Трифазно управление на двигателя, методи за управление на скоростта на двигателя

Управлението на асинхронни двигатели може да бъде или параметрично, тоест чрез промяна на параметрите на машинните вериги, или от отделен преобразувател.

Параметричен контрол

Критичното приплъзване слабо зависи от активното съпротивление на статорната верига. Когато се въведе допълнително съпротивление във веригата на статора, стойността леко намалява. Максималният въртящ момент може значително да намалее. В резултат на това механичната характеристика ще приеме формата, показана на фиг. 1.

Ориз. 1. Механични характеристики на асинхронен двигател при промяна на параметрите на първичната и вторичната верига: 1 — естествена, 2 и 3 — с въвеждането на допълнително активно и индуктивно съпротивление в статорната верига

Сравнявайки го с естествената характеристика на двигателя, можем да заключим, че въвеждането на допълнително съпротивление в статорната верига има малък ефект върху скоростта. При постоянен статичен въртящ момент скоростта леко ще намалее. Следователно този метод за контрол на скоростта е неефективен и не се използва в тази най -проста версия.

Въвеждането на индуктивно съпротивление в статорната верига също е неефективно. Критичното приплъзване също ще намалее леко, а въртящият момент на двигателя е значително намален поради увеличаването на съпротивлението. Съответната механична характеристика е показана на същата фиг. 1.

Понякога в статорната верига се въвежда допълнително съпротивление за ограничаване на пусковите токове… В този случай дроселите обикновено се използват като допълнително индуктивно съпротивление, а тиристорите се използват като активни (фиг. 2).

Ориз. 2. Включване на тиристори в статорната верига

Трябва обаче да се има предвид, че това значително намалява не само критичното, но и стартов въртящ момент на двигателя (в с = 1), което означава, че стартирането при тези условия е възможно само с малък статичен момент. Въвеждането на допълнително съпротивление в роторната верига, разбира се, е възможно само за двигател с навит ротор.

Допълнителното индуктивно съпротивление в роторната верига има същия ефект върху скоростта на двигателя, както при въвеждането му в статорната верига.

На практика използването на индуктивно съпротивление в роторната верига е изключително трудно, поради факта, че то трябва да работи с променлива честота — от 50 Hz до няколко херца, а понякога и фракции от херц. При такива условия е много трудно да се създаде дросел.

При ниска честота активното съпротивление на индуктора ще повлияе главно. Въз основа на горните съображения, индуктивното съпротивление в роторната верига никога не се използва за контрол на скоростта.

Най -ефективният начин за параметрично управление на скоростта е въвеждането на допълнително активно съпротивление в роторната верига. Това ни дава семейство характеристики с постоянен максимален въртящ момент. Тези характеристики се използват за ограничаване на тока и поддържане на постоянен въртящ момент, а също така могат да се използват за контрол на скоростта.

На фиг. 3 показва как чрез промяна r2, т.е. въвеждане rext, възможно е в някакъв статичен момент да се промени скоростта в широк диапазон — от номинална до нула. На практика обаче е възможно да се регулира скоростта само при достатъчно големи стойности на статичния момент.

Ориз. 3.Механични характеристики на асинхронен двигател с въвеждане на допълнително съпротивление в роторната верига

При ниски стойности на (Mo) в режим, близък до празен ход, обхватът за управление на скоростта е значително намален и за забележимо намаляване на скоростта ще трябва да се въведат много големи допълнителни съпротивления.

Трябва да се има предвид, че при работа с ниски скорости и с високи статични въртящи моменти стабилността на скоростта ще бъде недостатъчна, тъй като поради високата стръмност на характеристиките, леките колебания в въртящия момент ще причинят значителни промени в скоростта.

Понякога, за да се осигури ускорение на двигателя без последователно отстраняване на реостатните секции, реостат и индуктивна намотка са свързани паралелно на роторните пръстени (фиг. 4).

Ориз. 4. Паралелно свързване на допълнително активно и индуктивно съпротивление в роторната верига на асинхронния двигател

В началния момент на стартиране, когато честотата на тока в ротора е висока, токът се затваря главно през реостата, т.е. чрез голямо съпротивление, което осигурява достатъчно висок стартов въртящ момент. С намаляването на честотата индуктивното съпротивление намалява и токът започва да се затваря и през индуктивността.

При достигане на работни скорости, когато приплъзването е малко, токът преминава главно през индуктора, чието съпротивление при ниска честота се определя от електрическото съпротивление на намотката rrev. По този начин при стартиране външното съпротивление на вторичната верига автоматично се променя от rреост към rоколо и ускорението се случва при практически постоянен въртящ момент.

Параметричното управление естествено се свързва с големи загуби на енергия. Енергията на плъзгане, която под формата на електромагнитна енергия се предава през пролуката от статора към ротора и обикновено се преобразува в механична, с голямо съпротивление на вторичната верига, отива основно за нагряване на това съпротивление, а при s = 1 всички енергията, прехвърлена от статора към ротора, ще се изразходва в реостатите на вторичната верига (фиг. 5).

Ориз. 5. Загуби във вторичната верига при регулиране на скоростта на асинхронен двигател чрез въвеждане на допълнително съпротивление в роторната верига: I — зона с полезна мощност, предавана към вала на двигателя, II — зона на загуби в съпротивленията на вторичната верига

Следователно параметричното управление се използва главно за краткосрочно намаляване на скоростта в хода на технологичния процес, извършван от работната машина. Само в случаите, когато процесите на регулиране на скоростта се комбинират със стартиране и спиране на работната машина, както например при повдигащи инсталации, параметричното управление с въвеждането на допълнително съпротивление в роторната верига се използва като основно средство за контрол на скоростта.

Регулиране на скоростта чрез промяна на напрежението, приложено към статора

При регулиране на скоростта на асинхронен двигател чрез промяна на напрежението, формата на механичната характеристика остава непроменена, а моментите намаляват пропорционално на квадрата на напрежението. Механичните характеристики при различни напрежения са показани на фиг. 6. Както можете да видите, в случай на използване на конвенционални двигатели, диапазонът за контрол на скоростта е много ограничен.

Ориз. 6… Регулиране на скоростта на асинхронен двигател чрез промяна на напрежението в статорната верига

Малко по -широк диапазон може да се постигне с мотор с високо приплъзване. В този случай обаче механичните характеристики са стръмни (фиг. 7) и стабилната работа на двигателя може да бъде постигната само с използването на затворена система, която осигурява стабилизация на скоростта.

Когато статичният въртящ момент се промени, системата за управление поддържа дадено ниво на скорост и настъпва преход от една механична характеристика към друга.В резултат на това работата продължава при характеристиките, показани с пунктираните линии.

Ориз. 7. Механични характеристики при регулиране на напрежението на статора в затворена система

Когато задвижването е претоварено, двигателят достига граничната характеристика aбсъответстващо на максималното възможно напрежение, което преобразувателят осигурява, и с по -нататъшно увеличаване на натоварването, скоростта ще намалее според тази характеристика. При ниско натоварване, ако преобразувателят не може да намали напрежението до нула, ще има увеличение на скоростта според характеристиката на променлив ток.

Магнитните усилватели или тиристорни преобразуватели обикновено се използват като източник, управляван от напрежение. В случай на използване на тиристорен преобразувател (фиг. 8) последният обикновено работи в импулсен режим. В този случай на клемите на статора на асинхронния двигател се поддържа определено средно напрежение, което е необходимо за осигуряване на дадена скорост.

Ориз. 8. Схема на импулсно управление на скоростта на асинхронен двигател

За регулиране на напрежението в клемите на статора на двигателя изглежда би било възможно да се използва трансформатор или автотрансформатор със секционни намотки. Използването на отделни трансформаторни блокове обаче е свързано с много високи разходи и не осигурява необходимото качество на регулиране, тъй като в този случай е възможна само поетапна промяна на напрежението и е практически невъзможно да се въведе устройство за превключване на секции в автоматична система. Понякога автотрансформаторите се използват за ограничаване на пусковите токове на мощни двигатели.

Контрол на скоростта чрез превключване на секциите на намотката на статора към различен брой двойки полюси

Съществуват редица производствени механизми, които по време на технологичния процес трябва да работят с различни нива на скорост, докато няма нужда от плавно регулиране, но е достатъчно да има задвижване с дискретно, стъпаловидно, промяна на скоростта. Такива механизми включват някои металообработващи и дървообработващи машини, асансьори и др.

Може да се постигне ограничен брой фиксирани скорости на въртене многоскоростни двигатели с катеричка, при която намотката на статора преминава към различен брой двойки полюси. Клетката на катерицата на двигател с катерична клетка автоматично формира броя на полюсите, равен на броя на полюсите на статора.

Използват се две конструкции на двигателя: с няколко намотки във всеки слот на статора и с една намотка, чиито секции се превключват, за да се получи различен брой двойки полюси.

Многоскоростните двигатели с няколко независими намотки на статора отстъпват на многоскоростните с една намотка по технически и икономически показатели. В моторите с много намотки намотката на статора се използва неефективно, запълването на слота на статора е недостатъчно, ефективността и cosφ под оптималното. Следователно основното разпределение се получава от многоскоростни двигатели с една намотка с превключване на намотките на различен брой двойки полюси.

При превключване на секции разпределението на MDS в отвора на статора се променя. В резултат на това се променя и скоростта на въртене на MDS, а оттам и магнитният поток. Най -лесният начин е да превключите двойки полюси със съотношение 1: 2. В този случай намотките на всяка фаза са направени под формата на две секции. Промяната на посоката на тока в една от секциите ви позволява да промените наполовина броя на двойките полюси.

Помислете за веригите на намотката на статора на двигателя, чиито секции са превключени на осем и четири полюса. На фиг. 9 показва еднофазна намотка за простота. Когато две секции са свързани последователно, тоест когато краят на първата секция K1 е свързан с началото на втората H2, получаваме осем полюса (фиг. 9, а).

Ако променим посоката на тока във втория участък на обратното, тогава броят на полюсите, образувани от намотката, ще намалее наполовина и ще бъде равен на четири (фиг. 9, б). Посоката на тока във втората секция може да бъде променена чрез прехвърляне на джъмпера от клемите K1, H2 към клемите K1, K2. Също така, четири полюса могат да бъдат получени чрез паралелно свързване на секции (фиг. 9, в).

Ориз. 9. Превключване на секции на намотката на статора към различен брой двойки полюси

Механичните характеристики на двускоростен двигател с превключващи се намотки на статора са показани на фиг. десет.

Ориз. 10. Механични характеристики на асинхронен двигател при превключване на намотката на статора на различен брой двойки полюси

При преминаване от схема а към схема б (фиг. 9) постоянната мощност на двигателя се поддържа и при двете нива на скоростта (фиг. 10, а). Когато използвате опцията за втора смяна, двигателят може да развие същия въртящ момент. Възможно е превключване на секции от намотката на статора, осигурявайки съотношение на скоростта не само 1: 2, но и други. В допълнение към двускоростните двигатели, индустрията произвежда и три- и четиристепенни двигатели.

Честотен контрол на трифазни двигатели

Както следва от горното, регулирането на скоростта на асинхронния двигател е изключително трудно. Безкрайно променлив контрол на скоростта в широк диапазон, като същевременно се поддържа достатъчна твърдост на характеристиките, е възможен само при частичен контрол. Чрез промяна на честотата на захранващия ток и следователно скоростта на въртене на магнитното поле е възможно да се регулира скоростта на въртене на ротора на двигателя.

За управление на честотата в инсталацията обаче е необходим честотен преобразувател, който би могъл да преобразува ток с постоянна честота на захранващата мрежа от 50 Hz в ток с променлива честота, плавно вариращ в широк диапазон.

Първоначално имаше опити да се използват преобразуватели на електрически машини. Въпреки това, за да се получи ток с променлива честота от синхронен генератор, е необходимо да се завърти неговият ротор с променлива скорост. В този случай задачите за регулиране на скоростта на работещия двигател са възложени на двигателя, който задвижва синхронния генератор във въртене.

Колекторният генератор, който може да генерира ток с променлива честота при постоянна скорост на въртене, също не позволи решаването на проблема, тъй като, първо, е необходим ток с променлива честота, за да го възбуди, и второ, както всички AC колекторни машини, големи трудности възникват, осигурявайки нормална комутация на колектора.

На практика контролът на честотата започва да се развива с появата на полупроводникови устройства… В същото време се оказа възможно да се създадат честотни преобразуватели за управление както на мощни инсталации, така и на изпълнителни двигатели в сервосистеми и серво задвижвания.

Наред със сложността на конструирането на честотен преобразувател, съществува и необходимостта от едновременно управление в две величини — честота и напрежение. Когато честотата намалява с цел намаляване на скоростта, равновесието на ЕМП и напрежението в мрежата може да се поддържа само чрез увеличаване на магнитния поток на двигателя. В този случай магнитната верига ще се насити и токът на статора ще се увеличи интензивно според нелинеен закон. В резултат на това работата на асинхронен двигател в режим на управление на честотата при постоянно напрежение се оказва невъзможна.

Чрез намаляване на честотата, за да се запази магнитния поток непроменен, е необходимо едновременно да се намали нивото на напрежение. По този начин при честотното управление трябва да се използват два канала за управление: честота и напрежение.

Ориз. 11. Механични характеристики на асинхронен двигател, когато се захранва с напрежение с контролирана честота и постоянен магнитен поток

Системите за управление на честотата обикновено са изградени като системи със затворен контур и повече информация за тях е дадена тук: Честотно регулиране на асинхронен двигател