CC BY
108
УДК 62-83.01
ИМПУЛЬСНОЕ УПРАВЛЕНИЕ АСИНХРОННЫМ ДВИГАТЕЛЕМ С ФАЗНЫМ РОТОРОМ
Ю.С. Усынин, А. В. Валов г. Челябинск, ЮУрГУ
Приводятся принцип работы, расчетные характеристики, уравнения математической модели асинхронного электропривода с импульсным управлением. Обращается внимание на его высокие энергетические и благоприятные эксплуатационные характеристики.
Введение. В промышленности эксплуатируется много рабочих механизмов (подъемнотранспортные машины, транспортеры, насосы), приводящиеся от асинхронного двигателя с фазным ротором. Как правило, регулирование скорости в них производится реостатным способом. Между тем современные средства управления позволяют заметно улучшить регулировочные характеристики этих приводов без больших затрат. Ниже рассмотрен один из таких способов.
Принципиальная схема электропривода. В электроприводе, в котором используется асинхронный двигатель с фазным ротором, регулирование скорости производится с помощью тири-
сторного преобразователя, собранного по мостовой трехфазной схеме (рис. 1а). Входные цепи преобразователя подключаются к сети через обмотки статора двигателя АХ, В У, СИ. На выход выпрямленного напряжения преобразователя подключаются обмотки ротора двигателя ах, уЬ. Обмотка сг может подключаться параллельно или оставаться свободной.
Управление тиристорными мостами производится таким образом, что МДС, создаваемая током в обмотках статора, всегда создает вращающий момент двигателя. Сказанное подтверждают пространственные векторные диаграммы МДС двигателя (рис. 2).
Рис. 1. Схема функциональная электропривода: а) общая схема силовых цепей; б) схема подключения обмоток фаз А и В
Усынин Ю.С., Валов А.В.
Импульсное управление асинхронным двигателем с фазным ротором
г)
е)
Рис. 2. Пространственные векторные диаграммы электродвигателя при различных положениях ротора: а) о = 240°; б) а = 300°; в) от = 0°; г) о = 60°; д) а = 120°; е) а = 180°
Переключая тиристоры моста, токами в обмотках статора в последовательности, указанной на рис. 2, создают МДС статора, вращающуюся дискретно с шагом 60°. Эти переключения производят тогда, когда ориентация векторов МДС обмоток статора и ротора соответствует двигательному моменту.
Уравнения состояния электропривода. Математическая модель электропривода составлена на основании схемы (рис. 16). Здесь принят ряд допущений; не учитывается рассеяние потока в зазоре электродвигателя, тиристоры считаем идеальными ключами, взаимные индуктивности между фазами статора и ротора изменяются по синусоидальному закону.
Ток /, протекающий через обмотки, рассчитывается на основании уравнения:
иАВ =2-1-(г1 +Г2) + - А
dt dt dt где rh r2 - активные сопротивления статора и ротора; '¥Л, в , Ч‘р - потокосцепления фазы Л, В и ротора.
^ а = ^аа '1 + Lab '1 + ^ар 11!
'У в — LBB ■ і + Lab ■ і + LBP ■ і;
Ч1 p Lp ■ i + LAP ■ і 4" Lgp ■ і,
где Laa, Lbb, Lf - собственные индуктивности фаз А и В и ротора; LAP, LBP - взаимные индуктивности между ротором и фазами; ЬАВ - взаимная индуктивность между обмотками фазы А и В.
При этом взаимные индуктивности равны: lap =lm -cos(ar); lbp = lm • cos(a + 60°), где LM - максимум взаимных индуктивностей; a - угол поворота вала.
За начальный угол возьмем угол, когда потокосцепления обмоток фазы А статора и ротора направлены в одну сторону.
Из полученных выражений можно вычислить производную тока, а по ней любым численным методом определить и значение самого тока:
di _ UAB-2-i-(rl+r2) + 2 Lm •i-rc-(sm(a) + sin(a + 60°)) dt LM + 2 Lab + LBB + LP + 2 • LM ■ (cos (a) + cos (a + 60°)) da dt
Для вычисления момента воспользуемся уравнением:
где п ■
скорость вращения вала.
