Асинхронный электропривод с фазовым регулированием угловой скорости

Одной из эффективных возможностей повышения надежности и экономичности работы электроприводов с асинхронными двигателями является использование тиристорных регуляторов напряжения. Схема силовых цепей нереверсивного тиристорного регулятора напряжения приведена на рис. 3.2.

Схема состоит из трех пар встречно-параллельно включенных тиристоров VS1 — VS6, управляемых от системы импульсно-фазового управления (СИФУ) входным сигналом U . Изменяя напряжение

управления, можно плавно менять действующее значение напряжения на обмотках статора двигателя.

Рис. 3.2. Схема силовых цепей нереверсивного тиристорного регулятора напряжения

Добавление в схему рис. 3.2 еще двух пар тиристоров позволяет получить реверсивную схему рис. 3.3, обеспечивающую возможность вращения двигателя в двух направлениях. В тиристорных регуляторах напряжения небольшой мощности вместо пары тиристоров используются симметричные тиристоры - симисторы, а также тиристорные модули различного типа, в том числе оптронные.

Рис. 3.3. Схема силовых цепей реверсивного тиристорного регулятора

напряжения

Механическая характеристика асинхронного двигателя при регулировании скорости изменением напряжения определяется выражением (2.9)

где - критическое скольжение;

- критический момент.

При снижении фазного напряжения ?/1; синхронная скорость сон и критическое скольжение sK двигателя остаются постоянными, а критический момент двигателя Мк уменьшается пропорционально квадрату фазного напряжения. Соответственно снижается жесткость рабочей части механической характеристики. При постоянной нагрузке Мс регулирование скорости возможно в диапазоне от оз0 до со0(1-sKC). Механические характеристики асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором при изменении напряжения обмотки статора приведены на рис. 3.4.

При снижении питающего напряжения на 30 % критический момент асинхронного двигателя уменьшается примерно в два раза, и при значительном статическом моменте двигатель может остановиться и оказаться под пусковым током. Указанные случаи имеют место в слабых электрических сетях (северные районы, сельские местности). Следовательно, в системе управления электроприводом необходима время- токовая защита, предотвращающая нахождение двигателя под недопустимым током длительное время.

Рис. 3.4. Механические характеристики асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором при регулировании напряжения на статоре

В то же время преднамеренное снижение напряжения, подаваемого на статорные обмотки, часто используется для регулирования скорости асинхронного двигателя и для обеспечения плавности пуска.

Регулирование скорости асинхронного двигателя путем изменения напряжения обмотки статора сопряжено с возможностью перегрева его ротора и может производиться лишь при определенных условиях:

• • при малом диапазоне снижения скорости относительно номинальной;
• • при снижении относительно номинального момента сопротивления на валу двигателя;
• • при использовании двигателя с повышенным скольжением. Предположим, что момент сопротивления на валу двигателя остается постоянным и равным номинальному (Мс = Мп). При снижении напряжения до U[2 двигатель будет работать со скольжением sp и скоростью (0р = со0(1 — s ). Мощность АРч2, выделяемая в виде потерь в обмотке ротора двигателя, будет равна

и пропорциональна площади прямоугольника Оаб.?р.

Номинальная мощность скольжения, на рассеяние которой рассчитана конструкция двигателя, пропорциональна площади 0a6.vH, она примерно в два раза меньше потерь в роторе двигателя, работающего в точке «в». Естественно, что при работе в указанном режиме ротор двигателя будет перегреваться. Поэтому регулирование скорости асинхронного двигателя изменением напряжения статора возможно в том случае, когда момент сопротивления Мс при снижении скорости существенно меньше номинального момента. Свойством снижения момента сопротивления с уменьшением скорости обладают вентиляторные нагрузки (1.5):

Механические характеристики для случая вентиляторной нагрузки приведены на рис. 3.5.

Рис. 3.5. Механические характеристики асинхронного двигателя при регулировании напряжения статора и вентиляторном моменте нагрузки

Поскольку со снижением скорости от сон до со0(1-5 ) момент сопротивления Мс уменьшается примерно в квадрат раз от величины снижения скорости, то мощность потерь в обмотке ротора ДРм2 со снижением скорости растет в меньшей степени, чем при постоянной нагрузке.

Скорости, соответствующие установившимся режимам работы электропривода, можно определить графически по точкам пересечения механических характеристик асинхронного двигателя М = / (со) и механической характеристики вентилятора Мс- /(со). Точки, соответствующие установившимся значениям скорости или скольжения sH, spi, 5р2, могут

соответствовать устойчивому или неустойчивому равновесию.

Возникает вопрос об устойчивости работы электропривода с вентиляторной нагрузкой при скольжении s ,.

Критерием устойчивости работы электропривода является выполнение неравенства (1.8)

где - жесткость механической характеристики двигателя в точке

установившегося режима; - жесткость механической характеристики механизма (вентилятора) в точке установившегося режима.

Жесткость механической характеристики вентилятора нетрудно найти аналитически из уравнения (1.8)

Как следует из (3.5), жесткость вентилятора &рс линейно увеличивается с ростом его скорости и во всем диапазоне регулирования скорости положительна.

Для определения жесткости механической характеристики двигателя преобразуем (2.6), подставив в него значение скольжения s = (со0 — со)/со0, получим

Тогда

При известных параметрах вентилятора и двигателя значения ?рс и достаточно просто определяются путем численного дифференцирования выражений (3.5) и (3.7) в математической системе MathCAD. Результаты расчетов к^с и , а также их разность кр - &рс, найденные

для напряжения статора ?/и, представлены на рис. 3.6.

Рис. 3.6. Зависимости жесткости асинхронного двигателя и вентилятора Л:рс от скорости

Анализ графических зависимостей рис. 3.6 показывает, что условие (1.8) выполняется в окрестностях скорости сор1 = C0o(l~^pi)- Поэтому

вращение вентилятора при скольжении хр1 (скорости (Opj) будет устойчивым. Устойчивое вращение вентиляторов со скольжениями, большими sK, при регулировании их скорости изменением напряжения подтверждается практическими исследованиями для различных типов вентиляторов.

Вывод. Особенность механической характеристики вентилятора позволяет ему работать на участке механической характеристики асинхронного двигателя со скольжениями, большими sK, что практически недостижимо для других видов нагрузок. Однако работа с большими скольжениями вызывает и большие потери в роторе асинхронного двигателя.