Регулирование скорости АД в системе двойного питания

Если подключить статор двигателя с фазным ротором в сеть неизменной частоты тока (50 Гц), а в ротор подать напряжение с изменяемой частотой и амплитудой от НПЧ, то электродвигатель начнет вращаться (рисунок 6.19). Такой электропривод называют асинхронным электроприводом двойного питания, а электрический двигатель принято называть машиной двойного питания (МДП).

Момент, развиваемый таким двигателем имеет три составляющие:

, (6.21)

где - синхронный момент при питании со стороны статора напряжения U₁ и замкнутым накоротко роторе;

- синхронный момент при питании со стороны ротора напряжением U₂ и замкнутым статором;

- момент синхронизирующий, зависящий от фазы напряжения ротора (угла Ѳ между осями электромагнитных полей статора и ротора).

Знак моментов М_син2 и М_12синхр может изменятся. Для установившегося режима работы асинхронного двигателя характерно соотношение:

, (6.22)

где , и - соответственно частоты напряжений, подводимых к обмоткам статора и ротора, и частота, эквивалентная скорости вращения:

, (6.23)

где ω – угловая скорость, рад/с;

р – число пар полюсов в двигателе.

Возможны два случая построения системы управления, обеспечивающие синхронную или асинхронную работу МДП. При синхронной работе - независимое переменное, а - ее функция при =const: или (6.24)

В уравнении (6.24) означает, что угловая скорость ротора будет изменятся в том случае, если управление производится изменением частоты напряжения, приложенного к обмоткам ротора, но эта частота не изменяется при изменении нагрузки. Такой режим работы МДП называется синхронным.

Если , то это означает питание роторной обмотки постоянным током. Скорость вращения равна синхронной скорости электромагнитного поля статора.

Для снижения угловой скорости вращают поле ротора согласно с полем статора, увеличивают частоту тока ротора и поворотом вектора U₂ в соответствующим направлении обеспечивают отрицательный электромагнитный момент, что приведет к замедлению электропривода. Снижение угловой скорости будет происходить до тех пор, пока не наступит установившийся режим работы. В двигательном режиме вся мощность через статор передается к валу рабочей машины и в сеть, через ротор (рисунок 6.20).

. (6.25)

Если не менять частоту , а изменять фазу вводимого в ротор напряжения, то можно заставить МДП работать в генераторном режиме.

Для увеличения скорости вращения вращают поле ротора встречно полю статора. Это равносильно . Тогда угловая скорость двигателя увеличится выше синхронной (рисунок 6.21).

. (6.26)

При сверхсинхронной скорости МДП двигатель потребляет мощность из сети через статор P₁ и через преобразователь P_s:

. (6.27)

В генераторном режиме наоборот мощность передается в сеть через статор и через преобразователь частоты.

Рисунок 6.19. Упрощенная схема асинхронного электропривода двойного питания (а) и схема замещения МДП (б): НПЧ – непосредственный преобразователь частоты; СУ – система управления.

Рисунок 6.20. Направление потоков мощности в МДП, в двигательном режиме при согласном направлении вращения полей статора и ротора (а) и механические характеристики (б).

Рисунок 6.21. Направление потоков мощности в МДП, в двигательном режиме при встречном направлении вращения полей статора и ротора (а) и механические характеристики (б).

Синхронный режим работы МДП на искусственных механических характеристиках обладает малой устойчивостью. Диапазон регулирования вниз от асинхронной – 0, 5ω ₀, вверх – 1, 5ω _0. В целом диапазон не выше 3: 1. Большая устойчивость в работе достигается при асинхронном режиме работы МДП. В этом случае – - независимая переменная, а - ее функция, т.е. .

В этом случаи при изменении частоты ротора, например, вследствие изменения нагрузки должна соответственно изменятся частота напряжения, приложенного к обмоткам ротора.

Для реализации этого режима используются, кроме МПЧ, другие устройства.

Система двойного питания двигателя с фазным ротором перспективна для стендов обкатки и испытания механических передач. Эта система характеризуется высоким значением КПД и cosφ, возможностью работы в двигательных и генераторных режимах на искусственных характеристиках, при постоянном допускаемом моменте сопротивления.

6.8. Регулирование скорости в системе электропривода «Коммутатор – вентильный индукторный двигатель»

Вентильными называют электродвигатели с бесконтактной коммутации обмотки расположены на полюсах статора, в функции положения ротора, выполнена зубчатым без обмотки.

Известно большое число конструкций вентильных двигателей. Часто их называют бесколлекторными двигателями постоянного тока.

Рассмотрим устройство вентильно – индукторного двигателя (ВИД), получившее развитие в последнее время.

ВИД имеет магнитопровод, статора и ротора, шихтованный из пластин электротехнической стали. Статор имеет 8 полюсов, на которых располагаются 8 обмоток, соединённых попарно. Образуется 4-ых фазный статор имеющий 8 соединительных проводов. Ротор имеет 6 полюсов и не содержит обмоток. С ротором ВИД механически связан датчик положения ротора (ДПР), рисунок 6.22.

Коммутатор четырехфазный. Каждая фаза имеет четыре силовых ключа (транзистора), включенных по мостовой схеме. В диагональ моста включается обмотка 2-х полюсов статора. Система управления воспринимает сигналы ДПР и в соответствии с алгоритмом работы и сигналами ДПР переключает силовые ключи таким образом, что обеспечить непрерывный вращающий момент с небольшой переменной составляющей. Полюса ротора притягиваются к полюсам перемещающегося поля статора.

Регулирование скорости и момента в системе коммутатор – вентильный индукционный двигатели осуществляется изменением частоты импульсов и фазового управления временными параметрами единичного импульса напряжения.

Механические характеристики ВИД соответствуют характеристикам ДПТ независимого возбуждения регулируемого напряжением. Диапазон регулирования большой, ограничивается допустимыми колебаниями момента.

Питание обмоток ВИД прямоугольными импульсами напряжения без применения ШИМ снижают потери мощности инверторе, что позволяет иметь высокий КПД и cosφ.

Рисунок 6.22. Упрощённая принципиальная электрическая схема управления вентильными индукционным двигателем: К – коммутатор на силовых транзисторах; ДТ – датчик тока; ДПР – датчик положения ротора; СУ – система управления.

Недостаток четырехфазного вентильного индукционного двигателя состоит в большем числе подключаемых проводов.

В усовершенствованных ВИД, за счет специальных схем соединения фазных обмоток в параллельные цепи энергия, запасенная индуктивностью отрабатывает фазы, передается другой фазе цепи. При этом уменьшается количество управляющих ключей инвертора и выводов двигателя, но усложненная обмотка двигателя (рисунок 6.23).

Рисунок 6.23. Упрощённая схема усовершенствования ВИД с коммутатором.

Электропривод по системе «Коммутатор – вентильный индукционный двигатель» наиболее приемлем для транспортных установок с автономным питанием.