Режимы работы асинхронных машин

Асинхронные электродвигатели систем автоматического

Регулирования

Асинхронные электродвигатели широко используются для электроприводов с постоянной (нерегулируемой) частотой враще­ния, в которых требования по поддержанию частоты вращения срав­нительно невелики. Нашли применение регулируемые асинхронные электроприводы с управлением по напряжению и частоте питания. Ряд зарубежных фирм, например ВВС (Германия), АМК и Allen Bradley (США),выдвинули концепцию применения в регулируемых асинхронных электроприводах векторного управления с микропро­цессорным управлением инвертором, что позволяет получать асин­хронные электроприводы близкие по характеристикам с электропри­водами постоянного тока.

Актуальность разработки асинхронных электроприводов обу­словлена:

- экономическими факторами: минимум стоимости, отсутствие
дефицитных видов материалов повышенный (на 6 - 10%) ко­эффициент полезного действия посравнению с приводами постоянного тока;

- повышенная на 50-100% удельная мощность высокочастот­ных (200,400,1000 Гц) асинхронных электродвигателей;

- пониженный момент инерции ротора по сравнению с син­хронными электродвигателями;

- повышенная надежность (в 3 - 5 раз) по сравнению с двигате­лями постоянного тока.

В системах автоматического регулирования применяют как трехфазные, так и двухфазные асинхронные электродвигатели (АД). Трехфазные АД являются двигателями общепромышленного приме­нения.

 

Простота их конструкции, и низкая стоимость вполне может характеризовать «коротыши» самым положительным образом. Принцип действия этих двигателей можно рассматривать только в контексте с их конструкцией, поэтому давайте рассмотрим основные узлы и, естественно, соответствующую терминологию.

Асинхронные электрические двигатели переменного тока с короткозамкнутым ротором состоят из двух основных узлов: статора и ротора.

 

 

 

Ротор это та часть двигателя, которая вращается внутри статора. С конструктивной точки зрения ротор – тело вращения, что означает симметрию относительно оси вращения. Ротор, в принципе , очень прост и вполне надежен. Выглядит он как обычная цилиндрическая болванка с торчащими концами вала, но это только кажется, что ротор прост. Изготавливается он из разных материалов и с довольно точными размерами.

В роторе имеется обмотка, но увидеть её не представляется возможным так, как обмотка эта выполняется довольно необычным образом. Обмотку заливают в пазы ротора расплавленным алюминием. Иногда её выполняют из медных стержней, которые забивают в пазы и приваривают по обоим концам к медным кольцам. В результате, получается, что обмотка в роторе короткозамкнутая и выглядит она как «беличья клетка».

Такие обмотки довольно массивные и поэтому механически прочные. Если эл. двигатель будет работать в штатном режиме или при кратковременных перегрузках, то такая

обмотка практически вечная. Отсюда и высокая надёжность всего асинхронного эл. двигателя с к.з. ротором.

Теперь посмотрим на сердечник ротора. Он изготавливается не из однородного куска металла, а набирается из отдельных пластин из специальной электротехнической стали. Толщина каждого листа может быть от 0,25 до 0,5 мм. Каждая пластина в сердечнике ротора изготавливается штамповкой. Пластины имеют форму круга. По внешнему радиусу вырубаются пазы определённой формы.

Сердечник ротора получается не однородным. Но зачем такая сложность в изготовлении? Понятное дело, шихтовать сердечник из отдельных пластин приходится не для забавы. Дело в том, что при переменном токе магнитный поток, который проходит по сердечнику тоже переменный. При этом в каждой пластине наводятся вихревые токи, которые выделяются в виде тепла. Вихревые токи паразитные так, как нагрев сердечника, собственно, нам не нужен. Задача любого эл. двигателя - преобразовывать электрическую энергию в механическую. Нагрев - это потери эл. энергии и снижение КПД машины.

Как показывает практика, чем толще пластины, тем выше потери. Причём, толщина пропорциональна квадрату потерь. Если выполнить сердечник из цельного металла, то двигатель превратится в печку. С другой стороны, уменьшать толщину отдельных пластин тоже нельзя до бесконечности так, как требуется механическая прочность. При вращении 3000 об/мин возникает достаточно высокая нагрузка, и сердечник может, просто, разорвать центробежной силой.

