Частотное регулирование.

Двигатели с короткозамкнутым ротором - регулирование координат.

Двигатели с короткозамкнутым ротором - самые распрастраненные электрические машины - до недавнего времени использовались лишь в нерегулируемом электроприводе поскольку практически единственная возможность эффективно регулировать скорость - изменять частоту напряжения, приложенного к старторным обмоткам, была технически трудно реализуема. Сейчас, благодаря успехам электроники, ситуация кардинально изменилась, и частотно-регулируемый электропривод - рис. 4.8,а стал основным типом регулируемого электропривода.

а) б) в)

Рис. 4.8. Схема частотно-регулируемого электропривода (а), механические характеристики (б), зависимость напряжения от частоты (в)

Как следует из (4.1) пропорциональна частоте f₁ и не зависит для данной машины от каких-либо других величин. Вместе с тем, изменяя f₁, следует заботиться об амплитуде напряжения: при уменьшении f₁ для сохранения магнитного потока на некотором, например, номинальном уровне в соответствии с (4.4) следует изменять так, чтобы

.

При увеличении частоты от номинальной при U₁=U_1н поток в соответствии с (4.4) будет уменьшаться.

Как следует из (4.11,а), в пренебрежении R₁, т.е. в предположении, что E₁»U₁, критический момент также пропорционален , тогда как критическое скольжение s_к обратно пропорционально f₁.

Механические характеристики при частотном регулировании в предположении, что E₁=U₁, показаны на рис. 4.8,б.

Сопротивление цепи статора, которым мы пренебрегаем, оказывает влияние на характеристики особенно малых машин (киловатты) - пунктир на рис. 4.8,б, поскольку при снижении частоты E₁<U₁. Для компенсации этого влияния обычно несколько увеличивают напряжение при низких частотах - пунктир на рис. 4.8,в.

Проведем оценку частотного регулирования скорости по введенным ранее показателям

1. Регулирование двухзонное - вниз () и вверх (U₁=U_1н, f₁>f_1н) от основной скорости.

2. Диапазон регулирования в разомкнутой структуре (8-10):1. Стабильность скорости - высокая.

3. Регулирование плавное.

4. Допустимая нагрузка - М=М_н при регулировании вниз от основной скорости (Ф » const), Р = Р_н при регулировании вверх (Ф < Ф_н).

5. Способ экономичен в эксплуатации - нет дополнительных элементов, рассеивающих энергию; как будет показано далее, малы потери в переходных процессах. Несомненное достоинство - гибкость управления координатами в замкнутых структурах. Современные методы так называемого векторного управления обеспечивают частотно-регулируемому электроприводу практически те же свойства по управляемости, которые имеет самый совершенный электропривод постоянного тока.

6. Способ требует использования преобразователя частоты (ПЧ) - устройства, управляющего частотой и амплитудой выходного напряжения. Такие устройства - совершенные и доступные - появились в последнее десятилетие, однако они ещё сравнительно дороги - около 100 USD/кВт в 1999 г. Принцип построения современных ПЧ рассмотрен далее.

Параметрическое регулирование

Отсутствие до недавнего времени доступного и качественного преобразователя частоты приводило к поиску других решений, одно из которых - изменение U₁ при f₁ = f_1н = const - рис. 4.9,а.

а) б)

Рис. 4.9. Схема (а) и механические характеристики (б) асинхронного электропривода с параметрическим регулированием

Как следует из (4.11,а), критический момент при таком регулировании будет снижаться пропорционально U₁², критическое скольжение в соответствии с (4.12,а) останется неизменным - сплошные линии на рис. 4.9,б. В замкнутой по скорости структуре - пунктир на рис. 4.9,а - можно получить характеристики, показанные на рис. 4.9,б пунктиром, т.е. способ внешне выглядит весьма привлекательно.

Проведём его оценку.

1. Регулирование однозонное - вниз от основной скорости

2. Диапазон регулирования в замкнутой структуре (3-4):1; стабильность скорости удовлетворительная.

3. Плавность высокая.

4. Допустимая нагрузка резко снижается с уменьшением скорости, поскольку магнитный поток Ф º U₁ при f₁ = const. Рассмотрим это важное обстоятельство подробнее, воспользовавшись выражением для потерь в роторной цепи (4.9). Допустимыми в продолжительном режиме потерями можно считать номинальные , допустимые потери при регулировании определятся как DР_доп = М_допw₀s. Приравняв выражения для потерь, получим

, (4.17)

т.е. даже для специального двигателя с повышенным скольжением (очевидно невыгодного) s_н¢ = 0,06 вместо стандартного s_н = 0,03 снижение скорости всего на 20% (s = 0,2) потребует снижения момента в 3 раза - рис. 4.9,б.

5. Таким образом, рассмотренный способ регулирования очевидно неэффективен для использования в продолжительном режиме. Даже для самой благоприятной нагрузке - вентиляторной () необходимо двух-трехкратное завышение установленной мощности двигателя с повышенным скольжением, интенсивный внешний обдув.

Важно отметить, что выражение (4.17) универсально для двигателей с короткозамкнутым ротором при , и все попытки обойти это ограничение каким - либо “хитрым” способом, кстати, все еще предпринимаемые, - бесперспективны.

Способ регулирования скорости изменением напряжения может в ряде случаев использоваться для кратковременного снижения скорости, а система ПН-АД очень полезна и эффективна для снижения пусковых токов, для экономии энергии при недогрузках.

6. Преобразователь напряжения ПН - простое устройство в 3-4 более дешевое, чем преобразователь частоты, и именно эта особенность системы ПН-АД приводила в ряде случаев к её неоправданному применению.

Кроме изложенных способов регулирования координат двигателей с короткозамкнутым ротором для этой цели используются иногда специальные двигатели с переключением обмоток статора, изменяющим число пар полюсов, т.е. в соответствии с (4.1) ступенчато регулирующие . Эти двигатели тяжелы, дороги, привод требует дополнительной переключающей аппаратуры и в связи с этим проигрывает современному частотно-регулируемому электроприводу.