Меню

Системы управления скоростью двигателей переменного тока



Регулирование скорости вращения двигателей переменного тока

date image2014-02-02
views image6793

facebook icon vkontakte icon twitter icon odnoklasniki icon

Практика показывает, что во многих случаях, когда требуется получить глубокое и плавное регулирование скорости, применяют электроприводы постоянного тока. Использование таких двигателей даёт выгодное соотношение общей стоимости электропривода и его функциональных характеристик, поскольку именно двигатели постоянного тока позволяют более простыми средствами осуществить качественное регулирование скорости. Однако при использовании двигателей постоянного тока необходимо преобразовывать переменный ток в постоянный. Это преобразование всегда связано с потерями энергии и увеличением капитальных затрат на преобразовательную установку. Поэтому в ряде регулируемых установок применяют двигатели переменного тока, более простые, дешёвые, надёжные и экономичные в эксплуатации.

Чаще всего применяются асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором, реже асинхронные двигатели с контактными кольцами, иногда коллекторные двигатели переменного тока.

Синхронные двигатели широко используются в промышленных установках средней и большой мощности, не требующих регулирования скорости вращения. Хотя принципиально имеется возможность регулирования скорости вращения синхронных электродвигателей изменением частоты, однако, как правило, синхронные двигатели должны быть отнесены к числу нерегулируемых.

Наибольшее применение получили следующие способы регулирования скорости вращения асинхронного двигателя:

а) введением сопротивления в цепь ротора;

б) изменением числа пар полюсов;

в) изменением частоты питающего напряжения;

г) каскадным включением асинхронного двигателя с другими машинами или вентильными преобразователями.

Для целей регулирования скорости, кроме упомянутых, могут быть использованы некоторые специальные способы включения электрических двигателей: импульсное регулирование, регулирование с помощью дросселей насыщения и другие.

5.1. Регулирование скорости вращения асинхронного двигателя ведением сопротивления в цепь ротора.

Введение сопротивления в цепь ротора (реостатное регулирование) позволяет, как и у двигателей постоянного тока, регулировать скорость вращения двигателя. Плавность регулирования зависит от числа ступеней включаемого сопротивления. Регулирование осуществляется вниз от основной скорости, причём лучшее использование двигателя достигается при регулировании с постоянным моментом. Диапазон регулирования непостоянен и зависит от нагрузки. Жёсткость характеристик значительно уменьшается по мере снижения скорости, что ограничивает диапазон регулирования до (2÷3) : 1. Недостатком этого способа регулирования являются также значительные потери энергии.

Более благоприятным в отношении потерь энергии является реостатное регулирование скорости при вентиляторном моменте нагрузки, когда подводимая мощность значительно уменьшается по мере снижения скорости. Поэтому такой способ регулирования находит более широкое применение в приводах с вентиляторным моментом нагрузки, а также в механизмах с повторно-кратковременным режимом работы, как, например, в крановых устройствах.

5.2. Регулирование скорости вращения асинхронного двигателя изменением числа полюсов.

Синхронная угловая скорость асинхронного электродвигателя зависит от частоты f1 питающего напряжения и от числа пар полюсов статора p:

или синхронная скорость вращения

Поэтому числом пар полюсов можно регулировать скорость вращения двигателя.

У двигателей с переключением числа полюсов обмотка каждой фазы состоит обычно из двух одинаковых частей, в одной из которых изменяется направление тока путём переключения этих частей с последовательного на параллельное соединение. Такое переключение (рис. 7.1) приводит к уменьшению числа полюсов вдвое и, следовательно, к увеличению вдвое синхронной скорости машины.

Рисунок.5.1. Схема переключения обмоток статора с последовательного на параллельное соединение.

Практически присоединение обмоток производится переключением обмотки статора по схеме, приведённой на рисунке 7.2, где осуществлён переход от одиночной звезды к двойной, или по схеме, где произведено переключение с треугольника на двойную звезду.

