Лекции по теории электропривода

         Кривая механической характеристики  асинхронного ЭД имеет некоторые  характерные точки:

• , . При этом частота вращения ЭД равна ;
• , . При этом частота вращения ЭД равна номинальной, т.е. ;
• , ;
• , . При этом частота вращения ЭД равна нулю, т.е. .

Если вспомнить, что  , то можно привести механическую характеристику к привычному виду . Графическое изображение механической характеристики в этом случае будет иметь вид, показанный на рис.3.18. Анализ механической характеристики показывает, что при малых скольжениях она может экстраполироваться линейной зависимостью

При больших скольжениях  , механическую характеристику можно экстраполировать гиперболой

-22-

Поскольку в каталожных данных отсутствуют  сведения по активным и реактивным сопротивлениям обмоток ЭД, то механическую характеристику можно построить  приближенно, пользуясь этими двумя  зависимостями. Величину критического момента определить можно при этом достаточно просто, принимая во внимание, что у шахтных ЭД с фазным ротором отношение критического момента к номинальному составляет величину

Критическое скольжение можно также  легко определить по эмпирической формуле

Рассмотренные выше естественные механические характеристики асинхронных ЭД были получены при номинальных значениях  параметров сети: напряжения и частоты, а также при отсутствии дополнительных сопротивлений в цепях ротора и статора. Однако в производственных условиях при перегрузке сети значения напряжения и частоты могут отклоняться от номинальных значений. В цепи статора и ротора для ограничения пусковых токов, регулирования частоты вращения и т.д. включают реостаты или катушки индуктивности. Поэтому искусственные характеристики асинхронных ЭД существенно отличаются от естественных.

         Рассмотрим  влияние напряжения сети на  форму механической характеристики. Из выражения для определения  критического момента следует,  что он пропорционален квадрату фазного напряжения. А критическое скольжение и синхронная частота вращения от напряжения не зависят. Поэтому искусственные механические, полученные при напряжениях сети, отличных от номинальных, будут пересекать ось ординат в точке и иметь максимум электромагнитного момента при одном и том же критическом скольжении. Графическое изображение семейства механических характеристик, получаемых при изменении фазного напряжения, показано на рис.3.19.

         Рассмотрим влияние на форму механических характеристик частоты фазного напряжения. Из выражения для определения синхронной частоты вращения видно, что она прямо пропорциональна частоте фазного напряжения. Из формулы для определения критического скольжения следует, что оно обратно пропорционально индуктивному сопротивлению цепей статора и ротора. Поэтому уменьшение частоты фазного напряжения приведет к увеличению критического скольжения. Критический электромагнитный момент при уменьшении частоты фазного напряжения также будет увеличиваться. Искусственные механические характеристики асинхронного ЭД, полученные при изменении частоты фазного напряжения, показаны на рис.3.20.

-24-

И, наконец, оценим влияние сопротивления, включаемого в цепь ротора фазного  асинхронного ЭД, на форму механической характеристики. Из выражений для синхронной частоты вращения и критического электромагнитного момента следует, что их значения не зависят от активного сопротивления обмотки ротора. А величина критического скольжения прямо пропорциональна активному сопротивлению ротора. То есть при увеличении активного сопротивления, включаемого в цепь ротора, критическое скольжение будет увеличиваться. Семейство механических характеристик, получаемых при различных значениях активного сопротивления ротора, представлено на рис.3.21.

 

2. УПРАВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ В РАЗОМКНУТЫХ СИСТЕМАХ

2.1. Основные показатели регулирование частоты вращения электроприводов.

