В автоматизированном электроприводе для решения определенных задач часто применяются асинхронные двигатели с фазным ротором. Несмотря на более сложную конструкцию и повышенную стоимость по сравнению с АД с короткозамкнутым ротором, этот двигатель позволяет достаточно просто реализовать регулирование частоты вращения, ограничение и регулирование тока и момента. Изменение этих координат электропривода осуществляется путем введения дополнительных резисторов (чаще всего активных) в цепи обмотки фазного ротора.
Длительное регулирование частоты вращения таким способом энергетически нецелесообразно, т.к. при малых скольжениях большая часть потребляемой двигателем электроэнергии расходуется на нагрев реостатов в цепи ротора. Как правило, АД с фазным ротором применяется так, чтобы включение резисторов было по возможности кратковременным, например, где по условиям работы электропривода требуется получить необходимые пускорегулировочные характеристики. При этом такой АД почти всегда работает с комплектом добавочных резисторов для изменения сопротивления цепи фазного ротора. От правильного выбора резисторов зависит работа двигателя на искусственных характеристиках (их величина определяет форму механических и электромеханических характеристик) и его тепловая загрузка (эти сопротивления ограничивают токи в обмотках АД в переходных режимах).
Таким образом, расчет и выбор резисторов напрямую связан с подбором необходимого АД с фазным ротором для соответствующих систем автоматизированного электропривода. При этом выбор АД по мощности проводится по методике, изложенной в задаче 1, а, в случае необходимости, допустимое число включений определяется при использовании алгоритма, представленного в задаче 2 настоящих методических указаний.
За номинальные параметры резисторов принимаются: сопротивление, напряжение, ток и продолжительность включения. Соответственно, для включения резисторов в цепь обмотки фазного ротора необходимо учитывать напряжение EРНи ток в обмотке ротора I2Н. Основные характеристики АД с фазным ротором представлены в Приложении 2, Табл. 3, 4 соответственно при ПВН = 40% и ПВН = 25%.
Переключение ступеней резисторов при регулировании координат осуществляется с помощью серийных контроллеров, тип которых выбирается в зависимости от параметров электропривода. Для электроприводов переменного тока применяются силовые кулачковые контроллеры типа ККТ60А и его модификации, предназначенные для применения в конкретных системах электропривода:
- ККТ61А, при коммутации в цепях обмоток статора и ротора, схема включения контактов симметричная, регулирование частоты вращения неустойчивое до 1:3;
- ККТ68А, при коммутации в цепи обмотки ротора, схема включения контактов симметричная, регулирование частоты вращения неустойчивое до 1:2;
- ККТ62А, при коммутации в цепях обмоток ротора двух АД, схема включения контактов симметричная, регулирование частоты вращения неустойчивое до 1:3.
Кулачковые контроллеры используются при напряжениях до 500 В и мощности АД до 30 кВт. Они имеют до 12 силовых контактов на номинальные токи до 63 А и маломощные контакты для коммутации цепей управления. Управление переключением осуществляется вручную, число позиций рукоятки (маховика) — до 6 положений в одну сторону от нулевого (среднего) положения.
Наиболее широкое применение в современном электроприводе (крановый, экскаваторный и т.д.) получили магнитные контроллеры, которые представляют собой сложные комплектные коммутационные устройства, обеспечивающие ряд программ переключений в главных цепях с помощью контакторов с электромагнитным приводом путем подачи оператором соответствующих команд по цепям управления. Магнитные контроллеры предназначены для пуска, регулирования частоты вращения, торможения, реверса и отключения электродвигателя. Они имеют преимущества по сравнению с кулачковыми контроллерами:
- для управления магнитным контроллером независимо от мощности привода используются командконтроллеры или кнопочные станции, требующие минимальные затраты энергии оператора;
- износостойкость в 5-8 раз выше, чем у кулачковых контроллеров за счет коммутации осуществляемой контакторами;
- большой запас по коммутации, способны пропускать без повреждений ток до 15 IН на время срабатывания защиты;
- в связи с заранее запрограммированной системой пуска и торможения возможность недопустимой перегрузки сведена к минимуму;
- применение магнитного контролера по сравнению с кулачковым позволяет повысить степень автоматизации электропривода и тем самым производительность рабочей машины или механизма.
