Sterowanie silnikami trójfazowymi, metody regulacji prędkości obrotowej silnika

Sterowanie silnikami asynchronicznymi może być albo parametryczne, to znaczy poprzez zmianę parametrów obwodów maszyny, albo przez osobny przetwornik.

Sterowanie parametryczne

Krytyczny poślizg zależy słabo od czynnej rezystancji obwodu stojana. Gdy do obwodu stojana zostanie wprowadzona dodatkowa rezystancja, wartość nieznacznie spada. Maksymalny moment obrotowy może zostać znacznie zmniejszony. W rezultacie charakterystyka mechaniczna przyjmie postać pokazaną na ryc. 1.

Ryż. 1. Charakterystyka mechaniczna silnika asynchronicznego przy zmianie parametrów obwodu pierwotnego i wtórnego: 1 — naturalna, 2 i 3 — z wprowadzeniem dodatkowej rezystancji czynnej i indukcyjnej w obwodzie stojana

Porównując to z naturalną charakterystyką silnika można stwierdzić, że wprowadzenie dodatkowej rezystancji w obwód stojana ma niewielki wpływ na prędkość. Przy stałym statycznym momencie obrotowym prędkość nieznacznie spadnie.Dlatego ta metoda kontroli szybkości jest nieefektywna i nie jest stosowana w tej najprostszej wersji.

Wprowadzenie rezystancji indukcyjnej do obwodu stojana jest również nieskuteczne. Poślizg krytyczny również nieznacznie się zmniejszy, a moment obrotowy silnika zostanie znacznie zmniejszony ze względu na wzrost oporu. Odpowiednia charakterystyka mechaniczna jest pokazana na tym samym ryc. 1.

Czasami w obwodzie stojana wprowadzana jest dodatkowa rezystancja aby ograniczyć prądy rozruchowe… W tym przypadku dławiki są zwykle używane jako dodatkowa rezystancja indukcyjna, a tyrystory jako aktywne (rys. 2).

Ryż. 2. Włączenie tyrystorów do obwodu stojana

Należy jednak pamiętać, że znacznie zmniejsza to nie tylko krytyczne, ale także moment rozruchowy silnika (w c = 1), co oznacza, że ​​rozruch w tych warunkach jest możliwy tylko z małym momentem statycznym. Wprowadzenie dodatkowej rezystancji w obwód wirnika jest oczywiście możliwe tylko dla silnika z wirnikiem uzwojonym.

Dodatkowa rezystancja indukcyjna w obwodzie wirnika ma taki sam wpływ na prędkość silnika, jak w przypadku jej wprowadzenia do obwodu stojana.

W praktyce wykorzystanie rezystancji indukcyjnej w obwodzie wirnika jest niezwykle trudne ze względu na fakt, że musi on pracować ze zmienną częstotliwością — od 50 Hz do kilku herców, a czasem ułamków herca. W takich warunkach bardzo trudno jest stworzyć dławik.

Przy niskiej częstotliwości wpłynie to głównie na rezystancję czynną cewki indukcyjnej. Biorąc pod uwagę powyższe rozważania, rezystancja indukcyjna w obwodzie wirnika nigdy nie jest wykorzystywana do sterowania prędkością.

Najbardziej efektywnym sposobem parametrycznej regulacji prędkości obrotowej jest wprowadzenie dodatkowej rezystancji czynnej w obwodzie wirnika. Daje nam to rodzinę charakterystyk ze stałym maksymalnym momentem obrotowym. Charakterystyki te służą do ograniczania prądu i utrzymywania stałego momentu obrotowego, a także mogą być wykorzystywane do sterowania prędkością.

na ryc. 3 pokazuje, jak zmieniając r2, tj. wejście rext, w pewnym momencie statycznym można zmienić prędkość w szerokim zakresie — od nominalnej do zerowej. W praktyce jednak regulacja prędkości możliwa jest tylko dla odpowiednio dużych wartości momentu statycznego.

Ryż. 3. Charakterystyki mechaniczne silnika asynchronicznego z wprowadzeniem dodatkowej rezystancji w obwód wirnika

Przy niskich wartościach (Mo) w trybie zbliżonym do biegu jałowego zakres regulacji prędkości jest znacznie zmniejszony i trzeba będzie wprowadzić bardzo duże dodatkowe rezystancje, aby odczuwalnie zmniejszyć prędkość.

