МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
Волгоградського державного ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
КАФЕДРА «ЕЛЕКТРОТЕХНІКА»
Реферат з загальної електротехніки
на тему:
«Регулювання швидкості (частоти обертання)
асинхронного двигуна »
Виконав: ст. групи ТОА-328
Скребець П. В.
Перевірив: доц. Миколаєва С.І.
Волгоград 2004
Зміст:
1. Способи регулювання асинхронного двигуна ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 3
2. Частотне регулювання асинхронних електроприводів ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 6
3. Регулювання швидкості, струму і моменту за допомогою резисторів у ланцюгах ротора і статора ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 8
4. Регулювання швидкості АД зміною числа пар полюсів ... ... ... ... ... ... ... ... 12
1. Способи регулювання асинхронного двигуна
Асинхронний двигун є найбільш масовим електричним двигуном. Ці двигуни випускаються потужністю від 0,1 кВт до кількох тисяч кіловат і знаходять застосування у всіх галузях господарства. Основною перевагою асинхронного двигуна є простота його конструкції і невисока вартість. Однак за принципом своєї дії асинхронний двигун у звичайній схемі включення не допускає регулювання швидкості його обертання. Особливу увагу слід звернути на те, що щоб уникнути значних втрат енергії, а, отже, для короткозамкнених асинхронних двигунів щоб уникнути перегріву його ротора, двигун повинен працювати в тривалому режимі з мінімальними значеннями ковзання.
Розглянемо можливі способи регулювання швидкості асинхронних двигунів (див. рис.1). Швидкість двигуна визначається двома параметрами: швидкістю обертання електромагнітного поля статора ω 0 і ковзанням s:
Рис.1. Класифікація способів регулювання асинхронних двигунів
Виходячи з (1) принципово можливі два способи регулювання швидкості: регулювання швидкості обертання поля статора і регулювання ковзання при постійній величині ω 0.
Швидкість обертання поля статора визначається двома параметрами (см.3.3): частотою напруги, що підводиться до обмоток статора f 1, і числом пар полюсів двигуна р п. Відповідно з цим можливі два способи регулювання швидкості: зміна частоти живлячої напруги за допомогою перетворювачів частоти, що включаються в ланцюг статора двигуна (частотне регулювання), і шляхом зміни числа пар полюсів двигуна.
Регулювання ковзання двигуна при постійній швидкості обертання поля статора для короткозамкнених асинхронних двигунів можливо шляхом зміни величини напруги статора при постійній частоті цієї напруги. Для асинхронних двигунів з фазним ротором, крім того, можливі ще два способи: введення в ланцюг ротора додаткових опорів (реостатне регулювання) і введення в ланцюг ротора додаткової регульованою е.р.с. за допомогою перетворювачів частоти, що включаються в ланцюг ротора (асинхронний вентильний каскад і двигун подвійного живлення).
В даний час завдяки розвитку силової перетворювальної техніки створені і серійно випускаються різні види напівпровідникових перетворювачів частоти, що визначило випереджальний розвиток і широке застосування частотно-регульованого асинхронного електропривода. Основними достоїнствами цієї системи регульованого електропривода є:
- Плавність регулювання і висока жорсткість механічних характеристик, що дозволяє регулювати швидкість в широкому діапазоні;
- Економічність регулювання, обумовлена тим, що двигун працює з малими величинами абсолютного ковзання, і втрати в двигуні не перевищують номінальних.
Недоліками частотного регулювання є складність і висока вартість (особливо для приводів великої потужності) перетворювачів частоти і складність реалізації в більшості схем режиму рекуперативного гальмування.
Детально принципи та схеми частотного регулювання швидкості асинхронного двигуна розглянуті нижче.
Зміна швидкості перемиканням кількості пар полюсів асинхронного двигуна дозволяє отримувати кілька (від 2 до 4) значень робочих швидкостей, тобто плавне регулювання швидкості і формування перехідних процесів при цьому способі неможливо.
Тому даний спосіб має певні області застосування, але не може розглядатися, як основа для побудови систем регульованого електроприводу.
2. Частотне регулювання асинхронних електроприводів
Принципова можливість регулювання кутової швидкості асинхронного двигуна зміною частоти напруги живлення випливає з формули ω = 2π f 1 (1 - s) / p. При регулюванні частоти також виникає необхідність регулювання амплітуди напруги джерела, що випливає з висловлювання U 1 ≈ Е 1 = K Ф f 1. Якщо при незмінній напрузі змінювати частоту, то потік буде змінюватися обернено пропорційно частоті. Так, при зменшенні частоти потік зросте, і це призведе до насичення стали машини і як наслідок до різкого збільшення струму і перевищення температури двигуна; при збільшенні частоти потік зменшуватиметься і як наслідок буде зменшуватися допустимий момент.
