Как изменить частоту вращения асинхронного двигателя: Регулирование частоты вращения асинхронного электродвигателя | Полезные статьи

Регулирование частоты вращения асинхронного электродвигателя | Полезные статьи

Рисунок 1. Асинхронный двигатель Асинхронный двигатель (рис. 1) имеет неподвижную часть, которая называется статор, и вращающуюся часть, именуемую ротором. Магнитное поле создается в обмотке, размещенной в статоре. Такая конструкция электродвигателя позволяет регулировать частоту его вращения различными способами.

Основные технические характеристики, учитываемые при изменении частоты вращения

При регулировании частоты вращения асинхронных электродвигателей следует учитывать несколько основных технических показателей, которые в значительной мере влияют на процесс работы двигателей.

1. Диапазон регулирования Д, то есть предел, до которого возможно изменять частоту вращения. Эта характеристика вычисляется по соотношению минимальной и максимальной частоты вращения.
2. Плавность регулирования — определяется по минимальному скачку частоты вращения электродвигателя, когда осуществляется переход одной механической характеристики на другую.
3. Направление изменения частоты вращения двигателя (так называемая зона регулирования). Номинальные условия работы определяют естественную механическую характеристику двигателя. Когда осуществляется процесс регулирования частоты вращения, эти характеристики (напряжение и частота питающей сети) начнут изменяться. В результате получаются искусственные характеристики, которые обычно ниже естественных.

 

Есть несколько способов регулирования частоты вращения электродвигателя:

Регулирование частоты вращения изменением частоты питающей сети

Регулирование частоты вращения путем изменения частоты в питающей сети считается одним из самых экономичных способов регулирования, который позволяет добиться отличных механических характеристик электропривода. Когда происходит изменение частоты питающей сети, частота вращения магнитного поля также меняется.

Преобразование стандартной частоты сети, которая составляет 50 Гц, происходит за счет источника питания. Одновременно с изменением частоты происходит и изменение напряжения, которое необходимо для обеспечения высокой жесткости механических характеристик.

Регулирование частоты вращения позволяет добиться различных режимов работы электродвигателя:

• с постоянным вращающим моментом;
• с моментом, который пропорционален квадрату частоты;
• с постоянной мощностью на валу.

В качестве источника питания для регулирования могут использоваться электромашинные вращающиеся преобразователи, а также статические преобразователи частоты, которые работают на полупроводниковых приборах, серийно выпускающихся промышленностью.

Несомненным преимуществом частотного регулирования является наличие возможности плавно регулировать частоту вращения в обе стороны от естественной характеристики. При регулировании достигается высокая жесткость характеристик и отличная перегрузочная способность.

Регулирование частоты вращения изменением числа полюсов

Регулирование частоты вращения путем изменения числа полюсов происходит за счет изменения частоты вращения магнитного поля статора. Частота питающей сети остается неизменной, в то время как происходит изменение частоты вращения магнитного поля и частоты вращения ротора. Они меняются обратно пропорционально числу полюсов. Например, число полюсов равно 2, 4, 6, 8, тогда обороты двигателя при изменении их количества будут составлять 3000, 1500, 1000, 750 оборотов в минуту.

Двигатели, которые обеспечивают переключение числа пар полюсов, имеют обычно короткозамкнутый ротор с обмоткой. Благодаря этому ротору обеспечивается возможность работы двигателя без дополнительных пересоединений в цепи.

Изменение частоты вращения включением в цепь ротора с реостатом

Еще одним способом изменения частоты вращения двигателя является включение в цепь ротора с реостатом. Такой метод имеет существенное ограничение, так как может быть применен только для двигателей с фазным ротором. Он обеспечивает плавное изменение частоты вращения в очень широких пределах. Минусом же являются большие потери энергии в регулировочном реостате.

Изменение направления вращения

Изменение направления вращения двигателя может быть осуществлено за счет изменения направления вращения магнитного поля, которое создается обмотками статора. Изменение направления вращения можно достичь, изменив порядок чередования тока в фазах обмотки статора.

Для оформления заказа позвоните менеджерам компании Кабель.РФ^® по телефону +7 (495) 646-08-58 или пришлите заявку на электронную почту [email protected] с указанием требуемой модели электродвигателя, целей и условий эксплуатации. Менеджер поможет Вам подобрать нужную марку с учетом Ваших пожеланий и потребностей.  

Регулирование частоты вращения асинхронного двигателя

Общие сведения. Технологический процесс часто требует изменения частоты вращения исполнительного механизма. С этой целью широко применяются коробки скоростей, которые усложняют кинематику провода, вызывают вибрацию системы и увеличивают инерционность привода. Для повышения точности обработки и увеличения производительности целесообразно использовать регулировочные свойства двигателей. В асинхронных двигателях частота вращения определяется из равенства

где n₁ = 60f ₁ / р.

Из этого равенства следует, что изменять п можно тремя способами: изменением частоты f₁ , числа пар полюсов р и скольжения s. Частоту вращения ротора в принципе можно регулировать изменением напряжения питания U₁. Однако с увеличением U

₁ появляется опасность превышения допустимой температуры нагрева двигателя, а с уменьшением U₁ уменьшается перегрузочная способность двигателя.

Регулирование изменением частоты (частотное регулирование). Этим способом изменение частоты вращения ротора п осуществляется за счет изменения частоты питающего напряжения f₁. Это возможно потому, что скольжение в номинальном режиме  составляет всего 2—8 %.

Для изменения частоты f₁ могут применяться машинные и полупроводниковые (тиристорные) преобразователи. На рис. 3.36 показана схема машинного преобразователя. Асинхронный двигатеь АД с постоянной частотой вращает генератор постоянного тока Г, работающий в системе генератор — двигатель. Генератор

Г питает двигатель Д постоянного тока, частота вращения которого регулируется током возбуждения генератора Г и двигателя Д.

Двигатель вращает с различными частотами синхронный генератор СГ, частота выходного напряжения которого f₁ = n₁p/60 изменяется. В результате АД изменяет частоту вращения рабочего механизма. Этот способ позволяет плавно изменять частоту вращения АД. Недостатками способа являются высокая стоимость преобразователя, низкий КПД установки из-за многократного преобразования энергии, сравнительно небольшой диапазон регулирования.

Частотное тиристорное регулирование. Значительно больший эффект при частотном регулировании достигается применением тиристорных преобразователей. На рис. 3.37 показана схема такого регулирования. Тиристорный преобразователь

ТП питается от трехфазной сети с постоянными значениями напряжения U₁ и частоты f₁.

На выходе преобразователя получается постоянное варьируемое напряжение U₁c. Это напряжение подается на блок инвертора И, на выходе которого появляется регулируемое переменное напряжение U₁v при частоте  f₁v. Напряжение U₁v подается на асинхронный двигатель АД.

Для автоматизации процесса регулирования необходимо дополнительно иметь блок задания частоты

БЗЧ и блоки управления напряжением УН и частотой УЧ.

Для поддержания точного значения скорости целесообразно иметь обратную связь по частоте с выхода АД на блок задания частоты.

Регулирование изменением числа полюсов.

Асинхронный двигатель не имеет явно выраженных полюсов и поэтому его число полюсов зависит от схемы соединения катушек в обмотках каждой фазы статора.

Если, например, обмотка фазы состоит из двух катушек, то при их последовательном соединении число пар полюсов      р = 2, а при параллельном соединении р = 1. Начала и концы катушек выводятся на клеммы щитка, так что переключение катушек можно делать на работающем двигателе. Можно разместить в пазах статора две независимые обмотки, каждая из которых создает разное число пар полюсов, например, р = 1 и

р = 2.

Одна из обмоток может, например, соединяться в одинарную звезду, а другая – в двойную звезду (рис. 3.38, а и б). Можно также переключать треугольник в двойную звезду (рис. 3.39, а и б).

В результате двигатель будет трехскоростной. В принципе можно разместить на статоре две обмотки, каждая из которых имеет две скорости, такая машина будет четырехскоростной. Однако размещение нескольких обмоток увеличивает габариты и стоимость машины. Поэтому лучше применять одну обмотку с переключением на четыре скорости. При этом можно получить синхронные скорости 3000 / 1500 / 1000 / 500  или  1500 / 1000 / 750 / 500 об/мин или другие комбинации.

Регулирование изменением числа полюсов является ступенчатым регулированием. Механические характеристики при разном числе пар полюсов показаны на рис. 3.40. Этот способ регулирования экономичен, рабочая часть характеристик жесткая, но данный способ применяется лишь в случаях, не требующих плавного регулирования, например в станках, где ступенчатое регулирование применяется с целью уменьшения числа ступеней в коробках скоростей, вентиляторах, насосах и др.

Регулирование частоты вращения изменением подводимого напряжения. При уменьшении напряжения U момент двигателя уменьшается пропорционально U². В связи с этим изменяются механические характеристики, уменьшается критический момент Mк , при постоянном моменте сопротивления увеличивается скольжение и уменьшается частота вращения ротора.

Уменьшать напряжение U можно включением в цепь статора реостатов (рис. 3.41, а), автотрансформаторов (рис. 3.41,6) или регулируемых дросселей (рис. 3.41, в). При включении реостатов в них теряется значительная мощность (RI²).

Автотрансформаторы дают возможность регулировать частоту вращения лишь вручную.

Регулируемые дроссели позволяют автоматизировать этот процесс, для чего их цепь

подмагничивания включается в систему автоматического регулирования.

Данный метод применяется только у двигателей малой мощности, так как при этом способе регулирования уменьшается КПД двигателя, уменьшается критический момент, а диапазон регулирования сравнительно небольшой.

Регулирование изменением сопротивления цепи ротора R₂ (реостатное регулирование). Этот способ применим только для двигателей с фазным ротором. Такое регулирование связано с изменением скольжения s в соответствии с зависимостью п = п₁ (1 — s).

Из формул ( 3.26) и ( 3.28) следует, что с увеличением R₂ угол наклона механической характеристики увеличивается, а критический момент остается постоянным  (Mк = const).

На рис. 3.42 представлено семейство характеристик п(М) при различных R₂ . Если момент нагрузки Mc = const, то частота вращения n с увеличением R₂ падает, а скольжение увеличивается.

Этот способ регулирования имеет ряд недостатков: дополнительные потери энергии в реостате, механические характеристики становятся мягкими, относительно малый диапазон регулирования.

§81. Регулирование частоты вращения асинхронных двигателей

Частота вращения асинхронного двигателя

n = n₁ (1 – s) = (60f₁/p) (1-s) (85)

Из этого выражения видно, что ее можно регулировать, изменяя частоту f₁ питающего напряжения, число пар полюсов р и

Рис. 266. Схема переключения катушек обмотки статора (одной фазы) для изменения числа полюсов: а — при четырех полюсах; б — при двух полюсах

скольжение s. Последнее при заданных значениях момента на валу М_вн и частоты f₁ можно изменять путем включения в цепь обмотки ротора реостата.

Регулирование путем изменения частоты питающего напряжения. Этот способ требует наличия преобразователя частоты, к которому должен быть подключен асинхронный двигатель. На основе управляемых полупроводниковых вентилей (тиристоров) созданы статические преобразователи частоты и построен ряд опытных электровозов и тепловозов с асинхронными двигателями, частота вращения которых регулируется путем изменения частоты питающего напряжения. Такой способ регулирования частоты вращения ротора асинхронного двигателя является весьма перспективным.

Регулирование путем изменения числа пар полюсов. Этот способ позволяет получить ступенчатое изменение частоты вращения. Для этой цели отдельные катушки 1, 2 и 3, 4, составляющие одну фазу (рис. 266), переключаются так, чтобы изменялось соответствующим образом направление тока в них (например, с последовательного согласного соединения на встречное). При согласном включении катушек (рис. 266, а) число полюсов равно четырем, при встречном включении (рис. 266, б) — двум. Катушки двух других фаз, сдвинутые в пространстве на 120°, соединяются таким же образом. Такое же уменьшение числа полюсов можно осуществить при переключении катушек с последовательного на параллельное соединение. При изменении числа полюсов изменяется частота вращения n₁ магнитного поля двигателя, а следовательно, и частота вращения n его ротора. Если нужно иметь три или четыре частоты вращения n₁, то на статоре располагают еще одну обмотку, при переключении которой можно получить еще две частоты. Существуют двигатели, которые обеспечивают изменение частоты вращения n₁ при постоянном наибольшем моменте или при приблизительно постоянной мощности (рис. 267).

В асинхронном двигателе число полюсов ротора должно быть равно числу полюсов статора. В короткозамкнутом роторе это условие выполняется автоматически и при переключении обмотки статора никаких изменений в обмотке ротора выполнять не требуется.

Рис. 267. Механические характеристики двухскоростных асинхронных двигателей с постоянным наибольшим моментом (а) и постоянной мощностью (б)

Рис. 268. Механические характеристики асинхронного двигателя при регулировании частоты вращения путем включения реостата в цепь обмотки ротора

Рис. 269. Схемы подключения асинхронного двигателя к сети при изменении направления его вращения

В двигателе же с фазным ротором в этом случае надо было бы изменять число полюсов обмотки ротора, что сильно усложнило бы его конструкцию, поэтому такой способ регулирования частоты вращения используется только в двигателях с коротко-замкнутым ротором. Такие двигатели имеют большие габаритные размеры и массу по сравнению с двигателями общего применения, а следовательно, и большую стоимость. Кроме того, регулирование осуществляется большими ступенями; при частоте f₁ = 50 Гц частота вращения поля n₁ при переключениях изменяется в отношении 3000:1500:1000:750.

Регулирование путем включения в цепь ротора реостата. При включении в цепь обмотки ротора реостата с различным сопротивлением (R_п4, R_пЗ, R_п2 и т. д.) получаем ряд реостатных механических характеристик 4, 3 и 2 двигателя. При этом некоторому нагрузочному моменту М_ном (рис. 268) будут соответствовать меньшие частоты вращения n₄, n₃, n₂ и т. д., чем частота n_е при работе двигателя на естественной характеристике 1 (при R_п = 0). Это способ регулирования может быть использован только для двигателей с фазным ротором. Он позволяет плавно изменять частоту вращения в широких пределах. Недостатками его являются большие потери энергии в регулировочном реостате, поэтому его используют только при кратковременных режимах работы двигателя (при пуске и пр.).