В современной промышленности, в том числе и в горной, используется большое количество производственных машин и механизмов, работающих с изменяющейся скоростью, зависящей от технологического процесса. К таким машинам относятся подъемные установки, карьерные экскаваторы, электровозы, буровые установки и т.д. Так в подъемных и транспортных установках скорость необходимо снижать при подходе к пункту остановки, чтобы обеспечить точную остановку в требуемом месте. Скорость движения подъемной машины при опускании взрывчатых веществ должна быть значительно меньше номинальной. Скорость, с которой должен работать копающий механизм экскаватора, определяется условиями забоя и должна изменяться  в достаточно больших пределах в зависимости от этих условий. Применение в производственных машинах регулируемых электроприводов приводит к значительному упрощению конструкции машин и механизмов, освобождая их от от множества механических передач и регуляторов.

         Под регулированием  частоты вращения понимают процесс  принудительного изменения скорости  движения вала ЭД, используемого  в электроприводе производственной  машины, в зависимости от требований технологического процесса. Не следует смешивать понятие регулирования частоты вращения с естественным изменением частоты вращения под воздействием изменения статического момента нагрузки или колебаний параметров электрической сети. Регулирование частоты вращения всегда осуществляется за счет принудительного изменения параметров ЭД или сети. Поэтому регулирование частоты вращения по существу сводится к изменению формы механических характеристик ЭД.

         Основными показателями, характеризующими различные способы регулирование частоты вращения в электроприводах являются:

• диапазон регулирования;

-25-

• плавность регулирования;
• экономичность регулирования;
• стабильность;
• допустимая по условиям нагрева нагрузка при регулировании.

Рассмотрим более подробно физический смысл перечисленных выше показателей.

         Под диапазоном  регулирование обычно понимают  отношение максимально возможной  установившейся частоты вращения  к минимально возможной установившейся  частоты вращения.

Диапазон регулирования  выражается в числах в виде отношения 2:1, 10:1, 1000:1 и т.д.

         Плавность  регулирования характеризуется  скачком частоты вращения при  переходе от одного установившегося  значения к другому ближайшему. Плавность тем лучше, чем меньше этот скачок. Плавность регулирования характеризуется коэффициентом плавности

,

         где  -частота вращения на -той ступени,

                -частота вращения на ступени.

Чем больше приближается коэффициент плавности к 1, тем  плавнее процесс регулирования.

         Экономичность  регулирования характеризуется  затратами на сооружение и  эксплуатацию электропривода. Экономически  выгодным оказывается такой регулируемый электропривод, который обеспечивает большую производительность производственной машины или механизма при высоком качестве технологического процесса, и, который быстрее окупается. При оценке экономичности электропривода следует принимать во внимание надежность его в эксплуатации, учитывать дефицитность материалов и комплектующих изделий. Очень существенное значение имеют потери мощности при регулировании. Важными экономическими показателями являются коэффициент мощности и потребление реактивной мощности из сети.

         Стабильность  характеризуется изменением частоты  вращения при отклонении статического  момента нагрузки и зависит  от жесткости механической характеристики. Стабильность тем выше, чем больше  жесткость механической характеристики.

         Допустимая  по условиям нагрева нагрузка  ЭД при регулировании частоты  вращения зависит от способа  регулирования и условий охлаждения  двигателя. Так, например у  ЭД с принудительной вентиляцией  допустимая нагрузка остается  при любой частоте вращения, т.к. условия охлаждения не

-26-

изменяются в процессе регулирования. У ЭД с самовентиляцией  количество охлаждающего воздуха пропорционально  частоте вращения. Поэтому снижение частоты вращения вызывает необходимость  уменьшения нагрузки ЭД.

2.2. Классификация способов регулирования частоты вращения ЭД в электроприводах.

Рассматриваемые в настоящем  курсу способы регулирования  частоты вращения могут быть разделены  на две основные группы:

• параметрические способы;
• способы, связанные с применением регулируемых источников электрической энергии.

При параметрических способах регулирование частоты вращения  осуществляется за счет изменения тех или иных параметров ЭД или их электрических цепей. Так, например, у ЭД постоянного тока параметрические способы регулирования сводятся к регулированию изменением сопротивления в цепи якоря и изменением магнитного потока. У асинхронных ЭД переменного тока параметрические способы осуществляются: изменением активного сопротивления в цепи ротора,  индуктивного сопротивления в цепи статора, фазного напряжения, переключением числа пар полюсов.

