Электромашинные преобразователи частоты Вопросы

1. 
   Законы частотного регулирования
2. 
   Электромашинные преобразователи частоты с использованием синхронного генератора
3. 
   Электромашинный асинхронный преобразователь частоты
4. 
   Вентильно-электромашинный преобразователь частоты

1. 
   Законы частотного регулирования

Частотное регулирование скорости значительно расширяет возможности асинхронных электроприводов в различных отрас­лях промышленности и сельского хозяйства.

Возможность изменения скорости АД при регулировании частоты f₁ следует непосредственно из выражения ?_o=2? f₁ /р. Из которого видно, что синхронная скорость АД прямо пропор­циональна частоте питающего напряжения. При регулировании частоты возникает также необходимость регулирования напряже­ния источника питания. Действительно, ЭДС обмотки статора АД пропорциональна частоте и потоку

Е₁=kФf₁.

Из приведенного выражения следует, что при неизменном напряжении источника питания U₁ и регулировании его частоты меняется магнитный поток АД. В частности, уменьшение час­тоты f₁ приводит к возрастанию потока и, как следствие, к на­сыщению машины и увеличению тока намагничивания, что связано с ухудшением энергетических показателей двигателя, а в ряде случаев и к его недопустимому нагреву. Увеличение частоты f₁ приводит к снижению потока двигателя, что при постоянном моменте нагрузки на валу в соответствия с выражением М= kФI₂cos?₂ приводит к возрастанию тока ротора, т.е. к перегрузке его обмоток по току при недоиспользованной стали. Кроме |того, с этим связано снижение максимального момента и перегрузочной способности двигателя.

Для наилучшего использования АД при регулировании ско­рости изменением частоты необходимо регулировать напряжение, одновременно в функции частоты и нагрузки.

Обычно при регулировании выше основной скорости частота источника питания превышает номинальную не более чем в 1,5 - 2 раза. Указанное ограничение обусловлено прежде всего прочностью крепления обмотки ротора.

Регулирование скорости вниз от основной, как правило, осу­ществляется в диапазоне 10 ч 15. Нижний предел частоты ограни­чен сложностью реализации источника питания с низкой часто­той, возможностью неравномерности вращения и рядом других факторов. Таким образом, частотное регулирование скорости АД может осуществляться в диапазоне 20 ч 30. Из всего многообразия зависимостей Мс(?) в теории элек­тропривода обычно рассматриваются три наиболее часто встре­чающиеся типа статических нагрузок и закона частотного регулирования (рис. 1):

1) момент статической нагрузки не зависит от скорости

x=0; Mc=const; закон - (U1/f1) =const;

2) при регулировании скорости мощность на валу остается

постоянной

Pc=const; x= -1; закон - ;

3) идеализированная вентиляторная нагрузка

x=2; закон - (U1/f1²)=const.

а)

б)

в)

Рисунок 1 - Механическиехарактеристики АД при частотном регулировании скорости: а) при Mc=const; б) при Pc=const; в) при вентиляторной нагрузке

1. 
   Электромашинные преобразователи частоты с

использованием синхронного генератора
Преобра­зователи частоты можно разделить на электромашинные и вентильные.

Принципиальная схема электромашинного преобразо­вателя с промежуточным звеном постоянного тока, в кото­ром используется синхронный генератор, показана на рисунке 2. Преобразователь состоит из агрегата постоян­ной скорости (М1,G1), предназначенного для преобразова­ния переменного тока сетевого напряжения и неизменной частоты в регулируемое постоянное напряжение, которое зависит от тока возбуждения генератора постоянного тока G1. Двигатель постоянного тока М2 агрегата переменной скорости получает питание от генератора G1. При измене­нии напряжения на выводах генератора G1 (с помощью резистора R1) плавно регули­руется угловая скорость двигателя М2 и одновременно уг­ловая скорость синхронного генератора G2, что позволяет регулировать частоту выходного тока G2. Напряжение на выходе G2 можно регулировать током возбуждения синхронного генератора с помощью R3.

Рисунок 2 – Принципиальная схема электромашинного преобразователя частоты с промежуточным звеном постоянного тока с использованием синхронного генератора
От синхронного генератора G2, являющегося источни­ком напряжения с переменной частотой и амплитудой, пи­тается один или группа асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором МЗ — М5. Меняя направление тока возбуждения генератора постоянного тока G1, можно изме­нять направление вращения асинхронных двигателей. При неизменном токе возбуждения синхронного генератора G2 и двигателя постоянного тока М2, меняя его угловую ско­рость, можно автоматически регулировать выходное напря­жение по закону U₂/f₂=const. В данном случае, со снижением частоты снижается перегру­зочная способность асинхронных двигателей и поэтому диапазон регулирования при постоянном моменте нагрузки заметно уменьшается. Больший диапазон регулирования с обеспечением необходимой перегрузочной способности (по отношению к статическому моменту нагрузки) может быть получен при вентиляторной нагрузке.

