АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ КАК ОБЪЕКТ УПРАВЛЕНИЯ Авторизованный учебный центр компании «Шнейдер Электрик» при Национальном горном университете (Днепропетровск) Проф. Н. Н. Казачковский 1
СОПОСТАВЛЕНИЕ ДВИГАТЕЛЕЙ АД КЗР АД ФР СД ОВ СД ПМ ШД ДПТ Стоимость Низкая Высокая Очень высокая Сравн. низкая Высокая Техническое обслуживание Не требуется Требуется Защита от влаги и пыли Стандартная По запросу (дорого) Прямой пуск Возможен Невозможен До нескольких к. Вт Невозможен Применение регулирования скорости Все чаще Возможно Часто Всегда Экономичность регулирования скорости Все более высокая Высокая Очень высокая Довольно высокая Очень высокая Датчик положения Не обязательно Обязательно Не нужен Не обязательно Габариты Малые Средние Довольно большие Очень малые Средние Большие Качество регулирования Все более высокое Среднее Высокое Очень высокое От среднего до высокого От высокого до очень высокого Применение Универсальное Сокращается (в Германии сняты с производства) Большие мощности и среднее напряжение Станки, высокая динамика, малые мощности Регулирование без обратной связи Сокращается 2
АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ И ДВИГАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА АД ДПТ 7, 5 8, 3 Номинальная частота вращения, об/мин 2900 3200 Номинальный момент, Нм 24, 7 Степень защиты IP 54 IP 44 Длина, мм 400 625 Масса двигателя, кг 66 105 Масса ротора, кг 17 29 Расход меди, кг 4, 2 6, 0 Момент инерции ротора, кгм 2 0, 028 0, 05 Максимальный момент 2, 6 Mн 1, 6 Mн Максимальное угловое ускорение, рад/с 1588 797 Длительность разгона без нагрузки, мс 191 420 Удельная мощность, к. Вт/кг 0, 11 0, 08 Номинальная мощность, к. Вт 3
ПРЕИМУЩЕСТВА АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ КПД, % 4
ПРЕИМУЩЕСТВА АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ • возможность прямого пуска; • малый момент инерции ротора и высокое быстродействие; • малые габариты и масса; • меньший расход меди; • малая стоимость; • высокая надежность; • не требует технического обслуживания 5
КОНСТРУКЦИЯ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ Коробка ввода Подшипниковый щит Обмотка статора Подшипник Вал Вентилятор КЗ ротор Подшипниковый щит Кожух вентилятора Статор Короткозамкнутый ротор 6
КОНСТРУКЦИЯ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ Короткозамыкающее кольцо Стержни Короткозамкнутый ротор 7
КОНСТРУКЦИЯ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ Коробка ввода Обмотка статора Подшипниковый щит Подшипник Щетки Вал Подшипниковый щит Контактные кольца Фазный ротор Вентилятор Статор Кожух вентилятора Фазный ротор 8
ОБЩЕПРОМЫШЛЕННЫЕ АСИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ Разновидности АД Паз ротора Проблемы применении с ПЧ Общего назначения круглый С повышенным моментом глубокий или двухклеточный Повышенные потери в роторе от высших гармоник тока С повышенным скольжением круглый Повышенные потери в роторе под нагрузкой 9