         К группе способов, основанных на применении регулируемых источников, относятся способы, требующие использования специальных генераторов или статических преобразователей. Так в электроприводах постоянного тока используются способы, среди которых следует назвать  способы регулирования изменением напряжения в цепи якоря с помощью систем «генератор –двигатель», «тиристорный преобразователь-двигатель». В электроприводах переменного тока с асинхронными ЭД используются способы регулирования за счет использования статических преобразователей частоты и каскадных установок, вводящих добавочную ЭДС в цепь ротора.  Классификация способов регулирования частоты вращения, используемых в настоящее время в электроприводах различного назначения, приведена на рис.4.1 и 4.2.

2.3. Способ регулирования частоты вращения ЭД постоянного тока независимого возбуждения изменением сопротивления в цепи якоря.

Как уже говорилось выше, суть этого  способа заключается в том, что  регулирование осуществляется за счет введения в цепь якоря дополнительного активного сопротивления. Схемотехническое решение, реализующее рассматриваемый способ регулирования, представлена на рис.4.3. В большинстве случаев в мощных электроприводах реостатное регулирование осуществляется с помощью контакторов, замыкающих отдельные секции активных сопротивлений, т.е. процесс регулирования получается дискретным. Семейство механических характеристик ЭД,

-29-

реализуемых в процессе реостатного регулирования показано на рис. 4.4. Предположим ЭД работал на естественной характеристике в режиме, характеризующемся точкой А с координатами , . В целях уменьшения частоты вращения, в какой-то момент времени в цепь якоря включается дополнительное сопротивление . Механическая характеристика практически мгновенно (за время срабатывания контактора К1) из положения 1 перейдет в положение 2. Поскольку в силу механической инерции, частота вращения электропривода за столь малое время измениться не могла, то рабочая точка, характеризующая режим работы электропривода из положения А перейдет в положение В. В этом режиме ЭД будет развивать электромагнитный момент, значительно меньший, чем статический момент нагрузки. В результате этого ЭД начнет снижать частоту вращения и увеличивать электромагнитный момент. При этом рабочая точка начнет перемещаться вниз по механической характеристике. Уменьшение частоты вращения будет происходить до тех пор пока увеличивающийся электромагнитный момент ЭД не станет равным статическому моменту нагрузки. В этом случае ЭД будет работать в новом установившемся режиме, который характеризуется точкой С с координатами , . Дальнейшее регулирование частоты вращения вниз осуществляется при включении в цепь якоря следующих дополнительных сопротивлений , и т.д.

Краткая характеристика реостатного способа регулирования  может быть сведена к следующему:

         диапазон регулирования 3:1, 4:1 не более;

         плавность регулирования хорошая только у ЭД малой мощности, для

         которых можно применять ползунковые  реостаты;

         стабильность при уменьшении  частоты вращения снижается;

         экономичность регулирования низкая  из-за потерь мощности на допол-

         нительных сопротивлениях , включаемых  в цепь якоря.

2.4. Способ регулирования  ЭД постоянного тока независимого  возбуждения изменением магнитного  потока .

Способ регулирования  частоты вращения ЭД постоянного  тока изменением величины магнитного потока является одним из наиболее простых и экономичных способов. Поскольку мощность цепи возбуждения составляет всего 2-5% от мощности ЭД, то это значительно упрощает построение систем регулирования.

          Принципиальная  схема электропривода, в котором реализован рассматриваемый способ, показана на рис. 4.5. У ЭД постоянного тока изменение магнитного потока осуществляется при изменении тока возбуждения за счет введения дополнительного сопротивления в цепь независимой обмотки возбуждения. Поскольку номинальная частота вращения ЭД практически соответствует номинальному потоку, то магнит-