Механические характеристики двигателя вращательного движения

ЛЕКЦИЯ №3 Механические характеристики двигателя Механической характеристикой двигателя вращательного движения называется зависимость угловой скорости его вала (рад/c) или (об/мин) от развиваемого двигателем момента , т.е. или . Как известно, . Для двигателя поступательного движения (линейного двигателя) механическая характеристика – зависимость скорости двигателя (м/c) от развиваемого им усилия (Н), . Различают естественную и искусственные характеристики двигателей. Естественной называется механическая характеристика двигателя, которая соответствует: • основной схеме включения двигателя; • номинальным параметрам питающего напряжения; • отсутствию в электрических цепях обмоток двигателя дополнительных элементов. Для каждого типа двигателя существует только одна естественная характеристика. На рис. 2 показаны естественные характеристики наиболее распространенных двигателей вращательного движения: 1 – двигателя постоянного тока независимого возбуждения, 2 – двигателя постоянного тока последовательного возбуждения, 3 – трехфазного асинхронного двигателя, 4 – синхронного двигателя. Механические характеристики двигателя. Механической характеристикой двигателя вращательного движения называется зависимость угловой скорости его вала (рад/c) или (об/мин) от развиваемого двигателем момента , т.е. или . Как известно, . Для двигателя поступательного движения (линейного двигателя) механическая характеристика – зависимость скорости двигателя (м/c) от развиваемого им усилия (Н), . Различают естественную и искусственные характеристики двигателей. Естественной называется механическая характеристика двигателя, которая соответствует: • основной схеме включения двигателя; • номинальным параметрам питающего напряжения; • отсутствию в электрических цепях обмоток двигателя дополнительных элементов. Для каждого типа двигателя существует только одна естественная характеристика. На рис. 3 показаны естественные характеристики наиболее распространенных двигателей вращательного движения: 1 – двигателя постоянного тока независимого возбуждения, 2 – двигателя постоянного тока последовательного возбуждения, 3 – трехфазного асинхронного двигателя, 4 – синхронного двигателя. Рис. 2 Механические характеристики двигателей Искусственные или регулировочные характеристики получаются в том случае, когда: • используются специальные схемы включения двигателя; • изменяются от номинальных параметры питающего напряжения; • в цепи обмоток двигателя вводятся дополнительные элементы (резисторы, конденсаторы и т.д.). Искусственных характеристик у двигателя может быть много. В АЭП двигатель работает на искусственных характеристиках. Важнейшим параметром АЭП является жесткость механических характеристик. Жесткость характеризует изменение скорости вращения вала двигателя при изменении величины момента нагрузки. (17) Для определения жесткости используют механические характеристики. По оси абсцисс откладывается отрезок , равный изменению момента сопротивления. По графику определяется соответствующее изменение угловой скорости . По формуле (17) вычисляется значение жесткости . В идеальном ЭП , т.е. при изменении момента сопротивления скорость не изменяется . Для абсолютно жесткой характеристики 4 (рис.2) синхронного двигателя скорость не зависит от момента сопротивления до некоторого критического момента МКР. Прямая 1 соответствует жесткой характеристике, а кривая 2 – мягкой. Механические характеристики производственных механизмов (нагрузки на двигатель) Механической характеристикой производственного механизма (исполнительного органа) называется зависимость между приведенными к валу двигателя скоростью механизма и моментом сопротивления механизма , т.е. зависимость . Моменты сопротивления разделяются на две категории: реактивные и активные или потенциальные. Реактивные моменты всегда препятствуют движению привода и изменяют свой знак при изменении направления вращения двигателя. К ним относятся моменты трения, моменты сопротивления от сжатия, резания и т.п. Активные или потенциальные моменты могут как препятствовать, так и способствовать движению привода, они сохраняют свой знак при изменении направления вращения двигателя. К ним относятся моменты от силы тяжести, от растяжения, сжатия и скручивания упругих тел. При подъеме груза активный статический момент препятствует движению, а при опускании способствует ему. На рис. 3 показаны наиболее часто встречающиеся механические характеристики производственных механизмов. Характеристика в виде вертикальной прямой линии 1 соответствует различным подъемным механизмам; активный (потенциальный) момент нагрузки МС имеет неизменное направление, при подъеме груза оказывает сопротивление, при спуске – способствует ему. Характеристика в виде ломаной линии 2 относится к исполнительному органу, сопротивление при движении которого создается силами трения (характеристика сухого трения). Такой характеристикой обладают механизмы подач станков, горизонтальные конвейеры и транспортеры, механизмы передвижения подъемных кранов. Реактивный момент нагрузки этого вида всегда направлен навстречу движению. Кривая 3 характеризует момент нагрузки вентиляторов, центробежных компрессоров, дымососов, который пропорционален квадрату скорости. Характеристикой вида 4, близкой к гиперболической, обладают различные наматывающие устройства (намотка кабеля на катушки), механизмы главного движения токарных и фрезерных станков с управлением по принципу постоянства мощности резания , где - скорость резания, скоростью вращения шпинделя, - усилие резания, определяемое величиной подачи. Изменяя и система управления ЭП поддерживает мощность резания постоянной. Определение параметров установившегося движения Определение установившейся скорости обычно выполняется графически с помощью механических характеристик двигателя и исполнительного органа (рис. 4). Имея механические характеристики двигателя и производственного механизма нетрудно определить скорость установившегося движения. При установившемся движении выполняется условие . Поэтому, если на механическую характеристику двигателя наложить механическую характеристику ИО, то точка их пересечения будет соответствовать установившемуся режиму. Пусть имеем механическую характеристику I асинхронного двигателя и характеристику II нагрузки типа сухое трение (квадрант 3 для обратного направления вращения не рассматриваем). Совместим в одном и том же квадранте эти характеристики. Факт их пересечения говорит о возможности совместной работы двигателя и исполнительного органа, а точка их пересечения 1 являются точкой установившегося движения. Выбор типа двигателя автоматизированного электропривода (Леонов А.П. Выбор исполнительных двигателей для электрических приводов производственных механизмов: учебное пособие / А.