Частотное управление асинхронными двигателями. Управления асинхронным двигателем


использование частотного способа управления асинхронным двигателем

Министерство образования и науки Российской Федерации

Саратовский государственный технический университет

Балаковский институт техники, технологии и управления

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЧАСТОТНОГО СПОСОБА

УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМ ДВИГАТЕЛЕМ

Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу "Элементы и устройства систем управления"

для студентов специальностей 210100 дневной и вечерней форм обучения

Одобрено

редакционно-издательскимсоветом

Балаковского института техники,

технологии и управления

Цель ─ изучение особенностей частотного способа управления асин-

хронным двигателем, исследование статических характеристик АД.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Электрический двигатель (ЭД) (постоянного тока, асинхронный или синхронный) является основным элементом электропривода.

В современных станках и гибких производственных системах с вы-

сокой степенью автоматизации цикла требуется реализация множества различных движений. Компактные электродвигатели легко встроить в ста-

ночные механизмы, что открывает возможности для автоматизации цикла,

контроля и оптимизации рабочих процессов, для модернизации систем управления.

Система управления электродвигателем (СУЭД) содержит различ-

ные аппараты (контакторы, реле, магнитные и электронные усилители, по-

лупроводниковые устройства) и обеспечивает его пуск, торможение, ре-

верс, регулирование частоты вращения и защиту Работа электрического двигателя характеризуется рядом электриче-

ских и механических величин. К электрическим величинам относятся: на-

пряжение сети, ток электродвигателя, его магнитный поток и электродви-

жущая сила (э.д.с). Основными механическими величинами являются час-

тота вращения n (об/мин), момент М (Н∙м), механическая мощность элек-

тродвигателя Р (Вт), определяемая произведением момента на частоту вращения:

 

P

M n

,

(1)

 

 

9.55

 

 

где

М – механический момент вращения вала электропривода, Н∙м;

n – частота вращения вала электропривода, об/мин.

Для обозначения скорости вращательного движения наряду с часто-

той вращения n используется и другая известная из физики величина – уг-

ловая скорость ω, которая выражается в радианах на секунду (рад/с). Меж-

ду угловой скоростью ω и частотой вращения n существует следующая связь:

2

n

 

n

 

 

 

 

 

.

(2)

 

60

9.55

Зависимость вращающего момента двигателя М от частоты враще-

ния его ротора n называется механической характеристикой электродвига-

теля.

Большое число производственных механизмов в процессе работы требуют регулирования скорости движения рабочих органов. К таким ме-

ханизмам относятся прокатные станы, транспортеры, экскаваторы, лифты.

Для изменения частоты вращения вала производственного механиз-

ма, а тем самым и скорости движения его рабочего органа применяют сле-

дующие способы.

Одним из наиболее простых способов управления частотой враще-

ния асинхронных двигателей (АД) является реостатное управление, при котором в статорные или роторные цепи обмоток двигателя вводятся до-

полнительные активные сопротивления (рис. 1).

а)

 

3~

б)

3~

 

 

 

 

 

 

R1д

 

 

 

 

 

АД

 

а)

АД

б)

 

 

 

R2д

 

 

 

 

а) – активные сопротивления в статорной цепи;

б) – активные сопротивления в роторной цепи.

Рис. 1. Реостатное управление частотой вращения АД

Широкое применяется способ введения дополнительного активного сопротивления в роторную цепь, особенно для асинхронных двигателей с контактными кольцами, к щеткам которых подсоединяются зажимы от внешних дополнительных активных сопротивлений, что позволяет про-

стым способом регулировать частоту вращения двигателя в относительно широких пределах.

Рассматриваемый способ характеризуется следующими показателя-

ми: плавность регулирования скорости определяется плавностью измене-

ния добавочного резистора; экономические затраты, связанные с создани-

ем данной системы управления АД, невелики; эксплуатационные затраты оказываются значительными, поскольку велики потери энергии в асин-

хронном двигателе.

Другим возможным способом управления частотой вращения асин-

хронных двигателей является изменение напряжения на зажимах его ста-

тора, при этом частота такого напряжения постоянна и равна частоте про-

мышленной сети переменного тока (рис.2).

~Uc

Преобразователь напряжения

U

АД

Рис.2. Управления частотой вращения АД изменением напряжения Между зажимами питающей сети и зажимами статора асинхронного

двигателя включен преобразователь напряжения, при использовании кото-

рого изменяется напряжение, подводимое статору двигателя.

Реализация преобразователя напряжения в «чистом» виде, когда фазное напряжение синусоидально, затруднительна. На практике напряже-

ние имеет сложную несинусоидальную форму.

