Vikupautomsk.ru

Выкуп Авто МСК
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что такое угловая скорость асинхронного двигателя

§2.6. Регулирование угловой скорости трехфазных асинхронных двигателей

Трехфазные асинхронные двигатели используют в основном в приводах, не требующих широкого регулирования угловой скорости ротора. Однако в последнее время расширяется применение этих дешевых и надежных двигателей и в регулируемом электроприводе, в том числе в станках с числовым программным управлением. Основные способы регулирования угловой скорости ротора основаны на изменении скорости поля за счет изменения частоты напряжения питания или числа полюсов, т.к.

Регулирование возможно также за счет изменения амплитуды напряжения питания, а у двигателей с контактными кольцами – изменения добавочного сопротивления в цепи ротора.

Регулирование переключением числа полюсов.
Изменение числа пар полюсов pм позволяет дискретно регулировать ω2. Для реализации этого способа требуется либо укладывать на статоре несколько обмоток с различным pм, либо выполнять одну обмотку из секций, выведенных на коммутатор. Переключая секции, можно получать различное число полюсов обмотки. В обоих случаях возрастают габариты, масса и стоимость, усложняется конструкция многоскоростных двигателей по сравнению с нормальными. Основным недостатком способа регулирования является ступенчатый характер изменения угловой скорости, число ступеней скорости не превышает 3/4. Диапазон регулирования не превышает D=4:1. Способ применяется только у двигателей с коротко замкнутым ротором, у которых число полюсов ротора автоматически становится равным числу полюсов обмотки статора.

Регулирование изменением частоты напряжения питания (частотное управление).
У трехфазных асинхронных двигателей наиболее перспективным способом плавного регулирования является изменение частоты напряжения питания f1 (cм. 2.32).При этом следует иметь ввиду, что для наилучшего использования двигателя изменение частоты должно сопровождаться изменением амплитуды напряжения питания. Объясняется это тем, что в соответствии с (1.5) при неизменной амплитуде напряжения и регулировании частоты изменяется магнитный поток машины Фm=U1 /(4,44f1w1эф). Уменьшение f1 вызовет увеличение Фm, что может привести к насыщению магнитопровода, резкому возрастанию намагничивающего тока и перегреву как стали, так и обмоток статора. Увеличение f1 приводит к уменьшению Фm, что при Мст=const в соответствии с (2.24) вызовет рост тока в роторе и, соответственно, перегрев ротора при недоиспользовании стали.
Закон изменения напряжения зависит от изменения частоты питания и характера нагрузки. Если статический момент нагрузки Мст не зависит от скорости, то необходимо при регулировании частоты f1 так изменять напряжение U1, чтобы

Если же статический момент нагрузки обратно пропорционален скорости и мощность нагрузки Мстω2 = const, то соотношение U1 и f1 должно иметь следующий вид: U1 /(f1) 1/2 =const.
На рис. 2.16 приведено семейство механических характеристик при изменении частоты и амплитуды напряжения в соответствии с выражением (2.33).


Рис.2.16

Как видно, с изменением частоты напряжения питания (f1a>f1b>f1c) при неизменном моменте Мном угловая скорость ротора ( ω2a > ω2b > ω2c ) изменяется в широком диапазоне практически пропорционально частоте.
С уменьшением частоты критическая угловая скорость уменьшается, максимальный момент в области высоких и средних частот остается неизменным, а в области малых частот несколько уменьшается. При этом в широком диапазоне сохраняется перегрузочная способность двигателя Мmaxном.
Частотный способ позволяет устанавливать угловую скорость выше и ниже номинальной. Увеличение угловой скорости допускается (в основном из условий механической прочности) в I,5-2 раза больше номинальной. Нижний предел скорости ограничен тем, что технически сложно получить источники питания с низкой частотой, а также добиться достаточно равномерного вращения ротора двигателя. В разомкнутом приводе частотный способ управления позволяет изменять угловую скорость в диапазоне D = (20 — 30):1; в замкнутом приводе диапазон может быть существенно расширен с помощью обратных связей по скорости, току и напряжению.
Препятствием для широкого внедрения частотного способа является сложность и весьма высокая стоимость полупроводниковых преобразователей частоты. Схема и алгоритмы управления таким приводом получаются более сложными, чем приводом постоянного тока, так как управлять приходится сразу двумя взаимосвязанными величинами: частотой напряжения и магнитным потоком — при существенно нелинейных характеристиках.
Однако асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором благодаря отсутствию скользящего контакта являются более надежными и требуют меньше ухода в эксплуатации, чем коллекторные двигатели постоянного тока. При одинаковой мощности их стоимость в несколько раз меньше. Поэтому создание регулируемых асинхронных приводов с частотным управлением в целом ряде случаев является перспективным.

