8.4. Регулювання швидкости двигунів незалежного збудження

8.4.1. Регулювання зміною опору у ланцюзі якоря. Як відзначалося в п.8.2, штучні механічні характеристики характеризують регулювальні властивості даного способу регулювання. На рис. 8.1, б показано, що при вмиканні додаткового опору в ланцюг якоря всі штучні характеристики лежать нижче природної, тобто цей засіб забезпечує регулювання швидкості вниз.

Потік двигуна Ф_н не залежить від опору в ланцюзі якоря. За умовами нагрівання при тривалій роботі двигуна струм якоря не повинен перевищувати I_н , а це значить, що регулювання швидкості при цьому способі відбувається за постійного моменту:

М= k_м Ф_н I_н=М_н . (8.1 )

Додатковим опором проходить повний струм навантаження, що супроводжується великими втратами енергії. Цей спосіб регулювання неекономічний. Діапазон регулювання непостійний і залежить від крутості штучної механічної характеристики і величини моменту. Плавність регулювання невисока, тому що виконати велике число східців складно, а також перемикання східців необхідно провадити в ланцюзі повної потужності.

Даний спосіб не забезпечує стабільної роботи при малих швидкостях, тому що механічна характеристика м'яка і при коливаннях моменту відбувається значна зміна швидкості обертання. Цей спосіб регулювання швидкості за всіма показниками нераціональний і знаходить застосування в промисловості за необхідності невеликого зм'якшення природних механічних характеристик (наприклад, у прокатному виробництві на станах з маховичним приводом).

Точність і плавність цього способу регулювання швидкості можуть бути істотно збільшені в замкненій системі автоматичного регулювання швидкості за відхиленням.

8.4.2. Регулювання зміною потоку збудження. На рис. 8.1, в, г наведені штучні механічні характеристики при цьому способі регулювання швидкості. Всі штучні характеристики лежать вище природної, тобто цей спосіб забезпечує регулювання швидкості нагору. При практичних розрахунках, нехтуючи падінням напруги у якірному ланцюзі (що становить кілька відсотків щодо величини живильної напруги), можна вважати, що U ≈ Е. Живляча напруга U за даного способу регулювання – величина постійна. Виходить, що всі ЕРС двигуна рівні між собою при регулюванні швидкості.

За умовами нагрівання за тривалої роботі струм двигуна не повинен перевищувати I_н , тобто цей спосіб регулювання забезпечує роботу при моментах, менших за номінальні.

Діапазон регулювання при цьому способі для компенсованих двигунів або тих, що мають спеціальну обмотку на головних полюсах , звичайно приймають 2:1 або 3:1, а в спеціальних випадках до 5:1 (наприклад, моталки станів холодної прокатки).

Потужність ланцюга збудження вимірюється кількома відсотками від потужності ланцюга якоря. Тому регулювальні опори є опорами малої потужності, що дозволяє будувати реостати з великим числом східців, забезпечуючи необхідну плавність регулювання.

Штучні характеристики при ослабленні потоку (рис. 8.1,в, г) мають більшу крутість. Однак відносна зміна швидкості при коливаннях моменту змінюється незначно, тому що із зменшенням потоку зростає абсолютне значення швидкості, тобто даний спосіб забезпечує стабільну роботу на штучних характеристиках.

Спосіб регулювання є економічним, тому що втрати при регулюванні відбуваються в ланцюзі малої потужності і відносно невеликі. Цей спосіб забезпечує гарні показчики регулювання швидкості і знаходить широке поширення в електроприводі прокатних станів.

8.4.3. Регулювання зміною напруги на якорі. Штучні механічні характеристики при зміні напруги на якорі двигуна наведені на рис. 8.1, а. Для зміни напруги при регулюванні швидкості електроприводів застосовують індивідуальні джерела живлення, якими можуть бути генератор постійного струму чи тиристорний перетворювач.

У випадку, якщо двигун дістає живлення від індивідуального генератора, система називається генератор-двигун (Г-Д). Керований кремнієвий напівпровідниковий спрямлювач називають ″тиристорний перетворювач-двигун (ТП-Д)″.

