Лекции по теории электропривода

-31-

ный поток можно изменять заметным образом только в сторону  уменьшения. Для анализа рассматриваемого способа обратимся к уравнению  механической характеристики ЭД постоянного тока

Как видно из уравнения частота  вращения холостого хода

обратно пропорциональна  магнитному потоку. Следовательно, с  ослаблением магнитного потока частота  вращения холостого хода будет возрастать. Коэффициент жесткости с ослаблением магнитного потока будет также увеличиваться. Семейство механических характеристик ЭД, регулируемого изменением магнитного потока, показано на рис.4.6. Процесс регулирования происходит следующим образом. Предположим ЭД работал на естественной механической характеристике в режиме, характеризующемся точкой А с координатами , . Далее, в целях изменения частоты вращения, магнитный поток ЭД был уменьшен, при этом механическая характеристика из положения 1 перешла в положение 2. Предположим, что магнитный поток был уменьшен форсированно во времени, т.е. достаточно быстро. Поскольку, в силу механической инерции электропривода частота вращения ЭД за это время заметным образом измениться не успела, то рабочая точка из положения А перейдет в положение В. В этом режиме ЭД развивает электромагнитный момент значительно больший, чем статический момент нагрузки, в связи с чем ЭД начнет увеличивать частоту вращения. Рабочая точка при этом начнет перемещаться по новой механической характеристике вверх, а электромагнитный момент ЭД будет уменьшаться. Увеличение частоты вращения ЭД будет происходить до тех пор, пока уменьшающийся электромагнитный момент не станет равным статическому моменту нагрузки. Это произойдет в точке С, в которой ЭД будет работать в новом установившемся режиме, вращаясь с новой установившейся частотой , и, развивая электромагнитный момент равный . Возможное увеличения частоты вращения по сравнению с номинальной ограничивается условиями коммутации и механической прочностью ЭД. Обычно двигатели допускают увеличение частоты вращения на 20% относительно номинального значения.

         Краткая оценка рассматриваемого  способа регулирования может  быть сведена к следующему:

• регулирование только вверх, диапазон регулирования 1,2:1;
• плавность регулирования высокая, так как управление происходит по цепи возбуждения, мощность которой позволяет применять ползунковый реостат;

 

-32-

• стабильность снижается с увеличением частоты вращения;
• экономичность регулирования высокая, так как дополнительные расходы на создание системы управления не высоки, а потери мощности на дополнительном сопротивлении в цепи возбуждения незначительны.

2.5. Способ регулирования ЭД постоянного тока независимого возбуждения по системе «генератор-двигатель».

Принципиальная схема  электропривода, работающего по системе  «генератор-двигатель» представлена на рис. 4.7. В соответствии со схемой в  состав электропривода входят:

• АД-асинхронный двигатель переменного тока (гонный двигатель);
• Г-генератор постоянного тока с независимым возбуждением;
• Д-исполнительный ЭД постоянного тока с независимым возбуждением.

Обмотка статора АД подключается к трехфазной сети переменного тока, а его вал жестко соединяется с валом генератора. Таким образом электрический генератор Г работает с постоянной частотой вращения. Как правило, АД и генератор Г устанавливаются на одной станине и представляют собой единый агрегат. Цепь якоря генератора нагружена на цепь якоря исполнительного двигателя Д. Питание цепей возбуждения генератора Г и исполнительного двигателя Д осуществляется от отдельного источника постоянного напряжения. Причем напряжение возбуждения генератора может плавно изменяться в диапазоне от до с помощью потенциометра .

         Уравнение  механической характеристики ЭД, работающего в системе «Г-Д», можно  получить, исходя из уравнения  равновесия ЭДС, составленного  для цепи якоря генератора  и двигателя

,

         где  -ЭДС генератора, В;

                -противоэдс ЭД, В;

                -ток, протекающий в якорной цепи генератора и двигателя, А;

                -сопротивление цепи якоря генератора, Ом;

                -сопротивление цепи якоря двигателя, ОМ.

