Частотное управление асинхронным двигателем

Цель работы: экспериментальное исследование механических и регулировочных характеристик частотно-управляемого асинхронного электродвигателя (АД), питаемого от транзисторного автономного инвертора напряжения (АИН).

1. Основные теоретические сведения

Частотное управление АД является в настоящее время широко распространенным способом регулирования скорости двигателя и осуществляется с помощью различных преобразователей частоты (ПЧ), как со звеном постоянного тока (АИН или АИТ), так и непосредственных ПЧ (НПЧ). Поскольку скорость вращения магнитного поля АД определяется формулой.

Где: f1-частота питающего напряжения; з1- число пар полюсов статора, то путем изменения а1 можно получить широкий диапазон плавного регулирования скорости двигателя.

2. Электрическая схема лабораторной установки

В лабораторной установке использованы трехфазный АД типа ДАТ 31 271 мощностью Рн=6 Вт. Синхронной скоростью n0=3000 об/мин и транзисторный преобразователь частоты FR-S500 с диапазоном частот от 0,5 до 120 Гц.

Упрошенная электрическая схема установки показана на рис. 2.2 где обозначено:

Внеуправляемый (диодный) выпрямитель.

Ф-LC-фильтр звена постоянного тока.

АИНтранзисторный автономный инвертор напряжения.

СУ АИНсистема управления АИН.

ДСдатчик скорости (частотомертахометр) НУнагрузочное устройство двигателя для вариации момента сопротивления Мс.

БПблок питания нагрузочного устройства.

Фильтр Ф служит для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения U0. Обратные диоды D, встроенные в корпус каждого транзистора, предназначены для пропускания реактивного тока, потребляемого двигателем. При работе. АИН функционирует в режиме ШИМ с синусоидальной модуляцией на несущей частоте f0=0.7…14.5 кГц, создавая на статоре двигателя переменное напряжение с варьируемыми значениями U1 и f1. Ток статора I1 является практически синусоидальным с малым уровнем пульсаций, что обеспечивает оптимальные условия для эксплуатации двигателя.

Диаграмма управления и выходное напряжение трехфазного инвертора (коэффициент модуляции равен 0,5).

• А) опорные кривые, формирующие трехфазное напряжение.
• Б) сигналы управления (+ управление верхним транзистором — управление нижним транзистором)
• В) линейное напряжение Uл (t)
• Г) фазное напряжение Uф (t) (при нагрузке, соединенной звездой).
• 3. Механическая характеристика

4. Регулировочная характеристика

• 5. Контрольные вопросы
• 1) Какие конструкции асинхронных двигателей вы знаете и каковы достоинства и недостатки АД?
• 1. С фазовым ротором

Асинхронный двигатель с фазным ротором применяют для привода таких машин и механизмов, которые пускаются в ход под нагрузкой (краны, лифты и пр.). В подобных приводах двигатель должен развивать при пуске максимальный момент, что достигается с помощью пускового реостата.

В двигателе с фазным ротором статор выполнен так же, как и в двигателе с коротко замкнутым ротором. На роторе же расположена трехфазная обмотка, состоящая из трех, шести, девяти и т. д. катушек (в зависимости от числа полюсов машины), сдвинутых одна относительно другой на 120° (в двухполюсной машине), 60° (в четырехполюсной) и т. д. Числа полюсов обмоток статора и ротора берутся одинаковыми.

Электрическая схема асинхронного двигателя с фазным ротором (а) и его условное графическое изображение (б): 1 — статор; 2 — ротор; 3 — контактные кольца со щетками; 4 — пусковой реостат Обмотку фазного ротора обычно соединяют «звездой». Концы ее присоединяют к трем контактным кольцам, к которым посредством щеток подключают трехфазный пусковой реостат, т. е. в каждую фазу ротора в момент пуска вводят дополнительное активное сопротивление.

Для уменьшения износа контактных колец и щеток двигатели с фазным ротором иногда снабжают приспособлениями 1 (см. рис. 259) для подъема щеток и замыкания колец накоротко после выключения реостата.

2. Короткозамкнутый ротор

асинхронный двигатель ротор инвертор Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором имеют небольшой пусковой момент и значительный пусковой ток, что является существенным недостатком. Поэтому их применяют в тех электрических приводах, где не требуются большие пусковые моменты. Из достоинств следует отметить лёгкость в изготовлении, и отсутствие электрического контакта со статической частью машины, что гарантирует долговечность и снижает затраты на обслуживание.