Для найкращого використання асинхронного двигуна при регулюванні кутової швидкості зміною частоти необхідно регулювати напругу одночасно в функції частоти і навантаження, що реалізовується тільки в замкнутих системах електропривода. У розімкнутих системах напруга регулюється лише у функції частоти по деякому закону, залежному від виду навантаження.
Частотне регулювання кутової швидкості електроприводів змінного струму з двигунами з короткозамкненим ротором знаходить все більше застосування в різних галузях техніки. Наприклад, в установках текстильної промисловості, де за допомогою одного перетворювача частоти, що живить групу асинхронних двигунів, що знаходяться в однакових умовах, плавно і одночасно регулюються їх кутові швидкості. Прикладом іншої установки з частотно-регульованими асинхронними двигунами з короткозамкненим ротором можуть служити транспортні рольганги в металургійній промисловості, деякі конвеєри та ін
Частотне регулювання кутової швидкості асинхронних двигунів широко застосовується в індивідуальних установках, коли потрібне отримання досить високих кутових швидкостей (для приводу електрошпінделем в металорізальних верстатах з частотою обертання до 20 000 об / хв).
Економічні вигоди частотного регулювання особливо істотні для приводів, що працюють в повторно-короткочасному режимі, де має місце часта зміна напрямку обертання з інтенсивним гальмуванням.
Для здійснення частотного регулювання кутової швидкості знаходять застосування перетворювачі, на виході яких по необхідному співвідношенню або незалежно міняється як частота, так і амплітуда напруги. Перетворювачі частоти можна розділити на електромашинні і вентильні. У свою чергу електромашинні перетворювачі можуть бути виконані з проміжною ланкою постійного струму і безпосереднім зв'язком. В останніх використовують колекторних машину змінного струму, на вхід якої подають змінну напругу з постійною частотою і амплітудою, а на виході її отримують напругу з регульованою частотою і амплітудою. Електромашинні перетворювачі з безпосереднім зв'язком практичного застосування не отримали.
3. Регулювання швидкості, струму і моменту за допомогою резисторів у ланцюгах ротора і статора
Один з поширених способів регулювання швидкості, струму і моменту АД з фазним ротором пов'язаний з введенням і зміною додаткових резисторів у ланцюзі його ротора. Схема, в якій реалізується цей спосіб регулювання, приведена на рис. 4.7, а. Основною перевагою цього способу є простота реалізації, що визначило його широке застосування в ряді електроприводів.
Для побудови сімейства одержуваних при цьому способі штучних механічних характеристик проведемо аналіз їх характерних точок. З допомогою виразу для швидкості ідеального холостого ходу ω0 = ρf1 / p відзначаємо наступне:
1) швидкість ідеального холостого ходу АТ ω 0 при регулюванні R д2 не змінюється;
2) максимальний (критичний) момент двигуна Мк також залишається незмінним;
3) критичне ковзання Sк збільшується при збільшенні R 2д.
Використання цих характеристик для регулювання швидкості АД характеризується такими ж показниками, що і для ДПТ незалежного збудження. Діапазон регулювання швидкості невеликий - близько 2 - 3, що визначається зниженням жорсткості характеристик і зростанням втрат в міру збільшення діапазону регулювання швидкості.
Плавність регулювання при реостатному регулюванні невелика і визначається плавністю зміни додаткового резистора R2д. Швидкість АТ змінюється тільки вниз від основної.
Економічність способу визначається вартістю використовуваних засобів регулювання та витратами при експлуатації електропривода. Витрати, пов'язані зі створенням цієї системи електропривода, невеликі, оскільки для регулювання зазвичай використовуються прості і дешеві ящики металевих резисторів. У той же час при експлуатації цієї системи витрати великі, оскільки значні втрати енергії.
Електричні втрати в роторному ланцюзі ΔР2, звані втратами ковзання. Чим більше ковзання s, тим більше втрати в роторному ланцюзі, тому реалізація великого діапазону регулювання швидкості призводить до значних втрат енергії і зниження ККД електропривода.
