Регулювання швидкості асинхронного двигуна
Головна | Про нас | Зворотній зв'язок
В останні 10-25 років встановилася чітка тенденція на перехід від приводу постійного струму до приводу змінного струму завдяки вдосконаленню законів управління двигунами змінного струму і розвитку силової електроніки.
Застосування двигунів змінного струму обумовлено їх простотою, дешевизною, підвищеною надійністю, істотно меншими габаритами і масою в порівнянні з двигунами постійного струму. До недоліків регулювання швидкості можна віднести високу складність теорії машин змінного струму та алгоритмів управління, які закладаються в перетворюючі пристрої.
Найбільшого поширення набули такі способи регулювання кутової швидкості асинхронного двигуна: 1) реостатне; 2) зміною напруги на статорі; 3) перемиканням числа пар полюсів; 4) зміною частоти напруги живлення і ін.
Схема включення АТ при цьому способі регулювання представлена нижче. Реостатні характеристики виходять шляхом введення в ланцюг ротора додаткового опору. При цьому з ростом опору падає жорсткість МХ.
Допустимий діапазон регулювання швидкості при даному способі
Так як . то наближено
де - відносна величина зміни швидкості; - відносна величина зміни моменту.
З отриманої формули видно, що при рівних відносних відхиленнях кутової швидкості і моменту навантаження діапазон регулювання. При більш низькому припустимому відхиленні кутової швидкості діапазон виявляється ще менше.
Втрати потужності при реостатному регулюванні складаються з змінних втрат, що включають втрати в міді статора і ротора і в зовнішніх резисторах роторному ланцюзі, і постійних - не залежать від навантаження. Сумарні постійні втрати в двигуні залишаються приблизно однаковими незалежно від навантаження і швидкості двигуна.
Електромагнітна і механічна потужності для АТ
Схема включення двигуна при реостатному способі регулювання
звідси можна визначити втрати в роторі
Видно, що втрати пропорційні величині ковзання і розподіляються пропорційно відношенню опорів ротора двигуна і додаткового опору в ланцюзі ротора, тому двигун при реостатному регулюванні може розвивати момент, рівний номінальному.
Недоліками реостатного регулювання швидкості є поетапне регулювання швидкості і використання додаткової апаратури, невисока швидкодія і великі втрати енергії при регулюванні.
Регулювання кутової швидкості АД зміною напруги на статорі
При зміні величини першої гармоніки змінюється величина критичного моменту при сталості критичного ковзання.
Така зміна досягається використанням тиристорного перетворювача напруги (ТПН).
Максимальний момент при зменшенні напруги знижується пропорційно квадрату напруги:
де - критичний момент при зниженому напрузі; - знижена напруга.
З рис. видно, що межі регулювання швидкості вельми обмежені, навіть при вентиляторної навантаженні.
Для розширення діапазону використовують замкнуті по швидкості САР, структурна схема якої представлена на рис. нижче. До складу такої САР сходить датчик швидкості (BR) і регулятор швидкості, на який надходить різниця між заданим і поточним значенням швидкостей. На виході регулятора швидкості виробляється сигнал, що подається на вхід системи імпульсно-фазного управління, яка виробляє керуючі імпульси для ТПН. Особливість такого регулювання полягає в тому, що всі характеристики сходяться в точці синхронної швидкості. тому, чим менше швидкість, тим вище ковзання і більше втрати в двигуні. Механічні характеристики двигуна при фазовому управлінні в замкнутій САР швидкості представлені на рис. 5.11.
Структурна схема замкнутої САР швидкості АД при фазовому управлінні
Механічні характеристики САР швидкості АД при фазовому управлінні
Двигун при такому способі регулювання може працювати тривалий час за умови
Допустимий момент можна знайти, прирівнюючи допустимі втрати до номінальних
Крива допустимого моменту по нагріванню представлена на ріс.5.11.
Даний спосіб регулювання не можна застосовувати для механізмів, що працюють в тривалому режимі роботи з постійним навантаженням. Ефективним виявляється використання фазового регулювання для механізмів, у яких статичний момент залежить від швидкості двигуна. наприклад, для приводів вентиляторів, насосів, компресорів. Цей спосіб також застосуємо, коли двигун працює на знижених швидкостях малий час щодо всього циклу роботи, наприклад, ліфти. В цьому випадку завищення встановленої потужності двигуна невелика.
Перевагою фазового управління є більш низька вартість перетворювача (ТВП) в порівнянні з перетворювачем частоти (ПЧ) дорівнює потужності, що дозволяє для зазначених механізмів забезпечити прийнятну якість технологічного процесу без додаткових витрат.
5.4.3. Зміна числа пар полюсів
З виразу для кутової швидкості АД:
видно, що регулювання швидкості можна здійснювати зміною числа пар полюсів p обмотки статора двигуна. Так як дана величина може бути тільки цілим числом, регулювання швидкості виявляється ступінчастим.
Для даного виду регулювання виготовляються багатошвідкісні АТ з КЗР. У пазах сердечника статора розміщують або дві незалежні обмотки, або одну полюснопереключаемую.
Розрізняють дві основні схеми перемикання. Схема «зірка / подвійна зірка» (рис. 5.12, I-II) забезпечує регулювання з постійністю моменту. Таку схему доцільно застосовувати в електроприводі з постійно діючим моментом навантаження при зміні частоти обертання. Схема «зірка / зірка» (рис.5.12, I-III) також дає двократне зміна числа пар полюсів, проте регулювання відбувається при сталості потужності, тобто при перемиканні на підвищену швидкість момент зменшується в два рази. Такі схеми розумно застосовувати в приводах, де момент опору обернено пропорційний частоті обертання. Механічні характеристики АД при регулюванні швидкості зміною числа пар плюсів представлені на рис. нижче.
