Вопрос №4. Цифровые системы управления электроприводами. Структурная схема цифровой системы управления.

Тоже самое, что и Вопрос №9 (только без частотных преобразователей!!!!).

 

Вопрос №5. Асинхронные электроприводы. Асинхронные электродвигатели систем автоматического регулирования. Режимы работы асинхронных машин. Способы регулирования частоты вращения АД. Силовые схемы асинхронных приводов.

Асинхронные электродвигатели широко используются для электроприводов с постоянной (нерегулируемой) частотой враще­ния, в которых требования по поддержанию частоты вращения срав­нительно невелики. Нашли применение регулируемые асинхронные электроприводы с управлением по напряжению и частоте питания. Актуальность разработки асинхронных электроприводов обу­словлена: экономическими факторами (минимум стоимости, отсутствие дефицитных видов материалов, повышенный (на 6 - 10%) ко­эффициент полезного действия по сравнению с приводами постоянного тока);повышенная на 50-100% удельная мощность высокочастот­ных (200,400,1000 Гц) асинхронных электродвигателей;пониженный момент инерции ротора по сравнению с син­хронными электродвигателями;повышенная надежность (в 3 - 5 раз) по сравнению с двигате­лями постоянного тока.

В системах автоматического регулирования применяют как трехфазные, так и двухфазные асинхронные электродвигатели (АД). Трехфазные АД являются двигателями общепромышленного приме­нения, двухфазные АД - это специальные двигатели, полу­чившие название асинхронных исполнительных двигателей (АИД). В системах автоматического регулирова­ния наибольшее распространение получили АИД с полым немагнит­ным ротором в виде тонкостенного стакана из сплавов алюминия. Толщина стенки стакана ротора в зависимости от мощности электродвигателя колеблется в пределах 0,1 - 1 мм. Полый ротор имеет малую массу, а следовательно, незначительный момент инерции.

Недостатком АИД с полым немагнитным ротором является большой немагнитный зазор, состоящий из двух воздушных зазоров и толщины немагнитного стакана, вследствие чего эти электродвига­тели имеют значительный ток намагничивания (до 80 - 90 % от но­минального тока) и соответственно низкий коэффициент мощности. Большой намагничивающий ток приводит к повышенным электри­ческим потерям и значительно снижает КПД электродвигателя.

Режимы работы асинхронных машин:

а) Двигательный режим: характеризуется изменением частоты вращения электродвигателя от нуля (точка пуска) до (точка идеального холостого хода) при соответствующем изменении момента (тока) от до нуля (первый квадрант).

б) Рекуперативное торможение (генераторный режим) с отдачей энергии в сеть имеет место тогда, когда под влиянием нагрузочного момента или другой причины уг­ловая частота вращения ротора асинхронной машины превысит син­хронную частоту . В генераторном режиме скольжение s < 0, ток и момент вращения также меняют знак. Режим рекуперативного тор­можения может быть реализован в системе преобразователь частоты - АД при остановке электродвигателя или при переходе с большей частоты вращения на меньшую. Рекуперативное торможение являет­ся наиболее экономичным видом торможения АД.

в) Динамическое торможение: применяется для быстрой остановки вращающегося двигателя. Режим динамического торможения осуществляется следующим об­разом: фазы статора отключаются от сети переменного тока и одна фаза, если выведен нуль, или две фазы, соединенные последователь­но, подключаются к источнику постоянного тока. Постоянный ток, создает неподвижное в пространстве магнитное поле, в котором вращается ротор. Создается тормозной момент и двигатель останав­ливается.

 

г) Торможение противовключением: данный режимимеет место тогда, когда во вращающемся двигателе переключают две фазы статорной обмотки, что приводив к изменению направле­ния вращения поля статора: ротор и поле статора вращаются в про­тивоположных направлениях. В режиме противовключения скольжение s>l. Двигатель потребляет из сети активную мощность, в то же время потребляется механическая мощность вращающегося ро­тора. Обе эти мощности преобразуются в потери, так как полезная мощность равна нулю. Ротор энергично тормозится. Если в момент, когда s =1, фазы обмотки статора не будут отключены от сети, то ротор будет разгоняться в противоположном исходному направле­нию вращения и произойдет реверс двигателя.

Регулирование частоты вращения АД. Существуеттри возможных способа регулирования частоты враще­ния:изменением частоты питающего напряжения;изменением числа пар полюсов машины;изменением значения скольжения.

а) Способ переключения числа пар полюсов

Для реализации это­го способа предусматривается в обмотке статора переключение сек­ций фаз из последовательного соединения в параллельное и наобо­рот. Существуют АД с несколькими обмотками статора, имеющими различное число пар полюсов. Этот способ является наиболее простым, однако частота вращения изменяется дискретно. В систе­мах автоматического регулирования этот способ применяется редко.

