Основні закони управління частотою обертання АД

Частота обертання ротора асинхронного двигуна

(2.1)

де:

- частота струму обмотки ротору

- ковзання

- кількість пар полюсів

З цього виразу випливає, що частоту обертання ротора асинхронного двигуна можна регулювати зміною будь - якої із трьох величин:

- ковзання s

- числа полюсів в обмотці статора 2р

- частоти струму в обмотці статора

Найсучаснішім методом є частотний. Цей метод заснований на зміні синхронної частоти обертання:

(2.2)

Закон управління частотою f₁ залежить від характеристики навантаження виробничих механізмів.

Існують чотири основні типи характеристик навантаження виробничих механізмів.

Рис. 2.1 Характеристики навантаження

На цьому малюнку:

1. Характеристика з моментом опору, не залежним від швидкості (пряма 1). Таку характеристику мають, наприклад, підйомні крани, лебідки, поршневі насоси при незмінній висоті подачі та ін.

2. Характеристика з моментом опору лінійно залежним від швидкості (пряма 2). Така залежність властива, наприклад, приводу генератора постійного струму з незалежним збудженням, що працює на постійне навантаження.

3. Характеристика з нелінійним зростанням моменту (крива 3). Типовими прикладами тут можуть служити характеристики вентиляторів, відцентрових насосів, грибних гвинтів. Для цих механізмів момент Мс залежить від квадрата кутової швидкості n.

4. Характеристика з нелінійно спадаючим моментом опору (крива 4). Наприклад, у механізмів головного руху деяких металорізальних верстатів момент Мс змінюється обернено пропорційно n, а потужність, споживана механізмом, залишається постійною.

Щоб регулювати частоту обертання АД, необхідно змінювати частоту струму статору .

З курсу електричних машин відомо, що магнітний потік Ф наводить в обмотці ротору ЕРС:

(2.3)

де:

- частота ЕРС у роторі при ковзанні s

- кількість витків фази обмотки ротору

- обмотковий коефіцієнт (для спрощення можна вважити, що

- магнітний потік

Струм обмотки ротора визначається згідно Г – подібної схеми заміщення приведеного АД:

Рис. 2.2. Г-подібна схема заміщення АД

(2.4)

- фазна напруга обмотки статору

- фазний струм обмотки статору

- активний опір обмотки статору

- індуктивний опір обмотки статору

- струм намагнічування

- активний опір кола намагнічування

- індуктивний опір кола намагнічування

- приведений індуктивний опір обмотки ротору

- приведений активний опір обмотки ротору

- еквівалент навантаження АД

- приведений струм обмотки ротору

за умов ідеального холостого ходу. Для АД з с=1.02-1.05, тобто можна прийняти с=1

Електромагнітний момент ротору створюється за рахунок взаємодії струму ротору й магнітного поля статору.

Можна визначити електромагнітний момент ротору наступним чином:

(2.5)

де - кутова синхронна швидкість обертання.

Тоді:

(2.6)

Остаточно, с урахуванням (9.4)

(2.7)

Ця формула відома як рівняння Клоса.

Враховуючі, що параметри АД є постійними й припускаючи, що ковзання також є постійним , отримуємо:

(2.8)

де К – деякій коефіцієнт, незмінний при постійному ковзанні. Таким чином, обертаючий момент АД, частота струму обмотки статору й напруга обмотки статору є взаємозалежними. Ця залежність була доведена М. П. Костенко у 1925 р. й має вигляд:

(2.9)

де:

- момент АД при напрузі й частоті

- момент АД при напрузі й частоті

Слід також враховувати наступне:

На частотах біля 50 Гц можна нехтувати активним опором обмотки статору й вважати, що опір обмотки статору є тільки індуктивним, тобто виконується залежність:

Й, відповідно:

(2.10)

де L – індуктивність обмоток АД

Відповідно:

(2.11)

Тобто для стабілізації моменту при підвищенні частоти слід пропорційно підвищувати напругу