 

В отличии от ротора, статор неподвижная часть эл. двигателя. Однако сердечник статора тоже выполняется из отдельных штампованных пластин. Пластина статора напоминает больше кольцо с пазами по внутреннему радиусу. В пазы укладывается обмотка, которая подключается к сети переменного тока.

Статор и ротор - основные и обязательные составляющие асинхронного эл. двигателя, но, конечно, в двигателе обязательно присутствуют и подшипниковые узлы. В разных исполнениях в конструкцию эл. двигателя может входить ещё многие детали, такие как барно, вентилятор принудительной вентиляции с кожухом или без и т. д., тем не менее, принцип действия асинхронного эл. двигателя переменного тока с к.з. ротором от таких особенностей не зависит.

Принцип действия «коротышей» определяет статор с обмоткой и ротор, тоже с обмоткой. Если коротко и примитивно объяснять, как работает асинхронный эл. двигатель, то можно обойтись несколькими предложениями. При подаче переменного напряжения на обмотку статора в статоре образуется вращающееся магнитное поле, которое увлекает за собой ротор. Ротор немного отстаёт по скорости вращения от поля статора, поэтому эти двигатели называются асинхронными.

Согласитесь, что такое объяснение не даёт полной картины происходящих процессов в двигателе. Конечно, нас интересует, например, пуск двигателя, холостой ход, рабочий режим, пределы нагрузки. Любое устройство требует к себе более пристального внимания и более глубокого знания частностей, так как возникновение каких-то неполадок (особенно их устранение) может поставить дилетанта в тупик. К тому же, не мешало бы знать самую простую бытовую необходимость: «А правильно ли работает устройство, или

его нужно срочно выключить?»

Теперь давайте рассмотрим принцип действия асинхронного эл. двигателя переменного тока с к.з. ротором более пристально. В трёхфазной системе питающей сети обмотки статора создают вращающееся магнитное поле. В начальный момент, когда ротор неподвижен, магнитный поток статора пересекает проводники обмотки ротора. Как известно, при пересечении магнитных линий с витком в последнем наводится ЭДС. Так как обмотка ротора замкнута, то в ней возникнет ток. Этот ток, взаимодействуя с магнитным полем, создает вращающий момент, под воздействием которого ротор придет во вращение. Направление вращения ротора будет совпадать с направлением вращения поля статора.

Что дальше? Частота вращения ротора будет возрастать, но не до бесконечности. Предельная частота вращения это частота вращения вращающегося поля статора. Однако ротор не может вращаться синхронно с полем статора, так как при синхронном вращении магнитное поле статора не будет пересекать проводники ротора, а это означает, что ток ротора, в таком случае, будет отсутствовать. Значит, частота вращения ротора, в любом случае, будет несколько меньше частоты вращения поля статора. Эта разница называется скольжением.

Если к валу эл. двигателя приложить какую-либо нагрузку (отрицательный момент), то величина скольжения увеличится, и момент двигателя возрастёт. На самом деле, когда никакой нагрузки нет, т.е. в двигатель находится режиме холостого хода, все-таки небольшой тормозной момент существует от трения в подшипниках. Однако, величина скольжения на холостом ходу близка к нулю.

Что ж, теперь давайте посмотрим как эл. двигатель будет себя вести в случае увеличения нагрузочного момента. Сначала это будет почти прямая линия. Увеличение нагрузки ведёт к увеличению скольжения и, разумеется, незначительно падает скорость, но стремительно возрастает момент. Но вот беда (и это большой минус асинхронных эл. двигателей) дальше происходит ужасное. Достигнув критической точки, происходит резкое падение частоты вращения ротора до полной остановки, резко увеличивается ток в обмотке статора и ротора.

Таким образом, асинхронный эл. двигатель переменного тока с к.з. ротором становится не работоспособным при увеличении нагрузочного момента выше определённой критической точки. Номинальный момент существует только при незначительном уменьшении частоты вращения. Учитывая это обстоятельство, эксплуатировать такие эл. двигатели можно только с точно рассчитанной нагрузкой и загодя подбирать эл. двигатель определённой мощности и с определённой частотой вращения. Малейшая перегрузка недопустима. Механизм может остановиться, как будто эл. двигатель отключили от сети.

