Krmiljenje trifaznega motorja, metode regulacije hitrosti motorja

Krmiljenje asinhronih motorjev je lahko parametrično, to je s spreminjanjem parametrov strojnih vezij, ali z ločenim pretvornikom.

Parametrični nadzor

Kritični zdrs je šibko odvisen od aktivnega upora statorskega kroga. Ko se v statorsko vezje vnese dodaten upor, se vrednost nekoliko zmanjša. Največji navor se lahko bistveno zmanjša. Posledično bo mehanska karakteristika dobila obliko, prikazano na sl. 1.

riž. 1. Mehanske značilnosti asinhronega motorja pri spreminjanju parametrov primarnega in sekundarnega tokokroga: 1 - naravno, 2 in 3 - z uvedbo dodatnega aktivnega in induktivnega upora v statorskem vezju

Če ga primerjamo z naravno karakteristiko motorja, lahko sklepamo, da uvedba dodatnega upora v statorskem krogu malo vpliva na hitrost. Pri konstantnem statičnem navoru se bo hitrost nekoliko zmanjšala.Zato je ta metoda nadzora hitrosti neučinkovita in se ne uporablja v tej najpreprostejši različici.

Uvajanje induktivnega upora v statorsko vezje je tudi neučinkovito. Nekoliko se bo zmanjšal tudi kritični zdrs, zaradi povečanja upora pa se bo znatno zmanjšal navor motorja. Ustrezna mehanska karakteristika je prikazana na isti sliki. 1.

Včasih se v tokokrog statorja uvede dodaten upor za omejitev zagonskih tokov… V tem primeru se kot dodatni induktivni upor običajno uporabljajo dušilke, kot aktivni pa tiristorji (slika 2).

riž. 2. Vključitev tiristorjev v statorsko vezje

Vendar se je treba zavedati, da se s tem znatno zmanjša ne le kritičnost, temveč tudi zagonski moment motorja (v c = 1), kar pomeni, da je zagon pod temi pogoji mogoč le z majhnim statičnim momentom. Uvedba dodatnega upora v tokokrog rotorja je seveda možna le pri motorju z navitim rotorjem.

Dodatni induktivni upor v tokokrogu rotorja ima enak učinek na hitrost motorja, kot če je vpeljan v tokokrog statorja.

V praksi je uporaba induktivnega upora v rotorskem vezju izjemno težka zaradi dejstva, da mora delovati pri spremenljivi frekvenci - od 50 Hz do nekaj hercev in včasih delcev herca. V takih pogojih je zelo težko ustvariti dušilko.

Pri nizki frekvenci bo v glavnem vplival aktivni upor induktorja. Na podlagi zgornjih ugotovitev se induktivni upor v tokokrogu rotorja nikoli ne uporablja za krmiljenje hitrosti.

Najučinkovitejši način parametrične regulacije hitrosti je uvedba dodatnega aktivnega upora v tokokrogu rotorja. To nam daje družino karakteristik s stalnim največjim navorom. Te značilnosti se uporabljajo za omejevanje toka in vzdrževanje konstantnega navora, uporabljajo pa se lahko tudi za nadzor hitrosti.

Na sl. 3 prikazuje, kako s spremembo r2, tj. input rext, je mogoče v nekem statičnem trenutku spremeniti hitrost v širokem razponu — od nominalne do nič. V praksi pa je mogoče prilagoditi hitrost le za dovolj velike vrednosti statičnega momenta.

riž. 3. Mehanske značilnosti asinhronskega motorja z uvedbo dodatnega upora v rotorskem krogu

Pri nizkih vrednostih (Mo) v načinu skoraj prostega teka se območje krmiljenja hitrosti močno zmanjša in za občutno zmanjšanje hitrosti bo treba uvesti zelo velike dodatne upore.