П. Леонов. – М.: Прометей, 2013. _ 139 (1) с.: ил.) Закономерности нагрева и охлаждения двигателей позволяют выделить 8 стандартных режимов работы ЭП (Таблица 2) Таблица 2 Режимы работы двигателей в электроприводах Условное обозначение Наименование режима работы двигателя   S1 Продолжительный номинальный с неизменной нагрузкой Продолжительный номинальный с переменной циклической нагрузкой   S2 Кратковременный номинальный   S3 Повторно-кратковременный номинальный   S4 Повторно-кратковременный номинальный с частыми пусками   S5 Повторно-кратковременный номинальный с частыми пусками и электрическим торможением   S6 Перемежающийся номинальный   S7 Перемежающийся номинальный с частыми реверсами   S8 Перемежающийся номинальный с двумя или более угловыми скоростями Базовыми являются режимы S1 – S3. Продолжительным номинальным режимом работы S1 электрического двигателя называется его режим работы при неизменной нагрузке, продолжающийся столько времени, что превышения температуры всех его частей достигают установившегося значения (рис. 30) Продолжительность паузы роли не играет. Признаком режима S1 является выполнение условия где время работы двигателя, постоянная времени нагрева двигателя. В режиме S1 нагрузка может быть неизменной (рис. 30) или переменной (рис. 31). Рис. 30 Продолжительный номинальный режим при неизменной нагрузке Рис. 31 Графики зависимости и в режиме S1 при переменной нагрузке Остальные стандартные режимы базируются на 3-х перечисленных: S4, S5 отличаются от S3 тем, что при выборе двигателя необходимо учитывать динамические моменты при разгоне и торможении; S6 соответствует S1, но при переменной нагрузке; S7 соответствует S1, но с учетом динамических моментов при пуске и торможении; S8 отражает самый общий случай периодического изменения угловой скорости и момента нагрузки. Исходные данные и последовательность выбора исполнительных двигателей электроприводов Процедура выбора электродвигателей состоит в удовлетворении ряда требований потребителя и заключается в переборе возможных вариантов, в том числе: по роду тока и напряжению, конструктивному исполнению, мощности и режиму работы. Выбор исполнительного двигателя для ЭП в большинстве случаев представляет собой не простую задачу. Для ее корректного решения должны быть заданы следующие исходные данные. 1) Нагрузочная диаграмма исполнительного механизма при вращательном движении нагрузки (рис. 32) или при ее поступательном движении. По нагрузочной диаграмме определяются: • наибольшее значение момента нагрузки (на рис. 32 ); • время цикла работы исполнительного механизма ; величины интервалов времени , соответствующие работе привода с нагрузочными моментами и паузе. 2) Диаграмма скорости исполнительного механизма (тахограмма)  (рис. 32) при вращательном движении нагрузки или при ее поступательном движении. Из тахограммы определяются: • наибольшая скорость нагрузки или (на рис. 32 • величины интервалов времени:   — разгона до скорости ;   — движения с установившейся скоростью ;   — разгона до скорости ;   — движения с установившейся скоростью ;   — торможения до скорости ; • значения ускорений при разгоне и торможении ; выбирается наибольшее из них значение ускорения ; • диапазон регулирования скорости 3) Момент инерции нагрузки при ее вращательном движении или масса нагрузки при ее поступательном движении. Рис. 32 Нагрузочная диаграмма и диаграмма скорости исполнительного механизма 4) Режим работы двигателя в ЭП. 5) Способ исполнения ЭП  — разомкнутый / замкнутый, наличие / отсутствие регулируемого полупроводникового преобразователя напряжения или частоты в системе управления двигателем. Опыт проектирования и эксплуатации ЭП позволяет выработать следующие рекомендации по порядку выбора двигателей. Выбор серийных электродвигателей рекомендуется производить в следующей последовательности: 1. Выбор типа двигателя по принципу действия (постоянного тока независимого возбуждения, трехфазный асинхронный с короткозамкнутым ротором, трехфазный синхронный, шаговый и т.д.). 2. Выбор конструктивного исполнения двигателя (способ монтажа, степень защиты, способ охлаждения и т. д.). 3. Расчет мощности двигателя для заданного режима работы и его предварительный выбор с учетом пунктов 1, 2. 4. Проверка соответствия номинальной скорости двигателя заданной скорости нагрузки . 5. Проверка выбранного двигателя на достаточность пускового момента и перегрузочную способность. 6. Проверка выбранного двигателя по нагреву. Если предварительно выбранный в пункте 3 двигатель удовлетворяет условиям проверки по пунктам 4, 5 и 6, то на этом выбор двигателя заканчивается. Если предварительно выбранный двигатель не удовлетворяет условиям проверки хотя бы по одному из пунктов 4, 5 или 6, то выбирается другой двигатель, как правило, большей мощности и его проверка повторяется. Требуемая мощность двигателя (п.3) рассчитывается для заданного режима () работы электропривода с учетом нагрузочной диаграммы и тахограммы, момента инерции (массы) нагрузки и других исходных данных, приведенных выше. При предварительном выборе двигателя должно соблюдаться условие (18) где - номинальная мощность выбираемого двигателя; - коэффициент запаса. Поскольку расчет для каждого из режимов имеет свои особенности, детально данная процедура будет рассмотрена ниже. Для предварительно выбранного по условию (18) двигателя его номинальная мощность (19) где - номинальный вращающий момент на валу двигателя, - номинальная скорость вращения вала двигателя. Из выражения (19) следует, что два двигателя с одинаковой мощностью могут иметь различные номинальные скорости и моменты . Поэтому необходимо проверить подходит ли выбранный двигатель по наибольшей скорости нагрузки и наибольшему нагрузочному моменту . Условие согласования по скорости (п.4) или Проверка ДПТ НВ на перегрузочную способность (п.5) Для ДПТ НВ предельное значение момента и перегрузочная способность определяются допустимой величиной тока в якоре , которая может быть кратковременно допущена в этом двигателе, не вызывая необратимых процессов в коллекторно-щеточном узле. Для предварительно выбранного ДПТ НВ величина определяется по каталогу в зависимости от времени прохождения тока через коллекторно-щеточный узел (таблица 3). при ; при Величина допустимого момента ДПТ НВ . Предварительно выбранный двигатель подходит по перегрузочной способности, если выполняется условие (20) Таблица 3 Серия двигателя Предельно допустимая перегрузка Общего назначения постоянного тока серий 2ПФ; 2ПО; 2ПБ в течение в течение (для 2ПФ и 2ПО); в течение (для 2ПБ ) Двигатели постоянного тока серии Д до в течение при независимом возбуждении; до в течение при смешанном возбуждении; до в течение при последовательном возбуждении Поскольку при выполнении условия (20) выбранный двигатель обеспечивает пуск с заданным ускорением, то проверка ДПТ НВ на достаточность пускового момента не требуется. Проверка трехфазного АД с кз ротором и трехфазного СД на перегрузочную способность и достаточность пускового момента Трехфазные АД с кз ротором имеют физический предел максимального и пускового моментов. Чтобы ротор двигателя не остановился, необходимо проверить АД на перегрузочную способность. Поскольку момент трехфазного АД с кз ротором прямо пропорционален квадрату напряжения питания статорной обмотки, то с учетом разрешенного стандартом возможного снижения напряжения питания на 10% проверяется выполнение условия или (21) При включении двигателя в сеть пуск не произойдет, если приведенный к валу двигателя статический момент (Мдв тр) превышает пусковой момент . Поскольку, как правило, в справочниках для каждого типа двигателей приводятся значения и , то на практике удобнее пользоваться следующими условиями достаточности пускового момента (22) или (23) Трехфазные СД также имеют физический предел максимального момента , при превышении которого двигатель выпадает из синхронизма. В отличие от АД, где момент пропорционален квадрату напряжения питания, момент СД пропорционален напряжению питания в первой степени. Поэтому при проверке трехфазного СД на перегрузочную способность пользуются следующими выражениями или (24) где для СД нормального исполнения При асинхронном пуске СД для достаточности пускового момента как и для асинхронного двигателя должно проверяться соблюдение условия (22) или (23). Если для выбранного СД момент втягивания в синхронизм меньше пускового , то проверяется условие обеспечения втягивания в синхронизм (25) или (26) где - кратность момента при втягивании в синхронизм. Проверка двигателя по нагреву На практике проверка двигателей по нагреву осуществляется косвенными методами. Метод средних потерь Это наиболее точный и универсальный из косвенных методов (используем при выполнении контрольной работы). Расчетным соотношением этого метода является неравенство (27) где средние потери мощности за цикл определяют средний перегрев двигателя . Номинальные потери мощности в двигателе определяют его допустимый (нормативный) перегрев . Следовательно, при выполнении (27) выполняется и условие , т.