Магнитные контроллеры типа ТА, ТСА, ТСД, ДТА относятся к контроллерам переменного тока общего назначения. Они отличаются своими функциональными возможностями. Например, ТСД обеспечивает регулирование скорости 1:8, а остальные типы контроллеров не имеют гарантированного регулирования скорости электропривода (фактически могут обеспечить регулирование 1:3).
Для механизмов с высокой степенью использования применяются магнитные контроллеры серий К, КС, ДКС, в которых применяются контакторы с электромагнитным приводом постоянного тока. Они могут обеспечить фактическое регулирование скорости 1:3.
Область применения того или иного типа магнитного контроллера определяют характеристики электропривода и АД, в фазах обмотки ротора которого производятся соответствующие переключения ступеней сопротивлений. В Приложении 2 Табл. 5 представлены характеристики магнитных контроллеров с предельным током в обмотке ротора до 160 А. Для каждой ступени переключения в числители указывается относительное значение сопротивлений, %, а в знаменателе — токовая нагрузка, %. Кроме того, определяется допустимый ток ротора, который задает диапазон применения контроллера и рабочие ступени резистора.
При проектировании контроллеров сопротивления ступеней резисторов рассчитываются по известным методам теории электропривода [1,2,3].
В электроприводе применяются элементы резисторов четырех конструктивных исполнений:
- с рассеиваемой мощностью 25-150 Вт и сопротивлением от 1 до 30 000 Ом типа ПЭВ, представляющие собой фарфоровые цилиндры, на которые навита нихромовая проволока и которые покрыты нагревостойкой стекловидной эмалью;
- с рассеиваемой мощностью 250-400 Вт и сопротивлением от 0,7 до 96 Ом, выполненные в виде плоских элементов с константановой, фехралевой или нихромовой проволоки диаметром от 0,5 до 1,6 мм, намотанной на фарфоровые изоляторы, закрепленные на металлическом держателе;
- с рассеиваемой мощностью 850 - 1000 Вт и сопротивлением от 0,078 до 0,154 Ом из фехралевой ленты размерами от 0,8x6 до 1,6x1,5 мм, намотанной на ребро. Лента в виде спирали надета на фарфоровые изоляторы, опирающиеся на металлический держатель коробчатого сечения;
- с рассеиваемой мощностью 115-230 Вт при соответствующем токе 55 и 215 А и сопротивлением от 0,005 до 0,28 Ом из чугунных элементов типа НС400 и НС401.
Сопротивления для АД с фазным ротором выполняются в виде отдельных элементов или, чаще всего, блоков резисторов. При мощности электропривода до 300 кВт блоки составляются из элементов первых трех конструкций. Во всех остальных случаях (мощность ЭП до нескольких тысяч кВт) применяются ящики резисторов типа ЯС100, ЯС101 с чугунными элементами.
Для рассматриваемого типа электропривода применяются стандартные блоки резисторов типа БФ 6 и BK 12, а так же отдельные элементы, специально рассчитанные для использования совместно с конкретными двигателями постоянного или переменного тока. Блоки БФ 6 выполняются в виде 6 элементов из фехралевой ленты, а БК 12 — из 12 проволочных фехралевых или константановых элементов. Данные по нормализованным блокам резисторов представлены в Приложении 2, Табл. 6, 7.
Технические данные отдельных элементов представляют как ток продолжительного режима работы, так и ток повторно-кратковременного режима с ПВН =12,5;25;35%. Для блоков резисторов определен только ток продолжительного режима работы, при ПВН=100%. Чаще всего в типовом электроприводе для АД используются именно резисторные блоки.
В реальном процессе резисторы на каждой ступени работают со своей продолжительностью включения. Поэтому для того, чтобы они нагревались до допустимой температуры, их следует использовать при большем токе нагрузки.
При расчетном токе IР резистор, работающий в повторно-кратковременном режиме, следует выбирать на эквивалентный по перегреву длительный ток:
IЭ = KIР.
