Файл: 8_Глава 6.doc

6.5.2. Двигатель двойного питания

В отличие от схем вентильного каскада, где поток энергии скольжения направлен только в одну сторону – от ротора двигателя к инвертору и далее в питающую сеть, в схемах двигателя двойного питания в цепь ротора включается преобразователь (рис.6.20), обеспечивающий двухсторонний обмен энергией, как от ротора двигателя в питающую сеть, так и от сети в обмотки ротора асинхронного двигателя. Таким преобразователем является преобразователь частоты с непосредственной связью. При этом добавочная э.д.с., вводимая в цепь ротора, может быть направлена как против э.д.с. ротора, согласно с ней или под некоторым углом (π-δ). В общем случае

.

Ток ротора будет определяться из уравнения равновесия напряжений в контуре ротора

.

Активная и реактивная составляющие тока ротора будут равны:

(6.26)

В этих формулах: Е₂, Е_2н – текущая и номинальная (при s=1) э.д.с. ротора;

.

Активная составляющая тока ротора определяет момент двигателя М и механическую мощность двигателя

.

Реактивная составляющая тока ротора определяет реактивную мощность, циркулирующую в статорной и роторной цепях двигателя

.

Равенства (6.26) показывают, что, регулируя величину и фазу добавочного напряжения , вводимого в цепь ротора, можно управлять активной и реактивной мощностями двигателя. Из этого положения также следует, что при соответствующих значенияхU₂ и δ активная составляющая тока ротора может быть отрицательна при положительных скольжениях s>0 и положительна при отрицательных скольжениях s<0. Это означает, что в системе двойного питания асинхронный двигатель может работать в несвойственных ему в обычных схемах включения режимах: генераторном при скорости ниже синхронной и двигательном при скорости выше синхронной. Энергетические диаграммы для указанных режимов приведены на рис.6.21,а.

Направление потока энергии в режиме генераторного торможения при скорости ниже синхронной противоположно тому, какое было в двигательном режиме (см. рис.6.16).

Мощность торможения Р_мех в рассматриваемом случае недостаточна для создания электромагнитной мощности Р_эм, поэтому из сети через трансформатор и роторный преобразователь забирается и направляется в ротор двигателя недостающая мощность, пропорциональная скольжению . Сумма механической мощности, поступающей с вала, и мощность скольжения

образует электромагнитную мощность, которая рекуперируется в питающую сеть. Отдаваемая в сеть мощность равна разности рекуперируемой мощности, отдаваемой по цепи статора, и мощности, забираемой со стороны трансформатора .

В двигательном режиме при скорости выше синхронной (рис.6.21,б) в роторную цепь двигателя добавляется мощность скольжения, забираемая из сети со стороны трансформатора. Она складывается с электромагнитной мощностью, поступающей в двигатель со стороны статора. Сумма этих мощностей преобразуется в механическую мощность на валу двигателя, обеспечивая работу двигателя с моментом М при скорости выше синхронной

.

Заметим, что, несмотря на то, что скольжение в этом случае отрицательно, двигатель развивает двигательный момент.

В обоих рассматриваемых режимах преобразователь частоты работает таким образом, что энергия от трансформатора поступает в ротор двигателя, т.е. двигатель питается как со стороны статора, так и ротора.

Поскольку частота f₂ э.д.с. и тока ротора определяется скольжением двигателя , то и частота добавочной э.д.с.U_доб, вводимой в цепь ротора, должна совпадать с частотой э.д.с. ротора и изменяться при изменении скольжения двигателя.

Максимально возможный диапазон регулирования скорости вниз и вверх от синхронной определяется двумя параметрами - возможными максимальными значениями частоты f₂ и напряжения U_{доб.макс} на выходе преобразователя частоты, служащего для питания цепи ротора. Максимальный диапазон регулирования скорости будет равен

.

Абсолютное значение максимального скольжения равно

.

Так как преобразователь частоты с непосредственной связью, как правило, обеспечивает регулирование частоты в пределах 20 Гц (при частоте питания 50 Гц), чему соответствует максимальное скольжение , то максимальный диапазон регулирования скорости двигателя двойного питания будет равен

.

Регулирование скорости в схеме двигателя двойного питания производится изменением величины и знака относительного значения добавочной э.д.с. , при этом частота на выходе преобразователя автоматически поддерживается равной частоте тока ротора. Механические характеристики двигателя двойного питания приε=0,2 приведены на рис.6.22. Пуск двигателя до значения минимальной рабочей скорости производится так же, как и в схемах вентильного каскада (см. рис.6.19).

Основным достоинством схем вентильного каскада и двигателей двойного питания является высокий кпд, сохраняющийся при регулировании скорости в заданном диапазоне. Поскольку эти системы регулируемого асинхронного привода имеют ограниченный диапазон регулирования, как правило, не выше 2:1, то эти системы применяются, главным образом, для привода мощных (выше 250 кВт) турбомеханизмов: вентиляторов, центробежных насосов и других машин.