е. средний перегрев двигателя не превышает допустимого. Номинальные потери двигателя определяются по справочным данным (28) где – номинальный кпд двигателя. Если нагрузка в течение цикла меняется (рис. 31), то средние потери на каждом участке определяются по формуле (29) где - коэффициент нагрузки; - коэффициент, определяемый по таблице 4, равный отношению постоянных потерь к переменным . После определения по формуле (29) потерь мощности на всех участках нагрузочной диаграммы рассчитывают средние потери двигателя (30) Чтобы перегрев двигателя не превышал допустимый, должно выполняться условие (31) Если условие (31) не выполняется, то выбирают двигатель большей мощности и расчет повторяют. Рис. 31 Графики зависимости и в режиме S1 при переменной нагрузке Таблица 4 Приблизительные значения для различных двигателей Тип двигателя Значение Асинхронные двигатели общего назначения с короткозамкнутым ротором 0.5 – 0.7 Асинхронные двигатели крановые с короткозамкнутым ротором 0.4 – 0.5 Двигатели постоянного тока независимого возбуждения 0.5 – 0.9 Двигатели постоянного тока крановые 1.0 – 1.5 Примечание. Большие значения соответствуют двигателям большой мощности. Поскольку оценивается средний перегрев , то максимальный перегрев может превышать его. Точность оценки этим методом тем выше, чем больше постоянная времени нагрева двигателя превышает длительность наиболее продолжительного участка цикла работы двигателя. В этом случае . Выбор двигателя, работающего в режиме S1 при переменной нагрузке В таком режиме, например, работают электроприводы металлорежущих станков. При расчете средней мощности двигателя используют либо метод средних потерь (27). Установим следующий порядок выбора двигателя при переменной нагрузке. 1. Выбор типа двигателя по конструктивным требованиям и условиям эксплуатации (в контрольной работе тип двигателя задан). 2. Предварительный выбор типа двигателя по мощности и наибольшей скорости нагрузки Используя нагрузочную диаграмму (рис. 31), определяем среднее значение мощности (41) Номинальную мощность выбираемого двигателя определяем в соответствии с выражением (42) где - коэффициент запаса. Предварительно выбираемый двигатель должен иметь номинальную скорость , которая обеспечивает заданную скорость нагрузки. 3. Проверка выбранного двигателя по нагреву Чтобы перегрев двигателя не превышал допустимый, должно выполняться условие (27). Если это условие не выполняется, то выбираем двигатель большей мощности и расчет повторяем. 4. Проверка двигателя на перегрузочную способность и достаточность пускового момента Если перегрев двигателя не превышает допустимый (, но на i-м участке нагрузочной диаграммы мощность , то требуется проверка двигателя на перегрузочную способность на этом i-ом участке (20) – (26). Если двигатель подходит по перегрузочной способности, то выбираем его окончательно. Примеры выбора ДПТ НВ и трёхфазного АД с кз ротором для режима S1 с переменной нагрузкой Пример 1. Для электропривода главного движения токарного станка выбрать трехфазный АД серии АИР основного исполнения. Пуск двигателя выполняется без нагрузки. Нагрузочная диаграмма этого привода приведена на рис. 12.2. Значения мощности на участках диаграммы [кВт] и их продолжительность [мин] составляют: = 14; = 6; = 10; = 6; = 12; = 4; = 17; = 4; = 7; = 6. Номинальная частота вращения шпинделя [об / мин]. Решение Задачу решаем методом средних потерь 1. Среднее значение мощности находим по формуле 2. Рассчитываем предварительно номинальную мощность выбираемого двигателя По каталогу серии АИР (основное исполнение) выбираем двигатель АИР160S4У3 со следующими параметрами: номинальная мощность номинальная частота вращения номинальный КПД номинальный коэффициент мощности перегрузочная способностькратность пускового момента кратность пускового тока число пар полюсов исполнение по способу монтажа IM2031. По скорости двигатель подходит, так как . 3. Проверка выбранного двигателя по нагреву. 3.1. Определим потери при номинальной нагрузке (12.8) 3.2. Определим потери для каждого участка нагрузочной диаграммы по формуле (12.10). Для АД с кз ротором полагаем (таблица 12.1). Для каждого участка нагрузочной диаграммы вычисляем значения коэффициентов нагрузки : Тогда, 3.3. Определим средние потери двигателя 3.4. Сравним средние потери с номинальными (1.66 кВт > 1.38 кВт) Следовательно, перегрев двигателя не будет превышать допустимой (нормативной) величины. 4. Проверка двигателя на перегрузочную способность и достаточность пускового момента. Поскольку наибольшая мощность по нагрузочной диаграмме (17 кВт) превышает номинальную мощность выбранного двигателя (15 кВт), требуется проверка двигателя на перегрузочную способность. Перегрузка двигателя на четвертом участке нагрузочной диаграммы где - момент нагрузки двигателя на четвертом участке; - момент двигателя при номинальной мощности. Определим значения и где - частота вращения на четвертом участке; для линейного участка механической характеристики АД (рис. 3.2а) где синхронная частота вращения - частота питающей сети. Номинальный момент двигателя Следовательно, превышение момента на четвертом участке диаграммы составит Поскольку (1.15 < 2.9), то устойчивая работа двигателя на четвертом участке обеспечена. Заметим, что выбор двигателя по участку с наибольшей мощностью () был бы ошибочным, так как в этом случае пришлось бы использовать двигатель с номинальной мощностью 18.5 кВт. Это привело бы к значительному недоиспользованию мощности двигателя (к снижению КПД и коэффициента мощности). Пусковой момент двигателя будет достаточным, так как соблюдается условие Окончательно выбираем двигатель типа АИР160S4У3. Пример 2. Выбрать ДПТ НВ для электропривода, работающего в продолжительном режиме с переменной нагрузкой. Значения мощности на участках нагрузочной диаграммы [кВт] и их продолжительность [мин] составляют: = 3.0; = 5; = 0.9; = 20; = 1.0; = 14. Номинальная частота вращения нагрузки [об / мин]. Пуск двигателя выполняется без нагрузки. Решение Задачу решаем методом средних потерь 1. Среднее значение мощности находим по формуле (12.6) 2. В соответствии с (12.7) рассчитываем предварительно номинальную мощность выбираемого двигателя По каталогу выбираем ДПТ НВ типа МИ-41 со следующими параметрами: По скорости двигатель подходит, так как . 3. Проверка выбранного двигателя по нагреву. 3.1. Определим потери при номинальной нагрузке 3.2. Определим потери для каждого участка нагрузочной диаграммы по формуле. Для ДПТ НВ малой мощности полагаем . Для каждого участка нагрузочной диаграммы вычисляем значения коэффициентов нагрузки : Тогда, 3.3. Определим средние потери двигателя 3.4. Сравним средние потери с номинальными (проверка условия (0.59 кВт > 0.49 кВт Следовательно, перегрев двигателя не будет превышать допустимой (нормативной) величины. 