К механизмам, у которых изменение скорости движения рабочего органа может происходить ступенчато, можно отнести большинство гру-

зовых и пассажирских лифтов, где для достижения требуемой точности ос-

тановки кабины производится предварительное снижение скорости ее движения. Для механизмов подач многих металлорежущих станков регу-

лирование скорости часто осуществляется путем ступенчатого изменения частоты вращения приводного электродвигателя. В этих случаях в качест-

ве приводных двигателей широко используются многоскоростные асин-

хронные электродвигатели, у которых регулирование частоты вращения производится путем изменения числа пар полюсов статорной обмотки

(рис.3). При этом изменяется частота вращения магнитного поля, созда-

ваемого обмоткой статора, а тем самым и частота вращения ротора двига-

теля.

Число пар полюсов асинхронного двигателя может быть равным 1, 2,

3, 4, 5, тем самым изменение числа пар полюсов электродвигателя может привести только к ступенчатому регулированию частоты его вращения.

Двигатели, допускающие регулирование их скорости вращения этим спо-

собом, называются многоскоростными.

а) N S N S

б)

S

N

в) S

N

 

1к 2н

 

 

 

а) – число пар полюсов 2; б) – число пар полюсов 1;

в) – число пар полюсов 1.

Рис.3. Ступенчатое регулирование скорости вращения двигателя

Наряду с такими электродвигателями, получившими название мно-

гообмоточных, широкое распространение получил другой тип многоско-

ростных асинхронных двигателей, у которых изменение числа пар полю-

сов вращающегося магнитного поля достигается за счет изменения схемы соединения статорной обмотки двигателя. Для этого каждая фаза статора разделена на две части и имеет от них соответствующее число выводов.

Наиболее часто на практике встречаются две схемы переключения статор-

ной обмотки многоскоростных асинхронных двигателей: с треугольника на двойную звезду; со звезды на двойную звезду.

В последние годы для регулирования частоты вращения асинхрон-

ных двигателей широкое применение находит импульсный способ. Сущ-

ность его заключается в периодическом (импульсном) изменении какого-

либо параметра двигателя или питающей сети. Такими параметрами явля-

ются напряжение питающей сети или активные сопротивления в цепях статора или ротора двигателя (рис. 4).

3~

АД

Rд k

Рис.4 – Импульсное регулирование электродвигателем Имеется сходство этого способа с реостатным регулированием: по-

лучаемые характеристики имеют малую жесткость, располагаются ниже естественной характеристики двигателя и позволяют получить лишь не-

большой диапазон регулирования. Невысока и экономичность из-зазначи-

тельных потерь энергии. Области применения этого способа существенно расширяются при использовании тиристоров.

Принцип частотного способа управления частотой вращения асин-

хронных двигателей (рис.5) заключается в том, что, изменяя частоту пи-

тающего двигатель напряжения, можно изменять его частоту вращения,

получая различные искусственные характеристики.

Поэтому необходимым элементом системы управления двигателем является преобразователь частоты (и напряжения), на вход которого пода-

ется стандартное напряжение сети Uc (220, 380 В) стандартной промыш-

ленной частоты fc=50 Гц, а с его выхода снимается переменное напряжение

Uрег регулируемой частоты fрег, величины которых находятся между собой в определенном соотношении, определяемом видом нагрузки Мс. Регули-

рование выходной частоты и напряжения, преобразователя осуществляется с помощью управляющего сигнала, изменение которого определяет в ко-

нечном итоге изменение частоты вращения асинхронного двигателя.

~Uc, fc

Преобразователь частоты и напряжения

Uрег, fрег

АД

Рис.5. Частотное управление скоростью вращения двигателя Этот способ обеспечивает плавное регулирование в широком диапа-

зоне, получаемые характеристики обладают высокой жесткостью; не про-

исходит увеличения величины скольжения, как это имеет место, например,

при реостатном регулировании. Этот способ управления скоростью вра-

щения двигателя является самым эффективным, так как отличается высо-

кими энергетическими показателями, возможностью регулирования скоро-

сти в большом диапазоне со значительной перегрузочной способностью.

При испытании не нагруженного асинхронного электродвигателя могут быть установлены следующие скорости:

 

 

n 0

f1

 

 

(4)

 

 

p

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где

n 0

– скорость холостого хода, с-1;

 

 

 

f1

– частота напряжения питания, Гц;

 

 

p

– число пар полюсов (например, 4 полюса двигателя, p

2 ).

Изменение частоты питающего напряжения f1 влияет на величину скорости двигателя, а также на ток намагничивания Iμ также зависит от

частоты питания (рис.6).