8.4.4. Регулювання за системою Г-Д забезпечує великий діапазон і плавне регулювання швидкості обертання двигуна незалежного збудження і знаходить велике застосування в прокатному виробництві. Схема системи Г-Д наведена на рис. 8.3. Робоча машина РМ приводиться в рух двигуном незалежного збудження Д. Якір двигуна Д дістає живлення від генератора постійного струму Г, що обертається синхронним (або асинхронним) двигуном СД. Статорна обмотка СД підключена до мережі змінного струму, а обмотка збудження СД — до спеціального збудника ВСД. Обмотки збудження ОВД двигуна Д и ОВГ генератора Г дістають живлення від незалежного джерела постійного струму (на схемі від збудника В). Із схеми видно, що зв'язок між якорями генератора і двигуна тільки електричний без яких-небудь додаткових опорів. Генератор Г, синхронний двигун СД, збудник В и збудник синхронного двигуна ВСД мають механічний зв'язок між собою. Ці машини складають

Рисунок 8.3 – Схема регулювання швидкості обертання двигуна незалежного збудження за системою Г-Д

мотор-генераторну установку і мають постійну швидкість обертання, що задається двигуном СД. В обмотках якоря наводиться ЕРС генератора Е_г, величина якої може змінюватися за допомогою реостата R _м.

Величина магнітного потоку двигуна Д можна змінювати за допомогою реостата R _д. При замкнених реостатах (R _м = 0 та R _д = 0) магнітні потоки генератора і двигуна мають номінальні значення (як правило, вони ж і максимальні).

Система Г-Д забезпечує одержання штучних механічних характеристик з різною величиною швидкості обертання ідеального холостого ходу.

Діапазон регулювання напругою обумовлюється тією мінімальною напругою на двигуні, за якої вона мало відрізняється від I_яR_я і робота двигуна без спеціальних регуляторів ще є стійкою. Досвід показує, що усталена робота зміною напруги при номінальному моменті на двигуні може бути отримана без застосування регуляторів швидкості в межах (8...10): 1.

Спосіб регулювання напругою плавний, тому що регулювання провадиться в ланцюзі невеликої потужності.

Механічні характеристики другої групи (при незмінній ЕРС генератора і різних потоках двигуна) утворюються зміною опору R_д. Ці характеристики аналогічні розглянутим штучним характеристикам двигуна незалежного збудження при зміні Ф, тобто регулювання відбувається нагору при постійній потужності. Регулювання плавне, економічне з діапазоном (2...3): 1.

Таким чином, система Г-Д забезпечує плавне, економічне і стійке регулювання швидкості вниз і нагору як з постійним номінальним моментом, так і з постійною номінальною потужністю з загальним діапазоном регулювання без застосування регулюючих устроїв.

Застосування комбінованого способу регулювання швидкості у системі

Г-Д напругою генератора і потоком двигуна відповідає технологічним вимогам прокатних станів, що у більшості випадків прокочують різноманітні профілі. При цьому великі профілі прокочують при менших швидкостях і великих моментах, а малі профілі – при високих швидкостях і малих моментах.

Схема дозволяє одержати на генераторі настільки малу величину напруги, що при вмиканні нерухомого якоря двигуна забезпечує проходження в якірному ланцюзі струму, меншого за максимально припустимий для двигуна. Тому в системі Г-Д пуск двигуна здійснюється плавним підвищенням напруги генератора і нема потреби у пускових реостатах. Цим забезпечується економічний пуск двигуна без додаткових втрат енергії в силовому ланцюзі.

Зміну напрямку обертання двигуна в системі Г-Д здійснюють зміною напрямку струму збудження (магнітного потоку) генератора за допомогою вмикання ОВГ до шин збудника В через систему місткових контактів В и Н. При цьому полярність напруги генератора змінюється, що при сталості магнітного потоку двигуна призводить до зміни напрямку обертання двигуна.

Переваги: легкість одержання необхідних характеристик; економічність при регулюванні швидкості обертання двигуна; високий діапазон регулювання.

Недоліки : значна вартість, викликана наявністю трьох електричних машин, потужність кожної з яких приблизно дорівнює потужності приводного двигуна; великі габарити установки; високі експлуатаційні витрати; низький ККД у випадку застосування її для механізмів, що пускаються рідко в хід; велика інерційність обмотки збудження генератора, що знижує швидкодію системи.