4. Проверка двигателя на перегрузочную способность и достаточность пускового момента. Поскольку наибольшая мощность на первом участке нагрузочной диаграмме (3.0 кВт) превышает номинальную мощность выбранного двигателя (1.6 кВт), требуется проверка двигателя на перегрузочную способность. Определяем для первого участка () нагрузочной диаграммы где Находим значение перегрузки по току на первом участке нагрузочной диаграммы Для двигателей типа МИ допускается двойная перегрузка по току якоря в течение времени . Поскольку двигатель МИ-41 по перегрузочной способности не подходит для данного электропривода. Выбираем следующий из ряда этой серии двигатель типа МИ-42 со следующими параметрами: По скорости двигатель подходит, так как . 1. Проверка выбранного двигателя по нагреву. 3.1. Определим потери при номинальной нагрузке) 1.2. Определим потери для каждого участка нагрузочной диаграммы по формуле. Для ДПТ НВ малой мощности полагаем . Для каждого участка нагрузочной диаграммы вычисляем значения коэффициентов нагрузки : Тогда, 3.3. Определим средние потери двигателя 3.4. Сравним средние потери с номинальными (0.9 кВт > 0.53 кВт) Следовательно, перегрев двигателя не будет превышать допустимой (нормативной) величины. Проверка двигателя на перегрузочную способность и достаточность пускового момента не требуется, так как на всех участках нагрузочной диаграммы . Окончательно выбираем двигатель типа МИ-42. Выбор двигателя для режима S2 (кратковременный номинальный режим) Режим S2 характеризуется чередованием периодов неизменной нагрузки с периодами отключения двигателя (рис. 33). При этом за время работы двигателя его температура не достигает нормативного значения , а за время паузы двигатель охлаждается до температуры окружающей среды . Стандартом установлена длительность периодов нагрузки В таком режиме работают электроприводы шлюзов, вентилей и заслонок, регулирующих подачу нефти, газа и других веществ по трубопроводу. Рис. 33 Кратковременный номинальный режим S2 Если двигатель рассчитан на продолжительный режим работы, то при кратковременном режиме превышение температуры к концу рабочего периода не достигнет установившегося значения. В этом случае двигатель будет недоиспользован по нагреву, а значит и по мощности. Для полного использования в кратковременном режиме работы двигателя, предназначенного для работы в продолжительном режиме, его следует перегружать по мощности на валу. Тогда перегрев к концу рабочего периода достигнет нормативного уровня. Промышленностью выпускаются специальные электродвигатели для кратковременного режима работы. Они имеют повышенную перегрузочную способность, что позволяет полнее использовать их по нагреву. Время работы этих двигателей в соответствии с ГОСТ 183 составляет 10, 15, 30, 60 и 90 мин. Например, для режима S2 на время работы 60 мин. выпускаются ДПТ типа Д21 и Д22 при способе охлаждения IC040, а на время работы 15 мин. – трехфазные АД типа AD00 63 – AD00 112. Методика выбора специального двигателя для кратковременного режима предельно проста. Если заданы величины и , то выбирается специальный двигатель с номинальной мощностью , рассчитанный на работу с данной мощностью в течение времени . Например, если специальный двигатель имеет кВт и предназначен для работы в течение 30 мин., то он может не перегреваясь развивать мощность 4 кВт в течение 30 мин. Затем он должен быть отключен до тех пор пока не охладится до температуры окружающей среды. Внимание ! Двигатели, предназначенные для кратковременного режима, не рекомендуется использовать в продолжительном режиме из-за повышенных постоянных потерь мощности и перегрева выше допустимого уровня (иногда даже на холостом ходу). Выбор двигателя для режима S3 (повторно-кратковременный номинальный режим работы) Режим работы двигателя S3 характеризуется чередованием рабочих периодов (периодов нагрузки) с паузами (периодами отключения двигателя). Как за время , так и за время температура двигателя не достигает установившихся значений, то есть выполняются условия (рис. 34). Рис. 34 Повторно–кратковременный номинальный режим S3 При достаточно долгом повторении циклов температура перегрева двигателя колеблется около среднего уровня , не превышая допустимой величины . Режим S3 характеризуется относительной продолжительностью включения ПВ. (4.1) где - коэффициент, учитывающий ухудшение условий охлаждения двигателей с самовентиляцией при уменьшении их частоты вращения (таблицы 4.2, 4.3). Таблица 4.2 Зависимость значения коэффициента от частоты вращения двигателя Частота вращения Значение Примечания Значения зависят от конструктивного исполнения двигателей (таблица 10.3) Таблица 4.3 Значения в зависимости от исполнения двигателей по способам защиты и охлаждения Исполнение двигателей Значение Закрытое с независимой вентиляцией 1 Закрытое с естественным охлаждением 0.97 Закрытое с самовентиляцией 0.5 Защищенное с самовентиляцией 0.3 При повторно-кратковременном режиме ограничиваются время цикла и относительная продолжительность . При расчет мощности двигателя ведут как для кратковременного режима S2. Если или , расчет мощности двигателя ведут как для продолжительного режима S1. При выборе двигателя для режима S3 будем считать, что времена пуска и торможения значительно меньше длительности рабочего периода и их влияние на нагрев двигателя несущественно. Поэтому динамические моменты при пуске и торможении учитывать не будем. Промышленностью выпускаются специальные двигатели постоянного и переменного тока, предназначенные для работы в повторно-кратковременном режиме (например, двигатели краново-металлургической серии). Отличительные особенности этих двигателей: • пониженная величина момента инерции ротора (якоря); • большой пусковой момент при сравнительно небольших пусковых токах; • повышенная перегрузочная способность. Для режима S3 установлены номинальные значения В каталогах специальных серий двигателей для режима   S3 указана номинальная мощность при Период работы нагрузочной диаграммы может иметь несколько ступеней (рис. **). Рис. ** Нагрузочная диаграмма режима S3 c переменной нагрузкой в рабочем периоде Рассмотрим порядок выбора специального двигателя для режима S3 для общего случая (переменная нагрузка в рабочем периоде). Расчеты проведем методом эквивалентных величин. 1. Определяем эквивалентный момент нагрузки (4.2) 2. Определяем эквивалентную мощность двигателя (4.3) где — приведенная к валу двигателя скорость перемещения нагрузки. 