Регулювання обертів асинхронного двигуна

Асинхронні електродвигуни – найпоширеніші електричні машини, що застосовуються у приводах промислового та побутового обладнання. Головні їх переваги: ​​відносно невелика маса за високої потужності, проста конструкція, низька ціна.

Розглянемо методи регулювання частоти обертання ротора асинхронних двигунів. Теоретично швидкість валу можна розгулювати кількома способами:

На практиці найчастіше використовують 2 методи:

• Зміна числа полюсів статора.
• Регулює напругу на обмотках статора або ротора.
• Зміна частоти напруги живлення.

Для регулювання швидкості асинхронних електричних машин застосовують механічні редуктори. Розглянемо пристрій асинхронного електродвигуна та переваги та недоліки кожного методу зміни частоти обертання.

Влаштування асинхронного електродвигуна

Розрізняють 2 основних типи асинхронних електричних машин з фазним та короткозамкненим ротором. Конструкція останніх показана малюнку:

Двигун складається з ротора, що обертається, нерухомого статора, корпусу і станини. У статор укладена трифазна обмотка з кутовою відстанню 120°, з'єднана за схемою "зірка" або "трикутник".

Конструкція ротора – так звана «білизна клітина» складається із стрижнів загнутих між двома кільцями.

При подачі напруги на обмотки статора виникає магнітне поле, яке наводить струм у частині, що обертається, при взаємодії полів ротор починає обертатися в ту ж сторону, що і магнітне поле статора. Частота обертання рухомої частини дещо відстає від швидкості обертання поля, ця різниця називається ковзанням.

Електричні машини з фазним ротором відрізняються конструкцій частини, що обертається.У ній укладена трифазна обмотка, з'єднана за схемою «зірка» і підключена до регулювального реостату. Таким чином, струм у ній можна регулювати, змінюючи частоту обертання та момент.

Конструкція двигунів з фазним ротором складніша, до переваг таких електричних машин відносять покращені пускові характеристики.

Методи регулювання частоти обертання зміною числа пар полюсів та напруги на обмотках

Частота обертання валу асинхронних двигунів визначається з формули: n = 60f/p, де f – частота напруги мережі Гц, р – число пар полюсів статора. Таким чином, подаючи напругу на різні секції обмоток, можна змінювати кількість підключених пар полюсів та регулювати швидкість двигуна. До недоліків такого методу належать ускладнення конструкції. Крім того, регулювати швидкість можна лише ступінчасто на число, кратне кількості пар полюсів.

Ще один метод зміни швидкості двигуна – регулювання величини напруги живлення. Він непридатний для асинхронних двигунів із коротко-замкненим ротором, оскільки при зниженні напруги на статорних обмотках значно знижує жорсткість механічних характеристик.

Область застосування такого способу – приводи з асинхронними двигунами із фазним ротором. Для регулювання напруги в ланцюг обідок частини, що обертається, вводиться реостат. Таким чином, можна плавно змінювати швидкість обертання валу до синхронної частоти 3000 об/хв.

До недоліків відносять значну втрату напруги на резистивному елементі, недостатню ефективність при невеликому навантаженні.

Механічні характеристики у своїй також погіршуються.

Частотне регулювання швидкості асинхронних двигунів

Швидкістю обертання асинхронних двигунів також можна керувати шляхом зміни частоти напруги живлення.З появою швидкоперемикаються транзисторів і тиристорів стало можливим застосовувати електронні інвертори для зміни частоти напруги, що подається на статор.

Такий метод позбавлений всіх недоліків управління напругою і має такі переваги:

• Збереження жорсткості характеристик будь-якої швидкості незалежно від навантаження.
• Плавна, безступінчаста зміна швидкості обертання.
• Можливість регулювання вгору та вниз від синхронної швидкості.
• Невеликі габарити та маса.

Частотні перетворювачі не вимагають зміни конструкції електродвигунів. Вони можуть бути використані для всіх типів електричних машин змінного струму з фазним або короткозамкненим ротором.

Розрізняють кілька типів ПЧ та методів частотного управління. Розглянемо найпоширеніші типи та способи.

Види перетворювачів частоти

Одна з перших схем частотних перетворювачів - пристрої з безпосереднім зв'язком з мережею. ПЧ такого типу мають гальванічну зв'язок з електромережею і зазвичай побудовані на базі тиристорів, що швидко перемикаються. Напівпровідникові елементи включені за мостовими, перехресними, нульовими та зустрічно-паралельними схемами.

Пристрої з безпосереднім зв'язком забезпечують стабільну роботу на малих швидкостях двигунів, мають високий ККД. Перетворювачі також можуть забезпечувати повернення електроенергії до мережі в режимі гальмування двигунів. За потреби потужність пристроїв можна збільшити шляхом підключення додаткових блоків. До недоліків пристроїв відносяться: несинусоїдальна форма напруги, можливість регулювання швидкості тільки в меншу сторону, відносна складність схеми керування.

Найбільш поширені в низьковольтному приводі перетворювачі частоти виконані на базі схеми подвійного перетворення з явно вираженою ланкою постійного струму.

Силова частина схеми складається:

• З діодного трифазного випрямляча Блок забезпечує перетворення змінного струму в постійний.
• З ланки постійного струму Ємнісний елемент забезпечує фільтрацію постійної складової та згладжування пульсацій, що виникають під час роботи інвертора.
• З інвертора. Функціональний блок на швидкоперемикаються транзисторах перетворює постійну напругу в змінну.