Należy mieć na uwadze, że przy pracy z małymi prędkościami obrotowymi i dużymi momentami statycznymi stabilność prędkości będzie niewystarczająca, ponieważ ze względu na dużą stromość charakterystyki niewielkie wahania momentu będą powodowały znaczne zmiany prędkości.

Czasami, aby zapewnić przyspieszenie silnika bez sukcesywnego usuwania sekcji reostatu, równolegle do pierścieni wirnika łączy się opornik i cewkę indukcyjną (rys. 4).

Ryż. 4. Połączenie równoległe dodatkowej rezystancji czynnej i indukcyjnej w obwodzie wirnika silnika asynchronicznego

W początkowym momencie rozruchu, gdy częstotliwość prądu w wirniku jest duża, prąd jest zamykany głównie przez reostat, tj.poprzez duży opór, który zapewnia odpowiednio wysoki moment rozruchowy. Gdy częstotliwość maleje, rezystancja indukcyjna maleje, a prąd również zaczyna się zamykać przez indukcyjność.

Po osiągnięciu prędkości roboczych, gdy poślizg jest mały, prąd płynie głównie przez cewkę indukcyjną, której rezystancja przy niskiej częstotliwości jest określona przez rezystancję elektryczną uzwojenia rrev. Tak więc podczas rozruchu rezystancja zewnętrzna obwodu wtórnego jest automatycznie zmieniana z reost na roro, a przyspieszenie następuje przy praktycznie stałym momencie obrotowym.

Sterowanie parametryczne w naturalny sposób wiąże się z dużymi stratami energii. Energia poślizgu, która w postaci energii elektromagnetycznej jest przenoszona przez szczelinę ze stojana do wirnika i jest zwykle zamieniana na mechaniczną, przy dużej rezystancji obwodu wtórnego, idzie głównie na ogrzewanie tej rezystancji i przy s = 1 cała energia przekazywana ze stojana do wirnika zostanie zużyta w reostatach obwodu wtórnego (rys. 5).

Ryż. 5. Straty w obwodzie wtórnym przy regulacji prędkości obrotowej silnika asynchronicznego poprzez wprowadzenie dodatkowej rezystancji w obwodzie wirnika: I — strefa mocy użytecznej przenoszonej na wał silnika, II — strefa strat w rezystancjach obwodu wtórnego

Dlatego sterowanie parametryczne stosuje się głównie do krótkotrwałego zmniejszenia prędkości w trakcie procesu technologicznego realizowanego przez pracującą maszynę.Jedynie w przypadkach, gdy procesy regulacji prędkości połączone są z uruchamianiem i zatrzymywaniem pracującej maszyny, jak np. w urządzeniach dźwigowych, jako główny sposób regulacji prędkości stosuje się sterowanie parametryczne z wprowadzeniem dodatkowej rezystancji w obwodzie wirnika.

Regulacja prędkości poprzez zmianę napięcia przykładanego do stojana

Podczas regulacji prędkości silnika indukcyjnego poprzez zmianę napięcia kształt charakterystyki mechanicznej pozostaje niezmieniony, a momenty maleją proporcjonalnie do kwadratu napięcia. Charakterystykę mechaniczną przy różnych naprężeniach przedstawiono na ryc. 6. Jak widać w przypadku zastosowania silników konwencjonalnych zakres regulacji prędkości jest bardzo ograniczony.

Ryż. 6… Regulacja prędkości silnika indukcyjnego poprzez zmianę napięcia w obwodzie stojana

Nieco szerszy zakres można osiągnąć dzięki silnikowi o wysokim poślizgu. Jednak w tym przypadku charakterystyki mechaniczne są strome (rys. 7), a stabilną pracę silnika można osiągnąć tylko przy zastosowaniu zamkniętego układu zapewniającego stabilizację obrotów.

Kiedy zmienia się statyczny moment obrotowy, układ sterowania utrzymuje zadany poziom prędkości i następuje przejście z jednej charakterystyki mechanicznej do drugiej, w wyniku czego praca jest kontynuowana z charakterystyką pokazaną liniami przerywanymi.

Ryż. 7. Charakterystyki mechaniczne podczas regulacji napięcia stojana w układzie zamkniętym

Gdy napęd jest przeciążony, silnik osiąga charakterystykę graniczną odpowiadającą maksymalnemu możliwemu napięciu, jakie zapewnia przekształtnik, a wraz ze wzrostem obciążenia prędkość będzie się zmniejszać zgodnie z tą charakterystyką. Przy niskim obciążeniu, jeśli przetwornica nie może zredukować napięcia do zera, nastąpi wzrost prędkości zgodnie z charakterystyką AC.

Wzmacniacze magnetyczne lub przetwornice tyrystorowe są zwykle używane jako źródła sterowane napięciem. W przypadku zastosowania przetwornicy tyrystorowej (rys. 8) ta ostatnia zwykle pracuje w trybie impulsowym. W takim przypadku na zaciskach stojana silnika indukcyjnego utrzymywane jest pewne średnie napięcie, które jest niezbędne do zapewnienia określonej prędkości.

Ryż. 8. Schemat impulsowego sterowania prędkością silnika indukcyjnego

Do regulacji napięcia na zaciskach stojana silnika wydaje się możliwe zastosowanie transformatora lub autotransformatora z uzwojeniami sekcyjnymi. Stosowanie oddzielnych bloków transformatorów wiąże się jednak z bardzo dużymi kosztami i nie zapewnia wymaganej jakości regulacji, gdyż w tym przypadku możliwa jest jedynie skokowa zmiana napięcia, a wprowadzenie łącznika sekcyjnego do układ automatyczny. Autotransformatory są czasami używane do ograniczania prądów rozruchowych silników dużej mocy.

Sterowanie prędkością poprzez przełączanie sekcji uzwojenia stojana na różną liczbę par biegunów

Istnieje szereg mechanizmów produkcyjnych, które podczas procesu technologicznego muszą pracować na różnych poziomach prędkości, przy czym nie ma potrzeby płynnej regulacji, ale wystarczy mieć napęd z dyskretną, skokową zmianą prędkości. Takie mechanizmy obejmują niektóre maszyny do obróbki metalu i drewna, windy itp.

Można osiągnąć ograniczoną liczbę stałych prędkości obrotowych wielobiegowe silniki klatkowe, w którym uzwojenie stojana przełącza się na inną liczbę par biegunów. Ogniwo wiewiórcze silnika z ogniwami wiewiórczymi automatycznie tworzy liczbę biegunów równą liczbie biegunów stojana.

Stosowane są dwie konstrukcje silników: z wieloma uzwojeniami w każdym żłobku stojana oraz z pojedynczym uzwojeniem, którego sekcje są przełączane w celu wytworzenia różnej liczby par biegunów.

Silniki wielobiegowe z kilkoma niezależnymi uzwojeniami stojana są gorsze pod względem technicznym i ekonomicznym od jednouzwojeniowych silników wielobiegowych. W silnikach wielouzwojeniowych uzwojenie stojana jest wykorzystywane nieefektywnie, wypełnienie żłobka stojana jest niewystarczające, sprawność i cosφ są poniżej wartości optymalnych. Dlatego główny rozkład uzyskuje się z wielobiegowych silników jednouzwojeniowych z przełączaniem uzwojeń na różnej liczbie par biegunów.

Podczas przełączania sekcji zmienia się rozkład MDS w otworze stojana. W rezultacie zmienia się również prędkość obrotowa MDS, a tym samym strumień magnetyczny. Najprostszym sposobem jest zamiana par biegunów w stosunku 1: 2. W tym przypadku uzwojenia każdej fazy są wykonane w postaci dwóch sekcji.Zmiana kierunku prądu w jednej z sekcji pozwala na zmniejszenie o połowę liczby par biegunów.

Rozważ obwody uzwojenia stojana silnika, którego sekcje są przełączane na osiem i cztery bieguny. na ryc. 9 przedstawia dla uproszczenia uzwojenie jednofazowe. Kiedy dwie sekcje są połączone szeregowo, to znaczy, gdy koniec pierwszej sekcji K1 jest połączony z początkiem drugiej H2, otrzymujemy osiem biegunów (ryc. 9, a).

Jeśli zmienimy kierunek prądu w drugiej sekcji na przeciwny, wówczas liczba biegunów utworzonych przez cewkę zmniejszy się o połowę i będzie równa czterem (ryc. 9, b). Kierunek prądu w drugiej sekcji można zmienić przekładając zworkę z zacisków K1, H2 na zaciski K1, K2. Ponadto cztery bieguny można uzyskać, łącząc sekcje równolegle (ryc. 9, c).

Ryż. 9. Przełączanie odcinków uzwojenia stojana na różną liczbę par biegunów

Charakterystykę mechaniczną silnika dwubiegowego z przełączanymi uzwojeniami stojana pokazano na rys. dziesięć.

Ryż. 10. Charakterystyki mechaniczne silnika indukcyjnego przy przełączaniu uzwojenia stojana o różnej liczbie par biegunów

Podczas przełączania ze schematu a na schemat b (ryc. 9) utrzymywana jest stała moc silnika na obu poziomach prędkości (ryc. 10, a). Podczas korzystania z opcji drugiej zmiany biegów silnik może rozwinąć ten sam moment obrotowy. Możliwe jest przełączanie sekcji uzwojenia stojana, zapewniając przełożenie prędkości nie tylko 1: 2, ale także inne. Oprócz silników dwubiegowych przemysł produkuje również silniki trzy- i czterobiegowe.

Regulacja częstotliwości silników trójfazowych

Jak wynika z powyższego, regulacja prędkości silnika indukcyjnego jest niezwykle trudna. Płynna regulacja prędkości w szerokim zakresie przy zachowaniu wystarczającej sztywności charakterystyki jest możliwa tylko przy częściowej regulacji. Zmieniając częstotliwość prądu zasilającego, a co za tym idzie prędkość wirowania pola magnetycznego, można regulować prędkość wirowania wirnika silnika.

Jednak do sterowania częstotliwością w instalacji potrzebna jest przetwornica częstotliwości, która mogłaby przetwarzać prąd o stałej częstotliwości sieci zasilającej 50 Hz na prąd o zmiennej częstotliwości płynnie zmieniającej się w szerokim zakresie.

Początkowo próbowano zastosować przetwornice w maszynach elektrycznych. Jednak aby uzyskać prąd o zmiennej częstotliwości z generatora synchronicznego, konieczne jest obracanie jego wirnika ze zmienną prędkością. W tym przypadku zadania regulacji prędkości obrotowej pracującego silnika są przypisane do silnika napędzającego generator synchroniczny w ruchu obrotowym.

Generator kolektora, który może generować prąd o zmiennej częstotliwości przy stałej prędkości obrotowej, również nie pozwolił rozwiązać problemu, ponieważ po pierwsze do jego wzbudzenia potrzebny jest prąd o zmiennej częstotliwości, a po drugie, podobnie jak wszystkie maszyny kolektora prądu przemiennego , pojawiają się duże trudności w zapewnieniu normalnej komutacji kolektora.

W praktyce kontrola częstotliwości zaczęła się rozwijać wraz z nadejściem przyrządy półprzewodnikowe…Jednocześnie okazało się, że możliwe jest stworzenie przetwornic częstotliwości do sterowania zarówno elektrowniami, jak i silnikami wykonawczymi w układach serwo i serwonapędach.

Wraz ze złożonością projektowania przetwornicy częstotliwości istnieje również potrzeba jednoczesnego sterowania dwiema wielkościami — częstotliwością i napięciem. Gdy częstotliwość zmniejsza się w celu zmniejszenia prędkości, równowagę pola elektromagnetycznego i napięcia sieci można utrzymać tylko poprzez zwiększenie strumienia magnetycznego silnika. W takim przypadku obwód magnetyczny ulegnie nasyceniu, a prąd stojana będzie intensywnie wzrastał zgodnie z nieliniowym prawem. W rezultacie praca silnika indukcyjnego w trybie regulacji częstotliwości przy stałym napięciu jest niemożliwa.

Zmniejszając częstotliwość, aby utrzymać niezmieniony strumień magnetyczny, konieczne jest jednoczesne obniżenie poziomu napięcia. Dlatego w regulacji częstotliwości należy zastosować dwa kanały sterowania: częstotliwościowy i napięciowy.

Ryż. 11. Charakterystyki mechaniczne silnika indukcyjnego zasilanego napięciem o regulowanej częstotliwości i stałym strumieniu magnetycznym

Układy regulacji częstotliwości są zwykle budowane jako układy z pętlą zamkniętą i więcej informacji na ich temat podano tutaj: Regulacja częstotliwości silnika asynchronicznego