Почти все станки в качестве электропривода оснащаются асинхронными двигателями. У них простая конструкция и не высокая стоимость. В связи с этим важным оказывается регулирование скорости асинхронного двигателя. Однако в стандартной схеме включения управлять его оборотами можно только с помощью механических передаточных систем (редукторы, шкивы), что не всегда удобно. Электрическое управление оборотами ротора имеет больше преимуществ, хотя оно и усложняет схему подключения асинхронного двигателя.
Для большего просмотра нажмите. Однако их описание выходит за рамки публикации и поэтому будет упомянуто только для полноты. Каскад, состоящий из двух асинхронных двигателей на общем валу со связанными роторами и вторым стартерным двигателем, соединенным с стартером, позволяет установить три разных синхронных скорости вращения. Аналогичным образом ведет себя каскад, состоящий из двух асинхронных двигателей на общем валу, со связанными роторами и с двумя статорами, подключенными к сети. Двигатель постоянного тока питается от неконтролируемого выпрямителя от ротора индукторного двигателя, тем самым возвращая мощность ротора асинхронного двигателя обратно на вал. Скорость вращения непрерывно контролируется возбуждением двигателя постоянного тока. Он механически разделен, и на валу имеется индукционный генератор, подключенный к сети питания и возвращающий ему мощность ротора асинхронного двигателя. Индукционный генератор иногда заменяется синхронным, что также позволяет компенсировать реактивную реактивную мощность. В подсинхронном каскаде имеется индукторный электродвигатель двигателя, подключенный через преобразователь переменного тока и трансформатор с источником питания. Скорость двигателя непрерывно вращается через выпрямитель только в субсинхронной области. Сверхсинхронный каскад имеет аналогичную компоновку с подсинхронным каскадом, за исключением того, что вместо преобразователя переменного тока преобразователь частоты - преобразователь частоты подключен к цепи ротора. Он либо возвращает энергию скольжения к источнику питания, либо, наоборот, подает питание на ротор. Управляя преобразователем частоты, вы можете непрерывно изменять скорость двигателя даже в сверхсинхронном диапазоне.
- Они соответствуют количеству пар полюсов отдельных двигателей и их сумме.
- Триггер используется для запуска каскада.
Для некоторых узлов автоматического оборудования подходит именно электрическое регулирование скорости вращения вала асинхронного электродвигателя. Только так можно добиться плавной и точной настройки рабочих режимов. Существует несколько способов управления частотой вращения путём манипуляций с частотой, напряжением и формой тока. Все они показаны на схеме.
В этом случае двигатель работает с номинальной скоростью, необходимой для максимальной скорости, почти непрерывно. Дроссельные клапаны и клапаны, используемые для механического управления, представляют собой источники теплопередачи, обычно в виде тепла. Сегодня скорость привода может контролироваться напрямую с помощью преобразователя частоты, так что скорость потока жидкости или газа устанавливается в соответствии с непосредственными требованиями. Несмотря на собственные потери тепла, частотные преобразователи и преобразователи частоты повышают среднюю эффективность во всем рабочем диапазоне.
Из представленных на рисунке способов, самыми распространёнными для регулирования скорости вращения ротора являются изменение следующих параметров:
- напряжения подаваемого на статор,
- вспомогательного сопротивления цепи ротора,
- числа пар полюсов,
- частоты рабочего тока.
Последние два способа позволяют изменять скорость вращения без значительного снижения КПД и потери мощности, остальные способы регулировки способствуют снижению КПД пропорционально величине скольжения. Но и у тех и других есть свои преимущества и недостатки. Поскольку чаще всего на производстве применяются асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором, то все дальнейшие обсуждения будут касаться именно этого типа электродвигателей.
Что такое пускатели частоты?
Повышение эффективности системы всегда зависит от повышения энергоэффективности отдельных компонентов и анализа всей системы. Запуск частоты - это новая категория приборов, которая может использоваться для управления асинхронными двигателями. Функционально они могут быть расположены где-то между стандартными пускателями двигателей и обычными частотными преобразователями, поскольку они сочетают преимущества этих существующих продуктов. Идеально подходит для простых применений, где требуется переменная скорость, и нет необходимости в ряде функций, предоставляемых обычными частотными преобразователями, которые делают его слишком сложным в использовании.
Для частотного регулирования
применяют в основном полупроводниковые преобразователи. Их принцип действия основан на особенности работы асинхронного двигателя, где частота вращения магнитного поля статора зависит от частоты напряжения питающей сети. Скорость вращения поля статора определяется по следующей формуле:
Регулируемое ограничение тока предотвращает высокие пики тока в сети питания и внезапные нагрузки механических частей машины и системы. Двигатели, подключенные непосредственно к сети электропитания, достигают идеальных рабочих условий в устойчивом состоянии. В частотном преобразователе они могут использоваться для полного диапазона скоростей при условии соблюдения требуемых условий. Постоянное отношение напряжения к частоте обеспечивается независимыми рабочими условиями с номинальным крутящим моментом.