Кроме двухскоростных двигателей, применяются трёхскоростные двигатели, имеющие дополнительно ещё одну не переключаемую обмотку, а также четырёхскоростные двигатели, в статоре которых обычно закладывается две независимые обмотки на разные числа полюсов, каждая из которых переключается по одной из указанных выше схем.

Двигатели с переключением полюсов выполняют с короткозамкнутым ротором.

Регулирование скорости вращения переключением полюсов является не плавным, а ступенчатым. Вместе с тем рассматриваемый способ регулирования является весьма экономичным и отличается механическими характеристиками, обладающие большой жёсткостью.

Благодаря своим преимуществам двигатели с переключением полюсов находят широкое применение там, где не требуется плавного регулирования скорости, например в некоторых металлорежущих станках в целях уменьшения количества механических передач. Они применяются также для вентиляторов, насосов, элеваторов в цементной, нефтяной и других отраслях промышленности.

Рисунок 5.2.Схемы переключения обмоток статора на двойную звезду.

Источник

Регулирование частоты вращения электродвигателей

Подписка на рассылку

  • ВКонтакте
  • Facebook
  • ok
  • Twitter
  • YouTube
  • Instagram
  • Яндекс.Дзен
  • TikTok

Порядка 70 % потребляемой промышленностью мощности, приходится на электропривод. Огромное разнообразие технологических процессов диктует свои правила, вследствие чего, появилась необходимость в изменении скорости вращения электродвигателя непосредственно во время технологического процесса. В данной статье мы раскроем различные способы регулирования скорости вращения электродвигателей.

Параметры, изменив которые, мы изменим скорость двигателя переменного тока (ДПТ):

  • частота напряжения;
  • число пар полюсов;
  • величина напряжения;
  • добавочное сопротивление в цепи ротора;
  • вентильный каскад.
Читайте также:  После удара током смешные

Изменяемые параметры для ДПТ:

  • напряжение питания;
  • сопротивление цепи обмотки якоря;
  • магнитный поток.

Методы регулирования частоты вращения электродвигателя

Далее мы подробно рассмотрим эти способы и их применимость к различным типам электродвигателей.

Частотное регулирование

Наиболее эффективный, постоянно совершенствующийся способ.
Применение: двигатели переменного тока (синхронные и асинхронные с кз ротором).
Корректируя частоту питающего напряжения, мы изменим угловую скорость магнитного поля статора, следовательно, скорость двигателя в значительном диапазоне, имея достаточно жесткие механические характеристики. Для сохранения в норме коэффициента мощности и допустимости кратковременных перегрузок, меняя частоту, следует изменять и саму величину питающего напряжения.

Характеристики для нагрузки с постоянным статическим моментом сопротивленияХарактеристики при статическом моменте нагрузки обратно пропорциональном угловой скорости вращения

Преимущества способа:

  • обширный диапазон регулировки;
  • «жесткость» механических характеристик;
  • минимум потерь «скольжения», мощности.

Недостаток — высокая стоимость (в последние годы становится менее актуально).

Регулирование изменением числа пар полюсов

Применение: т.к. промышленность не выпускает серийно синхронные двигатели с изменяемым количеством пар полюсов, будем считать, что способ актуален только для асинхронных двигателей (далее АД) с кз ротором.
Способ реализуется изменением числа пар полюсов у обмоток. Этого можно добиться, изготовив двигатель с двумя независимыми обмотками. Но этот метод приводит к удорожанию конструкции и увеличению размеров машины. Поэтому наиболее выгодным является увеличение числа пар полюсов без использования второй независимой обмотки.
Промышленностью выпускаются двухскоротсные, трёхскоростные и четырёхскоростные электродвигатели.

Достоинства:

  • экономичность;
  • «жёсткие» механические характеристики.

Недостатки:

  • ограниченное количество возможных скоростей;
  • ступенчатость переключения скоростей.

Механические характеристики асинхронного двигателя при изменении напряжения подводимого к обмоткам статора

Изменение питающего напряжения

Применение: асинхронные двигатели.