Upoštevati je treba, da pri delovanju pri nizkih vrtilnih frekvencah in z visokimi statičnimi navori stabilnost hitrosti ne bo zadostna, saj bodo zaradi velike strmine karakteristik majhna nihanja navora povzročila znatne spremembe v hitrosti.

Včasih, da bi zagotovili pospešek motorja brez zaporedne odstranitve odsekov reostata, sta reostat in induktivna tuljava povezana vzporedno z obroči rotorja (slika 4).

riž. 4. Vzporedna povezava dodatnega aktivnega in induktivnega upora v tokokrogu rotorja asinhronega motorja

V začetnem trenutku zagona, ko je frekvenca toka v rotorju visoka, je tok v glavnem zaprt skozi reostat, tj.preko velikega upora, ki zagotavlja dovolj visok zagonski moment. Ko frekvenca pada, se induktivni upor zmanjšuje in tok se začne zapirati tudi skozi induktivnost.

Ko so dosežene delovne hitrosti, ko je zdrs majhen, tok teče predvsem skozi induktor, katerega upor pri nizki frekvenci je določen z električnim uporom navitja rrev. Tako se ob zagonu zunanji upor sekundarnega tokokroga samodejno spremeni iz rreost v roro, pospešek pa se pojavi pri praktično konstantnem navoru.

Parametrični nadzor je seveda povezan z velikimi izgubami energije. Energija zdrsa, ki se v obliki elektromagnetne energije prenaša skozi režo od statorja do rotorja in se običajno pretvori v mehansko, ob velikem uporu sekundarnega tokokroga gre predvsem za ogrevanje tega upora in pri s = 1 vsa energija, prenesena iz statorja v rotor, bo porabljena v reostatih sekundarnega kroga (slika 5).

riž. 5. Izgube v sekundarnem tokokrogu pri prilagajanju hitrosti asinhronega motorja z uvedbo dodatnega upora v tokokrogu rotorja: I - območje uporabne moči, ki se prenaša na gred motorja, II - območje izgub v uporih sekundarnega tokokroga

Zato se parametrično krmiljenje uporablja predvsem za kratkotrajno zmanjšanje hitrosti v teku tehnološkega procesa, ki ga izvaja delovni stroj.Samo v primerih, ko so procesi regulacije hitrosti kombinirani z zagonom in zaustavitvijo delovnega stroja, kot na primer v dvižnih napravah, se kot glavno sredstvo za regulacijo hitrosti uporablja parametrično krmiljenje z vnosom dodatnega upora v rotorskem krogu.

Regulacija hitrosti s spreminjanjem napetosti na statorju

Pri prilagajanju hitrosti indukcijskega motorja s spreminjanjem napetosti ostane oblika mehanske karakteristike nespremenjena, momenti pa se zmanjšajo sorazmerno s kvadratom napetosti. Mehanske lastnosti pri različnih napetostih so prikazane na sl. 6. Kot lahko vidite, je v primeru uporabe običajnih motorjev območje regulacije hitrosti zelo omejeno.

riž. 6… Regulacija hitrosti indukcijskega motorja s spreminjanjem napetosti v tokokrogu statorja

Nekoliko širši razpon je mogoče doseči z motorjem z visokim zdrsom. Vendar so v tem primeru mehanske karakteristike strme (slika 7) in stabilno delovanje motorja je mogoče doseči le z uporabo zaprtega sistema, ki zagotavlja stabilizacijo hitrosti.

Ko se spremeni statični navor, krmilni sistem vzdržuje dano raven hitrosti in pride do prehoda iz ene mehanske karakteristike v drugo.Posledično se delovanje nadaljuje pri karakteristikah, prikazanih s črtkanimi črtami.

riž. 7. Mehanske lastnosti pri nastavljanju napetosti statorja v zaprtem sistemu

Ko je pogon preobremenjen, motor doseže mejno karakteristiko, ki ustreza največji možni napetosti, ki jo zagotavlja pretvornik, in z nadaljnjim povečevanjem obremenitve se hitrost zmanjša glede na to karakteristiko. Pri nizki obremenitvi, če pretvornik ne more zmanjšati napetosti na nič, bo prišlo do povečanja hitrosti glede na AC karakteristiko.