Благодаря этому методу скорость двигателя соответствует производственному процессу и компенсирует внешние помехи, что обеспечивает более длительный срок службы и функциональную безопасность на приводном приводе. Тип нагрузки нагрузки Процент управления системой с помощью частотного управления Время, в течение которого вся система работает при частичной нагрузке. Характерные кривые для двигателя и машины обычно задаются как зависимость от числа оборотов, крутящего момента и мощности. Что касается экономии энергии с помощью частотных преобразователей, то это особенно интересно для машин и устройств, в которых соотношение между числом оборотов и крутящим моментом является квадратичным.
n1 = 60f/p, где n1 — частота вращения поля (об/мин), f-частота питающей сети (Гц), p-число пар полюсов статора, 60 — коэффициент пересчета мерности.
Для эффективной работы асинхронного электродвигателя без потерь нужно вместе с частотой изменять и подаваемое напряжение. Напряжение должно меняться в зависимости от момента нагрузки. Если нагрузка постоянная, то напряжение изменяется пропорционально частоте.
Это такие приложения, как центробежные насосы и вентиляторы. В энергетических приложениях они известны как машины с постоянным током. Ключевым фактором энергосбережения является квадратичная связь между скоростью и мощностью. Это означает, что небольшое снижение скорости приведет к экономии энергии. Уменьшая скорость на 20%, достигается экономия в 50%, так как потребляемая мощность двигателя точно настраивается для соответствия текущим требованиям процесса.
На первый взгляд, частотные пускатели и преобразователи частоты кажутся самым дорогим способом запуска и контроля скорости асинхронного двигателя. Основными причинами являются, конечно, более высокие затраты на приобретение по сравнению с обычными комбинациями стартеров. Но во время работы, благодаря плавным пускам и энергоэффективности при оптимизации процессов, их экономическая выгода выявлена. Это особенно актуально для насосов и вентиляторов, как показано в следующем примере: Если требуется переменный расход насосной системы, изменение потока жидкости может быть реализовано.
Современные частотные регуляторы позволяют уменьшать и увеличивать обороты в широком диапазоне. Это обеспечило их широкое применение в оборудовании с управляемой протяжкой, например, в многоконтактных станках сварной сетки. В них скорость вращения асинхронного двигателя, приводящего в движение намоточный вал, регулируется полупроводниковым преобразователем. Такая регулировка позволяет оператору, следящему за правильностью выполнения технологических операций, ступенчато ускоряться или замедляться по мере настройки станка.
Используя управляемый с замкнутым контуром привод, регулируя скорость откачки по запросу. Использование двигателя с постоянной скоростью и регулирующего клапана расхода. . Типичный цикл системы накачки может быть следующим. 100% расход = 6% от рабочего цикла 75% от расхода = 15% от рабочего цикла 50% от расхода = 35% от рабочего цикла 25% от расхода =. Управление насосом через дроссельные клапаны приводит к высоким потерям и низкой эффективности системы. При управлении частотной нагрузкой эти потери могут быть значительно уменьшены, что приводит к высокой экономии энергии и значительному снижению эксплуатационных расходов.
Остановимся на принципе работы преобразователя частоты более подробно. В его основе лежит принцип двойного преобразования. Состоит регулятор из выпрямителя, импульсного инвертора и системы управления. В выпрямителе синусоидальное напряжение преобразуется в постоянное и подаётся на инвертор. В составе силового трёхфазного импульсного инвертора есть шесть транзисторных переключателей. Через эти автоматические ключи постоянное напряжение подаётся на обмотки статора так, что в нужный момент на соответствующие обмотки поступает то прямой, то обратный ток со сдвигом фаз 120°. Таким образом, постоянное напряжение трансформируется в переменное трёхфазное напряжение нужной амплитуды и частоты.
Необходимые параметры задаются через модуль управления. Автоматическая регулировка работы ключей осуществляется по принципу широтно-импульсной модуляции. В качестве силовых переключателей используются мощные IGBT-транзисторы. Они, по сравнению с тиристорами, имеют высокую частоту переключения и выдают почти синусоидальный ток с минимальными искажениями. Не смотря на практичность таких устройств, их стоимость для двигателей средней и высокой мощности остаётся очень высокой.
Регулировка скорости вращения асинхронного двигателя методом изменения числа пар полюсов
также относится к наиболее распространённым методам управления электродвигателей с короткозамкнутым ротором. Такие моторы называются многоскоростными. Есть два способа осуществления этого метода:
- укладывание сразу нескольких обмоток с разными числами пар полюсов в общие пазы статора,
- применение специальной намотки с возможностью переключения существующих обмоток под нужное число пар полюсов.
В первом случае чтобы уложить в пазы дополнительные обмотки нужно уменьшить сечение провода, а это приводит к уменьшению номинальной мощности электродвигателя. Во втором случае имеет место усложнение коммутационной аппаратуры, особенно для трёх и более скоростей, а также ухудшаются энергетические характеристики. Более подробно этот и другие способы регулирования скорости асинхронного двигателя описаны в архивном файле, который можно скачать внизу страницы.