Есть ещё один минус. Асинхронные эл. двигатели имеют фиксированную частоту вращения, зависящую от частоты питающего переменного напряжения и числа пар полюсов обмотки статора. Плавно регулировать частоту вращения ротора не получается.

Если учесть, что в сети переменного напряжения частота равна 50 Гц, то фактически, частота вращения магнитного поля эл. двигателя переменного тока будет зависеть только от количества пар полюсов.

Ω=2πf/p =2πn/60 , где

Ω - угловая скорость поля статора;

f – частота подводимого напряжения;

n – частота вращения поля.

В результате имеем формулу для расчета синхронной частоты вращения:

n=60 f/p=3000/p (при f=50 Гц)

из которой видно, что фиксированные синхронные частоты будут:

p=1, n=3000 об/мин, p=2, n=1500 об/мин, p=3, n=1000 об/мин, p=4, n=750 об/мин, p=5, n=600 об/мин, и т.д.

Наиболее ходовые скорости в промышленности 3000 об/мин, 1500 об/мин, 1000 об/мин, 750 об/мин. Вообще, всегда стараются в механизмах использовать эл. двигатели с большими частотами вращения, т.к. количество пар полюсов достаточно заметно увеличивает габариты и стоимость эл. двигателя. Если сравнить эл. двигатель одной и той же мощности, то с меньшим количеством пар полюсов машина имеет меньшие габариты.

Очень часто можно встретить эл. двигатели переменного тока с большим количеством выводных концов. Это типичный пример обхода трудностей с регулировкой частоты вращения. Обмотки хитро рассчитываю на две скорости или четыре скорости. Получаются многоскоростные эл. двигатели. Это не очень удобно, но все-таки выход. При подключении разных выводных концов к сети двигатель работает на разных частотах вращения.

 

 

 

 

Режимы работы асинхронных машин

Направление вращения асинхронного электродвигателя при прямом порядке чередования фаз (a-b-с) принимаем за положитель­ное (1-й квадрант диаграммы, рис,9.7), а при обратном порядке чере­дования фаз (а-c-b) - за отрицательное (3-й квадрант диаграммы). Во втором и четвертом квадрантах представлены характеристики тор­мозных режимов. Исследованию режимов работы АД посвящена монография Сыромятникова А.И.

Двигательный режим. Двигательный режим характеризуется изменением частоты вращения электродвигателя от нуля (точка пуска) до  (точка идеального холостого хода) при соответствующем изменении момента (тока) от М_п до нуля (первый квадрант, рис.9.7). Текущие значения момента и частоты вращения можно определить по формулам   

 

 

Устойчивый режим работы обеспечивается частью механиче­ской характеристики АД, лежащей в диапазоне изменения сколь­жения от нуля до .

Рабочие характеристики асинхронного электродвигателя строят в функции полезной мощности электродвигателя , рис.9.8.

 

 

Рекуперативное торможение. Рекуперативное торможение (генераторный режим) с отдачей энергии в сеть имеет место тогда, когда под влиянием нагрузочного момента или другой причины угловая частота вращения ротора асинхронной машины превысит синхронную частоту W₁. В генераторном режиме скольжение s < 0, ток и момент вращения также меняют знак.

Режим рекуперативного торможения может быть реализован в системе преобразователь частоты - АД при остановке электродвигателя или при переходе с большей частоты вращения на меньшую. Рекуперативное торможение является наиболее экономичным видом торможения АД.

     Динамическое торможение. Режим динамического торможения применяется для быстрой остановки вращающегося двигателя. Режим динамического торможения осуществляется следующим образом: фазы статора отключаются от сети переменного тока и одна фаза, если выведен нуль, или две фазы, соединенные последовательно, подключаются к источнику постоянного тока. Постоянный ток, создает неподвижное в пространстве магнитное поле, в котором вращается ротор. Создается тормозной момент и двигатель останавливается.