3. Вычисляем продолжительность цикла при , определенном из таблиц 4.2 и 4.3 (4.4) 4. Рассчитываем относительную продолжительность рабочего периода (4.5) 5. Определяем требуемую мощность двигателя при ПВ  = 40% (4.6) 6. Из каталога выбираем специальный двигатель, имеющий при ПВ  = 40% . Выбираем наибольший нагрузочный момент на i-м интервале цикла, для которого выполняется условие и выполняем следующие проверки 7. Проверяем выбранный двигатель по условиям пуска (4.7) 8. Проверяем двигатель на перегрузочную способность при работе на заданную нагрузку. Для трехфазного АД с кз ротором (4.8) Для трехфазного СД (4.9) Для ДПТ НВ (4.10) (4.11) (4.12) При отсутствии значительных нагрузок возможно применение в электроприводах с повторно-кратковременным режимом работы двигателей общепромышленного назначения для продолжительного режима работы. В этом случае номинальная мощность двигателя выбирается из условия (4.13) Поскольку за счет того, что часть цикла двигатель не работает, следует внимательно отнестись к проверке двигателя по перегрузке и пусковому моменту для АД и СД. Использование двигателей продолжительного режима   S1 в повторно-кратковременном ведет к снижению надежности электропривода и его энергетических показателей. Это объясняется тем, что по сравнению со специальными двигателями для повторно-кратковременного режима двигатели для продолжительного режима имеют меньшие значения перегрузочной способности и пускового момента, больший момент инерции ротора (якоря), меньший диаметр вала и меньший ресурс подшипников. Пример 1. Для электропривода подъемного механизма необходимо выбрать тип трехфазного АД с кз ротором для режима работы   S3 в соответствии с нагрузочной диаграммой на рис.4.5, где Решение 1. Определим эквивалентный момент нагрузки 2. Определим эквивалентную мощность двигателя 3. Для краново-металлургической серии МТКН выбираем асинхронный двигатель с кз ротором (р=4) закрытого исполнения с самовентиляцией. При приведенной к валу двигателя скорости определяем величину (табл. 4.2). Тогда время цикла 4. Рассчитываем относительную продолжительность рабочего периода 5. Определяем требуемую мощность двигателя при ПВ  = 40% 6. Из условия выбираем асинхронный двигатель с кз ротором типа МТКН 411-8 краново-металлургической серии. Параметры двигателя: при ПВ=40%; 7. Проверяем выбранный двигатель по условиям пуска Условие выполняется, поскольку 650 Нм > 327 Нм Двигатель по пусковому моменту удовлетворяет заданным условиям. 8. Проверяем двигатель на перегрузочную способность при работе на заданную нагрузку Поскольку двигатель проходит по перегрузочной способности. Окончательно выбираем трехфазный АД с кз ротором типа МТКН 411-8. Пример №2. Для режима   S3 при постоянном в течение при требуется выбрать ДПТ НВ общепромышленного назначения. Решение 1. Определяем требуемую мощность двигателя в рабочем цикле в рабочем цикле 2. Рассчитываем относительную продолжительность рабочего периода при 3. Из выражения (11.36) определяем номинальную мощность двигателя 4. Из условия выбираем ДПТ НВ типа 2ПН-132, имеющий , Определим номинальный момент двигателя 5. Проверим двигатель на перегрузочную способность Для данного двигателя при Двигатель по перегрузочной способности проходит. Окончательно выбираем ДПТ НВ общепромышленного назначения типа 2ПН-132. Выбор типа двигателя и типа преобразователя частоты для повторно-кратковременного номинального режима работы с частыми пусками и электрическим торможением S5 В режиме S5 работают двигатели в приводах значительного числа металлорежущих станков, прессов, вспомогательных механизмов прокатных станов и другого оборудования. Периодический кратковременный режим с электрическим торможением (типовой режим S5) – последовательность одинаковых рабочих циклов электродвигателя (рис. 1.4), каждый из которых состоит из периодов пуска , работы с постоянной нагрузкой , быстрого электрического торможения , паузы . Продолжительность цикла недостаточна для достижения теплового равновесия. Рис. 1.4 Временные диаграммы для режима S5 ( - время электрического торможения, - момент двигателя при торможении) Продолжительность включения (1.16) В соответствии с ГОСТ 183: нормированные значения ПВ = 15, 25, 40 и 60%; число включений в час – 30, 60, 120 и 240 при коэффициенте инерции В режиме S5 существенное влияние на перегрев двигателя оказывают переходные режимы, связанные с его частыми пусками и торможениями. При пусках значения токов в обмотках двигателей значительно превышают номинальные. Например, у трехфазных АД с кз ротором пусковой ток в 5 – 7 раз превышает номинальный. Для электроприводов, работающих в режиме S5, выбираются двигатели, предназначенные для режима S3. Выбор двигателя осуществляется в два этапа, так как потери в переходных режимах могут быть точно рассчитаны только после выбора двигателя, когда известен момент инерции его ротора. Поэтому на первом этапе по диаграмме статических нагрузок определяют эквивалентные приведенные момент или мощность. При выборе двигателя по каталогу вводят коэффициент запаса, учитывающий дополнительные потери при пуске. На втором этапе для выбранного двигателя строят уточненную нагрузочную диаграмму, по которой проводят поверочный расчет. Если при расчете по уточненной диаграмме выбранный двигатель не проходит по мощности, то выбирают более мощный двигатель данной серии и повторяют поверочный расчет. Пример 1.4 Выбрать тип трехфазного АД с кз ротором для режима работы S5 в соответствии с диаграммами на рис.1.4, где ; при приведенных к валу двигателя моменте сопротивления и моменте инерции нагрузки Для выбранного двигателя определить допустимое число включений в час. Решение 1. Определим значение пускового момента на участке разгона без учета момента инерции ротора двигателя 2. Определим значение тормозного момента на участке торможения без учета момента инерции ротора двигателя 3. Определим эквивалентный момент нагрузки 4. Определим требуемую эквивалентную мощность двигателя 5. Рассчитываем относительную продолжительность рабочего периода 6. Определяем требуемую мощность двигателя при ПВ = 40% 7. Определяем требуемую мощность двигателя с учетом коэффициента запаса 8. Из условия выбираем асинхронный двигатель с кз ротором типа МТКН 411-8 краново-металлургической серии. Параметры двигателя: при ПВ=40%; ; . 9. Определяем точное значение среднего пускового момента на участке разгона с учетом момента инерции ротора двигателя , где , величина скольжения в рабочей точке линейного участка механической характеристики асинхронного двигателя ; где 10. Определяем точное значение среднего тормозного момента на участке торможения с учетом момента инерции ротора двигателя 11. Уточняем величину эквивалентного момента 12. Уточняем эквивалентную мощность двигателя 13. Уточняем требуемую мощность двигателя при ПВ = 40% 14. Поскольку , двигатель выбран правильно. Если указанное условие не выполняется, то следует выбрать более мощный двигатель и повторить расчеты с пункта 9. 15. Проверяем выбранный двигатель по условиям пуска Условие выполняется, поскольку 650 Нм > 170 Нм Двигатель по пусковому моменту удовлетворяет заданным условиям. 16. Проверяем двигатель на перегрузочную способность при работе на максимальную нагрузку При работе на максимальную нагрузку Поскольку двигатель проходит по перегрузочной способности. 17. Определяем число включений двигателя в час Чтобы двигатель не перегревался величина не должна превышать допустимое для данного двигателя число включений в час, т.е. При Расчет при F>5 приведен в указанном выше пособии. Выбор типа преобразователя частоты От правильного выбора преобразователя частоты (ПЧ) зависит эффективность и ресурс работы ПЧ и всего электропривода в целом. Если мощность ПЧ будет завышена, он не сможет в должной мере обеспечить защиту двигателя. Если мощность ПЧ мала, он не сможет обеспечить высокодинамичный режим работы и из-за перегрузок может выйти из строя. Выбор ПЧ по электрической совместимости с двигателем 1. Определяем полную потребляемую двигателем мощность 2. Ориентировочно выбираем ПЧ типа ES024-04-0600A c номинальной мощностью и номинальным выходным током . Перегрузочная способность: 150% в течение 60 с.; 180% в течение 10 с. 3. Проверяем соблюдение условия , - ток, потребляемый двигателем от ПЧ в установившемся режиме при напряжении сети 220/380 В Условие выполняется, т.