Изменять напряжение на статоре можно, включая в его цепь резисторы (старый и неэкономичный способ), автотрансформаторы или тиристорные регуляторы.
При регулировании скорости изменением напряжения, критический момент пропорционален квадрату подводимого напряжения. Снижается устойчивость к кратковременным перегрузкам и КПД, поэтому метод предпочтителен при «вентиляторной» нагрузке. Еще один недостаток — малый диапазон регулирования.

Добавочное сопротивление в цепи ротора Механические характеристики асинхронного двигателя при изменении напряжения подводимого к обмоткам статора

Применение: АД с фазным ротором.
При изменении сопротивления ротора прямо пропорционально изменяется скольжение. Но величина критического момента остается постоянной. Это позволяет подобрать сопротивления так, чтобы уравнять критический момент с пусковым, что благоприятно сказывается на пуске двигателя под нагрузкой.

Достоинства способа:

  • простота реализации;
  • критический момент = const;

Недостатки:

  • большие потери (при изменении скорости половина мощности тратится на выделение тепла);
  • малый диапазон;
  • «мягкие» механические характеристики.

Механические характеристики электромеханического и электрического каскадовАсинхронный вентильный каскад

Применение: АД с фазным ротором.

Смысл регулирования каскадными схемами заключается в подаче в цепь ротора добавочной ЭДС. Изменяя добавочную ЭДС ротора, мы изменяем ток ротора, а значит его момент и скорость. Создать добавочную ЭДС, помимо устройства вентильного каскада, может и ДПТ — машинно-вентильный каскад.

Достоинства:

  • Минимум сопутствующей силовой и контактной аппаратуры;
  • плавность регулировок;
  • малая мощность управления.

Недостатки:

  • стоимость;
  • низкий коэффициент мощности;
  • плохая устойчивость к перегрузкам.

Изменение напряжения питания якоря

Применение: любые ДПТ.
Способ можно использовать если источником электрической энергии является генератор. Реализовать от общей сети невозможно.

Достоинства:

  • плавность регулировок;
  • простота пусков и торможений;
  • экономичность.

Недостатки:

  • необходимость трехкратного преобразования энергии→низкий КПД;
  • три электрические машины в системе;
  • дорогая эксплуатация.

Введение добавочного резистора в цепь якоря Механические характеристики двигателя постоянного тока независимого возбуждения

Применение: любые ДПТ.

Заключается в последовательном включении в цепь якоря регулировочного реостата. Но способ не получил распространения ввиду своей неэкономичности и плохого влияния на КПД двигателя, т.к. в цепи реостата теряется очень большое количество энергии.

Регулирование изменением магнитного потока

В цепь возбуждения двигателей параллельного и смешанного возбуждения подключается реостат. В машинах последовательного возбуждения изменение магнитного потока в обмотке возбуждения производится шунтированием этой обмотки регулируемым сопротивлением. Максимальная скорость вращения двигателя ограничивается лишь механической прочностью якоря. Скорость двигателя регулируется в диапазонах 2:1-5:1, в частных случаях 8-10:1.

Преимущества:

  • минимальные потери→экономичность;
  • широкий диапазон регулирования

Недостатки:

  • невозможно бесконечно уменьшать ток в обмотке возбуждения, двигатель уйдет «в разнос».

Источник

Регулирование скорости асинхронного двигателя

Наиболее распространены следующие способы регулирования скорости асинхронного двигателя : изменение дополнительного сопротивления цепи ротора, изменение напряжения, подводимого к обмотке статора, двигателя изменение частоты питающего напряжения, а также переключение числа пар полюсов.

Электрический двигатель

Регулирование частоты вращения асинхронного двигателя путем введения резисторов в цепь ротора

Введение резисторов в цепь ротора приводит к увеличению потерь мощности и снижению частоты вращения ротора двигателя за счет увеличения скольжения, поскольку n = n о (1 — s).

Из рис. 1 следует, что при увеличении сопротивления в цепи ротора при том же моменте частота вращения вала двигателя уменьшается.