Тому все більше поширення дістають системи регулювання швидкості двигуна постійного струму з використанням керованих статичних перетворювачів, що мають більш високий ККД і швидкодію, прості і надійні в експлуатації.

8.4.5. Автоматичний регулятор швидкості (наприклад, у прокатних станах) повинен забезпечувати підтримку заданої швидкості обертання валків з високою точністю при зміні навантаження стану (через зміну температури металу, розміру підкату, величини натягу чи інших технологічних параметрів) як у сталих, так і в перехідних режимах роботи стану. Це здійснюється за рахунок негативного зв'язку за швидкістю, що подають на вхід регулятора, а також різних корегуючих устроїв.

Регулятор впливає на джерело живлення двигуна і, змінюючи напругу на якорі двигуна або струм збудження, або обидві ці величини одночасно, здійснює регулювання швидкості обертання двигуна.

Розглянемо замкнену схему регулятора швидкості (рис 8.4, а) із застосуванням тільки негативного зворотного зв'язку за швидкостю, що забезпечує регулювання швидкості за рахунок зміни середньої спрямленої напруги статичного перетворювача ТП при постійному магнітному потоці двигуна. Фазоімпульсне управління здійснюється за вертикальним принципом. Необхідне значення швидкості двигуна Д задається за допомогою еталонної напруги U₀, що знімається з потенціометру. Вимірювальним органом фактичної швидкості обертання двигуна Д є тахогенератор ТГ, напруга якого пропорційна швидкості обертання U_т=k_тn . Ця напруга порівнюється з ко-

Рисунок 8.4 – Функціональна (а) і статичні характеристики (б) регулятора швидкості з рівнобіжною корекцією: 1 – ідеальний регулятор, 2 – реальний регулятор

мандною напругою U_о, і помилка ΔU=U₀–U_т подається на вхід безінерційного підсилювача У з коефіцієнтом підсилення k_у. Вихідна напруга підсилювача U_у= k_у ΔU подається на вхід вузла фазоімпульсного керування і обумовлює величину спрямленної напруги Е_d.

Робота регулятора швидкості полягає в наступнім. При збільшенні моменту опору М_с швидкість двигуна зменшується, що призводить до збільшення помилки ΔU і величини E_d, у результаті швидкість двигуна зросте і прагне до заданого значення. У регуляторах швидкості звичайно в якості основного корегувального зв'язку використовується зворотний зв'язок за струмом головного ланцюга якорю.

8.4.6. Автоматичний регулятор швидкості з послідовною корекцією. Принцип послідовної корекції передбачає розподіл системи на ланки, що містять не більш двох постійних часу, і при цьому кожна така ланка є об'єктом регулювання, що має свій регулятор.

В автоматичному регуляторі швидкості електроприводу з послідовною корекцією основною регульованою величиною є швидкість обертання, а внутрішнім контуром системи регулювання швидкості зміною напруги, підведеної до якорю двигуна, є контур регулювання струму якорю.

Функціональна схема автоматичного регулятора швидкості з послідовною корекцією наведена на рис. 8.5, а . Як видно зі схеми, у ланцюзі регулювання є два послідовно з'єднані регулятори РС і РТ. На вході регулятора швидкості РС складаются сигнали завдання швидкості U_з і зворотного зв'язку за швидкостью U_т, а на вході регулятора струму РТ — вихідний сигнал РС, що є завданням величини струму I_з, і сигнал зворотного зв'язку за струмом якорю I_я. У перехідних процесах при значній неузгодженості сигналів U_з і U_т регулятор

Рисунок 8.5 – Функціональна схема регулятора швидкості з послідовною корекцією

РС насичується і його вихідний струм І_з не залежить від швидкості, тобто зворотний зв'язок за швидкостью як би розривається. У цьому випадку схема працює як регулятор струму. Правильне настроювання регулятора струму РТ дозволяє найбільш повно використовувати можливості електроприводу і забезпечити високу продуктивність стану.

8.5. Асинхронний двигун. Одержати штучні характеристики в асинхронному двигуні можна за рахунок введення додаткового опору в ланцюг ротора (у двигунів з контактними кільцями), зміни величини і частоти напруги, що живить статор.