к. 60 А> 57.6 A 4. Проверяем выбранный ПЧ на перегрузочную способность. Поскольку время разгона , то допустимая перегрузочная способность составляет 180% , т.е. допустимый выходной ток ПЧ при разгоне ток , который двигатель потребляет при линейном разгоне, определим из выражения где - динамический момент нагрузки, возникающий при разгоне инерционной нагрузки, - сумма моментов инерции ротора двигателя и приведенного к валу двигателя момента инерции нагрузки, - время, в течение которого двигатель разгоняется до частоты вращения . Поскольку , то необходимо выбрать ПЧ большей мощности. 5. Выбираем ПЧ типа ES024-04-0750A c номинальной мощностью и номинальным выходным током . Перегрузочная способность: 150% в течение 60 с.; 180% в течение 10 с. Проверяем выбранный ПЧ на перегрузочную способность. Допустимый выходной ток ПЧ при разгоне . Тогда, условие соблюдается, т.к. 135 А > 120.5 A Окончательно выбираем ПЧ типа ES024-04-0750А. Выбор шагового двигателя Проблемы обеспечения требуемого теплового режима электрических шаговых двигателей не существует, т.к. они рассчитываются на длительный режим отработки импульсов заданной частоты. Поэтому проверка выбранного шагового двигателя на нагрев не требуется. Исходными данными при выборе шагового двигателя являются: 1. При поступательном движении нагрузки: • - сила сопротивления; • – наибольшая линейная скорость нагрузки; • и – кпд и коэффициент передачи редуктора; • – ошибка положения нагрузки при отработке одного шага двигателя. 2. При вращательном движении нагрузки: • – момент сопротивления; • – наибольшая угловая скорость (частота вращения) нагрузки; • и – кпд и передаточное отношение редуктора; • – ошибка положения нагрузки при отработке одного шага двигателя. Выбор типа шагового двигателя осуществим в следующем порядке: 1. Предварительный выбор двигателя. Номинальный момент двигателя на заданной частоте управляющих импульсов должен быть не меньше приведенного к валу двигателя максимального момента нагрузки, то есть для поступательного движения нагрузки (4.27) для вращательного движения (4.28) Выполнением этих условий обеспечивается работа двигателя без пропуска хотя бы одного управляющего импульса. Из условия (4.27) или (4.28) ориентировочно выбираем шаговый двигатель, для которого по каталогу определяем: • величину шага двигателя ; • наибольшую частоту управляющих импульсов (частоту приемистости) при реальном приведенном моменте сопротивления или . 2. Проверка обеспечения наибольшей заданной скорости нагрузки или . Должно выполняться условие (4.29) или (4.30) 3. Проверка правильности выбора двигателя, исходя из требования обеспечения заданной точности. При отработке одного шага двигателя статическая ошибка не превышает половины шага (). Чтобы в этом случае не превысить заданной величины или , для выбранного двигателя величина должна удовлетворять условию или (4.31) для вращательного движения или (4.32) Если условия пунктов 2 или 3 не выполняются, то следует выбрать другой двигатель, удовлетворяющий условию (4.27) или (4.28) и для него повторить проверки по пунктам 2 и 3. Техническая реализация преобразователей частоты в АЭП переменного тока В современных АЭП переменного тока широкое применение находят статические преобразователи частоты (ПЧ), построенные на статических элементах (полупроводниковых приборах, конденсаторах и т.д.). Их развитие обусловлено появлением на рынке новых силовых полупроводниковых приборов: тиристоров и транзисторов. Создаваемые на их базе статические ПЧ позволяют повысить технико-экономические показатели регулируемого электропривода: увеличить его КПД и быстродействие. Статические ПЧ подразделяются на две группы: • преобразователи частоты с непосредственной связью (НПЧ); • ПЧ с промежуточным звеном постоянного тока и автономным (независимым) инвертором. Преобразователи частоты с непосредственной связью В НПЧ инвертор И включается в сеть трехфазного переменного тока напряжением частотой (рис. 12). Напряжение и частота на выходе НПЧ регулируются сигналом управления , поступающим на блок управления инвертором БУИ от устройства управления электроприводом. Коммутация тока с вентиля на вентиль обеспечивается переменным напряжением источника питания . Такие инверторы называются ведомыми сетью. ПНЧ допускают регулирование частоты от 0 Гц не более чем до 20 Гц. При более высокой частоте несинусоидальность напряжения на выходе инвертора настолько значительна, что становится причиной недопустимо больших потерь в двигателе. Это свойство ограничивает применение НПЧ в АЭП. Рис. 12 Функциональная схема преобразователя частоты с непосредственной связью Преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного тока и автономным инвертором Наибольшее применение для частотного регулирования АД получили двухзвенные ПЧ, состоящие из управляемого выпрямителя УВ и автономного инвертора АИ (рис. 13). В данной схеме инвертор – это устройство, преобразующее постоянное напряжение в трехфазное напряжение переменной амплитуды и переменной частоты . Управление ПЧ осуществляется от блока управления преобразователем БУП, на вход которого подается сигнал от устройства управления АЭП. На выходе БУП формируются два управляющих сигнала: • сигнал , который через блок управления выпрямителем БУВ управляет углом включения тиристоров, обеспечивая на выходе УВ требуемое постоянное напряжение , (преобразует трехфазное напряжение сети в постоянное напряжение переменной величины ); фильтр Ф сглаживает напряжение , частично устраняя его гармонические составляющие; • сигнал , который через блок управления инвертором БУИ, управляет работой автономного инвертора АИ, создавая на его выходе трехфазное напряжение регулируемой частоты и регулируемой амплитуды, определяемой величиной . Рис. 13 Функциональная схема преобразователя частоты со звеном постоянного тока В зависимости от используемого принципа преобразования рассмотрим два типа автономных инверторов: инверторы, генерирующие напряжение прямоугольной формы и инверторы с высокочастотной широтно-импульсной модуляцией. Последние обеспечивают наиболее близкую к синусоидальной форму выходного напряжения, что существенно снижает нагрев АД от гармоник напряжения более высоких порядков. Автономные инверторы со ступенчатой формой напряжения на фазах нагрузки Рассмотрим принцип получения регулируемой частоты f 1РЕГ (схема УИ на рис. 14). Пусть трехфазная обмотка статора ZA, ZB, ZC соединена в звезду. Тиристоры УИ VS1 – VS6 соединены по мостовой схеме. Они открываются импульсами с БУИ в требуемой последовательности. Рис. 14 Упрощенная схема автономного инвертора Обычно продолжительность открытого состояния тиристора составляет половину или треть периода , а сдвиг момента открытия тиристоров друг относительно друга в порядке возрастания номеров составляет шестую часть периода, т.е. . Пусть (рис. 15) и токи фаз IA, IB, IC, проходящие через нечетные тиристоры, отложены в положительном направлении, а через четные – в отрицательном. За время периода выделяют 6 интервалов различных сочетаний открытых и закрытых состояний тиристоров. В каждый момент времени включены 3 тиристора из 6. Рис. 15 Диаграмма работы тиристоров при В интервале I открыты VS1, VS6 и VS5. Начала фаз ZA и ZС соединены с плюсом Е0 (рис. 16а), а начало ZВ – с минусом Е0. Поскольку ZA=ZB=ZC, то напряжение на ZA и ZC будет в 2 раза меньше, чем на ZB (рис. 16а, рис. 17). В интервале II открыты тиристоры VS1, VS6 и VS2 (рис. 16б, рис.17). В интервале III открыты тиристоры VS1, VS3 и VS5 (рис.16в, рис. 17) и т.