Вентильный электропривод постоянного тока.

Вентильный электродвигатель – это двигатель постоянного тока без коллектора, что позволяет повысить пусковые токи с 2…3 I_Н у коллекторных машин до 4…6 I_Н у вентильных двигателей. Это позволяет значительно повысить пусковой момент таких двигателей. Включение и отключение обмоток вентильных двигателей осуществляется с помощью полупроводниковых приборов, управление которыми осуществляется от датчиков положения ротора с учетом направления вращения. В качестве датчиков положения ротора используются фото или магнитные датчики. Управление скоростью вентильных двигателей осуществляется изменением скважности напряжения, подаваемого на обмотки. Но так как при уменьшении скважности уменьшается среднее значение напряжения, подаваемого на обмотки, то уменьшается магнитный поток двигателя. Это приводит к тому, что механические характеристики привода с вентильным двигателем становятся значительно более мягкими по сравнению с двигателями постоянного тока с независимым возбуждением.

Простая коммутация обмоток вентильного двигателя ограничивает его КПД на уровне ниже 0,5, поэтому схема управления обмотками была усложнена, что позволило поднять КПД вентильного привода до значений, не уступающих КПД других современных приводов.

Благодаря своим особенностям (высокий пусковой момент, относительную мягкость механических характеристик, высокие КПД и надежность) вентильный привод используется для привода транспортных средств: электромобилей, шахтных электровозов, а также для станочных приводов небольшой мощности, требующих значительного пускового момента. Для поддержания постоянной частоты вращения ротора вентильному приводу необходима обратная связь по частоте вращения.

РЕГУЛИРОВАНИЕ УГЛОВОЙ СКОРОСТИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ

ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Применение электродвигателей переменного тока обусловлено их простотой, дешевизной, повышенной надежностью, меньшими габаритами и массой по сравнению с двигателями постоянного тока. Несмотря на несколько большую сложность регулирования скорости машин переменного тока имеется значительно больше способов для этой цели по сравнению с ДПТ. Эти способы различаются своей сложностью и стоимостью, энергетическими показателями, поэтому большинство из них имеют свою рациональную область применения.

Классификация систем регулирования частоты вращения

двигателей переменного тока.

Регулирование угловой скорости электропривода переменного тока

переключением числа пар полюсов.

Для асинхронных электродвигателей

ω = ω_О(1 - S),

для синхронных электродвигателей

ω_О = = рад/с,

где f₁ - частота питающей сети,

р - число пар полюсов.

Так как число пар полюсов может быть только целым числом, то возможно только ступенчатое регулирование (ω_О = 314, 157, 107, 78, ...рад/с).

Для асинхронных электродвигателей с фазным ротором невозможно переключение обмоток, находящихся на роторе, поэтому способ может быть использован только для асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором.

Обмотка статора электродвигателей переменного тока укладывается в пазы. Соединяя различным образом отдельные секции этой обмотки можно изменять количество пар полюсов статора и получать различные механические характеристики двигателя.

Основные схемы переключения обмоток статора для двухскоростных электродвигателей при соотношении частот вращения равном двум.

Кроме двухскоростных имеются обмотки позволяющие получать три и более скоростей. Так как для таких приводов не требовалось никакой электроники, то они нашли широкое применение в станках, для привода вентиляторов, насосов, лифтов и др.

Но привода с такими двигателями имеют и свои недостатки:

1) Ступенчатое регулирование частоты вращения;

2) Диапазон регулирования скорости не более 6:1;

3) Пониженные энергетические показатели многоскоростных асинхронных двигателей по сравнению с односкоростными;

4) Ухудшение охлаждения и завышение установленной мощности на пониженных угловых скоростях.

Реостатное и импульсное параметрическое регулирование угловой скорости асинхронного электропривода.

При введении активных сопротивлений в цепь фазного ротора уменьшается жесткость механической характеристики при сохранении практически неизменным величины максимального момента.

Это позволяет регулировать угловую скорость привода. Чем большее количество резисторов установить в цепь ротора, тем большее количество ступеней регулирования скорости можно получить. Но с введением активных сопротивлений падает КПД привода. Также со снижением скорости ухудшается охлаждение двигателя, что вызывает необходимость снижать допустимый момент на валу.

М_ДОП = М_Н .

Такие привода чаще всего использовались в повторно-кратковременном режиме с продолжительностью включения ПВ = 25% и ПВ = 40%, для того чтобы не завышать установленную мощность двигателя.

Иногда вместо активных сопротивлений в цепь ротора устанавливают индукционные сопротивления, у которых величина активного сопротивления зависит от угловой частоты вращения ротора двигателя. Это повышает надежность таких приводов, улучшает переходные процессы в них, но не изменяет КПД такого привода.

При импульсном параметрическом регулировании частоты вращения в цепь ротора устанавливается неуправляемый выпрямитель, на выходе которого устанавливают максимально необходимое сопротивление, которое шунтируется полупроводниковым ключевым элементом. Регулирование скорости в таком электроприводе производится плавным регулированием добавочного сопротивления с помощью широтно-импульсного модулятора.

R_ДОБСР = R_ДОБ(1 - ε),

где ε = - скважность.