СПЕЦИАЛЬНЫЕ АД ДЛЯ ЧАСТОТНОУПРАВЛЯЕМЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ Особенности режима Наличие высших гармоник в токе статора Частотный пуск. Сняты ограничения на: • пусковой ток, • начальный пусковой момент, • минимальный момент Возможность получения любой частоты и величины напряжения питания Глубокое регулирование скорости Особенности конструкции Следствия Повышенные индуктивные сопротивления обмоток Пониженное номинальное скольжение (алюминиевая или медная клетка) Больший КПД (на 3… 7%) Круглые пазы на роторе Упрощение конструкции Увеличенное число пазов ротора и статора Повышенная перегрузочная способность Нестандартные номинальные частота и напряжение Больший cos , меньшие габариты, масса и момент инерции Нестандартное число полюсов Естественное или принудительное охлаждение Меньшие габариты и масса Датчики температуры, встроенные в обмотку статора Перенапряжения на обмотке статора Более качественная изоляция (классы H, F) «Подшипниковые» токи Изолированные подшипники Применение в системах векторного управления Датчик положения на валу Повышенная надежность Повышение точности регулирования 10
СПЕЦИАЛЬНЫЕ АД ДЛЯ ЧАСТОТНОУПРАВЛЯЕМЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ Преимущества • Мощность на 25… 80% больше в тех же габаритах; • Большее быстродействие; • Меньшие потери; • Большие максимальные скорости; • Полное использование ПЧ по напряжению; • Большая надежность; • Возможность обеспечения малой номинальной скорости без увеличения числа пар полюсов 11
СПЕЦИАЛЬНЫЕ АД ДЛЯ ЧАСТОТНОУПРАВЛЯЕМЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ (электропривод вентилятора градирни, 30 к. Вт) Параметр Обычный двигатель Специальный двигатель Число полюсов 32 12 Номинальная частота, Гц 50 19 Номинальный ток, А 94, 5 67, 5 cos 0, 57 0, 8 Масса меди, кг 102 58 Момент инерции, кгм 2 40 7 Пусковой момент, Нм 650 2740 Максимальный момент, Нм 2720 3510 Масса, кг 2000 830 Стоимость, тыс. руб. 360 260 12
МЕХАНИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА АД Критический момент Формула Клосса Скольжение Рекуперативный режим Синхронная скорость Критическое скольжение Двигательный режим 0 Устойчивая ветвь (1 -sk) 0 Неустойчивая ветвь Mп Mk M Режим противовключения 13
РЕГУЛИРОВАНИЕ СКОРОСТИ АД с короткозамкнутым ротором Переключением числа пар полюсов: • несколько обмоток с разным числом пар полюсов; • одна обмотка с переключением полуобмоток N S N S N Преимущества: • простота реализации; • отсутствие дополнительных потерь энергии Недостатки: S N • малый диапазон регулирования; • низкая плавность регулирования; • удорожание двигателя 14
РЕГУЛИРОВАНИЕ СКОРОСТИ АД с короткозамкнутым ротором Изменением напряжения питания U=var U=const Сеть Регулятор напряжения АД 15
РЕГУЛИРОВАНИЕ СКОРОСТИ АД с короткозамкнутым ротором Изменением напряжения питания n U 2<U 1 Преимущества: U 1<Uн Мc • сравнительно низкие капитальные затраты; Uн U 3<U 2 • плавность регулирования Недостатки: • малый диапазон регулирования; • невозможность получения скорости, большей номинальной; • снижение перегрузочной способности; • увеличение потерь энергии; Мk 3 Мk 2 Мk 1 Мkн • низкий входной коэффициент мощности 16
РЕГУЛИРОВАНИЕ СКОРОСТИ АД с короткозамкнутым ротором Изменением частоты питания U=const; f=var f=const Сеть Преобразователь частоты АД 17
РЕГУЛИРОВАНИЕ СКОРОСТИ АД с короткозамкнутым ротором Изменением частоты питания n Преимущества: f 3>fн • большой диапазон регулирования; • плавность регулирования; fн • возможность получения скоростей, больших номинальной; • повышенный пусковой момент f 1<fн f 2<f 1 Мkн Мk 1 Мk 2 М Недостатки: • повышенные капитальные затраты; • рост критического момента и насыщение магнитопровода со снижением скорости 18
