CC BY
15
ИЗВЕСТИЯ
ТОМСКОГО ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА
им. С. М. КИРОВА
Том 285 1975
ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ И СХЕМЫ ЕГО ВКЛЮЧЕНИЯ ДЛЯ СИСТЕМЫ ТОЧНОГО ПОДДЕРЖАНИЯ СКОРОСТИ
Ю. М. АЧКАСОВ, Б. А. ЗАХАРОВ (Представлена научно-техническим семинаром НИИ АЭМ)
Прецизионное машиностроение и приборостроение, новые разработки геофизической, сейсмической, видеозвукозаписывающей аппаратуры предъявляют жесткие требования к точности поддержания скорости вращения исполнительных электродвигателей, В системах точного (Поддержания скорости (ТгГТС) переменного тока применяются различные типы синхронных электродвигателей. Благодаря астатическому саморегулированию, скорость вращения их определяется только частотой питающего тока, что позволяет получить точность поддержания средней скорости (0,01 —0,001) %.
К электродвигателям систем ТПС магнитофонов, например, предъявляются следующие требования [1]:
¡нестабильность скорости вращения ротора должна находиться в пределах (10~3~10-4);
.возможность переключения скоростей в диапазоне 2: 1; 4: 1; возможность питания от однофазной цепи переменного тока; ■малый коэффициент шума и вибрации, минимальное поле рассеяния;
нагрев не более 80° С по отношению к окружающей среде. В системах ТПС, где необходим точный останов для режима торможения, предъявляются такие требования:
минимальное время торможения и растормаживания; постоянство тормозного момента при эксплуатации; возможность регулировки тормозных моментов; надежность в работе.
Такие требования характерны для большинства маломощных систем ТПС со ступенчатым регулированием скорости.
Согласно [2] наибольшей равномерностью скорости вращения ротора обладают синхронные двигатели с постоянньши магнитами (СДПМ) и асинхронным пуском. Гистерезисные двигатели (ГД) имеют худшие показатели равномерности вращения, чем СДПМ. Из-за отсутствия шроткозамкнугой обмотки на роторе они имеют большие качания ротора при изменении нагрузки. Синхронные реактивные двигатели (СРД) по равномерности вращения ротора уступают СДПМ и ГД, что обуславливается сложным спектральным составом поля в зазоре машины. Однако СДПМ и СД выпускаются на мощности не выше десятков ватт, имеют низкие энергетические показатели, сложную технологию изготовления и требуют применения дорогостоящих материалов. Усовершенствованные СРД малой мощности имеют энергети-
ческие показатели, близкие к асинхронным двигателям одинакового габарита [3]. Кроме того, СРД имеют простую технологию изготовления и дешевле других типов синхронных двигателей.
а
з
5
м
Рис. 1. Пусковые механические характеристики синхронных электродвигателей.
Сравним пусковые характеристики рассматриваемых двигателей, приведенные на рис. I. В пусковой характеристике СДПМ (кривая 1, рис. 1) имеется провал, обусловленный тормозным моментом от действия постоянных магнитов и возможно размагничивание их при пуске. Кроме того, СДСМ имеют высокую кратность пускового тока. Пусковой момент гистерез'ионого двигателя (»кривая 2, рис. 1) уменьшается в процессе пуша, что увеличивает время разгона. Достоинством ГД является большой входной момент и плавность входа в синхронизм-однако ГД имеют большой разброс характеристик. Трехфазные СРД
имеют пусковую характеристику (кривая 3, рис. 1), подобную асинхронному двигателю. Из-за наличия критического момента происходит резкий вход в синхронизм СРД, что привадит к перерегулированию скорости. Характеристика СРД типа (ДРСШОМ), включенного по схеме конденсаторного (рис. 2), показана на рис. 1 кривая 4. Пуск осуществляется с ,постоянной пусковой емкостью, которая отключается з момент входа двигателя в синхронизм. Характерным ■ является разгон двигателя с постоянным пусковым моментом и наличие достаточного момента, входа в синхронизм, что обеспечивает минимальное время пуска.
В системах ТПС, как правило, используются трехфазные СРД с питанием от вентильных преобразователей частоты (ВПЧ) [4]. Блок-схема такой системы приведена на рис. ,3, а, СРД ¡получает питание от трехфазного управляемого выпрямителя (УВ) через фильтр (Ф) и трехфазный инвертор (А, В, С). Устройство управления выпрямителем (УУВ) и устройство управления инвертором обеспечивают необходимую величину и форму выходного напряжения.
С
& Рис. 2. Схема включения ОН СРД на однофазную сеть.
П
сР
10*
147
Рис. 3. Блок схемы систем частотного регулирования скорости,
В системах ТПС часто требуется иметь два-три уровня стабильных скоростей с плавностью ретуширования 1:2. В этом случае упрощение н удешевление системы с одновременным повышением ее надежное ги достигается включением однофазного гконденеаторного СРД на однофазный преобразователь частоты (ОПЧ), согласно рис. 3, б.
Однофазный конденсаторный синхронный реактивный двигатель (ОК СРД) получает питание через выпрямитель, фильтр ,и однофазный инвертор, управляемый от устройства управления однофазным инвертором (УУО И). Пр|и этом число силовых элементов уменьшается на две третьих, и существенно упрощается схема управления.