       В случае подсоединения к источнику постоянного тока двух последовательно соединенных фаз тормозной момент можно найти по формуле

                               М_дт = 2 x² _m I² _дт / [(s_дт /s_к + s_к / s_дт )x¢₂ W ₀ ] ,          (13.25)

где W₀ - частота вращения электродвигателя в момент начала динамического торможения,

s_дт = W / W ₀ - скольжение (относительная частота вращения) при динамическом торможении,

 s_к = r¢₂ / x¢₂ - критическое скольжение, x¢₂ = x_m + x¢_2s - индуктивное сопротивление обмотки ротора, I _дт = U_п /2 r₁- ток динамического торможения, протекающий по фазам статора под действием постоянного напряжения U_п. Обычно принимают I _дт = 1,22 I _н /104/.Тогда напряжение, которое необходимо подвести к статору, U_п =2,44 r₁I_н. Для АД малой мощности принимают U_п = 15 - 30 В. Форма кривой момента динамического торможения в общем случае нелинейна и определяется параметрами машины и прежде всего значением r¢₂.  

       Торможение противовключением.Режим противовключения имеет место тогда, когда во вращающемся двигателе переключают две фазы статорной обмотки, что приводит к изменению направления вращения поля статора: ротор и поле статора вращаются в противоположных направлениях. В режиме противовключения скольжение s>1.Двигатель потребляет из сети активную мощность, в то же время потребляется механическая мощность вращающегося ротора.Обе эти мощности преобразуются в потери, так как полезная мощность равна нулю. Ротор энергично тормозится. Если в момент, когда s =1, фазы обмотки статора не будут отключены от сети, то ротор будет разгоняться в противоположном исходному направлению вращения и произойдет реверс двигателя.

       Силовая схема асинхронного электродвигателя, предусматривающая возможность реверса и динамического торможения, представлена на рис.13.9.

                                                                                           Рис.13.9

                                                                                               

       Пуск электродвигателя осуществляется нажатием кнопки “Вперед” или “Назад”, в зависимости от желаемого направления вращения электродвигателя, после чего на катушку магнитного пускателя МП подается напряжение, магнитный пускатель срабатывает и замыкает свои силовые контакты в цепи питания фаз электрродвигателя, замыкает блокконтакт, шунтирующий кнопку “Пуск”, размыкает контакт (нормально замкнутый) в цепи питания катушки второго магнитного пускателя. Осуществляется разгон АД до установившейся частоты вращения.

       Управление торможением осуществляется нажатием кнопки “Стоп”, послен чего катушка магнитного пускателя обесточивается, якорь МП под действием пружин возвращается в исходное состояние (отбрасывается), силовая цепь АД обесточивается. Одновременно подается питание на катушку промежуточного реле (ПР), которое срабатывает и замыкает свои силовые контакты в цепи питания реле управления (РУ), обладающее свойством задержки времени. После срабатывания РУ включается контактор динамического торможения (КДТ), происходит торможение двигателя в режиме динамического торможения. Через определенный промежуток времени, равный времени динамического торможения, РУ отключает цепь КДТ, якорь КДТ отбрасывается и цепь питания фаз обмотки статора постоянным током разрывает.Ротор электродвигателя неподвижен, обмотки статора обесточены.

 

           

 

       13.8.Регулирование частоты вращения АД

 

       Рассмотрим основную зависимость для частоты вращения ротора АД

                               W = W₁(1-s) = (2pf₁/p_пол ) (1-s).                           (13.3 0)

Очевидны три возможных способа регулирования частоты вращения:

- изменением частоты питающего напряжения;

- изменением числа пар полюсов машины;

- изменением значения скольжения.

       Способ переключения числа пар полюсов.Для реализации этого способа предусматривается в обмотке статора переключение секций фаз из последовательного соединения в параллельное и наоборот.Существуют АД с несколькими обмотками статора, имеющими различное число пар полюсов /25/. Этот способ является наиболее простым, однако частота вращения изменяется дискретно.В системах автоматического регулирования этот способ применяется редко.

       Способ изменения величины скольжения. Величина момента вращения трехфазных АД зависит от квадрата приложенного напряжения (13.22). Меняя величину напряжения, подаваемого на фазы статора АД,например,с помощью трехфазного МУ или тиристорного преобразователя, рис.13.13 для двигателя, работающего под нагрузкой, например M_ст1, смещаем точку установившегося режима в диапазоне s_{н -} s_кр.В настоящее время существует большое число различных схем включения тиристоров , позволяющих коммутировать статорные цепи АД и регулировать подводимое к двигателю напряжение, многие из них проанализированы в /91,92/.

