10 Расчет и построение естественной механической характеристики

Естественной механической характеристикой называется зависимость , построенная при номинальных параметрах источника питания.

Воспользуемся упрощенной формулой Клосса

, (54)

где s_K – критическое скольжение выбранного двигателя.

Следует отметить, что характеристики, построенные по данной формуле имеют значительные погрешности в области s > s_К.

Угловую частоту вращения ротора рассчитываем по формуле

. (55)

Задаваясь различными значениями скольжения s в диапазоне s = (0…1), определяем соответствующие значения момента и частоты вращения.

Результаты расчетов заносим в таблицу 2.

Таблица 2 – Данные для построения естественной механической характеристики

s, о.е.	0	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1
M, Н∙м	0	38	63	75	74,2	72,1	67,2	62	57,5	53	49,1
ω, с-1	104,7	94,23	83,76	73,29	62,82	52,35	41,88	31,41	20,94	10,47	0

По результатам расчетов построим естественную механическую характеристику (рис.4).

Рис.4 Примерный вид естественной механической характеристики АД

11 Выбор системы управления

В электроприводе для управления скоростью асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором используются преобразователи напряжения и частоты. Рассмотрим их разновидности, с целью выбора наилучшего варианта.

При регулировании напряжения скольжение изменяется в широких пределах и потери, выделяющиеся в виде тепла в элементах роторной цепи, пропорциональны скольжению.

Для изменения напряжения применяется тиристорный регулятор напряжения. Разомкнутая система «Тиристорный регулятор напряжения  Асинхронный двигатель» имеет небольшой диапазон регулирования (от 0,7∙_ном до _ном), замкнутая система может обеспечивать диапазон регулирования до 10:1.

Переходной процесс при регулировании напряжения – очень тяжёлый в энергетическом отношении режим: потери энергии в десятки раз выше, чем за то же время в установившемся режиме.

Электропривод с регулированием напряжением питания асинхронных двигателей применяется преимущественно тогда, когда момент сопротивления на валу зависит от частоты вращения по квадратичному закону (М_С~ω²), а также когда при небольшом снижении частоты вращения достигается существенное снижение мощности, например для вентиляторов, воздуходувок, центробежных насосов. Поэтому управление скоростью асинхронного двигателя с помощью тиристорного регулятора напряжения неприемлем для грузоподъемных механизмов.

В качестве статических преобразователей частоты наибольшее распространение получил двухзвенный преобразователь частоты со звеном постоянного тока, в котором происходит предварительное выпрямление тока с последующим инвертированием; выходная частота не связана с частотой сети и может изменяться от малых значений до нескольких тысяч герц;

Эти устройства позволили экономично и точно управлять скоростью и моментом двигателя, избавиться от применения неэкономичных гидромуфт, а также сложных и дорогостоящих приводов постоянного тока.

В частотно-регулируемом приводе применяются два вида управления – скалярное и векторное. При скалярном управлении одновременно изменяют частоту и амплитуду подводимого к двигателю напряжения. Для поддержания требуемых рабочих характеристик двигателя необходимо одновременно с изменением частоты изменять по определённому закону (алгоритму) и амплитуду напряжения. При этом частота является независимым воздействием, а соответствующую ей амплитуду определяют исходя из того, как при изменении частоты должны изменяться форма механической характеристики и максимальный момент привода.

Векторное управление позволяет существенно увеличить диапазон и точность регулирования, повысить быстродействие электропривода. Этот метод обеспечивает непосредственное управление вращающим моментом двигателя.

Векторное управление с датчиком обратной связи по скорости обеспечивает диапазон регулирования до 1:1000 и выше, точность регулирования по скорости – сотые доли процента, точность по моменту – единицы процентов.

Исходя из вышесказанного, выбираем для использования в разрабатываемом электроприводе преобразователь частоты с автономным инвертором напряжения.

