АСИНХРОННИЙ ЕЛЕКТРОПРИВОД З ФАЗОВИМ РЕГУЛЮВАННЯМ КУТОВОЇ ШВИДКОСТІ

Однією з ефективних можливостей підвищення надійності і економічності роботи електроприводів з асинхронними двигунами є використання тиристорних регуляторів напруги. Схема силових ланцюгів нереверсивного тиристорного регулятора напруги наведена на рис. 5.14.

Мал. 5.14. Схема силових ланцюгів нереверсивного тиристорного регулятора напруги

Схема складається з трьох пар зустрічно-паралельно включених тиристорів VS1-VS6, керованих від системи імпульсно-фазового управління (СІФУ) вхідним сигналом . Змінюючи напругу управління, можна плавно змінювати діюче значення напруги на обмотках статора двигуна.

Додавання в схему рис. 5.14 ще двох нар тиристорів дозволяє отримати реверсивну схему рис. 5.15, що забезпечує можливість обертання двигуна в двох напрямках. У тиристорних регуляторах напруги невеликої потужності замість пари тиристорів використовуються симетричні тиристори - сімістори, а також тиристорні модулі різного типу, в тому числі оптроннис.

Мал. 5.15. Схема силових ланцюгів реверсивного тиристорного регулятора напруги

Механічна характеристика асинхронного двигуна при регулюванні швидкості зміною напруги визначається виразом (5.10)

де - критичне ковзання,

- критичний момент.

При зниженні фазної напруги синхронна швидкість і критичне ковзання двигуна залишаються постійними, а критичний момент двигуна зменшується пропорційно квадрату фазної напруги. Відповідно знижується жорсткість робочої частини механічної характеристики. При постійному навантаженні регулювання швидкості можливо в діапазоні від до ι. Механічні характеристики асинхронного двигуна з короткозамкненим ротором при зміні напруги обмотки статора наведені на рис. 5.16.

При зниженні напруги живлення на 30% критичний момент асинхронного двигуна зменшується приблизно в два рази, і при значному статичному моменті двигун може зупинитися і опинитися під пусковим струмом. Зазначені випадки мають місце в слабких електричних мережах (північні райони, сільські місцевості). Отже, в системі керування електроприводом необхідна час- струмовий захист, що запобігає знаходження двигуна під неприпустимим струмом тривалий час.

Мал. 5.16. Механічні характеристики асинхронного двигуна з короткозамкненим ротором при регулюванні напруги на статорі

У той же час навмисне зниження напруги, що подається на статорні обмотки, часто використовується для регулювання швидкості асинхронного двигуна і для забезпечення плавності пуску.

Регулювання швидкості асинхронного двигуна шляхом зміни напруги обмотки статора пов'язане з можливістю перегріву його ротора і може проводитися лише за певних умов:

• • при малому діапазоні зниження швидкості щодо номінальної;
• • при зниженні щодо номінального моменту опору на валу двигуна;
• • при використанні двигуна з підвищеним ковзанням.

Припустимо, що момент опору на валу двигуна залишається постійним і рівним номінальному ( ). При зниженні напруги до двигун буде працювати з ковзанням і швидкістю . Потужність , що виділяється у вигляді втрат в обмотці ротора двигуна, буде дорівнює

і пропорційна площі прямокутника

Номінальна потужність ковзання, на розсіювання якої розрахована конструкція двигуна, пропорційна площі , вона приблизно в два рази менше втрат в роторі двигуна, що працює в точці "в". Природно, що при роботі в зазначеному режимі ротор двигуна буде перегріватися. Тому регулювання швидкості асинхронного двигуна зміною напруги статора можливо в тому випадку, коли момент опору при зниженні швидкості істотно менше номінального моменту. Властивістю зниження моменту опору зі зменшенням швидкості мають вентиляторні навантаження

(5.38)

де - момент від сил тертя, Н-м; а - коефіцієнт, Н м з / рад; - для вентиляторів; - для відцентрових насосів.

Механічні характеристики для випадку вентиляторної навантаження наведені на рис. 5.17.

Мал. 5.17. Механічні характеристики асинхронного двигуна при регулюванні напруги статора і вентиляторному моменті навантаження

Оскільки зі зниженням швидкості від до момент зі спротиву зменшується приблизно в квадрат раз від величини зниження швидкості, то потужність втрат в обмотці ротора зі зниженням швидкості зростає в меншій мірі, ніж при постійному навантаженні.

Швидкості, відповідні сталим режимам роботи електроприводу, можна визначити графічно по точках перетину механічних характеристик асинхронного двигуна і механічної характеристики вентилятора . Точки, що відповідають сталим значенням швидкості або ковзання , можуть відповідати сталому або нестійкого рівноваги.

Виникає питання про стійкість роботи електроприводу з вентиляторної навантаженням при ковзанні

Критерієм стійкості роботи електроприводу є виконання нерівності

(5.39)

де - жорсткість механічної характеристики двигуна в точці сталого режиму; - жорсткість механічної характеристики механізму (вентилятора) в точці сталого режиму.

Жорсткість механічної характеристики вентилятора неважко знайти аналітично з рівняння (5.38):

(5.40)

Як випливає з (5.40), жорсткість вентилятора лінійно збільшується зі зростанням його швидкості і в усьому діапазоні регулювання швидкості позитивна.

