Регулировка скорости вращения асинхронного электродвигателя: Регулирование частоты вращения асинхронного электродвигателя | Полезные статьи

Содержание

Регулирование скорости вращения асинхронных электродвигателей

Из уравнения механической характеристики (97) вытекает, что регулирование скорости вращения асинхронных электро­двигателей можно осуществить:

изменением частоты питающего тока;

изменением числа «ар полюсов обмотки статора;

введением дополнительных сопротивлений в цепь обмотки ротора.

Первые два способа используются для регулирования скоро­сти вращения электродвигателей с короткозамкнутым ротором, а последний — электродвигателей с фазным ротором (с кон­тактными кольцами).

Регулирование скорости вращения изменением частоты пи­тающего тока используется очень редко, так как этот способ применим лишь в случае, когда электродвигатель питается от отдельного генератора. В этом случае для регулирования скоро­сти необходимо менять скорость вращения питающего генератора в такой же пропорции, е какой должна меняться скорость регулируемого электродвигателя. Бели же электродвигатель пи­тается от сети трехфазного тока, то осуществить регулирование его скорости изменением частоты невозможно. На практике ре­гулирование скорости изменением частоты применяется лишь в. гребных электрических установках переменного тока, в кото­рых мощные гребные электродвигатели получают питание от отдельных генераторов и поэтому частоту питающего тока мож­но регулировать произвольно.

Наиболее часто на практике применяется второй способ, позволяющий достаточно просто осуществлять ступенчатое ре­гулирование скорости вращения асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором. Если имеется возможность из­менять число пар полюсов обмотки статора [см. формулу (80)] то, следовательно, имеется возможность ступенчатого регулиро­вания скорости вращения электродвигателя, так как число пар полюсов может быть равно 1, 2, 3 и т. д. Электродвигатели, до­пускающие переключение числа пар полюсов, должны иметь в пазах статора либо несколько независимых обмоток, либо од­ну обмотку со специальным переключающим устройством. Оте­чественная промышленность выпускает двух-, трех- и четырех- скороетные электродвигатели, используемые :в основном на морском транспорте и на некоторых кранах. Когда числа полю­сов значительно отличаются друг от друга, двух скор осиные электродвигатели изготовляются с двумя независимыми об­мотками. Одна, например, может быть выполнена на 2

р = 2, а вторая на 2р = 8 полюсов. Тогда при подключении к сети пер­вой обмотки магнитное поле статора будет вращаться со скоростью n1 = 60·50 / 1 = 3000 об /мин, а при подключении к сети второй обмотки — со скоростью n1 =  60·50 / 4 = 750 об /мин. Соответствую­щим образом будет изменяться при этом и скорость вращения ротора n2 = n1 (1—s).

Часто в пазы статора двухскоростного электродвигателя закладывают одну обмотку, но выполняют ее так, чтобы мож­но было включать ее при необходимости треугольником (рис. 49,

а) и двойной звездой (рис. 49, б). При включении такой обмотки треугольником число полюсов равно 2р = 2а, а при вклю­чении двойной звездой 2р = а (где а — любое целое число), т. е. при переходе от треугольника к двойной звезде число пар по­люсов статорной обмотки уменьшается вдвое, а скорость элек­тродвигателя возрастает вдвое.

Регулирование переключением числа пар полюсов применя­ется только для электродвигателя с короткозамкнутым рото­ром, потому что у электродвигателей с фазным ротором одно

временно с переключением обмотки статора требуется переклю­чать и обмотку ротора, что усложняет конструкцию электродви­гателя и переключающего устройства. Данный способ регули­рования скорости отличается высокой экономичностью, но он не лишен и недостатков. В частности, регулирование скорости происходит не плавно, а скачками, требуется довольно сложное переключающее устройство, в особенности при числе скоростей большем двух; при переходе с одной скорости на другую раз­рывается цепь статора, при этом неизбежны толчки тока и мо­мента, коэффициент мощности при низших скоростях ниже, чем при высших из-за увеличения рассеяния магнитного потока.

Регулирование скорости введением дополнительных сопро­тивлений в цепь ротора возможно только у электродвигателей с фазным ротором. Согласно уравнению (97), при введении раз­личных активных сопротивлений в цепь ротора жесткость ха­рактеристик изменяется (рис. 50), т. е. при одной и той же на­грузке скорость электродвигателя будет различной. Очевидно, чем выше величина дополнительного сопротивления, тем мягче искусственная характеристика и тем ниже скорость электродви­гателя.

Допустим электродвигатель работает с установившейся ско­ростью

n1 на естественной характеристике а в точке 1, развития некоторый вращающий момент М1 = Мc. При введении в цепь ротора некоторого сопротивления R1 электродвигатель перей­дет на работу по характеристике b, уравнение которой

Так как в момент включения сопротивления скорость электро­двигателя практически не изменится, переход с характеристи­ки а на характеристи­ку b произойдет по гори­зонтали 12, причем вра­щающий момент электро­двигателя снизится до М2, который меньше мо­мента сопротивления ме­ханизма М, поэтому ско­рость электродвигателя будет падать, а скольже­ние возрастать. При воз­растании скольжения мо­мент, согласно выраже­нию (92), увеличивается до тех пор, пока момент электродвигателя вновь не станет равным момен­ту сопротивления ме­ханизма, после чего наступит равновесие моментов и двигатель будет вращаться с новой установившейся скоростью

n3 (точ­ка 3).

При необходимости дополнительно может быть включено сопротивление R2. Тогда скорость электродвигателя снизится до величины n5. При отключении сопротивлений скорость элект­родвигателя будет возрастать, при этом переход с одной харак­теристики на другую происходит в обратном порядке, как по­казано на рис. 50.

Последний способ позволяет получить широкий диапазон скоростей, но является крайне неэкономичным, так как при увеличении активного сопротивления цепи ротора растут потери энергии в электродвигателе, а значит уменьшается его к. п. д. Сами регулировочные реостаты, особенно для мощных электро­двигателей, получаются громоздкими и выделяют много тепла.

Необходимо также иметь в виду, что большинство электро­двигателей в настоящее время выполняется с самовентиляцией.

Вследствие этого при понижении скорости вращения охлаж­дение ухудшается и электродвигатель не может развивать но­минальный вращающий момент.


Регулирование скорости вращения и реверсирование асинхронных электродвигателей

Категория:

   Электрооборудование строительных машин

Публикация:

   Регулирование скорости вращения и реверсирование асинхронных электродвигателей

Читать далее:



Регулирование скорости вращения и реверсирование асинхронных электродвигателей

Из этого уравнения следует, что скорость вращения можно регулировать путем:
а) изменения скольжения s;
б) изменения числа пар полюсов статорной обмотки р;
в) изменения частоты тока питающей сети f.

Регулирование скорости путем изменения скольжения.

Наиболее простым и распространенным способом регулирования скорости двигателей с контакными кольцами является введение в цепь ротора дополнительного сопротивления. В результате этого изменяется величина скольжения и, следовательно .изменяется и скорость. Величина максимального момента ММакс остается постоянной, а величина соответствующего ему скольжения и наклон характеристики меняются. Таким образом, скорость можно регулировать только вниз от номинальной скорости с диапазоном (2—3) : 1. Плавность регулирования скорости зависит от числа ступеней включаемого сопротивления. Регулировочные сопротивления должны быть рассчитаны на длительную нагрузку током.

Рекламные предложения на основе ваших интересов:

Регулируя скорость таким образом, следует иметь в виду, что при мощности, уменьшающейся пропорционально скорости вращения, работа допускается в течение коротких отрезков времени (не свыше 0,5 ч) с интервалами, превышающими длительность рабочего периода в 3—4 раза. Длительная работа двигателя на пониженной скорости допустима только при соответствующем снижении момента вращения.

Регулирование скорости с помощью добавочного сопротивления в цепи ротора имеет недостатки: при нем неизбежны значительные потери энергии и снижение жесткости механической характеристики. Кроме того, оно приводит к неустойчивой работе электродвигателя на малых оборотах; в этом случае приходится включать большие сопротивления, что увеличивает крутизну характеристик и влечет за собой колебания скорости вращения при небольших изменениях момента сопротивления нагрузки. Вместе с тем данный способ регулирования скорости находит сравнительно широкое применение для электропривода механизмов с повторно-кратковременным режимом работы, как, например, в крановых установках, а также в приводах с вентиляторным моментом.

Искусственные механические характеристики при различных сопротивлениях в цепи ротора были приведены на рис. 25.

Регулирование скорости вращения двигателя изменением числа пар полюсов. Переключая обмотки статора на различные соединения, дающие разное число пар полюсов, можно изменять ступенями скорость вращения двигателя. Такое регулирование скорости экономично и дает механические характеристики, обладающие большой жесткостью, вследствие чего двигатели с изменением числа полюсов — многоскоростные — находят широкое применение в приводных, не требующих плавного регулирования скорости. Переключение числа пар полюсов достигается изменением схемы соединений статорной обмотки. Чтобы не производить переключений в роторной обмотке, двигатели с переключением полюсов выполняются с короткозамкнутым ротором. Промышленность выпускает двух-, трех- и четырехскоростные двигатели с короткозамкнутым ротором.

При выборе многоскоростного двигателя следует обращать внимание на характер изменения номинального момента и номинальной мощности при переходе от одной скорости к другой.

Для четырехскоростных двигателей можно получать следующие синхронные скорости вращения в об/мин: 3000/1500/1000/500; 3000/1500/750/375; 1500/1000/750/500; 1000/750/500/375. Диапазон регулирования скорости достигает (6: 1) — (8: 1). На рис. 29 приведены механические характеристики двухскоростных асинхронных двигателей. При переходе с высшей скорости вращения на низшую двигатель переходит в генераторный режим с отдачей энергии в сеть.

Регулирование скорости изменением частоты питающего тока. Регулирование скорости двигателя путем изменения частоты питающего тока позволяет иметь плавное регулирование в широком диапазоне (10: 1). Механические характеристики двигателя при этом достаточно жесткие и обеспечивают стабильную работу привода. В случае поддержания магнитного потока двигателя неизменным регулирование его скорости производится при постоянном моменте. Для этого необходимо при изменении частоты в том же направлении и в той же кратности изменять и величину напряжения, т. е. обеспечивать постоянство отношения —.

Рассматриваемый способ регулирования скорости может быть применен для одного или нескольких асинхронных двигателей, работающих в одном и том же режиме.

Рис. 29. Механические характеристики двухскоростных асинхронных двигателей трехфазного тока а — при постоянном моменте и различных номинальных мощностях при высшей и низшей скоростях; б — постоянная номинальная мощность, но различные номинальные

Ток различной частоты получается при помощи независимого источника энергии, частота которого может быть регулируемой. К таким источникам относятся преобразователи частоты электромашинные, электронно-ионные и полупроводниковые.

Несмотря на высокие начальные затраты на оборудование и сложную схему, частотный принцип регулирования скорости применяется в некоторых случаях в промышленности, главным образом для одновременного регулирования скорости вращения группы асинхронных двигателей одного производственного механизма. В электроприводах строительных машин этот способ регулирования скорости пока еще не нашел применения.

Регулирование скорости при помощи дросселей насыщения. Основным элементом управления при этом способе регулирования является дроссель насыщения (рис.30). На сердечнике дросселя имеется обмотка постоянного тока, включаемая в цепь управления. Вторая обмотка переменного тока находится в силовой цепи, подающей питание к обмотке статора двигателя. При изменении величины постоянного тока в обмотке управления дросселя изменяется индуктивное сопротивление его основной обмотки переменного тока, включенной в цепь статора. Вследствие этого изменяется напряжение, подводимое к статору двигателя. Мощность, потребляемая в цепи управления постоянного тока, незначительна, порядка одного или нескольких процентов от мощности силовой цепи.

Рис. 30. Схема асинхронного двигателя
а — с дросселями насыщения в цепи статора; б — механические характеристики двигателя без добавочного сопротивления; в — то же, с добавочным сопротивлением в цепи ротора двигателя

Большие преимущества дроссельное регулирование имеет при управлении кранами. Они заключаются в том, что эта система управления обеспечивает: широкий диапазон регулирования скорости, плавность изменения скорости при спуске груза и торможении, достаточную независимость регулирования скорости от нагрузки, контроль за величиной ускорения. Кроме того, она ограничивает величину поднимаемого груза и позволяет управление мощным силовым приводом выполнять путем изменения небольшого по величине тока в цепи намагничивания дросселя. Дроссельное управление целесообразно применять для строительных и других видов кранов с большой высотой подъема в тех случаях, когда наряду с высокой скоростью, необходимой для обеспечения достаточной производительности, требуются малые посадочные скорости, а толчки и раскачивание грузов недопустимы.

Асинхронный электропривод с дросселями насыщения находит также применение для механизмов, работающих в тяжелых условиях (при наличии агрессивной или взрывоопасной среды), поскольку в таком приводе можно создать схемы бесконтактного управления им.

Наиболее благоприятным видом нагрузки для рассматриваемого метода регулирования является вентиляторная нагрузка (центробежные насосы и вентиляторы), так как в этом случае при снижении скорости, а следовательно, и возрастании скольжения уменьшается величина момента, благодаря чему потери в цепи ротора при расширении диапазона регулирования не увеличиваются.

Недостатком дроссельного регулирования является значительное уменьшение максимального вращающего момента двигателя при снижении напряжения в цепи статора, так как у асинхронных двигателей момент пропорционален квадрату напряжения. Кроме того, включение дросселя насыщения, обладающего большой индуктивностью, приводит к снижению коэффициента мощности установки.

Регулирование скорости вращения при помощи электромагнитной муфты скольжения. Этот метод регулирования скорости предусматривает установку между валом приводного двигателя и валом производственного механизма электромагнитной муфты скольжения. Обе части муфты вращаются, причем ведущая часть соединена с приводным двигателем, работающим практически с неизменной скоростью (рис. 31). Ведомая часть муфты соединяется с производственным механизмом, скорость которого должна регулироваться; эта часть муфты не имеет механической связи с ведущей.

При вращении ведущей части муфты магнитное поле индуктора пересекает якорь и наводит в нем токи, взаимодействие которых с магнитным полем индуктора создает вращающий момент. Таким образом, за счет магнитной связи ведущая часть муфты увлекает за собой ведомую. С целью повышения жесткости характеристик и увеличения диапазона регулирования скорости обычно вводят обратные связи по скорости с помощью центро-)ежного регулятора или тахогенератора. Рассматриваемый метод регулирования скорости обеспечивает плавное и в широком диапазоне (примерно 8 : 1) регулирование. Общий к. п. д. привода определяется произведением к. п. д. муфты и к. п. д. приводного двигателя. Потери в самой муфте определяются в основном потерями скольжения, выделяющимися в якоре муфты. Если принять за 100% мощность, потребляемую производственным механизмом, то установленная мощность электропривода с электромагнитной муфтой должна составлять 200%. В последние годы рассматриваемый способ регулирования скорости начинает широко применяться.

Рис. 31. Электромагнитная муфта скольжения
1 — ротор, связанный с валом электродвигателя; 2 — якорь; 3 — зубцы с обмоткой; 4 — контактные кольца; 5 — щетки; 6 — ведомый вал механизма

Получение устойчивых низких скоростей асинхронного привода. В подъемных и других установках иногда необходимо осуществлять достаточно плавную остановку. С этой целью важно перед полной остановкой производить торможение с малой скоростью.