Вмикання додаткового опору R_д1 у кожну фазу ротора відповідно до рівнянь (6.16), (6.17) і (6.13) призводить до збільшення критичного ковзання S_к1, а величину максимального моменту М_к і синхронну швидкість не змінює (рис. 8.6, а).

Рисунок 8.6 – Штучні механічні характеристики асинхронного двигуна, отримані:

а – введенням додаткового опору в ланцюг ротора; б – зміною напруги

Зміна величини напруги U_ф, як видно з тих же формул, призводить до зміни максимального моменту М_к1, а величину критичного ковзання і синхронну швидкість не змінює (рис. 8.6, б). При напругах, більших за номінальні, різко зростає сила струму холостого ходу, збільшується насичення і зростає нагрівання сталі, тому практично підвищення напруги не застосовують. Велике зниження напруги призводить до різкого зменшення максимального моменту, тому що останній пропорційний квадратові напруги.

Зміна частоти живильної напруги, як видно з тих же формул, призводить до зміни синхронної швидкості обертання, найбільшого моменту і критичного ковзання. Механічні характеристики для цього випадку розглянуті в гл. 6.

8.5.1. Регулювання швидкості обертання зміною числа пар полюсів можливе лише у спеціальних двигунів, для яких кожна фаза статорної обмотки виконується з окремих частин. Наприклад, у двошвидкісному двигуні кожна обмотка фази складається з двох однакових частин. Змінюючи напрямок струму в різних частинах обмотки кожної фази, одержують у двигуні дві різні швидкості.

Електромашинобудівні заводи виготовляють дво-, трьох- і чотирьохшвидкісні двигуни. Трьохшвидкісні мають дві незалежні статорні обмотки, з яких одна забезпечує одержання двох швидкостей перемиканням, а третю швидкість дає друга обмотка, що має відмінне від першої обмотки число пар полюсів. Чотирьохшвидкісні двигуни мають по дві статорні обмотки, кожна з яких забезпечує одержання двох різних швидкостей.

Такі двигуни забезпечують східчасте регулювання швидкості в діапазоні 8:1. При цьому регулювання швидкості обертання може бути здійснене як за постійного моменту, так і за постійної потужності.

8.5.2. Регулювання швидкості вмиканням опору у ланцюг ротора. Вмикання додаткового опору R_доб у кожну фазу ротора призводить до збільшення критичного ковзання S_к1, а синхронну швидкість не змінює (рис. 8.6, а). Точність і плавність цього способу регулювання швидкості можуть бути істотно збільшені в замкненій системі автоматичного регулювання швидкості за відхиленням. Для здійснення автоматичного реостатного регулювання швидкості асинхронного двигуна може бути використана система релейного регулювання моменту (див. рис. 8.3), якщо її доповнити негативним зворотним зв'язком за швидкостью за схемою, наведеній на рис. 8.8, а. Механічні характеристики, відповідні різним значенням U_з.с , показані на рис. 8.7, б. Межі, у яких регулятор швидкості може підтримувати швидкість

Рисунок 8.7 – Схема і механічні характеристики асинхронного електроприводу при реостатному автоматичному регулюванні швидкості

постійною, обмежені за малих навантажень реостатною характеристикою 1 (резистор R_доб не вимикається), а за великих – характеристикою 2, що обумовлюється максимальним значенням вихідної напруги регулятора швидкості, що відповідає насиченню його характеристики (рис. 8.7, а). Пояснюється це тим, що в даній схемі вихідна напруга регулятора швидкості РС є сигналом завдання струму U_зт .

8.5.3. Регулювання швидкості обертання зміною частоти живильної напруги. Плавна зміна синхронної швидкості обертання магнітного поля асинхронного двигуна, відповідно до рівняння n₀ = 60ƒ₁ / р, можлива тільки за рахунок плавної зміни частоти ƒ₁ напруги, підведеної до двигуна. У випадку, якщо асинхронний двигун отримує живлення від синхронного генератора СГ, плавна зміна частоти можлива тільки за рахунок плавної зміни швидкості обертання синхронного генератору. Широкі межі зміни частоти напруги СГ вимагають широких меж зміни швидкості його обертання. У цьому випадку для приводу СГ необхідно застосовувати двигун постійного струму незалежного збудження, керованого за системою Г-Д або ТП-Д. У прокатному виробництві цей спосіб має широке застосування для живлення двигунів рольгангів із індивідуальним приводом. Загальна принципова схема регулювання швидкості обертання асинхронного двигуна зміною частоти напруги синхронного генератора наведена на рис. 8.8.