Kot napetostno krmiljen vir se običajno uporabljajo magnetni ojačevalniki ali tiristorski pretvorniki. V primeru uporabe tiristorskega pretvornika (slika 8) slednji običajno deluje v impulznem načinu. V tem primeru se na sponkah statorja indukcijskega motorja vzdržuje določena povprečna napetost, ki je potrebna za zagotovitev določene hitrosti.

riž. 8. Shema impulznega krmiljenja hitrosti indukcijskega motorja

Za regulacijo napetosti na sponkah statorja motorja se zdi mogoče uporabiti transformator ali avtotransformator s sekcijskimi navitji. Vendar pa je uporaba ločenih transformatorskih blokov povezana z zelo visokimi stroški in ne zagotavlja potrebne kakovosti regulacije, saj je v tem primeru možna le postopna sprememba napetosti in je praktično nemogoče vnesti sekcijsko stikalno napravo v avtomatski sistem. Avtotransformatorji se včasih uporabljajo za omejevanje zagonskih tokov močnih motorjev.

Nadzor hitrosti s preklopom odsekov statorskega navitja na različno število parov polov

Obstaja vrsta proizvodnih mehanizmov, ki morajo med tehnološkim procesom delovati na različnih stopnjah hitrosti, pri čemer ni potrebe po gladki regulaciji, temveč je dovolj, da imamo pogon z diskretnim, stopenjskim spreminjanjem hitrosti. Takšni mehanizmi vključujejo nekatere stroje za obdelavo kovin in lesa, dvigala itd.

Doseči je mogoče omejeno število fiksnih vrtilnih hitrosti večhitrostni motorji s kletko, pri katerem statorsko navitje preklopi na različno število parov polov. Veveričja celica motorja z veveričjimi celicami samodejno tvori število polov, ki je enako številu polov statorja.

Uporabljata se dve izvedbi motorja: z več navitji v vsaki reži statorja in z enim navitjem, katerega odseki se preklapljajo, da proizvedejo različno število parov polov.

Motorji z več hitrostmi z več neodvisnimi statorskimi navitji so v tehničnem in ekonomskem smislu slabši od motorjev z več hitrostmi z enim navitjem. Pri motorjih z več navitji se statorsko navitje uporablja neučinkovito, polnitev statorske reže je nezadostna, izkoristek in cosφ sta pod optimalnim. Zato je glavna porazdelitev pridobljena iz večhitrostnih motorjev z enim navitjem s preklopom navitij na različno število parov polov.

Pri preklopu odsekov se spremeni porazdelitev MDS v izvrtini statorja. Posledično se spremeni tudi hitrost vrtenja MDS in s tem magnetni pretok. Najlažji način je zamenjava parov polov z razmerjem 1: 2. V tem primeru so navitja vsake faze izdelana v obliki dveh odsekov.Spreminjanje smeri toka v enem od odsekov vam omogoča, da prepolovite število parov polov.

Razmislite o tokokrogih statorskega navitja motorja, katerega odseki so preklopljeni na osem in štiri poli. Na sl. 9 zaradi poenostavitve prikazuje enofazno navitje. Ko sta dva odseka povezana zaporedno, to je, ko je konec prvega odseka K1 povezan z začetkom drugega H2, dobimo osem polov (slika 9, a).