Таблица 2 – Модели преобразователей частоты Mitsubishi Electric

Таблица 3 – Модели преобразователей частоты АВВ

Тип	Работа в обычном режиме				Работа в тяжелом режиме
	I2Н, A	PН, кВт	PН, л.с.	I2hd, A		Phd, кВт	Phd, л.с.
Трехфазное напряжение питания 208...240 В
ACS550-01-04А6-2	4,6	0,75	1	3,5		0,55	0,75
ACS550-01-06А6-2	6,6	1,1	1,5	4,6		0,75	1
ACS550-01-07А5-2	7,5	1,5	2	6,6		1,1	1,5
ACS550-01-012А-2	11,8	2,2	3	7,5		1,5	2
ACS550-01-017А-2	16,7	4	5	11,8		2,2	3
ACS550-01-024А-2	24,2	5,5	7,5	16,7		4	5
ACS550-01-031А-2	30,8	7,5	10	24,2		5,5	7,5
ACS550-01-046А-2	46,2	11	15	30,8		7,5	10
ACS550-01-059А-2	59,4	15	20	46,2		11	15
ACS550-01-075А-2	74,8	18,5	25	59,4		15	20
ACS550-01-088А-2	88,0	22	30	74,8		18,5	25
ACS550-01-114А-2	114	30	40	88,0		22	30
ACS550-01-143А-2	143	37	50	114		30	40
ACS550-01-178А-2	178	45	60	150		37	50
ACS550-01-221А-2	221	55	75	178		45	60
ACS550-01-248А-2	248	75	100	192		55	75

Таблица 4 – Модели преобразователей частоты Schneider Electric

Модель	Мощность двигателя			Макс. линейный ток		Макс. линейный ток к.з.		Полная мощность		Макс. пиковый ток
	кВт	л.с.	A		кA		кВA		A
ATV61 Н075МЗ(4)	0,75	1	5,3		5		2,2		9,6
ATV61HU15M3(4)	1,5	2	9,6		5		4		9,6
ATV61HU22M3(4)	2,2	3	12,8		5		5,3		9,6
ATV61HU30M3(4)	3,0	-	16,4		5		6,8		9,6
ATV61HU40M3(4)	4,0	5	22,9		5		9,2		9,6
ATV61HU55M3(4)	5,5	7,5	30,8		22		12,4		23,4
ATV61HU75M3(4)	7,5	10	39,4		22		15,9		23,4
ATV61HD11M3X(4)	11,0	15	45,8		22		18,8		93,6
ATV61HD15M3X(4)	15,0	20	61,6		22		25,1		93,6
ATV61HD18M3X	18,5	25	69		22		27,7		100
ATV61HD22M3X	22,0	30	80		22		32		100
ATV61HD30M3X	30,0	40	110		22		42,4		250
ATV61HD37M3X	37,0	50	127		22		51		250
ATV61HD45M3X	45,0	60	147		22		65		250

Схема любого преобразователя частоты состоит из силовой и управляющей частей. Силовая часть преобразователей выполнена на транзисторах IGBT, работающих в режиме электронных ключей. Схема управления выполняется на цифровых микроконтроллерах и обеспечивает управление силовыми электронными ключами, а также решение большого количества вспомогательных задач (защита, контроль, диагностика). Частотные инверторы Частотный регулятор имеет структуру с явно выраженным звеном постоянного тока (выпрямитель + фильтр), что показано на рис. 5.

В преобразователях этого типа используется двойное преобразование электрической энергии: входное синусоидальное напряжение с постоянной амплитудой и частотой выпрямляется в трехфазном или однофазном выпрямителе, сглаживается LC-фильтром, а затем вновь преобразуется инвертором в переменное напряжение регулируемой частоты и амплитуды.

Рис. 5. Структурная схема преобразователя частоты со звеном постоянного тока

Преобразователи частоты на транзисторах IGBT по сравнению с тиристорными при одинаковой выходной мощности отличаются меньшими габаритами, сниженной массой и повышенной надежностью в силу модульного исполнения электронных ключей и лучшего отвода тепла с поверхности силового модуля. Они имеют более полную защиту от бросков тока и от перенапряжения, что существенно снижает вероятность повреждений и отказа электропривода.

Напряжение питающей сети с постоянной частотой и амплитудой (U_вх = const; f_вх = const) поступает на трехфазный или однофазный выпрямитель. Выпрямитель и фильтр входят в состав блока постоянного тока, основное назначение которого – получить на выходе постоянное напряжение с малыми пульсациями, которое используется для питания преобразователя частоты. Инвертор преобразует постоянное напряжение в трехфазное напряжение с переменной частотой и изменяемой амплитудой. Схема управления формирует сигналы для коммутации обмоток электродвигателя в нужные моменты времени. Импульсы коммутации каждой обмотки в пределах периода модулируются по синусоидальному закону. Максимальную ширину импульсы имеют в середине полупериода. К началу и к концу полупериода ширина импульсов уменьшается. Таким образом, схема управления формирует широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) напряжения, которое подается на обмотки электродвигателя. В некоторых случаях к выходам преобразователя частоты подключается фильтр, но в частотных инверторах на транзисторах IGBT необходимость в выходном фильтре практически отсутствует. Таким образом, на выходе инвертора формируется трехфазное напряжение переменной частоты и амплитуды (f_вых = Var; U_вых = Var), которое и задает нужную частоту вращения и требуемый момент на валу двигателя.