6.6. Вентильный двигатель

6.6.1. Бесщеточный двигатель постоянного тока

Под вентильным двигателем понимают систему регулируемого электропривода, состоящую из электродвигателя переменного тока, конструктивно подобного синхронной машине, вентильного преобразователя и устройств управления, обеспечивающих коммутацию цепей обмоток электродвигателя в зависимости от положения ротора двигателя. В этом смысле вентильный двигатель подобен двигателю постоянного тока, в котором посредством коллекторного коммутатора подключается тот виток обмотки якоря, который находится под полюсами возбуждения.

Двигателям постоянного тока присущи серьезные недостатки, обусловленные, главным образом, наличием щеточно-коллекторного аппарата.

1. Недостаточная надежность коллекторного аппарата, необходимость его периодического обслуживания.

2. Ограниченные величины напряжения на якоре и, следовательно, мощности двигателей постоянного тока, что ограничивает их применение для высокоскоростных приводов большой мощности.

3. Ограниченная перегрузочная способность двигателей постоянного тока, ограничение темпа изменения тока якоря, что существенно для высокодинамичных электроприводов.

В вентильном двигателе указанные недостатки не проявляются, поскольку здесь щеточно-коллекторный коммутатор заменен бесконтактным коммутатором, выполненным на тиристорах (для приводов большой мощности) или на транзисторах (для приводов мощностью до 200 кВт). Исходя из этого, вентильный двигатель, который конструктивно выполняется на базе синхронной машины, часто называют бесконтактным двигателем постоянного тока. По управляемости вентильный двигатель также подобен двигателю постоянного тока – его скорость регулируется изменением величины подводимого постоянного напряжения. Благодаря своим хорошим регулировочным качествам вентильные двигатели получили широкое применение для привода различных промышленных машин и механизмов.

6.6.2. Электропривод по системе транзисторный коммутатор - вентильный двигатель с постоянными магнитами

Вентильный двигатель рассматриваемого типа выполнен на базе трехфазной синхронной машины с постоянными магнитами на роторе. Трехфазные обмотки статора питаются постоянным током, подаваемым поочередно в две последовательно соединенные фазные обмотки. Переключение обмоток производится транзисторным коммутатором, выполненным по трехфазной мостовой схеме. Транзисторные ключи открываются и закрываются в зависимости от положения ротора двигателя. Схема вентильного двигателя представлена на рис.6.23.

Момент, создаваемый двигателем, определяется взаимодействием двух потоков: статора Ф₁, создаваемого током в обмотках статора, и ротора Ф₂, создаваемого высокоэнергетическими постоянными магнитами (на основе сплавов самарий-кобальт и других).

, (6.27)

где: θ – пространственный угол между векторами потоков статора и ротора;

р_п – число пар полюсов.

Магнитный поток статора стремится повернуть ротор с постоянными магнитами, так, чтобы поток ротора совпал по направлению с потоком статора (вспомним магнитную стрелку компаса).

Наибольший момент, создаваемый на валу ротора, будет при угле между векторами потоков, равным 90⁰, и будет уменьшаться до нуля по мере сближения векторов потоков. Эта зависимость показана на рис.6.24.

Рассмотрим пространственную диаграмму векторов потоков, соответствующую двигательному режиму (при числе пар полюсов р_п=1). Предположим, что в данный момент включены транзисторы VT3 и VT4, (см. схему рис.6.23). Тогда ток проходит через обмотку фазы В и в обратном направлении через обмотку фазы А. Результирующий вектор м.д.с. статора будет занимать в пространстве положение F₃ (см. рис.6.25). Если ротор занимает в этот момент положение, показанное на рис.6.26, то двигатель будет развивать в соответствии с (6.27) максимальный момент, под действием которого ротор будет поворачиваться по часовой стрелке. По мере уменьшения угла θ момент будет уменьшаться. Когда ротор повернется на 30⁰, необходимо в соответствии с графиком на рис.6.24. переключить ток в фазах двигателя, так, чтобы результирующий вектор м.д.с. статора занял положение F₄ (см. рис.6.25). Для этого нужно отключить транзистор VT3 и включить транзистор VT5. И далее следует переключать транзисторы в порядке возрастания номеров.

Переключение фаз выполняет транзисторный коммутатор VT1-VT6, управляемый от датчика положения ротора DR; при этом угол θ поддерживается в пределах 90⁰±30⁰, что соответствует максимальному значению момента с наименьшими пульсациями. При р_п=1 за один оборот ротора должно быть произведено шесть переключений, благодаря которым м.д.с. статора совершит полный оборот (см. рис.6.25). При числе пар полюсов больше единицы поворот вектора м.д.с. статора, а, следовательно, и ротора, составит 360/р_п градусов.