Але при підвищенні частоти за номінальну не можна підвищувати напругу, тому що обмотка статору АД розрахована на номінальну фазну напругу (наприклад - 220В), а на малих частотах не можна нехтувати активним опором обмотки статору, необхідно компенсувати зменшення струму статору (й, відповідно, моменту!) від наявності активного опору обмотки статору (так звана IR - компенсація), тобто необхідно збільшити напругу. Залежність напруги обмотки статору від частоти має бути наступною:

Рис. 2.3 Залежність напруги обмотки статору від частоти

При постійному моменті навантаження (Mс=const) напруга на статорі повинна регулюватися пропорційно частоті:

(2.12)

Рис. 2.4 Пропорційний закон керування

Для вентиляторного моменту навантаження напруга на статорі повинна регулюватися за формулою:

(2.13)

Рис. 2.5 Закон керування при вентиляторному моменті навантаження

При цьому потужність двигуна збільшується при зростанні частоти обертання:

(2.14)

де:

(2.15)

Тобто:

(2.16)

Якщо ж регулювання здійснюється за умови сталості потужності двигуна (Рем= Мw₁=const), то напругу треба змінювати відповідно до квадратичного закону:

(2.17)

або

(2.18)

Рис. 2.6 Квадратичний закон керування

При цьому потужність двигуна є постійною і не залежить від частоти обертання.

Частотне регулювання двигунів дозволяє плавно змінювати частоту обертання в широкому діапазоні без зайвих втрат потужності на регулювання.

2.2 АЕП з АД з КЗ ротором з використанням синхронних електромашинних перетворювачів частоти.

АЕП з електромашинними ПЧ мають сумісність з енергосистемою, тобто не забруднюють електромережу.

Розрізняють два види електромашинних ПЧ:

1. Електромашинний синхронний ПЧ (ЕМСПЧ);

2. Електромашиний асинхронний ПЧ (ЕМАСПЧ).

Рис 2.1 Схема АЕП з електромашинним СПЧ

Основним елементом такої системи є трифазний синхронний генератор, узгоджений по потужності з приводним ДПС. При цьому вихідна напруга і частота визначається кутовою швидкістю вала генератора і величиною магнітного потоку збудження. При зміні швидкості буде змінюватись вихідна напруга. Якщо прийняти напругу на затискачах фази обмотки статора:

(2.19)

То при Ф = const зі збільшенням швидкості обертання вала одночасно зі збільшенням частоти буде збільшуватися також діюче значення вихідної напруги. В даному випадку можна реалізовувати тільки пропорційний закон регулювання:

(2.20)

До складу ПЧ входять:

- Основна ланка - трифазний синхронний генератор (СГ);

- ДПС незалежного збудження

- ГПС незалежного збудження

- ДПС и ГПС створюють систему Г-Д, вихід якої з'єднаний за допомогою валу з СГ;

- Допоміжний приводний двигун (АМ) з нерегульованою швидкістю.

Коефіцієнт пропорційності С вихідного генератора СГ можна змінювати при зміні струму збудження за допомогою резистора R₃. Швидкість обертання вала генератора СГ, регулюється струмом збудження генератора (ГПС) реостатом , а також струмом збудження двигуна ДПС реостатом R₂. У даній системі можливе регулювання швидкості в обидві сторони від номінальної. Однак верхній діапазон регулювання швидкості використовується рідко, тому двигун працює при напрузі більше номінального. При повністю виведених реостатах R₁ і R₂ напруга і швидкість обертання дорівнюють номінальній.

Показники якості:

- Регулювання двузонное, плавне, стабільне;

- Низький ККД, високий cosφ;

Переваги АЕП з ЕСПЧ:

- Немає негативного впливу на мережу;

- Простота управління.

Недоліки АЕП з ЕСПЧ:

- Низький ККД.

- Наявність великої кількості обертових частин.

- Незадовільні масо габаритні показники.

- Можливість регулювати тільки за пропорційним законом.