Достоинства асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором приблизительно постоянная скорость при разных нагрузках;

возможность кратковременных механических перегрузок;

простота конструкции;

простота пуска и легкость его автоматизации;

более высокие cos ц и КПД, чем у электродвигателей с фазным ротором.

Недостатки асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором затруднения в регулировании скорости вращения;

большой пусковой ток;

низкий cos ц при недогрузках.

• 1 — обмотка статора; 2 — сердечник статора; 3 — корпус; 4 -сердечник ротора; 5 — обмотка ротора; б — вал; 7 — кольца; 8 — пусковой реостат
• 3. Трёхфазный коллекторный асинхронный двигатель

Коллектор (щёточно-коллекторный узел) выполняет одновременно две функции: является датчиком углового положения ротора и переключателем тока со скользящими контактами.

Трехфазные коллекторные машины перемениого тока являются разновидностью асинхронных машин, у которых можно получить более широкий диапазон регулирования В настоящее время двигатели Шраге-Рихтера иногда применяются в полиграфической, текстильной и некоторых других отраслях промышленности. В этих двигателях используется принцип регулирования частоты вращения путем введения в цепь каждой фазы ротора асинхронного двигателя добавочной ЭДС частоты скольжения. Одновременно с этим имеется возможность регулировать и cos ц.

Обращенный (питание с ротора) асинхронный двигатель, позволяющий плавно регулировать скорость от минимальной (диапазон определяется обмоточными данными добавочной обмотки, используемой для получения добавочной э.д.с., вводимой с частотой скольжения во вторичную цепь машины) до максимальной, лежащей обычно выше скорости синхронизма.

• 2) Изложите способы управления скоростью АД и дайте их сравнительную характеристику.
• 1. Регулирование частоты вращения асинхронного двигателя путем введения резисторов в цепь ротора

Введение

резисторов в цепь ротора приводит к увеличению потерь мощности и снижению частоты вращения ротора двигателя за счет увеличения скольжения, поскольку n = nо (1 — s).

при увеличении сопротивления в цепи ротора при том же моменте частота вращения вала двигателя уменьшается.

Жесткость механических характеристик значительно снижается с уменьшением частоты вращения, что ограничивает диапазон регулирования до (2 — 3): 1. Недостатком этого способа являются значительные потери энергии, которые пропорциональны скольжению. Такое регулирование возможно только для двигателя с фазным ротором.

2. Изменение напряжения, подводимого к обмотке статора асинхронного двигателя, позволяет регулировать скорость с помощью относительно простых технических средств и схем управления. Для этого между сетью переменного тока со стандартным напряжением U1ном и статором электродвигателя включается регулятор напряжения.

При регулировании частоты вращения асинхронного двигателя изменением напряжения, подводимого к обмотке статора, критический момент Мкр асинхронного двигателяизменяется пропорционально квадрату подводимого к двигателю напряжения Uрет (рис.3), а скольжение от Uрег не зависит.

• 3. Так как частота вращения магнитного поля статора nо = 60f/р, то регулирование частоты вращения асинхронного двигателя можно производить изменением частоты питающего напряжения.
• 4. Регулирование частоты вращения асинхронного двигателя переключение числа пар полюсов

Ступенчатое регулирование скорости можно осуществить, используя специальные многоскоростные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором.

Из выражения nо = 60f/р следует, что при изменении числа пар полюсов р получаются механические характеристики с разной частотой вращения nо магнитного поля статора. Так как значение р определяется целыми числами, то переход от одной характеристики к другой в процессе регулирования носит ступенчатый характер.

Существует два способа изменения числа пар полюсов. В первом случае в пазы статора укладывают две обмотки с разным числом полюсов. При изменении скорости к сети подключается одна из обмоток. Во втором случае обмотку каждой фазы составляют из двух частей, которые соединяют параллельно или последовательно. При этом число пар полюсов изменяется в два раза.

• 3) каковы механические характеристики АД при типовых законах частного управления? Представьте их.
• 4) Назовите типы ПЧ и приведите их характеристику.

Такие устройства предназначены для контролируемого изменения скорости вращения электродвигателя (управления электродвигателем), путём трансформации входного напряжения (220 или 380 Вольт) в импульсное выходное с частотой от 0 до 600 Герц. При этом на обмотках электродвигателя создаётся переменный синусоидальный ток с регулируемой амплитудой и частотой (основной принцип преобразователя частоты переменного тока).

Частотное регулирование асинхронных двигателей позволяет менять направление вращения с помощью инвертирования напряжения посредством широтно-импульсной модуляции. Кроме того эти устройства обеспечивают плавный пуск и торможение асинхронных электродвигателей.

