Асинхронные электродвигатели систем автоматического
Асинхронные электродвигатели широко используются для электроприводов с постоянной (нерегулируемой) частотой вращения, в которых требования по поддержанию частоты вращения сравнительно невелики. Нашли применение регулируемые асинхронные электроприводы с управлением по напряжению и частоте питания. Ряд зарубежных фирм, например ВВС (Германия), АМК и Allen Bradley (США),выдвинули концепцию применения в регулируемых асинхронных электроприводах векторного управления с микропроцессорным управлением инвертором, что позволяет получать асинхронные электроприводы близкие по характеристикам с электроприводами постоянного тока.
Актуальность разработки асинхронных электроприводов обусловлена:
- экономическими факторами: минимум стоимости, отсутствие
дефицитных видов материалов повышенный (на 6 - 10%) коэффициент полезного действия посравнению с приводами постоянного тока;
- повышенная на 50-100% удельная мощность высокочастотных (200,400,1000 Гц) асинхронных электродвигателей;
|
|
- пониженный момент инерции ротора по сравнению с синхронными электродвигателями;
- повышенная надежность (в 3 - 5 раз) по сравнению с двигателями постоянного тока.
В системах автоматического регулирования применяют как трехфазные, так и двухфазные асинхронные электродвигатели (АД). Трехфазные АД являются двигателями общепромышленного применения, двухфазные АД - это специальные двигатели, получившие название асинхронных исполнительных двигателей (АИД). АИД с ротором типа " беличья клетка" имеют такую же конструкцию, как трехфазные АД. В системах автоматического регулирования наибольшее распространение получили АИД с полым немагнитным ротором в виде тонкостенного стакана из сплавов алюминия. Толщина стенки стакана ротора в зависимости от мощности электродвигателя колеблется в пределах 0,1 - 1 мм. Полый ротор имеет малую массу, а следовательно, незначительный момент инерции.
Недостатком АИД с полым немагнитным ротором является большой немагнитный зазор, состоящий из двух воздушных зазоров и толщины немагнитного стакана, вследствие чего эти электродвигатели имеют значительный ток намагничивания (до 80 - 90 % от номинального тока) и соответственно низкий коэффициент мощности. Большой намагничивающий ток приводит к повышенным электрическим потерям и значительно снижает КПД электродвигателя.
Принцип действия АИД не отличается от принципа действия трехфазных АД.
Электромагнитный момент создается в результате взаимодействия вращающегося магнитного поля статора с токами, наведенными этим полем в обмотке ротора.
|
|
---------------------------------------------Вставлен АИД----------------------------------------------------------------
В АИД одна из обмоток статора подключена постоянно к сети через конденсаторную батарею и называется обмоткой возбуждения.
Вторая обмотка АИД подключена к преобразователю, управляющему амплитудой или фазой, подаваемого на обмотку напряжения. Эту обмотку называют обмоткой управления. При одинаковых обмотках, если приложенные к ним напряжения равны, создается круговое магнитное поле. При изменении амплитуды или фазы напряжения управления магнитное поле становится эллиптическим. Наряду с моментом вращения прямого следования фаз появляется момент обратного следования фаз, в результате среднее значение момента снижается, соответственно снижается и часторта вращения ротора.Рассматривают амплитудный, фазовый и амплитудно-фазовый способы управления частотой вращения АИД / 19,32 /. Простейшая силовая схема АИД представлена на рис.13.15.
Рис.13.15
Одно из основных требований к АИД заключается в том, что при снятии сигнала управления ротор должен остановиться, то есть самоход должен отсутствовать.
Для АИД также как и для ИДПТ механические и регулировочные характеристики удобно строить в относительных единицах. Обозначим W/W1=n; Uу/Uвн = a; M/Mпуск = m, где Мпуск - пусковой момент при номинальном напряжении.Тогда по аналогии с (10.25) можно в первом приближении записать
n = a - m, (13.31)
где n- относительная частота вращения якоря электродвигателя, a - коэффициент сигнала, m - относительный момент.
Более точное описание механических характеристик дано в /19/. Для механической характеристики, соответствующей номинальному режиму работы (a = 1),
m = 1 + сn + dn2,
коэффициенты c + d = - 1.
Коэффициент полезного действия АИД несколько ниже, чем у одинаковых по мощности асинхронных трехфазных двигателей из- за повышенного активного сопротивления ротора.При этом наиболее высокий КПД имеют АИД с амплитудным управлением. Поэтому рассмотрим только характеристики АИД с амплитудным управлением.
Статические механические и регулировочные характеристики АИД с амплитудным управлением представлены на рис.13.17. У исполнительных электродвигателей с полым немагнитным ротором диапазон регулирования частоты вращения достигает 1: 200.
Рис.13.17
Механические и регулировочные характеристики АИД имеют аналогичный вид при фазном и амплитудно-фазном управлении /32/. Механические характеристики АИД при всех способах управления нелинейны и их жесткость уменьшается с уменьшением сигнала управления.Улучшению линейности механических характеристик способствует увеличение активного сопротивления ротора. Допускается нелинейность механических характеристик до 10- 15 %. При всех способах управления механические характеристики обеспечивают устойчивость работы во всем диапазоне двигательного режима.
Регулировочные характеристики АИД нелинейны при всех способах управления. Наибольшая нелинейность наблюдается в режиме холостого хода (до 20%).
На линейном участке механической характеристики динамические свойства АИД аналогичны исполнительным двигателям постоянного тока. АИД можно считать апериодическим звеном первого порядка с электромеханической постоянной времени Тм = JW0 a/ Мпa при заданном сигнале a.
-------------------------------Вставлен АИД-------------------------------------------------------------
Известно, что вектор вращающегося магнитного поля является круговым при соблюдении следующих условий:
- сдвиг обмоток статора в пространстве для трехфазных машин
на угол 2, а для двухфазных на угол ;
- сдвиг токов фаз обмотки статора во времени для трехфазных
машин на угол 2, а для двухфазных на угол ;
- равенство магнитодвижущих сил всех фаз между собой.
Нарушение любого из этих условий приводит к тому, что поле становится эллиптическим. Эллиптическое поле можно представить как сумму двух неравных круговых полей, вращающихся с синхронной угловой скоростью в противоположных направлениях. Круговое поле, определяющее направление вращения эллиптического
поля, называют прямовращающимся, а круговое поле, вращающееся в противоположном направлении, называют обратновращающимся. Прямое поле создает вращающий момент двигателя, а обратное поле - тормозной момент. При увеличении разности значений МДС фаз уменьшается результирующий вращающий момент двигателя, что при неизменном моменте нагрузки приводит к снижению частоты вращения двигателя.
|
|
9.2. Расчетная схема и дифференциальные уравнения
Как двухфазные, так и трехфазные асинхронные электродвигатели принято описывать системой дифференциальных уравнений в неподвижной системе координат . При этом трезхфазные машины приводят к двухфазным по методике, изложенной в п.4.3. Расчетная схема АД представлена на рис.9.1.
Система дифференциальных уравнений имеет вид
ЭДС вращения, вводимые в уравнения обмоток ротора, определяются как
Потокосцепления обмоток машины
где , - коэффициенты самоиндукции обмоток статора и ротора, - коэффициент взаимоиндукции между контурами статора и ротора при совпадении их осей. Уравнение равновесия моментов
При записи через потокосцепления pi токи электромагнитный момент для трехфазного АД
Нелинейная система уравнений (9.1) - (9.5) может быть решена на ЭВМ численными методами.