Электропривод переменного тока с машиной двойного питания. Схема, принцип действия, характеристики, соотношение скоростей и частот
Каскадные схемы предполагали управление координатами в цепи выпрямленного тока ротора. Вместе с тем существует и другая возможность - включение в цепь ротора преобразователя частоты (рис. 4.12,а). Структуры такого типа называют электроприводами с машинами двойного питания.
а)
б)
Рис. 4.12. Схема (а) и характеристики (б) машины двойного питания
Поскольку при преобразовании энергии поля должны быть неподвижны относительно друг друга, должны выдерживаться следующие соотношения скоростей и частот:
(4.19)
f1 = f2 + f, (4.20)
где 
- угловые скорости поля статора и поля ротора относительно соответственно статора и ротора; f1, f2 - частоты напряжения статора и ротора; f - частота, соответствующая угловой скорости ротора.
Из (4.19) и (4.20) следуют богатые возможности управления скоростью ротора 
: действительно, фиксируя f1, т.е. 
, и управляя 
, можно получать любые f и теоретически в неограниченном диапазоне (рис. 4.12,б); знаком “-” для f2 и 
обозначено изменение чередования фаз, чему соответствует изменение направления вращения поля.
Если частота f2 задается независимо от , механические характеристики представляются горизонтальными линиями (рис. 4.12,б), и в этом смысле машина подобна синхронной, которую мы рассмотрим далее. При изменении момента нагрузки меняется угол между осями полей статора и ротора - как бы по-разному растягивается “магнитная пружина”. Наибольший момент Мmax определяется предельной силой магнитной связи статора и ротора - при превышении моментом нагрузки этой величины нарушаются условия (4.19), “магнитная пружина” рвется, поля перестают быть неподвижными относительно друг друга, машина не развивает среднего момента и либо останавливается при реактивном Мс, либо вращается со скоростью, определяемой активным Мс; это, разумеется, аварийный режим.
|
|
|
Возможно и другое построение системы: частота f2 может быть связана со скоростью ротора. В этом случае характеристики будут похожи на характеристики машины постоянного тока - будут иметь наклон, который можно трактовать как скольжение; видом связи можно формировать характеристики любого вида. 
В рассматриваемой системе очень многообразны энергетические режимы - они определяются соотношением частот f1 и f2, относительным направлением вращения полей, направлением действия (знаком) момента сопротивления. На рис. 4.12,б в качестве примера приведена диаграмма, иллюстрирующая режимы на одной из характеристик в предположении, что потери малы и не учитываются.
Синхронный двигатель. Конструктивные особенности, закономерности работы: схема замещения, векторная диаграмма, характеристики, связь между механическими и электрическими величинами
|
|
|
Статор синхронной машины очень похож на статор асинхронной и используется для создания вращающегося магнитного поля. Ротор выполнен в виде явнополюсного или неявнополюсного электромагнита, питаемого через кольца и щетки от источника постоянного напряжения, или в виде конструкции из постоянных магнитов. Магнит увлекается полем, движется синхронно с ним, связанный “магнитной пружиной”, отставая в двигательном режиме или опережая в тормозном на угол , зависящий от электромагнитного момента.
Фаза статора неявнополюсной синхронной машины (р=1), если пренебречь активным сопротивлением обмотки, может быть представлена схемой замещения на рис. 4.13,а. Синусоидальное напряжение источника питания U уравновесится частично ЭДС Е, наведенной в неподвижной обмотке вращающимся магнитом - ротором, и определит вместе с реактивным сопротивлением Хs ток I. Векторная диаграмма, отражающая указанные процессы, показана на рис. 4.13,б.
а)
б)
в)
г)
д)
Рис. 4.13. Схема замещения (а), векторная диаграмма (б) и характеристики (в), (г) и (д) синхронной машины
Для синхронной машины очень важен угол между 
и 
или, что то же, между осью поля статора и осью ротора - он, как отмечалось, характеризует степень растянутости “магнитной пружины”.
|
|
|
Основные соотношения между электрическими и механическими величинами найдем, пользуясь формулой
(4.21)
и векторной диаграммой на рис. 4.13,б, из которой следует, что
Из вспомогательного треугольника АВС определим
т.е. получим
и окончательно найдем
(4.22)
Таким образом, электромагнитный момент синхронной машины зависит от , причем для малых можно принять
М сэм (4.22,а)
Максимальный момент Мmax при постоянном напряжении и частоте пропорционален ЭДС, т.е. в линейном приближении току возбуждения машины; для нормальных машин Мmax/Мн = 2 - 2,5.
Если машина имеет явнополюсной ротор, то к моменту, определенному по (4.22), добавится еще одна - реактивная составляющая, пропорциональная sin 2 (пунктир на рис. 4.13,в). Общий вид моментной характеристики синхронной машины показан на рис. 4.13,в штрих-пунктирной линией, механическая характеристика изображена на рис. 4.13,г.