Изменение направления вращения. Для изменения направления вращения двигателя нужно изменить направление вращения магнитного поля, создаваемого обмотками статора. Это достигается изменением порядка чередования тока в фазах обмотки статора. Например, если максимумы токов поступают в фазы обмотки статора 1 (рис. 269, а) в следующем порядке: фаза А — фаза В — фаза С, то ротор 2 двигателя будет вращаться по часовой стрелке. Если же подавать их в такой последовательности: фаза В — фаза А — фаза С, то ротор начнет вращаться против часовой стрелки. Для этой цели необходимо изменить схему соединения обмоток статора с сетью, переключив две любые фазы (провода). Например, зажим А обмотки статора, который ранее был соединен с линейным проводом Л1, нужно переключить на провод Л2, а зажим В этой обмотки, соединенный ранее с Л2, переключить на провод Л1 (рис. 269,б). Такое переключение можно осуществить обычным переключателем.

Регулирование частоты вращения асинхронных двигателей

Страница 17 из 51

Асинхронные двигатели являются основой современного электропривода переменного тока. Эффективность работы этого электропривода во многом определяется возможностями регулирования частоты вращения.
Возможности асинхронных двигателей в отношении регулирования частоты вращения ротора определяются выражением
.
Из этого выражения следует, что частоту вращения можно регулировать тремя способами: путем изменения частоты , числа пар полюсов p и скольжения s. Рассмотрим каждый из этих способов подробнее.

Регулирование частоты вращения изменением частоты подводимого напряжения

Этот способ является в настоящее время наиболее перспективным. Изменение частоты осуществляется с помощью полупроводникового преобразователя частоты (рис. 4.28, а). Одновременно с изменением частоты регулируют и напряжение , так чтобы обеспечить постоянство магнитного потока . Из выражения, связывающего напряжение с потоком Ф,
,
следует, что напряжение необходимо регулировать пропорционально частоте

.
Отклонение от этого закона приводит к изменению потока Ф, что нежелательно. Действительно, при увеличении потока возрастает насыщение магнитной цепи, растут потери в стали и намагничивающий ток. Уменьшение потока вызывает уменьшение максимального момента двигателя и ряд других нежелательных явлений.
При механические характеристики двигателя имеют показанный на рис. 4.28, б вид. При снижении частоты пусковой момент двигателя возрастает, а максимальный несколько снижается. Рабочее скольжение двигателя остается небольшим, что характеризует экономичный режим работы двигателя. Однако стоимость этого способа регулирования частоты вращения двигателя весьма высока, так как преобразователь частоты должен быть выполнен на полную мощность двигателя.

Регулирование частоты вращения изменением числа пар полюсов

Этот способ регулирования в отличие от предыдущего позволяет осуществить изменение частоты вращения только ступенями. Он используется в таких механизмах, как воздуходувки, транспортеры, подъемники, лифты. Двигатели с переключением числа пар полюсов называют многоскоростными. Обычно многоскоростные асинхронные двигатели выполняются с двумя, тремя и четырьмя ступенями скоростей. Двухскоростные двигатели изготавливаются с одной обмоткой, если числа пар полюсов соответствуют следующему отношению:
.
Трех- и четырехскоростные двигатели выпускаются с двумя обмотками. В трехскоростных двигателях только одна обмотка выполняется с переключением числа пар полюсов , а в четырехскоростных обе обмотки выполняются как двухскоростные. Обмотка ротора многоскоростных двигателей выполняется короткозамкнутой. Для нее не требуется переключения схемы соединения, так как необходимое число пар полюсов обмотки ротора образуется автоматически полем статора.
Изменение числа полюсов осуществляется путем изменения схемы соединения секций обмотки статора. На рис. 4.29 показаны три варианта соединения секций.

Вариант «а» соответствует последовательному согласному включению секций, при этом образуется магнитное поле с полюсами. В варианте «б» вторая секция включается встречно-последовательно. Результирующее поле имеет полюса. Мощность обмотки остается неизменной, , а момент, развиваемый двигателем, снижается в два раза, . В варианте «в» вторая секция включается встречно-параллельно. Результирующее поле также будет иметь полюса, но мощность обмотки возрастает в два раза, а момент двигателя остается постоянным .

Таким образом, для изменения числа пар полюсов в отношении необходимо, чтобы каждая фаза обмотки состояла из двух одинаковых частей. Когда обе части обтекаются токами одинакового направления, число полюсов , при изменении направления тока в одной из них число полюсов уменьшается вдвое, . При переключении числа полюсов с на полюсное деление уменьшается в два раза, при этом величина фазной зоны трехфазной обмотки меняется с 60° на 120° (рис. 4.30).
Так как чередование фаз для обеих скоростей должно оставаться одинаковым, то кроме изменения направления токов в зонах необходимо поменять местами две фазы обмотки. При большем числе полюсов обмотка выполняется с диаметральным шагом . Тогда при меньшем числе полюсов .
Малый шаг приводит к ухудшению использования обмотки и, следовательно, к некоторому снижению технико-экономических показателей двигателя.
Многоскоростные двигатели проектируются для различных режимов работы. Наиболее часто встречаются режимы с постоянным моментом и с постоянной мощностью . Регулирование частоты вращения с постоянным моментом обеспечивается при переключении обмотки со звезды на схему двойной звезды (рис. 4.31).
При таком переключении в два раза возрастает потребляемый из сети ток, а следовательно, и мощность двигателя , момент же при этом не меняется.

Если до переключения обмотка статора была соединена в треугольник (рис. 4.32), то после переключения ее на двойную звезду мощность двигателя практически не изменится, а момент уменьшится в два раза из-за увеличения частоты вращения.

Регулирование частоты вращения изменением скольжения

Изменять скольжение асинхронного двигателя можно разными способами: изменением подводимого к статору напряжения, введением сопротивления в цепь ротора или введением в цепь ротора дополнительной ЭДС.
При изменении напряжения статора механическая характеристика двигателя изменяется, как показано на рис. 4.33. Снижение напряжения приводит к уменьшению жесткости механической характеристики и росту скольжения. При этом частота вращения ротора снижается,
.
Регулирование частоты вращения таким способом возможно в ограниченном диапазоне изменения скольжения
.
Основным недостатком этого способа регулирования частоты вращения является низкий КПД из-за роста потерь в обмотке ротора пропорционально частоте скольжения
.

Поэтому он применяется только для двигателей малой мощности, работающих в системах автоматического управления.
В двигателях с фазным ротором изменить частоту вращения можно путем изменения сопротивления в роторе (рис. 4.34).
Преимущество данного способа регулирования частоты состоит в том, что максимальный момент остается неизменным. Важно также отметить, что часть потерь двигателя выносится в резистор, тем самым облегчается тепловой режим двигателя. В остальном способ аналогичен предыдущему и характеризуется низким КПД., малым диапазоном регулирования, зависящим от нагрузки, и «мягкой» механической характеристикой.

Чтобы повысить КПД двигателя при регулировании частоты вращения путем изменения скольжения, необходимо мощность скольжения использовать для совершения полезной работы или возвратить обратно в сеть. Схемы, реализующие эту идею, называются каскадными. Одной из распространенных схем данного типа является схема асинхронно-вентильного каскада (рис. 4.35).
Схема включает асинхронный двигатель с фазным ротором (АД), диодный выпрямитель (Д), сглаживающий дроссель (Др), тиристорный инвертор (И) и сетевой согласующий трансформатор (Тр). Регулирование частоты вращения осуществляется посредством изменения напряжения инвертора. Это приводит к соответствующему изменению напряжения обмотки ротора, а следовательно, и частоты вращения ротора. Мощность частоты скольжения, извлекаемая из роторной обмотки двигателя, передается в сеть через согласующий трансформатор.
Достоинством каскадных схем регулирования частоты вращения асинхронных двигателей по сравнению с частотными схемами управления в статорной цепи (рис. 4.28) является то, что полупроводниковый преобразователь выполняется на мощность скольжения, а не на полную мощность двигателя. Это обстоятельство особенно важно для мощных и сверхмощных приводов насосов, прессов, конвейеров, подъемных механизмов и др., где требуется ограниченный диапазон регулирования частоты вращения (2:1 и менее).
Асинхронно-вентильный каскад с неуправляемым выпрямителем допускает регулирование только вниз от синхронной частоты вращения. Если использовать управляемый выпрямитель, то можно осуществить регулирование частоты вращения вверх от синхронной. В этом случае направление передачи мощности скольжения меняется на противоположное.

Регулирование скорости асинхронного двигателя

Долгое время в промышленности использовались нерегулируемые электроприводы на базе АД, но, в последнее время возникла надобность в регулировании скорости асинхронных двигателей.

 

Частота вращения ротора равна

При этом, синхронная частота вращения зависит от частоты напряжения и числа пар полюсов

Исходя из этого, можно сделать вывод, что регулировать скорость АД можно с помощью изменения скольжения, частоты и числа пар полюсов.

Рассмотрим основные способы регулировки.

Регулирование скорости с помощью изменения активного сопротивления в цепи ротора

Этот способ регулирования скорости применим в двигателях с фазным ротором. При этом в цепь обмотки ротора включается реостат, которым можно плавно увеличивать сопротивление. С увеличением сопротивления, скольжение двигателя растёт, а скорость падает. Таким образом, обеспечивается регулировка скорости вниз от естественной характеристики.

Недостатком данного способа является его неэкономичность, так как при увеличении скольжения, потери в цепи ротора растут, следовательно, КПД двигателя падает. Плюс к этому, механическая характеристика двигателя становится более пологой и мягкой, из-за чего небольшое изменение момента нагрузки на валу, вызывает большое изменение частоты вращения.

Регулирование скорости данным способом не эффективно, но, несмотря на это применяется в двигателях с фазным ротором.

Регулирование скорости двигателя с помощью изменения напряжения питания

Данный способ регулирования можно осуществить, если включить в цепь автотрансформатор, перед статором, после питающих проводов. При этом, если снижать напряжение на выходе автотрансформатора, то двигатель будет работать на пониженном напряжении. Это приведёт к снижению частоты вращения двигателя, при постоянном моменте нагрузки, а также к снижению перегрузочной способности двигателя. Это связано с тем, что при уменьшении напряжения питания, максимальный момент двигателя уменьшается в квадрат раз. Кроме того, этот момент уменьшается быстрее, чем ток в цепи ротора, а значит, растут и потери, с последующим нагревом двигателя.

Способ регулирования изменением напряжения, возможен только вниз от естественной характеристики, так как увеличивать напряжение выше номинального нельзя, потому что это может привести к большим потерям в двигателе, перегреву и выходу его из строя.

Кроме автотрансформатора, можно использовать тиристорный регулятор напряжения.

Регулирование скорости с помощью изменения частоты питания

При данном способе регулирования, к двигателю подключается преобразователь частоты (ПЧ). Чаще всего это тиристорный преобразователь частоты. Регулирование скорости осуществляется изменением частоты напряжения f, так как она в данном случае влияет на синхронную скорость вращения двигателя.

При снижении частоты напряжения, перегрузочная способность двигателя будет падать, чтобы этого не допустить, требуется повысить величину напряжения U₁. Значение на которое нужно повысить, зависит от того какой привод. Если регулирование производится с постоянным моментом нагрузки на валу, то напряжение нужно изменять пропорционально изменению частоты (при снижении скорости). При увеличении скорости этого делать не следует, напряжение должно оставаться на номинальном значении, иначе это может причинить вред двигателю.

Если регулирование скорости производится с постоянной мощностью двигателя (например, в металлорежущих станках), то изменение напряжения U₁ необходимо производить пропорционально квадратному корню изменения частоты f₁.

При регулировании установок с вентиляторной характеристикой, необходимо изменять подводимое напряжение U₁ пропорционально квадрату изменения частоты f₁.

Регулирование с помощью изменения частоты, является наиболее приемлемым вариантом для асинхронных двигателей, так как при нем обеспечивается регулирование скорости в широком диапазоне, без значительных потерь и снижения перегрузочных способностей двигателя.

Регулирование скорости АД изменением числа пар полюсов

Такой способ регулирования возможен только в многоскоростных асинхронных двигателях с короткозамкнутым ротором, так как число полюсов этого ротора, всегда равно количеству полюсов статора.

В соответствии с формулой, которая рассматривалась выше, скорость двигателя можно регулировать изменением числа пар полюсов. Причём, изменение скорости происходит ступенчато, так как количество полюсов принимают только определённые значения – 1,2,3,4,5.

Изменение количества полюсов достигается переключением катушечных групп статорной обмотки. При этом катушки соединяются различными схемами соединения, например “звезда — звезда” или “звезда – двойная звезда”. Первая схема соединения даёт изменение количества полюсов в соотношении 2:1. При этом обеспечивается постоянная мощность двигателя при переключении. Вторая схема изменяет количество полюсов в таком же соотношении, но при этом обеспечивает постоянный момент двигателя.

Применение данного способа регулирования оправдано сохранением КПД и коэффициента мощности при переключении. Минусом же является более сложная и увеличенная конструкция двигателя, а также увеличение его стоимости.

Читайте также — Торможение асинхронного двигателя

Просмотров: 22001

Способы регулирования скорости асинхронного двигателя

---

Почти все станки в качестве электропривода оснащаются асинхронными двигателями. У них простая конструкция и не высокая стоимость. В связи с этим важным оказывается регулирование скорости асинхронного двигателя. Однако в стандартной схеме включения управлять его оборотами можно только с помощью механических передаточных систем (редукторы, шкивы), что не всегда удобно. Электрическое управление оборотами ротора имеет больше преимуществ, хотя оно и усложняет схему подключения асинхронного двигателя.

Для некоторых узлов автоматического оборудования подходит именно электрическое регулирование скорости вращения вала асинхронного электродвигателя. Только так можно добиться плавной и точной настройки рабочих режимов. Существует несколько способов управления частотой вращения путём манипуляций с частотой, напряжением и формой тока. Все они показаны на схеме.

