × R′				/ R′		2 1	2	2
					.
	д	1	д	2 ∑

237

Капитальные затраты, как и в электроприводе постоянного тока, срав-

нительно невелики. Электропривод с фазными АД при реостатном регулиро-

вании традиционно находит широкое применение в крановом хозяйстве.

Интересные перспективы открывает включение в роторную цепь фазного

АД активных элементов, при

f1 = const

появляется возможность полезно ис-

пользовать мощность скольжения

P = P s , отдав её либо в сеть, либо на вал

2

1

двигателя. Электроприводы такого типа называют каскадными схемами [6].

Простейшая схема машинно-вентильного каскада, иллюстрирующая

общую идею, показана на рис. 8.7, а. ЭДС E машины постоянного тока M2

должна быть направлена встречно ЭДС роторного выпрямителя Ed , тогда

Id

=

Ed

− E

,

Rэкв

где Rэкв – эквивалентное активное сопротивление контура выпрямитель-якорь.

M1

M2

M3

M

ω

E

M ω0

Ed

Id

а

E, I

Ed

s

P

P=P s

1

0

1

E

E

ест.

s

E= 0

Id

E

s

s

1

M

P2 =P1(1-s)

б

в

г

Рис. 8.7

Поскольку

Ed = kсхE1s

( kсх

–

коэффициент

схемы

выпрямления),

а

E1 ≈ U1 = const ,

то до

некоторого

скольжения

s′ ,

определяемого

уровнем

ЭДС машины постоянного тока E′

(рис. 8.7, б),

ток I d = 0 , а следовательно,

238

I 2 = 0 и АД М1 не развивает момента. При s > s′ ток в роторе АД начнет расти (в соответствии с приведенным выше уравнением), вызывая увеличение

момента (рис. 8.7, в). Мощность потерь P = P s ≈ E		I		′		через машину
	d		d	≈ M ω	0
1

M3 возвратится в сеть (рис. 8.7, г). Знаки приближенного равенства означают неучтенные электрические потери в сопротивлениях контура выпрямительякорь и механические потери в машинах М2 и М3.

Меняя ток возбуждения машины М2, а следовательно величину E , можно изменять скольжение, при котором начинается рост тока Id , и, следо-

вательно, регулировать скорость АД (рис. 8.7, в).

Иногда вместо двух дополнительных электрических машин, возвращающих энергию скольжения в сеть, используется один статический преобразователь – инвертор, ведомый сетью. Энергия скольжения не обязательно должна возвращаться в сеть, есть каскады, в которых она отдается машиной М2 на вал главного АД M1.

Каскадные схемы используются при очень больших мощностях (тысячи кВт) и малых диапазонах регулирования – 1,1-1,2.

8.4. Замкнутые системы электропривода

Система УВП-ДПТ, замкнутая по скорости. Если жесткость характе-

ристик в разомкнутой системе УВП-ДПТ оказывается недостаточной для ка- кого-либо технологического процесса, она может быть повышена посредством введения в систему отрицательной обратной связи по скорости

(рис. 8.8, а).

I + + Uз Uвх УВП Eп M LM

γω

+ BR

a

Рис. 8.8

ω
1	2
ω0зам
	Eп2
	2' Eп1
0 Mc1	M
	Mc2
	б

К разомкнутой системе на рис. 8.8, а добавлен измерительный орган – тахогенератор BR, сигнал которого EBR = γω сравнивается с задающим сигна-

лом U з , а разность U вх = U з − γω подается на вход УВП. Благодаря этому

ЭДС преобразователя теперь определяется не только заданием (в данном случае заданием на скорость вращения якоря ДПТ), но и фактической скоростью вращения.

239

Пусть привод работал в точке 1 (рис. 8.7, б), а затем момент сопротивления увеличился до значения M c2 . В разомкнутой системе этому изменению

соответствовала бы точка 2’, так как изменение нагрузки не приводило бы к изменению ЭДС преобразователя Eп .

Уменьшение скорости в замкнутой системе электропривода повлечет за собой рост входного сигнала Uвх , а значит и Eп . Следовательно, при M c2

электропривод перейдет на характеристику, соответствующую Eп2 > Eп1 и будет работать в точке 2. Так как увеличение Uвх возможно лишь за счет не-

которого уменьшения скорости, то скорость в точке 2 меньше скорости в точке 1 (рис. 8.8, б). Такие замкнутые системы называют статическими, в отличие от астатических с абсолютно жесткими характеристиками ( ω = 0 ).

Уравнение механической характеристики в замкнутой системе имеет вид:

ω =

kпU з

−

M × (Rя + Rп )

.

+

kпγ

+

kпγ

c Ф 1

c Ф2

1

E

н

E н

cEФн

cEФн

Приравнивая выражение для ω0 в замкнутой и разомкнутой системах, будем иметь:

		+	kпγ
					,
	U з.зам = U з.раз 1
			cEФн

т. е. для получения одной и той же ω0				задающее напряжение в замкнутой
схеме должно быть взято большим.
Сравнивая выражение для	ω, получим:
ω		=		ωраз	,
зам

1 + kпγ cEФн

т. е. перепад скорости при одинаковых нагрузках в замкнутой системе уменьшился.

Система УВП-ДПТ с нелинейной обратной связью по току. Пусть требуется ограничить момент, развиваемый двигателем, до некоторого пре- дельно-допустимого значения. В системе УВП-ДПТ эту задачу можно решить, снижая ЭДС преобразователя при достижении моментом предельной величины M пред . Как уже было показано выше, эта операция выполняется автоматически, если использовать соответствующую обратную связь. В данном

240

случае целесообразно использовать обратную связь по току (моменту при Ф = const ), причем эта связь должна вступать в действие лишь при достижении током предельного значения Iпред . Такие обратные связи называют нели-

нейными или связями с отсечкой. Простейшая схема системы УВП-ДПТ с отрицательной обратной связью по току с отсечкой показана на рис. 8.9, а.

				I	+	w
Uз	Uвх	УВП	Eп	M	LM
	U			Rос
	ос
		Kос		VD		I
				Uоп	0	Iпред
				+
		а				б

Рис. 8.9

На вход УВП при I < Iпред поступает лишь сигнал задания, поскольку сигнал обратной связи по току заперт вентилем VD ( IRос < Uоп ). При достижении током величины Iпред начинает действовать отрицательная обратная связь по току, т. е.

Uвх = Uз -Uос ,

где Uос º Kос × I , Kос – коэффициент обратной связи по току. Благодаря действию Uос снижается Eп и рост тока (момента) ограничивается. Измененяя величину Uз , получают требуемую механическую характеристику (рис. 8.9, б), а изменяя Uоп – задают нужный предельный ток (момент).

Как и в электроприводе постоянного тока, наличие полупроводниковых преобразователей (ПН и ПЧ) в электроприводах переменного тока позволяет строить замкнутые структуры с улучшенными показателями регулирования координат.

Система ПН-АД, замкнутая по скорости. В замкнутой по скорости структуре ПН-АД (пунктир на рис. 8.5, а) можно получить характеристики, показанные на рис. 8.5, б пунктиром, с повышением диапазона регулирования до 3-4 и удовлетворительной стабильностью скорости (переменная жесткость искусственных характеристик).

Замкнутые системы ПЧ-АД. В реальном АД активное сопротивление обмоток статора R1 ¹ 0 , поэтому при законе управления U1 f1 = const (4.23)

независимость критического момента от частоты не обеспечивается (см.