 

                                                                               Рис.13.13

 

       Учитывая,что в электродвигателях общепромышленного применения s_н.min = 0,01, а s_к.max = 0.15, этот способ дает небольшой диапазон регулирования частоты вращения ротора, рис.13.14,а.Кроме того,при тиристорном регулировании напряжения по мере увеличения угла управления тиристоров напряжение статора принимает все более импульсный характер, возникают высшие гармонические напряжения и тока, в свою очередь вызывающие повышенные тепловые и магнитные потери, а также высшие гармонические момента вращения, являющиеся тормозными по отношению к основной частоте.

 

                                                                               Рис.13.14

 

       Этот способ находит широкое распространение для специальных электродвигателей с повышенным сопротивлением обмотки ротора, s_к >1, рис.13.14,б.

       Способ изменения частоты питающего напряжения. Наиболее рациональным способом плавного регулирования частоты вращения АД является частотный способ. Рассмотрим механические характеристики трехфазного АД в диапазоне изменения момента вращения от нуля до максимального значения. Принимаем, что при изменении частоты питающего напряжения амплитуда напряжения постоянна. Тогда, момент вращения АД будет изменяться обратно пропорционально квадрату частоты, рис.13.19,а. Очевидно, что такие характеристики потребуют сложных алгоритмов управления.

 

 

                                                                                                       Рис.13.19

 

       Характер кривых момента вращения можно существенно приблизить к идеальным для автоматического управления, если выполнять равенство U_n/U_1н = f_n/f_1н =n, рис.13.19,б Основной закон частотного регулирования, установленный академиком М.П.Костенко, формулируется следующим образом: чтобы обеспечить оптимальный режим работы АД при всех значениях частоты и нагрузки, относительное напряжение , подаваемое на электродвигатель, необходимо изменять пропорционально произведению относительной частоты на корень квадратный из относительного момента нагрузки /25,56/. Этот закон можно записать уравнением

                               U_n/U_1н = (f_n/f_1н) sqrt(M/M_н).                      (13.32)

М.П.Костенко отмечал, что при регулировании напряжения по его закону абсолютное скольжение остается практически неизменным.Очевидно, что если регулировать напряжение так , чтобы абсолютное скольжение оставалось постоянным, то режим работы АД будет близок к режиму по основному закону М.П.Костенко.

       При небольших частотах происходит снижение значения максимального (критического) момента при выполнении условия (13.32) из-за влияния падения напряжения на активном сопротивлении обмотки статора.Для предотвращения этого эффекта следует с уменьшением частоты снижать напряжение в меньшей степени, чем это рекомендуется указанной формулой.

       Следует заметить, что вид расчетной формулы для частоты вращения ротора зависит от характера изменения момента нагрузки при изменении частоты вращения:

- если М_ст(n) = n М_{ст.н ,} то W (n) = nW₁ (1 - s_н);

- если М_ст(n) = М_ст.н = const_, то W (n) = nW₁ (1 - s_н/n);

где s_н соответствует М_ст.н при базовой (основной) частоте питающего напряжения.

       Частотный способ позволяет увеличить частоту вращения по отношению к номинальной в 2 - 3 раза.Ограничение - по механической прочности ротора и потерям в стали, которые увеличиваются пропорционально квадрату относительного значения напряжения.Нижний предел снижения частоты вращения относительно номинальной определяется допустимыми пульсациями скорости и величиной момента статического сопротивления при трогании двигателя с места.

       Для разных частот напряжения статора рабочие характеристика АД не остаются постоянными.На рис.13.20 показана зависимость рабочих характеристик АД от частоты питающего напряжения на примере электродвигателя типа АЗР24/10-6 при М_ст = 20 Нм /56/.

                                                       Рис.13.20

 

       При уменьшении частоты напряжения статора основной поток машины снижается за счет падения напряжения в активном сопротивлении статорных обмоток в тем большей степени, чем меньше значение частоты сети. Поток сравнительно мало меняется при частотах, близких к номинальному значению. В последние годы привлекает внимание исследователей режим постоянного рабочего потока, рассмотренный А.А.Булгаковым и впервые экспериментально исследованный Б.П. Соустиным /56/. Основным достоинством режима постоянного полного потока является то, что при всех частотах сохраняются такие же условия работы электродвигателя, как при номинальной частоте. Постоянство полного потока при всех частотах обеспечивается компенсацией падения напряжения в активных сопротивлениях статора соответствующим повышением напряжения на зажимах двигателя в функции частоты и нагрузки.