в которых силовая часть представляет собой управляемый выпрямитель и выполнена на не запираемых тиристорах. Система управления поочередно отпирает группы тиристотров и подключает статорные обмотки двигателя к питающей сети.

В преобразователях этого класса используется двойное преобразование электрической энергии: входное синусоидальное напряжение с постоянной амплитудой и частотой выпрямляется в выпрямителе (В), фильтруется фильтром (Ф), сглаживается, а затем вновь преобразуется инвертором (И) в переменное напряжение изменяемой частоты и амплитуды. Двойное преобразование энергии приводит к снижению к.п.д. и к некоторому ухудшению массогабаритных показателей по отношению к преобразователям с непосредственной связью.

5) Каковы способы модуляции выходного сигнала ПЧ? Изобразите соответствующие диаграммы и дайте их сравнительную характеристику.

Неуправляемые выпрямители.

Рис. 4 Режим работы диода

Диоды позволяют току протекать только в одном направлении: от анода (А) к катоду (К). Как и в случае некоторых других полупроводниковых приборов, величину тока диода регулировать невозможно. Напряжение переменного тока преобразуется диодом в пульсирующее напряжение постоянного тока. Если неуправляемый трехфазный выпрямитель питается трехфазным напряжением переменного тока, то и в этом случае напряжение постоянного тока будет пульсировать.

Рис. 5 Неуправляемый выпрямитель

На рис. 5 показан неуправляемый трехфазный выпрямитель, содержащий две группы диодов. Одна группа состоит из диодов D1, D3 и D5. Другая группа состоит из диодов D2, D4 и D6. Каждый диод проводит ток в течение трети времени периода (120°). В обеих группах диоды проводят ток в определенной последовательности. Периоды, в течение которых обе группы работают, смещены между собой на 1 /6 времени периода Т (60°).

Диоды D1,3,5 открыты (проводят), когда к ним приложено положительное напряжение. Если напряжение фазы L достигает положи-тельного пикового значения, то диод D, открыт и клемма, А получает напряжение фазы L1 На два других диода будут действовать обратные напряжения величиной UL1−2 и UL1−3.

То же происходит и в группе диодов D2,4,6. В этом случае клемма В получает отрицательное фазное напряжение. Если в данный момент фаза L3 достигает предельного отрицательного значения, диод D6 открыт (проводит). На оба других диода действуют обратные напряжения величиной UL3−1 и UL3−2.

Выходное напряжение неуправляемого выпрямителя равно разности напряжений этих двух диодных групп. Среднее значение пульсирующего напряжения постоянного тока равно 1,35 х напряжение сети.

Рис. 6 Выходное напряжение неуправляемого трехфазного выпрямителя

Управляемые выпрямители В управляемых выпрямителях диоды заменены тиристорами. Подобно диоду тиристор пропускает ток только в одном направлении — от анода (А) к катоду (К). Однако в противоположность диоду тиристор имеет третий электрод, называемый «затвором» (G). Чтобы тиристор открылся, на затвор должен быть подан сигнал. Если через тиристор течет ток, тиристор будет пропускать его до тех пор, пока ток не станет равным нулю.

Ток не может быть прерван подачей сигнала на затвор. Тиристоры используются как в выпрямителях, так и в инверторах.

На затвор тиристора подается управляющий сигнал а, который характеризуется задержкой, выражаемой в градусах. Эти градусы оказывают запаздывание между моментом перехода напряжения через нуль и временем, когда тиристор открыт.

Рис. 7 Режим работы тиристора

Если угол, а находится в пределах от 0° до 90°, то тиристорная схема используется в качестве выпрямителя, а если в пределах от 90° до 300° - то в качестве инвертора.

Рис. 8 Управляемый трехфазный выпрямитель

Управляемый выпрямитель в своей основе не отличается от неуправляемого за исключением того, что тиристор управляется сигналом, а и начинает проводить с момента, когда начинает проводить обычный диод, до момента, который находится на 30° позже точки перехода напряжения через нуль.

Регулирование значения, а позволяет изменять величину выпрямленного напряжения. Управляемый выпрямитель формирует постоянное напряжение, среднее значение которого равно 1,35 х напряжение сети x cos б.

Рис. 9 Выходное напряжение управляемого трехфазного выпрямителя

По сравнению с неуправляемым выпрямителем управляемый имеет более значительные потери и вносит более высокие помехи в сеть питания, поскольку при более коротком времени пропускания тиристоров выпрямитель отбирает от сети больший реактивный ток.

Преимуществом управляемых выпрямителей является их способность возвращать энергию в питающую сеть.