Če spremenimo smer toka v drugem odseku v nasprotno, se bo število polov, ki jih tvori tuljava, zmanjšalo za polovico in bo enako štirim (slika 9, b). Smer toka v drugem odseku lahko spremenite s prenosom mostička s sponk K1, H2 na sponke K1, K2. Tudi štiri pole je mogoče dobiti z vzporednim povezovanjem odsekov (slika 9, c).

riž. 9. Preklop odsekov statorskega navitja na različno število parov polov

Mehanske značilnosti dvohitrostnega motorja s preklopnimi navitji statorja so prikazane na sl. deset.

riž. 10. Mehanske značilnosti indukcijskega motorja pri preklopu statorskega navitja različnega števila parov polov

Pri prehodu s sheme a na shemo b (slika 9) se konstantna moč motorja ohranja na obeh stopnjah vrtilne frekvence (slika 10, a). Pri uporabi možnosti druge prestave lahko motor razvije enak navor. Možno je preklopiti odseke navitja statorja, ki zagotavljajo razmerje hitrosti ne le 1: 2, ampak tudi druge. Poleg dvostopenjskih motorjev industrija proizvaja tudi tri- in štiristopenjske motorje.

Frekvenčna regulacija trifaznih motorjev

Kot izhaja iz zgoraj navedenega, je regulacija hitrosti indukcijskega motorja izjemno težka. Brezstopenjska regulacija hitrosti v širokem območju ob ohranjanju zadostne togosti karakteristik je mogoča le z delno regulacijo. S spreminjanjem frekvence napajalnega toka in s tem hitrosti vrtenja magnetnega polja je mogoče prilagoditi hitrost vrtenja rotorja motorja.

Za krmiljenje frekvence v inštalaciji pa je potreben frekvenčni pretvornik, ki bi lahko pretvoril tok konstantne frekvence napajalnega omrežja 50 Hz v tok spremenljive frekvence, ki se gladko spreminja v širokem območju.

Sprva so bili poskusi uporabe pretvornikov na električnih strojih. Vendar pa je za pridobitev toka spremenljive frekvence iz sinhronskega generatorja potrebno njegov rotor vrteti s spremenljivo hitrostjo. V tem primeru so naloge regulacije vrtilne frekvence delujočega motorja dodeljene motorju, ki poganja sinhroni generator v vrtenju.

Kolektorski generator, ki lahko ustvari tok spremenljive frekvence pri konstantni hitrosti vrtenja, prav tako ni omogočil rešitve problema, ker je, prvič, za vzbujanje potreben tok spremenljive frekvence, in drugič, kot vsi kolektorski stroji AC , se pojavijo velike težave pri zagotavljanju normalne komutacije kolektorja.

V praksi se je frekvenčni nadzor začel razvijati s pojavom polprevodniške naprave… Hkrati se je izkazalo, da je mogoče ustvariti frekvenčne pretvornike za krmiljenje tako elektrarn kot izvršnih motorjev v servo sistemih in servo pogonih.

Poleg zapletenosti načrtovanja frekvenčnega pretvornika obstaja tudi potreba po hkratnem krmiljenju dveh veličin — frekvence in napetosti. Ko se frekvenca zmanjša, da se zmanjša hitrost, se lahko elektromagnetno polje in ravnotežje napetosti omrežja ohranita samo s povečanjem magnetnega pretoka motorja. V tem primeru bo magnetno vezje nasičeno in statorski tok se bo intenzivno povečal po nelinearnem zakonu. Posledično je delovanje indukcijskega motorja v načinu frekvenčne regulacije pri konstantni napetosti nemogoče.

Z zniževanjem frekvence je potrebno, da ohranimo magnetni tok nespremenjen, sočasno znižati nivo napetosti. Tako je treba pri frekvenčni regulaciji uporabiti dva regulacijska kanala: frekvenco in napetost.

riž. 11. Mehanske značilnosti indukcijskega motorja, ko se napaja z napetostjo nadzorovane frekvence in konstantnim magnetnim tokom

Sistemi za krmiljenje frekvence so običajno zgrajeni kot sistemi z zaprto zanko in več informacij o njih je podanih tukaj: Frekvenčna regulacija asinhronskega motorja