       Первые преобразователи частоты были каскадного типа: двигатель постоянного тока -синхронный генератор (см.п.9.4). Изменение частоты синхронного генератора достигалось соответствующим изменением частоты вращения двигателя постоянного тока. Изменение амплитуды напряжения синхронного генератора достигалось изменением тока возбуждения синхронного генератора. Однако, электромашинные каскадные преобразователи дороги, громоздки и обладают большой инерционностью, так как для того , чтобы изменить частоту напряжения синхронного генератора требуется менять частоту вращения агрегата из нескольких машин. В настоящее время преобразователи частоты, как правило, статические полупроводниковые. Из вентильных преобразователей наиболее распространены циклоконверторы (см. п.8.5) и преобразователи с промежуточным звеном постлоянного тока (см.п.8.4).

       Существует большое число установок, не требующий большого диапазона и плавности регулирования частоты вращения (башенные и мостовые краны, лебедки, транспортеры, конвейеры и т.д.).Для них может быть использован непосредственный преобразователь частоты с естественной коммутацией вентилей (циклоконвертор).

        Для электроприводов регулируемых по положению (станки с ЧПУ, промышленные роботы) используют инверторы со звеном постоянного тока.На рис.13.21 представлены статические механические характеристики АД при питании его от АИН (1) или от АИТ (2).

 

                                                       Рис.13.21

 

       Режимы подобраны таким образом, чтобы максимальный момент в обоих случаях был одинаков /56/.Очевидно, что при питании АД от источника тока механическая характеристика имеет более высокую жесткость на рабочем участке, но меньший пусковой момент. Объясняется это тем, что при питании АД от источника тока при изменении частоты вращения двигателя изменяется основной поток машины, а при питании АД от источника напряжения поток машины практически не изменяется.   

       Типовые принципиальные схемы силовой части частотно регулируемого привода этого типа представлена на рис.13.23 и 13.24.

       Векторное управление асинхронными электродвигателями. Разновидностью частотного управления АД являются частотно-токовое и фазовекторное управление током и напряжением статора асинхронного электродвигателя в полярных или декартовых координатах, которое начало развиваться в начале 90-х годов. Новая тенденция, ранее рассматриваемая как математическая абстракция, - управление векторами получила сейчас всеобщее признание и развитие, особенно в США, Германии, Японии. Идея представления трехфазного тока статора в виде потокообразующей и моментообразующей составляющих, чтобы раздельно управлять потоком возбуждения и моментом двигателя, в сочетании с использованием преобразованной системы координат, ориентированной по полю электродвигателя, нашла широкое практическое использование. Наиболее ответственной операцией является определение направления и измерение значения потокосцепления ротора электродвигателя. Существует несколько способов реализации этого. Чаще используют датчики Холла, установленные в воздушном зазоре машины под углом 90 ^° относительно друг друга , измеряющие проекции вектора основного потокосцепления машины Y_оa и Y_оb на оси a-b статора, неподвижные в пространстве . Координаты вектора потокосцепления ротора определяются как

                               Y_2a = L^¢₂ Y_оa / L_m - (L^¢₂ - L_m)I_1a,                         (13.33)

                               Y_2b = L^¢₂ Y_оb / L_m - (L^¢₂ - L_m)I_1b ,

где I_1a, I_1b - проекции вектора тока статора на координатные оси a-b, находятся с помощью фазных токов по формулам параграфа 6.3.Векторная диаграмма потокосцеплений и токов представлена на рис.13.22.

 

                                                       Рис.13.22

 

       Из векторной диаграммы очевидно, что измеряя потокосцепления Y_оa иY_оb и рассчитывая Y_2a и Y_2b, в любой момент времени можно найти текущие значения модуля вектора потокосцепления Y_2m , его угловой частоты вращения и фазы j_о относительно вектора тока статора.Относительно ротора вектор потокосцепления Y₂ вращается с угловой частотой W₂.Ротор вращается с угловой частотой W. Относительно статора вектор потокосцепления Y₂ вращается с угловой W+W₂ =W₁.