¡Необходимо выбирать автономный однофазный инвертор с широтным способом стабилизации выходного напряжения и трансформаторным выходом, который кроме основной функции преобразования частоты выполняет роль регулятора напряжения. В случае применения обратных связей в такой системе сглаживающий фильтр не входит в контур регулирования, что повышает быстродействие системы.
Так как ,в системах ТПС чаще всего двигатель работает с постоянной нагрузкой на валу и с большими маховыми массами, то применение конденсаторного СРД при правильно выбранной емкости обеспечит равномерность вращения ротора не хуже, чем в трехфазном режиме.
Наиболее целесообразно применять конденсаторные СРД с трехфазными обмотками статора, так как у них, как и у асинхронных [3], коэффициент использования габарита равен 1, а полные затраты на изготовление меньше, чем у однофазных с двухфазными несимметричными обмотками статора, у которых коэффициент использования 0,5-ь0,7. Кроме того, у последних в 1,5-^-2 раза выше кратность пускового тока.
Из всего многообразия схем включения трехфазных двигателей с конденсаторами на однофазную сеть для СРД приемлемой является только одна схема — обмотки статора соединены звездой с последовательной фазосдвигающей емкостью (рис. 2). В такой схеме отсутству-дот токи нулевой последовательности и токи третьих и кратных трем
г армонических, что повышает энергические показатели м а шины по сравнению со схемой соединения обмоток треугольником. Кроме того, при соединении треугольником необходимая фазосдвигающая емкость в 1,7 раза больше, чем при соединении звездой [б].
При отключении работающего двигателя от источника питания (рис.. 2) происходит автоматическое н есимметричн ое кандене аторн ое торможение СРД (емкость подключена на две фазы). Исследования двигателя ДРС-160М показали, что при одновременном подключении пусковой емкости начальный тормозной момент достигает 8—Ю-,кратного значения от номинального. Поскольку конденсаторы ОК СРД составляют неотъемлемую часть, то необходимость в специальных тормозных емкостях отпадает.
¡Как показывает эксперимент ¡при питании ОК СРД синусоидальным напряжением двигатель отдает 100% мощности трехфазного режима без перегрева, при этом несколько снижается перегрузочная способность двигателя.
Однако перегрузочная способность двигателя может быть увеличена по сравнению с трехфазным режимом применением перегрузочной ступени емкости, подключаемой на время перегрузки двигателя.
При питании от ОПЧ с прямоугольной формой выходного напряжения ток двигателя увеличивается на 6%, энергетический коэффициент полезного действия понижается на 9% но сравнению с симметричным трехфазным режимом.
Если линейное напряжение с выхода ОПЧ имеет длительность полуволн 120 электрических градусов, то в таком напряжении отсутствуют третья и ей кратные гармонические. С учетом фильтрирующего действия фазо-сдвигающей емкости форма фазных напряжений улучшается, поэтому снижение энергетического к. и.д. составляет 3,—б%. Для получения симметричного режима работы двигателя при постоянной нагрузке на валу необходимо выбирать величину емкостного сопротивления или емкости по зависимостям [6]:
Хс = (И, + хО . с = 10«» (1 + 1/3)
1 + /3 ' 4 1^3^(1?! + хО '
где
Иь XI — эквивалентные активное и индуктивное сопротивления схемы замещения ОК СРД для прямой последовательности.
Большим преимуществом ОК СРД, как и конденсаторного асинхронного, является высокий коэффициент мощности, который практически может быть принят равным единице [7]. Следовательно, двигатель потребляет из сети ток, пропорциональный только активной мощности, так как источником реактивной мощности для него является конденсатор. Это имеет немаловажное значение при питании от промышленной сети и особенно от ВИЧ, так как снимается проблема возврата реактивной энергии от двигателя в источнике питания.
Таким обр азом, и спо л ьзов ани е сери йн о-в ьшуск аем ых тр ехф азн ы х СРД малой мощности в качестве однофазных конденсаторных позволяет создать простую и экономичную систему ИПС. Выбранная схема включения ОК СРД отвечает требованиям, предъявляемым к исполнительным двигателям систем ТЛС и рекомендуется для практического применения.
ЛИТЕРАТУРА
1. В. К. К а ч а н и др. Диспетчерские магнитофоны гражданской авиации, М., «Транспорт», 1972.
V 2. Э. А. Лодочников, Ф. М. Юфе ров. Микроэлектродвигатели для систем автоматики. М., «Энергия», 1969.
3. В. В. Р а л л е. Исследование методики расчета синхронных реактивных двигателей. Сб. «Бесконтактные электрические машины». Ч. 1. Синхронные машины. Рига, «Знание», 1966.
4. В. Н. Ш а р а х и н. Меры по ограничению колебаний мгновенной скорости СРД. Труды ЛПИ, 1969, № 303.
5. А. И. Адаме нк о, В. И. К и с л е н к о. Преобразование однофазного тока в многофазный. Киев, «Техника», 1971.
6. Ю. М. Ачкасов, Б. А. Захаров. Условие получения симметрии намагничивающих сил трехфазного СРД, работающего в режиме однофазного конденсаторного. Доклады VII нуачно-технической конференции. «Статические преобразователи в автоматике и электроприводе». Томск, изд-во ТГУ, 1971.
7. Н. Д. Торопцев. Трехфазный асинхронный двигатель в схеме однофазного включения с конденсатором. М., «Энергия», 1970.