где К < 1, и значение К определяется в общем случае по универсальным справочным кривым в зависимости от режима работы. Этот коэффициент зависит от времени работы резистора за цикл и продолжительности его включения. Чем они меньше, тем ниже значение коэффициента, и, следовательно, тем на меньше значение тока нужно выбирать резистор.
В общем случае расчетный ток резистора определяется:
IР = I2Н , А,
где PР — расчетная мощность привода, зависящая от системы электропривода, его режима работы и параметров нагрузки, кВт; I2Н — номинальный ток ротора, А; PН — номинальная мощность электродвигателя, кВт.
Чаще всего, при известной системе электропривода тип панели управления уже определен и по относительным значениям сопротивлений для каждой ступени (RРn—Рm) вычисляется их омическая величина (в одной фазе):
RРn-Pm =RН , Ом
где Rcmyn,%— определено для каждой ступени панели управления; RН — номинальное сопротивление обмотки ротора, Ом.
RН = ,
где EРН — номинальное напряжение ротора, В.
Для выбора резисторов необходимо определить значения расчетных токов по ступеням. Для этого первоначально определяем среднюю мощность потерь в резисторах (в трех фазах), кВт:
для торможения противовключением
РР,Т = ,
для динамического торможения
РР,Т = ,
в которых мощность статической нагрузки РСТ, кВт
РСТ = МСТпH / 9550,
ηЭКВ = ,
где ηЭКВ,Б — эквивалентный базовый КПД, определяется системой электропривода, для асинхронного электропривода с АД с фазным ротором при торможении противовключением он равен 0,76, при динамическом торможении — 0,81;
kТ — коэффициент нагрузки, зависит от режима работы и выбранной системы электропривода для асинхронного электропривода с АД с фазным ротором при соотношении J/(1,2JД)>5 и торможении противовключением он равен 0,65, при динамическом торможении — 0,85, соответственно при J/(1,2JД)<5: противовключение — 1,2, динамическое торможение — 1,3;
ηЭКВN — КПД, зависит от продолжительности включения, типа электропривода и способа торможения. Для ПВН = 40%:при торможении противовключением — 0,72, при динамическом — 0,76; для ПВН = 25% соответственно — 0,68 и 0,71; при длительном режиме работы (ПВН = 100%) ηЄКВ,Б = ηЄКВN.
J — приведенный момент инерции, кг · м2;
МС — момент нагрузки, Н · м;
ɛ = ПВН/100, о.е. - коэффициент включения АД;
а — коэффициент использования привода, для общих механизмов а=1;
nMAX — максимальная частота вращения, для асинхронных двигателей это синхронная частота вращения, n1, об/мин;
nБАЗ — базовая частота вращения, nБАЗ = 1000 об/мин;
паспортные значения АД — коэффициент полезного действия ηДВ, о.е., номинальная частота вращения ηН, об/мин, момент инерции JД, кг · м2, продолжительность включения ПВН, % (Приложение 2, Табл. 3, 4)
При симметричной схеме включения резисторов в фазы обмотки ротора, мощность приходящаяся на одну фазу, кВт
РР,Тф = PР,Т / 3.
Далее определяется расчетный тепловой ток резистора, А
IР,Т =
где R% и I% - относительные значения сопротивления ступени и тока нагрузки, %, определяемые по используемому типу магнитного контроллера.
Для каждой ступени резистора вычисляется расчетное значение теплового тока, А
IРn—Pm = IP.T.
По найденным расчетным значениям сопротивлений и токов по ступеням резистора определяются необходимые блоки резисторов, разрабатываются схемы соединений элементов блока для получения требуемых сопротивлений и токов. Основными требованиями при подборе являются:
- длительный ток в реостате ступени должен быть больше или равен соответствующему расчетному тепловому току;
- выбранное сопротивление не должно отличаться от расчетного в «+» — на 15%, в «-» — на 10%;
Расчет и выбор сопротивлений проводится для одной фазы. При симметричном сопротивлении в цепи ротора, в двух других фазах резисторы и схемы соединения элементов будут аналогичны.