Жесткость механических характеристик значительно снижается с уменьшением частоты вращения, что ограничивает диапазон регулирования до (2 — 3) : 1. Недостатком этого способа являются значительные потери энергии, которые пропорциональны скольжению. Такое регулирование возможно только для двигателя с фазным ротором.

Регулирование скорости асинхронного двигателяРегулирование частоты вращения асинхронного двигателя изменением напряжения на статоре

Читайте также:  Измерение сопротивления под током

Изменение напряжения, подводимого к обмотке статора асинхронного двигателя , позволяет регулировать скорость с помощью относительно простых технических средств и схем управления. Для этого между сетью переменного тока со стандартным напряжением U 1ном и статором электродвигателя включается регулятор напряжения .

При регулировании частоты вращения асинхронного двигателя изменением напряжения, подводимого к обмотке статора, критический момент М кр асинхронного двигателя изменяется пропорционально квадрату подводимого к двигателю напряжения U рет (рис. 3 ), а скольжение от U рег не зависит.

Механические характеристики асинхронного двигателя с фазным ротором при различных сопротивлениях резисторов, включенных в цепь ротора

Рис. 1. Механические характеристики асинхронного двигателя с фазным ротором при различных сопротивлениях резисторов, включенных в цепь ротора

Схема регулирования скорости асинхронного двигателя путем изменения напряжения на статоре

Рис. 2. Схема регулирования скорости асинхронного двигателя путем изменения напряжения на статоре

Механические характеристики асинхронного двигателя при изменении напряжения подводимого к обмоткам статора

Рис. 3. Механические характеристики асинхронного двигателя при изменении напряжения подводимого к обмоткам статора

Если момент сопротивления рабочей машины больше пускового момента электродвигателя (Мс > Мпуск), то двигатель не будет вращаться, поэтому необходимо запустить его при номинальном напряжении Uном или на холостом ходу.

Регулировать частоту вращения короткозамкнутых асинхронных двигателей таким способом можно только при вентиляторном характере нагрузки. Кроме того, должны использоваться специальные электродвигатели с повышенным скольжением. Диапазон регулирования небольшой, до n кр.

Для изменения напряжения применяют трехфазные автотрансформаторы и тиристорные регуляторы напряжения.

Схема замкнутой системы регулирования скорости тиристорный регулятор напряжения - асинхронный двигатель (ТРН - АД)

Рис. 4. Схема замкнутой системы регулирования скорости тиристорный регулятор напряжения — асинхронный двигатель (ТРН — АД)

Замкнутая схема управления асинхронным двигателем , выполненным по схеме тиристорный регулятор напряжения — электродвигатель позволяет регулировать скорость асинхронного двигателя с повышенным скольжением (такие двигатели применяются в вентиляционных установках).

Регулирование частоты вращения асинхронного двигателя изменением частоты питающего напряжения

Так как частота вращения магнитного поля статора n о = 60 f /р, то регулирование частоты вращения асинхронного двигателя можно производить изменением частоты питающего напряжения.

Регулирование частоты вращения асинхронного двигателя изменением частоты питающего напряженияПринцип частотного метода регулирования скорости асинхронного двигателя заключается в том, что, изменяя частоту питающего напряжения, можно в соответствии с выражением при неизменном числе пар полюсов р изменять угловую скорость n о магнитного поля статора.

Этот способ обеспечивает плавное регулирование скорости в широком диапазоне, а механические характеристики обладают высокой жесткостью.

Для получения высоких энергетических показателей асинхронных двигателей (коэффициентов мощности, полезного действия, перегрузочной способности) необходимо одновременно с частотой изменять и подводимое напряжение. Закон изменения напряжения зависит от характера момента нагрузки Мс. При постоянном моменте нагрузки напряжение на статоре должно регулироваться пропорционально частоте.

Схема частотного электропривода приведена на рис. 5, а механические характеристики АД при частотном регулировании — на рис. 6.