РЕГУЛИРОВАНИЕ СКОРОСТИ АД с короткозамкнутым ротором Пропорциональным изменением уровня и частоты напряжения питания (U/f=Uн/fн=const) n Преимущества: fн f 1<fн • постоянство максимального момента при изменении частоты; • примерное постоянство магнитного потока и отсутствие насыщения магнитопровода f 2<f 1 Мk=Мkе М 19
ПУСКОВОЙ МОМЕНТ АД n Естественная характеристика U 2<U 1 f н , Uн U 1<Uн с ТРН с ПЧ f 1<fн , U 1<Uн Мп. ТРН Мп=Мпе Мп. ПЧ М 20
ПЕРЕГРУЗОЧНАЯ СПОСОБНОСТЬ АД n nmax nн Момент кратковременной перегрузки Момент в продолжительном режиме Двигатель с принудительной или естественной вентиляцией Двигатель с самовентиляцией Мн М 21
ЗАКОНЫ ЧАСТОТНОГО УПРАВЛЕНИЯ U 1 Uн Вольт-частотная характеристика (ВЧХ) Применения: • мощные АД с моментом нагрузки, не зависящим от скорости; Mk • приводы с невысокими требованиями к точности U 1 fн fmax f 1 22
ЗАКОНЫ ЧАСТОТНОГО УПРАВЛЕНИЯ Для турбомеханизмов n Mc Нагрузка АД Цель – снижение энергопотребления M Mc Mk 23
ЗАКОНЫ ЧАСТОТНОГО УПРАВЛЕНИЯ Применения: U 1 • вентиляторы; Uн • насосы; Mk • компрессоры; • дымососы; U 1 • воздуходувки fн fmax f 1 24
ЗАКОНЫ ЧАСТОТНОГО УПРАВЛЕНИЯ Цель – увеличение начального U 1 пускового момента Uн Применения: Mk U 1 fн fmax f 1 • конвейеры, работающие под завалом; • мельницы; • кривошипно-шатунные механизмы; • дробилки; • смесители, миксеры; • подъемники; • насосы для перекачки пульпы, шлама, нефти; • поршневые насосы и 25 компрессоры
ЗАКОНЫ ЧАСТОТНОГО УПРАВЛЕНИЯ IR-компенсация Влияние активного сопротивления статора f 1=50 Гц f 1=25 Гц f 1=12 Гц Отношение r 1/Xk для двигателей серии 4 А (2 р=2) M 26
ЗАКОНЫ ЧАСТОТНОГО УПРАВЛЕНИЯ U 1 Uн IR-компенсация Применения: • двигатели малой мощности (до 10 к. Вт) IR-компенсация f 1=50 Гц U 1/f 1=const Эффект: f 1=25 Гц fн fmax f 1=12 Гц • повышение перегрузочной способности; • увеличение начального пускового момента; • более жесткие механические характеристики; • снижение потерь в АД на малых частотах с IR-компенсацией M 27
ЗАКОНЫ ЧАСТОТНОГО УПРАВЛЕНИЯ Пользовательская ВЧХ U 1 6 Uн 7 5 Доступна в Altivar 32, 71, Altivar 61 4 1 2 3 Применения: fн fmax f 1 • реализация особых требований к вольт-частотной характеристике; • насосы с противодавлением • специальные типы двигателей 28
ЗАКОНЫ ЧАСТОТНОГО УПРАВЛЕНИЯ Закон минимального тока • Поиск напряжения, обеспечивающего минимум тока статора при текущих значениях момента на валу и выходной частоты ПЧ • Функция доступна в Altivar 312, Altivar 21, Altivar 61 29
ЗАКОНЫ ЧАСТОТНОГО УПРАВЛЕНИЯ Применения: • продолжительный режим с переменной нагрузкой и (или) скоростью; • невысокие требования к быстродействию (например – вентиляторы) Эффект: • снижение потребляемой мощности на 3… 5% (малая и средняя мощность; • уменьшение электромагнитного шума при малых нагрузках (даже при малой частоте коммутации) 30
Частотное управление СД • Момент синхронного двигателя x. C = 1 LC – синхронное реактивное сопротивление СД; E 0=k 1 Iв – ЭДС статора СД; Iв – ток возбуждения СД • Максимальный момент в процессе изменения частоты неизменен, если (аналогично АД) 31
СКАЛЯРНОЕ УПРАВЛЕНИЕ Регулирование напряжения (тока) и частоты В УВ АИН M M АИН с амплитудной модуляцией Недостатки: АИН ФП АИН с широтно-импульсной модуляцией Область применения: • низкое быстродействие; • низкая точность; • сравнительно неглубокое регулирование скорости • механизмы с малыми глубиной регулирования скорости, точностью и 32 быстродействием