Из представленных на рисунке способов, самыми распространёнными для регулирования скорости вращения ротора являются изменение следующих параметров:

• напряжения подаваемого на статор,
• вспомогательного сопротивления цепи ротора,
• числа пар полюсов,
• частоты рабочего тока.

Последние два способа позволяют изменять скорость вращения без значительного снижения КПД и потери мощности, остальные способы регулировки способствуют снижению КПД пропорционально величине скольжения. Но и у тех и других есть свои преимущества и недостатки. Поскольку чаще всего на производстве применяются асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором, то все дальнейшие обсуждения будут касаться именно этого типа электродвигателей.

Для частотного регулирования применяют в основном полупроводниковые преобразователи. Их принцип действия основан на особенности работы асинхронного двигателя, где частота вращения магнитного поля статора зависит от частоты напряжения питающей сети. Скорость вращения поля статора определяется по следующей формуле:

n1 = 60f/p, где n1 — частота вращения поля (об/мин), f-частота питающей сети (Гц), p-число пар полюсов статора, 60 — коэффициент пересчета мерности.

Для эффективной работы асинхронного электродвигателя без потерь нужно вместе с частотой изменять и подаваемое напряжение. Напряжение должно меняться в зависимости от момента нагрузки. Если нагрузка постоянная, то напряжение изменяется пропорционально частоте.

Современные частотные регуляторы позволяют уменьшать и увеличивать обороты в широком диапазоне. Это обеспечило их широкое применение в оборудовании с управляемой протяжкой, например, в многоконтактных станках сварной сетки. В них скорость вращения асинхронного двигателя, приводящего в движение намоточный вал, регулируется полупроводниковым преобразователем. Такая регулировка позволяет оператору, следящему за правильностью выполнения технологических операций, ступенчато ускоряться или замедляться по мере настройки станка.

Остановимся на принципе работы преобразователя частоты более подробно. В его основе лежит принцип двойного преобразования. Состоит регулятор из выпрямителя, импульсного инвертора и системы управления. В выпрямителе синусоидальное напряжение преобразуется в постоянное и подаётся на инвертор. В составе силового трёхфазного импульсного инвертора есть шесть транзисторных переключателей. Через эти автоматические ключи постоянное напряжение подаётся на обмотки статора так, что в нужный момент на соответствующие обмотки поступает то прямой, то обратный ток со сдвигом фаз 120°. Таким образом, постоянное напряжение трансформируется в переменное трёхфазное напряжение нужной амплитуды и частоты.

Необходимые параметры задаются через модуль управления. Автоматическая регулировка работы ключей осуществляется по принципу широтно-импульсной модуляции. В качестве силовых переключателей используются мощные IGBT-транзисторы. Они, по сравнению с тиристорами, имеют высокую частоту переключения и выдают почти синусоидальный ток с минимальными искажениями. Не смотря на практичность таких устройств, их стоимость для двигателей средней и высокой мощности остаётся очень высокой.

Регулировка скорости вращения асинхронного двигателя методом изменения числа пар полюсов также относится к наиболее распространённым методам управления электродвигателей с короткозамкнутым ротором. Такие моторы называются многоскоростными. Есть два способа осуществления этого метода:

• укладывание сразу нескольких обмоток с разными числами пар полюсов в общие пазы статора,
• применение специальной намотки с возможностью переключения существующих обмоток под нужное число пар полюсов.

В первом случае чтобы уложить в пазы дополнительные обмотки нужно уменьшить сечение провода, а это приводит к уменьшению номинальной мощности электродвигателя. Во втором случае имеет место усложнение коммутационной аппаратуры, особенно для трёх и более скоростей, а также ухудшаются энергетические характеристики. Более подробно этот и другие способы регулирования скорости асинхронного двигателя описаны в архивном файле, который можно скачать внизу страницы.

Обычно многоскоростные двигатели выпускаются на 2, 3 или 4 скорости вращения, причем 2-х скоростные двигатели выпускаются с одной обмоткой на статоре и с переключением числа пар полюсов в отношении 2 : 1 = р2 : pt , 3-х скоростные двигатели — с двумя обмотками на статоре, из которых одна выполняется с переключением 2 : 1 = Рг : Pi , 4-х скоростные двигатели — с двумя обмотками на статоре, каждая из которых выполняется с переключением числа пар полюсов в отношении 2:1. Многоскоростными электродвигателями оснащаются различные станки, грузовые и пассажирских лифты, они используются для приводов вентиляторов, насосов и т.д.

 • Скачать схемы обмоток многоскоростных асинхронных двигателей 

 • Скачать лекцию «Регулирование частоты вращения асинхронных двигателей»



---

Свежие записи:

17 часто задаваемых вопросов о преобразователе частоты и электродвигателе — Статьи

Дата публикации: 21.08.2019

В данной статье мы подобрали для вас ответы на наиболее часто задаваемые вопросы по работе электродвигателей и частотных преобразователей.

1. Что такое электромеханический привод?

Ответ: Электромеханический привод – это система, состоящая из электродвигателя, механического передаточного устройства, электрического силового преобразователя и электронного устройства управления, осуществляющая управляемое преобразование электрической энергии в энергию движения механического объекта.

2. Что такое преобразователь частоты?

Ответ: Преобразователь частоты – это устройство для управляемого питания электродвигателя.

3. В чем заключается назначение преобразователя частоты?

Ответ: Назначение преобразователя частоты – это управление моментом/скоростью вращения электродвигателя за счет изменения частоты и напряжения питания.

4. Что такое ШИМ?

Ответ: ШИМ (Широтно импульсная модуляция) – это метод получения регулируемого выходного напряжения путем изменения длительности коммутации.

5. Как согласуется выходное напряжение ПЧ с входным?

Ответ: Выходное напряжение может меняться от 0 до уровня входного напряжения ПЧ (возможна перегрузка в несколько процентов). Соответственно при питании ПЧ от сети 220В не возможно развить номинальный момент на двигателе подключенным по схеме питания 380В.

6. Как согласуется выходная частота ПЧ с номинальной входной?

Ответ:  Выходная частота формируется посредством ШИМ и может меняться в диапазоне от 0 до 400 -590 Гц (в зависимости от модели ПЧ). В зависимости от выходной частоты ПЧ меняется скорость вращения вала двигателя.

7. Возможно ли управлять ПЧ однофазными двигателями?

Ответ: Нет.

8. Возможно ли управлять ПЧ с однофазным питанием, трехфазными двигателями?

Ответ: Да, до 2,2 кВт.

9. Основные плюсы использования преобразователей частоты?

Ответ: Их 2. Во-первых, экономия электроэнергии при работе электродвигателя. Во-вторых, реализация сложных технологических процессов за счет изменения частоты вращения приводов.

10. Какой принцип работы асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором?

Ответ: ПЧ создает вращающееся магнитное поле в статоре, а оно создает электрическое поле в короткозамкнутом роторе (принцип магнитной индукции). Происходит взаимодействие между полями ротора и статора. Поле ротора стремится вращаться также как поле статора, тем самым ротор приходит во вращение.

11. От чего зависит номинальная скорость вращения ротора асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором?

Ответ: Она зависит от частоты питающего напряжения и количества пар полюсов и скольжения. Преобразователь частоты позволяет регулировать частоту питающего напряжения и тем самым скорость вращения вала ЭД.

12. Какое значение имеет скорость вращения вала электродвигателя при его работе от сети?

Ответ: Скорость равна номинальной частоте двигателя.

13. Какова скорость вращения вала электродвигателя при его работе от ПЧ?

Ответ: Скорость регулируется от ПЧ .

14. Как связан момент с током электродвигателя?

Ответ: Для двигателя с постоянными магнитами момент пропорционален току статора. Для асинхронных двигателей зависимость между током и моментом нелинейная, но в рабочей зоне рост тока приводит к росту момента.

15: Какие существуют способы подключения обмоток двигателя?

Ответ: Треугольник, Звезда (изменяется номинальное напряжение и ток двигателя).

16: При подключении в звезду или треугольник будет больше номинальное линейное напряжение двигателя?

Ответ: Линейное напряжение будет больше для звезды (соответственно ток наоборот меньше).

17: Что такое скольжение?

Ответ: Скольжение – это разница между скоростью поля  статора и частотой вращения ротора в процентах.

 

Смотрите так же:

Функция «Спящий режим» преобразователя частоты Danfoss FC-051 (Реализация на встроенном контроллере)

Управление частотным преобразователем Danfoss серии FC51 с панели оператора Weintek MT8121XE1WK

 

Для заказа преобразователя частоты перейдите в каталог по ссылке — VLT Micro Drive

 

 

Методы регулирования скорости асинхронного двигателя

Асинхронный двигатель практически представляет собой двигатель с постоянной скоростью, что означает, что для всего диапазона нагрузок изменение скорости двигателя довольно мало. Скорость параллельного двигателя постоянного тока можно очень легко изменять с хорошим КПД, но в случае асинхронных двигателей снижение скорости сопровождается соответствующей потерей эффективности и низким коэффициентом мощности. Поскольку асинхронные двигатели широко используются, регулирование их скорости может потребоваться во многих приложениях. Различные методы управления скоростью асинхронного двигателя объясняются ниже.

Регулировка скорости асинхронного двигателя со стороны статора

1. Путем изменения подаваемого напряжения:

Из уравнения крутящего момента асинхронного двигателя,
Сопротивление ротора R ₂ постоянно, и если скольжение s мало, то (sX ₂ ) ² настолько мало, что им можно пренебречь. Следовательно, T ∝ sE ₂ ² , где E ₂ — ЭДС, индуцированная ротором, а E ₂ ∝ V
. Таким образом, T ∝ sV ² , что означает, что если подаваемое напряжение уменьшается, развиваемый крутящий момент уменьшается.Следовательно, для обеспечения того же момента нагрузки скольжение увеличивается с уменьшением напряжения, и, следовательно, скорость уменьшается. Этот метод самый простой и дешевый, но до сих пор используется редко, потому что для относительно небольшого изменения скорости требуется большое изменение напряжения питания.

Большое изменение напряжения питания приведет к большому изменению плотности магнитного потока, следовательно, это нарушит магнитные условия двигателя.

2. Изменяя применяемую частоту

Синхронная скорость вращающегося магнитного поля асинхронного двигателя определяется выражением,
. где f = частота питания и P = количество полюсов статора.
Следовательно, синхронная скорость изменяется с изменением частоты питания. Фактическая скорость асинхронного двигателя определяется как N = Ns (1 — s) . Однако этот метод не получил широкого распространения. Его можно использовать там, где асинхронный двигатель питается от специального генератора (так что частоту можно легко изменять, изменяя скорость первичного двигателя). Кроме того, при более низкой частоте ток двигателя может стать слишком большим из-за пониженного реактивного сопротивления. А если частота превышает номинальное значение, максимальный развиваемый крутящий момент падает, а скорость увеличивается.

3. Постоянное регулирование U / F асинхронного двигателя

Это самый популярный метод управления скоростью асинхронного двигателя. Как и в описанном выше методе, если частота питания снижается при сохранении номинального напряжения питания, поток в воздушном зазоре стремится к насыщению. Это вызовет чрезмерный ток статора и искажение магнитной волны статора. Следовательно, напряжение статора также должно быть уменьшено пропорционально частоте, чтобы поддерживать постоянный магнитный поток в воздушном зазоре. Величина потока статора пропорциональна отношению напряжения статора к частоте.Следовательно, если отношение напряжения к частоте остается постоянным, магнитный поток остается постоянным. Кроме того, при поддержании постоянного V / F развиваемый крутящий момент остается приблизительно постоянным. Этот метод дает более высокую эффективность во время выполнения. Поэтому в большинстве приводов переменного тока для управления скоростью используется метод постоянного напряжения / частоты (или метод переменного напряжения и переменной частоты). Наряду с широким диапазоном регулирования скорости, этот метод также предлагает возможность «плавного пуска».

4. Изменение количества полюсов статора

Из приведенного выше уравнения синхронной скорости можно увидеть, что синхронная скорость (и, следовательно, скорость движения) может быть изменена путем изменения количества полюсов статора.Этот метод обычно используется для асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, поскольку ротор с короткозамкнутым ротором адаптируется к любому количеству полюсов статора. Смена полюсов статора достигается двумя или более независимыми обмотками статора, намотанными на разное количество полюсов в одинаковых пазах.
Например, статор намотан с двумя 3-фазными обмотками, одна на 4 полюса, а другая на 6 полюсов.
для частоты питания 50 Гц
i) синхронная скорость при подключении 4-х полюсной обмотки, Ns = 120 * 50/4 = 1500 об / мин
ii) синхронная скорость при подключении 6-полюсной обмотки, Ns = 120 * 50/6 = 1000 об / мин

Регулировка скорости со стороны ротора:

1.Регулировка реостата ротора

Этот метод аналогичен управлению реостатом якоря параллельного двигателя постоянного тока. Но этот метод применим только к электродвигателям с фазным ротором, так как добавление внешнего сопротивления в ротор электродвигателей с короткозамкнутым ротором невозможно.

2. Каскадный режим

В этом методе регулирования скорости используются два двигателя. Оба установлены на одном валу, поэтому оба работают с одинаковой скоростью. Один двигатель питается от трехфазного источника питания, а другой двигатель получает питание от наведенной ЭДС в первом двигателе через контактные кольца.Расположение показано на следующем рисунке.
Двигатель A называется основным двигателем, а двигатель B — вспомогательным двигателем.
Пусть, N _с1 = частота двигателя A
N _с2 = частота двигателя B
P ₁ = количество полюсов статора двигателя A
P ₂ = количество полюсов статора двигателя B
N = скорость установки и одинаковая для обоих двигателей
f = частота питания

Теперь скольжение двигателя A, S ₁ = (N _s1 — N) / N _s1 .
частота ЭДС, индуцированная ротором в двигателе A, f ₁ = S ₁ f
Теперь на вспомогательный двигатель B подается ЭДС индукции ротора

, следовательно, N _s2 = (120f ₁ ) / P ₂ = (120S ₁ f) / P ₂ .