Регулювання швидкості цим способом застосовується в тих випадках, коли потрібно невеликий діапазон регулювання швидкості і робота на знижених швидкостях нетривала. Наприклад, цей спосіб знайшов широке застосування в електроприводі ряду підйомно-транспортних машин і механізмів.
Розглянутий спосіб також використовується для регулювання струму і моменту АД при його пуску.
Якщо звернутися до характеристик двигуна, то можна зазначити, що за рахунок підбору опору резистора пусковий момент АД може бути збільшений аж до значення критичного моменту Мк. Це властивість АТ використовується при його пуску з моментом навантаження, що перевищує пусковий момент АД Мп на природній характеристиці.
Пусковий струм АД зменшується в міру збільшення R 2д, що дозволяє за допомогою введення додаткових резисторів здійснювати його обмеження.
Завдання з розрахунку додаткових резисторів у ланцюзі ротора зазвичай формулюється таким чином. Задана штучна механічна характеристика АД (повністю або частково) або окрема точка цієї характеристики з координатами ω і, М і. Знайти опір додаткового резистора R 2д, при включенні якого в ланцюг ротора АД буде мати задану штучну характеристику або ж вона проходитиме через задану точку. При цьому передбачається, що природна механічна характеристика АД відома (розрахована або знята експериментально). Зазначимо, що необхідна штучна характеристика може бути задана за умовами пуску або регулювання швидкості.
Розрахунок опору додаткового резистора R 2д може бути виконаний кількома способами залежно від форми завдання необхідної штучної механічної характеристики.
1. Штучна характеристика задана повністю і відомий ділянку критичного моменту. У цьому випадку розрахунок доцільно вести за формулою, за допомогою якої знаходиться відношення критичних ковзань АТ на природною і штучною характеристиках,
2. Якщо штучна характеристика задана своєї робочої частиною і ділянка критичного моменту не визначений, то зручно використовувати метод відрізків, Найчастіше цей спосіб застосовується для АД з короткозамкненим ротором, у яких не можна використовувати ланцюг ротора для включення будь-яких регулюючих пристроїв. Так само використовується включення резистора в одну фазу, що дозволяє отримати приблизно такі ж характеристики двигуна при зменшенні кількості регулюючих елементів.
Штучні характеристики побудовані виходячи з аналізу характерних точок механічної характеристики, а саме:
1. Швидкість ідеального холостого ходу ω 0 не залежить від опору фази статора R 1, тому всі штучні характеристики проходять через одну і ту ж точку на осі ординат.
2. Критичні момент і ковзання АД зменшуються в міру збільшення R 1д.
3. Пусковий момент АД М п, також зменшується при збільшенні R 1д.
Штучні характеристики мало придатні для регулювання швидкості АД: вони забезпечують невеликий діапазон зміни швидкості; жорсткість характеристик АТ і його перевантажувальна здатність, яка характеризується критичним моментом, у міру збільшення R 1д знижуються; спосіб відрізняє і низька економічність.
У силу цих недоліків регулювання швидкості АД з допомогою активних резисторів у ланцюзі його статора застосовується рідко. Цей спосіб звичайно використовується для обмеження струмів і моментів АД з короткозамкненим ротором в різних перехідних процесах - при пуску, реверсі й гальмуванні. Наприклад, така схема застосовується в електроприводі ліфтів, що має двошвидкісний АТ. У таких електроприводах при переході з високої швидкості на знижену в ланцюг низкоскоростной обмотки статора вводиться додатковий резистор, який забезпечує обмеження струму і моменту АТ.
4. Регулювання швидкості пекло зміною числа пар полюсів
Цей спосіб використовується для регулювання швидкості багатошвидкісних АД з короткозамкненим ротором. Можливість отримання штучних характеристик АД даними способом, і отже, регулювання його швидкості, безпосередньо випливає з виразу для кутової швидкості магнітного поля АТ ω 0 = 2 πf 1 / p.
Зміна числа пар полюсів АД р проводиться за рахунок перемикань в обмотці статора, при цьому число пар полюсів короткозамкнутого ротора змінюється автоматично. Так як кількість полюсів АД може бути рівним тільки цілого числа - 1, 2, 3 і т. д., то отже, даний спосіб забезпечує тільки ступінчасте регулювання швидкості. Двигуни, що допускають регулювання швидкості цим способом, отримали назву багатошвидкісних.