 

R 1

I µ

U1,f1

X h

 

Рис.6. Эквивалентная схема холостого хода АД Ток намагничивания

I

 

 

U1

 

 

 

 

 

 

U1

 

 

 

(5)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

,

 

2

2

 

 

 

 

2

(2 f1 Lh )

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R

1

X h

 

 

 

R

1

 

 

 

 

где Lh − индуктивность статора, Гн;

I − ток на выходе, А;

f1 − частота на выходе, Гц;

U1 − напряжение на выходе, В;

Хh − реактивное сопротивление статора, Ом;

R1 − сопротивление статора, Ом.

Пренебрегая сопротивлением статора R1 , имеем:

I

 

U1

I

U1

(6)

 

 

 

2

f Lh

 

f

 

Чтобы сохранить ток намагничивания постоянным, напряжение U1

должно быть пропорционально частоте, согласно (5). Если это не выполня-

ется, то ток намагничивания становится либо меньше (ослабленное поле),

либо больше (перенасыщение).

По этой причине U/f-характеристикадля инвертора обычно ли-

нейная в интервале до угловой частоты fUmax (рис.7).

U, В

Umax

Рис.7. U/f-характеристикаинвертора ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Функциональная схема лабораторной установки включает выпрями-

тель, промежуточный контур, инвертор, АД мощностью 120 Вт и номи-

нальной частотой вращения 3000 об/мин (рис.8).

L1

~

 

 

=

U

 

 

 

 

 

N

UN

UZK

C

 

V

M

 

 

 

W

3 ~

 

 

 

 

~

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Промежуточный

 

 

 

 

Выпрямитель

контур

Инвертор

 

Двигатель

Рис.8. Функциональная схема лабораторной установки

Выпрямитель состоит из неуправляемой однофазной мостовой схе-

мы (рис.9) и предназначен для преобразования переменного напряжения сети в постоянное напряжение.

К промежуточному контуру

VD1 - VD4

Рис.9. Электрическая схема выпрямителя Далее оно сглаживается в промежуточном контуре конденсатором

(рис.10).

К инвертору

C2 C3

К выпрямителю

Рис.10. Электрическая схема промежуточного контура В идеале напряжение промежуточного контура составляет:

где U N − входное напряжение, В.

studfiles.net

Управление асинхронным двигателем - часть 2

невысокая надежность, что обусловлено наличием датчиков на валу и внутри машины, высокой сложностью технической реализации блоков АСР, датчиков, осуществляющих высоковольтную гальваническую развязку.

1.2 Техническое описание системы

В основе математического описания АД при переменной частоте питающей сети лежит общая теория электрических машин.

Основой для математического описания АД служат уравнения, составленные в фазовых координатах. Особенностью АД является совокупность магнитосвязанных цепей с коэффициентами само- и взаимоиндукции, периодически изменяющимися в функции угла поворота ротора относительно статора. В зависимости от степени насыщения магнитной системы машины, эти коэффиценты могут зависеть еще и от токов во всех обмотках. Уравнения могут быть составлены либо в трехфазной системе координат, либо в двухфазной для обобщенной машины. При записи уравнений в фазовых координатах получают систему дифференциальных уравнений высокого порядка ( в трехфазной системе координат число уравнений равно 14) с переменными коэффициентами. Пользоваться такой системой для исследования электромеханических процессов, происходящих в АД не представляется возможным в связи с громоздкостью, наличием переменных коэффициетов, нелинейностью. Дальнейшее упрощение и преобразование исходной системы уравнений основывается на следующем общем методе. При этом уравнения в фазовых координатах преобразуются к уравнениям, выраженным через обобщенные (результирующие) векторы, вводится система относительных единиц для токов, напряжений, потокосцеплений, скоростей вращения, частот, моментов, активных, индуктивных сопротивлений. Введение системы относительных единиц упрощает вид уравнений, а выражение переменных через результирующие векторы приводит к виду дифференциальных уравнений, при котором коэффициенты дифференциальных уравнений ненасыщенной машины являются постоянными величинами. Для насыщенной машины необходимо вводить зависимость величин этих коэффициентов от магнитного состояния машины.

После указанных преобразований получают систему дифференциальных уравнений шестого порядка с постоянными коэффициентами, что значительно упрощает описание АД и делает возможным использование этой системы для ииследования электромеханических процессов, протекающих в АД. Дальнейшее преобразование полученной системы уравнений сводится к переводу векторов, входящих в уравнение, в различные системы координат (в зависимости от цели решаемой задачи).