теперь ставим значение S ₁ = (N _s1 — N) / N _s1

На холостом ходу скорость вспомогательного ротора почти такая же, как и его синхронная скорость.
я.е. N = N _с2 .
из приведенных выше уравнений можно получить, что
С помощью этого метода можно получить четыре различных скорости
1. когда работает только двигатель A, соответствующая скорость = .Ns1 = 120f / P ₁
2. когда работает только двигатель B, соответствующая скорость = Ns2 = 120f / P ₂
3. если выполнено коммутационное каскадирование, скорость набора = N = 120f / (P ₁ + P ₂ )
4. Если выполняется дифференциальное каскадирование, скорость установки = N = 120f (P ₁ — P ₂ )

3.Путем подачи ЭДС в цепь ротора

В этом методе скорость асинхронного двигателя регулируется путем подачи напряжения в цепь ротора. Необходимо, чтобы подаваемое напряжение (ЭДС) имело ту же частоту, что и частота скольжения. Однако ограничений по фазе вводимой ЭДС нет. Если мы подаем ЭДС, которая находится в противофазе с ЭДС, индуцированной ротором, сопротивление ротора будет увеличиваться. Если мы введем ЭДС, которая находится в фазе с ЭДС, вызванной ротором, сопротивление ротора уменьшится.Таким образом, изменяя фазу инжектируемой ЭДС, можно управлять скоростью. Основным преимуществом этого метода является широкий диапазон регулирования скорости (как выше нормы, так и ниже нормы). ЭДС может быть введена различными методами, такими как система Крамера, система Шербиуса и т. Д.

Управление скоростью трехфазного асинхронного двигателя

Трехфазный асинхронный двигатель в основном представляет собой двигатель с постоянной скоростью, поэтому контролировать его скорость довольно сложно. Управление скоростью асинхронного двигателя осуществляется за счет снижения КПД и низкого коэффициента электрической мощности.Перед обсуждением методов управления скоростью трехфазного асинхронного двигателя необходимо знать основные формулы скорости и крутящего момента трехфазного асинхронного двигателя, поскольку методы управления скоростью зависят от этих формул.

Синхронная скорость

Где f = частота, а P — количество полюсов

Скорость асинхронного двигателя определяется выражением,

Где
Н — это скорость ротора асинхронного двигателя,
Н _s — синхронная скорость,
S — скольжение.
Крутящий момент, создаваемый трехфазным асинхронным двигателем, равен:

Когда ротор находится в состоянии покоя, скольжение s равно единице.
Итак, уравнение крутящего момента:

Где
E ₂ — ЭДС ротора
Н _с — синхронная скорость
R ₂ — сопротивление ротора
X ₂ — индуктивное сопротивление ротора

Скорость асинхронного двигателя изменяется как со стороны статора, так и со стороны ротора. Управление скоростью трехфазного асинхронного двигателя со стороны статора дополнительно классифицируется как:

• Управление U / f или регулирование частоты.
• Изменение количества полюсов статора.
• Управляющее напряжение питания.
• Добавление реостата в цепь статора.

Управление скоростью трехфазного асинхронного двигателя со стороны ротора дополнительно классифицируется как:

• Добавление внешнего сопротивления со стороны ротора.
• Каскадный метод управления.
• Ввод ЭДС частоты скольжения в сторону ротора.

Регулирование скорости со стороны статора

• • Регулирование напряжения / частоты

    V / f или регулирование частоты

    Каждый раз, когда трехфазное питание подается на трехфазный асинхронный двигатель, создается вращающееся магнитное поле, которое вращается с синхронной скоростью, задаваемой
    
    In three ЭДС фазного асинхронного двигателя индуцируется индукцией, аналогичной индукции трансформатора, которая определяется по формуле
    
    , где K — постоянная обмотки, T — количество витков на фазу, а f — частота.Теперь, если мы изменим частоту, синхронная скорость изменится, но с уменьшением частоты поток будет увеличиваться, и это изменение значения потока вызовет насыщение сердечников ротора и статора, что в дальнейшем приведет к увеличению тока холостого хода двигателя. Таким образом, важно поддерживать постоянный поток φ, и это возможно только при изменении напряжения. то есть, если мы уменьшаем частоту, поток увеличивается, но в то же время, если мы уменьшаем поток напряжения, он также уменьшается, не вызывая изменения потока, и, следовательно, он остается постоянным.Итак, здесь мы сохраняем отношение V / f постоянным. Отсюда его название — метод V / f. Для управления скоростью трехфазного асинхронного двигателя методом V / f мы должны подавать переменное напряжение и частоту, которые легко получить с помощью преобразователя и набора инверторов.

  • Управляющее напряжение питания

    Крутящий момент, создаваемый при работе трехфазного асинхронного двигателя, задается
    
    В области малого скольжения (sX) ² очень и очень мал по сравнению с R ₂ .Значит, им можно пренебречь. Таким образом, крутящий момент становится
    
    Поскольку сопротивление ротора R ₂ постоянно, уравнение крутящего момента дополнительно уменьшается до
    
    Мы знаем, что ЭДС ротора индуцированная E ₂ V. Итак, T ∝ sV ² .
    Из приведенного выше уравнения видно, что при уменьшении напряжения питания момент также будет уменьшаться. Но для обеспечения той же нагрузки крутящий момент должен оставаться неизменным, и это возможно только в том случае, если мы увеличим скольжение, и если скольжение увеличивается, двигатель будет работать с пониженной скоростью.Этот метод управления скоростью используется редко, потому что небольшое изменение скорости требует большого снижения напряжения, и, следовательно, ток, потребляемый двигателем, увеличивается, что вызывает перегрев асинхронного двигателя.

  • Изменение количества полюсов статора:

    Полюса статора можно изменить двумя способами.

  • Метод множественной намотки статора.

  • Метод полюсной амплитудной модуляции (PAM)

  • Метод множественной обмотки статора

    В этом методе управления скоростью трехфазного асинхронного двигателя мы обеспечиваем две отдельные обмотки в статоре.Эти две обмотки статора электрически изолированы друг от друга и намотаны на два разного числа полюсов. При использовании переключающего устройства питание подается только на одну обмотку, и, следовательно, возможно регулирование скорости. Недостатки этого метода в том, что невозможно плавное регулирование скорости. Этот метод более дорогостоящий и менее эффективный, поскольку требуются две разные обмотки статора. Этот метод управления скоростью может применяться только к двигателям с короткозамкнутым ротором.

  • Метод полюсной амплитудной модуляции (PAM)

    В этом методе управления скоростью трехфазного асинхронного двигателя исходная синусоидальная волна MMF модулируется другой синусоидальной волной MMF, имеющей другое количество полюсов.

Пусть f ₁ (θ) будет исходной миллиметровой волной асинхронного двигателя, скорость которого необходимо контролировать.
f ₂ (θ) — волна mmf модуляции.
P ₁ — количество полюсов асинхронного двигателя, скорость которого необходимо регулировать.
P ₂ — количество полюсов волны модуляции.

После модуляции результирующая волна mmf

Итак, мы получаем результирующую волну mmf

Следовательно, результирующая волна mmf будет иметь два разных числа полюсов

Следовательно, изменяя количество полюсов, мы можем легко изменить скорость трехфазного асинхронного двигателя .

• Добавление реостата в цепь статора

  В этом методе управления скоростью трехфазного асинхронного двигателя реостат добавляется в цепь статора из-за падения этого напряжения. В случае трехфазного асинхронного двигателя создаваемый крутящий момент задается T ∝ СВ ₂ ² . При уменьшении напряжения питания уменьшится и крутящий момент. Но для обеспечения той же нагрузки крутящий момент должен оставаться неизменным, и это возможно только в том случае, если мы увеличим скольжение и если двигатель с увеличением скольжения будет работать на пониженной скорости.

Управление скоростью со стороны ротора

• Добавление внешнего сопротивления на стороне ротора

  В этом методе управления скоростью трехфазного асинхронного двигателя внешнее сопротивление добавляется на стороне ротора. Уравнение крутящего момента для трехфазного асинхронного двигателя:
  
  Трехфазный асинхронный двигатель работает в области с низким скольжением. В области низкого проскальзывания член (sX) ² становится очень маленьким по сравнению с R ₂ . Значит, им можно пренебречь.а также E ₂ постоянно. Таким образом, уравнение крутящего момента после упрощения становится следующим:
  
  Теперь, если мы увеличиваем сопротивление ротора, крутящий момент R ₂ уменьшается, но для обеспечения той же нагрузки крутящий момент должен оставаться постоянным. Таким образом, мы увеличиваем скольжение, что в дальнейшем приведет к снижению скорости вращения ротора. Таким образом, добавляя дополнительное сопротивление в цепь ротора, мы можем уменьшить скорость трехфазного асинхронного двигателя. Основным преимуществом этого метода является то, что с добавлением внешнего сопротивления пусковой момент увеличивается, но этот метод управления скоростью трехфазного асинхронного двигателя также имеет некоторые недостатки:

  • Скорость выше нормального значения невозможна.
  • Большое изменение скорости требует большого значения сопротивления, и если такое большое значение сопротивления добавлено в схему, это вызовет большие потери в меди и, следовательно, снижение эффективности.
  • Наличие сопротивления приводит к большим потерям.
  • Этот метод нельзя использовать для асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.

• Метод каскадного управления

  В этом методе управления скоростью трехфазного асинхронного двигателя два трехфазных асинхронных двигателя соединены на общем валу и, следовательно, называются каскадным двигателем.Один двигатель называется основным двигателем, а другой двигатель — вспомогательным. Трехфазное питание подается на статор основного двигателя, в то время как вспомогательный двигатель получает частоту скольжения от контактного кольца основного двигателя.
  Пусть N _S1 будет синхронной скоростью главного двигателя.
  N _S2 — синхронная скорость вспомогательного двигателя.
  P ₁ — количество полюсов главного двигателя.
  P ₂ — количество полюсов вспомогательного двигателя.
  F — частота питания.
  F ₁ — частота наведенной ротором ЭДС главного двигателя.
  Н — это скорость установки, она остается одинаковой как для основного, так и для вспомогательного двигателя, поскольку оба двигателя установлены на общем валу.
  S ₁ — скольжение главного двигателя.
  
  Вспомогательный двигатель питается с той же частотой, что и основной двигатель, т.е.
  
  Теперь введите значение
  
  Теперь без нагрузки скорость вспомогательного ротора почти такая же, как его синхронная скорость i.e N = N _S2
  
  Теперь измените приведенное выше уравнение и найдите значение N, мы получим
  
  Этот каскадный набор из двух двигателей теперь будет работать на новой скорости с количеством полюсов (P ₁ + P ₂ ). В описанном выше методе крутящий момент, создаваемый основным и вспомогательным двигателями, будет действовать в одном направлении, что приведет к количеству полюсов (P ₁ + P ₂ ). Такой тип каскадирования называется кумулятивным каскадом. Существует еще один тип каскадирования, при котором крутящий момент, создаваемый основным двигателем, противоположен направлению вращения вспомогательного двигателя.Такой тип каскадирования называется дифференциальным каскадированием; в результате скорость соответствует количеству полюсов (P ₁ — P ₂ ).
  В этом методе управления скоростью трехфазного асинхронного двигателя можно получить четыре различных скорости.

  • Когда работает только основной асинхронный двигатель, скорость соответствует.
  • Когда работает только вспомогательный асинхронный двигатель, скорость соответствует.
  • Когда выполнено кумулятивное каскадирование, полный набор работает со скоростью.
  • Когда выполняется дифференциальное каскадирование, полный набор работает со скоростью.

• Ввод ЭДС частоты скольжения в сторону ротора

  Когда регулирование скорости трехфазного асинхронного двигателя осуществляется путем добавления сопротивления в цепи ротора, называемой некоторой частью мощности, мощность скольжения теряется как I ² R потери . Поэтому эффективность трехфазного асинхронного двигателя снижается при использовании этого метода регулирования скорости. Эти потери мощности скольжения могут быть восстановлены и возвращены для повышения общей эффективности трехфазного асинхронного двигателя, и эта схема восстановления мощности называется схемой восстановления мощности скольжения, и это достигается путем подключения внешнего источника ЭДС частоты скольжения. к цепи ротора.Инжектированная ЭДС может либо противодействовать ЭДС, индуцированной ротором, либо способствовать ЭДС, индуцированной ротором. Если он противодействует ЭДС, индуцированной ротором, общее сопротивление ротора увеличивается, и, следовательно, скорость уменьшается, а если инжектируемая ЭДС помогает ЭДС главного ротора, общая уменьшается и, следовательно, увеличивается скорость. Следовательно, вводя в цепь ротора наведенную ЭДС, можно легко управлять скоростью. Основное преимущество этого типа управления скоростью трехфазного асинхронного двигателя заключается в том, что можно регулировать скорость в широком диапазоне, будь то скорость выше нормальной или ниже нормальной.

Как изменить скорость на электродвигателе переменного тока

Берт Маркграф Обновлено 16 марта 2018 г.

Двигатели переменного тока являются устройствами с постоянной скоростью, но их скорость может измениться, если вы измените входное напряжение или частоту или обмотки, которые заставить двигатель вращаться. Наиболее распространенный и эффективный способ изменения скорости — изменение частоты с помощью инвертора в качестве источника питания. Этот метод стал популярным с развитием и удешевлением силовой электроники.Способы, включающие снижение напряжения на обмотках двигателя с помощью резисторов, трансформаторов или отводов обмоток двигателя, все еще используются и являются низкозатратными и предпочтительными методами для определенных четко определенных приложений.

Используйте инвертор для питания двигателя переменного тока. Выберите инвертор, который может подавать напряжение и ток двигателя, включая пусковой ток. Используйте диапазон изменения скорости, необходимый для выбора диапазона частоты, которую инвертор должен обеспечивать. Управление инвертором будет изменять частоту, подаваемую на двигатель, и соответственно изменяется скорость двигателя.