Поскольку противоэдс двигателя равна 

,

         здесь  -магнитный поток двигателя, Вб,

то, подставляя это выражение  в уравнение равновесия электродвижущих  сил, и, решая его относительно частоты  вращения, имеем

-34-

А, с учетом того, что электромагнитный момент ЭД постоянного тока прямо

пропорционален току якоря и  магнитному потоку, в окончательном  виде уравнение механической характеристики ЭД постоянного тока, работающего  в электроприводе по системе «генератор-двигатель», будет выглядеть следующим образом

Таким образом, механические характеристики представляют собой семейство прямых линий, пересекающих ось ординат в точках холостого хода, значения которых определяются величинами эдс генератора. Наклон механических характеристик является постоянным и зависит от суммарного сопротивления якорных цепей генератора и двигателя. Частота идеального холостого хода ЭД может приобретать любое значение от до . Отрицательные значения частоты вращения холостого хода могут быть получены при изменении направления тока в обмотке возбуждения генератора. Семейство механических характеристик ЭД, поясняющее процесс регулирования частоты вращения электропривода, выполненного по системе «генератор-двигатель», представлено на рис.4.8.

         Давая оценку рассматриваемого способа регулирования, следует отметить следующее:

• диапазон регулирования получается достаточно широким 10:1 и больше. Если в качестве возбудителя генератора использовать электромашинный усилитель, то диапазон регулирования можно довести до 100:1;
• плавность регулирования высокая так, как управление частотой вращения осуществляется по цепи возбуждения генератора;
• стабильность вполне приемлемая так, как механические характеристики отличаются жесткостью;
• экономичность регулирования невысокая, вследствие больших первоначальных затрат на создание электропривода и низкого коэффициента полезного действия системы, состоящей из большого числа электрических машин.

2.6. Способ регулирования частоты вращения асинхронных ЭД переменного тока переключением пар полюсов.

Этот способ регулирования применим только для короткозамкнутых ЭД, имеющих  специальную конструкцию, допускающую  изменение числа пар полюсов  магнитного поля, создаваемого обмоткой статора. Такие асинхронные ЭД получили название полюсопереключаемыми. Отечественной промышленностью серийно выпускаются ЭД, позволяющие

получать число пар полюсов 2.3,4. Соответственно такие ЭД называются

-35-

двух, трех и четырехскоростными.

У двухскоростных ЭД статорная обмотка  каждой фазы состоит из двух секций, которые могут быть включены либо параллельно (режим малого числа пар полюсов), либо последовательно (режим большого числа пар полюсов). Механические характеристики двухскоростного асинхронного ЭД показаны на рис.4.9. При увеличении числа пар полюсов синхронная частота вращения, равная

уменьшается, поскольку  ее значение обратно пропорционально  числу пар полюсов. В свою очередь  значение критического момента, которое  обратно пропорционально синхронной частоте вращения, возрастает.

         Краткая характеристика этого способа регулирования может быть сведена к следующему:

• реализуемый диапазон регулирования получается дискретным, а его величина определяется конструкцией ЭД, а точнее его возможностями в части изменения числа пар полюсов;
• стабильность достаточно высокая, поскольку ЭД работает на линейной части механической характеристики;
• экономичность процесса регулирования тоже высокая, так как затраты на создание электропривода незначительны, а коэффициент полезного действия большой.

2.7. Способ регулирования частоты вращения асинхронных ЭД переменного тока введением сопротивления в цепь ротора.

