Расчет и Построение естественной механической характеристики

 

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

Воспользуемся упрощенной формулой Клосса

 

, (55)

 

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.
M, Н∙м
ω, с^-1

 

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

Рис.4 Примерный вид естественной механической характеристики АД

 

 

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∙w_ном до w_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
I 2Н, A	P Н, кВт	P Н, л.с.	I 2hd, A	P hd, кВт	P hd, л.с.
Трехфазное напряжение питания 208...240 В
ACS550-01-04А6-2	4,6	0,75		3,5	0,55	0,75
ACS550-01-06А6-2	6,6	1,1	1,5	4,6	0,75
ACS550-01-07А5-2	7,5	1,5		6,6	1,1	1,5
ACS550-01-012А-2	11,8	2,2		7,5	1,5
ACS550-01-017А-2	16,7			11,8	2,2
ACS550-01-024А-2	24,2	5,5	7,5	16,7
ACS550-01-031А-2	30,8	7,5		24,2	5,5	7,5
ACS550-01-046А-2	46,2			30,8	7,5
ACS550-01-059А-2	59,4			46,2
ACS550-01-075А-2	74,8	18,5		59,4
ACS550-01-088А-2	88,0			74,8	18,5
ACS550-01-114А-2				88,0
ACS550-01-143А-2
ACS550-01-178А-2
ACS550-01-221А-2
ACS550-01-248А-2

 

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		5,3		2,2	9,6
ATV61HU15M3(4)	1,5		9,6			9,6
ATV61HU22M3(4)	2,2		12,8		5,3	9,6
ATV61HU30M3(4)	3,0	-	16,4		6,8	9,6
ATV61HU40M3(4)	4,0		22,9		9,2	9,6
ATV61HU55M3(4)	5,5	7,5	30,8		12,4	23,4
ATV61HU75M3(4)	7,5		39,4		15,9	23,4
ATV61HD11M3X(4)	11,0		45,8		18,8	93,6
ATV61HD15M3X(4)	15,0		61,6		25,1	93,6
ATV61HD18M3X	18,5				27,7
ATV61HD22M3X	22,0
ATV61HD30M3X	30,0				42,4
ATV61HD37M3X	37,0
ATV61HD45M3X	45,0

 

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.