Добавьте в цепь двигателя переменное сопротивление, чтобы снизить напряжение на главной обмотке, если инвертор слишком дорог и точное регулирование скорости не требуется. «Скольжение» двигателя, обычно близкое к нулю, будет увеличиваться по мере того, как на двигатель подается уменьшенная мощность, а полюса двигателя не получают достаточной мощности для создания силы, необходимой для поддержания их нормальной скорости. Двигатель должен быть рассчитан на высокое скольжение, а его сопротивление и схема должны быть индивидуальными для конкретного применения.

Используйте трансформатор переменного напряжения для изменения напряжения, подаваемого на главную обмотку, если вы хотите более эффективное управление скоростью с высоким скольжением и пониженным напряжением. Трансформатор переменного напряжения имеет низкие потери по сравнению с переменным резистором. Трансформатор может иметь серию ответвлений, которые yolu может переключать вручную для управления скоростью двигателя, или он может иметь устройство переключения ответвлений с электроприводом. В любом случае скорость двигателя изменяется дискретно, и подробный проект снова зависит от установки, в которой он используется.

Используйте двигатель переменного тока с резьбовыми обмотками для изменения скорости, если таковой имеется. Такой двигатель имеет определенное количество ответвлений на основной обмотке, что позволяет ему работать с различными напряжениями, приложенными к его магнитному полю. Количество отводов и количество скоростей, доступных для конкретного двигателя, обычно не превышает четырех. Этот метод распространен для вентиляторов с низкой, средней и высокой скоростью вращения с переключателем. Точная скорость в этих устройствах не важна, а метод управления скоростью стоит недорого.

Как контролировать скорость асинхронных двигателей?

Проблема регулирования скорости электродвигателей в целом и асинхронных электродвигателей в частности имеет большое практическое значение.

В ряде отраслей двигатели должны удовлетворять очень строгим требованиям к характеристикам скорости, как в отношении диапазона и плавности управления, так и в отношении экономичности работы. По характеристикам регулирования скорости асинхронные двигатели уступают двигателям постоянного тока.Скорость параллельного двигателя постоянного тока можно регулировать в широком диапазоне с хорошим КПД и регулированием скорости, но в асинхронных двигателях скорость не может изменяться без потери эффективности и хорошего регулирования скорости.

Скорость асинхронного двигателя определяется выражением N = 120f / P (1 — с). Таким образом, есть три фактора, а именно частота питания f, количество полюсов P и скольжение s, от которых зависит скорость асинхронного двигателя. Следовательно, чтобы изменить скорость асинхронного двигателя, необходимо изменить хотя бы один из трех вышеупомянутых факторов.

Способы регулирования скорости различаются по основному действию на двигатель:

(i) со стороны статора и

(ii) Со стороны ротора.

Различные методы регулирования скорости со стороны статора:

(а) Изменение частоты питания

(b) Изменение приложенного напряжения и

(c) Путем изменения количества полюсов.

Со стороны ротора можно регулировать скорость:

(а) Изменением сопротивления в цепи ротора и

(b) Путем введения в цепь ротора дополнительной ЭДС той же частоты, что и основная ЭДС ротора.

Для последнего метода регулирования скорости асинхронных двигателей требуется дополнительная электрическая машина или несколько таких машин. Комплект, состоящий из регулируемого асинхронного двигателя и одной или нескольких дополнительных электрических машин, подключенных к нему электрически или механически, называется каскадом. Коммутаторные машины обычно используются в качестве дополнительных машин.

1. Регулирование скорости путем изменения частоты подачи:

Этот метод управления скоростью обеспечивает широкий диапазон регулирования скорости с постепенным изменением скорости во всем этом диапазоне.Основная трудность этого метода заключается в том, как получить источник переменного тока. Дополнительное оборудование, необходимое для этой цели, приводит к высокой первоначальной стоимости, увеличению затрат на техническое обслуживание и снижению общей эффективности. Вот почему этот метод не используется в приложениях общего назначения для регулирования скорости. Несмотря на то, что эта схема сложна, существуют определенные приложения, в которых ее широкий, плавно регулируемый диапазон скоростей и хорошее регулирование скорости делают ее использование весьма желательным.

Если асинхронный двигатель должен работать на разных частотах с практически постоянными значениями КПД, коэффициента мощности, перегрузочной способности и постоянного абсолютного скольжения, то при ненасыщенном железе важно, чтобы напряжение питания изменялось пропорционально питанию. частота.

Такое изменение может происходить, например, если генератор питания подвергается изменениям скорости либо из-за кратковременных перегрузок, либо из-за заметного регулирования скорости.И выходное напряжение, и частота меняются в зависимости от скорости, если не предусмотрена автоматическая коррекция. В некоторых крупных морских приводах гребные двигатели являются асинхронными и регулируются по скорости от такого локального источника питания, который обеспечивается синхронными генераторами, соединенными с турбинами с регулируемой скоростью. Даже в таких случаях диапазон изменения скорости ограничен, поскольку эффективность первичных двигателей быстро падает с изменением скорости от той, для которой они предназначены.

2. Регулирование скорости путем изменения напряжения питания:

Это метод контроля скольжения с регулируемым напряжением питания постоянной частоты.В этом методе управления скоростью асинхронных двигателей напряжение, приложенное к статору, изменяется для изменения скорости.

Этот метод управления скоростью прост, низок по первоначальной стоимости и не требует больших затрат на обслуживание, но его применение ограничено, так как:

(i) Работа при напряжениях, превышающих номинальное, ограничивается магнитным насыщением,

(ii) Для относительно небольшого изменения скорости требуется большое изменение напряжения.

(iii) Развиваемый крутящий момент значительно снижается при снижении напряжения питания, и двигатель останавливается, если крутящий момент нагрузки превышает момент отрыва двигателя, соответствующий пониженному напряжению питания и,

(iv) Диапазон регулирования скорости очень ограничен в направлении вниз i.е., с номинальной скорости на более низкие скорости.

В общем, этот метод управления скоростью используется только на нагрузках, где требуемый крутящий момент значительно падает по мере уменьшения скорости, например, с небольшими двигателями с короткозамкнутым ротором, приводящими в движение вентиляторы.

Переменное напряжение может быть получено с помощью реакторов с насыщением, вариационных трансформаторов или переключающих трансформаторов.

3. Регулировка скорости путем изменения числа полюсов:

Этот метод легко применим к двигателям с короткозамкнутым ротором, поскольку обмотка клетки автоматически реагирует на создание того же количества полюсов, что и статор.Этот метод управления скоростью, как правило, неприменим для двигателей с фазным ротором, поскольку в таких машинах этот метод потребовал бы значительных сложностей при проектировании и переключении, так как соединения первичной и вторичной обмоток должны быть изменены одновременно таким образом, чтобы получить такое же количество полюсов в обеих обмотках. В противном случае некоторые приводные ремни ротора будут создавать отрицательный крутящий момент.

Количество пар полюсов в статоре можно изменить следующим образом:

(a) При использовании нескольких обмоток статора:

В этом методе управления скоростью две или более полностью независимых обмотки, каждая намотанная на разное количество полюсов, размещаются в одних и тех же пазах статора.Количество полюсов обмотки статора в этом случае никак не взаимосвязано и может быть выбрано произвольно в зависимости от условий работы этого двигателя. Например, двухскоростной двигатель может иметь две обмотки статора, одна намотана на 4 полюса, а другая — на 6 полюсов, что обеспечит синхронные скорости 1500 об / мин и 1000 об / мин при частоте питания 50 Гц. Иногда также используются двигатели с четырьмя независимыми обмотками статора, которые обеспечивают четыре различных синхронных (и, следовательно, рабочих) скорости. Конечно, одновременно используется одна обмотка, а остальные полностью не работают.

Переключение с одной скорости на другую может выполняться механическим переключателем или контакторами. При таком расположении обмотка или обмотки, которые используются / не используются, должны оставаться разомкнутыми с помощью переключателя или, по крайней мере, оставаться звездой. В противном случае из-за действия трансформатора обмотка, подключенная к источнику питания, будет индуцировать напряжение в обмотке (ах) холостого хода и вызывать перегрев из-за последующих циркулирующих токов.

Само регулирование сводится к ступенчатому изменению скорости двигателя при подключении той или иной обмотки статора к питающей сети.При каждом изменении двигатель оказывается в условиях, по существу аналогичных условиям запуска, то есть при большом токе и пониженном крутящем моменте. Из-за неактивных проводов этот метод переключения полюсов требует большего статора, чем односкоростной двигатель того же номинала. Этот метод использовался для двигателей лифтов, тяговых двигателей, а также для небольших двигателей, приводящих в движение станки.

(b) Метод последовательных полюсов:

Метод переключения полюсов для управления скоростью 3-фазного асинхронного двигателя, описанный выше в (a) i.То есть, метод с несколькими обмотками статора применяется только в небольших двигателях. В больших двигателях более целесообразно использовать метод последовательной передачи полюсов, который устраняет необходимость иметь несколько обмоток статора для изменения числа полюсов статора. Этот метод управления скоростью использует всю обмотку для каждой скорости. Обычно для односкоростного двигателя последовательные группы катушек наматываются таким образом, чтобы последовательно образовывать полюса противоположной полярности. Это показано на рис. 1.83, где развита одна фаза четырехполюсной обмотки.

Следует отметить, что все катушки соединены последовательно, но концевые соединения выполняются с чередующимися группами, т.е. группа 1 — группа 3, а группа 4 — группа 2. Теперь концевые соединения групп с одинаковыми катушками. , можно изменить так, чтобы последовательные катушки имели одинаковую полярность, как показано на рис. 1.84. Путем параллельного последовательного соединения групп 2-4 с группами 1-3 полярность групп 2 и 4 изменилась, так что теперь есть четыре последовательных северных полюса.

В результате этого между каждым из северных полюсов создаются южные полюса, и двигатель теперь имеет 8-полюсную обмотку. Таким образом, для сети с частотой 50 Гц последовательное расположение обеспечивает синхронную скорость 1500 об / мин, а последовательно-параллельное расположение обеспечивает синхронную скорость 750 об / мин. Также можно использовать последовательно-параллельную схему для 4-полюсной обмотки, а затем переключиться на последовательную схему для 8-полюсной обмотки. Схема переключения трехфазной обмотки с 2-х на 4-х полюсную представлена ​​на рис.1.85.

При повторном подключении всех групп катушек с одинаковой полярностью статор действует так, как будто у него в два раза больше полюсов, чем у групп полюсов. Созданные таким образом дополнительные полюса называются последовательными полюсами, а обмотка — последовательной обмоткой полюсов. Благодаря уникальной коммутационной схеме можно иметь стандартное (или обычное) соединение на одной стороне двухходового переключателя и соответствующее полюсное соединение на другой стороне переключателя. Таким образом, могут быть получены две скорости: более высокая скорость при обычном подключении и половинная скорость при последовательном подключении полюсов.

В двигателях, использующих метод последовательного включения полюсов для регулирования скорости, наилучшая возможная конструкция обычно не достигается на обеих скоростях. То есть желаемые характеристики, такие как высокий коэффициент мощности, приносятся в жертву на одной скорости, чтобы получить достаточно хороший коэффициент мощности на другой скорости. Иногда соединения статора меняются с треугольника на звезду одновременно с изменением соединения полюсов. Это изменяет напряжение и позволяет улучшить двигатель на каждой скорости.

Двухскоростные двигатели обычно изготавливаются с одной обмоткой на статоре, причем число полюсов изменяется в соотношении 1: 2. Трех- и четырехскоростные двигатели имеют две обмотки на статорах, одна или обе из которых выполнены с изменением числа полюсов. Например, если требуется получить двигатель для четырех синхронных скоростей; При 1500, 1000, 750 и 500 об / мин на статоре должны быть размещены две обмотки, одна из которых дает 4 и 8 полюсов, а другая — 6 и 12 полюсов.

Используя последовательно-параллельное соединение групп фаз отдельных фаз, сами фазы могут быть соединены звездой / треугольником, что приводит к двухскоростной работе с тремя типами характеристик крутящего момента-скорости, а именно., постоянный крутящий момент, постоянная выходная мощность и переменный крутящий момент.

Из-за сложностей в конструкции и переключении взаимного соединения обмоток статора невозможно получить более четырех скоростей для любого двигателя с помощью этого метода управления скоростью. Этот метод также не обеспечивает постепенного регулирования скорости. Вот почему этот метод не используется в приложениях общего назначения для регулирования скорости. Однако этот метод очень подходит для таких применений, как вентиляторы, конвейеры, станки или другие приложения, которые требуют работы только на двух или четырех приблизительно постоянных скоростях, которые он может обеспечить.Преимуществом этого метода является простота, хорошее регулирование скорости для каждой настройки, высокая эффективность и умеренные начальные затраты и обслуживание.

Число пар полюсов на статоре также можно изменить, используя метод амплитудной модуляции полюсов — метод модуляции с подавленной несущей. Этот метод смены полюсов имеет то преимущество, что соотношение двух достижимых скоростей не обязательно должно быть 2: 1, как в последующем методе полюсов.

4. Контроль импеданса статора:

Пониженное напряжение на клеммах машины можно получить, вставив симметричные резисторы или индукторы последовательно с каждым выводом статора.В таких условиях напряжение на клеммах двигателя становится зависимым от тока двигателя, и напряжение изменяется с ускорением двигателя. Характеристики крутящего момента типичной скорости показаны на рис. 1.86.

Если импеданс (R или X) отрегулирован так, чтобы обеспечить тот же пусковой момент, характеристика скорость-момент в случае добавления индуктора будет иметь больший крутящий момент, чем с дополнительным сопротивлением. Кроме того, обе эти характеристики позволяют нам иметь крутящий момент, превышающий тот, который можно получить с характеристикой с пониженным приложенным напряжением, для того же пускового момента.Добавление резистора в цепь статора улучшает коэффициент мощности, но за счет больших потерь энергии.

5. Управление скоростью путем изменения сопротивления ротора (или управления сопротивлением ротора):

Двигатели с фазным ротором обычно запускаются путем подключения пусковых сопротивлений во вторичной цепи, которые постепенно закорачиваются по мере увеличения скорости двигателя. Если омические значения этих сопротивлений выбраны правильно и если эти сопротивления предназначены для непрерывной работы, они могут служить двойному назначению, запуску и регулированию скорости.Очевидно, что этот метод может применяться только к двигателям с фазным ротором.

