Асинхронный двигатель может работать в тех же тормозных режимах, что и двигатель постоянного тока, а именно: в режиме рекуперативного торможения, противовключения и динамическом [1,2,3,4].
Режим рекуперативного торможения осуществляется в том случае, когда скорость ротора АД превышает синхронную ().
Режим рекуперативного торможения практически применяется для двигателей с переключением полюсов и в приводах грузоподъемных машин (подъемники, экскаваторы и т.п.) и имеет место при . При переходе в генераторный режим вследствие изменения знака момента меняет знак активная составляющая тока ротора. В этом случае АД отдает активную мощность (энергию) в сеть и потребляет из сети реактивную мощность (энергию), необходимую для возбуждения. Такой режим возникает, например, при торможении (переходе) двухскоростного АД с высокой на низкую скорость, как показано на рис. 8.6а.
а) б)
Рис. 8.6. Торможение АД в основной схеме включения: а) с рекуперацией энергии в сеть; б) противовключением
Предположим, что в исходном положении АД работал на характеристике 1 и в точке а, вращаясь со скоростью . При увеличении числа пар полюсов АД переходит на характеристику 2, участок бс которой соответствует торможению с рекуперацией энергии в сеть.
Этот же вид торможения может быть реализован в системе преобразователь частоты – двигатель при останове АД или при переходе с характеристики на характеристику. Для этого осуществляется уменьшение частоты выходного напряжения, а тем самым синхронной скорости . В силу механической инерции текущая скорость АД будет изменяться медленнее чем синхронная скорость , и будет постоянно превышать скорость магнитного поля. За счет этого и возникает режим торможения с отдачей энергии в сеть.
Рекуперативное торможение также может быть реализовано в электроприводе грузоподъемных машин при спуске грузов. Для этого АД включается в направлении спуска груза (характеристика 2 рис. 8.6 б).
После окончания торможения он будет работать в точке со скоростью –. При этом осуществляется процесс спуска груза с отдачей энергии в сеть.
Рекуперативное торможение является наиболее экономичным видом торможения.
Перевод АД в режим торможения противовключением может быть выполнен двумя путями. Один из них связан с изменением чередования двух фаз питающего АД напряжения. Допустим, что АД работает на характеристике 1 (рис. 8.6 б) при чередовании фаз напряжения АВС. Тогда при переключении двух фаз (например, В и С) АД переходит на характеристику 2, участок аб которой соответствует торможению противовключением.
Обратим внимание на то обстоятельство, что при противовключении скольжение АД изменяется от S = 2 до S = 1.
Ротор при этом вращается против направления движения поля и постоянно замедляется. Когда скорость спадает до нуля, двигатель должен быть отключен от сети, иначе он может перейти в двигательный режим, причем ротор его будет вращаться в направлении, обратном предыдущему.
При торможении противовключением токи в обмотке двигателя могут в 7–8 раз превышать соответствующие номинальные токи. Заметно уменьшается коэффициент мощности двигателя. О КПД в данном случае говорить не приходится, т.к. и преобразуемая в электрическую механическая энергия и энергия, потребляемая из сети, рассеиваются в активном сопротивлении ротора, и полезно используемой энергии в данном случае нет.
Короткозамкнутые двигатели кратковременно перегружаются по току. Правда, у них при (S > 1) вследствие явления вытеснения тока заметно возрастает активное сопротивление ротора. Это приводит к уменьшению и увеличению момента.
С целью увеличения эффективности торможения двигателей с фазным ротором в цепи их роторов вводят добавочные сопротивления, что позволяет ограничить токи в обмотках и увеличить момент.
Другой путь торможения противовключением может быть использован при активном характере момента нагрузки, который создается, например, на валу АД грузоподъемного механизма. Допустим, что требуется осуществить спуск груза, обеспечивая его торможение с помощью АД. Для этого АД путем включения в цепь ротора добавочного резистора (сопротивления) переводится на искусственную характеристику (прямая 3 на рис. 8.6б). Вследствие превышения моментом нагрузки Мс пускового момента Мп АД и его активного характера груз может опускаться с установившейся скоростью –. В этом режиме торможение скольжения АД может изменяться от S = 1 до S = 2.
Для динамического торможения обмотки статора АД отключают от сети переменного тока и подключают к источнику постоянного тока, как это показано на рис. 8.7. Обмотка ротора АД 1 при этом может быть закорочена, или в ее цепь включаются добавочные резисторы с сопротивлением R2д.
а) б)
Рис. 8.7. Схема динамического торможения АД (а) и схема включения обмоток статора (б)
Постоянный ток Iп, значение которого может регулироваться резистором 2, протекает по обмоткам статора и создает относительно статора неподвижное магнитное поле. При вращении ротора в нем наводится ЭДС, частота которой пропорциональна скорости. Эта ЭДС, в свою очередь, вызывает появление тока в замкнутом контуре обмотки ротора, который создает магнитный поток, также неподвижный относительно статора. Взаимодействие тока ротора с результирующим магнитным полем АД создает тормозной момент, за счет которого достигается эффект торможения. Двигатель в этом случае работает в режиме генератора независимо от сети переменного тока, преобразовывая кинетическую энергию движущихся частей ЭП и рабочей машины в электрическую, которая рассеивается в виде тепла в цепи ротора.
