Преобразователи частоты для управления асинхронного двигателя
Дипломная работа - Физика
Другие дипломы по предмету Физика
?пользовании указанных методов, в частности введение реостатов в цепи ротора или статора, существенно снижается кпд, т.к. потребляемый ток не производит полезной мощности, а нагревает реостаты. Это существенные потери, которые особенно проявляются при использовании особо мощных двигателей. Так же пусковой момент, как видно из рисунка, нестабильный, что в свою очередь может привести к биениям двигателя. Для двигателей, мощностью больше 100кВт, такие пульсации момента могут оказаться критическими, так как они могут привести к механическим повреждениям двигателя, и устройств соединенных механически с двигателем, таким как, например, поломка подшипников.
С появлением современных силовых полупроводниковых приборов и микроконтроллеров появилась возможность изготовлять различные силовые электронные преобразователи электрической энергии с помощью которых возможно изменять амплитуду напряжения и частоту. Что позволило, в свою очередь, плавно изменять ток статора.
В зависимости от нужного качества пусковых характеристик, мощности и стоимости различают два основных метода плавного пуска:
1.1 Амплитудный пуск
Запуск двигателя с плавным нарастанием ЭДС питающей сети, при неизменной частоте пит. сети. Схема представлена на рис. 1.2
Рис. 1.2. Схема амплитудного soft start
На рис. 1.3 представлен результат моделирования при амплитудном пуске
Рис. 1.3. Амплитудный пуск.
На данном рисунке мы видим, что теперь ток превышает номинальный не значительно. Нарастание скорости не линейное. Момент двигателя без пульсаций, но не линейный и зависит от скорости вращения ротора. Момент на валу двигателя подчиняется закону:
М=СФI2cos?2. (1.2)
(1.3)
Где: С - конструктивный коэффициент;
?0 = 2 ? f / p - скорость вращения магнитного поля;
?2 - сдвиг по фазе между ЭДС и током ротора;2 cos ?2 - активная составляющая тока ротора.
Как видно из формулы с увеличением тока ротора момент увеличивается. Так как ас. двигатель можно представить как трансформатор, в котором в обязательном порядке соблюдается баланс мощностей на входе и выходе, то при увеличении тока статора будет так же увеличиваться ток ротора, а следовательно будет увеличиваться момент.
1.2 Частотный пуск
Из выше приведенных формул и выводов можно предположить, что если мы будем регулировать не только амплитуду, но и частоту пит. сети, то распределение момента будет почти не зависеть от увеличения скорости вращения ротора. Действительно в начальный момент времени, частота ЭДС ротора равна частоте пит. сети. С увеличением частоты пит. сети, пропорционально будет увеличиваться скорость вращения вала двигателя, следовательно частота ЭДС ротора останется не изменой, а значит останется постоянной ЭДС ротора, что в свою очередь приведет к неизменному току цепи ротора. На рис. 1.4. приведен частотный пуск двигателя.
Рис. 1.4. Частотный пуск
Как видно из рисунка скорость нарастания почти постоянная. Момент на валу имеет не большие пульсации.
Был приведен общий случай частотного пуска с прямой зависимостью напряжения от частоты. Существуют частные случаи пуска, предназначенные для различных случаев эксплуатации двигателей. Например, для двигателя вентилятора нагрузочный момент увеличивается пропорционально квадрату скорости вращения. Следовательно зависимость амплитуды от частоты будет следующая. Рис. 1.5.а. Для устройств, где необходим высокий момент в начале запуска, чтобы сдвинуть с места вал ротора применяют частотную зависимость изображенную на рис. 1.5.б.
а) б)
Рис. 1.5. Частотные характеристики регулируемого эл. привода
Данные амплитудно-частотные зависимости можно реализовать на инверторе напряжения или циклоконверторе.
1.3 Циклоконвертор или непосредственный преобразователь частоты
Так как разрабатываемое устройство должно иметь возможность получать энергию от батарей, стало не возможным использование циклоконвертора. Хотя циклоконверторы имеют очевидные преимущества, так как он строится на полууправляемых тиристорах SCR. Эти тиристоры значительно дешевле транзисторов, что особенно важно при сверхвысоких мощностях, вывести из строя тиристор гораздо сложнее, нежели транзистор. Тиристоры практически без последствий переносят воздействие электромагнитного импульса вызванного ядерным взрывом. Схема циклоконвертора представлена на рис. 1.6.
Рис. 1.6. Циклоконвертор
1.4 Инвертор напряжения
Рис. 1.7. Инвертор напряжения
В связи с тем, что инвертор напряжения работает на высокой опорной частоте, реактивные элементы будут существенно меньше, чем у инвертора тока. Кроме того, необходимую емкость, без которой не может работать инвертор, может заменить ёмкость фильтра 3 хфазного выпрямителя напряжения. В нашем случае частота опорного сигнала составит 20кГц. Для системы управления используемой в проекте частоту опорного сигнала, без внесения большого количества сервисных функций, можно увеличить до 50кГц, при приемлемой точности воспроизведения выходного синусоидального сигнала. В данном дипломном проекте частота ограничивается в большей степени невозможностью работы ключей на частотах порядка 50кГц.
Коэффициент передачи инвертора напряжения для скалярной ШИМ ниже 1, а так же падение напряжения на вентилях выпрямителя, инверт