Схема частотного электропривода

Рис. 5. Схема частотного электропривода

Механические характеристики асинхронного двигателя при частотном регулировании

Рис. 6. Механические характеристики асинхронного двигателя при частотном регулировании

С уменьшением частоты f критический момент несколько уменьшается в области малых частот вращения. Это объясняется возрастанием влияния активного сопротивления обмотки статора при одновременном снижении частоты и напряжения.

Частотное регулирование скорости асинхронного двигателя позволяет изменять частоту вращения в диапазоне (20 — 30) : 1. Частотный способ является наиболее перспективным для регулирования асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Потери мощности при таком регулировании невелики, поскольку минимальны потери скольжения.

частотные преобразователиБольшинство современных преобразователей частоты построено по схеме двойного преобразования. Они состоят из следующих основных частей: звена постоянного тока (неуправляемого выпрямителя), силового импульсного инвертора и системы управления.

Звено постоянного тока состоит из неуправляемого выпрямителя и фильтра. Переменное напряжение питающей сети преобразуется в нем в напряжение постоянного тока.

Силовой трехфазный импульсный инвертор содержит шесть транзисторных ключей. Каждая обмотка электродвигателя подключается через соответствующий ключ к положительному и отрицательному выводам выпрямителя. Инвертор осуществляет преобразование выпрямленного напряжения в трехфазное переменное напряжение нужной частоты и амплитуды, которое прикладывается к обмоткам статора электродвигателя.

В выходных каскадах инвертора в качестве ключей используются силовые IGBT-транзисторы. По сравнению с тиристорами они имеют более высокую частоту переключения, что позволяет вырабатывать выходной сигнал синусоидальной формы с минимальными искажениями. Регулирование выходной частоты I вых и выходного напряжения осуществляется за счет высокочастотной широтно-импульсной модуляции.

Регулирование частоты вращения асинхронного двигателя переключение числа пар полюсов

Ступенчатое регулирование скорости можно осуществить, используя специальные многоскоростные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором.

Из выражения n о = 60 f /р следует, что при изменении числа пар полюсов р получаются механические характеристики с разной частотой вращения n о магнитного поля статора. Так как значение р определяется целыми числами, то переход от одной характеристики к другой в процессе регулирования носит ступенчатый характер.

Существует два способа изменения числа пар полюсов. В первом случае в пазы статора укладывают две обмотки с разным числом полюсов. При изменении скорости к сети подключается одна из обмоток. Во втором случае обмотку каждой фазы составляют из двух частей, которые соединяют параллельно или последовательно. При этом число пар полюсов изменяется в два раза.

Читайте также:  Когда появился генератор переменного тока

Схемы переключения обмоток асинхронного двигателя: а - с одинарной звезды на двойную; б - с треугольника на двойную звезду

Рис. 7. Схемы переключения обмоток асинхронного двигателя: а — с одинарной звезды на двойную; б — с треугольника на двойную звезду

Регулирование скорости путем изменения числа пар полюсов экономично, а механические характеристики сохраняют жесткость. Недостатком этого способа является ступенчатый характер изменения частоты вращения асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Выпускаются двухскоростные двигатели с числом полюсов 4/2, 8/4, 12/6. Четырехскоростной электродвигатель с полюсами 12/8/6/4 имеет две переключаемые обмотки.

Использованы материалы книги Дайнеко В.А., Ковалинский А.И. Электрооборудование сельскохозяйственных предприятий.

Источник

Глава 5 Системы управления скоростью электроприводов переменного тока

5.1 Особенности и классификация управления электроприводов переменного тока

Системы управления электроприводов переменного тока строятся так же, как и система постоянного тока, по принципу “управляемый преобразователь-двигатель” с различными обратными связями, позволяющими непрерывно контролировать управляемые координаты электропривода.

Управляемыми преобразователями в таких системах являются преобразователи переменного напряжения и преобразователи частоты (ПЧ). Простой маловентильный преобразователь переменного напряжения (ТПН) позволяет создать систему управления типа ТПН-АД, позволяющие регулировать скорость электропривода в небольших пределах, формировать требуемые статические и динамические характеристики и улучшать энергетические и технико-экономические показатели.

Использование в системах управления электроприводов переменного тока и преобразователей частоты позволяет создавать системы асинхронного или синхронного электроприводов: ПЧ-АД или ПЧ-СД, системы с двигателями двойного питания, обеспечивающие частотное управление скоростью и моментом электропривода. В качестве преобразователей частоты используются преобразователи частоты с непосредственной связью (НПЧ) и со звеном постоянного тока, с автономными инверторами напряжения (АИН) и тока (АИТ). Такие системы, построенные по принципу подчинённого регулирования координат с векторным и, в частности, частотно-токовом управлением, обеспечивают высокие диапазоны регулирования скорости в статических режимах и высокое быстродействие в динамических.

5.2 Суэп переменного тока с тиристорным преобразователем напряжения

Регулирование напряжения в ТПН осуществляется с помощью тиристоров с различным схемами их включения. Наибольшее распространение получили ТПН с использованием двух тиристоров включенных по встречно-параллельной схеме в каждой фазе с нулевым и без нулевого вывода при соединении обмоток статора в звезду или треугольник (рисунок 5.1 а, б, в). В такой схеме при условном направлении вращения вала двигателя “Вперёд” включаются тиристоры VS1-VS6, а при направлении “Назад”VS7-VS10. ТПН используются также и при динамическом торможении. Включение требуемых тиристоровVSпроизводится системой импульсно-фазового управления (СИФУ), обеспечивающей подачу импульсов управления на требуемые тиристоры.

Анализ работы ТПН затруднён, так как напряжение на его выходе является функцией не только угла управления то и угла нагрузки(на основе эквивалентной схемы рисунок 5.3 а):

где Rэ,Xэ– эквивалентные активное и индуктивное сопротивления нагрузки согласно схеме замещения (рисунок 5.3 б) фазы асинхронного двигателя:

Рисунок 5.1 – Схема включения тиристоров в электропривод с ТПН

Рисунок 5.2 – Схема реверсивного электропривода с ТПН

Рисунок 5.3 – Схема эквивалентная и замещения асинхронного двигателя

Рисунок 5.4 – Механические характеристики при регулировании угла управления в разомкнутой системе ТПН – АД

Здесь ;.

Характеристики ТПН рассматриваются в виде семейства характеристик . Выходное напряжение, как правило, представляют первой гармоникой так как другие гармоники (высшие нечёткие) оказывают незначительное влияние на момент двигателя.

Система управления асинхронным электроприводом ТПН-АД с суммирующим усилителем

Механические характеристики при регулировании угла α в разомкнутой системе показаны на рисунке 5.4. Такая система практически не обеспечивает регулирование скорости. Для регулирования скорости и получения жёстких механических характеристик необходима замкнутая система управления с обратной связью по скорости двигателя, сигнал которой обеспечивается тахогенератором (датчиком скорости). Также используются обратные связи по напряжению или току статора или ротора (для двигателя с фазным ротором). Расчёт параметров таких связей в системах управления с ТПН вызывает затруднения из-за несинусоидальной формы напряжения и тока.

Функциональная схема СУЭП с ТПН позволяющая получить жёсткие механические характеристики приведена на рисунке 5.5 а, а механические характеристики при заданном диапазоне регулировании скорости двигателя приведены на рисунке 5.5 б. Задание скорости осуществляется задающим напряжениемUЗ, снимаемым с задатчика скоростиRP. Сигнал обратной связи по скорости обеспечивается тахогенератором постоянного токаBR. Сигнал управления подаётся на усилитель А (характеристика которого приведена на рисунке 5.5 в). Выходное напряжение усилителяUУПограничено стабилитрономV2, включённым на входе усилителя до значенияUУП.MAX. НапряжениеUУПподаётся на СИФУ ТПН, регулировочная характеристика которого приведена на рисунке 5.5 г.

Стабилизация скорости двигателя при изменении его нагрузки в установившемся режиме работы осуществляется следующим образом. При малой нагрузке, когда Мс 1 / 27 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 > Следующая > >>

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Источник