На рисунке 8.7 б показана наиболее распространенная схема включения обмоток статора при динамическом торможении. Система возбуждения АД в этом режиме является несимметричной. Для проведения анализа работы АД в режиме динамического торможения несимметричную систему возбуждения заменяют симметричной. С этой целью принимается допущение, что статор питается не постоянным током Iп, а некоторым эквивалентным трехфазным переменным током, создающим такую же МДС (магнитодвижущую силу) АД, что и постоянный ток.
Опуская выводы, эквивалентный ток для схемы (рис. 8.7 б) определится как Iэкв = 0,816 Iп, а уравнение для электромеханической характеристики запишется в виде
, (8.26)
где – индуктивное сопротивление контура намагничивания.
При и ,ток оказывает размагничивающее действие на АД. Тогда как при неподвижном роторе намагничивающий ток и определяемый им магнитный поток, минимальны. Ели пренебречь последним фактором и считать, что , то текущие значения моментов, максимальный момент и скольжение можно определять по следующим формулам [1,2]:
; (8.27)
; (8.28)
. (8.29)
Электромеханическая и механические характеристики представлены на рис. 8.8.
Рис. 8.8. Электромеханическая и механические характеристики АД
Характеристика расположена на рисунке в первом квадранте I, где – скольжение АД в режиме динамического торможения. Механические характеристики АД расположены во втором квадранте II.
Различные искусственные характеристики АД в режиме динамического торможения можно получить, изменяя сопротивление добавочных резисторов 3 (рис. 8.7) в цепи ротора или постоянный ток , подаваемый в обмотки статора. На рисунке 8.8 показаны механические характеристики АД для различных сочетаний и . Характеристика 6 соответствует току и сопротивлению резистора , максимальный момент на ней равен , а скольжение, ему соответствующее, . Увеличение сопротивления резисторов 3 () при не приводит к изменению максимального момента, в то время как максимальное скольжение при этом пропорционально возрастает, что видно из характеристики 4.
Увеличение тока при вызывает увеличение максимального момента пропорционально квадрату тока. Характеристика двигателя в этом случае имеет вид кривой 5. Варьируя значения и , можно получить желаемый вид механических характеристик АД в режиме динамического торможения и, тем самым, соответствующую интенсивность торможения асинхронного ЭП.
8.5. Типовые схемы управления электроприводов с асинхронными двигателями
Типовые схемы релейно-контакторного управления асинхронными двигателями строятся по тем же принципам, что и схемы управления двигателями постоянного тока. АД с короткозамкнутым ротором малой и средней мощности пускаются прямым подключением к сети без ограничения пусковых токов. Схемы управления АД с фазным ротором средней и большой мощности должны предусматривать ограничение токов при их пуске, реверсе и торможении с помощью добавочных резисторов в цепи ротора.
Реверсивная схема управления АД с короткозамкнутым ротором приведена на рисунке 8.9.
Рис. 8.9. Реверсивная схема управления АД с короткозамкнутым ротором
Основным элементом этой схемы является реверсивный магнитный пускатель, который включает в себя два линейных контактораКМ1 и КМ2 и два тепловых реле защиты КК. Схема обеспечивает прямой пуск и реверс двигателя, а также торможение противовключением при ручном (неавтоматическом) управлении.
В схеме предусмотрена защита от перегрузок двигателя (реле КК) и коротких замыканий в цепи статора (автоматический выключатель QF) и управления (предохранители FA). Кроме того, схема управления обеспечивает и нулевую защиту от исчезновения (снижения) напряжения сети (контакторы КМ1и КМ2).
Пуск двигателя при включенном автоматическом выключателе QF в условных направлениях «Вперед» или «Назад» осуществляется нажатием соответственно кнопок SB1 или SB2. Это приводит к срабатыванию контактора КМ1 или КМ2, подключению двигателя к сети и его разбегу.
Для реверса или торможения двигателя вначале нажимается кнопка SB3, что приводит к отключению включенного до сих пор контактора (например, КМ1), после чего нажимается кнопка SB2. Это приводит к включению контактора КМ2 и подаче на АД напряжения источника питания с другим порядком чередования фаз. Магнитное поле двигателя изменяет направление вращения на противоположное, и начинается процесс реверса, состоящий из двух этапов: торможения противовключением и разбега в противоположную сторону.
В случае необходимости только торможения двигателя при достижении им нулевой скорости должна быть вновь нажата кнопка SB3, что приведет к отключению двигателя от сети и возвращению схемы в исходное положение. Если кнопка SB3 нажата не будет, то это приведет к разбегу двигателя в другую сторону, т.е. к его реверсу.
Во избежание короткого замыкания в цепи статора, которое может возникнуть в результате одновременного ошибочного нажатия кнопок SB1 и SB2, в реверсивных магнитных пускателях иногда предусматривается специальная механическая блокировка. Она представляет собой рычажную систему, которая предотвращает втягивание одного контактора, если включен другой. В дополнение к механической блокировке в схеме используется типовая электрическая блокировка, применяемая в реверсивных схемах управления. Она предусматривает перекрестное включение размыкающих контактов аппарата КМ1 в цепь катушки аппарата КМ2 и наоборот.