Получение пониженной скорости возможно при совместной работе двух связанных асинхронных двигателей, один из которых работает в двигательном режиме, другой— в режиме противовключения. Электрическая часть и механические характеристики привода приведены на рис. 32.

Более жесткую механическую характеристику при пониженной скорости можно получить в том случае, когда первая машина работает в двигательном режиме, а вторая — в режиме динамического торможения. Режим динамического торможения второй машины осуществляется путем подключения обмоток статора к источнику постоянного тока. Электрическая схема и механическая характеристика приведены на рис. 33.

Работа на пониженной скорости может быть достигнута также и при одном асинхронном двигателе. Применяемая для этого электрическая схема и механические характеристики приведены на рис. 34. Введением полупроводникового выпрямителя ВП достигается совмещение двигательного и тормозного режимов. Результирующая характеристика 2 на рис. 34 обладает значительной жесткостью при малых скоростях.

Рассмотренные способы регулирования для получения низких скоростей обладают малым к.п.д., поэтому не применяются при длительных режимах работы.

Рис. 32. Механические характеристики двух асинхронных двигателей’ при работе одного из них в режиме противовключения

Рис. 33. Механические характеристики двух асинхронных двигателей при работе одного из них в режиме динамического торможения

Рис. 34. Механические характеристики асинхронного двигателя (работа на пониженной скорости)
1 — реостатная; 2 — при совмещении двигательного и тормозного режимов

Существуют также более сложные системы регулирования скорости вращения асинхронных двигателей, например импульсная, каскадная и некоторые другие.

Рекламные предложения:


Читать далее: Механическая и угловая характеристики синхронных электродвигателей

Категория: — Электрооборудование строительных машин

Главная → Справочник → Статьи → Форум


Регулятор скорости вращения асинхронного электродвигателя | Электирика

» Электирика


Регуляторы скорости, запуск и торможение двигателей

Эта статья будет посвящена двигателям — возможности регулировки скорости вращения, запускам и торможению.

Однофазные конденсаторные электродвигатели отличаются от однофазных асинхронных электродвигателей с пусковой обмоткой и конденсаторным пуском тем, что рабочая и фазосдвигающая (конденсаторная) обмотки создают вращающееся магнитное поле как в момент пуска, так и при работе электродвигателя. Обе обмотки рассчитаны на длительный режим работы.

Одна из схем регулятора скорости для однофазного конденсаторного двигателя показана на рис.1.

Действие данного регулятора скорости вращения основано на зависимости скорости вращения от величины постоянного тока через фазосдвигающую (конденсаторную) обмотку. Выпрямленное диодом VD1 напряжение через резисторы R1, R2, R3 подается на фазосдвигающую обмотку.

Фазосдвигающий конденсатор служит одновременно для фильтрации выпрямленного напряжения, величину которого регулируют подстроечным резистором R1.

Минимальная скорость вращения зависит от надежного запуска двигателя и выставляется резистором R2. Для этого необходимо отключить двигатель, вывести резистор R1 в положение максимального сопротивления, а на место R2 временно установить переменный резистор на 2-3кОм. Желательно тоже вывести в максимальное положение. Включить в сеть и резистором R2 установить минимально возможные обороты. Далее выключить его на небольшое время и попытаться его запустить с выставленным таким способом сопротивлением R2. Если самостоятельного пуска не происходит — уменьшить еще немного сопротивление R2. Пробовать до тех пор, пока не произойдет самостоятельного надежного пуска. После этого можно измерть значение R2 и заменить его постоянным резистором. Если двигатель очень малой мощности, можно уменьшить значение R1.

Рекомендуемые детали : Резистор R1 типа ППЕ-3В или ППБ-15Е R1 и R2 — ПЭВ-7,5 VD1 — КД227Ж или с похожими параметрами С1 — штатный конденсатор данного двигателя.

* по материалам статьи В.Ф. Яковлева Регулятор скорости для однофазных конденсаторных двигателей

Регулирование скорости асинхронного двигателя

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

Регулирование частоты вращения асинхронного двигателя путем введения резисторов в цепь ротора

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

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

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

Регулирование частоты вращения асинхронного двигателя изменением напряжения на статоре

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

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

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

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

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

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

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

Для изменения напряжения применяют трехфазные автотрансформаторы и тиристорные регуляторы напряжения.

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

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

Регулирование частоты вращения асинхронного двигателя изменением частоты питающего напряжения

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

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

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

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

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

Рис. 5. Схема частотного электропривода

Рис. 6. Механические характеристики асинхронного двигателя при частотном регулировании

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

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

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

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

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

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

Регулирование частоты вращения асинхронного двигателя переключение числа пар полюсов

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

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

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

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

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

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

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.

Источники: http://slavapril.narod.ru/upravlenie_dvig.html, http://electricalschool.info/spravochnik/maschiny/661-regulirovanie-skorosti-.html, http://ukrlot.com/regulirovanie_asinhronnogo_dvigatel.html


Комментариев пока нет!

Регулирование скорости вращения асинхронных двигателей

    Изменение частоты вращения вала компрессора — универсальный способ изменения характеристики компрессора при условии, что двигатель допускает экономичное изменение частоты вращения. Способ применяется для компрессоров, имеющих привод от газовой или паровой турбины или от двигателя внутреннего сгорания, преимущественно от дизеля, допускающего большое изменение скорости вращения—около 50%. Частота вращения вала газомоторных компрессоров в небольших пределах регулируется автоматическим приспособлением. В случае привода от трехфазного электродвигателя возможно ступенчатое регулирование, если двигатель имеет переменное число полюсов. Однако этот двигатель имеет крупные габариты и высокую стоимость. Существует метод плавного регулирования асинхронных электродвигателей с фазовым ротором при помощи так называемого вентильного каскада. Эта схема нашла некоторое применение на компрессорных станциях магистральных газопроводов. [c.273]
    В исключительных случаях, если необходимо регулирование скорости вращения, можно применять также двигатели постоянного тока или специальные асинхронные двигатели с фазовым ротором. [c.165]

    Регулирование воздуходувок с приводом от электродвигателя намного сложнее. Жесткая механическая характеристика синхронных и короткозамкнутых асинхронных двигателей позволяет изменять скорость вращения ротора воздуходувки лишь с помощью гидравлических или электромагнитных муфт. Однако первые сложны в изготовлении и эксплуатации и потому не находят практического применения, вторые экономически целесообразны лишь для мощностей до [c.149]

    При переработке порошкообразных композиций бункер оснащается устройствами принудительной подачи материала в экструдер. Электромеханический привод загрузочного шнека в данном случае должен быть выполнен на основе асинхронного двигателя в сочетании с вариатором для бесступенчатого регулирования скорости вращения шнека. [c.245]

    Существует несколько разновидностей асинхронных муфт, позволяющих осуществлять гибкую связь между приводным двигателем и валом машины или аппарата, с регулированием скорости вращения ведомого вала [120]. [c.25]

    В стайках токарной группы характерной особенностью является осуществление главного движения за счет вращения обрабатываемого изделия, поступательное перемещение суппортов обеспечивает подачу резцов. В главных приводах токарных станков малых и средних размеров основным типом привода является привод от асинхронного короткозамкнутого двигателя в сочетании с коробкой скоростей. Регулирование скорости вращения шпинделя осуществляется переключением шестерен коробки скоростей. Диапазон регулирования скорости привода может быть увеличен при применении двух- и трехскоростных двигателей. [c.13]

    Электропривод аппарата АНП-5,5М состоит из асинхронных короткозамкнутых электродвигателей и вариаторов с дистанционным регулированием скорости вращения механизмов с помощью исполнительных двигателей. [c.95]

    Применяют также способ уменьшения числа оборотов путем введения регулируемого сопротивления в фазовую обмотку ротора асинхронных двигателей. Этот способ энергетически невыгоден регулирование скорости вращения производится в сравнительно узких пределах. [c.523]

    Однако приводом большинства компрессоров, используемых на нефтехимических предприятиях, служат асинхронные двигатели с нерегулируемой частотой вращения вала. В этом случае внедрение регулирования частоты вращения вала потребовало бы сооружения мощных редукторов и вариаторов скоростей, что не всегда способствовало бы повышению экономичности установки по сравнению с более простыми, но менее экономичными способами регулирования. В связи с этим рассмотрим наиболее распространенные способы регулирования поршневых компрессоров. [c.238]


    Универсальные расточные станки служат для обработки деталей, имеющих отверстия, связанные с точными расстояниями на них выполняют сверление, растачивание, фрезерование торцевыми фрезами, обтачивание и нарезку резьбы. Главным движением на этих станках является вращение шпинделя или планшайбы, Движение подачи сообщается либо инструменту, либо изделию, установленному на столе. Средние и крупные универсальные горизонтально-расточные станки имеют главный привод от асинхронных односкоростных и многоскоростных короткозамкнутых двигателей, с электромеханическим регулированием скорости. Система управления обеспечивает реверсирование шпинделя, рабочий и наладочный режим. Для быстрой остановки шпинделя предусматривается принудительное электрическое торможение двигателя противовключением. На некоторых станках предусматривается дистанционное переключение шестерен коробки скоростей. Схема управления главным приводом расточного станка от двухскоростного двигателя с короткозамкнутым ротором приведена на рис. 1.5. [c.14]

    Основным показателем глубины регулирования является диапазон регулирования, представляющий собой отношение максимальной скорости вращения к минимальной. Обычно этот показатель невелик (не превышает 3 у асинхронных двигателей и 4 у двигателей постоянного тока). В то же время в системе Г—Д диапазон регулирования достигает 20—30, а при использовании вместо возбудителя специальных электромашинных усилителей (см. стр, 75) диапазон регулирования возрастает до 100 и выше. [c.52]

    Регулирование угловой скорости (частоты вращения) асинхронных электродвигателей осуществляют введением сопротивлений в цепь ротора двигателей с фазным ротором. Этим способом можно изменять угловую скорость двигателя только в сторону уменьщения номинальной угловой скорости за счет увеличения скольжения. [c.36]

    Регулирование воздуходувок с приводом от электродвигателя намного сложнее. Жесткая механическая характеристика синхронных и короткозамкнутых асинхронных двигателей позволяет изменять скорость вращения ротора лишь с помощью гидравлических или электромагнитных муфт. Однако первые сложны в изготовлении и эксплуатации и потому не находят практического применения, вторые экономически целесообразны лишь для мощностей 200—250 кВт. Асинхронный двигатель с фазным ротором, регулируемый по схеме вентильного и машинно-вентильного каскадов, имеет более высокий к. п. д. Однако, применение его для серийных воздуходувок, работающих на станциях аэрации, ограничено снижением напора воздуходувки из-за неизбежного уменьшения номинальной скорости ротора на 5%. [c.172]

    Изменение скорости вращения возможно, если приводом служат паровые или газовые турбины, регулируемые электродвигатели и т. п. Если необходимо ступенчатое регулирование, то приводом служат трехфазные асинхронные электродвигатели, в которых изменяется число пар включенных полюсов кроме того применяют также коробки передач или гидромуфты (например, для нагнетателей авиационных и судовых двигателей). [c.251]

    Регулирование скорости изменением скольжения осуществляется введением сопротивления в роторную цепь двигателя с контактными кольцами. При этом увеличиваются критическое скольжение и наклон механической характеристики. Следовательно, при том же моменте нагрузки возрастает скольжение и уменьшается скорость вращения. Этот способ регулирования скорости двигателя неэкономичен из-за больших потерь в добавочных сопротивлениях, а также резкого изменения скорости при колебаниях нагрузки. Вследствие этого асинхронный двигатель можно пускать без применения ограничивающих пусковой ток сопротивлений лишь в том случае, когда его мощность не превышает 25% мощности трансформаторов, питающих сеть цеха. [c.15]

    Автоматическое управление в функции скорости применяется в машинах для контроля за процессом торможения противовключением асинхронных двигателей, для дистанционного управления скоростью отдельных валов, а также в замкнутых системах автоматического регулирования электроприводов. Часто в схемах управления торможением электродвигателей используется реле контроля скорости типа РКС, которое соединяется с валом двигателя посредством поводка с эластичной шайбой. Реле рассчитано для работы при скоростях врашения от 200 до 3000 об/мин и допускает до 30 срабатываний в 1 мин. Оно действует при вращении в любую сторону. [c.23]

    Частотное регулирование установочной скорости вращения напорных насосов в диапазоне 2 1 производится вариатором Вар, связывающим синхронный генератор ЗСГ с приводным асинхронным двигателем 10Д. К стабильности частоты напряжения генера- [c.109]

    Исполнительный двигатель ДР (двухпозиционное регулирование) состоит из однофазного асинхронного электродвигателя 1 и редуктора 5 в общем литом кожухе (рис. 8,а). Синхронная скорость вращения двигателя 1500 об/мин. Редуктор, состоящий из шести пар шестерен, можно настроить на 10 значений скорости выходного вала, близких к указанным  [c.284]


    Для асинхронных короткозамкнутых двигателей возможно также регулирование частоты вращения уменьшением питающего напряжения или периодическим включением двигателя в сеть и отключением его от сети (импульсное регулирование скорости). Однако в связи с пониженными энергетическими показателями эти способы регулирования применяются только для двигателей очень малой мощности. [c.162]

    В состав установки входит манипулятор с вращающимся столом 2, сварочная головка 3 и аппаратура управления 4. Стол может наклоняться под углом до 90° и вращаться. Вращение стола осуществляется трехфазным асинхронным двигателем через редуктор и коробку скоростей с несколькими ступенями регулирования. Установка АДК-500-3 укомплектована сменными головками для сварки под флюсом и в защитных газах. Сменная головка имеет водяное охлаждение. [c.191]

    Изменение частоты тока требует дополнительного преобразователя, поэтому первым методом как неэкономичным пользуются редко. Чаще всего применяется второй метод. Изготавливаются асинхронные двигатели с переключаемым числом полюсов в статоре, что позволяет получить несколько скоростей вращения двигателя, меняющихся, однако, скачкообразно. Плавное регулирование числа оборотов может быть достигнуто изменением сопротивления в цепи ротора. Поскольку крутящий момент асинхронного двигателя зависит от величины напряжения в квадрате, а момент сопротивления мешалки пропорционален квадрату числа ее оборотов, существует прямая завнснмость между числом оборотов мешалки и сопротивлением в цепи ротора. Этот способ, однако, неэкономичен, так как он ведет к резкому снижению к. н. д. двигателя. Кроме того, такой метод регулирования не может применяться при небольших нагрузках, так как в асинхронных двигателях трудно в этом случае добиться значительного снижения числа оборотов. [c.87]

    Для возможности регулирования числа оборотов асинхронных двигателей посредством переключения обмоток на различное число пар полюсов электродвигатели должны иметь специально выполненную обмотку на статоре, переключаемую во время работы двигателя а различные схемы. Благодаря этому скорость вращения изменяется ступенями соответственно числу пар полюсов. Двигатели этого типа строятся двух-, трех- и четырехскоростными. [c.114]

    Для получения требуемой плавности регулирования и необходимого диапазона регулирования скорости вращения существуют системы электромеханического и бесступенчатого регулирования. Электромеханическое ступенчатое регулирование скорости главных приводов с асинхронными короткозамкнутыми двигателями осуществляется путем переключения шестерен коробки передач и применением многоскоростпых асинхронных двигателей. [c.7]

    Производство синтетического капронового волокна включает следующие основные процессы приготовление расплава капролактама, получение полимера— поликапроамида, формование, вытягивание, кручение и отделка волокна. Основным технологическим оборудованием являются аппараты непрерывной полимеризации и плавильно-прядильные агрегаты. Электрооборудование этих аппаратов и агрегатов включает электронагреватели с контрольной, регистрирующей и пускорегулирующей аппаратурой, предназначенные для электрообогрева труб непрерывной полимеризации и электроприводов мешалок, насосов, тянущих вальцов резальных машин. Эти электроприводы осуществляются от асинхронных короткозамкнутых двигателей и вариаторов с дистанционным регулированием скорости вращения механизмов с помощью серводвигателей. Электронагревание прядильных головок осуществляется трубчатыми электронагревательными элементами ТЭНами. Для электронагрева применяют систему автоматического двухпозиционного регулирования температуры с датчиками температуры, расположенными в головке, дросселями насыщения и электронными потенциометрами. [c.224]

    Из приведенной схемы видно, что электропривод дозирующих насосов целлофановой машины выполнен на переменном токе с использованием частотного регулирования скорости вращения синхронно-реактивных двигателей. Электропривод намоточной части машины выполнен на постоянном токе по схеме Г—Д с приводом генератора от асинхронного трехфазного двигателя с контактными кольцами АД, который является также гонным двигателем для генератора 1ГПТ преобразователя частоты (ПЧ). [c.84]

    Плавильно-формовочное устройство оснащено плоской алюминиевой решеткой с электрическим обогревом посредством электро-лагревательных трубок. Машина имеет 18 плавильно-формовочных мест. Наличие системы электрического обогрева плавильно-формовочных устройств позволяет осуществлять автоматическое регулирование температуры плавильного и формовочного блоков на каждом рабочем месте. Все основные элементы машины, определяющие толщину волокна, — дозирующие насосы, прядильные диски, фрикционные цилиндры и нитераскладчики — имеют индивидуальные электроприводы от асинхронных короткозамкнутых двигателей с частотным регулированием скорости вращения при помощи поставляемых вместе с машиной преобразовательных агрегатов АГ-31 и АГ-12. В преобразовательном агрегате АГ-31 все три синхронных генератора (для питания электродвигателей привода дозирующих [c.124]

    В этих условиях обслулдиапазона регулирования работы вентиляторной установки одним асинхронным двигателем (как это проектировалось) нецелесообразно, так как его os ф значительно падает. Возникает необходимость в замене электродвигателя большей мощности, при этом рационально изменить и скорость вращения вентилятора, что дает возможность повысить к. п. д. вентиляторной установки. [c.309]

    Регулируемые двигатели могут быть постоянного тока (ш5 НТ0-вые) или асинхронные многоскоростные. Первые обеспечивают плавное регулирование чисел оборотов в диапазоне до 100—200 и больше (системы Леонарда с электромашипными усилителями), вторые обеспечивают лишь две, три или четыре различные скорости вращения. [c.297]

    Для регулирования частоты вращения двигателей может быть предложено несколько решений использование асинхронных каскадов, двигателей постоянного тока, питаемых от регулируемых выпрямителей, мггогоскоростных асинхронных или синхронных двигателей с коробками передач и др. Возможно применение синхронных двигателей с плавным регулированием их скорости за счет изменения частоты, достигаемого применением полупроводникового преобразователя частоты. [c.305]

    Если кинематическая цепь привода состоит из нескольких редукторов, то обычно их соединяют один с другим и с валом машины зубчатыми муфтами прн песбходнмостн передачи движения от редуктора к валу, ось которого меняет свое положение при работе машины, используют шарнирные муфты (наиример, в приводах смесителей). В машинах, где одновременно приводится во вращение ряд рабочих органов (многовальные машины), предпочтительно использование блок-редукторов или индивидуальных электродвигателей. Двигатели постоянного тока, асинхронные с фазным ротором или тиристорным преобразователем, рационально использовать во всех случаях, когда необходимо регулирование рабочих скоростей машины в широком диапазоне. [c.138]


Частотный регулятор скорости для асинхронного электродвигателя

Асинхронный двигатель одно- или трехфазного тока – один из самых распространенных как в промышленности, так и среди бытовых пользователей, где он может являться основой насосов и маломощных агрегатов различного назначения. К его достоинствам относят:

·         надежность, связанную с отсутствием щеточного узла;

·         простоту изготовления;

·         невысокую стоимость;

·         высокий КПД в штатном режиме работы.

О надежности этого оборудования лучше всяких слов говорит то, что на многих объектах можно встретить исправно работающие моторы, которые введены в эксплуатацию более 50 лет назад. Есть у электродвигателей этого типа и ряд недостатков. К самым существенным относятся:

·         низкий крутящий момент на старте;

·         ограничение максимальной скорости вращения, зависящее от частоты питающей электросети;

·         сложность регулировки скорости вращения электромотора.

Применение частотных преобразователей для двигателей, рассчитанных на работу с напряжением 220В, 380В и выше устраняет или уменьшает все перечисленные недостатки и позволяет добавить в систему с такими двигателями новый функционал.

До применения частотного принципа управления асинхронным мотором при необходимости регулировать скорость использовалось несколько вариантов управления скоростью вращения таких двигателей:

·         механическое с помощью редуктора. Своеобразная коробка передач – решение сложное, дорогое, требующее регулярного обслуживания и ремонта. Также понижает общий КПД системы;

·         ступенчатое изменение питающего напряжения с помощью трансформатора. Позволяет управлять мощностью двигателя, однако вводит его в нештатный режим, вызывает нагрев. Точная установка скорости вращения в таких системах практически невозможна;

·         электронное с отсеканием части полупериода питающего напряжения с помощью тиристорной схемы. Позволяет регулировать мощность, однако такой принцип управления создает вибрации и также не позволяет точно управлять частотой вращения.

Современные технологии регулировки частоты вращения и мощности предусматривают, в большинстве случаев, использование частотного регулятора на полупроводниковых ключах.

Принцип работы частотного регулятора

Принцип, положенный в основу работы любого современного частотного преобразователя, очень прост:

  • во-первых, нужно выпрямить входное напряжение;

  • во-вторых, его следует отфильтровать и стабилизировать;

  • и, в-третьих, нужно сгенерировать питающее напряжение, по форме близкое к синусоидальному, требуемой частоты и амплитуды.

Этот подход позволяет исключить изменение режима работы привода при колебаниях напряжения в сети и получить возможность точной регулировки скорости вращения и выходной мощности. Такой принцип регулировки применим как к однофазным электромоторам, для которых требуется одна такая схема, так и к трехфазным асинхронным электродвигателям, требующих три группы таких выпрямителей-преобразователей с синхронизацией их работы для получения трехфазного выходного напряжения с заданным сдвигом.

Схемотехника современных преобразователей частоты

С появлением мощных полупроводниковых компонентов, способных управлять высоким напряжением и большими токами схемотехнические решения блоков регулировки частоты стали строиться достаточно просто. Так, для работы в цепях с напряжением на выходе инвертора до 690 В, с успехом применяются схемы на тиристорах и IGBT-транзисторах, которые стоят дороже, но обеспечивают более «чистый» выход. В таких схемах управления на каждую фазу устанавливают по два ключа с соответствующей управляющей обвязкой. Для удешевления конструкции на выходе обычно не используют фильтры для подавления гармоник, поскольку к выходу подключается индуктивная нагрузка.

Для высоковольтных электродвигателей может использоваться такой же принцип с усложненной схемотехникой. Питание на выходе каждой фазы формируется последовательно подключенными модулями, каждый из которых формирует свой участок выходной синусоиды, а общее напряжение формируется как сумма напряжений на выходе каждого модуля.

Существуют также бестрансформаторные преобразователи и прямые преобразователи частоты без блока выпрямления и фильтрации. Каждое схемотехническое решение имеет свои достоинства и недостатки, которые следует учитывать при выборе. Однако сам блок преобразователя, по какой бы схеме он не был построен, требует еще достаточно сложной автоматики управления режимами работы.

Автоматика управления работой частотного преобразователя

Регулирование режимом работы двигателя через частотный преобразователь выполняется сложной автоматикой управления, которая в большинстве моделей современных частотников строится на основе микроконтроллера или микропроцессора.

Система управления выполняет целый ряд функций, которые значительно расширяют возможности систем на основе асинхронных двигателей. К ним могут относиться:

·         программы плавного пуска и остановки электромотора;

·         защитное отключение при перегрузках, перегреве и заклинивании;

·         модули сопряжения с системой централизованной диспетчеризации;

·         возможность подключения внешних датчиков обратной связи, позволяющих управлять работой двигателя для поддержания стабильного состояния системы, например, скорости потока воздуха или давления воды;

·         возможность работы по заранее заданной программе.

На рынке сегодня представлены сотни моделей частотных преобразователей для управления асинхронными электромоторами. Причем представлены как универсальные серии, так и специализированные, например, для лифтового, насосного или вентиляционного оборудования, что несколько упрощает выбор. Если вам необходима помощь в выборе оптимальной модели частотного преобразователя для управления асинхронным двигателем, вы всегда можете обратиться к сотрудникам нашей компании.


вернуться в блог

Промышленное вентиляционное оборудование | Как подобрать регулятор скорости для управления вентилятором?



При проектировании системы вентиляции часто важно обеспечивать плавность ее управления. Для этого используют регуляторы скорости.

Регулятор скорости нужен, чтобы менять скорость вращения двигателя. Чтобы выбрать его правильно, нужно учитывать количество питающих фаз, номинальное напряжение, частоту (Гц), мощность и номинальный ток.

Компания НЕВАТОМ предлагает три типа регуляторов скорости.

1) Частотные регуляторы скорости VLT ND-051 компании Danfoss Drives для трёхфазных вентиляторов

Данные устройства регулируют частоту переменного тока, чтобы менять рабочую точку вентилятора. Меняя частоту, мы регулируем число оборотов ротора асинхронного или синхронного трехфазного двигателя. Частотные регуляторы обладают встроенной защитой двигателя и обеспечивают плавное управление вентилятором.

Частотные регуляторы VLT ND-051

  • Защищают от бросков напряжения и перегрузок

  • Обеспечивают плавный пуск и остановку электрооборудования

  • Обладают широким спектром мощностей – НЕВАТОМ предлагает преобразователи с диапазоном мощностей от 0,35 до 22 кВт включительно*

  • Комплектуются пультом управления

  • Экономят от 5 до 15% электроэнергии за счёт автоматической оптимизации энергопотребления

2) Трансформаторные регуляторы скорости R-E компании Ziehl Abegg для однофазных вентиляторов

Трансформаторный регулятор меняет скорость вращения однофазного двигателя с помощью изменения подаваемого напряжения. Само напряжение формирует автотрансформатор.

Особенностью трансформаторных регуляторов является наличие жестко заданных скоростей вращения. Регуляторы R-E позволяют переключаться между пятью скоростями.

Чтобы выбрать трансформаторный регулятор нужно знать максимальный ток, потребляемый двигателем. Трансформаторный регулятор совместим только с теми двигателями, скорость которых может меняться при помощи изменения подаваемого напряжения.

Преимущества трансформаторных регуляторов R-E компании Ziehl Abegg — это

  • Максимальный ток до 10 А

  • Пониженный уровень шума двигателя при низких скоростях

3) Симисторные регуляторы скорости СРМ и СРМщ  для однофазных вентиляторов

Симисторные регуляторы нужны, чтобы плавно менять скорости вращения однофазных асинхронных двигателей. Полупроводниковый прибор — симистор — меняет выходное напряжение, подаваемое на вентилятор. Именно поэтому симисторные регуляторы СРМ и СРМщ обеспечивают плавное управление однофазными вентиляторами.

Преимущества симисторных регуляторов скорости такие

  • Есть плавкий предохранитель для защиты от перегрузки

  • Три варианта исполнения: на DIN-рейку, накладной и встраиваемый в подрозетник

  • Свободный выбор рабочей точки вручную

  • Возможность управления по внешнему сигналу 0..10 В

При проектировании систем вентиляции НЕВАТОМ рекомендует использовать регуляторы скорости, потому что:

  • Они позволяют самостоятельно регулировать производительность вентилятора и экономить на электроэнергии, если это нужно.

  • В системах с рекуператорами они позволяют реализовать их защиту от обледенения. Для этого нужно уменьшить (или полностью прекратить) поток приточного и увеличить поток вытяжного воздуха.

  • Их используют в системах с поддержанием постоянного или переменного расхода воздуха для автоматического изменения производительности вентилятора. 

Чтобы узнать больше об оборудовании и его наличии, обратитесь в ближайший филиал НЕВАТОМ по телефону www.nevatom.ru/contacts.

Всегда впереди вместе!

Регулирование скорости вращения

Содержание:

Регулирование скорости вращения

Регулирование скорости вращения. Как установлено выше, частота вращения асинхронного двигателя n = n0. Из этого уравнения видно, что можно управлять скоростью n, изменяя частоту(и число пар полюсов p и скольжения 5). Управление скоростью осуществляется путем изменения частоты (и основано на изменении скорости вращения поля статора) 60б Пирог-он гладкий и в широком диапазоне. Однако этот способ регулировки не получил широкого распространения, так как необходимо менять специальный преобразователь частоты (тиристорный или электромеханический), с которым соединены 1 или более одновременно регулируемых асинхронных двигателей.

Регулировка скорости вращения путем изменения числа полюсов обмотки статора происходит постепенно. Людмила Фирмаль
  • Количество пар полюсов в обмотке статора двигателя может быть изменено путем размещения 2 обмоток разных пар полюсов в пазу статора, или одной из 1 обмоток, где вы можете получить разное количество полюсов в двигателе. На рис. 7.10 показана 1 возможная схема для 1 фазы обмотки статора(для остальных 2 фаз схемы) Также), вы можете использовать переключатель для изменения количества пар полюсов в машине. 0 By = = = 750 об / мин, правая сторона-p = 2, n0 = 1500 об / мин. Асинхронный двигатель, который может переключать обмотки на другое число полюсов, называется многоскоростным. Его можно использовать на 2, 3, и 4 уровнях скорости.

Ротор многоскоростного двигателя имеет клеточный тип. Недостатки многоскоростных двигателей: большие габариты, повышенная стоимость, сложность конструкции переключателя обмотки статора, пошаговая регулировка скорости вращения. Скорость вращения короткозамкнутого асинхронного двигателя можно регулировать путем изменения напряжения питания и*.В основе метода лежит зависимость электромагнитного момента от мощности 2-го источника (на рисунке 7.11 показаны механические свойства, полученные при различных напряжениях Vy и Vt> > 0 > 1), Если статический момент не изменяется, то скорость вращения равна u> Pn> Pi. РНС. 7.11.О проблеме регулирования скорости вращения из-за колебаний напряжения.

  • Недостатками данного способа являются малый диапазон регулирования скорости и необходимость применения трехфазного регулятора напряжения-автоматического трансформатора или индукционного регулятора. n Значение / 0tn можно отрегулировать автоматически Например, его можно популяризировать с помощью электронного таймера.

Уменьшение / 0 уменьшает среднюю частоту вращения двигателя. Это связано с тем, что Ротор долго вращается по инерции и теряет скорость. В асинхронном двигателе с фазным ротором скорость вращения регулируется введением активного сопротивления настроенного реостата в цепь Ротора. Механические свойства двигателя, построенного при различных значениях активного сопротивления цепи ротора (см. рис. 7.8), показывают, что с увеличением gd при L / CT = SOP81 увеличивается и частота вращения двигателя decreases. At при этом потери энергии управляющего реостата возрастут, но это нецелесообразно.

Недостатками данного способа являются повышенные потери и снижение КПД двигателя, относительная сложность аппаратуры управления. Людмила Фирмаль
  • Анализ различных методов управления скоростью вращения асинхронных двигателей показывает, что каждый из них не лишен отрицательных качеств. Асинхронные трехфазные маломощные двигатели автоматических устройств в большинстве случаев выполняют вспомогательные функции, не требующие регулирования скорости. В СССР выпускается серия трехфазных маломощных асинхронных двигателей (50-600 Вт), например AOL, AB, APN и др. Эти серии включают моторы конструированные для различных напряжений тока (127, 220 и 380 V) и синхронной скорости / t0 = 1500 n 3000 rpm.

Смотрите также:

Предмет электрические машины

Объяснение скорости двигателя

: погружение в двигатели переменного и постоянного тока

Скорость, крутящий момент, мощность и напряжение являются важными факторами при выборе двигателя. В этом блоге, состоящем из двух частей, мы углубимся в особенности скорости двигателя. В части 1 мы обсудим, как скорость различается между типами двигателей, а в части 2 мы рассмотрим, когда следует рассмотреть возможность добавления коробки передач в приложение.

Скорость асинхронного двигателя переменного тока

Электродвигатели переменного тока

уникальны тем, что созданы для работы на определенных скоростях независимо от их конструкции или производителя.Скорость двигателя переменного тока зависит от количества полюсов и частоты сети источника питания, а не от его напряжения. Обычные двигатели переменного тока состоят из двух или четырех полюсов. В полюсах статора создается магнитное поле, которое индуцирует результирующие магнитные поля в роторе, которые соответствуют частоте изменяющегося магнитного поля в статоре. Двухполюсные двигатели переменного тока, работающие с частотой 60 Гц, всегда будут работать со скоростью примерно 3600 об / мин, а четырехполюсные двигатели переменного тока будут иметь скорость около 1800 об / мин.

Скорость = 120 x частота (Гц) / число полюсов двигателя

Пример 120 x 60 Гц / 4 полюса = 1800 об / мин.

Имейте в виду, что скорость двигателя переменного тока не будет достигать этих точных значений — и будет немного ниже — потому что существует определенная величина скольжения, которая должна присутствовать для двигателя для создания крутящего момента. Ротор всегда будет вращаться медленнее, чем магнитное поле статора, и постоянно играет в догонялки. Это создает крутящий момент для запуска двигателя переменного тока.Разница между синхронными скоростями статора (3600 и 1800 об / мин) и фактической рабочей скоростью называется скольжением. (Дополнительную информацию о скольжении можно найти в нашем блоге «Синхронные и асинхронные двигатели: обнаруживая разницу».)

Элемент управления может использоваться для изменения скорости трехфазного двигателя переменного тока путем увеличения или уменьшения частоты, передаваемой на двигатель, в результате чего он ускоряется или замедляется. Кроме того, многие элементы управления переменного тока имеют однофазный вход, поэтому это позволяет запускать трехфазные двигатели на объектах, где отсутствует трехфазное питание.

Однако такая возможность изменять скорость не характерна для однофазных двигателей переменного тока. Эти двигатели подключаются непосредственно к стандартной розетке и работают с установленной доступной частотой. Исключением из этого практического правила будет потолочный вентилятор, который работает от однофазного двигателя переменного тока, но имеет три различных настройки скорости.

Скорость двигателя постоянного тока

Хотя двигатели постоянного тока с постоянными магнитами также имеют полюса, эти полюса не влияют на скорость, как двигатели переменного тока, потому что есть несколько других факторов, влияющих на двигатели постоянного тока.Количество витков провода в якоре, рабочее напряжение двигателя и сила магнитов влияют на скорость двигателя. Если двигатель постоянного тока работает от батареи 12 В, это максимальное напряжение, доступное для устройства, и двигатель сможет работать только на скорости, рассчитанной на 12 В. Если батарея разряжена и подает меньшее напряжение, скорость соответственно уменьшится.

Теперь, если вы подключите тот же двигатель 12 В постоянного тока к источнику питания 24 В постоянного тока, ваша скорость обычно удваивается. Имейте в виду, что работа двигателя с удвоенной скоростью при одной и той же точке нагрузки / крутящего момента приведет к тому, что двигатель будет работать тяжелее, что приведет к дополнительному нагреву, который со временем может вызвать преждевременный отказ двигателя.

Как и в случае трехфазных двигателей переменного тока и бесщеточных двигателей постоянного тока, средства управления могут использоваться с двигателями постоянного тока. Регуляторы постоянного тока регулируют скорость, изменяя напряжение, подаваемое на двигатель (это отличается от средств управления двигателем переменного тока, которые регулируют сетевую частоту двигателя).

Типичные скорости холостого хода или синхронные скорости для двигателя переменного тока с дробной мощностью 1800 или 3600 об / мин и от 1000 до 5000 об / мин для двигателей постоянного тока с дробной мощностью. Если приложение требует более низкой скорости и / или более высокого крутящего момента, следует рассмотреть вариант редукторного двигателя.Чтобы узнать больше о добавлении редуктора, ознакомьтесь с частью 2, «Объяснение скорости двигателя: когда использовать редуктор».

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 улучшенное управление приложением двигателя. Хотя 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 использованием 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 двигателя и рабочий ток, 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, чтобы снизить напряжение на основной 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 необходимой силы для поддержания их 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) — еще один вариант и 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 находится в состоянии «ВКЛ», двигатель будет вращаться быстрее, и, наоборот, чем короче время «ВКЛ» импульса, 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.

Электродвигатель | Британника

Самый простой тип асинхронного двигателя показан на рисунке в разрезе. Трехфазный набор обмоток статора вставлен в пазы в железе статора. Эти обмотки могут быть подключены по схеме «звезда», обычно без внешнего подключения к нейтральной точке, или по схеме «треугольник». Ротор состоит из цилиндрического стального сердечника с проводниками, размещенными в пазах по всей поверхности.В наиболее обычной форме эти проводники ротора соединены вместе на каждом конце ротора токопроводящим концевым кольцом.

Принцип работы асинхронного двигателя может быть разработан, сначала предположив, что обмотки статора подключены к трехфазному источнику питания и что набор из трех синусоидальных токов, показанных на рисунке, протекает в обмотках статора. На этом рисунке показано влияние этих токов на создание магнитного поля через воздушный зазор машины в течение шести мгновений цикла.Для простоты показана только центральная токопроводящая петля для каждой фазной обмотки. В момент t 1 на рисунке, ток в фазе a является максимально положительным, тогда как ток в фазах b и c составляет половину отрицательного значения. Результатом является магнитное поле с приблизительно синусоидальным распределением вокруг воздушного зазора с максимальным значением наружу вверху и максимальным значением внутрь внизу. В момент времени t 2 на рисунке (т.е.е., одна шестая цикла позже), ток в фазе c является максимально отрицательным, в то время как ток в фазе b и фазе a является положительным наполовину. Результат, как показано на рисунке для t 2 , снова представляет собой синусоидально распределенное магнитное поле, но повернутое на 60 ° против часовой стрелки. Исследование распределения тока для т 3 , т 4 , т 5 и т 6 показывает, что магнитное поле продолжает вращаться с течением времени.Поле совершает один оборот за один цикл токов статора. Таким образом, совокупный эффект трех равных синусоидальных токов, равномерно смещенных во времени и протекающих в трех обмотках статора, равномерно смещенных в угловом положении, должен создать вращающееся магнитное поле с постоянной величиной и механической угловой скоростью, которая зависит от частоты электроснабжение.

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Вращательное движение магнитного поля относительно проводников ротора вызывает индуцирование в каждом из них напряжения, пропорционального величине и скорости поля относительно проводников.Поскольку проводники ротора закорочены вместе на каждом конце, в результате в этих проводниках будут протекать токи. В простейшем режиме работы эти токи будут примерно равны индуцированному напряжению, деленному на сопротивление проводника. На этом рисунке показана диаграмма токов ротора за момент времени t 1 рисунка. Видно, что токи приблизительно синусоидально распределены по периферии ротора и расположены так, чтобы создавать вращающий момент против часовой стрелки на роторе (т.е.е. крутящий момент в том же направлении, что и вращение поля). Этот крутящий момент ускоряет ротор и вращает механическую нагрузку. По мере увеличения скорости вращения ротора его скорость относительно скорости вращающегося поля уменьшается. Таким образом, индуцированное напряжение снижается, что приводит к пропорциональному уменьшению тока в проводнике ротора и крутящего момента. Скорость ротора достигает постоянного значения, когда крутящий момент, создаваемый токами ротора, равен крутящему моменту, необходимому на этой скорости для нагрузки, без избыточного крутящего момента, доступного для ускорения объединенной инерции нагрузки и двигателя.

Вращающееся поле и токи, которые оно создает в короткозамкнутых проводниках ротора.

Британская энциклопедия, Inc.

Механическая выходная мощность должна обеспечиваться входной электрической мощностью. Первоначальных токов статора, показанных на рисунке, достаточно для создания вращающегося магнитного поля. Чтобы поддерживать это вращающееся поле в присутствии токов ротора, показанных на рисунке, необходимо, чтобы обмотки статора несли дополнительную составляющую синусоидального тока такой величины и фазы, чтобы нейтрализовать влияние магнитного поля, которое в противном случае могло бы возникнуть. токами ротора на рисунке.Общий ток статора в каждой фазной обмотке складывается из синусоидальной составляющей для создания магнитного поля и другой синусоиды, опережающей первую на четверть цикла, или 90 °, для обеспечения необходимой электроэнергии. Вторая, или силовая, составляющая тока находится в фазе с напряжением, приложенным к статору, в то время как первая, или намагничивающая, составляющая отстает от приложенного напряжения на четверть цикла или 90 °. При номинальной нагрузке эта намагничивающая составляющая обычно находится в диапазоне 0.От 4 до 0,6 величины силовой составляющей.

Большинство трехфазных асинхронных двигателей работают с обмотками статора, подключенными непосредственно к трехфазному источнику питания постоянного напряжения и постоянной частоты. Типичные напряжения питания находятся в диапазоне от 230 вольт между фазами для двигателей относительно небольшой мощности (например, от 0,5 до 50 киловатт) до примерно 15 киловольт между фазами для двигателей большой мощности до примерно 10 мегаватт.

За исключением небольшого падения напряжения на сопротивлении обмотки статора, напряжение питания согласуется со скоростью изменения магнитного потока в статоре машины во времени.Таким образом, при питании с постоянной частотой и постоянным напряжением величина вращающегося магнитного поля остается постоянной, а крутящий момент примерно пропорционален силовой составляющей тока питания.

В асинхронном двигателе, показанном на предыдущих рисунках, магнитное поле совершает один оборот за каждый цикл частоты питания. Для источника с частотой 60 Гц скорость поля составляет 60 оборотов в секунду или 3600 оборотов в минуту. Скорость ротора меньше скорости поля на величину, достаточную для того, чтобы индуцировать необходимое напряжение в проводниках ротора для создания тока ротора, необходимого для момента нагрузки.При полной нагрузке скорость обычно на 0,5–5 процентов ниже полевой скорости (часто называемой синхронной скоростью), причем более высокий процент применяется к двигателям меньшего размера. Эта разница в скорости часто называется скольжением.

Другие синхронные скорости могут быть получены с источником постоянной частоты, построив машину с большим количеством пар магнитных полюсов, в отличие от двухполюсной конструкции, показанной на рисунке. Возможные значения скорости магнитного поля в оборотах в минуту: 120 f / p , где f — частота в герцах (циклов в секунду), а p — количество полюсов (которые должны быть четное число).Данный железный каркас может быть намотан для любого из нескольких возможных количеств пар полюсов с помощью катушек, охватывающих угол приблизительно (360/ p ) °. Крутящий момент, доступный от рамы машины, останется неизменным, поскольку он пропорционален произведению магнитного поля и допустимого тока катушки. Таким образом, номинальная мощность рамы, являющаяся произведением крутящего момента и скорости, будет примерно обратно пропорциональна количеству пар полюсов. Наиболее распространенные синхронные скорости для двигателей с частотой 60 Гц — 1800 и 1200 оборотов в минуту.

Двигатели переменного тока

4 Двигателя переменного тока

Общей чертой всех двигателей переменного тока является вращающееся магнитное поле, создаваемое обмотками статора.

Эту концепцию можно проиллюстрировать для трехфазных двигателей, рассмотрев три катушки, равномерно размещенные вокруг ротора. Каждая катушка подключена к одной фазе трехфазного источника питания (Рисунок 4-1).

Рисунок 4-1: Развитие вращающегося магнитного поля

Рисунок 4-2: Результирующие поля

Ток через каждую катушку изменяется синусоидально со временем, сдвиг по фазе на 120o с другими катушками.Это означает, что ток в катушке B задерживается на 1/3 периода по сравнению с током в A, а ток в катушке C задерживается на 1/3 периода по сравнению с током в B (рисунок 4-2).

Ротор видит чистое вращающееся магнитное поле, созданное тремя катушками, и вращается, создавая крутящий момент на приводном валу двигателя. Это поле вращается либо по часовой стрелке, либо против часовой стрелки, в зависимости от порядка фаз, подключенных к двигателю.

Изменение направления трехфазного двигателя на противоположное просто достигается путем изменения порядка подключения двух из трех проводов.

Скорость вращающегося поля зависит от количества магнитных полюсов в статоре и называется синхронной скоростью.

Частота относится к частоте источника питания (например, 60 Гц).

Количество магнитных полюсов (или просто полюсов) является основным расчетным фактором, влияющим на скорость в двигателях переменного тока.

а. Трехфазные асинхронные двигатели

Ротор асинхронного двигателя не вращается с синхронной скоростью или скоростью магнитного поля статора, но немного отстает.Это отставание обычно выражается в процентах от синхронной скорости, называемой «скольжением». Скольжение двигателя является результатом взаимодействия между магнитным полем статора и магнитным полем, возникающим в результате индуцированных токов, протекающих в роторе. Стержни ротора прорезают магнитные силовые линии, создавая полезный крутящий момент. Поскольку двигатель замедляется (т.е. увеличивается скольжение) при добавлении нагрузки, создается больший крутящий момент.

Трехфазные асинхронные двигатели

очень прочные и надежные и являются наиболее распространенным типом двигателей.

К сожалению, коэффициент мощности имеет тенденцию к снижению при пониженных нагрузках. Это связано с током, который подается только для поддержания магнитного поля.

г. Двигатели с короткозамкнутым ротором

Ротор двигателя с короткозамкнутым ротором изготовлен из токопроводящих стержней, которые параллельны валу и закорочены концевыми кольцами, в которых они физически поддерживаются (Рисунок 4-3).

Рисунок 4-3: Беличья клетка

Размер, форма и сопротивление прутка существенно влияют на характеристики крутящего момента и скорости.Обрыв стержня ротора или соединения концевого кольца может привести к более серьезному состоянию, включая высокочастотные вибрации и даже отказ двигателя.

Для облегчения выбора двигателей NEMA (Национальная ассоциация производителей электрооборудования) присвоила буквенные обозначения A, B, C и D для описания стандартных расчетных характеристик крутящего момента и скорости двигателей с короткозамкнутым ротором мощностью до 200 л.с. (Таблица 4 1 и рисунок 4-4).

Таблица 4-1: Расчетные характеристики беличьей клетки NEMA
Конструкция
Тип
Пуск
Момент
Начало
Текущее
Пробой
Крутящий момент
Полная нагрузка
Скольжение
Типичные приложения
A
Редко используется
нормальный высокая высокая <5% станки, вентиляторы, насосы
В нормальный нормальный нормальный <5% такой же, как A
С высокая нормальный низкий <5% компрессоры, дробилки, конвейеры
D очень высокий низкий н / д > 5% пробивные прессы, подъемники с высокой инерционной нагрузкой

Рисунок 4-4: Графики крутящего момента-скорости для двигателей конструкции A, B, C, D

Тип конструкции B является наиболее распространенным и подходит для большинства двигателей.

Двигатели конструкции A в настоящее время обычно не используются из-за высокого пускового тока. Вместо этого следует указать двигатели конструкции B.

Двигатели также называют двигателями общего, определенного или специального назначения.

Двигатель общего назначения — это любой двигатель, рассчитанный на стандартные номинальные характеристики, например, указанные в публикации стандартов Национальной ассоциации производителей электрооборудования (NEMA) MG1-1993, параграф 14.02.

Двигатель определенного назначения — это любой двигатель, рассчитанный на стандартные характеристики со стандартными рабочими характеристиками или стандартной механической конструкцией для использования в условиях эксплуатации, отличных от обычных, таких как те, которые указаны в публикации стандартов NEMA MG1-1993.

Двигатель специального назначения — это любой двигатель (кроме двигателя общего назначения или двигателя определенного назначения), который имеет особые рабочие характеристики или особую механическую конструкцию (или и то, и другое), предназначенный для конкретного применения. Двигатели мощностью более 500 л.с. обычно считаются специальными, а не универсальными, и предназначены для конкретного применения.

г. Асинхронный двигатель с обмоткой ротора

Асинхронный двигатель с фазным ротором работает по тем же принципам, что и двигатель с короткозамкнутым ротором, но отличается конструкцией ротора.Вместо закороченных стержней ротор состоит из обмоток, которые заканчиваются контактными кольцами на валу.

Этот тип двигателя используется в специальных приложениях, где требуется высокий пусковой момент. Подключение внешнего сопротивления к цепи ротора через контактные кольца позволяет изменять характеристики крутящего момента двигателя (Рисунок 4-5 и Рисунок 4-6). После запуска токосъемные кольца замыкаются.

Замыкание внешнего соединения приводит к работе, аналогичной работе двигателей с короткозамкнутым ротором.

Рисунок 4-5: Асинхронный двигатель с обмоткой ротора

Изменение диапазона скорости примерно 5: 1 может быть достигнуто путем добавления внешнего сопротивления в цепь ротора; однако это происходит за счет электрического КПД, если не используется схема рекуперации энергии скольжения.

Рисунок 4-6: График крутящего момента ротора и скорости вращения для различных внешних сопротивлений

Максимальный крутящий момент, который может создать двигатель с фазным ротором, определяется конструкцией его ротора, но скорость, при которой этот крутящий момент создается, зависит от внешнего сопротивления ротора.

Каждая конструкция ротора с обмоткой имеет семейство кривых крутящего момента-скорости, которые соответствуют различным значениям внешнего сопротивления ротора.

г. Однофазные асинхронные двигатели

Когда однофазный асинхронный двигатель работает, он создает вращающееся магнитное поле, но до того, как ротор начинает вращаться, статор создает только пульсирующее стационарное поле.

Для создания вращающегося поля и, следовательно, пускового момента вспомогательная пусковая обмотка размещается под прямым углом к ​​основной обмотке статора, так что токи через них не совпадают по фазе на 90 ° (1/4 периода времени).При этом магнитные поля отклоняются от выравнивания на 90 °. В результате ротор хочет выровнять магнитные полюса, что создает пусковой момент. Физическое размещение пусковой обмотки и ее относительная полярность по отношению к основной обмотке приводит к тому, что двигатель при запуске постоянно вращается в одном направлении. После запуска двигателя вспомогательная обмотка часто отключается от цепи с помощью центробежного переключателя.

Неисправность цепи пусковой обмотки приведет к тому, что двигатель будет издавать тихий гудящий звук и запустится в любом направлении, если осторожно слегка покрутить его рукой.

Однофазные асинхронные двигатели используются в приложениях, где трехфазное питание недоступно, и обычно их мощность составляет от долей до 10 л.с. Возможны однофазные двигатели мощностью более 10 л.с., которые обычно сочетаются с силовой электроникой для ограничения пусковых токов, которые в противном случае были бы очень высокими.

Таблица 4-2: Однофазные асинхронные двигатели переменного тока (Ссылка 23)
Тип двигателя Пусковой крутящий момент КПД Приложение
Затененный полюс Низкая Низкая Вентиляторы с прямым приводом
Разделенная фаза Низкая Средний Вентиляторы с прямым приводом, центробежные насосы, воздушные и холодильные компрессоры
Средний Средний Ременные вентиляторы, компрессоры воздуха и охлаждения, основные приборы
Конденсатор пусковой Средний Средний Ременные вентиляторы, компрессоры, центробежные насосы, промышленные, сельскохозяйственные, основные бытовые приборы, коммерческие приборы, бизнес-оборудование
Высокая Средний Поршневые насосы, воздушные и холодильные компрессоры.
Конденсатор пуск / работа Средний Высокая Ременные вентиляторы, центробежные насосы
Высокая Высокая Поршневые насосы, воздушные и холодильные компрессоры, промышленные, сельскохозяйственные, основная бытовая техника, коммерческая техника, торговое оборудование
Постоянный разделенный конденсатор Низкая Высокая Вентиляторы с прямым приводом, Холодильный компрессор, Торговое оборудование

e.Двухфазные двигатели

В двигателях

с расщепленной фазой используется пусковая обмотка с другим отношением сопротивления к реактивному сопротивлению, чем у обмотки главного статора, чтобы обеспечить разность фаз, необходимую для пуска (Рисунок 4 7).

Разность фаз не желаемая 90 °, а магнитные поля не равны. Это приводит к более низкому пусковому крутящему моменту по сравнению с двигателями других конструкций.

Рисунок 4-7: Двигатель с расщепленной фазой

Пусковой крутящий момент двигателя с разделенной фазой, однако, достаточен для многих приложений, таких как циркуляционные вентиляторы охлаждаемых витрин и некоторые электроинструменты (например,грамм. сверлильный станок). Этот тип двигателя дешев в производстве и поэтому является фаворитом в OEM-продуктах. Типичные размеры составляют примерно до 1/2 л.с.

ф. Конденсаторные двигатели

Во многих однофазных двигателях используется конденсатор, включенный последовательно с одной из обмоток статора, чтобы оптимизировать разность фаз поля для запуска. Емкостной ток подводит напряжение на 90o. Добавление емкости вызывает сдвиг фаз в одной обмотке относительно другой. Результатом является более высокий пусковой момент, чем может обеспечить двигатель с расщепленной фазой.

Конденсаторные двигатели используются в системах с высоким пусковым моментом, таких как компрессоры и кондиционеры. Типичные размеры составляют примерно до 10 л.с.

Конденсаторный двигатель
В двигателях

с конденсаторным режимом используется конденсатор, постоянно включенный последовательно с одной из пусковых обмоток, для достижения компромисса между хорошим пусковым моментом и хорошими рабочими характеристиками (Рисунок 4-8). Эта конструкция дешевле, чем другие конденсаторные двигатели, в которых используются системы переключения конденсаторов.

Эти двигатели обеспечивают лучший пусковой момент и рабочие характеристики, чем двигатели с расщепленной фазой, и их иногда называют двигателями с постоянным разделенным конденсатором (PSC).

В новых двигателях печных вентиляторов иногда используются конденсаторные двигатели.

Рисунок 4-8: Конденсаторный двигатель

Конденсаторный пусковой двигатель

В двигателях с конденсаторным пуском конденсатор, подключенный последовательно с пусковой обмоткой, рассчитан на максимальный пусковой момент (рисунок 4-9).

Рисунок 4-9: Конденсаторный пусковой двигатель

Пусковая обмотка отключается от цепи центробежным переключателем или электронным реле, когда двигатель достигает рабочей скорости. Пусковой крутящий момент выше, чем у конденсаторных двигателей, а рабочие характеристики аналогичны двигателям с расщепленной фазой.

Конденсаторный пуск — Конденсаторные двигатели

В этой конструкции используется конденсатор, оптимизированный для работы в последовательном соединении с основной обмоткой статора (Рисунок 4-10).Второй конденсатор, включенный последовательно с пусковой обмоткой, оптимизирует пусковой момент. Пусковой конденсатор выключается из цепи на ходовой скорости.

Иногда выходит из строя конденсатор и двигатель не запускается. Простым тестом является снятие конденсатора и проверка с помощью омметра (поз. 2). Если возможно, установите наивысшую шкалу Ом. При контакте с клеммами значение сопротивления должно быстро падать, а затем замедляться и снова возрастать. Это означает, что конденсатор должен быть в рабочем состоянии. Однако, если сопротивление сразу упадет до низкого значения, близкого к нулю, конденсатор закорочен.Если значение остается очень высоким, конденсатор разомкнут. Установка нового конденсатора такой же мощности должна решить проблему.

Рисунок 4-10: Конденсаторный пуск — конденсаторный двигатель

Оптимизирован пусковой момент и рабочие характеристики.

г. Моторы с экранированными полюсами

Электродвигатель с экранированными полюсами — это простейший вариант однофазного электродвигателя, который стоит очень дешево (рис. 4-11).

Он создает вращающееся поле, задерживая нарастание магнитного потока через часть конструкции полюса.

Рисунок 4-11: Двигатель с экранированными полюсами

Заштрихованная часть полюса изолирована от остальной части полюса медным проводником, который образует один виток вокруг него.

Магнитный поток в незатененной части увеличивается с током, протекающим через ее обмотку. Магнитный поток увеличивается в заштрихованной части; однако он задерживается током, индуцированным в медном поле.

Магнитное поле перемещается по полюсной поверхности от незатененной части к затемненной, создавая крутящий момент в короткозамкнутой клетке.

Для увеличения крутящего момента ротор выполнен с относительно высоким сопротивлением.

Двигатели с экранированными полюсами используются там, где допустим низкий крутящий момент (например, вентиляторы) и обычно менее 1/4 л.с.

Из-за очень низкого КПД двигатели с экранированными полюсами следует использовать только в тех случаях, когда двигатель очень мал или работает очень непродолжительное время (например, двигатель вентилятора душа).

ч. Синхронные двигатели

Синхронный двигатель создает магнитные полюса в фиксированных положениях на роторе.

Эти полюса фиксируются на вращающемся поле статора и вращают ротор с синхронной скоростью, основанной на частоте питания 60 Гц.

Простой способ определить скорость синхронного двигателя — разделить 3600 на половину числа полюсов. Например, двухполюсная машина будет вращаться со скоростью 3600 об / мин, четырехполюсная — 1800 об / мин, 6-полюсная — 1200 об / мин и т. Д.

Существует несколько типов одно- и трехфазных синхронных двигателей.

Синхронные двигатели значительно дороже асинхронных двигателей.Их использование обычно ограничивается приложениями, в которых абсолютно необходима равномерная скорость, и скольжение двигателя недопустимо (см. Раздел 4 а).

Синхронный двигатель с возбужденным ротором

Магнитные полюса на роторе представляют собой электромагниты, на которые подается постоянный ток либо через контактные кольца от стационарного внешнего источника постоянного тока, либо изнутри от генератора переменного тока, установленного на валу ротора (бесщеточный тип) (Рисунок 4-12).

Рисунок 4-12: Возбудитель для бесщеточного синхронного двигателя

Величину возбуждения можно регулировать, изменяя ток ротора на щеточном двигателе или возбуждение поля генератора переменного тока на бесщеточном двигателе.

Изменение уровня возбуждения ротора изменяет коэффициент мощности двигателя.

Двигатель может работать с запаздывающим коэффициентом мощности (недовозбуждение) или опережающим коэффициентом мощности (перевозбуждение).

Синхронный двигатель с перевозбуждением может использоваться для коррекции низкого коэффициента мощности на установке и может быть отрегулирован по мере необходимости. Такую установку иногда называют «синхронным конденсатором».

Синхронный двигатель с невозбужденным ротором или с роторным сопротивлением

В этой конструкции используется железный ротор, форма которого обеспечивает фиксированные пути для магнитного потока (рисунок 4-13).Обычно они варьируются от долей лошадиных сил до примерно 30 л.с.

Рисунок 4-13: Невозбужденный ротор синхронного двигателя

Постоянные магниты иногда используются на роторах небольших двигателей.

Двигатели с ротором с реактивным ротором имеют низкий коэффициент мощности во время работы. Они также физически больше, чем двигатели возбужденного типа аналогичной мощности.

Однофазные синхронные двигатели

Для создания синхронного двигателя реактивного типа можно использовать любую конфигурацию однофазного статора (рисунок 4-14).

Ротор по сути представляет собой беличью клетку, некоторые стержни которой удалены в положениях, благоприятствующих определенным траекториям магнитного потока.

Во время пуска ротор отстает от вращающегося магнитного поля, как у асинхронного двигателя.

Когда двигатель приближается к синхронной скорости, реактивный крутящий момент заставляет ротор синхронизироваться с полем статора.

Эта конструкция используется в приложениях с низким энергопотреблением, где требуется синхронная скорость.

Рисунок 4-14: Однофазный резистивный двигатель

и.Мотор Hysterisis

Для двигателя с гистерезисом ротор обычно представляет собой цилиндр из магнитотвердой стали без каких-либо обмоток или зубцов (рис. 4-15).

Обмотки статора обычно представляют собой разделенные конденсаторы, при этом конденсатор выбирается таким образом, чтобы максимально приблизить работу двух фаз.

Рисунок 4-15: Гистерезисный двигатель

Высокая удерживающая способность материала ротора заставляет его магнитную ориентацию отставать от вращающегося магнитного поля на долю оборота.

Взаимодействие между вращающимся полем и магнитной полярностью ротора вызывает на ротор крутящий момент, который является постоянным от состояния покоя до синхронной скорости.

Эта конструкция позволяет синхронизировать высокоинерционные нагрузки.

Работа в целом плавная и тихая благодаря гладкой периферии ротора.

Двигатели

Hysterisis обычно используются в приложениях с низким энергопотреблением, таких как часы.

Дж. Универсал Моторс

Универсальные двигатели

имеют последовательную обмотку и имеют схему ротора, аналогичную двигателям постоянного тока (Рисунок 4-16).

Термин «универсальный» объясняется их способностью работать от источника питания DC или AC .

Работа и конструкция этих двигателей очень похожи на двигатели постоянного тока, с компонентами, рассчитанными на КПД на переменном токе вплоть до частоты сети (см. Раздел 5 b).

Рабочие скорости обычно находятся в диапазоне от 3000 до 15000 об / мин. Скорость будет падать с увеличением нагрузки.

Для этой конструкции характерно высокое соотношение мощности и габаритов.

Требования к техническому обслуживанию за час работы выше, чем у других конструкций из-за установки щеток / коммутатора.

На двигателях с доступными щетками (обычно резьбовые заглушки с прорезями для монет с обеих сторон двигателя) необходимо время от времени проверять состояние щеток, чтобы убедиться, что остается достаточное количество материала щеток. Когда щетка приближается к держателю или оплетке на конце, ее следует заменить щеткой того же размера и типа. Если щетка закончится и держатель коснется коллектора, при работе двигателя будет много искр.В этом случае немедленно остановите двигатель. Могло быть нанесено необратимое повреждение, но новые щетки могут исправить ситуацию.

Обычно эти двигатели используются в приложениях с низким рабочим циклом, таких как электрические пилы, дрели, пылесосы и газонокосилки. Обычны размеры до 2 л.с.

Рисунок 4-16: Универсальный двигатель

Предыдущая: Принципы работы | Содержание | Далее: DC Motors

Регулировка скорости двигателя постоянного тока

Если нагрузка приложена к двигателю постоянного тока или машине, скорость двигателя автоматически уменьшается.Таким образом, чтобы поддерживать постоянную скорость, разница между скоростью холостого хода и полной нагрузкой (называемая Регламент скорости ) должна поддерживаться очень меньшей.

Считается, что двигатель находится в состоянии хорошего регулирования, если он поддерживает постоянную скорость при переменной нагрузке. Диапазон регулирования скорости постоянного двигателя постоянного тока составляет от 10% до 15%. Если диапазон меньше 10%, то у двигателя плохое регулирование постоянного тока. Для составного двигателя постоянного тока диапазон регулирования составляет 25%, а для дифференциального составного двигателя — 5%.

Таким образом, чтобы понять регулирование скорости, мы должны знать скорость двигателя постоянного тока.

В комплекте:

Скорость двигателя постоянного тока

Уравнение ЭДС двигателя постоянного тока дается уравнением, показанным ниже:

Решение для скорости двигателя (N) уравнение (1) принимает следующий вид:

Следовательно, Где,

Приведенное выше уравнение (3) показывает, что скорость двигателя постоянного тока прямо пропорциональна ЭДС вращения E и обратно пропорциональна магнитному потоку на полюс.

Выражение ЭДС вращения одинаково для двигателя и генератора, уравнение (2) дает скорость для обеих машин.

Регулировка скорости двигателя постоянного тока

Определение : Регулирование скорости двигателя постоянного тока определяется как изменение скорости от холостого хода до полной нагрузки. Выражается в виде доли или процента от скорости полной нагрузки.

Регулирование скорости на единицу также можно определить как отношение разницы между холостым ходом и полной нагрузкой по отношению к полной нагрузке.Это дается уравнением, показанным ниже:

Где,

  • N n l — скорость холостого хода
  • N fl — скорость полной нагрузки

Двигатель, который имеет почти постоянную скорость или разница между холостым ходом и полной нагрузкой очень мала, считается, что имеет хорошее регулирование скорости .

Скольжение асинхронных двигателей переменного тока и как его минимизировать

Автор: Маури Пелтола, ABB Oy, приводы

Асинхронный двигатель переменного тока часто называют рабочей лошадкой в ​​отрасли.Это потому, что он предлагает пользователям простую, прочную конструкцию, легкое обслуживание и экономичную цену. Эти факторы способствовали стандартизации и развитию производственной инфраструктуры, что привело к созданию обширной базы установленных двигателей; более 90 процентов всех двигателей, используемых в промышленности во всем мире, являются асинхронными двигателями переменного тока.

Несмотря на такую ​​популярность, асинхронный двигатель переменного тока имеет два основных ограничения:

  1. стандартный двигатель не является машиной с постоянной скоростью; и
  2. по своей природе не может обеспечивать работу с регулируемой скоростью.

Оба эти ограничения требуют рассмотрения, поскольку требования к качеству и точности двигателей / приводов продолжают расти.

В этой статье объясняется причина первого ограничения — проскальзывания — и способы его минимизировать. Кроме того, подробно описаны лучшие методы управления скоростью двигателя с помощью доступной сейчас силовой электроники, включая технологию, минимизирующую негативные эффекты скольжения.

Для создания крутящего момента необходимо проскальзывание двигателя
Асинхронный двигатель переменного тока состоит из двух основных узлов — статора и ротора.Конструкция статора состоит из стальных пластин, имеющих форму полюсов. На эти полюса намотаны катушки из медной проволоки. Эти первичные обмотки подключены к источнику напряжения для создания вращающегося магнитного поля. Трехфазные двигатели с разнесением обмоток на 120 электрических градусов являются стандартными для промышленного, коммерческого и бытового использования.

Ротор — это еще один узел, сделанный из пластин поверх стального сердечника вала. В радиальных пазах по периферии пластин размещаются стержни ротора — литые алюминиевые или медные проводники, закороченные на концах и расположенные параллельно валу.Расположение стержней ротора похоже на беличью клетку; отсюда и широко известный термин асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором. Название «асинхронный двигатель» происходит от переменного тока, «индуцируемого» в ротор вращающимся магнитным потоком, создаваемым в статоре.

Крутящий момент двигателя создается за счет взаимодействия токов, протекающих в стержнях ротора, и вращающегося магнитного поля статоров. В реальной работе скорость ротора всегда отстает от скорости магнитного поля, что позволяет стержням ротора разрезать магнитные силовые линии и создавать полезный крутящий момент.Эта разница скоростей называется скоростью скольжения. Скольжение также увеличивается с нагрузкой, что необходимо для создания крутящего момента.

Рис. 1. Асинхронный двигатель переменного тока с короткозамкнутым ротором, открытый, чтобы показать конструкцию статора и ротора, вал с подшипниками и охлаждающий вентилятор.

Скольжение зависит от параметров двигателя
Согласно формальному определению скольжение (я) асинхронного двигателя составляет:

Для малых значений скольжения двигателя скольжение (я) пропорционально сопротивлению ротора, частоте напряжения статора и крутящему моменту нагрузки — и обратно пропорционально второй мощности напряжения питания.Традиционный способ управления скоростью асинхронного двигателя с фазным ротором состоит в увеличении скольжения путем добавления сопротивления в цепь ротора. Скольжение двигателей малой мощности выше, чем у двигателей большой мощности, из-за более высокого сопротивления обмотки ротора в двигателях меньшей мощности.

Как видно из таблицы 1, меньшие двигатели и низкоскоростные двигатели обычно имеют более высокое относительное скольжение. Однако также доступны большие двигатели с высоким скольжением и малые двигатели с низким скольжением.

Вы можете видеть, что скольжение при полной нагрузке варьируется от менее одного процента (в двигателях с высокой мощностью) до более пяти процентов (в двигателях с дробной мощностью).Эти изменения могут вызвать проблемы с распределением нагрузки при механическом соединении двигателей разных размеров. При низкой нагрузке распределение примерно правильное, но при полной нагрузке двигатель с меньшим скольжением принимает на себя большую долю нагрузки, чем двигатель с более высоким скольжением.

Таблица 1. Скольжение некоторых двигателей NEMA из алюминия и чугуна с синхронной скоростью в диапазоне от 3600 до 900 об / мин.

Как показано на рисунке 2, скорость ротора уменьшается пропорционально крутящему моменту нагрузки.Это означает, что скольжение ротора увеличивается в той же пропорции.

Рис. 2. Кривая скорости асинхронного двигателя. Скольжение — это разница в скорости ротора относительно синхронной скорости. CD = AD — BD = AB.

Относительно высокий импеданс ротора требуется для хороших пусковых характеристик по сети (при полном напряжении) (что означает высокий крутящий момент по сравнению с низким током), а низкий импеданс ротора необходим для низкого скольжения при полной нагрузке и высокой эффективности работы.Кривые на рисунке 3 показывают, как более высокое полное сопротивление ротора в двигателе B снижает пусковой ток и увеличивает пусковой крутящий момент, но вызывает более высокое скольжение, чем в стандартном двигателе A.

Рис. 3. Кривые крутящий момент / скорость и ток / скорость для стандартного двигателя A (сплошные линии) и двигателя с высоким крутящим моментом B (пунктирные линии).

Методы уменьшения скольжения — выбор двигателя, завышение размеров
Использование синхронных двигателей, реактивных двигателей или двигателей с постоянными магнитами может решить проблему скольжения, поскольку в этих трех типах двигателей нет измеримого скольжения.Синхронные двигатели используются для приложений очень большой и очень малой мощности, но в меньшей степени в диапазоне средних лошадиных сил, где находятся многие типичные промышленные применения. Также используются реактивные двигатели, но их отношение мощности к массе не очень хорошее, и, следовательно, они менее конкурентоспособны, чем асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором.

Потенциальный рынок роста — двигатели с постоянными магнитами (PM), используемые с электронными регулируемыми приводами (ASD). Основные преимущества: точное управление скоростью без пробуксовки; высокий КПД при низких потерях в роторе; и гибкость выбора очень низкой базовой скорости (устранение необходимости в коробках передач).Использование двигателей с постоянными магнитами по-прежнему ограничено некоторыми специальными приложениями, в основном из-за высокой стоимости и отсутствия стандартизации.

Выбор асинхронного двигателя переменного тока увеличенного размера — второй способ уменьшить скольжение. Почему? — более крупные двигатели обычно имеют меньшее скольжение, и скольжение уменьшается при частичной (а не полной) нагрузке двигателя.

Пример: см. Таблицу 1. Требуемая мощность составляет 10 л.с. при 1800 об / мин, требуется точность скорости 1,5%.Мы знаем, что у двигателя мощностью 10 л.с. скольжение составляет 4,4 процента. Можем ли мы достичь точности в 1,5 процента с двигателем мощностью 15 л.с.? Ответ: скольжение двигателя мощностью 15 л.с. при полной нагрузке составляет 2,2 процента, но нагрузка составляет всего 10/15 = 0,67. Проскальзывание составит 67 процентов от 2,2 и составит 1,47 процента, что соответствует установленным требованиям. Недостатки завышенного размера: более крупные двигатели потребляют больше энергии, увеличивая инвестиционные и эксплуатационные расходы.

Привод переменного тока с регулируемой скоростью — часто лучшее решение
Присущие асинхронным двигателям переменного тока ограничения, упомянутые в начале этой статьи — отсутствие постоянной скорости и отсутствие контроля скорости — могут быть решены с помощью регулируемого регулирования скорости (ASD).Наиболее распространенные сегодня приводы переменного тока основаны на широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Постоянное сетевое напряжение переменного тока с 60 или 50 циклами в секунду от питающей сети выпрямляется, фильтруется, а затем преобразуется в переменное напряжение и переменную частоту. Когда этот выход преобразователя частоты подключен к двигателю переменного тока, можно регулировать скорость двигателя.

Рис. 4. Простая система управления с приводом переменного тока: регулировка скорости насоса контролирует уровень воды в водонапорной башне.

При использовании привода переменного тока для регулировки скорости двигателя во многих случаях проскальзывание двигателя больше не является проблемой. Скорость двигателя не является основным параметром управления; скорее, это может быть уровень жидкости (как на рис. 4), давление воздуха, температура газа или что-то еще. По-прежнему существует множество применений приводов, где требуется высокая точность статической скорости и / или точность динамической скорости. К таким приложениям относятся печатные машины, экструдеры, бумагоделательные машины, краны, лифты и т. Д.

Также существует множество машин и конвейеров, где необходимо синхронизировать управление скоростью между секциями, приводимыми в движение отдельными двигателями. Вместо завышения размеров двигателей для устранения ошибки скорости, вызванной скольжением, может быть лучше использовать ряды секционных приводов с отдельными инверторами для каждого отдельного двигателя. Инверторы подключаются к шине постоянного напряжения, питаемой от общего выпрямителя. Это очень энергоэффективное решение, поскольку приводные части оборудования могут использовать энергию торможения от замедляющих частей (регенерация).

В приводы переменного тока можно добавить компенсацию скольжения, чтобы уменьшить влияние скольжения двигателя. К регулятору скорости добавляется сигнал крутящего момента нагрузки, чтобы увеличить выходную частоту пропорционально нагрузке. Компенсация скольжения не может составлять 100% от скольжения из-за колебаний температуры ротора, которые могут вызвать чрезмерную компенсацию и нестабильное управление. Но компенсация может достигать точности до 80 процентов, что означает, что скольжение может быть уменьшено с 2,4 до примерно 0,5 процента.

Рисунок 5.Эффект компенсации скольжения.

Векторное и прямое управление крутящим моментом для улучшения управления скоростью
Новейшими высокопроизводительными технологиями в области приводов с регулируемой скоростью являются векторное управление и прямое управление крутящим моментом, DTC ™. Оба они используют какую-то модель двигателя и подходящие алгоритмы управления для управления крутящим моментом и магнитным потоком двигателя вместо параметров напряжения и частоты, используемых в приводах с ШИМ. Разница между традиционным векторным управлением и DTC заключается в том, что DTC не имеет фиксированной схемы переключения для каждого цикла напряжения.Технология DTC, разработанная компанией ABB, вместо этого переключает инвертор в соответствии с потребностями нагрузки, рассчитанными / регулируемыми 40 000 раз в секунду. Это делает DTC особенно быстрым при мгновенных изменениях нагрузки и сводит к минимуму необходимость / эффект резких изменений скорости, когда нагрузка / процесс уже запущены.

Что такое DTC, прямое управление крутящим моментом?
DTC — это оптимизированный принцип управления приводами переменного тока, в котором переключение инвертора напрямую управляет переменным магнитным потоком и крутящим моментом двигателя / нагрузки.

Рисунок 6. Блок-схема прямого управления крутящим моментом, DTC.

Измеренные входные значения для контроля кода неисправности: ток двигателя , промежуточный ток и напряжение. Напряжение определяется по напряжению шины постоянного тока и положениям переключателя инвертора. Сигналы напряжения и тока являются входными данными для точной модели двигателя, которая выдает точное фактическое значение магнитного потока и крутящего момента статора каждые 25 микросекунд.

Двухуровневые компараторы крутящего момента двигателя и магнитного потока сравнивают фактические значения с эталонными значениями, создаваемыми контроллерами задания крутящего момента и магнитного потока.Выходы этих двухуровневых контроллеров обновляются каждые 25 микросекунд и показывают, нужно ли изменять крутящий момент или магнитный поток.

В зависимости от выходов двухуровневых контроллеров логика переключения напрямую определяет оптимальные положения переключателей инвертора. Это означает, что каждый импульс напряжения определяется отдельно на «атомарном уровне». Положения переключателя инвертора снова определяют напряжение и ток двигателя, которые, в свою очередь, влияют на крутящий момент и магнитный поток двигателя (поскольку этот контур управления замкнут, необходимость в энкодерах устраняется в большинстве приложений).

Рис. 7. Сравнение между модуляцией ШИМ и управлением приводом DTC во время воздействия нагрузки: от A до B с управлением PWM и от A до C с управлением DTC.

Причина, по которой управление DTC реагирует быстрее, чем управление PWM, показана на рис. 7. Двигатель работает с низкой нагрузкой в ​​точке A, и нагрузка постепенно увеличивается до высокой. Более высокий крутящий момент с ШИМ-управлением достигается за счет снижения скорости от A до B. Это довольно медленная процедура.Более высокий крутящий момент при управлении DTC достигается за счет прямого увеличения крутящего момента от A до C, и эта процедура примерно в десять (10 раз) быстрее, чем при управлении PWM.

Компенсация скольжения с помощью DTC происходит мгновенно и обеспечивает точность, которая обычно составляет 10% от номинального скольжения двигателя. Это означает точность скорости от 0,1 до 0,5 процента. Это позволяет использовать приводы DTC во многих приложениях, где ранее требовалось векторное управление на основе тахометра. Для приложений, требующих еще более высокой точности, к приводу DTC можно добавить импульсный энкодер.

Связаться с автором по адресу: [email protected]

За дополнительной информацией об ABB Drives & Power Electronics обращайтесь: Бекки Нетери, менеджер по маркетинговым коммуникациям, ABB Inc., подразделение продуктов автоматизации, приводы и силовая электроника, 16250 West Glendale Drive New Berlin, WI 53151-2840, тел .: (262 ) 785-8363, факс: (262) 780-5120, электронная почта: [email protected], http://www.abb-drives.com

Недорогой мониторинг скорости в реальном времени и управление трехфазным асинхронным двигателем с помощью подхода управления напряжением / частотой

В этой статье представлен новый дизайн недорогого мониторинга скорости в реальном времени и управления двигателем предлагается трехфазный асинхронный двигатель (ИД).Предлагаемое решение основано на подходе к регулированию напряжения / частоты (V / F) и на ПИ-регуляторе, предотвращающем всплеск. Он использует набор Waijung Blockset, который значительно снижает тяжесть и сложность задачи программирования микроконтроллера, которая постоянно имеет решающее значение для реализации и управления такими сложными приложениями. Действительно, он автоматически генерирует коды C для многих типов микроконтроллеров, таких как семейство STM32F4, также используемых в этом приложении. Кроме того, он предлагает экономичную конструкцию, сокращающую количество компонентов системы и повышающую ее эффективность.Чтобы доказать эффективность предложенной конструкции, проводятся не только результаты моделирования для широкого диапазона изменений нагрузки и опорной скорости, но и экспериментальная оценка. Эффективность управления в реальном времени с обратной связью подтверждается с помощью сервера данных aMG SQLite через плату порта UART, тогда как Waijung WebPage Designer (W2D) используется для задачи веб-мониторинга. Результаты экспериментов подтверждают точность и надежность предложенного решения.

1. Введение

В последние десятилетия приводы с асинхронными двигателями (IM) становятся все более популярными в промышленных приложениях, а также в бытовой технике благодаря своей надежности, низкой стоимости, прочности, простоте обслуживания и простоте. управления [1–3].

Методы управления IM в основном подразделяются на два основных класса: скалярное управление и подходы векторного управления [4–6]. Скалярное управление, широко известное как управление напряжением / частотой (V / F), считается простым подходом, основанным на управлении амплитудой и частотой напряжения питания. Для косвенного управления скоростью IM используется трехфазный инвертор источника напряжения (VSI), управляемый методом широтно-импульсной модуляции (PWM). Однако, несмотря на простоту реализации, скалярные методы управления не могут достичь наилучших характеристик во время переходных процессов, что считается основным недостатком [1, 7, 8].

Подходы к векторному управлению, также известные как подходы с ориентированным на поле (FOC) подходы, позволяют управлять не только амплитудой и частотой напряжения, как это имеет место для скалярных подходов управления, но также и мгновенным положением потока, т.е. векторы напряжения и векторы тока [9, 10]. Они рассматриваются как подходы, основанные на математических моделях. Особенно в переходном режиме они гарантируют лучшие характеристики управления по сравнению со скалярными подходами к управлению. К сожалению, такие методы управления имеют сложные алгоритмы и требуют много вычислительного времени [11–13].

Поскольку простота алгоритма управления представляет большой интерес для пользователей, скалярный подход управления по-прежнему считается наиболее используемым в промышленных приложениях, особенно когда точность отклика скорости в переходном режиме не является обязательной, например, для вентиляции. и системы кондиционирования воздуха, а также системы отопления и откачки [13–15]. Целью этих методов является управление скоростью АД путем поддержания постоянного магнитного потока статора. Величина потока статора пропорциональна отношению между напряжением статора и частотой.Однако, если это соотношение остается постоянным, поток остается постоянным. Кроме того, при поддержании постоянного V / F развиваемый крутящий момент остается приблизительно постоянным. Этот метод дает более высокую оперативную эффективность [16, 17]. Поэтому в большинстве скоростных приводов переменного тока (ACSD) для управления скоростью используется метод постоянного напряжения / частоты. Наряду с широким диапазоном регулирования скорости этот метод также предлагает возможность «плавного пуска» [18, 19].

Напротив, большой прогресс в области микроконтроллеров и силовых электронных компонентов стал важным фактором в обработке приводов с регулируемой скоростью [20–22].Например, семейство микроконтроллеров STM32F4 предлагает высококачественные характеристики при обслуживании высокопроизводительных приводов с регулируемой скоростью. Программирование микроконтроллеров для таких тяжелых и сложных приложений с использованием традиционных языков (таких как ассемблер, языки C или C ++) увеличивает время масштабирования таких приложений. Кроме того, это требует наличия эксперта в области компьютерного программирования с глубокими знаниями архитектуры процессора. Кроме того, чтобы снизить эксплуатационные расходы и повысить надежность и безопасность предлагаемой конструкции, промышленные приложения должны контролироваться в режиме реального времени, что обеспечивает идеальный контроль и наблюдение за системой.Следовательно, мониторинг в реальном времени стал основной задачей для инженеров и исследователей в промышленных приложениях, таких как насосная, горнодобывающая промышленность, железные дороги и промышленные приводы. [23–25].

В этой работе мы предлагаем новую конструкцию недорогой системы контроля скорости и управления трехфазным асинхронным двигателем в режиме реального времени. Система управления, работающая в соответствии с правилом постоянной V / F, разработана с использованием VSI на основе метода пространственно-векторной широтно-импульсной модуляции (SVPWM) и трехфазного IM, нагруженного магнитным силовым выключателем.Вайджунг также предназначен для решения этой проблемы. Это набор блоков Simulink, который можно использовать в качестве целей для простой и автоматической генерации кода C из имитационных моделей Matlab / Simulink для микроконтроллера STM32F4 Discovery. Мониторинг скорости в реальном времени и управление предложенным алгоритмом осуществляется двумя разными способами. Первый основан на порте COM / UART и конвертере USB, а второй способ использует Waijung WebPage Designer (W2D). Оборудование, необходимое для этого приложения, сгруппировано как MG Labkit F4N, подходящее для многих промышленных приложений.Насколько нам известно, такие решения никогда ранее не тестировались для ACSD, несмотря на важность решения. Кроме того, оценка производительности предложенного алгоритма будет проверяться не только с помощью результатов компьютерного моделирования, но также с помощью экспериментальной оценки для широкого диапазона изменений нагрузки и опорной скорости.

Эта статья имеет следующую структуру. В разделе 2 представлена ​​математическая модель трехфазного АД и соответствующей приводной системы. Раздел 3 представляет разработанный подход скалярного управления для управления IM с обратной связью.В разделе 4 эффективность предложенного подхода доказывается результатами моделирования. Наконец, в разделе 5 расширены экспериментальные результаты для различных сценариев.

2. Математическое моделирование процессов
2.1. Асинхронный двигатель

Электрическая машина, рассматриваемая в этой статье, представляет собой трехфазную асинхронную машину с короткозамкнутым ротором. Основные электрические уравнения в стационарной системе отсчета могут быть записаны в следующей форме [7–9]:

В предыдущей системе уравнений — вектор напряжения статора на фазу, а и представляют поток статора / ротора, соответственно.Токи статора / ротора обозначены и. и — сопротивления статора / ротора соответственно. и — индуктивность рассеяния и соотношение между взаимной индуктивностью и индуктивностью ротора соответственно. Электрическая скорость и количество пар полюсов обозначены и соответственно. Для расчета электромагнитного момента можно использовать различные выражения. Наиболее часто используемое соотношение описывается уравнением (4), где — коэффициент вязкости, — момент инерции, — момент нагрузки.

2.2. Привод с асинхронным электродвигателем

На рисунке 1 показана связь между трехфазным преобразователем напряжения и IM. Силовая цепь преобразователя в основном состоит из трех модулей, а именно трехфазного выпрямителя, конденсатора фильтра переменного / постоянного тока и трехфазного инвертора, при этом D 1 –D 6 являются трехфазным выпрямителем. диодная цепь, C — шина постоянного тока конденсатора фильтра, а C 1 –C 6 — переключатели питания. Инвертор с трехфазным источником, задачей которого является обеспечение переменного напряжения и переменной частоты на выходе посредством управления широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), управляет IM [26].Для генерации команды сигнала для инвертора напряжения можно использовать несколько методов ШИМ [13, 15, 19]. В этой работе мы используем технику SVPWM.


2.3. Метод пространственно-векторной широтно-импульсной модуляции

Рассматривая трехфазный инвертор без потерь, выходное напряжение получается в соответствии с напряжением шины постоянного тока Vdc и логическим состоянием трех высших переключателей (C1, C2, C3). Таким образом, существует восемь возможных логических комбинаций (C1, C2, C3), приводящих к шести векторам активного напряжения и двум векторам нулевого напряжения.Пространственный вектор выходного напряжения инвертора можно выразить следующим выражением: где k, — целое число, обозначающее комбинации переключения [13, 26]. В комплексной плоскости dq различные векторы напряжения, подаваемые инвертором, и соответствующие комбинации переключателей C1, C2 и C3 показаны на рисунке 2.


Цель SVPWM — создать вектор среднего напряжения во время PWM. период, равный желаемому вектору напряжения. Это делается путем применения соседних векторов в течение заданного времени, в течение заданного времени и нулевого вектора или в течение необходимого количества времени.Таким образом, чтобы получить среднее значение, равное за период, мы должны иметь следующее соотношение:

Значения, и могут быть вычислены с использованием следующих уравнений: где коэффициент обозначает отношение напряжений.

Для соблюдения условия модуль запрошенного напряжения должен проверить следующее условие:

Здесь следует отметить, что условие, данное условием (6), связанное с осуществимостью синтеза, устанавливается путем рассмотрения вектора напряжения в системе отсчета Concordia, что означает, что используемая величина соответствует либо умноженному на среднеквадратичное значение, либо умноженному на максимальное значение в естественной системе.

3. Схема скалярного управления

Методология скалярного управления фокусируется только на динамике установившегося состояния, позволяет регулировать напряжение питания, а также его частоту, чтобы их соотношение оставалось постоянным, чтобы избежать насыщения магнитного потока, и влияет на доступный крутящий момент машины [7, 8]. Исходя из уравнения (1) и предполагая, что падение напряжения на сопротивлении статора мало по сравнению с напряжением статора в основном в областях с малым скольжением, поток статора можно выразить как [12, 16] где — величина напряжения статора и — частота питающей сети (Гц).Электромагнитная характеристика проскальзывания крутящего момента в стационарном режиме имеет следующий вид [6]: где — скольжение, а и представляют сопротивление ротора и полное реактивное сопротивление утечки, расположенные в роторе, соответственно.

В области малого скольжения (нормальные рабочие условия) приведенное выше уравнение упрощается до

Это означает, что если поток статора поддерживается постоянным, изменение крутящего момента как функция скольжения почти линейно.

Регулировка частоты естественна для приводов с регулируемой скоростью.Однако требуется, чтобы напряжение было пропорционально частоте, чтобы поток статора оставался постоянным, если сопротивлением статора пренебречь. V / F-управление без обратной связи IM является одним из наиболее распространенных методов, широко используемых в промышленности из-за его простоты, низкой стоимости и производительности [27]. Поскольку скорость ротора будет немного меньше синхронной скорости из-за скорости скольжения, скорость двигателя нельзя точно контролировать. Кроме того, поскольку скорость ротора в этой схеме не измеряется, пульсация скольжения не может поддерживаться.Следовательно, может иметь место работа в нестабильной области характеристики крутящий момент-скорость. Точно так же токи статора могут значительно превышать номинальный ток под действием упомянутой выше точки и, таким образом, подвергать опасности комбинированную инверторную машину. Эти недостатки должны быть решены путем создания внешнего контура управления в приводе IM, где фактическая скорость ротора должна сравниваться с эталонным значением, и, следовательно, возникает ошибка между этими переменными [16–18]. Эта ошибка обрабатывается с помощью ПИ-регулятора и ограничителя для получения команды скольжения-скорости.Команда частоты инвертора генерируется путем добавления команды скольжения и сигнала фактической скорости, а команда частоты генерирует команду напряжения или его соотношение напряжений через функциональный генератор вольт / герц. Полученные и применяются к двигателю с помощью SVPWM-VSI.

При работе на малой скорости падением напряжения на сопротивлении статора нельзя пренебречь по сравнению с падением реактивного сопротивления утечки. И наоборот, при работе на скорости, большей, чем соответствующая номинальной частоте, происходит ослабление магнитного поля.Чтобы избежать этих аномалий, структура управления U / F должна учитывать падение напряжения на сопротивлении на низкой скорости, чтобы поддерживать постоянный поток статора, и должна ограничивать напряжение при достижении номинальной частоты. Затем входное напряжение регулируется в соответствии с частотой, необходимой для конкретного задания скорости, как показано в следующем уравнении [12, 16, 21]:

Схема управления IM с регулируемым напряжением и скольжением показана на рисунке. 3.


Для повышения производительности обычного скалярного управления используется ПИ-регулятор, препятствующий сворачиванию.ПИ-регулятор, предотвращающий зависание, является усовершенствованием классического ПИ-регулятора. Использование стратегии защиты от закручивания заключается в том, чтобы предотвратить переход контроллера в глубокое насыщение и проверить выходной сигнал контроллера при больших изменениях уставки. Это помогает предотвратить чрезмерный выброс во время запуска IM и гарантирует желаемую производительность независимо от условий эксплуатации, то есть от опорных колебаний и моментов нагрузки [8, 20]. На рисунке 4 показана блок-схема ПИ-регулятора, где разница между выходным значением и входным значением блока насыщения используется в качестве сигнала обратной связи через коэффициент усиления (1 / Tt) для пересылки входного сигнала интегратору.


4. Результаты моделирования

Чтобы проанализировать и проверить характеристики предлагаемого решения, методология управления, показанная на рисунке 3, выполняется с использованием программного обеспечения MATLAB / Simulink для технических характеристик IM, которое приведено в таблице 1 Результаты моделирования приведены для различных условий эксплуатации. Здесь представлены два основных сценария: отклик скорости при колебаниях крутящего момента нагрузки и отклик скорости при колебаниях опорной скорости.Время выборки, используемое во всем моделировании, составляет 100 мкм с.

9018 902 902 902 902 902 9016 902 902 902 902 902 902 9016 902 902 902 902 9018 902 902 902 902 электрическая мощность

Обозначение параметра Значение параметра

Сопротивление статора
Индуктивность главного ротора
Взаимная индуктивность
Количество пар полюсов
Номинальная частота
Номинальное напряжение
Номинальный коэффициент мощности

4.1. Сценарий 1: Отклик скорости при изменениях крутящего момента под нагрузкой Кренеля

В этом тесте используется эталонный сигнал 150 рад / с, который равен номинальной скорости. Изменение крутящего момента нагрузки происходит от нуля до номинального крутящего момента: 0 — 5 с, 3 Нм — 10 с, 6,82 Нм — 20 с, 3 Нм — 30 с и 0 — 40 с. На рисунках 5–9 представлены полученные результаты моделирования. Эти рисунки показывают, что предложенный алгоритм работает идеально, а ПИ-регулятор, предотвращающий вспучивание, обеспечивает наилучший отклик.На рис. 5 показано, что характеристика скорости совпадает с эталонной. Это подтверждается рис. 6, показывающим увеличенное изображение на рис. 5. Скорость реакции практически идеальна, без перерегулирования и незначительной задержки. На рисунках 7 и 8 показан отклик напряжения статора. Отношение напряжений изменяется в зависимости от опорной скорости и пропорционально пульсации статора, что подтверждает постоянство магнитного потока как основного свойства скалярного управления. На рисунке 9 показаны пульсации статора и ротора и подтверждается, что пульсация скольжения (разница между пульсациями статора и ротора) пропорциональна крутящему моменту нагрузки, как упоминалось ранее в уравнениях (10) и (11).На рисунке 9 пульсация скольжения находится в диапазоне от 0 (без нагрузки) до 30 рад / с (в номинальном рабочем состоянии).






4.2. Сценарий 2: Отклик скорости при вариациях опорной скорости

В этом имитационном тесте проверяется влияние вариаций опорной скорости на управление скоростью. На рисунке 10 представлена ​​характеристика скорости ротора при изменении опорной скорости, начиная с 0, затем 100, 120, 157, 150 и 80, и возвращается к 0 рад / с.На Рисунке 10 скорость ротора полностью соответствует заданной. ИД работает без нагрузки; таким образом, пульсации статора и ротора равны, поэтому скольжение равно нулю. На рисунке 11 показано напряжение статора, представленное его соотношением. Здесь легко проверить, что постоянная V / F подтверждается, потому что траектории пульсации напряжения статора имеют одинаковую форму.



5. Экспериментальная проверка

В этом разделе экспериментальные результаты, связанные с мониторингом и контролем скорости IM в реальном времени, будут выполнены с помощью двух методов связи.Для первого связь осуществляется через порт UART, а для второго используется Waijung WebPage Designer (W2D). Кроме того, для каждого метода экспериментальные результаты получены для двух сценариев, рассмотренных в результатах моделирования.

Испытательный стенд [28], используемый для проверки, построен на основе обнаружения STM32F4 на базе AMG labkit F4. AMG Labkit F4 [29] состоит из недорогого высокопроизводительного оборудования DSP с различными модулями Plug-n-Play. Этот набор поддерживается набором инструментов Matlab / Simulink с Waijung Blockset и Waijung WebPage Designer (веб-мониторинг и управление с помощью перетаскивания) [30].На фотографии на Рисунке 12 показаны основные аппаратные компоненты, используемые в нашем приложении, включая следующее: (i) aMG F4 Connect 2 в качестве щита для включения различных дополнительных плат расширения, указанных ниже (ii) aMG SQLite Database Server для встроенной базы данных. (iii) aMG USB Converter-N2 (адаптер Converter-N) для оборудования в реальном времени в моделировании контура (iv) aMG Ethernet INF для интерфейса LAN (v) aMG CAN INF для интерфейса CAN-шины (vi) STM32F4 DISCOVERY Kit который представляет собой недорогой комплект для разработки от STMicroelectronics


Общий тестовый стенд показан на рисунке 13.Кроме того, он включает в себя следующее: (i) короткозамкнутый IM с параметрами, приведенными в таблице 1. (ii) магнитный порошковый прерыватель в качестве нагрузки для IM. (Iii) инкрементальный энкодер Omron, имеющий 360 импульсов на оборот, связанный с вал машины. (iv) Преобразователь Semikron на основе трехфазного выпрямителя, фильтра шины постоянного тока и трехфазного инвертора. Инвертор используется для управления IM. (V) 2-канальный аналоговый осциллограф с полосой пропускания 20 МГц для визуализации. (Vi) Датчики для измерения тока и напряжения, типы LEM LA25-NP и LEM LV25-P, соответственно.


Микроконтроллер ST TM32F4VG407 Контроллер Discovery генерирует основную программу. Он обеспечивает измерение скорости ротора с помощью инкрементального энкодера, достижение алгоритма управления (V / F), включая ПИ-регулятор, препятствующего сворачиванию, и генерацию сигнала ШИМ с пространственной векторной модуляцией для активации шести биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT) трехфазный инвертор. Результаты экспериментов записываются с временем выборки 100 мкс.

5.1. Экспериментальные результаты через коммуникационный порт UART

В качестве аппаратных модулей, используемых здесь, являются aMG USB Converter-N и плата aMG SQLite Data Server.Два кода, сгенерированные Simulink, созданы для достижения скалярного алгоритма управления IM, которые являются целевым и хост-кодами. Целевой код, сгенерированный Simulink STM32F4, показанный на рисунке 14, позволяет считывать информацию инкрементного энкодера (скорость ротора) для входа ПИ-регулятора. Он заставляет фактическую скорость достигать эталонного значения. Он генерирует сигналы ШИМ с использованием метода симметричного SVPWM. На рисунке 14 показано, что есть две части: набор блоков Waijung (зеленый цвет) и разработанный код (голубой цвет).Здесь используются следующие наборы блоков Waijung: (i) Блок настройки UART для STM32F4 DISCOVERY + aMG F4 Connect 2 + использование настройки преобразователя USB aMG USB-N2 (настройка скорости передачи UART3 5000000 Pin D8 / D9 для Tx / Rx). (Ii) Настройка цели блок, используемый для настройки STM32F4 в модели Simulink. (iii) UART Rx и Tx принимают и отправляют информацию UART из / в хост-программу (через aMG USB connect 2 и USB-конвертер N2). (iv) Базовый PWM использует время 1 для генерации 3 активные высокие сигналы ШИМ (v) Чтение энкодера использует встроенный таймер STM32F4 для интерпретации данных энкодера.Однако целевая модель позволяет считывать каналы A и B кодировщика с помощью выводов B4 и B5, соответственно, а также выводить позицию кодировщика и считать как пакет двоичных данных через вывод D8 настройки UART.


Сгенерированные программы касаются инкрементального энкодера, симметричного SVPWM и ПИ-регулятора. На рисунке 15 показан код энкодера, разработанный для считывания информации с инкрементального энкодера и преобразования ее в угловую скорость. На рисунке 16 показан разработанный код Simulink для настройки Таймера 1 для генерации 3 активных высоких сигналов ШИМ с периодом 100 мкс (10 кГц) на выводы E9, E11 и E13 с процентным соотношением рабочего цикла Ra, Rb и Rc соответственно.На рисунке 17 показан код, сгенерированный Simulink ПИ-контроллером, который будет использоваться в ПИ-контроллере антивиндупа.




Код Simulink STM32F4 хоста показан на рисунке 18. Эта модель сконфигурирована с использованием трех наборов блоков Waijung для отправки изменений уставки скорости, а полученный пакет двоичных данных отображается в реальном времени как дисплей и график внутри порта COM / UART и канала аппаратного компонента AMG Converter-N2 (преобразователь USB-UART) D .


Производительность и точность спроектированного управления скоростью в реальном времени IM проверяются по двум сценариям: первый сценарий выполняется при ступенчатом изменении задания скорости, где второй сценарий выполняется при ступенчатом изменении нагрузки. крутящий момент при постоянной опорной скорости.

5.1.1. Сценарий 1: Изменение эталонной скорости

Этот тест проводится для подтверждения правильности и хорошей работы антивибрационного контроллера, несмотря на большое изменение эталонной скорости. Кренели изменения опорной скорости в рад / с применяются от нуля, затем от 100, 120, 157, 150 и 80 и, наконец, от нуля. ИМ здесь работает без нагрузки. Рисунок 19 доказывает, что измеренная скорость идеально соответствует эталону, и время отклика для каждого изменения не превышает 2 с без перерегулирования.Это означает, что контроллер antiwindup работает безупречно, и вся программа хорошо спроектирована для высокопроизводительного скоростного привода IM.


Поскольку IM не находится под нагрузкой, пульсация скольжения равна нулю, а пульсации статора и ротора равны. Это подтверждается рисунком 20, показывающим реакцию пульсации статора ω s и отмеченную здесь скорость ротора ω r для вышеупомянутого сценария. Пульсация статора изменяется параллельно опорной скорости ω ref и пропорционально напряжению статора для поддержания постоянного V / F.Это правило подтверждается рисунком 21, где соотношение напряжений изменяется от 65% для опорной скорости 100 рад / с, 78% для 120 рад / с, 100% для 157 рад / с (синхронная скорость), 98% для 150 рад / с. с, и 52% для 80 рад / с.



5.1.2. Сценарий 2: изменение крутящего момента нагрузки

В этой серии испытаний используется номинальная эталонная скорость 150 рад / с при ступенчатом изменении крутящего момента нагрузки. На рисунке 22 представлена ​​реакция скорости ротора, когда IM приводится в действие в режиме скалярного управления с обратной связью.Этот рисунок демонстрирует, что для большого изменения крутящего момента нагрузки четырех зубцов, как в испытаниях с моделированием (0, 3, 6,82, 3 и 0 Нм), измеренная скорость поддерживается постоянной, близкой к эталонной. На Рисунке 23 представлено уменьшенное изображение. На Рисунке 22 в устойчивом режиме работы показано, что перерегулирование не превышает 2,6%, а время установления менее 2 с в номинальном режиме. Такие характеристики доказывают, что антивибрационный регулятор PI работает правильно, а его параметры Ki и Kp хорошо спроектированы. Кроме того, доказана тонкая согласованность между сгенерированными кодами Simulink и целевым набором блоков Waijung для STM32F4 Discovery.Кроме того, более эффективное использование Waijung Blockset в приложениях для управления электрическими машинами.



Свойства управления U / F для IM хорошо проверены на рисунках 24–27. Возвращаясь к уравнениям (11) и (12), согласно которым электромагнитный момент пропорционален квадрату напряжения статора и его частоты, эти свойства объясняют, почему соотношение напряжений и пульсация статора увеличиваются и уменьшаются параллельно с моментом нагрузки, чтобы поддерживать скорость ротора. постоянный.Реакция отношения напряжений в реальном времени показана на рисунке 24. Увеличенное изображение этого рисунка, рисунок 25, доказывает, что отношение изменяется от 96,5% до 100% в зависимости от момента нагрузки по уравнению (12) (100% в номинальном режиме работы). Эталонная пульсация статора, используемая для расчета напряжения статора в соответствии с уравнением (12), показана на рисунке 26. Увеличение последнего рисунка, показанного на рисунке 27, означает, что такая пульсация изменяется от 300 рад / с без момента нагрузки до 331. рад / с в номинальном рабочем режиме.Разница между пульсацией статора и ротора представляет собой пульсацию скольжения, которая пропорциональна крутящему моменту (описываемому уравнением (11)) и доказывает хорошее регулирование переменной скорости. Очевидно, что все полученные экспериментальные результаты невероятно близки к результатам моделирования. Этот вывод доказывает правильность и точность реализации в реальном времени предложенного аппаратного / программного решения для управления скоростью.





5.2. Результаты экспериментов с помощью Waijung WebPage Designer

Waijung WebPage Designer (W2D) — это набор веб-инструментов, предназначенных для приложений, требующих мониторинга и управления в Интернете более простым и быстрым способом с использованием оборудования Waijung Blockset и Aimagin. Другими словами, W2D — это компиляция веб-инструментов, таких как HTML5, CSS, Javascript, JSON, jQuery, jQuery Mobile, SQLite, AJAX и stream. В системе также представлены методы автоматического и ручного управления для остановки или запуска индукционной машины, чтобы избежать сбоев системы.Требования к оборудованию для этого приложения цитируются следующим образом: (i) STM32F4DISCOVERY (ii) aMG F4 Connect 2 + карта Micro SD (iii) aMG Ethernet INF (iv) сервер базы данных aMG SQLite + карта Micro SD

Карта Micro SD должна быть не менее 4 ГБ, чтобы обеспечить скорость передачи данных, достаточно высокую для связи с MCU.

Модель Simulink / Matlab, используемая для веб-мониторинга и управления скоростью IM в режиме замкнутого цикла, показана на рисунке 28. В дополнение к основным предыдущим программам (Encoder, SVPWM, PI-контроллер и основная настройка цели) она содержит настройки блоки для W2D.Внутри подсистемы настройки W2D (белый цвет) она сгруппирована в пять блоков настройки. (I) Настройка веб-сервера состоит из трех блоков: настройка канала Ethernet, настройка приложения Ethernet и настройка сервера Http (ii) Настройка UART использует модуль 6 UART для Tx / Rx (для связи с модулем сервера базы данных SQLite aMG) (iii) Настройка базы данных SQLite использует порт UART6 (интерфейс с сервером базы данных SQLite aMG)


Энергозависимое хранилище данных (оранжевый цвет) используется для хранения данных для другого использования модели. Значения, хранящиеся в хранилище данных, отображаются для доступа в Интернет.Отображаемые переменные устанавливаются в режим «Только чтение» или «Запись / чтение». Запрос к базе данных SQLite (желтый цвет) настроен для связи между веб-интерфейсом и системой веб-серверов.

Используя инструмент Waijung WebPage Designer (W2D), мы создали веб-интерфейс для мониторинга значений (скорость ротора Wr, скорость статора Ws и коэффициент напряжения RO) на веб-сервере MCU и отображения в веб-браузере как текстовых и цифровых значений, Ws , Wr и Ro. На рисунке 29 показан наглядный пример результатов в Интернете. Значение скорости ротора выделено красным цветом, а коэффициент напряжения и пульсация статора представлены синим и желтым цветом соответственно.Цель здесь — выявить научную и технологическую осуществимость веб-мониторинга и управления, поскольку производительность алгоритма проверена в предыдущей части. Мы приложили к этому документу видеоролик, в котором резюмируются эти экспериментальные результаты.


6. Заключение

В этой работе представлен технический подход к мониторингу и контролю скорости IM, управляемой V / F-управлением, и осуществляется путем моделирования и экспериментальных результатов с использованием Waijung Blockset и оборудования AMG вокруг Плата обнаружения STM32F4.

Предлагаемая структура управления усилена твердым антивибрационным ПИ-регулятором и поддерживается объединением STM32F4-Waijung Blockset, который представляет собой идеальную и многообещающую платформу для многих промышленных приложений благодаря быстрому и простому прототипированию и недорогой конструкции. . Пожалуйста, подтвердите, что это ваше предполагаемое значение. Действительно, это не только исключает использование датчиков напряжения и тока, но также исключает использование жестких языков программирования. Ориентировочная стоимость всей установки (аппаратные компоненты STM32F4 и Aimagin) не превышает 400 долларов США, в то время как ориентировочная стоимость аналогичного прототипа с использованием, например, dSPACE 1104 превышает 12000 долларов США.

Моделирование и экспериментальные испытания, проведенные для изменения задания скорости и момента нагрузки, доказывают надежность предложенного решения, в котором ПИ-регулятор обеспечивает превосходную реакцию даже в тяжелых режимах работы.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.