д. График изменения напряжения на фазах нагрузки при имеет ступенчатую форму, и оно является переменным. Максимумы напряжений сдвинуты по фазам на треть периода регулируемой частоты, т.е. на нагрузке получается стандартная система трехфазного напряжения переменного тока несинусоидальной формы. Рис. 16 Схемы соединения нагрузки (а) – на интервале I, (б) – на интервале II, (в) – на интервале III) График изменения напряжения на фазах нагрузки при имеет ступенчатую форму, и оно является переменным. Максимумы напряжений сдвинуты по фазам на треть периода регулируемой частоты, т.е. на нагрузке получается стандартная система трехфазного напряжения переменного тока несинусоидальной формы. Рис. 17 Напряжение на фазах обмоток статора при их соединении в звезду и Рассмотрим случай, когда продолжительность открытого состояния тиристора λ составляет треть периода ТРЕГ (λ=ТРЕГ/3), а обмотка статора соединена в звезду. Из диаграммы работы тиристоров, представленной на рис. 18, видно, что в каждый интервал времени открыты лишь два тиристора. В результате в каждом интервале времени две фазы нагрузки оказываются последовательно включенными на напряжение Е0, а третья фаза оказывается отключенной. Соответственно напряжение на каждой из последовательно соединенных фаз равно Е0 /2, а на третьей равно нулю (рис. 19). Рис.18 Диаграмма работы тиристоров при λ=ТРЕГ/3 Рис. 19 Напряжение на фазах обмоток статора при их соединении в звезду и При соединении обмоток статора в треугольник и форма напряжения на фазах обмотки аналогична кривым на рис. 25, но с амплитудой, равной . При соединении фазных обмоток статора в треугольник и форма напряжений на фазах обмотки статора повторяет кривые на рис. 23, но с заменой на и на . 2.2.2 Автономные инверторы с широтно-импульсной модуляцией При питании обмотки статора трехфазным несинусоидальным напряжением (рис. 17, 19) имеют место большие потери в АД от высших гармоник тока. Поэтому в современных ПЧ со звеном постоянного тока, как правило, используются инверторы с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Такие инверторы обеспечивают не только широкий диапазон регулирования в них напряжения и частоты, но и получение формы выходного тока, близкой к синусоидальной. Для изменения амплитуды и формы напряжения на фазовой обмотке статора (например, ) раздробим каждый период T на n равных интервалов с продолжительностью каждого (рис. 20а), где – интервал времени, в течение которого к нагрузке прикладывается полное напряжение , – интервал времени, в течение которого к нагрузке прикладывается нулевое напряжение. Тогда к нагрузке на каждом интервале I будет прикладываться не полное напряжение , а лишь его часть Изменяя на каждом интервале относительную ширину импульса можно управлять средним за интервал напряжением, т.е. формировать на каждом полупериоде нужную форму напряжения (рис. 20б). С увеличением n будет уменьшаться и ступенчатая кривая будет приближаться к плавной. Рис. 20 а) – ШИМ на интервале i, б) – ШИМ на половине периода выходной частоты При использовании инверторов с ШИМ в схеме ПЧ может быть применен неуправляемый выпрямитель (амплитуда напряжения регулируется в инверторе за счет ШИМ), что упрощает преобразователь и позволяет получить близкий к 1 коэффициент мощности ПЧ. Полностью реализовать широкие возможности ШИМ удалось лишь в последние 20-25 лет с появлением на рынке совершенных ключей, например, транзисторных модулей IGBT (рис. 21а) с напряжением до 1200 В, током до 600 А и частотой коммутации до 30 кГц, а также микропроцессорных средств управления ими – встраиваемых однокристальных микропроцессорных контроллеров (МК) класса MC (Motor Control). Поскольку IGBT-транзисторы могут переключаться при значительно больших частотах, чем тиристорные ключи, форма тока протекающего через обмотки двигателя, становится значительно ближе к синусоидальной. Очевидно, что чем выше несущая частота ШИМ, тем меньше амплитуда колебаний тока в трехфазной обмотке статора. Однако при работе на индуктивную нагрузку чрезмерное увеличение несущей частоты может привести к перегреву ключей инвертора, так как чем выше частота коммутации ключей, тем выше потери в них. Транзисторный модуль IGBT состоит из транзистора VT c изолированным затвором и встроенного обратного диода VD (рис. 21а). Автономный инвертор (рис. 21б) питается постоянным напряжением Е0, конденсатор С выполняет функцию сглаживающего фильтра. Индуктивный характер нагрузки учитывается подключением параллельно транзисторам VT1 – VT6 обратных диодов VD1 – VD6, обеспечивающих непрерывность цепи протекания тока в фазовых обмотках статора при отключении их от источника питания (закрытии соответствующих транзисторов) и возврата запасенной электромагнитной энергии в конденсатор С. В АЭП, имеющих в цикле работы участки рекуперации энергии, или высокую интенсивность тормозных режимов, для эффективного торможения предусмотрен специальный узел сброса энергии, состоящий из дополнительного ключа VT7 и резистора R1. Ключ VT7 открывается при превышении напряжения на емкости С сверх допустимого значения, вследствие чего обеспечивается «сброс» энергии в резистор R1, рассеивающий эту энергию. Рис. 21 Использование модуля-ключа в автономном инверторе (а) – схема модуля-ключа на базе транзистора и обратного диода, (б) – схема силовой части инвертора, выполненного на этих модулях) Автономные инверторы напряжения и тока АИ делятся на два класса – инверторы напряжения и тока. Автономные инверторы напряжения (АИН, рис. 22) имеют в качестве источника питания источник напряжения. Если АИН питаются от УВ, то на выходе выпрямителя устанавливается конденсатор большой емкости. При этом с изменением тока нагрузки напряжение АИН практически не изменяется, что обусловливает предпочтительное использование АИН в разомкнутых приводах и при управлении группой регулируемых двигателей. При использовании АИН управляющими воздействиями на АД являются частота и напряжение . Рис. 22 Функциональная схема автономного инвертора напряжения (АИН) Автономные инверторы тока (АИТ, рис. 23) обладают свойствами источников тока, для чего их питание осуществляется от источника тока. На выходе УВ для придания ему такого свойства устанавливается дроссель большой индуктивности. ПЧ с АИТ позволяют создавать быстродействующие реверсивные электроприводы, работающие в интенсивном повторно-кратковременном режиме с частыми переходными процессами. При использовании АИТ управляющими воздействиями на АД являются частота и ток в обмотке статора. Рис. 23 Функциональная схема автономного инвертора тока (АИТ) Типовые практические схемы ПЧ с АИН и АИТ Одна из распространенных практических схем силовой части электропривода с АИН приведена на рис. 24. Тиристоры VS7-VS12 образуют управляемый выпрямитель УВ. На выходе УВ включены катушка индуктивности фильтра и конденсатор , обеспечивающий вместе с обратными диодами VD7-VD12 циркуляцию реактивной мощности. Тиристоры VS1-VS6 образуют основную схему инвертора, алгоритм их работы был рассмотрен выше (рис. 15). Поскольку автономный инвертор питается от источника постоянного напряжения , то для закрытия основных тиристоров VS1-VS6 в нужные моменты времени предусмотрены цепи искусственной коммутации, образованные конденсаторами С и индуктивностями L вместе с диодами VD1-VD6. Амплитуда постоянного напряжения формируется на выходе УВ, а регулируемая частота напряжения на обмотке статора определяется частотой коммутации тиристоров VS1-VS6. Приведенная на