Обычно многоскоростные двигатели выпускаются на 2, 3 или 4 скорости вращения, причем 2-х скоростные двигатели выпускаются с одной обмоткой на статоре и с переключением числа пар полюсов в отношении 2: 1 = р2: pt , 3-х скоростные двигатели — с двумя обмотками на статоре, из которых одна выполняется с переключением 2: 1 = Рг: Pi , 4-х скоростные двигатели — с двумя обмотками на статоре, каждая из которых выполняется с переключением числа пар полюсов в отношении 2:1. Многоскоростными электродвигателями оснащаются различные станки, грузовые и пассажирских лифты, они используются для приводов вентиляторов, насосов и т.д.
Существенным недостатком асинхронных электродвигателей является относительно сложное регулирование частоты их вращения.
Возможные способы регулирования частоты вращения асинхронных электродвигателей можно установить в результате анализа выражения, записанного относительно частоты вращения ротора двигателя: n 2 = 60f 1 (1 ‑s )/p . Анализ формулы показывает, что частоту вращения асинхронного двигателя можно изменить, меняя скольжение ротораs , число пар полюсовр двигателя или частотуf 1 питающего напряжения.
Регулирование частоты вращения изменением скольжения возможно изменением подводимого к обмотке статора напряжения или изменением активного сопротивления в цепи ротора.
Регулирование частоты вращения изменением активного сопротивления возможно только для асинхронных двигателей с фазным ротором, в обмотку которого (посредством контактных колец) включается добавочное регулировочное сопротивление по такой же схеме, как и при пуске двигателя. Однако пусковое сопротивление не годится для регулирования скорости, так как оно не рассчитано на длительную работу. Регулировочное сопротивление должно выдерживать токи, сравнимые с пусковыми, в течение длительного времени.
При увеличении активного сопротивления цепи ротора значение критического скольжения ротора двигателя s к в соответствии с приведенной ранее формулой увеличивается.
Включая различные добавочные сопротивления можно получить семейство механических характеристик двигателя, примерно таких, какие показаны на рис. 11, из которых следует, что с увеличением активного сопротивления в цепи ротора при постоянном моменте нагрузки на валу электродвигателя рабочая точка смещается с одной механической характеристики на другую, соответствующую новому, увеличенному сопротивлению. Происходит увеличение скольжения ротора, а следовательно, уменьшение частоты вращения ротора асинхронного двигателя. Регулирование при этом способе возможно в широком диапазоне скольжений, однако при уменьшении частоты нарушается жесткость механической характеристики и увеличиваются электрические потери.
Регулирование частоты вращения изменением питающего напряжения возможно за счет того, что критическое значение моментаМ к, а следовательно, величинаМ (s ) при любом скольжении пропорциональна квадрату питающего напряженияU 1 2 . Из приведенных на рис.12 кривых явно видно, что при постоянном моменте нагрузки на валу электродвигателя рабочая точка смещается с одной механической характеристики на другую, соответствующую новому, уменьшенному напряжениюU 1 . Происходит увеличение скольжения ротора, а следовательно, уменьшение частоты вращения ротора асинхронного двигателя. Регулирование асинхронного двигателя при этом способе возможно только в незначительном диапазоне скольжений, который ограничивается критическими моментом и скольжением ротора.
Следует отметить, что при уменьшении напряжения происходит резкое снижение критического момента двигателя, пропорционально квадрату напряжения и, следовательно, резкое уменьшение перегрузочной способности двигателя по кратности критического момента, что ограничивает область применения описанного способа.
Ступенчатое регулирование частоты вращения асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором, как указывалось, возможно путемизменения числа пар полюсов за счет переключения секций его обмотки, что находит применение для многоскоростных двигателей. Сущность способа заключается в том, что при постоянной частоте напряжения питающей сети, частота вращения асинхронного двигателя зависит от числа пар полюсов обмотки статора. Таким образом, если на статоре асинхронного двигателя разместить две или более отдельных обмоток с разными числами пар полюсов, то при включении в сеть каждой из обмоток в отдельности, можно получать различные частоты вращения магнитного поля, а значит, и ротора. К сожалению, этот экономичный и сравнительно простой способ не позволяет плавно регулировать частоту вращения двигателя. Промышленностью освоен выпуск серий электродвигателей, частота вращения которых регулируется ступенями в 2, 3 и 4 раза без потерь мощности. Необходимо также отметить, что устройство многоскоростных электродвигателей значительно сложней, чем односкоростных, что ведет к их удорожанию.
Частоту вращения асинхронного двигателя можно регулировать также изменением частоты питающего тока , но этот способ для мощных двигателей практически не применяют ввиду отсутствия простых и экономичных устройств, регулирующих частоту тока в мощных цепях. В то же время, разработка и промышленное освоение мощных и дешевых управляемых полупроводниковых приборов (диоды, тиристоры) позволяет реализовывать простые и надежные преобразователи частоты и напряжения малой и средней мощности, с помощью которых можно легко регулировать частоту вращения асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором, что значительно упрощает привод различных механизмов, при этом часто отпадает необходимость в редукторах, коробках скоростей, трансмиссиях.