Плавность регулирования скорости зависит от количества доступных ступеней сопротивлений. Управление осуществляется в направлении вниз от базовой скорости. Диапазон регулирования скорости непостоянен и зависит от величины нагрузки. Этот метод управления скоростью имеет характеристики, аналогичные характеристикам управления скоростью шунтирующего двигателя постоянного тока с помощью сопротивления, включенного последовательно с якорем. Его основные недостатки — более низкий КПД и плохое регулирование скорости из-за увеличения сопротивления ротора на малых оборотах.

Например, при 50% синхронной скорости КПД ротора составляет только 50%, а КПД двигателя будет несколько меньше. Изменение скорости ограничено диапазоном только 50-100%. Жидкие реостаты предпочтительнее металлических реостатов, поскольку они не имеют индуктивности, а сопротивления можно плавно отключать, создавая равномерный крутящий момент. Введение внешних резисторов в цепь ротора асинхронного двигателя с контактным кольцом изменит характеристики скорости-момента.

Следовательно, этот метод управления скоростью как таковой не подходит для управления скоростью с постоянным крутящим моментом. Но этот метод широко используется для нагрузок, где требуемый крутящий момент значительно падает при уменьшении скорости, например, при нагрузках на вентиляторы, для которых потребляемая мощность заметно падает при снижении скорости, что, в свою очередь, снижает потери в меди в роторе. Более того, этот метод не применяется для непрерывного управления скоростью, но предпочтителен для прерывистой (кратковременной) работы. Такой способ регулирования скорости широко используется на практике для двигателей малой мощности и мостовых кранов.

Однако иногда используется для регулирования скорости прокатных станов, особенно если они оснащены маховиками для уменьшения пиков нагрузки в контуре. Здесь реостат, называемый регулятором скорости, автоматически включается при увеличении нагрузки, в результате чего скорость уменьшается, и часть нагрузки компенсируется за счет кинетической энергии маховика. И наоборот, когда нагрузка уменьшается, сопротивление цепи ротора уменьшается; скорость увеличивается, и маховик начинает накапливать кинетическую энергию.

6. Вторичный регулятор постороннего напряжения:

В этом методе скорость асинхронного двигателя регулируется путем подачи напряжения частоты скольжения во вторичную цепь. Если подаваемое напряжение совпадает по фазе с наведенной ЭДС во вторичной цепи, это эквивалентно уменьшению сопротивления во вторичной цепи, поэтому скольжение уменьшается или увеличивается скорость. Можно достичь сверхсинхронных скоростей, подавая напряжение частоты скольжения в фазе с наведенной ЭДС в цепи ротора.

Если подаваемое напряжение находится в фазе, противоположной наведенной ЭДС во вторичной цепи, это эквивалентно увеличению сопротивления во вторичной цепи, что приводит к увеличению скольжения или снижению скорости. Таким образом, с помощью этого метода можно регулировать скорость в большом диапазоне за счет включения в цепь ротора оборудования для преобразования частоты.

В этом методе преодолены недостатки, связанные с более низким КПД и плохим регулированием скорости, но, поскольку для ввода ЭДС частоты скольжения во вторичный контур требуется одна или несколько вспомогательных машин, он является более дорогостоящим и используется с двигателями очень большой мощности. рейтинг, например, для двигателей на сталелитейных заводах.

Было разработано несколько методов управления скоростью асинхронных двигателей путем подачи напряжения с частотой скольжения во вторичную цепь. Различные методы различаются по требованиям к вспомогательному оборудованию; от включения вспомогательного оборудования в конструкцию самого асинхронного двигателя до довольно сложной системы вспомогательных вращающихся машин и трансформаторов с регулируемым передаточным числом.

Основные критерии, которым должна соответствовать такая система:

(i) Что переменное постороннее напряжение имеет частоту скольжения, т.е.е., частота равна s _f и

(ii) Чтобы энергия, связанная с посторонним напряжением, могла быть извлечена.

Наиболее распространенными системами, основанными на этом принципе, являются система Крамера, система Леблана и система Шербиуса для регулирования скорости многофазных асинхронных двигателей.

7. Управление скоростью путем конкатенации:

В этом методе требуются два двигателя, по крайней мере один из которых должен иметь ротор с фазовой головкой. Два двигателя могут быть механически соединены вместе для управления общей нагрузкой.Если обмотка статора одного из них, двигателя с фазным ротором, подключена к трехфазному источнику переменного тока, а его обмотка ротора подключена к обмотке статора второго двигателя, скорость комбинации будет определяться суммой или разница количества полюсов в двух машинах. На практике обычно соединяют выход ротора первой машины со статором второй машины таким образом, чтобы вращающиеся поля обеих были в одном направлении; при этом условии результирующая скорость будет определяться следующим выражением —

Где, f — частота питания, P ₁ и P ₂ — количество полюсов на машинах I и II соответственно.

Для получения скорости, превышающей нормальную, крутящий момент второго двигателя реверсируется путем простого изменения двух выводов второго двигателя. Это называется дифференциальным каскадом, и при этом условии скорость будет определяться выражением —

.

Дополнительное регулирование скорости, если желательно, может быть достигнуто за счет наличия второй машины также с фазным ротором и включения управляющего сопротивления в цепь ротора второй машины.

Если два двигателя имеют одинаковое количество полюсов и соединены в совокупный каскад [Ур.(1.77)], они будут работать практически на половинной скорости. Поскольку в дифференциальном каскаде крутящий момент на валу значительно снижается, на практике он не используется.

Механическая мощность двух машин примерно в соотношении (1 — s ₁ ): или

или P ₁ : P ₂ , т. Е. В соотношении количества полюсов на станках.

Как управлять скоростью электродвигателя переменного тока

Электродвигатель переменного тока — это электродвигатель, приводимый в действие переменным током (AC), и состоит из двух основных частей: внешнего статора с катушками, на которые подается переменный ток для создания вращающегося магнитного поля. и внутренний ротор, прикрепленный к выходному валу, создающий второе вращающееся магнитное поле.Возможность управлять скоростью двигателя имеет множество преимуществ, и в этом руководстве будут рассмотрены несколько способов управления скоростью двигателя.

Как отмечалось выше, управление скоростью электродвигателя переменного тока имеет ряд преимуществ, включая снижение слышимого шума, энергоэффективность и улучшенный контроль над приложением двигателя. Несмотря на то, что они являются устройствами с постоянной скоростью, скорость двигателя переменного тока может изменяться при изменении частоты, входного напряжения или обмоток, которые заставляют двигатель вращаться.

Распространенным и эффективным средством изменения скорости двигателя является изменение частоты с помощью инвертора в качестве источника питания. Благодаря технологическому прогрессу и снижению стоимости силовых инверторов, это часто используемый и популярный вариант. Способы снижения напряжения на обмотках двигателя с помощью трансформаторов, резисторов или отводов обмоток двигателя также все еще используются.

Если вы планируете использовать инвертор для питания электродвигателя переменного тока, важно выбрать такой, который может обеспечивать не только напряжение и рабочий ток двигателя, но и пусковой ток.Используйте диапазон изменения скорости, необходимый для выбора диапазона частоты, которую инвертор должен обеспечивать. Элементы управления инвертора могут использоваться для изменения частоты, подаваемой на двигатель, и скорость двигателя будет соответственно изменяться.

Если полностью точное регулирование скорости не критично для двигателя, можно также добавить переменное сопротивление в цепь двигателя для снижения напряжения на главной обмотке. «Проскальзывание» двигателя — разница между синхронной скоростью магнитного поля электродвигателя и скоростью вращения вала — которая обычно близка к нулю, будет увеличиваться, поскольку на двигатель подается уменьшенная мощность.Кроме того, полюса двигателя не получают достаточной мощности для создания силы, необходимой для поддержания нормальной скорости, и в этом методе двигатель должен быть рассчитан на высокое скольжение.

Более эффективным вариантом является использование трансформатора переменного напряжения. Этот метод изменит напряжение, подаваемое на главную обмотку, что приведет к большому скольжению и уменьшению напряжения управления скоростью. Трансформатор переменного напряжения имеет низкие потери по сравнению с переменным резистором. Использование трансформатора может иметь серию ответвлений, которые изменяют соотношение напряжений для управления скоростью двигателя.Эти ответвления можно менять вручную, или трансформатор может иметь устройство переключения ответвлений с электроприводом. В любом случае скорость двигателя изменяется дискретно, и конкретная конструкция зависит от установки, в которой используется трансформатор.

Другой метод управления скоростью двигателя переменного тока — использование двигателя переменного тока с ответвленными обмотками для изменения скорости. Этот метод чаще всего встречается в домашних вентиляторах с переключателями высокой, средней и низкой скорости. Эти двигатели имеют заданное количество ответвлений на основной обмотке, что позволяет им работать с различными напряжениями, приложенными к его магнитному полю.Количество ступеней и скоростей, доступных для двигателя, обычно не превышает четырех. Точная скорость в этих типах приложений не является критичной, и регулирование скорости с помощью этой опции очень экономично.

Частотно-регулируемый привод (VFD) — это еще один вариант, который представляет собой контроллер двигателя переменного тока, который управляет двигателем, изменяя подаваемую на него частоту и напряжение. Частота (или герц) напрямую связана со скоростью двигателя (об / мин), поэтому чем выше частота, тем выше частота вращения. Если приложение двигателя не требует, чтобы он работал на полной скорости, можно использовать частотно-регулируемый привод для уменьшения частоты и напряжения в соответствии с требованиями к нагрузке двигателя.Когда требования к скорости двигателя в приложении меняются, частотно-регулируемый привод будет эффективно уменьшать или увеличивать скорость двигателя, удовлетворяя требованиям по скорости. Использование частотно-регулируемого привода может обеспечить снижение энергопотребления и затрат, увеличение производства за счет более жесткого контроля процесса и продление срока службы оборудования при одновременном снижении требований к техническому обслуживанию.

Наконец, регулировка величины напряжения на клеммах двигателя с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ) также может управлять скоростью двигателя. Как следует из этого термина, ШИМ-регулирование скорости работает путем управления двигателем с помощью быстрой серии импульсов «ВКЛ» и «ВЫКЛ» и изменения рабочего цикла.Мощность, подаваемая на двигатель, регулируется путем изменения ширины этих приложенных импульсов, что, в свою очередь, изменяет среднее напряжение, подаваемое на клеммы двигателя. Модулируя или изменяя синхронизацию этих импульсов, можно управлять скоростью двигателя. Таким образом, чем дольше импульс «включен», двигатель будет вращаться быстрее, и, наоборот, чем короче время, в течение которого импульс «включен», тем медленнее будет вращаться двигатель.

С помощью нескольких простых регулировок или изменений можно управлять скоростью электродвигателя переменного тока.Посетите Zoro.com, где представлен широкий спектр регуляторов скорости переменного тока от ведущих поставщиков.

Что такое регулирование скорости асинхронного двигателя?

Управление скоростью асинхронного двигателя. Асинхронный двигатель — это двигатель с постоянной скоростью, что в практическом смысле означает, что изменение скорости двигателя приблизительно мало по сравнению с общим уровнем нагрузки. Хотя скорость шунтирующей системы постоянного тока может быть слишком просто изменена с соответствующей эффективностью, падение скорости асинхронных двигателей может вызвать значительную потерю эффективности и снизить коэффициент мощности.Поскольку асинхронные двигатели широко используются в различных приложениях, регулирование скорости асинхронного двигателя является важным фактором. Итак, ниже в этом посте обсуждаются различные методы контроля скорости.

Введение в управление скоростью асинхронного двигателя

В нашей среде для общих целей используются несколько типов двигателей, от бытовых устройств до машинных систем в промышленных приложениях. В настоящее время электродвигатель является незаменимым и жизненно важным источником энергии во многих отраслях промышленности.Характеристики и функции, необходимые для этих двигателей, слишком широки.

Если вы рассматриваете проблему управления скоростью двигателей, доступных на рынке, шаговые и сервосистемы контролируют их скорость с шагом импульса, тогда как бесщеточные двигатели постоянного тока и асинхронные двигатели определяют скорость с помощью дополнительного резистора или источника постоянного напряжения. Например, трехфазная индукционная система — это, по сути, двигатель с фиксированной скоростью. Так что следить за его скоростью относительно сложно. Однако управление скоростью асинхронного двигателя используется для решения проблем снижения эффективности и повышения коэффициента электрической мощности.Схема управления скоростью асинхронного двигателя

(Ссылка: circuitglobe.com )

В этом сообщении представлены принцип управления скоростью, структура и характеристики различных методов, которые могут относительно просто определять скорость, используя определенные схемы. Посетите здесь, чтобы подробно изучить управление скоростью асинхронного двигателя. Скорость асинхронного двигателя может быть исследована со стороны ротора и статора.

Управление скоростью асинхронного двигателя на основе аспекта статора можно разделить на следующие категории:

• Контроль U / f или регулятор частоты
• Изменение значений полюсов статора.
• Контроль напряжения питания.
• Добавление переменного реостата в систему статора

Управление скоростью индукционной системы в зависимости от стороны ротора классифицируется как:

• Использование дополнительного сопротивления на секции ротора
• Способ управления каскадом
• Ввод ЭДС определенной частоты скольжения в секция ротора

Регулирование скорости асинхронного двигателя со стороны статора

Путем изменения приложенного напряжения

Согласно формуле крутящего момента асинхронного двигателя,

T = \ frac {{K} _ { 1} s {E} _ {2} ^ {2} {R} _ {2}} {\ sqrt {({R} _ {2} ^ {2} + {(s {X} _ {2}) } ^ {2})}} = \ frac {3} {2 \ pi {N} _ {s}} \ frac {s {E} _ {2} ^ {2} {R} _ {2}} { \ sqrt {({R} _ {2} ^ {2} + {(s {X} _ {2})} ^ {2})}}

Сопротивление ротора R ₂ фиксировано, и если проскальзывание значение (я) довольно мало, член (sX ₂ ) ² также мал t что его можно снять.Таким образом, T может быть связано с sE ₂ ² , где E ₂ — ЭДС, индуцированная в роторе, а E ₂ ∝ V.

Следовательно, T можно оценить на основе (sV ² ), Это означает, что при уменьшении необходимого напряжения конечный крутящий момент падает. Следовательно, скольжение увеличивается, чтобы обеспечить тот же момент нагрузки с уменьшением напряжения, и, как результат, скорость уменьшается. Этот метод слишком прост и эффективен, но используется редко, поскольку для относительно небольшого изменения скорости требуется большое изменение выходного напряжения.

Другими словами, большое изменение конечного напряжения вызовет большое изменение плотности потока и нарушит магнитные состояния системы.

Путем изменения приложенной частоты

Синхронная скорость движущегося магнитного поля в асинхронном двигателе может быть рассчитана по формуле

{N} _ {s} = \ frac {120f} {P} (об / мин)

где f — частота системы, а P — количество полюсов статора.Синхронная скорость меняется с изменением частоты системы.

Реальная скорость асинхронного двигателя задается следующим уравнением:

N = {N} _ {s} (1-s)

Хотя этот метод обычно не используется, его можно использовать там, где двигатель поддерживается внешним генератором (так что частота может быть просто изменена изменением скорости главного двигателя). Ток двигателя на более низкой частоте может увеличиваться в зависимости от значения реактивного сопротивления.И если частота повышается сверх стандартного значения, максимальный крутящий момент уменьшается, а скорость увеличивается.

В асинхронном двигателе ЭДС представлена ​​индукцией, как в трансформаторе, которая задается формулой

E \ quad или \ quad V \ quad = \ quad 4.44 \ phi KTf \ quad или \ quad \ phi = \ frac { V} {4.44KTf}

В этом уравнении K — коэффициент обмотки, f — частота, а T — количество оборотов на фазу. Теперь, если мы изменим частоту, синхронная скорость также изменится, но с уменьшением частотного потока, и это изменение потока вызовет состояние насыщения в сердечниках ротора и статора.Следовательно, очень важно поддерживать постоянный поток, и это возможно только в том случае, если мы изменим напряжение. Таким образом, соотношение V / f должно оставаться постоянным. Это метод V / f. Мы должны подавать изменяемые напряжение и частоту для управления скоростью асинхронного двигателя методом U / f, используя инвертор и преобразователь.

Постоянное регулирование U / F асинхронного двигателя

Это наиболее распространенное решение для управления скоростью асинхронного двигателя. Подобно описанному выше методу, если частота системы снижается при сохранении номинального напряжения источника, поток воздушного зазора будет насыщаться.Это вызовет дополнительный ток в статоре и искажение магнитного потока. Таким образом, напряжение статора должно уменьшаться с увеличением частоты, чтобы магнитный поток оставался постоянным.

Величина магнитного потока статора связана с напряжением статора и частотой системы. Таким образом, если скорость напряжения и частоты поддерживаются постоянными, магнитный поток также остается фиксированным. Развиваемый крутящий момент остается относительно постоянным, если V / F остается неизменным. Это решение обеспечивает большую эффективность во время выполнения. Таким образом, несколько типов скоростных приводов применяют режим постоянного напряжения / частоты (или переменной частоты на основе метода переменного напряжения) для управления скоростью асинхронного двигателя.Наряду с широким контролем скорости это решение также обеспечивает возможность плавного пуска.

Изменение количества полюсов статора

Полюса статора можно изменять и изменять двумя способами, включая многосистемную обмотку (MSW) и модуляцию амплитуды полюса (PAM).

Метод множественной обмотки статора

Мы поставляем две разделенные обмотки для этого метода управления скоростью асинхронного двигателя в статоре. Эти две конкретные обмотки электрически разделены друг от друга и имеют два различных числа полюсов.Применение конфигурации переключения на одной обмотке может обеспечить возможность регулирования скорости. Это решение имеет ряд недостатков, в том числе отсутствие плавного регулирования скорости. Кроме того, этот способ слишком дорог и менее эффективен из-за использования двух разных обмоток.

Наконец, этот метод можно использовать только для двигателей с короткозамкнутым ротором. Можно видеть, что рабочая скорость может быть изменена изменением полюсов статора из приведенной выше формулы синхронной скорости. Таким образом, этот метод обычно используется для асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, поскольку ротор этого типа самовосстанавливается для любого числа полюсов.Изменение полюсов статора обеспечивается двумя или более специальными обмотками статора, изолированными для различного количества полюсов в одних и тех же секциях.

Например, система снабжена двумя 3-фазными обмотками, одна на 6 полюсов, а другая на 8 полюсов, чтобы обеспечить частоту 60 Гц.

1. i) можно рассчитать синхронную скорость по 6-полюсным обмоткам, N _с = 120 * 60/6 = 1200 об / мин
2. ii) можно рассчитать синхронную скорость по 8-полюсным обмоткам, Н _с = 120 * 60/8 = 900 об / мин

Метод амплитудной модуляции полюса (PAM)

Первичная синусоидальная волна mmf чередуется с другой конкретной волной mmf, включая другое количество полюсов в этом методе управления скоростью асинхронного двигателя.

Предположим, что f ₁ (θ) — это основная волна mmf асинхронного двигателя, скорость которой необходимо определить, f ₂ (θ) — волна mmf модуляции, P ₁ — количество полюсов системы. скорость которого необходимо контролировать, а P ₂ — количество полюсов вторичной волны.

{f} _ {1} (\ theta) = {F} _ {1} sin \ frac {{P} _ {1} \ theta} {2}

{f} _ {2} (\ theta) = {F} _ {2} sin \ frac {{P} _ {2} \ theta} {2}

Итак, мы можем получить модулирующую результирующую волну mmf как:

{F } _ {r} (\ theta) = {F} _ {1} {F} _ {2} sin \ frac {{P} _ {1} \ theta} {2} sin \ frac {{P} _ { 2} \ theta} {2}

Применяя синусоидальную формулу, мы наконец получим результирующую волну mmf как:

{F} _ {r} (\ theta) = {F} _ {1} {F} _ {2} \ frac {cos \ frac {({P} _ {1} — {P} _ {2}) \ theta} {2} -cos \ frac {({P} _ {1} + {P} _ {2}) \ theta} {2}} {2}

Это означает, что результирующая волна mmf будет включать два различных числа полюсов, т.е.е;

{P} _ {11} = {P} _ {1} — {P} _ {2} \ quad и \ quad {P} _ {12} = {P} _ {1} + {P } _ {2}

Следовательно, по изменению числа полюсов мы можем просто изменить скорость и отрегулировать управление скоростью асинхронного двигателя.

Управление скоростью асинхронного двигателя со стороны ротора

Управление реостатом ротора

Этот метод очень похож на управление шунтирующим двигателем постоянного тока с использованием реостата якоря.

Управление реостатом ротора (Ссылка: electric4u.com )

Однако это решение возможно только для асинхронных двигателей с контактным кольцом и требует внешнего сопротивления в роторе, что невозможно для других двигателей.

Каскадный режим

В этом методе управления скоростью асинхронного двигателя используются два двигателя. Оба двигателя установлены на одном валу, поэтому оба работают с одинаковой скоростью. Один двигатель поддерживается трехфазным источником, а другой двигатель питается от наведенной ЭДС от первого двигателя с токосъемными кольцами.Их конфигурация представлена ​​на следующей диаграмме.

Каскадная работа асинхронных двигателей (Ссылка: electricaleasy.com )

Если двигатель A предполагается в качестве основного двигателя, а двигатель B — в качестве вспомогательной системы, мы можем определить другие параметры следующим образом:

N _s1 : частота системы A, N _с2 : частота двигателя B, P ₁ : количество полюсов статора системы A, P ₂ : количество полюсов статора системы B, N: скорость системы и одинакова для обоих двигателей, и f: частота источника питания.

Теперь мы можем определить скольжение двигателя A как:

{S} _ {1} = \ frac {{N} _ {S1} -N} {{N} _ {S1}}

Если частота создаваемой ротором ЭДС в системе A представлена ​​как f1 = S ₁ f, вспомогательная секция двигателя B поддерживается ЭДС, создаваемой в роторе, поэтому мы можем рассчитать скорость вторичной системы как :

{N} _ {S2} = \ frac {120 {f} _ {1}} {{P} _ {2}} = \ frac {120 {S} _ {f1}} {{P } _ {2}}

Теперь мы можем поместить значение S ₁ следующим образом и получить окончательное уравнение

{S} _ {1} = \ frac {{N} _ {S1} — {N}} {{N} _ {S1}}

Итак;

{N} _ {S2} = \ frac {120f ({N} _ {S1} -N)} {{P} _ {2} {N} _ {S1}}

При загрузке равна нулю, скорость вспомогательной части ротора равна синхронной скорости и N = N _с2 .Итак, из последних уравнений можно получить, что

{N} = \ frac {120f} {{{P} _ {1} + P} _ {2}}

С этим решением четыре конкретные скорости могут быть представлены следующим образом:

1. a) когда работает только система A, соответствующая скорость = N _с1 = 120f / P ₁
2. b) когда работает только система B, соответствующая скорость = N _s2 = 120f / P ₂
3. c) Когда применяется метод коммутативного каскадирования, скорость системы = N = 120f / (P ₁ + P ₂ )
4. d) При использовании метода дифференциального каскадирования , скорость системы = N = 120f (P ₁ — P ₂ )

Путем подачи ЭДС в цепь ротора

В этом методе управление скоростью асинхронного двигателя осуществляется путем подачи определенного напряжения на схеме ротора.Введенное напряжение (ЭДС) должно иметь частоту, равную частоте скольжения. Однако нет никаких ограничений для фазы этой ЭДС. Если введенная ЭДС имеет противоположную фазу с ротором, сопротивление системы улучшится. В противном случае, если подаваемое напряжение имеет ту же фазу, что и ротор, сопротивление уменьшится. В результате, изменяя фазу подаваемого напряжения, можно правильно применять управление скоростью асинхронного двигателя.

Метод впрыска ЭДС (Ссылка: circuitglobe.com)

Основным преимуществом этого решения является возможность широкого управления скоростью. Эта конкретная ЭДС может быть введена в систему с помощью различных шагов, таких как система Крамера, система Шербиуса и т. Д.

Методы управления скоростью для различных типов двигателей с контролем скорости

Казуя ШИРАХАТА

Oriental Motor Co., Ltd. предлагает широкий выбор двигателей с регулировкой скорости. Наши комплекты двигателей с регулировкой скорости включают двигатель, привод (контроллер) и потенциометр, который позволяет легко регулировать скорость.Существует три группы продукции для двигателей с регулировкой скорости. «Блок управления скоростью переменного тока», в котором используется самый популярный однофазный асинхронный двигатель с конденсаторным приводом, небольшой и высокоэффективный «Бесщеточный двигатель постоянного тока» и «Инверторный блок», который объединяет трехфазный асинхронный двигатель с небольшой инвертор. В этой статье объясняется структура, принцип управления скоростью и особенности каждой группы продуктов, а также представлены наши стандартные продукты.

1. Введение

Большое количество двигателей используется для общих целей в нашем окружении, от домашнего оборудования до станков на промышленных предприятиях.Электродвигатель в настоящее время является необходимым и незаменимым источником энергии во многих отраслях промышленности. Эти двигатели имеют самые разные функции и характеристики. Если сосредоточить внимание на сегменте регулирования скорости на рынке двигателей, серводвигатели и шаговые двигатели управляют своей скоростью с помощью последовательности импульсов, в то время как асинхронный двигатель и бесщеточный двигатель постоянного тока регулируют скорость с помощью внешнего резистора и / или напряжения постоянного тока.
В этой статье объясняется структура, принцип управления скоростью и особенности следующих трех групп продуктов, которые могут относительно легко управлять скоростью с помощью аналогового входа.

• Электродвигатель и мотор-редукторы с регулятором скорости переменного тока
• Бесщеточные двигатели постоянного тока и мотор-редукторы
• Инверторный блок

2. Способы регулирования скорости различных двигателей с регулировкой скорости

Метод управления выходом схемы управления скоростью можно условно разделить на две группы: управление фазой и управление инвертором, которые составляют группы продуктов, показанные на рис. 1.

Рис.1 Классификация двигателей с регулировкой скорости

2.1. Двигатели с регулировкой скорости переменного тока

2.1.1. Строительство мотора

Как показано на рис. 2, конструкция однофазного и трехфазного асинхронных двигателей включает статор, на котором намотана первичная обмотка, и цельный алюминиевый ротор в форме корзины, отлитый под давлением. Ротор недорогой, потому что конструкция проста и не использует магнит.

Рис. 2 Конструкция асинхронного двигателя

Когда необходимо управлять скоростью этого двигателя, для определения скорости используется тахогенератор, который присоединяется к двигателю, как показано на рис.3. Тахогенератор состоит из магнита, подключенного непосредственно к валу двигателя, и катушки статора, которая определяет магнитные полюса и генерирует переменное напряжение с частотой 12 циклов на оборот. Поскольку это напряжение и частота увеличиваются с увеличением скорости вращения, скорость вращения двигателя регулируется на основе этого сигнала.

Рис.3 Система электродвигателя с регулировкой скорости переменного тока

2.1.2. Принцип управления скоростью
Скорость вращения N асинхронного двигателя может быть выражена выражением (1).Когда напряжение, прикладываемое к двигателю, увеличивается и уменьшается, изменяется скольжение и , затем изменяется частота вращения N.
N = 120 · f · (1- s ) / P · · · · · · · · · · · (1)

N : Скорость вращения [об / мин]
F : Частота 〔Гц〕
P : Число полюсов двигателя
S : Скольжение

В случае асинхронного двигателя, показанного на рис. 4, на кривой «Скорость вращения — крутящий момент» существует стабильный диапазон и нестабильный диапазон.Поскольку невозможно надежно работать в нестабильном диапазоне, простое управление напряжением (управление разомкнутым контуром) ограничивается регулированием скорости в узком диапазоне, например N1 ~ N3 на рис. 5. Чтобы обеспечить надежную работу даже в вышеупомянутый нестабильный диапазон, необходимо определить скорость вращения двигателя и использовать механизм регулирования напряжения (управление с обратной связью), который уменьшает ошибку скорости по сравнению с заданным значением.