Отметим, что повышению надежности и удобства в эксплуатации способствует использование в схеме воздушного автоматического выключателя QF. Его наличие исключает возможность работы привода при обрыве одной фазы, при однофазном коротком замыкании, как это может иметь место при установке предохранителей, а также он не требует замены элементов (как в предохранителях при сгорании их плавкой вставки).
Схема управления АД, обеспечивающая прямой пуск и динамическое торможение в функции времени, приведена на рис. 8.10.
Рис. 8.10. Схема пуска и динамического торможения АД
Пуск двигателя осуществляется нажатием кнопки SB1, после чего срабатывает линейный контактор КМ, подключающий двигатель к источнику питания. Одновременно с этим замыкание контакта КМ в цепи реле времени КТ вызовет его срабатывание и замыкание его контакта в цепи контактора торможения КМ1. Однако последний не срабатывает, так как перед этим разомкнулся в этой цепи размыкающий контакт КМ.
Для остановки двигателя нажимается кнопка SB3, контактор КМ отключается, размыкая свои контакты в цепи статора двигателя и отключая тем самым его от сети переменного тока. Одновременно с этим замыкается контакт КМ в цепи аппарата КМ1 и размыкается контакт КМ в цепи реле КТ. Это приводит к включению контактора торможения КМ1, подаче в обмотки статора постоянного тока от выпрямителя V через резистор Rт и переводу двигателя в режим динамического торможения.
Реле времени КТ, потеряв питание, начинает отсчет выдержки времени. Через интервал времени, соответствующий времени останова двигателя, реле КТ размыкает свой контакт в цепи контактора КМ1, тот отключается, прекращая подачу постоянного тока в цепь статора. Схема возвращается в исходное положение.
Интенсивность динамического торможения регулируется резистором Rт, с помощью которого устанавливается необходимый постоянный ток в статоре двигателя.
Для исключения возможности одновременного подключения статора к источникам переменного и постоянного тока в схеме использована типовая блокировка с помощью размыкающих контактов КМ и КМ1, включенных перекрестно в цепи катушек этих аппаратов.
Схема управления пуском и торможением противовключением АД с фазным ротором в функции ЭДС приведена на рисунке 8.11.
Рис. 8.11. Схема управления пуском и торможением противовключением АД
с фазным ротором
После подачи напряжения включается реле времени КТ, которое своим размыкающим контактом разрывает цепь питания контактора КМ3, предотвращая тем самым его включение и преждевременное закорачивание пусковых резисторов в цепи ротора.
Включение двигателя производится нажатием кнопки SB1, после чего включается контактор КМ1. Статор двигателя подсоединяется к сети, электромагнитный тормоз YB растормаживается, и начинается разбег двигателя. Включение КМ1 одновременно приводит к срабатыванию контактора КМ4, который своим контактом шунтирует ненужный при пуске резистор противовключения Rд2, а также разрывает цепь катушки реле времени КТ. Последнее, потеряв питание, начинает отсчет выдержки времени, после чего замыкает свой контакт в цепи катушки контактора КМ3, который срабатывает и шунтирует пусковой резистор Rд1 в цепи ротора, и двигатель выходит на свою естественную характеристику.
Управление торможением обеспечивает реле торможения KV, контролирующее уровень ЭДС (скорости) ротора. С помощью резистора Rр оно отрегулировано таким образом, что при пуске, когда скольжение двигателя 0 < S < 1, наводимая в роторе ЭДС будет недостаточна для включения, а в режиме противовключения, когда 1 < S < 2, уровень ЭДС достаточен для его включения.
Для осуществления торможения двигателя нажимается сдвоенная кнопка SB2, размыкающий контакт которой разрывает цепь питания катушки контактора КМ1. После этого двигатель отключается от сети и разрывается цепь питания контактора КМ4, и замыкается цепь питания реле КТ. В результате этого контакторы КМ3 и КМ4 отключаются, и в цепь ротора двигателя вводится сопротивление Rд1 + Rд2.
Нажатие кнопки SB2 приводит одновременно к замыканию цепи питания катушки контактора КМ2, который, включившись, вновь подключает двигатель к сети, но уже с другим чередованием фаз сетевого напряжения на статоре. Двигатель переходит в режим торможения противовключением. Реле RY срабатывает и после отпускания кнопки SB2 будет обеспечивать питание контактора КМ2 через свой контакт и замыкающий контакт этого аппарата.
В конце торможения, когда скорость будет близка к нулю и ЭДС ротора уменьшится, реле КV отключится и своим размыкающим контактом разомкнет цепь катушки контактора КМ2. Последний, потеряв питание, отключит двигатель от сети, и схема придет в исходное положение. После отключения КМ2 тормоз УВ, потеряв питание, обеспечит фиксацию (торможение) вала двигателя.
На рисунке 8.12. приведена схема панели типа ПДУ 6220.
Панель типа ПДУ 6220 входит в состав нормализованной серии панелей управления двигателей с фазным и короткозамкнутым ротором и обеспечивает пуск двигателей в две ступени и динамическое торможение по принципу времени.
При подаче на схему напряжений 220 В и переменного тока 380 В (замыкание рубильников QS1 и QS2 и автомата QF) включается реле времени КТ1, чем подготавливается двигатель к пуску с полным пусковым резистором в цепи ротора. Одновременно с этим, если рукоятка командоконтроллера находится в нулевой (средней) позиции и максимально-токовые реле FА1-FА3 не включены, включится реле защиты КV от понижения питающего напряжения и подготовит схему к работе.
Рис. 8.12. Схема панели типа ПДУ 6220
Пуск двигателя осуществляется по любой из двух искусственных характеристик или естественной характеристике, для чего рукоятка SА должна устанавливаться соответственно в положение 1, 2 или 3. При переводе рукоятки в любое из указанных положений SА включается линейный контактор КМ2, подключающий двигатель к сети, контактор управления тормозом КМ5, подключающий к сети катушку YА электромагнитного тормоза, который при этом растормаживает двигатель и реле времени КТ3, управляющее процессом динамического торможения. При переводе SА в положение 2 или 3 включаются контакторы ускорения КМ3 и КМ4, и двигатель начинает разгоняться.
Торможение двигателя происходит при переводе рукоятки SА в нулевое (среднее) положение. При этом отключатся контакторы КМ2 и КМ5 и включится контактор динамического торможения КМ1, который подключит двигатель к источнику постоянного тока. В результате этого будет идти интенсивный процесс комбинированного (механического и динамического) торможения двигателя, который закончится после отсчета реле КТ3 своей выдержки времени, соответствующей времени торможения.
Схема асинхронного электропривода с тиристорным пусковым устройством приведена на рисунке 8.13.
к ак
Рис. 8.13. Схема асинхронного ЭП с тиристорным пусковым устройством
Эффективным методом формирования желаемых графиков изменения тока и момента двигателя в переходных режимах является регулирование напряжения на его статоре с помощью тиристорных пусковых устройств (ТПУ). Чаще всего это делается для ограничения тока и момента двигателя при пуске («мягкий» способ пуска), хотя с помощью этих устройств можно обеспечить и повышение момента двигателя при пуске («жесткий» способ пуска).
Тиристорное пусковое устройство включается между источником питания (сетью переменного тока) с напряжением U1 и статором двигателя. В нереверсивном ТПУ его силовую часть образуют три пары встречно-параллельно включенных тиристоров VS1-VS6, управление которыми осуществляется импульсами напряжения, поступающими на них от системы импульсно-фазового управления (СИФУ). Ограничение тока и момента осуществляется за счет снижения подводимого к двигателю напряжения, что достигается соответствующим изменением во времени угла управления тиристорами. Напряжение при пуске может изменяться по различным законам – линейно нарастать от нуля до сетевого, быть пониженным в течение всего времени пуска или изменяться по так называемому бустерному варианту, при котором для облегчения пуска двигателя на него вначале подается скачком некоторое напряжение, которое затем продолжает нарастать уже по линейному закону. В замкнутой системе может быть обеспечено и поддержание тока статора на заданном уровне.
8.6. Регулирование координат асинхронного двигателя с помощью резисторов
Данный способ регулирования координат, называемый часто реостатным, может быть осуществлен введением добавочных активных резисторов в статорные или роторные цепи АД (см. рис. 8.14). Он привлекает в первую очередь простотой своей реализации, отличаясь в то же время невысокими показателями качества регулирования и экономичностью.
Рис. 8.14. Схемы включения АД с фазным ротором (а) и с короткозамкнутым ротором (б)
Включение добавочных резисторов R1д в цепь статораприменяется главным образом для регулирования (ограничения) в переходных процессах тока и момента АД с короткозамкнутым ротором.
Все искусственные электромеханические характеристики располагаются в первом квадранте ниже и левее естественной. С учетом того, что скорость идеального холостого хода ω0 при включении R1д не изменяется, получаемые искусственные электромеханические характеристики можно представить семейством кривых (рис.8.15 а).
а) б)
Рис.8.15. Электромеханические (а) и механические (б) характеристики АД при регулировании координат с помощью резисторов в цепи статора
Характеристики 2–4 расположены ниже естественной характеристики 1, построенной при R1д = 0, причем большему значению R1д соответствует больший наклон искусственных характеристик 2-4.
Механические характеристики АД представлены на рисунке 8.15 б.
Координаты точки экстремума Мк и Sк изменяются при варьировании R1д, а именно: в соответствии с (8.15) и (8.16) при увеличении R1д критический момент Мк и критическое скольжение Sк уменьшаются. Уменьшается и пусковой момент.
В то же время искусственные механические характеристики (рис. 8.15б) мало пригодны при регулировании скорости АД: они обеспечивают небольшой диапазон изменения скорости; жесткость характеристик АД и его перегрузочная способность, характеризуемая критическим моментом, по мере увеличения R1дснижается; способ отличает и низкая экономичность. В силу этих недостатков регулирование скорости АД с помощью активных резисторов в цепи его статора применяется редко [2].
Включение добавочных резисторов R2д в цепь ротораприменяется как с целью регулирования тока и момента АД, так и его скорости (рис. 8.14а).
Искусственные электромеханические характеристики при R2д = var имеют вид, показанный на рисунке 8.15а, и могут использоваться для регулирования (ограничения ) пускового тока Iкз = Iп .
Скорость идеального холостого хода АД ω0 и максимальный (критический) момент двигателя Мк в соответствии с [2] остаются неизменными при регулировании R2д , а критическое скольжение Sк , как это следует из [2], изменяется.
Выполненный анализ позволяет построить естественную 1 (R2д = 0) и искусственные 2–3 (R2д3 > R2д2) характеристики (рис. 8.16) и сделать заключение, что за счет изменения R2д имеется возможность повышать пусковой момент АД вплоть до критического момента Мк без снижения перегрузочной способности двигателя, что весьма важно при регулировании его скорости.
Рис. 8.16. Механические характеристики при различных сопротивлениях R2д добавочного резистора в цепи ротора
В остальном рассматриваемый способ характеризуется такими же показателями, что и для ДПТ НВ. Диапазон регулирования скорости небольшой – около 2–3 – из-за снижения жесткости характеристик и роста потерь по мере его увеличения. Плавность регулирования скорости, которая изменяется только вниз от основной, определяется плавностью изменения добавочного резистора R2д.
Затраты, связанные с созданием данной системы ЭП, невелики, так как для регулирования обычно используются простые и дешевые ящики металлических резисторов. В то же время эксплуатационные затраты оказываются значительными, поскольку велики потери в ПД.
С увеличением скольжения S возрастают потери в роторной цепи, поэтому реализация большого диапазона регулирования скорости приводит к значительным потерям энергии и снижению КПД ЭП.
Регулирование скорости этим способом осуществляется при небольшом диапазоне регулирования скорости или кратковременной работе на пониженных скоростях. Этот способ нашел широкое применение например, в ЭП подъемно-транспортных машин и механизмов.
Расчет сопротивления добавочного резистора R2д может быть выполнен несколькими способами в зависимости от формы задания требуемой искусственной механической характеристики.
Если искусственная характеристика определена полностью, то сопротивление добавочного резистора (например, R2д1) можно определить по выражению [2,4]:
, (8.30)
где – сопротивление фазы ротора АД.
Если искусственная характеристика задана своей рабочей частью, то можно использовать метод отрезков, для чего на рисунке 8.16 проведена вертикальная линия, соответствующая номинальному моменту Мном, и отмечены характерные точки: а, b, c, d, e. Сопротивление искомого резистора R2д1 определяется как [2,4]
R2д1 = R2номаb/ас, (8.31)
где – номинальное сопротивление АД; – ЭДС ротора при S = 1; – номинальный ток ротора.
8.7. Регулирование скорости асинхронного двигателя изменением числа пар полюсов
Этот способ регулирования скорости может быть реализован только при использовании специальных АД, получивших название многоскоростных. Особенность этих АД в том, что их статорная обмотка состоит из двух одинаковых секций (полуобмоток). За счет разных схем их соединения может быть изменено число пар полюсов АД. В соответствии с формулой это позволяет изменять скорость вращения магнитного поля и тем самым регулировать скорость АД. Ротор многоскоростных АД обычно выполняется короткозамкнутым.
Так как число пар полюсов АД может принимать только дискретные значения (= 1, 2, 3, 4…), то и скорость АД этим способом может регулироваться лишь ступенчато [1].
Рассмотрим принцип получения различного числа пар полюсов при переключении секций обмотки статора на следующем примере.
Пусть фаза статорной обмотки состоит из двух одинаковых секций 1н – 1к, 2н – 2к, имеющая каждая по два проводника (рис. 8.17а) и соединенных последовательно и согласно. По обмотке статора протекает ток, имеющий в данный момент времени показанное стрелками направление. Используя правило буравчика, определим направление магнитных силовых линий, создаваемых протекающим по проводникам током I. Не трудно заметить, что магнитное поле имеет в этом случае четыре полюса или = 2.
а) б) в)
Рис. 8.17. Схемы соединений секций обмотки статора для изменения числа пар полюсов АД
Изменим теперь схему соединения секций, включив их последовательно и встречно (рис. 8.17б), оставив то же направление подводимого к обмотке тока. В этом случае статорная обмотка образует уже магнитное поле с вдвое меньшим числом пар полюсов. Уменьшение вдвое числа пар полюсов достигается и в схеме (рис. 8.17в), где секции соединены параллельно.
В этом и другом случае уменьшение числа пар полюсов достигается изменением направления тока на противоположное в одной из секций (в данном случае во второй). При этом диапазон изменения скорости вращения магнитного поля равен двум.
Наиболее часто на практике применяются две схемы переключений статорной обмотки многоскоростных АД: с треугольника (Д) на двойную звезду (УУ) и со звезды (У) на двойную звезду (УУ).
Рассмотрим схемы соединения статора и механические характеристики АД для этих случаев.
Треугольник – двойная звезда. Для получения большего числа пар полюсов секции каждой фазы статора включены последовательно и согласно и соединены в треугольник (рис. 8.18а). и – начала соответственно первой и второй секций фазы ; и – их концы (обозначения для выводов фаз и аналогичны). Соединение секций по схеме (рис. 8.18б) аналогично схеме (рис. 8.17в) и вызовет уменьшение в 2 раза числа пар полюсов АД. Схема на рисунке 8.18б, в которой фазы статора образованы двумя параллельно включенными секциями, получила название двойной звезды.
Механические характеристики АД для схем соединения обмоток в треугольник 2 и двойную звезду 1 показаны на рисунке 8.18в [2,4].
а) б) в)
Рис. 8.18. Схемы соединения обмоток статора в треугольник (а), двойную звезду (б) и механические характеристики при этих схемах (в)
Звезда – двойная звезда. В этом варианте низкая скорость (большее число пар полюсов ) получается в схеме одинарной звезды (рис. 8.19а).