Зміна числа полюсів АД досягається, коли на статорі АД розташовуються дві (або більше) не пов'язані один з одним обмотки, що мають різне число пар полюсів р 1 і р 2. При підключенні до мережі однієї обмотки, наприклад з p 1 парами полюсів, АТ має синхронну швидкість
Друга обмотка при цьому знеструмлена. Для отримання іншої швидкості відключається першої обмотки і підключається на мережу другого обмотка з р2 парами полюсів, при цьому синхронна швидкість АТ стане рівною
і АТ матиме вже іншу механічну характеристику.
Поряд з такими АТ, які отримали назву багатообмотувальних, широке розповсюдження отримав другий тип багатошвидкісних АТ, у яких зміна числа пар полюсів обертового магнітного поля досягається за рахунок зміни схеми з'єднання обмотки статора АД. Для цього кожна фаза статора розділена на кілька однакових частин (частіше всього на дві частини) і має від них відповідне число висновків.
Розглянемо принцип отримання різного числа пар полюсів при перемиканні частин обмотки статора на наступному спрощеному прикладі.
На рис. 1 показана схема однієї фази обмотки статора, яка складається з двох однакових частин 1н-1к, 2н-2к, що мають два провідники. Якщо секції з'єднані так, як це показано на рис. 4.9, а, і до обмотки статора підведений струм I, що має в даний момент часу напрямок, показаний стрілками, то утворюється магнітне
Рис. 1. Зміна числа пар полюсів обмотки статора
поле з чотирма полюсами, тобто p = 2 (напрямок магнітних силових ліній визначаємо за допомогою правила свердлика). Залишивши напрям струму тим же, змінимо кілька схему з'єднання обмотки, підключивши кінець першої секції 1к до кінця другого 2к (рис. 1б). З рис. 1б випливає, що в цьому випадку статорна обмотка утворює магнітне поле з числом пар полюсів, вдвічі меншим порівняно з полем рис. 1а. Зменшення вдвічі числа пар полюсів досягається і у схемі рис. 1в, де секції з'єднані паралельно (1н з 2к, 1к з 2н). У тому й іншому випадку (рис. 1 б і в) зменшення числа пар полюсів, і отже, збільшення швидкості АД, досягається зміною напрямку струму на протилежне в одній із секцій (в даному випадку в другій). При цьому діапазон зміни кутової швидкості магнітного поля дорівнює двом.
Найбільш часто на практиці зустрічаються дві схеми перемикання обмотки статора багатошвидкісних АД: 1) з трикутника (Д) на подвійну зірку (УУ), 2) з зірки (У) на подвійну зірку (УУ) ..
Розглянемо схеми з'єднання статора 'і механічні характеристики АД для цих випадків.
Трикутник - подвійна зірка. Для отримання більшої кількості пар полюсів р ^ секції кожної фази статора включені в трикутник згідно, тобто так, як це показано на рис. 2а, де А 1н і A 2н - початку відповідно першої та другої секцій фази A; А 1к і A 2к - їх кінці. Позначення для висновків секцій фаз В і С, схеми включення яких аналогічні схемам фази A, опущені. З'єднання секцій за схемою рис.2 б, як зазначалося вище, викличе зменшення в 2 рази числа пар полюсів АТ. Схема рис. 2б, отримала назву подвійної зірки.
Для отримання загального вигляду механічних характеристик визначимо допустиму потужність АД при включенні його статора за схемами рис. 2, а і б. Враховуючи, що допустимий струм в секції обмотки статора I 1доп = I 1ном залишається незмінним при перемиканні числа пар полюсів, допустиму первинну потужність визначимо:
для схеми трикутник (рис. 2, а)
(1)
для схеми подвійна зірка (рис. 2, б)
(2)
Рис. 2.
З'єднання обмоток статора в трикутник (а), подвійну зірку (б) і механічні характеристики при схемах трикутник - подвійна зірка (Д-УУ) (в)
З отриманих виразів випливає, що при cos φ1д ≈ cos φ1уу допустима потужність АТ залишається практично незмінною. Тому при збільшенні вдвічі числа пар полюсів АТ і зменшенні тим самим вдвічі синхронної швидкості допустимий момент на валу АД збільшується приблизно в 2 рази. Механічні характеристики АД для даного способу перемикання обмоток показані на рис. 2в. Вони відповідають регулювання швидкості при постійній потужності.
Зірка - подвійна зірка. У цій схемі меншою кутовий швидкості АД відповідає з'єднання обмоток статора, показане на рис. 3а. Секції фаз статора
Рис. 3.