Независимо от частоты (угловой скорости) синхронного генератора G2 амплитуда напряжения на его выходе может регулироваться только вниз от номинального значения.

Если мощность, потребляемая асинхронными двигате­лями от источника регулируемой частоты, равна Р_ном, то при пренебрежении потерями в машинах общая установлен­ная мощность преобразователи частоты составит .

С учетом потерь энергии в машинах преобразователя частоты его установленная мощность будет превышать че­тырехкратное значение установленной мощности нагрузки, что является недостатком электромашинного преобразова­теля частоты. Другим его недостатком является низкий КПД, определяемый произведением КПД отдельных ма­шин. Если, например, КПД каждой машины при полной нагрузке принять равным 0,9, то номинальный КПД преоб­разователя составит 0,9⁴ = 0,66. С уменьшением нагрузки и при регулировании угловой скорости двигателей МЗ — М5 вниз от основной КПД становится еще меньше.

Регулирование частоты связано с преодолением значи­тельной механической и электромагнитной инерционности, которой обладает электромашинный преобразователь.

1. 
   Электромашинный асинхронный преобразователь частоты

В схемах электромашинного преобразователя частоты могут быть использованы в качестве основного преобразо­вателя обычные асинхронные машины с фазным ротором в режиме асинхронного преобразователя частоты. Одна из таких схем с асинхронным преобразователем частоты АПЧ приведена на рисунке 3. Здесь статор АПЧ присоединен к сети переменного тока через автотрансформатор АТ, позволяющий независимо регулировать на входе (и выходе) АПЧ амплитуду напряжения. Ротор АПЧ механически свя­зан с якорем двигателя М2, угловая скорость которого регулируется по системе Г—Д так же, как и в предыду­щей схеме с синхронным генератором. Вторичная (ротор­ная) цепь АПЧ служит источником напряжений регулируе­мой частоты и амплитуды.

Частота на выходе АПЧ равна

f₂=f₁±f_М2,

где f_М2=?р/2?;? — скорость двигателя М2; f₁ — частота напряжения питания статора, принятая равной частоте питающей сети.

Рисунок 3 – Схема с асинхронным преобразователем частоты
Знак плюс относится к случаю, когда ротор вращается против поля статора, а знак минус—согласно с полем статора. Следовательно, при вращении ротора против поля частота f₂ > f₁ согласно с полем f₂ < f_1. При неподвижном состоянии ротора АПЧ частота f₂ = f_1.

Энергия, передаваемая АПЧ нагрузке, при вращения против поля складывается из механической энергии, поступающей с вала двигателя М2, и электрической энергии, потребляемой АПЧ со стороны автотрансформатора АТ. При вращении по полю электрическая энергия, поступаю­щая в статор АПЧ, частично передается нагрузке, а часть — двигателю М2, в этом случае работающему в генераторном режиме. Эта часть энергии после преобразований возвра­щается о сеть с помощью машины М1.

Если, например, принять частоту на выходе АПЧ f₂ = 100 Гц, а частоту питания f₁ = 50 Гц, то активная мощ­ность Р₂ составит только 50 % установленной мощности нагрузки, а через двигатель М2 будет подводиться также 50 % Р_?. Таким образом, при указанном соотношении ча­стот установленная мощность машин системы Г—Д окажется вдвое меньше, чем в случае электромашинного преобразо­вателя с синхронным генератором. Раздельное регулирова­ние напряжения с помощью автотрансформатора АТ дает возможность (ограничиваемую насыщением стали АПЧ) устанавливать требуемое соотношение между U₂ и f₂.

С возрастанием выходной частоты АПЧ установленная мощность преобразовательного устройства увеличивается.

Электромашинные преобразователи частоты с АПЧ при­меняются обычно для получения частот, превышающих частоту питающей сети, когда необходимо регулировать угловую скорость большого числа согласованно работаю­щих асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором.

1. 
   Вентильно-электромашинный преобразователь частоты

Схема вентильно-электромашинного преобразователя ча­стоты с синхронным генератором (вместо него может быть использован и АПЧ) приведена на рисунке 4. Здесь вращаю­щийся преобразовательный агрегат постоянной скорости заменен статическим управляемым преобразователем (вы­прямителем) УП, собранным, например, на тиристорах. От управляемого выпрямителя питается двигатель М1 агрегата переменной скорости. В данном случае несколько повышается КПД преобразователя частоты ПЧ, сокраща­ются его габариты.

Рисунок 4 – Схема вентильно-электромашинного преобразователя частоты с синхронным генератором
Однако остаются такие недостатки, как невысокая надежность, необходимость в использова­нии, кроме УП двух машин (двигателя М1 и генератора G), значительная инерционность привода, связанная с изменением угловой скорости агрегата переменной скорости при изменении выходной частоты.

Дата добавления: 2015-04-29