а) б)
Рис. 8.19. Схема соединения обмоток статора в звезду (а) и механические характеристики двигателя при схемах соединения обмоток звезда и двойная звезда (б)
Переключение на двойную звезду осуществляется по схеме (рис. 8.18б), при этом число пар полюсов уменьшится вдвое. Получаемые механические характеристики при соединении обмоток в звезду 2 и двойную звезду 1 двухскоростного АД изображены на рисунке 8.19б [2,4].
Помимо рассмотренных двухскоростных АД применяются также трех- и четырехскоростные. Первые из них помимо переключаемой обмотки статора, выполняемой аналогично рассмотренной выше, имеют также одну непереключаемую обмотку. Четырехскоростные АД имеют две переключаемые обмотки статора с числом пар полюсов , , и позволяют получить четыре регулировочные механические характеристики.
Рассматриваемый способ регулирования скорости АД характеризуется рядом положительных показателей, что определяет широкое его применение в регулируемом ЭП переменного тока. К ним в первую очередь следует отнести экономичность, так как регулирование скорости не сопровождается выделением в роторной цепи дополнительных потерь энергии, вызывающих излишний нагрев АД и ухудшающих его КПД.
Механические характеристики многоскоростных АД отличаются хорошей и достаточной перегрузочной способностью.
Схему переключения «звезда – двойная звезда» целесообразно применять при постоянном моменте нагрузки , схему «треугольник – двойная звезда» – при нагрузке ЭП, имеющей характер постоянной мощности.
Недостатком рассмотренного способа является ступенчатость изменения скорости двигателя, относительно небольшой диапазон ее регулирования, не превышающий обычно 6–8, и увеличенный габарит двигателя.
8.8. Регулирование координат электропривода с асинхронным двигателем изменением напряжения
Изменение величины напряжения, подводимого к статору АД, позволяет осуществлять в статических и динамических режимах регулирование его координат с хорошими показателями и с помощью относительно простых схем управления (рис.8.13). Этот же способ может быть использован и для обеспечения наиболее экономичных режимов работы АД.
Для регулирования координат короткозамкнутого АД между сетью переменного тока со стандартным напряжением U1ном и статором (рис. 8.20а) двигателя 2 включен тиристорный регулятор 1 напряжения (ТРН), выходное напряжение которого U1рег изменяется с помощью маломощного внешнего сигнала управления Uу.
Изменяя величину этого сигнала, можно регулировать напряжение на статоре двигателя U1рег в пределах от величины сетевого напряжения U1ном и практически до нуля.
Регулирование напряжения на статоре не приводит к изменению скорости холостого хода и не влияет на критическое скольжение Sк, но существенно изменяет величину критического (максимального) момента Мк..
В результате при U1рег = var искусственные характеристики (рис. 8.20б) оказываются малопригодными для целей регулирования скорости, так как по мере уменьшения напряжения резко снижается критический момент АД и тем самым его перегрузочная способность, а диапазон регулирования скорости очень мал.
а) б) в)
Рис. 8.20. Схема регулирования координат АД изменением напряжения на статоре (а), механические характеристики (б) и кривые напряжения (в)
Характеристики 3–6 построены при напряжениях 1; 0,8; 0,6 и 0,4 U1ном. По указанным причинам разомкнутая схема (см. рис. 8.13) используется лишь для воздействия в переходных процессах на момент АД, что может требоваться, напомним, для обеспечения заданных ускорения движения ЭП или регулирования натяжения на исполнительном органе рабочей машины.
Диапазон напряжения скорости можно увеличить лишь в замкнутых электроприводах.
Регулятор напряжения позволяет также осуществлять регулирование (ограничение) в переходных режимах тока АД. Электромеханические характеристики при этом имеют вид, показанных на рис. 8.15 [2].
При подаче на тиристоры ТРН импульсов управления с углом управления они будут полностью открыты, и к АД будет приложено все напряжение сети U1 = Uрег (рис. 8.20 в). Если осуществлять подачу импульсов на тиристоры с некоторой задержкой относительно предельного режима (угол управления ), то к АД будет прикладываться часть напряжения сети, как показано для фазы А (рис. 8.20 в). Изменяя угол управления от нуля до , можно регулировать напряжение на АД от полного напряжения сети до нуля.
Существенно отметить, что форма напряжения на статоре АД является не- синусоидальной. Несинусоидальное напряжение можно представить как совокупность нескольких синусоидальных напряжений – гармоник, каждая из которых изменяется с определенной частотой. Частота изменения первой из них (основной гармоники) равна частоте питающего напряжения, а частота других гармоник больше чем первой. Обычно 1-я гармоника имеет наибольшую амплитуду и по ней ведутся все основные расчеты.
С помощью ТРН можно обеспечивать принудительное электрическое торможение АД, формирование требуемых динамических характеристик ЭП в переходных режимах, обеспечение наиболее экономичных режимов АД при его работе с переменной нагрузкой и изменение направления скорости АД.