При математическом описании АД принят ряд допущений, соответствующих идеализированному представлению АД:

фазные обмотки сииметричны, одинаковы, воздушный зазор по все окружности ротора одинаков;

не учитываются потери в стали, а также высшие гармоники магнитодвижущей силы и рабочего потока;

параметры АД постоянны и не зависят от токов в обмотках АД;

системы питающих токов (напряжений) симметричны.

Технические характеристики рассматриваемого АД приведены в таблице 1

Таблица 1

Система уравнений для идеализированного трехфазного короткозамкнутого АД в системе координат, вращающейся с поизвольной скоростью wк с использованием системы относительных единиц согласно [ ], имеет вид:

где

- обобщенные векторы, соответственно, напряжения, тока, потокосцепления статора; - обобщенные векторы, соответственно, тока и потокосцепления ротора; - активные сопротивления, соответственно, статора и ротора;

Lm - взаимная индуктивность статора и ротора;

- индуктивность рассеяния, соответственно, статора и ротора; - соответственно, электромагнитный момент и момент сопротивления на валу АД;

H - момент инерции ротора АД;

w - угловая скорость вращения ротора АД;

p - символ дифференцирования по времени.

Установившемуся режиму работы АД (все производные в фомуле равны нулю) системе соответствует T-образная схема замещения АД, изображенная на рисунке 1, где Im - ток намагничивания АД; w1 - частота питающей сети.

При математическом описании АД принята система относительных единиц, базовые значения которой определяются системой:

- базовый ток;

- базовое напряжение;

- базовая скорость;

- базовая частота;

- базовое время;

- базовый момент;

- базовая индуктивность;

- базовое потокосцепление;

- базовое сопротивление;

- базовый момент инерции.

Целью дипломного проекта является разработка и исследование автоматической системы регулирования (АСР) асинхронного высоковольтного электропривода на базе автономного инвертора тока с трехфазным однообмоточным двигателем с детальной разработкой программы высокого уровня при различных законах управления.

В ходе конкретизации из поставленной цели выделены следующие задачи.

Провести анализ известных законов управления применительно к высоковольтным электроприводам и определять на основе анализа рациональные законы и способы частотного управления высоковольтного злектропривода для разрабатываемых АСР.

Синтезировать автоматическую систему регулирования высоковольтного электропривода с трехфазным однообмоточным с учетом следующих требований, предъявляемым к АСР высоковольтного электропривода.

Реализовывать для электроприводов, работающих с постоянным моментом сопротивления в частых пуско-тормозных режимах управление по закону с постоянством потокосцепления ротора, обеспечивающему работу электропривода в интенсивных динамических режимах.

Иметь минимальное количество датчиков на валу и внутри машины.

Иметь минимальное количество датчиков, осуществляющих высоковольтную гальваническую развязку.

Реализовывать управление трехфазным двухобмоточным короткозамкнутым асинхронным двигателем.

Обеспечивать минимальную сложность технической реализации АСР.

Исследовать разработанные АСР в составе электропривода в динамических и статических режимах работы.

1.3 Анализ существующих средств автоматизации

Известные в настоящее время технические устройства для частотного управления асинхронным электроприводом в полной мере не отвечают требованиям, предъявляемым к мощному высоковольтному электроприводу и им присущи следующие недостатки:

ограниченная низкоскоростными электроприводами область применения, необходимость изготовления специальной машины или переделка серийной, применение специальных устройств для механического сочленения валов, невозможность применения в запыленных и агрессивных средах, что обусловлено наличием датчиков на валу и внутри машины;

высокая сложность технической реализации, обусловленная наличием сложных технических устройств: координатного преобразования, векторных фильтров, фазовращателей, функциональных преобразователей, блоков коррекции мгновенного значения частоты;

наличие большого числа датчиков, осуществляющих высоковольтную гальваническую развязку;

невысокая надежность, что обусловлено наличием датчиков на валу и внутри машины, высокой сложностью технической реализации блоков АСР, датчиков, осуществляющих высоковольтную гальваническую развязку.

1.4 Обоснование системы автоматического управления

При частотном управлении асинхронными двигателями наиболее часто используются следующие законы: поддержание постоянства потокосцепления статора (Y1 =const), поддержание постоянства главного потока машины (Y0 =const), поддержание постоянства потокосцепления ротора (Y2 =const), и регулирование величины потокосцепления в зависимости от величины нагрузочного момента (Y1 , Y0 , Y2 )=f(M)).

Первый закон реализуется при поддержании постоянного отношения ЭДС статора к угловой частоте поля. Основным недостатком такого закона является пониженная перегрузочная способность двигателя при работе на высоких частотах, что обусловлено увеличением индуктивного сопротивления статора и, следовательно, снижением потокосцепления в воздушном зазоре между статором и ротором при увеличении нагрузки.

Поддержание постоянства главного потока повышает перегрузочную способность двигателя, но усложняет аппаратную реализацию системы управления и требует либо изменений конструкции машины, либо наличия специальных датчиков.

При поддержании постоянного потокосцепления ротора, момент двигателя не имеет максимума, однако при увеличении нагрузки увеличивается главный магнитный поток, приводящий к насыщению магнитных цепей и, следовательно, к невозможности поддержания постоянства потокосцепления ротора.

mirznanii.com

Частотное управление асинхронными двигателями

ЧАСТОТНОЕ УПРАВЛЕНИЕ АСИНХРОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ

Цены на преобразователи частоты(12.11.14г.):Модель Мощность ЦенаCFM110 0.25кВт 1500грнCFM110 0.37кВт 1600грнCFM210 1,0 кВт 2200грнCFM210 1,5 кВт 2400грнCFM210 2,2 кВт 2900грнCFM210 3,3 кВт 3400грнКонтакты для заказов:+38 050 4571330msd@msd.com.uaБолее подробнее, фото, доставка и оплата на стр. //msd.com.ua/invertor/invertor/

А. А. Булгаков

Основным средством автоматизации машин-орудий в современном производстве является электропривод. В США электродвигатели потребляют 64% всей электро­энергии. Стало банальным утверждение, что самым деше­вым, надежным и быстродействующим электродвигателем является асинхронный. И это бесспорно, но короткозамк­нутый асинхронный двигатель, при всех своих достоинст­вах, при питании от сети стандартной частоты становится двигателем с постоянной скоростью, а современный элек­тропривод из средства снабжения механической энергией рабочих машин, благодаря регулированию скорости, в про­грессирующей степени становится могучим средством управления, повышения производительности и качества технологических процессов [1].

Вот почему техническая мысль свыше полувека занята проблемой освобождения короткозамкнутого двигателя от оков стандартной частоты вращения при сохранении всех его достоинств. Для этого было необходимо и достаточно всего только обеспечить каждый двигатель своим индиви­дуальным источником энергии переменной, управляемой частоты. Отсюда следует термин, которым мы будем поль­зоваться, «частотное управление».

В интересах истины можно заметить, что частотное управление короткозамкнутыми двигателями является по нраву и преимуществу русским, советским достижением.

В 1889 г. русский инженер М. О. Доливо-Доброволь­ский, ставший в результате политической эмиграции глав­ным инженером немецкой фирмы АЭГ (Всеобщая компа­ния электричества), разрабатывая впервые энергосистему трехфазного тока, получил патент DRP 51083 от 31.08.1889 г. на трехфазный асинхронный короткозамкну­тый двигатель. До этого, в 1885 г. Галлилей Феррарис открыл явление вращающегося магнитного поля, а год спу­стя, в 1886 г., серб Н. Тесла, независимо от Феррариса, построил двухфазный асинхронный двигатель с распреде­ленной обмоткой, но с неудачной (не круглой) конструк­цией ротора.

В 1916 г. будущий академик М. П. Костенко в сотруд­ничестве с Н. С. Япольским начал разрабатывать для пи­тания асинхронных двигателей специальный коллекторный генератор с раздельно управляемыми напряжением и ча­стотой при постоянной его скорости. В 1921 г. ими был за­явлен первый патент на новую машину.

В 1925 г. М. П. Костенко опубликовал статью, в кото­рой были изложены основы теории асинхронного двигате­ля при переменной частоте и в которой впервые изменение частоты рассматривалось как метод регулирования скоро­сти короткозамкнутых двигателей [2]. В этой работе со,- держались все основные, при обычно принятых допущени­ях, положения о режимах работы и характеристиках асинхронного двигателя при частотном управлении в ста­ционарных режимах. Эту работу законно считают поло­жившей начало трудной истории частотного управления. Все последующие многочисленные работы или уточняли отдельные положения статьи М. П. Костенко, или, в по­давляющем большинстве, относились к способам и устрой­ствам преобразования частоты.

Коллекторные генераторы переменной частоты и дру­гие электромашинные преобразователи получили ограни­ченное применение из-за общих недостатков, свойствен­ных электромашинным преобразователям, — громоздкости, механического метода управления частотой, наличия вра­щающихся машин и, особенно, коллектора. Это с самого начала стимулировало изыскания статических способов преобразования частоты на основе вентилей. Однако про­блема создания вентильного преобразователя частоты, удовлетворяющего всем необходимым технико-экономиче­ским требованиям управления асинхронным двигателем, оказалась достаточно сложной.

Создание работоспособных вентильных преобразовате­лей частоты потребовало решения двух основных задач:

1) разрабоїки надежных, экономичных, малогабарит­ных, удобных в монтаже и эксплуатации вентилей,

2) изыскания удовлетворительных схем коммутации тока.

В разработках вентильных преобразователей частоты с самого начала, т. е. с конца тридцатых годов, использова­лись вентили того времени — ртутные вентили с сеткой, тиратроны, несколько позже — контактные вентили. Но те или другие недостатки, свойственные им (общий катод у ртутных вентилей, горячий катод и низкая надежность ти­ратронов, неудобства механической коммутации контакт­ных устройств), препятствовали применению предложен-

ных в то время преобразователей частоты и вентильных приводов с частотным управлением. Постепенно качество газоразрядных вентилей улучшалось. Были созданы одно­анодные ртутные безнасосные выпрямители и металличе­ские тиратроны и игнитроны. С сороковых годов электро­привод с двигателями постоянного тока, питаемыми от преобразователей на тиратронах, получил широкое приме­нение почти во всех странах Европы и США. Но преобразо­ватель частоты с непосредственным питанием от сети пере­менного тока, предложенный в 1939 г. Д. А. Завалиши - ным, было трудно реализовать на тиратронах из-за боль-

Рис. В.1

шого числа вентилей, а для двухзвенпых преобразователей частоты по схеме выпрямитель — инвертор не удавалось получить удовлетворительное качество коммутации. Когда такое решение в середине пятидесятых годов наметилось, оно все еще не могло получить широкой промышленное реализации из-за недостатков тиратронов. Попытки со­здать преобразователи на транзисторах не могли иметь серьезного значения из малой мощности транзисторов.

Только появление силовых полупроводниковых венти­лей — тиристоров поставило проблему вентильного преоб­разователя частоты, а с ним и бесконтактного вентильного привода с частотным управлением на прочную, экономи­чески обоснованную почву.

Тем не менее к выходу первого издания настоящей мо­нографии в 1955 г., т. е. спустя 30 лет после основопола­гающей статьи М. П. Костенко, привод с частотным управ­лением уже получил, хотя и ограниченное, но прочное применение для некоторых видов производственных ма­шин и в специальных установках с электромашинными преобразователями. Применялись вращающиеся преобра­зователи двух основных видов.

1. Простые преобразователи: двигатель-генераторные агрегаты, состоящие из двух машин, связанных муфтой и вращающихся с переменной управляемой скоростью (ри£. В.1,а), — генератора переменной частоты (синхрон - ного генератора СГ или индукционного преобразователя ИПЧ) и двигателя постоянного тока М с регулируемой скоростью, с питанием от цеховой сети постоянного тока или трехфазного коллекторного двигателя КМ с питанием от заводской сети переменного тока.

Индукционный преобразователь частоты представляет собой обыкновенную асинхронную машину с фазным ро­тором, одна обмотка которой (статора или ротора) воз­буждается частотой сети, ротор же вращается приводным двигателем.

2. Каскадные преобразователи, составленные из двух двухмашинных агрегатов (рис. В.1,в): агрегата постоян­ной скорости, состоящего из синхронного или асинхронно­го двигателя М и генератора постоянного тока с независи­мым возбуждением Г или агрегата переменной скорости, состоящего из двигателя постоянного тока независимого возбуждения М и синхронного генератора или индукцион­ного преобразователя частоты ПЧ.

Регулирование скорости второго агрегата осуществля­ется изменением возбуждения генератора постоянного тока, а также, если необходимо расширить диапазон регу­лирования, и изменением возбуждения двигателя постоян­ного тока. При изменении скорости изменяются соответ­ственно частота и напряжение генератора переменной ча­стоты.

Типовые промышленные каскадные электроприводы применялись для всех мощностей и обычно имели диапа­зон частотного регулирования от 5: 1 до 6: 1 в системах с синхронным генератором и от 2:1 до 3:1 — с индукци­онными преобразователями. Высокоскоростной привод с асинхронными генераторами применялся и при значитель­но более широком диапазоне регулирования частоты.

Среди приводов с частотным управлением одним из первых получил эффективное промышленное применение индивидуальный привод рольгангов металлургических за­водов. Определяющими оказались два фактора: надеж-, ность двигателей и удобство согласованного регулирова­ния их-угловой скорости.

В прокатном цехе современного металлургического завода рольганги выполняют две основные функции: ра­бочие рольганги осуществляют подачу металла в валки прокатного стана, транспортные рольганги являются основным средством, обеспечивающим непрерывность тех­нологического процесса прокатки. Длина отдельных роль­гангов доходит до 100 м, а установленная мощность их электроприводов достигает 25—50% от установленной 6

мощности приводов всех вспомогательных механизмов.

Жесткие требования к надежности и экономичности привели к развитию индивидуального электропривода ро­ликов рольгангов. Первая такая установка была вызвана необходимостью в криволинейном рольганге. Она появи­лась в 1909 г., но широкое применение индивидуальный привод получил в годы первых пятилеток.

По сравнению с групповым приводом через сквозной вал с передачей к отдельным роликам на конических зуб­чатых передачах индивидуальный привод имеет сущест­венные преимущества. Его надежность значительно выше, упрощается и удешевляется конструкция рольганга, уве­личивается производительность благодаря более выгод­ным динамическим характеристикам индивидуального привода, существенно снижается расход электроэнергии.

Применение частотного управления в индивидуальном приводе рольгангов обусловлено необходимостью согласо­ванного регулирования скорости и управления пуском, торможением и реверсом большого числа двигателей, при­водящих во вращение ролики. Для индивидуального при­вода рольгангов с частотным управлением промышлен­ность выпускает специальные серии короткозамкнутых асинхронных двигателей.

В свое время для рольгангов были разработаны специ­альные электроролики, объединяющие конструктивно дви­гатель с роликом. Такой электроролик состоит из непо­движной оси, на которой закреплены статор с неподвиж­ной обмоткой и выводами в осевом отверстии и ротором с алюминиевой или латунной короткозамкнутой клеткой, корпусом которого является сам ролик. Однако несмотря па простоту конструкции электроролики не оправдали се­бя из-за тяжелых условий охлаждения обмоток статора.

Вторая специфическая область применения частотно­управляемого привода — текстильные машины (прядиль­ные и крутильные).

В каждой из таких машин имеются сотни электро­шпинделей, объединяющих электродвигатель с рабочим орудием, например рогулькой. Типичная конструкция электроверетена представляет собой асинхронный двига­тель с короткозамкнутым ротором мощностью 0,05— 0,2 кВт, сквозь полый вал которого проходит нить к укрепленной на нем рогульке.

Индивидуальный электропривод с частотным управле­нием получил применение в ватерах сухого прядения джу­товой и пеньковой пряжи, в машинах мокрого прядения пеньки, льна, для изготовления тонкой пряжи, а также в

разных гребенчатых прядильных машинах для самой тон­кой и самой грубой пряжи. Частотное управление занялсЗ важное место в производстве искусственного шелка, в пер* вую очередь в приводе прядильных центрифуг.

Введение индивидуального электропривода взамен грої моздких механических передач необычайно упростило ма­шины и изменило их вид, улучшило качество пряжи и со­кратило брак благодаря более плавному ходу и жесткому соединению вала двигателя с рабочим инструментом и, наконец, указало путь существенного повышения произво­дительности труда за счет увеличения скорости. Уже в первый период применения индивидуального электропри­вода частота вращения достигала 4000—6000 об/мин.

Возможности дальнейшего увеличения скоростей, ко­торые дает электропривод при повышенных частотах, по­ставили вопрос о переходе на принципиально новые методы прядения, так как применяемые конструкции крутильно­мотального механизма не позволяют поднять частоты вра­щения выше примерно 12 000 об/мин.

Все преимущества, которые дает индивидуальный при­вод— радикальное упрощение кинематики и конструкции машин, улучшение качества пряжи и увеличение произво­дительности, достигнуты только благодаря специфическим свойствам частотного управления, позволяющего получить синхронное управление большим числом электродвигате­лей с высокой степенью плавности и точности регулирова­ния их скоростей.

Примером электропривода с глубокой автоматизацией могут служить машины для прядения искусственного во­локна.

В процессе прядения каждая нить проходит следующие операции. Насос выдавливает волокна вискозной массы, которые сгущаются, скручиваются и в затвердевшем со­стоянии проходят через отделочный барабан, где они сма­зываются, к подающему валу. С подающего вала нить по­ступает на сматывающий барабан. Каждое из звеньев, об­служивающих этот процесс, имеет электропривод, который должен обеспечить вполне определенное соотношение ме­жду их скоростями. Скорость подающего вала должна, несколько превышать скорость насоса. Эта разность ско­ростей определяет толщину, плотность и химический со­став нити. Скорость подающего вала и наматывающего барабана должны быть согласованы так, чтобы нить не имела заметного натяжения. Только к скорости отделоч­ного барабана не предъявляется жестких требований, так как нить проходит его со свободным скольжением. Насос, подающий вал и наматывающий барабан каж­дой линии, обслуживающей одну нить, имеют индивиду­альные приводы с частотным управлением.

Отделочные барабаны вращаются общим валом от при­вода постоянного тока. Требуемое соотношение скоростей индивидуальных приводов каждой линии обеспечивается посредством электронных регуляторов.

Равенство скоростей между одними и теми же звенья­ми всех линий достигается питанием их одной и той же частотой. Ввиду высоких требований к точности регулиро­вания скорости в качестве приводных двигателей приме­нялись синхронные реактивные двигатели специального исполнения.

Питание индивидуальных двигателей машины осуще­ствляется от двух преобразователей частоты. Один из них питает электродвигатели насосов, другой — подающих ва­лов и наматывающих барабанов. Каждый преобразова­тель состоит из синхронного генератора и приводного двигателя постоянного тока, который питается от своего генератора. Последний является одной из машин общего агрегата постоянной скорости с асинхронным приводным двигателем.

Каждый преобразователь имеет независимое регули­рование частоты, для того чтобы изменением соотношения частот задать необходимую толщину нити. Но однажды заданное соотношение поддерживается с точностью до 0,1% независимо от статической нагрузки, частоты, напря­жения преобразователей и температуры окружающего воздуха.

Эта задача решалась электронными устройствами ав­томатического управления, воздействующими на тиратрон - ные возбудители генераторов и двигателей постоянного тока или синхронных генераторов переменной частоты. Изменением тока возбуждения генераторов и двигателей постоянного тока осуществлялось двухзонное регулирова­ние частоты вращения преобразователей и, следовательно, выходной частоты.

Регулирование возбуждения синхронных генераторов обеспечивает изменение напряжения пропорционально частоте.

Весьма актуально применение асинхронных двигателей с частотным управлением для тягового привода электро­возов и тепловозов. Этот вопрос возник одновременно с самой идеей частотного управления. Уже в первых рабо­тах по частотному управлению академик М. П. Костенко указывал на тяговый привод как на одну из важнейшихобластей его применения. Тогда же отмечались преимуще­ства, которые ожидались от привода с частотным управ - лением в области тяги. Недостатки двигателей постоянно­го тока, обусловленные наличием коллектора, особинно остро сказываются в тяговом электроприводе. Тяговые двигатели работают в особо тяжелых условиях влажно­сти, колебаний температуры, загрязнения, ударов и т. д. К ним предъявляются повышенные требования по надеж­ности, защите от пыли и влаги, а размещение двигателей в труднодоступных местах у осей и специфика работы подвижного состава крайне затрудняют уход за дви­гателями.

Применение асинхронных двигателей, почти не требую­щих ухода, при частотном управлении позволяет ради­кально решить пробле­му тягового электро­привода. К этим пре­имуществам добавля­ются уменьшение мас­сы двигателей, упро­щение и облегчение аппаратуры - управле­ния.

В коллекторном ге­нераторе Костенко-- Ямпольского были за­ложены необходимые предпосылки для реа­лизации тягового при-' вода с частотным управлением. Еще в 1923 г. ХЭМЗ прово­дил разработку элек­трооборудования для привода тепловоза с дизелем мощностью 810 кВт на осно­ве коллекторного генератора переменной частоты и асинх­ронных тяговых двигателей. Разрабатывались и другие ва­рианты тягового привода с частотным управлением.

Впервые тяговый привод был реализован в Венгрии [3]. В 1935—1938 гг. под руководством Ф. Ротковского был разработан электропривод с питанием от однофазной контактной сети частотой 50 гц.

Однофазное напряжение контактной сети преобразует­ся в трехфазное посредством преобразователя числа фаз ПФ, представляющего собой трехфазный синхронный дви­гатель, к трем выводам обмотки якоря которого включенанагрузка в виде преобразователя частоты ПЧ, а два из них включены, кроме того, на сеть (рис. В.2).

Для преобразования частоты использованы индукцион­ные преобразователи.

В 1939 г. были поставлены для эксплуатации на госу­дарственных железных дорогах Венгрии два первых элек­тровоза с частотным управлением. Электровозы имели следующие технические характеристики:

Общая масса, т............................ 115 144

Часовая мощность, кВт... . 2950 2950

Максимальное тяговое усилие, Н 22-Ю* 22-10*

Ступени скорости, км/ч...... 25, 50, 75 25, 50, 75

100, 125 100, 125

Масса на единицу мощности,

кг/кВт....................................... 39,4 49

Индукц

msd.com.ua