Рисунок 8.8 – Схема регулювання швидкості обертання асинхронного двигуна зміною частоти живильної напруги

Із схеми видно, що СГ обертається двигуном постійного струму ДП, керованим за системою ТП-Д. Потужність СГ при одночасній роботі всіх регульованих двигунів АD₁, . . ., АD_n повинна дорівнювати сумарній потужності двигунів з урахуванням їх ККД. Потужність приводного двигуна ДП без урахування втрат у СГ повинна дорівнювати потужності СГ, а потужність тиристорного перетворювача Т відповідно повинна дорівнювати потужності ДП. При цьому складовою частиною перетворювальної установки частоти є складна і дорога система ТП-Д для управління двигуном. Для асинхронного двигуна можна прийняти, що ЕРС, що індукує в обмотці статора, практично дорівнює підведеній до двигуна напрузі:

Е₁ = 4,44 k₁ ƒ₁Ф ≈ U_Ф (8.2)

Формула показує, що зміна частоти живильної напруги призводить до зміни магнітного потоку двигуна за U_ф=const. При зменшенні частоти магнітний потік двигуна зростає, а отже, відбувається збільшення струму холостого ходу.

Тому діапазон зміни частоти для серійних двигунів обмежений. За зміни частоти змінюється величина критичного ковзання. Якщо привод працює в діапазоні основних швидкостей обертання, вирівнювання навантажень роблять зміною напруги генераторів.

При роботі з ослабленим полем двигунів спочатку відносно швидко відбувається зміна швидкості за рахунок зміни напруги генераторів, що викликає наступну зміну потоків збудження двигунів. Цим забезпечується належна швидкодія і технологічно необхідне регулювання.

Зміна напруги, розглянута у гл.7 як спосіб регулювання моменту в розімкненій системі, може бути використана для регулювання швидкості в системі автоматичного регулювання за відхиленням. Для цього схеми з магнітним підсилювачем і тиристорним регулятором напруги необхідно доповнити негативним зв'язком за швидкістю. Розглянемо основні показчики такого способу регулювання.

Схема регулювання швидкості асинхронного електроприводу шляхом зміни напруги на статорі наведена на рис. 8.9. Вона складається із магнітного чи тиристорного регулятору напруги РН, регулятору швидкості РС, вихідна

Рисунок 8.9 – Регулювання швидкості в системі ТРН-АД

напруга якого U_у впливає на обмотку управління тиристорного регулятора напруги. На вхід РС подані сигнал завдання U_з.с і сигнал зворотного зв'язку за

швидкістю U_o.с, одержуваний з якоря тахогенератора ТГ. У ланцюг управління РН введений сигнал зсуву U_см , за допомогою якого при U_у = 0 встановлюється мінімальна напруга на виході РН. Практично в схемах з магнітними підсилю-

вачами для цієї мети передбачається окрема обмотка зсуву, а в тиристорних регуляторах напруги для настанови початкового кута регулювання α₀ звичайно є відповідні елементи.

При оцінці умов регулювання швидкості у системі тиристорний регулятор напруги – асинхронний двигун (ТРН – АД) необхідно враховувати, що напруга на виході тиристорного регулятора несінусоїдальна, залежить від кута регулювання α і від кута активно-індуктивного навантаження φ_н, яким є асинхронний двигун для ТРН при певному ковзанні S.

За даним способом регулювання втрати в роторному ланцюзі пропорційні ковзанню. Тому припустимий момент при регулюванні швидкості за незалежної вентиляції двигуна потрібно знижувати, тому що його навантаження обратно пропорційне ковзанню [7].

Для двигунів із самовентиляцією це зниження повинне бути більшим з урахуванням погіршення умов охолодження в міру зростання ковзання. Цей недолік обмежує область застосування замкнених систем асинхронного електроприводу, заснованих на регулюванні напруги, механізмами, у яких момент навантаження при регулюванні швидкості швидко зменшується,. Крім того, цей спосіб успішно застосовується в тих випадках, якщо в робочому циклі потрібне короткочасне зниження швидкості, а основний час електропривод працює на природній характеристиці.