Рассматриваемый способ регулирования применим только для  асинхронных ЭД с фазным ротором. Способ по сравнению с другими  является наиболее простым, поэтому широко применяется в электроприводах самого различного назначения. Графическое изображение семейства механических характеристик, получаемых при введении в цепь ротора дополнительных сопротивлений, и, поясняющих процесс регулирования, показано на рис. 4.10. Как следует из представленных графиков, при увеличении сопротивления, вводимого в цепь ротора, увеличивается наклон механических характеристик. При этом значения синхронной частоты вращения и критического электромагнитного момента ЭД остаются постоянными. Этот способ очень похож на способ регулирования ЭД постоянного тока изменением сопротивления в цепи якоря и краткая оценка его аналогична:

• диапазон регулирования небольшой 3:1. При снижении нагрузки диапазон регулирования тоже уменьшается, а на холостом ходу регулирование вообще невозможно;
• плавность регулирования зависит от числа ступеней, в случае использования жидкостного реостата регулирование бесступенчатое;

-37-

• экономичность процесса регулирования не высока, что объясняется потерями на активных сопротивлениях, вводимых в цепь ротора, величина этих потерь пропорциональна скольжению.

Этот способ регулирования  применяется в электроприводах  малой и средней мощности в  тех случаях, когда требуется  кратковременное снижение частоты  вращения. В горной промышленности способ регулирования введением в цепь ротора активного сопротивления используется в электроприводах шахтных подъемных машин, уклонных лебедках, конвейерах и т.д.

2.8. Частотный способ регулирования асинхронных ЭД переменного тока.

Частотный способ на сегодняшний день является наиболее перспективным способом регулирования частоты вращения асинхронных ЭД и наиболее широко применяется в различных отраслях промышленности, в том числе и в горной. Суть его заключается в том, что в процессе регулирования одновременно изменяются и действующее значение напряжения, и его частота. При этом величина отношения напряжения к частоте остается постоянной во всем диапазоне регулирования. Соблюдение этого условия необходимо для создания оптимальных режимов работы ЭД (двигатель не перегревается, значение критического электромагнитного момента остается постоянным). Механические характеристики асинхронного ЭД, регулируемого таким способом, представлены на рис.4.11. Анализ механических характеристик показывает, что они очень напоминают механические характеристики ЭД постоянного тока, работающего в системе «генератор-двигатель». Иными словами рассматриваемый способ имеет практически те же достоинства и кратко может быть охарактеризован следующим образом:

• диапазон регулирования 10:1 и выше;
• плавность регулирования очень высокая;
• стабильность также достаточно высокая, так как ЭД во всем диапазоне работает на линейных участках механических характеристик;

Следует отметить, что  применение частотного способа целесообразно не только для регулирования частоты вращения. Его использование обеспечивает также плавный пуск ЭД без потребления бросков тока из сети. Последнее обстоятельство имеет особо важное значение для забойных машин, работающих с частыми пусками, перегрузками, и, получающих питание по кабельным линиям большой длины. В настоящее время шахтные забойные машины, снабженные нерегулируемыми приводами на основе асинхронных короткозамкнутых ЭД, находятся в исключительно тяжелых условиях. Поддержание необходимого уровня напряжения на статорных обмотках ЭД крайне затруднено. При включении ЭД значительный пусковой

ток создает уменьшение напряжения относительно номинального значения

-38-

на 20-30% за счет падения  в кабельной линии. Это приводит к уменьшению пускового момента ЭД на 35-50% и к резкому снижению производительности в конечном счете. Указанный недостаток устраняется при применении частотного способа регулирования.

         Для практической реализации  частотного способа в регулируемых  электроприводах используются статические преобразователи частоты. Последние представляют собой полупроводниковые электронные устройства, обеспечивающие преобразование параметров промышленной трехфазной сети в систему трехфазного напряжения с регулируемыми параметрами. По принципу действия статические преобразователи разделяются на:

• преобразователи с непосредственным преобразованием частоты;
• преобразователи частоты со звеном постоянного тока.

Наибольшее распространение  в электроприводах сегодня нашли  статические преобразователи со звеном постоянного тока, которые выгодно отличаются тем, что обеспечивают больший диапазон регулирования и могут регулировать частоту как вверх, так и вниз. На сегодняшний день существует и широко применяется достаточно большое количество схемотехнических решений статических преобразователей частоты со звеном постоянного тока, которые отличаются и схемами, и элементной базой. На рис.4.11 представлена функциональная схема статического преобразователя частоты со звеном постоянного тока. В соответствии со схемой статический преобразователь состоит из двух основных устройств: