Электропривод с асинхронным двигателем

Электропривод с асинхронным двигателем - Электропривод крановых механизмов

Страница 4 из 4

ЭЛЕКТРОПРИВОД С АСИНХРОННЫМ ДВИГАТЕЛЕМ МЕХАНИЗМОВ ПОДЪЕМА С МАГНИТНЫМ КОНТРОЛЛЕРОМ

Рис. 7. Схема электропривода механизма подъема с асинхронным двигателем и магнитным

контроллером

Одна из распространенных схем, применяемых на крановых приводах механизмов подъема в диапазоне мощностей двигателей от 11 до 180 кВт и механизмов передвижения в диапазоне от 3,5 до 100 кВт, — схема с асинхронным двигателем и магнитным контроллером, приведенная на рис. 7. Эта схема обеспечивает автоматический разгон, реверсирование, торможение и ступенчатое регулирование частоты. На положениях подъема пуск и регулирование скорости осуществляется изменением сопротивлений резисторов, включенных в цепь обмотки ротора двигателя. Первое положение, на котором реализуется минимальный пусковой момент, служит для выбора слабины каната и подъема малых грузов на пониженной скорости. Подъем с малой скоростью тяжелых грузов производится на втором положении. На третьем положении осуществляется первая ступень разгона двигателя. Последние две ступени пуска осуществляются автоматически под контролем реле времени КТ1 и КТ2.

На положениях спуска обеспечивается регулирование частоты вращения двигателя в режимах: противовключения на первом и втором положениях и однофазного торможения на третьем положении. На четвертом положении, на котором все ступени резисторов выведены, производится спуск грузов с наибольшей скоростью. Так же как и при подъеме, переход на естественную характеристику производится автоматически в функции времени под контролем реле КТ1 и КТ2.

Первое и второе положения используются в основном для получения малых скоростей спуска грузов, близких к номинальному. Режим однофазного торможения предназначен для получения малых скоростей при спуске легких грузов. Используя положения противовключения и однофазного торможения, можно регулировать скорость спуска различных грузов (переключением рукоятки командоконтроллера между третьим, вторым и первым положениями) в пределах диапазона 4:1-3:1.

Реализация указанных режимов осуществляется коммутацией силовых цепей двигателя с помощью контакторов. В цепи статора двигателя включены контакты линейного контактора КМ1, контакторов направления вращения КМ2, КМЗ и контактора однофазного включения двигателя КМ5. Ступени резисторов в цепи ротора выводятся с помощью контакторов ускорения КМ6—КМ9 и контактора противовключения КМ10. Контактор КМ4 предназначен для управления электромагнитным тормозом УВ.

Схема однофазного торможения собирается при включении контактора КМ5 в цепи статора и КМ6 в цепи ротора. Для исключения одновременного включения контакторы однофазного включения КМ5 и линейный КМ1, а также контакторы направления КМ2, КМЗ соответственно попарно механически и электрически сблокированы.

Схема управления механизмами подъема выполнена таким образом, что включение двигателя при спуске грузов осуществляется только на третьем положении командоконтроллера. Это сделано с той целью, чтобы исключить возможность подъема (вместо спуска) легких грузов. Блокировка выполнена с помощью вспомогательного контакта КМ4, который включается лишь на третьем положении спуска. Этот вспомогательный контакт включен в цепь обмотки реле КТ1, через контакт которого при спуске грузов подается питание на катушку контактора КМ2. Для того чтобы при установке заведомо тяжелых грузов не получилось недопустимо большой скорости на третьем положении, можно сразу обеспечить включение двигателя в первом и втором положениях командоконтроллера, нажав педаль спуска тяжелых грузов SB, которая подает питание на контакторы КМ4 и КМ2.

В приведенной схеме применен магнитный контроллер типа ТСА, в котором предусмотрена конечная защита с помощью контактов выключателей SQ1, SQ2. Максимальная и нулевая защиты выведены на защитную панель, которая в схеме не приводится.

Электроприводы с асинхронным двигателем

ЭП с трехфазным асинхронным двигателем (АД) является самым массовым видом привода в промышленности, в коммунальном и сельском хозяйстве. Такое положение определяется простотой изготовления и эксплуатации АД, меньшими по сравнению с ДПТ массой, габаритными размерами и стоимостью, а также высокой надежностью в работе. В народном хозяйстве наибольшее распространение получили АД с короткозамкнутым ротором.

Основной областью применения АД вплоть до недавнего времени являлся нерегулируемый электропривод. В последние годы в связи с разработкой и выпуском электротехнической промышленностью тиристорных преобразователей частоты и напряжения стали создаваться регулируемые асинхронные ЭП с характеристиками, не уступающими по своим показателям ЭП постоянного тока.

8.1. Механические характеристики

асинхронных двигателей

Основная схема включения трехфазного АД в сеть и соответствующая ей однофазная схема замещения с вынесенным контуром намагниченности показаны на рисунке 8.1 [1,2].

Рис.8.1. Схема включения (а) и однофазная схема замещения (б) АД

На схеме приняты следующие обозначения:

Uф – действующее значение фазного напряжения сети, В;

– фазные токи соответственного намагничивания, обмотки статора и приведенный ток ротора, А;

– индуктивное сопротивление контура намагничивания, Ом;

– активные фазные сопротивления обмоток, соответственно статора и ротора; последнее приведено к обмотке статора, Ом;

R и R – добавочные сопротивления в фазах статора и ротора;

– индуктивные фазные сопротивления, обусловленные полями рассеяния обмоток статора и ротора; последнее приведено к обмотке статора, Ом.

S – скольжение двигателя, определяется по выражению [1,4]:

где – угловая скорость ротора, рад/с; – угловая скорость магнитного поля статора, называемая синхронной, рад/с.

В выражении (8.2):

– частота напряжения питающей сети, Гц;р – число пар полюсов двигателя.

Рассматриваемая схема замещения АД получена при определенных допущениях. В частности, ее параметры считаются не зависящими от режима работы, не учитываются насыщение магнитопровода, добавочные потери, а также влияние пространственных и временных высших гармонических составляющих (н.с.) обмоток статора и ротора.

При подведении к обмотке статора переменного трехфазного напряжения в статоре образуется вращающееся магнитное поле со скоростью . Это поле пересекает обмотку ротора и наводит в ней ЭДС [1]:

где < 1 – обмоточный коэффициент, учитывающий уменьшение ЭДС ротора вследствие геометрического сложения ЭДС, и укорочение шага обмотки ротора;

– частота тока в обмотке ротора, Гц;

– число витков обмотки фазы ротора;

– максимальное значение магнитного потока статора, Вб.

Эта ЭДС создает ток в обмотке ротора

где – активное сопротивление фазной обмотки ротора;

индуктивное сопротивление рассечения фазы роторной обмотки.

Взаимодействуя с полем статора, активный ток создает пусковой вращающий момент, и двигатель запускается, вращаясь в дальнейшем со скоростью

При номинальном скольжении номинальная скорость .

Для обычных двигателей = 0,02÷0,06, для двигателей с повышенным скольжением = 0,08÷0,18.

Запуск электродвигателя происходит по следующей механической характеристике (рис. 8.2).

Рис. 8.2. Механическая характеристика АД

На рисунке 8.2 обозначено: Мп – пусковой момент; Мк – критический момент; Мн – номинальный момент; Sк – критическое скольжение.

Так как ЭДС, индуктированная в обмотке ротора в момент пуска имеет максимальное значение (при S=1, f2 =50 Гц), то ток в обмотке ротора

I2 = (4–8)Iн.д. (Iн.д – номинальный ток двигателя).

Однако на пусковой момент влияет не эта величина пускового тока

(I2 = Iп), а сдвиг фаз между током I2 и ЭДС Е2s ротора.

Если индуктивность обмотки ротора велика, то будет большим и сдвиг фаз между током ротора I2 и ЭДС ротора Е2s .

В момент пуска, когда ротор еще неподвижен, частота тока в обмотке ротора наибольшая ( = =50 Гц), и поэтому индуктивное сопротивление имеет наибольшее максимальное значение :

где – индуктивность рассеяния фазы обмотки ротора.

Вращающий момент АД определяется по формуле [1]

а коэффициент мощности - по выражению [1]

В формуле (8.7): – обмоточный коэффициент; – угол сдвига фаз между ЭДС и током фазы обмотки ротора.

Таким образом, момент двигателя определяется активной слагающей пускового полного тока ротора .

Пусковой момент двигателя можно увеличить, если в момент пуска уменьшить сдвиг фаз меду током I2 и ЭДС E2S ротора. Это приведет к тому,

что увеличится . При R2доб = 0 и &#969; = 0 = 0,1÷0,2. При R2доб &#8800; 0

= 0,3–0,6. При &#969; = &#969;н = 0,8÷0,9. На практике этим способом часто пользуются. Для этого в цепь ротора вводят активное сопротивление, которое затем выводят как только двигатель увеличит скорость, либо применяют двигатель, у которого на роторе глубокие пазы для стержней, либо две клетки (две короткозамкнутые обмотки).

Таким образом, пусковой момент двигателя зависит от конструкции ротора.

При пуске АД с уменьшением скольжения от S = 1 до S = Sк уменьшаются частота и ЭДСЕ2. полный ток I2 уменьшается очень медленно (всего на

29 % от I2п ), а и активный ток I значительно увеличиваются. При дальнейшем пуске АД от S = Sк до S = 0 токи I2 и I резко уменьшаются при незначительном росте . Такие изменения параметров в цепи ротора и определяют вид характеристики (рис. 8.2).

Для вывода уравнения механической характеристики и ее построения обычно пользуются схемой замещения двигателя (рис. 8.1б), рассматривая баланс мощности в двигателе.

Электромагнитная мощность Р12. передаваемая ротору от статора, определяется электромагнитным моментом М, развиваемым двигателем: Р12 = М&#969;0. Здесь, как и ранее, считается, что электромагнитный момент двигателя приблизительно равен моменту на его валу, т.е. не учитываются механические потери.

Мощность, передаваемую ротору, можно разделить на две составляющие: мощность, преобразуемую в механическую Рм, и мощность потерь &#8710;Рэл.2 в роторе. Первая составляющая может быть определена следующим образом:

Рм = М&#969;. Вторая составляющая представляет собой электрические потери в обмотках ротора и потери на перемагничивание.

Как правило, потери в стали ротора существенно меньше электрических потерь, в связи с чем последними можно пренебречь. Тогда

Р12 =Рм + &#8710;Рэл.2. (8.9)

или М&#969;0 = М&#969; +&#8710;Рэл.2 .

&#8710;Рэл.2 = М(&#969;0 – &#969;) = М&#969;0 S. (8.10)

Учитывая, что

&#8710;Рэл.2 = , (8.11)

Электропривод с асинхронным двигателем асинхронным двигателем

где =, можно записать выражение для момента в виде

Из схемы замещения [1,2]

где – индуктивное фазное сопротивление короткого замыкания.

Выражение (8.13) представляет собой уравнение электромеханической характеристики двигателя . так как скольжение однозначно определяет величину скорости двигателя .

Отметим, что для АД обычно под электромеханическими и механическими характеристиками понимаются зависимости момента и тока от скольжения. В этом случае соответствующие уравнения получают более компактную форму записи и оказываются удобными для вычисления.

Подстановка (8.13) в (8.12) дает уравнение механической характеристики [1,2,3,4]:

Максимальное значение момента Мк принято называть критическим (допустимым перегрузочным моментом). Соответствующее ему скольжение Sк также называется критическим. Для определения Sк необходимо решить уравнение вида , подставив в него М(S).

Решение этого уравнения дает:

Подставляя значение в уравнение (8.14), находим:

Знак (+ ) соответствует S > 0, а (–) – S < 0. Знаки « » в уравнении (8.16) означают, что максимум момента может иметь место при S > 0 в двигательном режиме или в режиме противовключения, а при S < 0 – в генераторном режиме.

Из уравнения (8.16) видно, что при работе в генераторном режиме с рекуперацией энергии критический момент больше, чем при работе в двигательном режиме или режиме противовключения.

Из уравнений (8.14) и (8.16) с учетом (8.15) может быть получена другая формула для механической характеристики:

Электропривод с асинхронным двигателем электропривод

Для крупных машин сопротивление невелико, поэтому практически . В этом случае получится формула, более удобная для расчетов [1,2]:

Критическое скольжение можно определять по следующему выражению:

где – коэффициент перегрузочной способности.

Для уравнения (8.18) достаточно знать лишь параметры, которые обычно указываются в каталогах, или могут быть найдены по данным каталогов, тогда как такие параметры, как и обычно неизвестны.

Анализ формулы (8.18) показывает, что при S > Sк (нерабочая часть характеристики) получается гипербола. Эта часть характеристики соответствует лишь пусковым и тормозным режимам.

При малых значениях скольжения (S < Sк) для М = f(S) получится уравнение прямой линии. Эта линейная часть характеристики является ее рабочей частью, на которой двигатель обычно работает в установившемся режиме. На этой же части характеристики находятся точки, соответствующие номинальным данным Мн, Iн, &#969;н. Sн … .

Величина номинального скольжения зависит от сопротивления ротора и мощности двигателя. Двигатель с малым сопротивлением (большой мощности) ротора имеет малые Sк и Sн и более жесткую механическую характеристику.

Анализ уравнений (8.15) и (8.16) показывает, что Мк и Sк уменьшаются с увеличением индуктивных сопротивлений обмоток и активного сопротивления обмотки статора.

Критическое скольжение не зависит от питающего напряжения и прямо пропорционально . Это свойство используется для увеличения пускового момента АД с фазным ротором при включении в цепь ротора добавочного сопротивления R (рис. 8.1а).

Механические характеристики АД с фазным ротором приведены на рисунке 8.3.

Рис. 8.3. Механические характеристики АД с фазным ротором

С увеличением сопротивления R снижается жесткость механических характеристик аналогично как и для ДПТ независимого возбуждения.

Момент Мк не зависит от активного сопротивления цепи ротора и пропорционален квадрату напряжения питающей сети. Снижение напряжения питающей сети на

15 % приводит к уменьшению Мк и соответственно &#955; на 28 %.

Соколовский Г. Г.

Электроприводы переменного тока с частотным регулированием

ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ

Учебно-методическим объединением по образованию в области энергетики и электротехники в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности 140604 «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов» направления подготовки 140600 «Электротехника, электромеханика и электротехнологии»

Изложены основные принципы построения частотно-регулируемых электроприводов переменного тока с разомкнутыми и замкнутыми системами регулирования при питании от преобразователя частоты со звеном постоянного тока и инвертором, управляемым напряжением или током. Рассмотрены математические модели электроприводов с асинхронными, синхронными и вентильными двигателями. Приведены примеры расчетов, иллюстрирующие изложенные теоретические положения.

Для студентов высших учебных заведений. Может быть полезен специалистам, работающим в области электротехнических комплексов и систем.

Содержание учебника

Глава 1. Математическое описание электропривода с асинхронным двигателем и разомкнутой системой регулирования

1.1. Уравнения для мгновенных значений напряжений, токов и потокосцеплений

1.2. Т-образная схема замещения асинхронного двигателя

1.3. Векторная диаграмма асинхронного двигателя

1.4. Представление трехфазной системы пространственными векторами

1.5. Системы координат и их взаимосвязь

1.6. Описание электромагнитных процессов в асинхронном двигателе в пространственных векторах

Глава 2. Представление математического описания электропривода с асинхронным двигателем и разомкнутой системой управления в виде структурных схем

2.1. Электромагнитный момент асинхронного двигателя

2.2. Основные уравнения и векторно-матричная структурная схема асинхронного двигателя

2.3. Структурная схема электропривода с асинхронным двигателем при произвольной ориентации системы координат

2.4. Структурная схема электропривода с асинхронным двигателем при ориентации системы координат по вектору потокосцепления ротора

2.5. Учет насыщения магнитной системы в математическом описании асинхронного двигателя

Глава 3. Электроприводы с синхронным и вентильно-индукторным двигателями

3.1. Математическое описание синхронного двигателя без демпферной обмотки

3.2. Статические характеристики электропривода с синхронным двигателем

3.3. Математическое описание синхронного двигателя с демпферной обмоткой

3.4. Электропривод с реактивным синхронным двигателем

3.5. Электропривод с вентильно-индукторным двигателем

Глава 4. Преобразователи частоты в системе частотного регулирования скорости электропривода переменного тока

4.1. Преобразователь частоты с автономным инвертором напряжения и управляемым выпрямителем

4.2. Преобразователь частоты с автономным инвертором напряжения и широтно-импульсной модуляцией

4.3. Преобразователь частоты с автономным инвертором напряжения и векторной широтно-импульсной модуляцией

4.4. Преобразователи частоты с автономным инвертором, управляемым током

4.5. Тормозной режим двигателя при питании от преобразователя частоты со звеном постоянного тока

Глава 5. Электропривод с вентильным двигателем на основе синхронной машины с постоянными магнитами

5.1. Принцип действия электропривода с бесконтактным двигателем постоянного тока

5.2. Конструктивные особенности синхронных двигателей с постоянными магнитами

5.3. Принцип построения и математическое описание электропривода с вентильным двигателем на основе двухфазной синхронной машины

5.4. Математическое описание электропривода с вентильным двигателем на основе трехфазной синхронной машины

Глава 6. Принципы регулирования скорости электроприводов переменного тока изменением частоты напряжения на статоре

6.1. Механические характеристики и режимы работы асинхронного двигателя 6.2. U/f-регулирование скорости электропривода с асинхронным двигателем

6.3. Векторное управление электроприводом с асинхронным двигателем

6.4. Прямое управление моментом асинхронного двигателя

6.5. Бездатчиковое определение скорости в электроприводе переменного тока

Глава 7. Системы регулирования скорости электропривода переменного тока изменением частоты напряжения на статоре