М =
dW d da da
;=1 7=1 >*J
= -Ьм ■ і ■ [БІп(а) + 5Іп(а + 60)].
Наконец, запишем уравнения движения вала ротора:
гМ-Мс ,
И—'
а = jndt,
где Мс - статический момент; J- момент инерции.
Серия «Энергетика», выпуск 8
25
Электромеханика
Результаты расчета. Расчет проводился для двигателя МТР111-6 (Ри = 3.5 кВт; 1!к = 380 В, /щ= 10,4 А; Мн= 40 Нм; пн = 895 об/мин; /2Н = 15А; ■ц = 70 %; і = 0,05 кг м2) который имеет следующие параметры электрической схемы: = 1ВВ = Ьссг
=0,116 Гн, Ьр = 0,027 Гн, 1м = 0,098 Гн,/= 50 Гц -частота сети, ЬАВ = 1АС = ЬСв —0,045 Гн, Мс= 0, 7= 1 кг-м2, Г) = 2,1 Ом, г2 = 0,6 0м.
За прототип были приняты естественная механическая и электромеханическая характеристики электропривода (кривые 1 на рис. 3 а, б).
а)
с постоянным моментом статической нагрузки, близким к номинальному моменту (кривые 3), это отношение остается близким к единице. При малых нагрузках относительное значение тока возрастает, т.к. относительно большая доля приходится на намагничивающую составляющую. Так, при Мс= 0,1 величина тока статора увеличивается до 0,6...0,7 от номинального значения. Наоборот, в зоне пониженных скоростей электропривод способен развивать момент, больше критического. При этом приращение моментов опережает прираще-
Рис, 3. Электромеханические (а) и механические (б) характеристики
Для удобства расчета все величины на рис. 3 представлены в относительных единицах: за базовое значение скорости принята синхронная скорость двигателя, за базовое значение тока статора - их номинальные значения.
Предельные механическая и электромеханическая характеристики при импульсном регулировании соответствует максимально возможным импульсам напряжения, подаваемым на статор (кривые 2 на рис. 3 а, б). Величины предельных тока и момента снижаются по мере увеличения скорости из-за влияния ЭДС вращения двигателя. Возможен разгон двигателя до скорости выше синхронной, правда, при этом существенно снижается величина момента, развиваемого электродвигателем. Обращает на себя внимание малая величина отношения тока статора к моменту (при номинальном моменте это отношение 1\!М =1,1), что следует объяснить близкой к ортогональной взаимной пространственной ориентации векторов МДС обмоток статора и ротора в схеме импульсного регулирования. При регулировании скорости
ние токов статора: например, при М= 2,5 наблюдаем / =1,5. В районе средних скоростей кривые 2 располагаются ниже, чем 1. Это следовало предвидеть: к сети 380 В подключаются две последовательно соединенные обмотки вместо одной, как в естественной схеме. Характеристики 2 поднимаются вверх, если статорные цепи двигателя вместо ис =380 В подключить к сети 660 В (кривые 5).
Заключение. Несмотря на импульсный характер регулирования, необходимо отметить хорошие энергетические характеристики электропривода, о чем свидетельствуют малые величины отношения ИМ. Наибольшую выгоду следует ожидать в электроприводе механизмов с тяжелыми условиями пуска и малыми затратами на обслуживание. В качестве примера можно указать на электропривод ленточных транспортеров, у которых в зимнее время резко увеличивается момент трогания, а часто требуется прокрутка механизма на пониженной скорости, чтобы предотвратить смерзание смазки в подшипниках рабочего механизма.
Усынин Юрий Семёнович в 1959 г. окончил Челябинский политехнический институт, в 1964 г. - очную аспирантуру при кафедре электропривода Московского энергетического института. Профессиональные интересы: металлургический, общепромышленный, автономный, следящий электроприводы. Доктор технических наук, профессор. Работает на кафедре электропривода ЮУрГУ.
Валов Артем Владимирович - студент 5 курса Южно-Уральского государственного университета.