З'єднання обмоток статора в зірку (а) і механічні характеристики двигуна при схемах зірка - подвійна зірка (б) з'єднані в цій схемі також послідовно і відповідно і утворюють при підключенні до мережі АТ систему р1. пар полюсів обертового магнітного поля, якій відповідає синхронна швидкість ω 01. Переключення на подвійну зірку здійснюється за схемою на рис. 2б, при цьому число пар полюсів стане p 2 = p 1 / 2. Отримувані механічні характеристики такого двошвидкісного АТ зображені на рис. 3б,. На відміну від розглянутої вище схеми перемикання трикутник - подвійна зірка, в якій регулювання швидкості АД здійснюється при постійній потужності навантаження на його валу, в цій схемі зміна швидкості може здійснюватися при постійному моменті навантаження М с. Це випливає з розгляду виразів допустимої потужності АТ, яка для схеми подвійна зірка (рис. 4.10, б) визначається формулою (2), а для схеми зірка згідно рис. 3а - формулою
(3)
З (2) і (3) видно, що допустима потужність при перемиканні обмотки статора на менше число пар полюсів (коли швидкість АТ збільшується в 2 рази) зростає також в 2 рази. Тим самим допустимі моменти при роботі АТ в обох схемах включення приблизно однакові і характеристики мають показаний на рис. 3б вигляд.
Крім розглянутих двошвидкісних АД застосовуються також трьох-і чотиришвидкісним АТ. Перші з них крім перемикається обмотки статора, що виконується аналогічно розглянутим вище, мають також і одну непереключаемую обмотку. Чотиришвидкісним АД з різним числом пар полюсів р 1, р 2, p 3, p 4 дозволяють отримати чотири різні механічні характеристики.
Розглянутий спосіб регулювання швидкості характеризується низкою позитивних показників, що визначає широке його застосування в регульованому електроприводі змінного струму. До них в першу чергу слід віднести економічність регулювання, так як регулювання швидкості зміною числа пар полюсів не супроводжується виділенням в роторної ланцюга великих втрат енергії ковзання, що викликають зайвий нагрів АТ і погіршують його ККД.
З рис. 2в і 3б видно, що механічні характеристики багатошвидкісних асинхронних електродвигунів відрізняються гарною жорсткістю і достатньої перевантажувальної здатністю.
Рис. 4. Схема управління двошвидкісним АТ
Недоліком цього способу є ступінчастість зміни швидкості двигуна і відносно невеликий діапазон її регулювання, що не перевищує зазвичай 6-8.
На рис. 4 показана практична схема управління двошвидкісним АД з короткозамкненим ротором. Схема забезпечує дві швидкості АД шляхом з'єднання обмотки статора в трикутник або подвійну зірку, а також його реверсування. Вона складається з контакторів великий КМ1 і малої КМ2 швидкості, лінійних контакторів напрямку обертання АД "Вперед" КМ3 і "Назад" КМ4, блокувального реле KV і кнопок управління SB3, SB1, SB2, SB4, SB5. Захист електроприводу здійснюється тепловими реле KK1 і КК2 і запобіжниками FA.
Для пуску АД, наприклад, на низьку швидкість натискається кнопка SB4, після чого спрацьовує контактор КМ2 і реле KV. Статор АТ виявляється включеним за схемою трикутник, а реле KV, замкнувши свої контакти в ланцюгах апаратів КМЗ і КМ4, готують двигун до підключення до мережі. Далі натискання кнопки SB1 або SB2 призводить до включення АТ відповідно в напрямку "Вперед" або "Назад".
Після розбігу АТ до низької швидкості може бути здійснено його розгін до високої швидкості. Для цього повинна бути натиснута кнопка SB5, що призведе до відключення контактора КМ2 і включенню контактора KM1 і перез'єднання в результаті цього обмотки статора зі схеми трикутник на схему подвійна зірка.
Зупинка АТ проводиться натисненням кнопки SB3, після чого він відключається від мережі і схема повертається у вихідне положення.
Застосування Дволанцюговий кнопок у схемі дозволяє здійснити блокування від одночасного спрацьовування контакторів КМ1 і КМ2, КМЗ і КМ4. Цій же меті служать включені в ланцюзі котушок цих контакторів розмикаючих блокувальні контакти КМ1, КМ2, КМЗ, КМ4.
Список літератури:
Були використані матеріали сайту www. Edulib. Ru