ВЕКТОРНЫЕ ДИАГРАММЫ Служат для наглядного изображения синусоидальных величин u 1 U 1 m U 2 m u 2 t Ū 1 Ū 2 U 2 m Вектор Ū 2 имеет меньшую длину и отстает от вектора Ū 1 Оба вектора вращаются с частотой против часовой стрелки u Um Im i ЭДС Е опережает поток на 90° t E Um Ū Im Ток I в RL-цепи отстает от напряжения U I 90° 33
СХЕМА ЗАМЕЩЕНИЯ И ВЕКТОРНАЯ ДИАГРАММА АД I 1 U 1 Цепь статора I 2 x 1 r 1 E 1 x 0 I 1 r 1 Цепь ротора x 2 E 0 r 2/s E 2 U 1 j. I’ 2 x’ 2 E 1 j. I 1 x 1 E 2 E 0 11 1 I’ 2 I 0 I’ 2 0=I 0 L 0 I 1 L 1 I’ 2 L’ 2 2 34
ОБОБЩЕННЫЙ ВЕКТОР Понятие обобщенного вектора (ОВ) • • Трехфазные токи статора могут быть представлены с помощью трех неподвижных векторов Ia, Ib, Ic) расположенных вдоль осей соответствующих фаз статора Обобщенный вектор имеет длину, равную амплитуде фазного тока, и вращается с частотой этого тока относительно неподвижного статора • Ib B По известным токам фаз обобщенный вектор определится как C Эти три вектора могут быть заменены одним обобщенным (пространственным) вектором I, проекции которого на фазные оси равны мгновенным значениям фазных токов • Ia Ic Длина этих векторов равна текущему мгновенному значению тока фазы (с учетом знака) и изменяется синусоидально с частотой тока статора • А I Ic Ib A Ia I C B 35
ОБОБЩЕННЫЙ ВЕКТОР Понятие обобщенного вектора (ОВ) • Подобным же образом могут быть представлены в виде ОВ и другие трехфазные переменные (напряжения, магнитные потоки, ЭДС) • Хотя обобщенный вектор большинства трехфазных переменных является математической абстракцией, упрощающей запись уравнений, для одной переменной (магнитного потока) он имеет вполне осязаемое физическое истолкование: – Обобщенный вектор магнитного потока всегда совпадает по направлению с направлением на северный полюс магнитного поля, а длина его равна суммарному магнитному потоку трехфазной обмотки; – В симметричной трехфазной системе ОВ магнитного потока, имея неизменную длину, вращается с частотой изменения магнитного потока 36
ОБОБЩЕННЫЙ ВЕКТОР Системы координат • Обобщенный вектор (ОВ) может быть одновременно представлен как в неподвижной системе координат АВС, связанной со статором, так и во вращающейся системе координат dq: А I • Из векторной диаграммы вытекают следующие соотношения между проекциями ОВ тока q Ic d Ia id iq B Ib C 37
ОБОБЩЕННЫЙ ВЕКТОР Системы координат • Систему координат dq обычно связывают с обобщенным вектором того магнитного потока, который необходимо стабилизировать • Чаще всего стабилизируется вектор потока ротора (при этом обеспечивается линейность механической характеристики АД и наибольшее быстродействие) • В этом случае ток статора представляется как векторная сумма двух составляющих: – – продольной (потокообразующей) I 1 d, пропорциональной потоку ротора и синфазной с вектором потока (аналогично току возбуждения двигателя постоянного тока); поперечной (моментообразующей) I 1 q, пропорциональной моменту двигателя и расположенной вдоль оси q (аналогично току якоря двигателя постоянного тока) q I 1 q I 1 d Двигательный режим 2 d Рекуперативный режим 38
ВЕКТОРНОЕ УПРАВЛЕНИЕ Особенности: • задаются не напряжение и частота, а скорость (момент) и поток; • обязательно наличие обратных связей по току и скорости; • контролируется не действующее, а мгновенное значение токов; • потокообразующая и моментообразующая составляющие тока регулируются раздельно Преимущества: • высокое быстродействие; • высокая точность регулирования; • широкий диапазон регулирования скорости; • линейные механические характеристики; • максимальная простота математического описания Области применения: • высококачественная стабилизация скорости при больших колебаниях нагрузки (особенно на малых скоростях); • регулирование момента; • обеспечение высокого момента на малых скоростях; • удержание неподвижного вала под нагрузкой (особенно механизмы подъема); • регулирование положения (позиционирование) 39