Схеми подвійного перетворення забезпечують чисту синусоїдальну форму напруги на виході, дозволяють керувати швидкістю вище і нижче синхронної частоти, забезпечують жорсткість характеристик у всьому діапазоні.

Висновок

Управління швидкістю обертання валу частотою напруги статора – найефективніший спосіб.

• Зменшують пускові струми.
• Істотно скорочують споживання електроенергії.
• Дозволяють регулювати момент при динамічному навантаженні.
• Плавно регулюють частоту обертання валу у широкому діапазоні.

Пристрої також забезпечують захист від перекосу фаз, перевантаження, коротких замикань і перепадів напруги.

Регулювання оборотів електродвигуна

З проблемою регулювання оборотів електродвигуна доводиться стикатися досить часто: це робота з різними електроінструментами, приводами швейних машинок, іншими електроприладами на виробництві та побуті. Регулювати обороти за допомогою зниження напруги живлення часто не має сенсу: різко зменшуються обороти двигуна, він втрачає потужність і зупиняється. Тому оптимальним варіантом для регулювання числа оборотів двигуна є зміна напруги із застосуванням зворотного зв'язку струму навантаження.

Найчастіше в електроінструментах та іншому обладнанні застосовуються універсальні колекторні електродвигуни з послідовним збудженням. Вони однаково добре працюють як від змінного, і від постійного струму. Особливість роботи колекторного електродвигуна полягає в тому, що під час комутації обмоток якоря при розмиканні на ламелях колектора виникають імпульси проти ЕРС самоіндукції. По амплітуді вони рівні живильним імпульсам, але по фазі - протилежні їм. Кут усунення проти-ЕРС залежить як від зовнішніх характеристик двигуна, так і від навантаження та інших факторів.

Шкідливий вплив проти-ЕРС призводить до іскріння на колекторі, а також втрати потужності двигуна та додаткового нагрівання його обмоток. Деяка частина проти-ЕРС гаситься за допомогою конденсаторів, що шунтують щітковий вузол.

Давайте розглянемо процеси, які протікають у режимі регулювання із зворотним зв'язком, на прикладі універсальної схеми (див. рис. 1). Опорна напруга, яка визначає швидкість обертання електродвигуна, формується резистивно-ємнісним ланцюгом Р12-КЗ-С2.При збільшенні навантаження швидкість обертання падає, при цьому знижується і його момент, що крутить. При цьому зменшується і проти-ЕРС, що виникає в двигуні і прикладена між катодом та керуючим електродом тиристора VS1. Це призводить до зміни на електроді керуючого тиристора напруги, яке збільшується пропорційно тому, як зменшується проти-ЕРС.

Додаткова напруга на керуючому електроді тиристора призводить до його включення при меншому фазовому вугіллі (вугілля відсічення) і подачі на двигун більшого струму, що компенсує зниження швидкості обертання при збільшенні навантаження. Це призводить до наявності на електроді керуючого тиристора балансу імпульсної напруги, яке складено з напруги живлення і напруги самоіндукції двигуна.

При необхідності можна перейти за допомогою перемикача SA1 перейти на живлення за допомогою повної напруги, без регулювання. Підбору тиристора за мінімальним струмом включення необхідно приділити особливу увагу, так це дозволить забезпечити кращу стабілізацію швидкості обертання двигуна.

Друга схема включення (див. рис.2) розрахована на роботу з більш потужними двигунами, які використовуються у шліфувальних машинах, деревообробних верстатах та дрилях. Принцип регулювання у ній залишається тим самим. Тиристор у цій схемі необхідно встановити на радіатор із площею не менше 25 кв.см.

При необхідності одержання дуже малих швидкостей обертання або при застосуванні для малопотужних двигунів можна застосовувати схему з використанням ІМС (див. рис. 3). Вона живиться від постійного струму напругою 12В.У разі живлення від вищої напруги необхідно застосувати параметричний стабілізатор з напругою стабілізації не вище 15В.

Регулювання швидкості здійснюється за допомогою зміни середнього значення напруги імпульсів, які подаються на двигун.

Досить нескладна схема (див. рис.) призначена для використання на лінії іграшкової залізниці. Вона дозволить уникнути аварійних ситуацій і надасть нові можливості при управлінні складами.

При необхідності регулювання оборотів двигунів з наявністю на валу великого крутного моменту (наприклад, в електролебідці) може стати в нагоді двухполупериодная мостова схема, наведена на рис. двигуни.

Гасячий резистор R2 і діоди VD2 і VD6 використовуються для подачі живлення на схему запуску Затримка відкриття тиристорів по фазі забезпечується за допомогою заряду конденсатора C1 через резистори R3 і R4 від джерела напруги, рівень якого залежить від стабілітрона VD8 після заряду конденсатора. одноперехідного транзистора VT1, останній відкривається і запускає той тиристор, на аноді якого є позитивна напруга.Після розряду конденсатора одноперехідний транзистор вимикається. Номінал резистора R5 визначається бажаною глибиною зворотного зв'язку та типом двигуна. Для розрахунку його величини використовується формула:

де Im - ефективне значення максимального струму навантаження для даного типу двигуна.

Запропоновані схеми легко повторюються, але вимагають зробити добір деяких елементів залежно від характеристик електродвигуна, що застосовується (на жаль, практично неможливо знайти електродвигуни, ідентичні за всіма параметрами, навіть у межах однієї серії).