8.9. Регулирование координат электропривода в системе преобразователь частоты – двигатель
Частотный способ является одним из наиболее перспективных и широко используемых в настоящее время способов регулирования скорости АД. Принцип его заключается в том, что, изменяя частоту питающего АД напряжения, можно в соответствии с выражением изменять его синхронную скорость , получая тем самым различные искусственные характеристики. Этот способ обеспечивает плавное регулирование в широком диапазоне, получаемые характеристики обладают высокой жесткостью. Частотный способ к тому же отличается и еще одним весьма важным свойством: при регулировании скорости АД не происходит увеличения его скольжения, как это имеет место, например, при реостатном регулировании. Поэтому при этом способе регулирования потери скольжения оказываются небольшими, в связи с чем частотный способ наиболее экономичен [1].
Для лучшего использования АД и получения высоких энергетических показателей его работы – коэффициентов мощности, полезного действия, перегрузочной способности – одновременно с изменением частоты питающего напряжения необходимо изменять и значение этого напряжения. Закон изменения напряжения при этом зависит от характера момента нагрузки [1].
При выборе соотношения между частотой и напряжением, подводимым к статору АД, часто исходят из условия сохранения его перегрузочной способности , которая определяется отношением критического момента двигателя к моменту нагрузки ().
При постоянном моменте нагрузки должно соблюдаться соотношение [2]
, (8.32)
т.е. напряжение на статоре должно изменяться пропорционально его частоте.
Для вентиляторного характера момента нагрузки соотношение имеет следующий вид [2]:
, (8.33)
а при моменте нагрузки, обратно пропорциональном скорости, соотношение запишется в виде [2]
. (8.34)
На рисунке 8.21а приведены механические характеристики АД при выполнении соотношения (8.32).
Для частот ниже номинальной () критический момент АД постоянен, что обеспечивает неизменную перегрузочную способность двигателя. При частоте выше номинальной (), когда по техническим условиям напряжение на статоре не может быть повышено сверх номинального, критический момент АД снижается.
Рис. 8.21. Механические характеристики при частотном регулировании
координат АД: а – расчетные; б – практические
Приведенные характеристики получены при пренебрежении активным сопротивлением статора. Это допущение мало сказывается при большой (близкой или выше номинальной) частоте, в то время как при малых частотах оно заметно отражается на характеристиках электропривода. Для примера, на рис. 8.21б приведено семейство экспериментальных характеристик АД, снятых при выполнении соотношения (8.32).
Из графиков видно, что при небольших частотах произошло снижение критического момента АД. Причина этого заключается в уменьшении магнитного потока АД при низких частотах вследствие влияния активного сопротивления статора, вызывающего из-за падения напряжении на уменьшение ЭДС АД. Для компенсации этого влияния следует с уменьшением частоты снижать напряжение в меньшей степени, чем это предусмотрено соотношением (8.32).
Преобразователем частоты называется преобразователь напряжения переменного тока стандартных частоты и напряжения в напряжение переменного тока регулируемой частоты. Применительно к схемам ЭП одновременно с частотой в определенном соотношении регулируется и выходное напряжение преобразователя, как и было отмечено ранее.
В преобразователях частоты применяют инверторы.
Инвертором называется преобразователь напряжения постоянного тока в напряжение переменного тока. Эти преобразователи используются в составе преобразователей частоты в случае питания ЭП от сети переменного тока или в виде самостоятельного преобразователя при питании ЭП от источника постоянного напряжения. В составе ЭП они обеспечивают, как правило, получение переменного напряжения регулируемой частоты, что требуется для регулирования скорости двигателей переменного тока.
Существует большое количество инверторов, различающихся своими схемами, характеристиками и областями применения. В схемах ЭП наибольшее применение нашли автономные инверторы напряжения и тока.
Автономные инверторы напряжения (АИН) имеют жесткую внешнюю характеристику, представляющую собой зависимость выходного напряжения от тока нагрузки, вследствие чего при изменении тока нагрузки их выходное напряжение практически не изменяется. Управляющим воздействием на двигатель переменного тока является напряжение регулируемой частоты.
Автономные регуляторы тока имеют «мягкую» внешнюю характеристику и обладают, тем самым, свойствами источника тока, в связи с чем при их использовании управляющим воздействием на двигатель является ток регулируемой частоты.
В схемах инверторов применяются управляемые полупроводниковые приборы – тиристоры и транзисторы. Схемы автономных инверторов приведены далее при рассмотрении преобразователей частоты.
Полупроводниковые преобразователи частоты (ПЧ) делятся на две группы: преобразователи с непосредственной связью и преобразователи с промежуточным звеном постоянного тока.
Силовая часть схемы трехфазного преобразователя частоты с непосредственной связью показана на рисунке 8.22.
Рис. 8.22. Силовая часть схемы преобразователя частоты
Он образован тремя группами 2, 3 и 4-х тиристоров VS1 – VS6, включенных между вторичными обмотками трансформатора 1 и нагрузкой Zа, Zb и Zс. Напряжения , регулируемое по частоте и величине, на нагрузке, формируется из напряжения источника питания (трансформатора) Uа, Ub и Uс, что и определило название этого типа преобразователя частоты. Частота напряжения на нагрузке может регулироваться только вниз от сетевой , и ее максимальное значение обычно не превосходит 20 Гц, что определяет ограничение возможности применения этого типа преобразователя частоты [2].
Преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного тока в составе ЭП могут выполняться по двум основным схемам. На рисунке 8.23 показана силовая часть схемы трехфазного преобразователя частоты с инвертором напряжения.
Рис. 8.23. Силовая часть схемы преобразователя частоты с инвертором напряжения
Она состоит из нерегулируемого выпрямителя В, собранного на шести диодах VD1 – VD6, и автономного инвертора напряжения АИН на шести управляемых ключах, в качестве которых на схеме показаны модули, содержащие биполярные транзисторы с изолированным затвором VT1 – VT6 и шунтирующие диоды VD7 – VD12. Выпрямитель преобразует напряжение сети стандартной частоты в выпрямленное напряжение регулируемой частоты . Регулирование напряжения на нагрузке осуществляется широтно-импульсной модуляцией выпрямленного напряжения. Конденсаторы С выполняют роль фильтра и элемента, осуществляющего обмен реактивной мощности с нагрузкой [4].
На рисунке 8.24 показана силовая часть схемы преобразователя частоты с инвертором тока.
Рис. 8.24. Силовая часть схемы преобразователя частоты с инвертором тока
Она включает управляемый выпрямитель В на транзисторах VS1 – VS6 и инвертор тока И на запираемых тиристорах VS7 – VS12. Конденсаторы С являются источником реактивной мощности для нагрузки, реактор L обеспечивает работу инвертора тока. Приведенная схема позволяет осуществлять рекуперацию (отдачу) энергии в сеть [4].
).
. При увеличении числа пар полюсов АД переходит на характеристику 2, участок бс которой соответствует торможению с рекуперацией энергии в сеть.
. В силу механической инерции текущая скорость АД 
будет изменяться медленнее чем синхронная скорость 
, и будет постоянно превышать скорость магнитного поля. За счет этого и возникает режим торможения с отдачей энергии в сеть.
. При этом осуществляется процесс спуска груза с отдачей энергии в сеть.
и увеличению момента.
запишется в виде
, (8.26)
– индуктивное сопротивление контура намагничивания.
и 
,ток 
и определяемый им магнитный поток
, минимальны. Ели пренебречь последним фактором и считать, что 
, то текущие значения моментов, максимальный момент и скольжение можно определять по следующим формулам [1,2]:
; (8.27)
; (8.28)
. (8.29)
характеристики представлены на рис. 8.8.
– скольжение АД в режиме динамического торможения. Механические характеристики АД расположены во втором квадранте II.
добавочных резисторов 3 (рис. 8.7) в цепи ротора или постоянный ток 
, подаваемый в обмотки статора. На рисунке 8.8 показаны механические характеристики АД для различных сочетаний 
и сопротивлению резистора 
, максимальный момент на ней равен 
, а скольжение, ему соответствующее, 
. Увеличение сопротивления резисторов 3 (
) при 
не приводит к изменению максимального момента, в то время как максимальное скольжение 
при этом пропорционально возрастает, что видно из характеристики 4.
при 
вызывает увеличение максимального момента пропорционально квадрату тока. Характеристика двигателя в этом случае имеет вид кривой 5. Варьируя значения 
к ак
, (8.30)
– сопротивление фазы ротора АД.
– номинальное сопротивление АД; 
– ЭДС ротора при S = 1; 
– номинальный ток ротора.
АД. В соответствии с формулой 
это позволяет изменять скорость вращения магнитного поля 
секции каждой фазы статора включены последовательно и согласно и соединены в треугольник (рис. 8.18а). 
и 
– начала соответственно первой и второй секций фазы 
; 
и 
– их концы (обозначения для выводов фаз 
и 
аналогичны). Соединение секций по схеме (рис. 8.18б) аналогично схеме (рис. 8.17в) и вызовет уменьшение в 2 раза числа пар полюсов 
АД. Схема на рисунке 8.18б, в которой фазы статора образованы двумя параллельно включенными секциями, получила название двойной звезды.
и позволяют получить четыре регулировочные механические характеристики.
, схему «треугольник – двойная звезда» – при нагрузке ЭП, имеющей характер постоянной мощности.
они будут полностью открыты, и к АД будет приложено все напряжение сети U1 = Uрег (рис. 8.20 в). Если осуществлять подачу импульсов на тиристоры с некоторой задержкой относительно предельного режима (угол управления 
), то к АД будет прикладываться часть напряжения сети, как показано для фазы А (рис. 8.20 в). Изменяя угол управления 
от нуля до 
, можно регулировать напряжение на АД от полного напряжения сети до нуля.
питающего АД напряжения, можно в соответствии с выражением 
, которая определяется отношением критического момента двигателя 
к моменту нагрузки 
).
должно соблюдаться соотношение [2]
, (8.32)
, (8.33)
. (8.34)
) критический момент АД постоянен, что обеспечивает неизменную перегрузочную способность двигателя. При частоте выше номинальной (
), когда по техническим условиям напряжение на статоре не может быть повышено сверх номинального, критический момент АД снижается.
уменьшение ЭДС АД. Для компенсации этого влияния следует с уменьшением частоты снижать напряжение в меньшей степени, чем это предусмотрено соотношением (8.32).
, регулируемое по частоте 
и величине, на нагрузке, формируется из напряжения источника питания (трансформатора) Uа, Ub и Uс, что и определило название этого типа преобразователя частоты. Частота напряжения на нагрузке может регулироваться только вниз от сетевой 
стандартной частоты 