Багатошвидкісні АТ широко застосовувалися в електроприводах, що допускають ступеневу регулювання частоти обертання (приводу ліфтів, вентиляторів, верстатів). Перевагою такого способу є збереження високих економічних показників при переході з однієї частоти обертання на іншу, так як на всіх щаблях перемикання обмотки статора ККД і коефіцієнт потужності двигуна залишаються практично незмінними. До недоліків відносять велику в порівнянні зі звичайними АТ складність, завищені габарити, велику вартість. Крім того, необхідність перемикання обмоток статора на різну кількість пар полюсів вимагає ускладнення комутаційної апаратури, що так само призводить до зростання ціни електроприводу в цілому. В даний час цей спосіб витісняється частотним регулюванням.
Схеми з'єднання котушкові груп обмоток статора
Механічні характеристики АД при перемиканні числа пар полюсів
Частотне регулювання швидкості асинхронного двигуна
Частотний спосіб регулювання швидкості АД є превалюючим і основним. Чим це обумовлюється? В першу чергу в даний час розвинена теорія машин змінного струму, що дозволило знайти оптимальні з деяких позицій закони управління АТ. Розвиток промислової електроніки дозволило в повній мірі реалізувати ці закони в «залізі».
Існують системи скалярного, векторного управління і системи прямого керування моментом. Вибір способу і принципу управління визначається сукупністю статичних, динамічних та енергетичних вимог до асинхронного електроприводу.
Принцип скалярного управління частотно-регульованого асинхронного електроприводу заснований на зміні частоти і поточних значень модулів змінних АТ (напруг, магнітного потоку, потокозчеплення і струмів ланцюгів двигуна). Цей принцип є найбільш поширеним в зв'язку з тим, що йому властива технічна простота вимірювання і регулювання змінних АТ, а так само можливість побудови розімкнутих систем управління швидкістю. Основний недолік полягає в труднощі реалізації бажаних законів регулювання швидкості і моменту АД в динамічних режимах.
Принцип векторного управління пов'язаний як зі зміною частоти і поточних значень змінних АТ, так і з взаємної орієнтацією їх векторів в полярній або декартовій системі координат. Завдяки контролю положення кутів змінних такої спосіб забезпечує повне управління АТ як в статичних, так і в динамічних режимах, що дає помітне поліпшення якості перехідних процесів в порівнянні зі скалярним керуванням.
Системи прямого керування моментом є продовженням і розвитком систем векторного керування. Завданням прямого керування моментом є забезпечення швидкої реакції електромагнітного моменту двигуна на керуючий вплив. На відміну від векторного управління, де зміна моменту проводиться шляхом впливу на ток статора, в системі з прямим управлінням моментом керованої величиною є потокосцепление статора.
Перетворювачі частоти, призначені для частотно-регульованих АД, поділяються на кшталт зв'язку з мережею живлення на безпосередні ПЧ (НПЧ) і Дволанковий ПЧ (ДПЧ) з проміжною ланкою постійного або змінного струму.
Момент АТ пропорційний магнітному потоку і активної складової вторинного струму:
де - конструктивна стала АТ; - кут зсуву між ЕРС і струмом ротора;
З формули для моменту видно, що зменшення магнітного потоку, що є наслідком збільшення частоти. призведе до зростання. а отже і втрат в роторі і одночасного зменшення допустимого моменту двигуна за умовами охолодження двигуна. Зменшення частоти при сталості амплітуди напруги. як було показано в п. 4.3.3, також не допустимо за умовами насичення магнітної системи машини. тому регулювання швидкості двигуна зміною частоти напруги живлення при умові постійних моменту двигуна прийнятно тільки при одночасній зміні амплітуди напруги живлення, тобто виконанні закону. що забезпечує практично постійний магнітний потік в двигуні.
Для реалізації зазначеного закону управління між мережею і двигуном включається перетворювач частоти (ПЧ), що забезпечує одночасну зміну частоти і амплітуди напруги на двигуні. При знижених швидкостях у самовентилюються двигунів зменшується відведення тепла в навколишнє середовище, тому в таких випадках необхідно знижувати допустимий момент на двигуні.
При частотному регулюванні з причин, зумовленими механічною міцністю підшипників і елементами ротора, піднімати частоту вище. Тому основний спосіб регулювання швидкості полягає в зменшенні частоти напруги.
Для побудови зразкового виду механічних характеристик приймемо, що. тоді рівняння для критичного моменту можна переписати таким чином:
З формули видно, що критичний момент при виконанні закону залишається постійним. Умова зневаги активного опору статора коректно при високих швидкостях двигуна, коли. При низьких швидкостях падіння напруги на активному опорі статора стає порівнянно з величиною напруги на затискачах статора, що призводить до падіння перевантажувальної здатності двигуна. Для того, щоб реалізувати однакову перевантажувальну здатність при частотному регулюванні в області низьких частот обертання використовують так звану «IR-компенсацію», яка полягає в тому, що на малих швидкостях робиться добавка напруги на статорі, що компенсує.
Діапазон регулювання швидкості в розімкнутих системах становить. У замкнутих системах діапазон може бути істотно розширено.