7.1. Замкнутая по скорости система регулирования электропривода с асинхронным двигателем при поддержании постоянства потокосцепления статора

7.2. Замкнутая по скорости система регулирования электропривода с асинхронным двигателем при поддержании постоянства потокосцепления ротора

7.3. Система регулирования скорости электропривода с асинхронным двигателем и векторным управлением при непосредственном измерении потока

7.4. Система регулирования скорости электропривода при векторном управлении асинхронным двигателем и определении потокосцепления ротора по модели потока

7.5. Системы управления электропривода с вентильным двигателем

Глава 8. Примеры расчетов в приводах переменного тока

8.1. Расчет переходного процесса при пуске электропривода с асинхронным двигателем прямым включением двигателя в сеть

8.2. Расчет реакции электропривода с синхронным двигателем на изменение момента нагрузки

8.3. Сравнение механических характеристик электропривода с асинхронным двигателем, рассчитанных на основании Т-образной и Г-образной схем замещения

8.4. Расчет механических характеристик электропривода с асинхронным двигателем и разомкнутой системой регулирования при поддержании постоянства критического момента

8.5. Оценка влияния переключения векторов напряжения на статоре на значения потокосцепления статора и момента асинхронного двигателя при прямом управлении моментом

8.6. Расчет динамики замкнутой по скорости системы регулирования электропривода с асинхронным двигателем при поддержании постоянства потокосцепления статора

8.7. Стандартные настройки контуров регулирования в приводах переменного тока

8.8. Расчет динамических режимов в системе регулирования скорости при векторном управлении асинхронным двигателем

8.9. Расчет динамики следящего электропривода переменного тока на примере азимутального привода крупного радиотелескопа

Заключение

Список литературы

Современный этап развития промышленных приводов характеризуется значительным расширением области применения регулируемых электроприводов переменного тока. Это касается большинства тех отраслей промышленности, в которых ранее использовались электроприводы постоянного тока с двигателями, независимого возбуждения, обладающие наилучшими регулировочными свойствами (например, металлообрабатывающая промышленность, бумагоделательная промышленность и др.), а также отраслей, где технологические параметры средствами электропривода не регулировались (например, насосные станции и воздуходувки).

Основой для разработки асинхронного двигателя послужило открытие явления вращающегося магнитного поля, сделанное одновременно и независимо друг от друга Г.Феррарисом (Италия) и Н.Теслой (США) и опубликованное в 1888 г. В то же самое время русским электротехником М. О. Доливо-Добровольским был сконструирован трехфазный асинхронный двигатель с распределенной обмоткой статора, а в 1889 г. им же был изобретен корот-козамкнутый ротор асинхронного двигателя с обмоткой в форме беличьей клетки. Конструкция асинхронного двигателя, принципиально разработанная тогда, сохранилась до сих пор, он и поныне является одной из самых дешевых и долговечных электрических машин.

Электропривод с асинхронным двигателем двигатель

Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором является самым распространенным типом электрической машины. Это объясняется простотой его конструкции и высокой надежностью, связанной с отсутствием щеток и контактных колец. Длительное время асинхронный двигатель использовался, в основном, в нерегулируемых электроприводах, хотя теоретические способы регулирования его скорости были известны. Одновременно велись работы по практическому созданию регулируемого привода переменного тока.

При всех известных способах регулирования скорости асинхронного двигателя (регулирование изменением напряжения на статорной обмотке, переключением числа пар полюсов, введением сопротивления или добавочной электродвижущей силы (ЭДС) в роторную цепь двигателя с фазным ротором) только электропривод с регулированием путем изменения частоты напряжения на статоре мог составить конкуренцию приводу постоянного тока с двигателем независимого возбуждения в тех устройствах, в которых требуется большой диапазон регулирования скорости и предъявляются высокие требования к точности ее поддержания и динамическим характеристикам привода. На статоре асинхронного двигателя располагается трехфазная (реже — с другим числом фаз) статорная обмотка, оси фаз которой сдвинуты между собой в электрическом пространстве на 120 эл. град. На роторе также расположена трехфазная обмотка, если двигатель имеет фазный ротор, или обмотка в форме беличьей клетки, если двигатель выполнен с короткозамкнутым ротором.

Теги: 

Рекомендуем также прочитать

Схемы управления асинхронными электродвигателями
Электродвигатели асинхронные В НАЛИЧИИ!
Неисправность сервопривода Неисправность сервопривода
Новый, Мотоблок Аврора G-135 бензиновый с фрезой; сборка своими руками