Для визначення жорсткості механічної характеристики двигуна перетворимо (5.7), підставивши в нього значення ковзання , отримаємо

(5.41)

тоді

(5.42)

При відомих параметрах вентилятора і двигуна значення і А-p досить просто визначаються шляхом чисельного диференціювання виразів (5.40) і (5.42) в математичній системі MathCAD. Результати розрахунків і , а також їх різниця , знайдені для напруги статора , представлені на рис. 5.18.

Мал. 5.18. Залежно жорсткості асинхронного двигуна Ар і вентилятора від швидкості

Аналіз графічних залежностей рис. 5.18 показує, що умова (5.39) виконується в околицях швидкості . Тому обертання вентилятора при ковзанні буде стійким. Сталий обертання вентиляторів зі ковзаннями, великими , при регулюванні їх швидкості зміною напруги підтверджується практичними дослідженнями для різних типів вентиляторів.

Висновок. Особливість механічної характеристики вентилятора дозволяє йому працювати на ділянці механічної характеристики асинхронного двигуна з ковзаннями, великими s K, що практично недосяжно для інших видів навантажень. Однак робота з великими ковзаннями викликає і великі втрати в роторі асинхронного двигуна.

Повні електромагнітні втрати в асинхронному двигуні

(5.43)

де - втрати в міді статора, Вт; - втрати в обмотці ротора, Вт; - втрати в стале статора, Вт.

При роботі на природній характеристиці ці втрати визначаються виразами [II]:

(5.44)

де - номінальні втрати в міді статора, Вт;

- номінальні втрати в обмотці ротора, Вт;

- номінальні втрати в сталі статора, Вт; - сумарні втрати в двигуні, Вт; - відносне значення моменту статичного навантаження, о. е .; В - конструктивний коефіцієнт, що залежить від серії асинхронного двигуна, о. е. - для серії асинхронних двигунів 4А; - для краново-металургійної серії. При роботі на регулювальної характеристики, що реалізується за рахунок зниження напруги обмотки статора, повні електромагнітні втрати в асинхронному двигуні визначаються відповідно до виразами:

(5.45)

Аналіз виразів (5.45) показує, що при роботі на характеристиці зі зниженим напругою збільшуються втрати в обмотці ротора , але зменшуються втрати в міді статора і в стале статора , але їх співвідношення таке, що загальні електромагнітні втрати при роботі на характеристиці зі зниженим напругою виявляються менше , ніж при роботі на природній характеристиці.

За літературними джерелами [11], при регулюванні швидкості зміною напруги для вентиляторної навантаження вдається знизити енергоспоживання в 1,5-2 рази. Економія електроенергії буде тим більше, чим менше момент двигуна, але порівняно з номінальним, і чим більше працює двигун з недовантаженням.

Приклад 5.4. Для короткозамкнутого асинхронного двигуна типу 4А112МВ6УЗ розрахувати і побудувати механічні та електромеханічні статичні характеристики для наступних напруг обмотки статора:

Основні параметри асинхронного двигуна і його схеми заміщення:

• • номінальна потужність двигуна кВт;
• • номінальна фазна напруга В;
• • номінальне ковзання о. е .;
• • номінальний струм обмотки статора А;
• • активний опір фази обмотки статора Ом;
• • індуктивне опір розсіювання фази обмотки статора Ом;
• • активний опір ротора, приведений до обмотці статора Ом;
• • індуктивне опір розсіювання фази обмотки ротора, приведений до обмотці статора Ом;
• • синхронна частота обертання об / хв;
• • кратність пускового струму о. е .;
• • кратність максимального моменту о. е.

Рішення. Розрахунок механічних характеристик асинхронного двигуна зробимо відповідно до вираження (5.7):

Механічні характеристики, розраховані для різних напруг обмотки статора, наведені на рис. 5.19.

Електромеханічна характеристика визначається залежністю

Мал. 5.19. Статичні механічні характеристики асинхронного двигуна типу 4А112МВ6УЗ для різних напруг обмотки статора

Електромеханічні характеристики для різних напруг обмотки статора наведені на рис. 5.20.

Статичні електромеханічні характеристики можна визначити за виразом

де

Так як регулювання швидкості асинхронного двигуна виробляється зміною напруги обмотки статора, то струм холостого ходу є функцією напруги обмотки статора і його можна знайти в відповідності зі схемою заміщення (див. Рис. 5.2) за рівнянням:

(5.46)

або після підстановки чисельних значень параметрів

Графіки електромеханічних характеристик і для різних напруг обмотки статора наведені на рис. 5.20.

Мал. 5.20. Електромеханічні характеристики короткозамкнутого асинхронного двигуна для різних напруг обмотки статора

Висновок . При зміні напруги статора критичний і пусковий момент асинхронного двигуна зменшуються пропорційно квадрату фазної напруги. Одночасно пропорційно напрузі зменшується струм короткого замикання. Цим властивістю користуються для обмеження кидків струму при пусках асинхронних двигунів. Регулювання швидкості відбувається за рахунок зміни жорсткості характеристик. На практиці для деяких типів вентиляторів вдається отримати діапазон регулювання швидкості D = 1:10 за рахунок роботи двигуна на ділянках механічної характеристики з ковзаннями, великими s K.