Область регулирования скорости электропривода определяется рабочими участками граничных механических характеристик, соответствующих скважностям ε = 0 и ε ≈ 1.

Частота коммутации модулятора устанавливается в зависимости от требуемого быстродействия привода и потерь в коммутирующем элементе. Такие электроприводы используются до мощности 20 кВт, работающие в регулируемом режиме незначительное время от общего фонда времени.

Регулирование угловой скорости асинхронного электропривода

изменением напряжения.

Для изменения среднего значения напряжения на обмотках статора используются встречно-параллельно соединенные тиристоры или симисторные ключевые элементы (триаки).

Реверсивная симисторная схема представлена на рис.

Но если концы обмоток статора выведены в коробку выводов двигателя, то можно использовать с той же целью и управляемый выпрямитель.

При снижении среднего значения напряжения

М_КР = М_КРН( )².

Как видно из механических характеристик такого привода диапазон регулирования при использовании стандартных асинхронных двигателей, даже с вентиляторной нагрузкой крайне мал. Поэтому для таких приводов используются двигатели с повышенным скольжением номинального режима (4АС) или асинхронные двигатели специальной конструкции с частотно зависимыми параметрами ротора, имеющих механическую характеристику без существенно выраженного максимального момента (с массивным ротором, двухслойным ротором, составным ротором, индукционными роторными сопротивлениями, индукционными элементами в цепи короткозамкнутого ротора и т. д.).

Особенностью работы таких электроприводов является достижение максимума потерь в двигателе не в номинальном режиме, а при скольжении равном 0,3...0,4 и ухудшающейся вентиляции. При указанном скольжении потери в статоре уменьшаются в 4 раза, а потери в роторе возрастают до 6,5 раз. Это приводит к тому, что при использовании асинхронных двигателей с повышенным сопротивлением обмотки ротора приходится завышать установленную мощность двигателя на 15...30%. Поэтому для того чтобы снизить устанавливаемую мощность двигателя (и его стоимость) специальные двигатели делают обращенной конструкции (статор внутри, а ротор снаружи), принимают все возможные меры по снижению добавочных потерь в двигателе, усилению его охлаждения, изменению условий теплоотдачи от ротора к статору через воздушный зазор и т. д.

Регулирование угловой скорости асинхронного электропривода введением добавочной э.д.с. в роторную цепь.

Асинхронный вентильный каскад (АВК).

Недостатком систем регулирования угловой скорости асинхронного электропривода с тиристорным преобразователем в цепи статора и импульсного регулирования по цепи ротора является наличие увеличивающихся с уменьшением частоты вращения потерь скольжения.

Схемы АВК позволяют возвращать (рекуперировать) энергию скольжения в сеть. Поэтому АВК нашел применение в электроприводах больших мощностей (фирма ASEA производит АВК до 1550 кВт), работающих длительное время и нуждающихся в регулировании частоты вращения. Стоимость такого привода составляет 70...80 % стоимости эквивалентного электропривода постоянного тока.

Схема АВК с диодным выпрямителем в цепи ротора применяется для регулирования только в области частот вращения ниже синхронной (I зона). Изменение частоты вращения ротора асинхронного двигателя обеспечивается регулированием э.д.с. с помощью инвертора, ведомого питающей сетью UZ1.

Одной из проблем АВК был недостаточно высокий коэффициент мощности (cosφ = 0,7 на режиме номинальной скорости и уменьшался с её снижением). Использование в преобразователях роторной цепи GTO тиристоров или IGBT транзисторов позволило поднять коэффициент мощности до значений близких к единице.

Двухзонное регулирование асинхронных двигателей.

Введение в каждую из фаз ротора асинхронного электродвигателя добавочной э.д.с., согласованной по частоте, амплитуде и фазе с э.д.с. ротора, может обеспечить экономичное регулирование скорости двигателя как ниже, так и выше синхронной. Э.д.с., наводимая в обмотках ротора, зависит от скольжения

е₂ = Е₂₀s ,

откуда

s = е₂/Е₂₀.

Но по определению

s = 1 - ω/ω_O ,

то есть

ω = ω_О(1 - s);

или подставив s

ω = ω_О(1 - е₂/Е₂₀).

Если при введении е_ДОБ е₂ изменяется от 0 до Е₂₀, то ω изменяется от ω_О до 0. Если же в роторную цепь ввести добавочную э.д.с. с противоположным знаком, то при изменении е_ДОБ от 0 до Е₂₀ ω изменяется от ω_О до 2ω_О (2 зона).

Регулирование частоты вращения ротора от значений меньше синхронной частоты вращения до значений больше синхронной частоты вращения называется двухзонным регулированием частоты вращения асинхронного электродвигателя.

Регулируя фазовый угол добавочной э.д.с., вводимой в цепь ротора, можно регулировать реактивную мощность не только в роторной цепи, но и всего двигателя. А активная составляющая э.д.с. влияет только на частоту вращения ротора двигателя.

Но есть определенные сложности в введении добавочной э.д.с. в цепь ротора. При частоте вращения близкой к синхронной э.д.с. ротора очень мала, и сложно осуществлять синхронизацию добавочной э.д.с. с э.д.с. ротора.

Системы двухзонного регулирования частоты вращения асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором пока практически не отработаны.