б) Способ изменения величины скольжения

Величина момента вращения трехфазных АД зависит от квадрата приложенного напря­жения. Меняя величину напряжения, подаваемого на фазы статора АД, например, с помощью трехфазного МУ или тиристорного преобразователя для двигателя, работающего под на­грузкой, смещаем точку установившегося режима. В настоящее время существует большое число раз­личных схем включения тиристоров, позволяющих коммутировать статорные цепи АД и регулировать подводимое к двигателю напря­жение.

При тиристорном регулировании напряжения по мере увеличе­ния угла управления тиристоров напряжение статора принимает все более импульсный характер, возникают высшие гармонические на­пряжения и тока, в свою очередь вызывающие повышенные тепло­вые и магнитные потери, а также высшие гармонические момента вращения, являющиеся тормозными по отношению к основной час­тоте.

Коэффициент полезного действия АИД несколько ниже, чем у одинаковых по мощности асинхронных трехфазных двигателей из-за повышенного активного сопротивления ротора. При этом наибо­лее высокий КПД имеют АИД с амплитудным управлением. Поэто­му рассмотрим только характеристики АИД с амплитудным управ­лением.

Регулировочные характе­ристики АИД нелинейны при всех способах управления. Наи­большая нелинейность наблю­дается в режиме холостого хода (до 20%).

в) Формирование механических характеристик замкнутого электропривода

Электроприводы, регулируемые по напряжению, имеющему систему управления с замкнутыми обратными связями, находят применение при небольшом диапазоне ре­гулирования частоты вращения.

Желаемая скорость и заданная жесткость механических характеристик асин­хронного электропривода с замкнутой системой управле­ния обеспечивается соответст­вующим выбором величины коэффициента усиления, регу­лятора скорости и напряже­ния сравнения (напряжение задатчика скорости).

г) Способ изменения частоты питающего напряжения

Наиболее рациональным способом плавного регулирования частоты вращения АД является частотный способ.

При небольших частотах происходит снижение значения максимального (критического) момента из-за влияния падения напряжения на активном сопротивлении об­мотки статора. Для предотвращения этого эффекта следует с умень­шением частоты снижать напряжение в меньшей степени, чем это рекомендуется указанной формулой.

Частотный способ позволяет увеличить частоту вращения по отношению к номинальной в 2 - 3 раза. Ограничение - по механиче­ской прочности ротора и потерям в стали, которые увеличиваются пропорционально квадрату относительного значения напряжения. Нижний предел снижения частоты вращения относительно номи­нальной определяется допустимыми пульсациями скорости и вели­чиной момента статического сопротивления при трогании двигателя с места.

При уменьшении частоты напряжения статора основной по­ток машины снижается за счет падения напряжения в активном со­противлении статорных обмоток в тем большей степени, чем мень­ше значение частоты сети. Поток сравнительно мало меняется при частотах, близких к номинальному значению. Основным достоинством режима постоянного полного потока является то, что при всех частотах сохраняются такие же условия работы электродвигателя, как при номинальной частоте. Постоянство полного потока при всех частотах обеспечивается компенсацией падения напряжения в активных сопротивлениях статора соответствующим повышением напряжения на зажимах двигателя в функции частоты и нагрузки.

д) Векторное управление асинхронными электродвигателями

Разновидностью частотного управления АД являются частотно-токовое и фазовекторное управление током и напряжением статора асинхронного электродвигателя в полярных или декартовых координатах. Векторное управление АД позволяет решать задачи не только инвариантного управления моментом или скоростью, но и оптимального управле­ния магнитным полем как по величине, так и по фазе по отношению к вектору тока или вектору напряжения статора. Векторное управление асинхронными электродвигателями позволяет довести качество управления асинхронными электропри­водами до лучших образцов электроприводов постоянного тока: по­лоса пропускания 100 - 200 Гц, диапазон регулирования скорости 1: (10 000 - 20 000), номинальная частота вращения 3000 - 12 000 об/мин.

Типовые силовые схемы силовой части асинхронных электродвигателей. Силовая схема асинхронного электропривода с АИТ с отсекающими диодами приведена ниже.

Рис.13.23.Тиристорный частотнорегулируемый асинхронный электропривод

Рис.13.24. Транзисторный частотнорегулируемый асинхронный электропривод с АИН

Силовая схема электропривода, регулируемого по напряжению, имеющему систему управления с замкнутыми обратными связями по току и скорости, представлена на рис.13.26.Такие электроприводы находят применение при небольшом диапазоне регулирования частоты вращения (1: 20).

Рис.13.26.Электропривод типа СТУ-ПР-2.