       Берем синхронно вращающиеся координатные оси d-q и совмещаем ось d с вектором потокосцепления ротора, получаем Y_2d = Y_2m , Y_2q = 0. Проекции вектора тока статора на оси

d-q дают: I_1d - мгновенное значение намагничивающего тока машины, I_1q - мгновенное значение активной составляющей тока статора, определяющей величину момента вращения.

Таким образом, можно отдельно управлять магнитным потоком и моментом двигателя, имея дело не с переменными синусоидальными величинами, а с постоянными их преобразованными значениями, что позволяет строить систему управления АД аналогично системам управления двигателей постоянного тока /65/. Векторное управление АД позволяет решать задачи не только инвариантного управления моментом или скоростью, но и оптимального управления магнитным полем как по величине, так и по фазе по отношению к вектору тока или вектору напряжения статора.

       Если поставлена задача управления АД при неизменном значении Y₂, то должна поддерживаться неизменной составляющая тока статора I_1d.Составляющая тока I_1q должна изменяться с изменением момента нагрузки.Эти условия выполняются, если меняется амплитуда и фаза (угол j_о) тока статора.

       Векторное управление асинхронными электродвигателями позволяет довести качество управления асинхронными электроприводами до лучших образцов электроприводов постоянного тока: полоса пропускания 100 - 200 Гц, диапазон регулирования скорости 1 : (10 000 - 20 000), номинальная частота вращения 3000 - 12 000 об/мин.

 

       13.9. Типовые силовые схемы силовой части асинхронных электродвигателей

 

       Силовая схема асинхронного электропривода с АИТ с отсекающими диодами

 

 

       Рис.13.23.Тиристорный частотнорегулируемый асинхронный электропривод

 

       Рис.13.24. Транзисторный частотнорегулируемый асинхронный электропривод с АИН     

Схемы автономных инверторов тока и напряжения описаны в п.8.4.

       Схема силовой части частотно управляемого асинхронного электропривода

“Размер 2М- 5”

 

                                                                                                                   Рис.13.25

 

       Силовая схема электропривода, регулируемого по напряжению, имеющему систему управления с замкнутыми обратными связями по току и скорости, представлена на рис.13.26.Такие электроприводы находят применение при небольшом диапазоне регулирования частоты вращения (1 : 20).

 

                               Рис.13.26.Электропривод типа СТУ-ПР-2.

 

       Особенности работы тиристорного асинхронного электропривода с фазовым управлением изложена в /91/. Желаемая скорость и заданная жесткость механических характеристик асинхронного электропривода с замкнутой системой управления обеспечивается соответствующим выбором величины коэффициента усиления регулятора скорости k_y и напряжения сравнения (напржение задатчика скорости) U_ср.Формирование механических характеристик замкнутого асинхронного электропривода (штриховые линии) показано на рис.13.27.

 

       Рис.13.27.Кривая 1 построена при k_y = 5,9, кривая 2 для k_y = 1,0.

 

 

       Схема питания и управления АИД

 

                                                                                           Рис.13.28

       Схема содержит:

УН1, УН2 - усилители напряжения,

Тр1,Тр2,Тр3 - трансформаторы,

ДМ - кольцевой демодулятор,

МУ - магнитный усилитель,

АИД - асинхронный исполнительный электродвигатель.

       Процессы в элементах схемы управления АИД описаны в /82/.

       Схемы питания обмоток АИД с широтно-импульсным регулированием напряжения исследованы в /93/. Одна из них - двойная мостовая на полностью управляемых транзисторно-диодных ключах представлена на рис. 13.29.

 

 

                                                                                           Рис.13.29

 

       При отсутствии входного сигнала обмотка управления отключена от источника питания и шунтирована цепью Т5-Д9-Д12-Т8 или Т7-Д11-Д10-Т6.С появлением сигнала управления в зависимости от его фазы (полярности) происходит переключение верхних и нижних ключей при постоянно включенном соответственно нижнем или верхнем ключе (несимметричный закон управления). Для ограничения тока сквозного короткого замыкания , возникающего в течение интервала коммутации полупроводниковых ключей, установлен дроссель Др. С целью устранения возможных перенапряжений на дросселе и ОУ они зашунтированы цепочками стабилитронов D1-D2, D7-D8.