рис. 24 схема ПЧ хотя и является распространенной, но далеко не единственной. На практике нашли применение и другие схемы, отличающиеся способами регулирования напряжения и видами искусственной коммутации тиристоров автономного инвертора. Однако общие принципы работы ПЧ остаются теми же. Рис. 24 Практическая схема ПЧ со звеном постоянного тока в АИН На практике широкое распространение получили также асинхронные электроприводы на базе АИТ. С помощью обратных связей по току и скорости формируются статические и динамические характеристики быстродействующих электроприводов с заданным высоким качеством. Упрощенная схема замкнутой системы частотно-токового управления АД приведена на рис. 25. Назначение тиристоров, диодов и конденсаторов УВ и АИТ такое же, как и для схемы рис. 30. Другие элементы схемы имеют следующие обозначения: СУВ и СУИ – схемы управления тиристорами УВ и АИТ соответственно; РТ – регулятор тока статора; ДТ – датчик тока статора; ДС – датчик скорости; УО – усилитель-ограничитель; ФП – функциональный преобразователь. Схема работает следующим образом. Задающий сигнал определяет частоту переключения тиристоров АИТ и соответственно частоту тока статора АД. После вычитания из сигнала обратной связи по скорости формируется сигнал , пропорциональный относительной частоте ротора . Величину называют также абсолютным скольжением. Она связана со скольжением АД выражением , где . Сигнал , пройдя через УО, вместе с сигналом поступает на вход СУИ. Частота на выходе АИТ определяется сигналом . СУИ настроена таким образом, что, пока УО работает в линейной зоне, частота на выходе АИТ постоянна и не зависит от нагрузки Двигатель при этом имеет жесткие механические характеристики (рис. 26). Сигнал , после прохождения через ФП является задающим сигналом для контура регулирования тока. Поскольку этот сигнал пропорционален абсолютному скольжению, то ток АД при всех частотах будет ему пропорционален. При резких изменениях задающего сигнала или при перегрузке двигателя УО входит в зону ограничения (постоянства) своего выходного сигнала , ограничивая на требуемом уровне задание тока. Двигатель работает при любой скорости в этом режиме с постоянными значениями тока и абсолютного скольжения (механическая характеристика АД становится мягкой). Рис.25 Асинхронный электропривод с АИТ Рис. 26 Механические характеристики реверсивной системы «ПЧ с АИТ – АД» Современные ПЧ со звеном постоянного тока дополнены функцией энергосбережения. Такие ПЧ отслеживают силу потребляемого двигателем тока. Если нагрузка электропривода снижается, напряжение на выходе ПЧ понижается до минимально допустимого значения для данной нагрузки двигателя. Это способствует уменьшению потерь и повышению КПД электропривода. Функция энергосбережения наиболее эффективна в электроприводах, работающих с переменной нагрузкой. Экономия электроэнергии в этом случае может достигнуть 50%. В качестве характерного примера рассмотрим ПЧ серии «Универсал», предназначенных для регулирования частоты вращения механизмов, использующих в качестве приводных АД с короткозамкнутым ротором. ПЧ «Универсал» выпускают в диапазоне мощностей от 0,55 до 160 кВт. Они обеспечивают: регулирование напряжения на выходе от 0,05Uном до Uном и регулирование частоты этого напряжения от 2 до 512 Гц. Диапазон регулирования частоты вращения D=10 для электроприводов без обратной связи и D=30 для замкнутых электроприводов (с обратной связью по скорости). На рис. 27 показаны основные элементы ПЧ «Универсал». Помимо блоков УВ и АИ, преобразователь содержит комплект измерительных трансформаторов тока ТА и напряжения ТV. Сигналы с выходов трансформаторов, несущие информацию о реальной токовой нагрузке автономного инвертора АИ и двигателя АД, поступают на блок управления БУ, в котором формируются сигналы управления, соответствующие нагрузке двигателя. Вырабатываемые БУ сигналы поступают на вход преобразователя, создавая оптимальный режим его работы. Обеспечиваются энергосберегающие и защитные функции преобразователя, «мягкий» пуск двигателя с заданными значениями пусковых токов. Электроприводы с таким ПЧ не нуждаются в применении специальных защитно-пусковых устройств. Блок управления допускает подключение компьютера, что обеспечивает дополнительные возможности ПЧ, например, работу преобразователя в соответствии с технологической компьютерной программой. Рис. 27 Функциональная схема ПЧ серии «Универсал» В настоящее время промышленность выпускает большую номенклатуру ПЧ, что позволяет для каждого конкретного электропривода выбрать наиболее рациональный вариант преобразователя как по техническим, так и по экономическим показателям. Скалярное управление Скалярное управление (частотное) - метод управления электродвигателем переменного тока, который заключается в том, чтобы поддерживать постоянным отношение напряжение/частота (В/Гц) во всем рабочем диапазоне скоростей, при этом контролируется только величина и частота питающего напряжения (рис. 28). Отношение В/Гц вычисляется на основе номинальных значений напряжения и частоты контролируемого электродвигателя переменного тока. Поддерживая постоянным значение отношения В/Гц мы можем поддерживать относительно постоянным магнитный поток в зазоре двигателя и постоянную нагрузочную способность (постоянный максимальный момент двигателя МMAX). На низких оборотах необходимо компенсировать падение напряжения на сопротивлении статора, поэтому отношение В/Гц на низких оборотах устанавливают выше чем номинальное значение. Если частота задается больше номинальной, то напряжение пропорционально увеличивать нельзя, оно должно оставаться равным номинальному. Это приводит к уменьшению нагрузочной способности двигателя при оборотах, больших номинальных. Типовое значение диапазона регулирования скорости двигателя при скалярном управлении D=nmax/nmin=40. Рис. 28 Изменение частоты и амплитуды напряжения на обмотке статора а) зависимость частоты питания двигателя от времени при скалярном управлении, б) изменение напряжения питания электродвигателя при скалярном управлении Векторное управление Векторное управление является методом управления электродвигателями переменного тока, не только формирующим скалярное управление, но и обеспечивающим управление магнитным потоком ротора (углом (фазой) пространственного вектора магнитного потока в воздушном зазоре). Главная идея векторного управления заключается в том, чтобы контролировать не только величину и частоту напряжения питания, но и величину и угол пространственного вектора магнитного потока. Векторное управление в сравнении со скалярным обладает более высокой производительностью, позволяет независимо и практически безынерционно регулировать скорость вращения и момент на валу электродвигателя и избавляет практически от всех недостатков скалярного управления. Преимущества векторного управления: • высокая точность регулирования скорости; • плавный старт и плавное вращение двигателя во всем диапазоне частот; • быстрая реакция на изменение нагрузки: при изменении нагрузки практически не происходит изменения скорости; • увеличенный диапазон управления и точность регулирования; • снижаются потери на нагрев и намагничивание, повышается КПД электродвигателя. К недостаткам векторного управления можно отнести: • необходимость задания параметров электродвигателя; • большие колебания скорости при постоянной нагрузке; • большая вычислительная сложность. При векторном управлении обеспечивается диапазон регулирования скорости D от 200 до десятков тысяч.