Читать еще:  Датчик температуры двигателя опель вектра 1997

Регулирование изменением напряжения питания.
В принципе такое регулирование возможно, однако используется очень редко. Объясняется это тем, что при малом Sкp, характерном для двигателей обычного исполнения, диапазон регулирования ω12кp очень узок.

Регулирование изменением сопротивления в цепи ротора.
Реостатный и импульсный способы регулирования, основанные на изменении добавочного активного сопротивления реостата Rд, включаемого в цепь ротора двигателя с контактными кольцами, реализуются практически по тем же схемам, что и соответствующие способы пуска (см. § 2.5, рис. 2.13 и 2.14 ). Снижение жесткости механических характеристик при увеличении активного сопротивления в цепи ротора ограничивает диапазон регулирования до D =(2-3):1. Существенным недостатком являются также значительные потери мощности в цепи ротора, т.к. в процессе регулирования сильно растет скольжение.

Частотный регулятор скорости для асинхронного двигателя

Регулировка скорости изменением величины напряжения снижает момент и также увеличивает потери мощности. Регулировка частоты вращения путем изменения числа полюсов осуществляется ступенчато, кроме того, этот способ пригоден только для специальных многоскоростных двигателей с несколькими обмотками неподвижной части.

Асинхронный двигатель – самый распространенный электропривод технологического оборудования. Главная особенность таких электрических машин – постоянная скорость вращения вала. Ее регулировку осуществляют:

  • Механическим способом. Для этого вал подключают к редукторам, муфтам и другим устройствам.
  • Путем изменения числа пар полюсов, величины или частоты питающего напряжения обмоток статора.

Механическое регулирование усложняет кинематическую схему электропривода, ведет к потерям мощности и нерациональному расходу электроэнергии.

Наиболее перспективный метод регулирования уголовной скорости ротора – преобразование частоты питающего напряжения. Этот способ обеспечивает сохранение механических характеристик во всем диапазоне и обладает рядом других преимуществ.

Устройство и принцип работы частотного регулятора

Принцип частотного регулирования основан на зависимости угловой скорости вращения ротора от частоты напряжения на обмотках статора. С появлением IGBT-транзисторов и GTO-тиристоров наибольшее распространение получила схема преобразования частоты на базе широтно-импульсного модулятора.

Такие преобразователи частоты состоят:

  • Из силового выпрямителя с С или LC фильтром для сглаживания пульсаций.
  • Из инвертора на IGBT-транзисторах для преобразования постоянного напряжения в переменное, заданной частоты и амплитуды.
  • Из блока управления для генерации отпирающих силовые транзисторы импульсов.

Переменное напряжение выпрямляется и преобразуется в постоянное, затем снова инвертируется в переменное. Частота на силовом выходе ПЧ определяется длительностью отпирающих силовые транзисторы импульсов, поступающих со схемы управления.

Такой способ регулирования позволяет изменять частоту и амплитуду напряжения в силовой цепи электродвигателя, а значит управлять скоростью вращения ротора и моментом на валу электрической машины.

Структура частотного регулятора

Большинство частотных преобразователей для электродвигателей до 690 В выполнены по схеме двухуровневых инверторов напряжения. Они позволяют моделировать напряжение питания необходимой формы, амплитуды частоты. Такие устройства состоят из неуправляемого выпрямителя, 2-х транзисторных ключей на каждую фазу и конденсатора. Выходное напряжение содержит высшие гармоники, которые сглаживаются индуктивной нагрузкой. Специальные фильтры применяют относительно редко.

К недостаткам такой схемы является ограничение величины выходного напряжения, которое определяется максимальным напряжением полупроводниковых устройств.

Для высоковольтных приводов используются многоуровневые схемы регулирования. Они состоят из нескольких однофазных инверторов, соединенных последовательно. Такая схема позволяет избежать резонансов, обеспечивает высокое быстродействие, снижает скорость нарастания напряжения. Такие ПЧ имеют модульную конструкцию. При выходе из строя одной из ячеек, ее легко заменить. К недостаткам этой схемы относятся необходимость отдельного источника питания для каждого модуля, функции которого выполняет трансформатор специального назначения.

Преобразователи частоты с плавающими конденсаторами позволяют обойтись без входного трансформатора и увеличивать число ячеек в зависимости от требуемой мощности. Такое решение обеспечивает снижение высших гармоник, уменьшает скорость нарастания напряжения.

Для регулировки скорости электродвигателей с повторно-кратковременным режимом работы частыми реверсами применяют инверторы тока. Эти устройства представляют собой управляемый выпрямитель и инвертор на тиристорах. Для уменьшения помех в цепи нагрузки в схему включается расщепленный индуктивный фильтр. Выходное напряжение таких устройств имеет форму аппроксимированной синусоиды. Для сглаживания его формы обязательно включение перед электродвигателем конденсаторов. Главное достоинство таких ПЧ – возможность рекуперации электроэнергии обратно в электросеть.

Прямые преобразователи частоты не содержат конденсаторов. Главное их преимущество – небольшие габариты и значительная мощность нагрузки. Такие устройства используются в составе мощных электроприводов работающих на низких скоростях. ПЧ этого типа выполнены на базе тиристорных преобразователей. На входе прямых ПЧ установлен фазосдвигающий трансформатор, устраняющий низшие гармоники и выполняющий функцию источника питания для каждого преобразователя. Прямые ПЧ требуют сложной схемы управления.

Читать еще:  Что такое хонинговка блока цилиндров двигателя

Состав частотных преобразователей

Кроме выпрямителя, ШИМ-модулятора и инвертора, в состав частотного преобразователя входят:

Устройство для ввода данных и обмена информаций с ПК, другими частотными преобразователями.

  • Встроенная энергонезависимая память. В этом устройстве фиксируются аварийные отключения, изменения настроек, а также другие данные.
  • Управляющий контроллер, обеспечивающий реализацию алгоритмов управления, обработку данных с датчиков, защитное отключение при ненормальных режимах работы.
  • ЭМ-фильтр. Это устройство обеспечивает снижение реактивной высокочастотной составляющей, снижающей качество электроэнергии и отрицательно влияющей на работу электродвигателя.
  • Вентилятор и радиатор для принудительного охлаждения и отвода тепла силовых транзисторов.
  • Тормозной прерыватель и другие элементы.

Кроме аппаратной части, преобразователи частоты содержат программное обеспечение. Контроллеры с открытой логикой позволяют вносить изменения в стандартное ПО, поставляемое производителем, и самостоятельно программировать ПЧ.

Однофазные преобразователи частоты

Однофазные асинхронные электродвигатели широко применяются в качестве приводов насосных агрегатов, вентиляторов, маломощных станков. Для регулирования частоты вращения этих электрических машин применяются 2 основных способа:

  • Изменение величины напряжения питания.
  • Изменение частоты питающего напряжения.

Для регулирования питающего напряжения применяются трансформаторные, автотрансформаторные, тиристорные, симисторные и транзисторные преобразователи. Изменение частоты вращения путем регулирования напряжения имеет ряд серьезных недостатков:

  • Увеличение скольжения и сильный нагрев обмоток статора.
  • Узкий диапазон регулирования.

Кроме того, постоянная составляющая питающего напряжения на выходе тиристорных и симисторных устройств вызовает увеличение шума при работе, рывки и другие нежелательные явления.

Частотное регулирование лишено этих недостатков. Однофазные ПЧ применяются в холодильном оборудовании, системах вентиляции, бытовых насосах.

Такие электроприводы обеспечивают:

  • Стабильную работу однофазного двигателя при любой частоте вращения.
  • Снижение потребления электроэнергии.
  • Возможность автоматической регулировки частоты вращения с обратной связью по изменению одного или нескольких технологических параметров.
  • Удаленное управление и контроль характеристик.
  • Защиту от ненормальных режимов работы и коротких замыканий.
  • Интеллектуальное управление электродвигателем в соответствии с заданным алгоритмом.
  • Возможность пуска без фазосдвигающего элемента.
  • Поддержание необходимого момента на валу во всем диапазоне изменения скорости.

Кроме базовых составляющих, в состав однофазного преобразователя частоты входят ПИД-регулятор, ПЛК-контроллер, устройство для обмена данными с удаленным оборудованием, пульт дистанционного управления. При введении дополнительных настроек допустимо применение трехфазного ПЧ для однофазных двигателей переменного тока.

Таким образом, управление однофазными и трехфазными асинхронными электродвигателями путем изменения частоты значительно превосходит метод регулирования величины напряжения, механические способы.

Регулирование угловой скорости асинхронного электродвигателя изменением числа пар полюсов на статоре

С увеличением числа пар полюсов угловая скорость поля уменьшается, следовательно, снижается и скорость ротора асинхронного электродвигателя. Специально выпускают двухскоростные асинхронные электродвигатели, обмотки статора которых состоят из отдельных частей. Их можно пересоединять по двум разным схемам: звезда и двойная звезда (рис. 1, а, б) или треугольник и двойная звезда (рис. 1, б, г).

При двойной звезде скорость поля всегда в два раза больше, чем при звезде или треугольнике. Однако эти переключения неравнозначны. Дело в том, что максимально допустимый момент при длительной работе определяется максимально допустимым фазным током по условиям нагрева обмоток и зависит от потока статора, пропорционального квадрату фазного напряжения. От тех же величин зависит и длительно допустимая мощность.

Если переключать обмотки электродвигателя со звезды на двойную звезду, то фазное напряжение не изменится, а при переходе с треугольника на двойную звезду оно уменьшается в √ 3 раз. Но при двойной звезде ток в каждой фазе можно допустить в два раза больший, чем в звезде или треугольнике, так как каждая фаза состоит из двух параллельных ветвей. Тогда получим, что при переходе со звезды на двойную звезду скорость и мощность увеличиваются в два раза, следовательно, критический момент остается постоянным (М = Р/ ω = const).

Рис. 1. Схемы соединения обмоток статора асинхронного электродвигателя в звезду (а) и двойную звезду (б), в треугольники (в) и двойную звезду (г)

Если переключать с треугольника на двойную звезду, то фазное напряжение уменьшается в √3 раза. Тогда даже при двойном фазном токе мощность увеличится только в 2/ √3 = l,18 раза и ее можно считать неизменной. В этом случае при увеличении угловой скорости в два раза мощность почти по изменяется, а момент уменьшается приблизительно в два раза. Таким образом, целесообразно применять для привода подъемных устройств двигатели, обмотки которых соединены в звезду, а для привода станков двигатели, статорные обмотки которых соединены в треугольник.

Читать еще:  Что такое контрактный двигатель ваз 2109

Рис. 2. Паспортные данные многоскоростного двигателя

Бывают асинхронные электродвигатели с двумя обмотками на статоре, изолированными друг от друга, причем одна из них без переключения, а вторая с переключением полюсов. Тогда получаются трехскоростные двигатели. Если же обе обмотки имеют переключение полюсов, то двигатели получаются четырехскоростными. В некоторых случаях используют две изолированные обмотки с разным числом пар полюсов p без переключения. Например, в лифтовых двигателях p 1 = 3, а р2=12, что соответствует синхронной частоте вращения 1000 и 250 об/мин.

На рис. 3 , а изображены механические характеристики для двухскоростного двигателя с переключением со звезды на двойную звезду, а на рис. 3 , б — при переключении с треугольника на двойную звезду.

Рис. 3 . Механические характеристики асинхронных электродвигателей при переключении со звезды на двойную звезду (а) и с треугольника на двойную звезду (б)

В случае быстрого перехода с большей скорости на меньшую двигатель некоторое время работает в тормозном режиме. Действительно, если скорость поля уменьшить, то в первый момент ротор продолжает вращаться с прежней скоростью.

Двигатель мгновенно переходит с одной характеристики на другую, т.е. из точки 1 в точку 2 (рис. 3 , а). Затем следует рекуперативное торможение (точки 2, 3 , 4), в точке 5 он начинает работать в установившемся режиме. Если же переключать с меньшей скорости на большую, то двигатель мгновенно переходит из точки 5 в точку б, затем следует разгон (точки 6 и 7), а в точке 1 опять наступает установившийся режим.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Ранее на эту тему: Электропривод

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Оценка частоты вращения ротора вспомогательных асинхронных двигателей методом сигнатурного анализа тока статора

Внедрение: 2015 г.

В одноимённой статье [1] приводится метод оценки угловой скорости вращения ротора асинхронного двигателя, использующий особые спектральные компоненты тока статора, порождаемые конструкцией двигателя (числом пар полюсов двигателя, числом пазов укладки обмоток ротора и другими характеристиками).

Автором на кафедре автоматики и систем управления ОмГПС была создана экспериментальная установка (рисунок 1), состоящая из асинхронного двигателя M2 АИРМ63В4У3 и генератора M1 постоянного тока, нагруженного на реостат R. Генератор и двигатель соединены гибкой муфтой.

Частота вращения ротора измеряется с помощью датчика Холла. Сигнал тока статора снимается с помощью токовых клещей Fluke i5s, установленных на одной из фаз асинхронного двигателя. Оцифровку преобразованного сигнала тока выполняет система сбора данных L-Card LTR-EU-2 с модулем АЦП LTR22. Частота дискретизации во всех опытах составляет 78,125 кГц. Спектр тока получен с помощью программного обеспечения LGraph2.

Рисунок 1. Схема опыта для оценки частоты вращения двигателя: R – реостат, ДО – датчик оборотов, ПК – персональный компьютер, АЦП – аналого-цифровой преобразователь.

На рисунке 2 приведен участок спектра тока статора в диапазоне расположения пазовых гармоник (порождённых количеством пазов двигателя).

Рисунок 2. Спектр тока статора при частоте вращения 1492,4 об/мин.

На рисунке 3 приведен спектр тока статора для этого случая. Как мы видим, пазовые гармоники сместились на 12,923 Гц влево, что соответствует новой скорости вращения двигателя.

Рисунок 3. Спектр тока статора при частоте вращения 1466,6 об/мин.

Базовый принцип оценки угловой скорости по спектру тока статора основан на вычислении особых частот, согласно методу сигнатурного анализа, описанному в статье [1].

Рассмотренная система измерения имеет следующие технические преимущества:

  1. Датчики тока могут устанавливаться в любом месте на линии питания двигателя без потери силы сигнала.
  2. Безопасность применения: так как нет физического контакта между токовым трансформатором и испытуемым двигателем, этот метод обеспечивает гальваническую развязку между ними;
  3. Отсутствие соединительных проводов, подходящих к двигателю, что исключает их порчу рабочим персоналом.
  4. Токовые трансформаторы часто уже установлены в системах управления, что позволяет использовать их для определения частоты вращения ротора двигателя без глубокой модернизации оборудования.
голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector