Регулювання швидкості асинхронних двигунів

 

Регулювання швидкості зміною напруги живлення обмотки статора досягається за допомогою тиристорного регулятора напруги з фазо-імпульсним керуванням семісторів. Змінюючи кут керування семісторів, можна плавно регулювати діюче значення напруги. За такого керування критичний момент зменшується пропорційно квадрату пониження напруги:

. (5.7)

 

Критичне ковзання не залежить від напруги (формула 5.6) і зали-шається сталим. На рис.5.4. зобра-жені характеристики для різних значень діючої напруги. З цього ри-сунка слідує, що діапазон регулю-вання незначний. Зі зниженням швидкості збільшуються втрати в обмотці ротора . То-му регулювання швидкості зміною напруги є неекономічним і його можна використовувати лише в ко-роткочасному режимі роботи дви-гунів малої потужності.

Регулювання швидкості асинхронних двигунів зміною числа

пар полюсів слідує із залежності

 

. (5.8)

 

Оскільки число пар полюсів може бути тільки цілим числом, то регулювання буде ступінчастим, зазвичай, у відношенні 2: 1. Таке регулювання можливе лише двигунів з короткозамкненим ротором, де переключення числа полюсів обмотки статора призводить до автоматичної зміни числа полюсів обмотки ротора. Цього не відбу-вається у двигуні з фазним ротором. Тому регулювати їх швидкість таким способом не можна.

	а		б

 

Рис.5.5. Схеми переключення обмоток статора (а) і механічні характеристики (б)

 

Для здійснення переключення фазні обмотки розділяють на дві напівобмотки (рис.5.5,а). Їх з’єднують так, щоб збільшити число вдвоє і при цьому не змінився напрям обертання двигуна.

В залежності до потреб виробничих механізмів переключення виконують аби момент двигуна був сталим , аби ста-лою була потужність .

Якщо потрібно мати чотири швидкості, то у статорі розміщують дві обмотки, кожну з яких ділять на папівобмотки. У цьому випадку діапазон регулювання може складати 6: 1 (3000: 500 об/хв.). Регу-лювання переключенням числа пар полюсів є економічним і широ-ко використовується там, де потрібне ступінчасте регулювання (металообробні верстати, вентилятори, помпи та інші виробничі механізми). Недолік – велика кількість силової комутуючої апаратури.

Регулювання швидкості зміною частоти напруги живлення слі-дує з формули (5.8). Але одночасно із зміною частоти необхідно змінювати й напругу, бо напруга . Отже, зміна частоти за умови призведе до відповідної зміни магнітного потоку. Так, за зменшення зростає потік , насичується сталь статора і як наслідок – різко зростає струм і двигун перегрівається. Коли збільшувати проти частоти живлення, то потік зменшується, що призводить до зменшення допустимого моменту. Тому з метою повного використання асинхронного двигуна необхідно підтримувати певне співвідношення між частотою і напругою з врахуванням залежності моменту опору виробничого механізму від швидкості.

Наближено це співвідношення знаходять, знехтувавши активним опором обмотки статора . Тоді критичний момент буде визначатись за формулою

 

, (5.9)

 

де – індуктивний опір короткого зами-кання; – стала величина.

Двигун за моментом буде використовуватись повністю, якщо для будь-якої частоти

 

(5.10)

 

буде величиною сталою.

В (5.10) – механічна характеристика виробничого меха-нізму; – фазна напруга, яка відповідає частоті .

З (5.10) слідує, що для будь-яких двох значень частот і за частотного регулювання повинно зберігатися співвідношення:

 

. (5.11)

 

Прийнявши один із режимів за номінальний , і , матимемо

. (5.12)

 

Рівняння (5.12) встановлює співвідношення між частотою, напругою живлення і характером навантаження. Для основних видів навантаження залежність (5.12) матиме такий вид:

Ø для . Підставивши в (5.12) , одержимо

 

; (5.13)

 

Ø для маємо за умови . Звідки

; (5.14)

 

Ø для вентиляторної характеристики за умови мати-мемо . Звідки закон регу-лювання напруги і частоти

 

. (5.15)

 

Згідно до законів регулювання (5.13), (5.14) і (5.15) на рис.5.6 наведено механічні характеристики для частот більших і менших від номінальної.

 

 

Рис.5.6. Механічні характеристики при різних законах частотного керування

 

Перетворювачі частоти

 

В сучасних електроприводах з частотним регулюванням швидко-сті використовуються різні перетворювачі частоти (ПЧ). За принци-пом дії й будовою силової частини ПЧ поділяються на дві групи: з безпосереднім зв’язком навантаження з мережею живлення та ПЧ з проміжною ланкою постійного струму.

Перетворювач з безпосереднім зв’язком перетворює напругу у напругу частотою . При цьому . Силова частина ПЧ подібна до силового кола двокомплектного реверсивно-го тиристорного перетворювача постійного струму (рис.4.6). Змін-ний струм нижчої частоти створюється почерговим відкриттям ти-ристорних груп з частотою . Форма вихідної напруги на рис.5.7 відповідає частоті .

 

 

Рис.5.7. Форма вихідної напруги перетворювача частоти з безпосереднім зв’язком

 

Перевагами даного перетворювача є одноразове перетворення електричної енергії і, як наслідок – високий ККД (0,97...0,98), мож-ливість регулювати вихідну напругу і рекуперативний режим робо-ти. Недоліки: регулювання частоти вниз від частоти мережі, велике число тиристорів (по шість на кожну фазу) і низький коефіцієнт по-тужності (менше 0,8).

Використовують перетворювач із безпосереднім зв’язком тоді, коли є потреба регулювати плавно швидкість безредукторного при-вода, для якого номінальна швидкість складає 12-15 Гц (кульові млини тощо).

Перетворювачі частоти з ланкою постійного струму поєд-нують керований випрямляч змінної напруги у постійну КВ та автономний інвертор АІ, що перетворює постійну напругу у трифазну регульованої частоти напругу (рис.5.8). Між випрямлячем та інвертором вмикається LC-фільтр.

В якості КВ може бути будь-який перетворювач змінного струму у постійний, але, зазвичай, використовують трифазний мостовий перетворювач як найбіль-ше економічний.

Система керування випрямлячем СКВ аналогі-чна системі СІФК перет-ворювачами постійного струму. Призначення системи керування автономним інвертором СКАІ зов-сім інше: вона забезпечує необхідний алгоритм вмикання транзисторних ключів (IGBT-транзисторів) інвертора та тривалість їх роботи, що дає змогу регулювати частоту.

Перевагою перетворювачів частоти з ланкою постійного струму є регулювання частоти як вверх, так і вниз від частоти мережі та регулювання напруги з врахуванням характеру навантаження. Не-долік – подвійне перетворення електричної енергії, що знижує ККД. В перетворювачах частоти для живлення двигунів змінного струму можуть використовуватись як автономні інвертори напруги (АІН), так і автономні інвертори струму (АІС). В АІН система регулюван-ня забезпечує в результаті широтно-імпульсної модуляції на виході інвертора фазні напруги, близькі до синусоїдних, а в АІС – фазні струми в обмотках двигуна, близькі до синусоїдних. На рис.5.9 зображена схема, яка ілюструє перетворення постійної напруги у сту-

пінчасту трифазну. В табл.2 наведені значення напруг і алгоритми перемикання транзисторних ключів (замкнений стан ключа відповідає 1, розімкнений – 0). Там же стрілками показані спа-ди напруг у початковий мо-мент: на фазу А припадає , а на фази В і С – по , бо у цих фазах струми у два рази менші. Знаки напруг визначають напрями струмів: до точки 0 додатні, від точки 0 від’ємні. Стан ключів на рис.5.9 відповідає напрузі у початковий момент – замкнені ключі 1, 2, 6 (код 100011).

Згідно з кодами табл.2 на рис.5.10 показані діаграми фазних нап-руг, максимальні значення яких зсунуті на 120 електричних граду-сів.

Таблиця 2

А	+2/3	+1/3	-1/3	-2/3	-1/3	+1/3	+2/3
В	-1/3	+1/3	+2/3	+1/3	-1/3	-2/3	-1/3
С	-1/3	-2/3	-1/3	+1/3	+2/3	+1/3	-1/3

 

 

Рис.5.10. Діаграми фазних напруг на виході перетворювача частоти

Маючи на виході інвертора ступінчасту форму напруги, потріб-но сформувати синусоїдну форму струму в обмотці статора. Це до-сягається тим, що мікропроцесор пофазно задає розрахункову фор-му струму, яка порівнюється з дійсним струмом, і їх різниця керує роботою широтно-імпульсного регулятора струму, що створює умовний „коридор”, в межах якого може змінюватись струм.

На рис.5.11 зображено розрахункову синусоїдну форму струму у фазі В, „коридор” і криву дійсного струму . В момент і струм починає наростати майже за експоненціальним законом. Коли він досягає точки , яка знаходи-ться на верхній границі „коридора”, різниця формує сигнал на вимкнення ключа 2. Напруга стане рівною нулю і струм із-за протидії ЕРС самоіндукції почне спадати. Коли струм спаде до нижньої границі „коридора” (точка ), тоді і фор-мується сигнал на включення ключа 2.

 

б

а

 

Рис.5.11. Діаграми струму (а) і напруги (б) перетворювача частоти з

широтно-імпульсним керуванням

 

Так, шляхом включення – виключення ключа 2 буде формуватись крива струму на ділянці 60⁰-120⁰. На ділянці 120⁰-180⁰ комутуватися вже буде ключ 3.

За такого процесу формування струму ширина імпульсів буде різною, тобто буде відбуватися широтно-імпульсне керування робо-тою ключів. Зазвичай, частота комутації знаходиться в межах 5…10кГц і вона буде тим більшою, чим менша стала часу обмоток статора.