Синхронная машина имеет характерную зависимость тока статора I от тока возбуждения Iв - так называемые V-образные кривые (рис. 4.13,д). Их форма связана с тем, что при изменении тока возбуждения меняются реактивная составляющая тока статора и её знак.
|
|
|
Электропривод с синхронной машиной до недавнего времени был неуправляемым, имел тяжелый пуск - для него на роторе размещалась специальная пусковая “беличья клетка” (асинхронный пуск). Появление современных электронных преобразователей частоты радикально изменило эту ситуацию: появились маломощные частотно-управляемые электроприводы на основе синхронных машин с постоянными магнитами, электроприводы с синхронными реактивными машинами. Электронные коммутаторы, позволяющие бесконтактно переключать обмотки машины, стали основным элементом так называемых бесконтактных двигателей постоянного тока и т.п.
Основное назначение электропривода – преобразовывать электрическую энергию в механическую и управлять этим процессом. В связи с этим энергетические показатели и характеристики электропривода имеют первостепенное значение, тем более, что электропривод потребляет около 60-65% электроэнергии, производимой в стране.
Любой процесс передачи и преобразования энергии сопровождается ее потерями, т.е. входная мощность Рвх всегда больше выходной Рвых на величину потерь DР, и очень важно, сколь велики эти потери.
Энергетическую эффективность процесса в данный момент обычно оценивают посредством коэффициента полезного действия (КПД), определяемого как
(6.1)
Важными энергетическими характеристиками изделия – двигателя, преобразователя, редуктора или электропривода в целом – служит номинальный КПД
(6.2)
где Рн, DРн – номинальная выходная мощность и номинальные потери,
и зависимость КПД от относительной нагрузки h = f(P/Pн); для регулируемого электропривода часто удобно использовать зависимости h = f(w) при заданном моменте.
В случаях, когда в линии, питающей электропривод, напряжение и ток не совпадают по фазе и имеют несинусоидальную форму, используется еще одна энергетическая характеристика – коэффициент мощности, определяемый как
(6.3)
где Р – активная мощность;
n = I/I(1) – коэффициент искажений;
U, I, I(1)– действующие значения напряжения, тока, первой гармоники тока;
j(1) – угол сдвига между первыми гармониками напряжения и тока.
При небольших искажениях n » 1, т.е.
c » соsj (6.4)
При передаче по линии с некоторым активным сопротивлением Rл активной мощности Р при cosj ¹ 1 потери DР~ вырастут в сравнении с потерями при передачи той же мощности постоянным током DР= в отношении
Оценки энергетической эффективности электропривода вида (6.1) справедливы, как отмечалось, лишь, если процесс неизменен во времени. Если же нагрузка заметно меняется во времени, следует пользоваться оценками, определяемыми по энергиям за время t:
и
Для циклических процессов с однонаправленным потоком энергии и временем цикла tц удобным и информативным показателем служит цикловой КПД, определяемый как
(6.5)
где Wц и DWц – полезная энергия и потери энергии за цикл.
Энергетика электропривода, общие сведения, характеристики экономической эффективности: кпд, коэффициент мощности. Потери в установившемся режиме: энергетическая диаграмма, оценка потерь для разных групп ЭП
Изложенное выше относилось к однонаправленным потокам энергии, когда мощность не меняет знак. Вместе с тем, часто встречаются случаи, когда направление потока энергии в цикле изменяется: подъем – спуск, разгон – торможение и т.п. Здесь приведенная выше формула КПД (6.5) становится недостаточной – неочевидно понятие «полезной энергии», интегрирование знакопеременных мощностей лишено смысла. Устранить неопределенность можно, условившись о равноправности всех режимов в цикле, если они необходимы для осуществления технологического процесса и, следовательно, полезны. Так, тормозной режим в транспортном средстве ничем не хуже режима разгона. Удержание руки робота в нужном месте какое-либо время – тоже очень полезное действие.
Если принять, что разнополярный график Р(t) полезен, то естественно перейти к определению полезной энергии W в (6.5) по следующему выражению:
(6.6)
Для энергетического канала (рис. 6.1), состоящего из источника электроэнергии, передающих и преобразовательных звеньев, рабочего органа, указывается место оценки – между i-м и (i+1)-м звеньями, а также те звенья – от k-ого до l–ого, в которых учитываются потери. Тогда с учетом (6.5) показатель энергетической эффективности – обобщенный КПД – имеет вид:
(6.7)
где 
Верхний индекс указывает временной интервал – от t1 до t, на котором производится оценка.
Рис. 6.1. Энергетический канал электропривода
Из (6.7) получаются выражения (6.1) и (6.5), однако обобщенный показатель может дать значительно бóльшую информацию. Например, если выбрать местом оценки сечение 0,1 и учесть потери во всех элементах от 1 до n, то при Р0,1 > 0 получим оценку эффективности потребления энергии на интервале t. Оценка будет работать и при Wn-1,n = 0, т.е. при отсутствии электромеханического преобразования энергии. При оценке в сечении n-1, n отразит эффективность преобразования энергии, т.е. меру потерь, которыми сопровождается полезная механическая работа, и т.п.
Обобщенный показатель удобен для сравнения по энергетическому критерию различных систем, выполняющих одинаковые функции при относительно сложных режимах работы.
Дата добавления: 2018-02-15; просмотров: 1305; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!