ПОЛЕОРИЕНТИРОВАННОЕ ВЕКТОРНОЕ УПРАВЛЕНИЕ (Flux Vector Control, FVC) ЗИ РТq РС I*q * РП s Iq РТd 2 Ud, Uq + АИН ПК 1 I*d + dq/ABC _ U*d И IA, IB, IC Id ПК 2 Наблюдатель 2 Id, Iq U*A, U*B, U*C _ _ *2 U*q ДТ ABC/dq Датчик скорости дп M 40
ПОЛЕОРИЕНТИРОВАННОЕ ВЕКТОРНОЕ УПРАВЛЕНИЕ Особенности структуры • Регулирование осуществляется в системе координат dq, связанной с полем ротора: – – • • по оси q регулируются скорость и моментообразующая компонента тока статора (Iq); по оси d регулируются магнитный поток ротора 2 и потокообразующая компонента тока статора (Id) Задания на напряжения U*q и U*d , сформированные регуляторами тока РТq и РТd , преобразуются в задания на напряжения фаз статора U*А, U*B, U*C преобразователем координат ПК 1; Токи фаз IА, IB, IC , измеренные датчиками тока, преобразуются к системе координат dq преобразователем координат ПК 2; Выходной сигнал регулятора скорости РС является заданием на момент, а благодаря постоянству потока ротора – на моментообразующую компоненту тока Iq и на скольжение s; Угол между осями статора и поля ротора определяется интегратором И исходя из суммы текущей частоты вращения вала и задания на частоту скольжения s; Магнитный поток ротора 2 вычисляется наблюдателем исходя из измеренных токов и напряжений статора, а также текущей скорости АД; Выходной сигнал регулятора потока РП является заданием на потокообразующую компоненту тока статора Id; Сигнал обратной связи по скорости формируется датчиком скорости исходя из 41 информации от импульсного датчика положения ДП
ПРЕИМУЩЕСТВА ВЕКТОРНОГО УПРАВЛЕНИЯ • Более точная стабилизация скорости и момента; • Обеспечение номинального момента на нулевой скорости; • Больший диапазон регулирования скорости; • Большее быстродействие при изменении задания на скорости и нагрузки 42
БЕЗДАТЧИКОВОЕ ВЕКТОРНОЕ УПРАВЛЕНИЕ (Sensorless vector control, SVC) Предпосылки: • трудность измерения магнитного потока; • не всегда есть возможность установки датчика скорости (положения) Принцип: • измерение токов и напряжений статора с последующим расчетом скорости Преимущество: • улучшение регулировочных свойств электропривода без применения дополнительных датчиков обратных связей Недостатки: • диапазон регулирования, точность и быстродействие хуже, чем при «полном» векторном управлении 43
БЕЗДАТЧИКОВОЕ ВЕКТОРНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ЗИ РТq РС I*q * _ s U*q _ Iq U*A, U*B, U*C РТd ПК 1 I*d + Id Наблюдатель скорости + АИН dq/ABC _ 1 U*d =∫ 1 dt IA, IB, IC Id ДТ Iq Ud ПК 2 ABC/dq ДН Uq M 44
БЕЗДАТЧИКОВОЕ ВЕКТОРНОЕ УПРАВЛЕНИЕ Особенности структуры • Датчики скорости и положения отсутствуют, а частота вращения АД определяется косвенно наблюдателем скорости по текущим значениям токов и напряжений статора; • Регулятор потока ротора отсутствует, а задание на потокообразующую компоненту тока статора I*d неизменно 45
Скачать презентацию АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ КАК ОБЪЕКТ УПРАВЛЕНИЯ Авторизованный учебный центр
03_АД.ppt