Рис. 4 Частота вращения — крутящий момент асинхронных двигателей

Фиг.5 Простой контроль напряжения

Доступные методы управления напряжением включают управление трансформатором или управление фазой. На рис. 6 показано, когда напряжение регулируется с помощью трансформатора. Этот метод не так-то просто сделать с двигателем, регулирующим скорость переменного тока. В качестве альтернативы, напряжение переменного тока можно регулировать, задав время включения / выключения каждого полупериода переменного напряжения (50 или 60 Гц), подаваемого на двигатель, с помощью переключающего элемента (тиристора или симистора), который может напрямую включать и выключать переменный ток. напряжение, как показано на рис.7 и 8. Регулирование скорости достигается методом фазового регулирования путем регулирования среднеквадратичного значения. значение переменного напряжения.

Рис.6 Изменение напряжения трансформатором

Рис.7 Изменение напряжения с помощью фазового управления

Рис.8 Цепь управления симистором

Этот метод управления скоростью переменного тока может обеспечить устойчивое управление скоростью за счет регулирования фазы с обратной связью даже в нестабильном диапазоне.
На рис. 9 показана конфигурация системы управления скоростью для двигателя переменного тока в виде блок-схемы.

Рис.9 Блок-схема системы электродвигателя с регулировкой скорости переменного тока

Рис.10 Форма сигнала для каждого блока

На рис. 10 показаны формы сигналов каждого блока. Установленное значение скорости d и обнаруженное напряжение e скорости, генерируемое тахогенератором, сравниваются в блоке усилителя сравнения.Затем определяется уровень сигнала напряжения a .
Сигнал напряжения a низкий, когда обнаруженное значение скорости до заданного значения скорости увеличивается, и выше, когда заданное значение скорости уменьшается. Поскольку сигнал запуска выводится в точке, где треугольная волна b пересекается с сигналом напряжения a , определяется время (фазовый угол), когда симистор включен, с уровнем сигнала напряжения a . Когда это время является медленным, напряжение, подаваемое на двигатель, становится низким, и скорость вращения двигателя уменьшается.Пониженная скорость вращения возвращается снова, и управление повторяется, так что разница между определенным значением скорости и установленным значением скорости всегда может быть постоянной.
На рис. 11 показан внешний вид упомянутого выше регулятора скорости. На рис. 11 рабочая точка двигателя образует контур Q-R-S-T-Q с центром на O, и скорость вращения поддерживается между N1 и N2. Этот цикл максимально сокращен за счет повышения точности определения скорости.

Фиг.11 Работа регулятора скорости

Двигатель с регулировкой скорости переменного тока имеет следующие особенности при использовании этого регулирования фазы с обратной связью.
1) Поскольку напряжение переменного тока регулируется напрямую, схему управления скоростью можно настроить просто потому, что в схеме сглаживания нет необходимости, что позволяет получить компактную конструкцию по низкой цене.
2) Таким же образом возможна долговечная конструкция, поскольку нет необходимости в большом алюминиевом электролитическом конденсаторе.
3) Переключение выполняется только один раз в течение каждого полупериода промышленного источника питания переменного тока, что снижает уровень генерируемого шума.

2.1.3. Характеристики
Электродвигатели переменного тока с регулировкой скорости обычно имеют характеристики «Скорость вращения — крутящий момент», показанные на рис. 12.

Рис.12 Характеристики крутящего момента и скорости вращения

«Строка безопасной эксплуатации» приведена на рис. 12. «Строка безопасной эксплуатации» представляет собой ограничение, при котором двигатель может работать в непрерывном режиме без превышения максимально допустимой температуры.

2.2. Бесщеточный блок управления скоростью постоянного тока
2.2.1. Конструкция двигателя
Что касается конструкции бесщеточного двигателя, катушка соединена звездой (Y-разводкой) с тремя фазами: U, V и W и расположена в статоре, а ротор состоит из магнитов. намагничены в многополюсной конфигурации, как показано на рис. 14.
Внутри статора три ИС Холла расположены как магнитные элементы, так что разность фаз выходного сигнала от каждой ИС Холла будет составлять 120 градусов при каждом повороте ротор.

Рис.14 Конструкция бесщеточного двигателя постоянного тока

2.2.2. Принцип управления скоростью
Как показано на рис. 15, характеристики вращательной скорости-момента бесщеточного двигателя постоянного тока показывают отрицательную наклонную характеристику, когда его скорость не контролируется, что аналогично тому, как у щеточного двигателя постоянного тока.

Рис.15 Характеристики скорости вращения бесщеточного двигателя постоянного тока

Когда нагрузка не приложена и входное напряжение установлено на V2 на рисунке 15, рабочая точка двигателя становится P, а скорость вращения равна N1.Когда прикладывается крутящий момент T1 нагрузки, рабочая точка смещается к Q, а скорость вращения снижается до N2, однако скорость вращения возвращается к N1, если напряжение повышается до V3. Следовательно, поскольку скорость вращения изменяется всякий раз, когда изменяется крутящий момент нагрузки, механизму управления скоростью нужно будет только изменять входное напряжение всякий раз, когда наблюдается изменение скорости, чтобы поддерживать постоянную скорость на линии PR.
Этот контроль напряжения реализуется инвертором в выходной части схемы управления (драйвер).Этот инвертор генерирует трехфазное переменное напряжение из постоянного тока путем включения и выключения, как в последовательности, показанной на рисунке 16 (b), с использованием шести переключающих элементов (FET или IGBT), показанных на рисунке 16 (a).

Рис. 16 (a) Выходная часть схемы управления (драйвер)

Рис.16 (b) Последовательность переключения

Переключающие элементы подключены к обмотке двигателя, как показано на рис. 16 (a), и состояние ВКЛ / ВЫКЛ переключающего элемента определяет, какая катушка статора находится под напряжением и в каком направлении будет течь ток, т. Е. какая катушка становится полюсом N или полюсом S.
Фактически, положение магнитного полюса ротора определяется ИС Холла, и соответствующий переключающий элемент включается или выключается, как показано на Рис. 16 (b). Например, в случае шага 1 транзисторы Tr1 и Tr6 включаются, и ток течет из фазы U в фазу W. В это время U-фаза возбуждается как полюс N, а фаза W становится S-полюсом, и ротор поворачивается на 30 градусов, переходя к шагу 2. Один оборот ротора выполняется путем повторения этой операции 12 раз (шаг 1 ~ 12).
На рис. 17 показана конфигурация для управления скоростью бесщеточного двигателя постоянного тока в виде блок-схемы.

Рис.17 Блок-схема системы бесщеточного двигателя постоянного тока

Последовательность переключения инвертора определяется сигналом от ИС Холла в части определения положения на блок-схеме, и двигатель вращается.
Затем сигнал от ИС Холла отправляется на датчик скорости, чтобы стать сигналом скорости, и он сравнивается с сигналом установки скорости в блоке усилителя сравнения, который затем генерирует сигнал отклонения.Значение входного тока двигателя определяется блоком настройки ШИМ на основе сигнала отклонения. Бесщеточные двигатели постоянного тока
имеют следующие особенности.
1) Он имеет высокий КПД, потому что используется ротор с постоянными магнитами, а вторичные потери малы.
2) Инерция ротора может быть уменьшена, и достигается высокая скорость реакции.
3) Можно уменьшить размер двигателя, поскольку он очень эффективен.
4) Колебания скорости при изменении нагрузки незначительны.

Фиг.16 показана типичная последовательность переключения (метод подачи напряжения на 120 градусов). Еще более эффективная система бесщеточного двигателя постоянного тока использует метод возбуждения синусоидальной волны, получая информацию о положении ротора с высоким разрешением из программного обеспечения из сигнала IC Холла. Этот метод обеспечивает малошумный метод управления двигателем, поскольку ток, протекающий через двигатель, не изменяется быстро. (2)

Рис. 18 Сравнение напряжений, прикладываемых с помощью метода возбуждения синусоидальной волны и метода возбуждения 120 градусов

2.2.3. Характеристики
Характеристики скорости вращения и крутящего момента бесщеточного двигателя постоянного тока имеют ограниченную рабочую область в дополнение к области непрерывной работы.
Ограниченная рабочая зона очень эффективна при запуске инерционной нагрузки. Однако, когда работа в ограниченном режиме работы продолжается в течение пяти секунд или более, активируется функция защиты водителя от перегрузки, и двигатель замедляется до полной остановки.

2.3. Блок управления скоростью инвертора

2.3.1. Принцип управления скоростью

Блок инвертора управляет скоростью трехфазного асинхронного двигателя, изменяя частоту f напряжения, подаваемого на двигатель. Инверторный блок изменяет частоту f, изменяя цикл включения / выключения шести переключающих элементов, а скорость вращения (N) двигателя изменяется пропорционально выражению в формуле (1).

N = 120 · f · (1- s ) / P ·· · · · · · · · · (1)

N : Скорость вращения [об / мин]
F : Частота 〔Гц〕
P : Число полюсов двигателя
S : Скольжение

Кроме того, чтобы напряжение, подаваемое на обмотку, имело синусоидальную форму, инвертор регулирует рабочий цикл ВКЛ / ВЫКЛ, как показано на рис.21. Время включения / выключения регулируется так, что среднее напряжение, приложенное к двигателю, приобретает форму синусоиды, путем сравнения треугольной волны, называемой несущим сигналом, с формой сигнала синусоидальной формы. Этот метод называется ШИМ-управлением.

Рис.19 Дежурный контроль ВКЛ / ВЫКЛ

Метод управления скоростью наших инверторных блоков делится на два типа: управление с обратной связью, которое просто изменяет скорость, и управление с обратной связью, которое уменьшает изменение скорости при изменении нагрузки двигателя.
1) Управление без обратной связи
На рис. 22 показана конфигурация управления без обратной связи в виде блок-схемы.

Рис.20 Блок-схема управления разомкнутым контуром

Этот метод используется для изменения входного напряжения и частоты двигателя в соответствии с заданной частотой. Этот метод подходит для изменения скорости и позволяет получить высокие скорости (частоту можно установить до 80 Гц) просто тогда, когда регулирование скорости с изменяющейся нагрузкой не представляет особой важности.
Создаваемый крутящий момент T двигателя отображается формулой (2).Исходя из этого соотношения, можно сказать, что крутящий момент также будет постоянным, если сделать постоянным V / f, отношение напряжения V к частоте f.

Ｔ ＝ Ｋ Ｉ Ｉ ・ Ｖ ／ ｆ ・ ・ ・ （２）

Ｔ ： Крутящий момент [Н · м]
Ｖ ： Напряжение питания [В]
Ｉ ： Ток двигателя [A]
ｆ ： Частота [Гц]
Ｋ ： Постоянная

Однако чем ниже скорость, тем труднее поддерживать постоянным входное сопротивление асинхронного двигателя при изменении f.Следовательно, чтобы получить постоянный крутящий момент от низкой скорости к высокой скорости, необходимо отрегулировать отношение V / f на низкой скорости в соответствии с характеристиками двигателя, как показано на рис. 23 сплошной линией.

Рис.21 V / f Control

2) Управление с обратной связью
На Рис. 24 показана конфигурация блок-схемы системы управления с обратной связью, используемой в нашей серии BHF.

Рис.22 Блок-схема управления по замкнутому циклу

Этот метод определяет разность фаз между напряжением выходного блока инвертора и первичным током, который вычисляет частоту возбуждения, соответствующую нагрузке, с использованием таблицы данных характеристик (рис.25), подготовленный заранее, и регулирует частоту инвертора без необходимости в датчике скорости на двигателе.

Рис.23 Характеристики Таблица данных

С помощью этой таблицы характеристик и времени t обнаруженной разности фаз инвертор вычисляет выходную частоту инвертора, которая соответствует команде Nset скорости вращения, установленной потенциометром скорости, и выводит ее как выходную частоту инвертора. После получения выходной частоты блок управления U / f вычисляет напряжение, приложенное к двигателю, соответствующее выходной частоте f, и выполняет управление скоростью, управляя инвертором PWM.В результате при приложении нагрузки выходная частота инвертора увеличивается, так что уменьшение скорости вращения может быть компенсировано. (3)

2.3.2. Характеристика с

Характеристики скорости вращения-момента инверторного блока показаны на рис. 26 и 27. Как пояснялось в разделе, посвященном двигателю, регулирующему скорость переменного тока, на характеристике крутящего момента нарисована «линия безопасной эксплуатации». Эта линия представляет предел для непрерывной работы, а область под этой линией называется областью непрерывной работы.

Рис.24 Характеристики скорости вращения и момента для управления без обратной связи

Рис.25 Характеристики скорости вращения и момента для замкнутого контура управления

3. Резюме

Oriental Motor предлагает три группы продуктов (двигатели с регулировкой скорости переменного тока, бесщеточные двигатели с регулировкой скорости постоянного тока и инверторные блоки) для использования в широком диапазоне приложений регулирования скорости. Подходящий продукт для регулирования скорости можно выбрать в соответствии с функцией, производительностью, стоимостью и целью, которые требуются для вашего приложения.
Oriental Motor продолжит работу над разработкой продуктов, чтобы в будущем мы могли предлагать продукты, наилучшим образом отвечающие различным потребностям наших клиентов.

Список литературы

(1) Исследовательская группа по технологии двигателей переменного тока: «Книга для понимания малых двигателей переменного тока», Kogyo Chosakai Publishing (1998)
(2) Казуо Абэ: «Технология бесшумного привода бесщеточного двигателя», RENGA № 163, стр. 19-25 (2003)
(3) Кодзи Намихана, Масаёши Сато: «Новый метод управления трехфазным асинхронным двигателем», RENGA No.159, стр 23-28 (1999)

Казуя Сирахата Завод Цуруока, Операции ACIX Подразделение схемотехники Секция разработки схем

.