Частотное регулирование асинхронного двигателя

Частотное регулирование угловой скорости вращения электропривода с асинхронным двигателем в настоящее время широко применяется, так как позволяет в широком интервале плавно изменять обороты вращения ротора как выше, так и ниже номинальных значении.

Частотные преобразователи являются современными, высокотехнологичными устройствами, обладающими большим диапазоном регулирования, имеющими обширный набор функций для управления асинхронными двигателями. Высочайшее качество и надежность дают возможность применять их в различных отраслях для управления приводами насосов, вентиляторов, транспортеров и т.д.

Частотные преобразователи по напряжению питания подразделяются на однофазные и трехфазные, а но конструктивному исполнению на электромашинные вращающиеся и статические. В электромашинных преобразователях переменная частота получается за счет использования обычных или специальных электрических машин. В статических частотных преобразователях изменение частоты питающего тока достигается за счет применения не имеющих движения электрических элементов.

Схема частотного преобразователя асинхронного двигателя

Выходной сигнал преобразователя частоты

Преобразователи частоты для однофазной сети позволяют обеспечить электропривод производственного оборудования мощностью до 7,5 кВт. Особенностью конструкции современных однофазных преобразователей является то, что на входе имеется одна фаза с напряжением 220В, а на выходе — три фазы с тем же значением напряжения, что позволяет подключать к устройству трехфазные электродвигатели без применения конденсаторов.

Преобразователи частоты с питанием от трехфазной сети 380В выпускаются в диапазоне мощностей от 0,75 до 630 кВт. В зависимости от величины мощности устройства изготавливаются в полимерных комбинированных и металлических корпусах.

Самой популярной стратегией управления асинхронными электродвигателями является векторное управление. В настоящее время большинство частотных преобразователей реализуют векторное управление или даже векторное бездатчиковое управление (этот тренд встречается в частотных преобразователях, первоначально реализующих скалярное управление и не имеющих клемм для подключения датчика скорости).

Исходя из вида нагрузки на выходе, преобразователи частоты подразделяются по типу исполнения:

для насосного и вентиляторного привода;

для общепромышленного электропривода;

эксплуатируется в составе электродвигателей, работающих с перегрузкой.

Механические характеристики типичных нагрузок

Современные преобразователи частоты обладают разнообразным набором функциональных особенностей, например, имеют ручное и автоматическое управление скоростью и направлением вращения двигателя, а также встроенный потенциометр на панели управления. Наделены возможностью регулирования диапазона выходных частот от 0 до 800 Гц.

Преобразователи способны выполнять автоматическое управление асинхронным двигателем по сигналам с периферийных датчиков и приводить в действие электропривод по заданному временному алгоритму. Поддерживать функции автоматического восстановления режима работы при кратковременном прерывании питания. Выполнять управление переходными процессами с удаленного пульта и осуществлять защиту электродвигателей от перегрузок.

Связь между угловой скоростью вращения и частотой питающего тока вытекает из уравнения

При неизменном напряжении источника питания U1 и изменении частоты изменяется магнитный поток асинхронного двигателя. При этом для лучшего использования магнитной системы при снижении частоты питания необходимо пропорционально уменьшать напряжение, иначе значительно увеличатся намагничивающий ток и потери в стали.

Аналогично при увеличении частоты питания следует пропорционально увеличивать напряжение, чтобы сохранить магнитный поток постоянным, так как в противном случае (при постоянном моменте на валу) это приведет к нарастанию тока ротора, перегрузке его обмоток по току, снижению максимального момента.

Рациональный закон регулирования напряжения зависли от характера момента сопротивления.

При постоянном моменте статической нагрузки (Mс = const) напряжение должно регулироваться пропорционально его частоте U1/f1 = const. Для вентиляторного характера нагрузки соотношение принимает вид U1/f 2 1 = const.

При моменте нагрузки, обратно пропорциональном скорости U1/ √ f1 = const.

На рисунках ниже представлены упрощенная схема подключения и механические характеристики асинхронного двигателя при частотном регулировании угловой скорости.

Схема подключения частотного преобразователя к асинхронному электродвигателю

Характеристики для нагрузки с постоянным статическим моментом сопротивления

Х арактеристики для нагрузки вентиляторного характера

Характеристики при статическом моменте нагрузки обратно пропорциональном угловой скорости вращения

Частотное регулирование скорости асинхронного двигателя позволяет изменять угловую скорость вращения в диапазоне — 20. 30 к 1. Регулирование скорости асинхронного двигателя вниз от основной осуществляется практически до нуля.

При изменении частоты питающей сети верхний предел частоты вращения асинхронного двигателя зависит от ее механических свойств, тем более что на частотах выше номинальной асинхронные двигатель работает с лучшими энергетическими показателями, чем на пониженных частотах. Поэтому, если в системе привода используется редуктор, это управление двигателем по частоте следует производить не только вниз, но и вверх от номинальной точки, вплоть до максимальной частоты вращения, допустимой но условиям механической прочности ротора.

При увеличении оборотов вращения двигателя выше указанного значения в ею паспорте частота источника питания не должна превышать номинальную не более чем 1,5 — 2 раза.

Частотный способ является наиболее перспективным для регулирования асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Потери мощности мри гаком регулировании невелики, поскольку не сопровождаются увеличением скольжения. Получаемые при этом механические характеристики обладают высокой жесткостью.

Способы регулировки оборотов вращения асинхронных двигателей

Достаточно часто режим работы вспомогательного механизированного оборудования требует понижения штатных частот вращения. Добиться такого эффекта позволяет регулировка оборотов асинхронного двигателя. Как это сделать своими руками (расчет и сборку), используя стандартные схемы управления или самодельные устройства, попробуем разобраться далее.

Что такое асинхронный двигатель?

Электродвигатели переменного тока нашли довольно широкое применение в различных сферах нашей жизнедеятельности, в подъемно транспортном, обрабатывающем, измерительном оборудовании. Они используются для превращения электрической энергии, которая поступает от сети, в механическую энергию вращающегося вала. Чаще всего используются именно асинхронные преобразователи переменного тока. В них частота вращения ротора и статора отличаются. Между этими активными элементами обеспечивается конструктивный воздушный зазор.

И статор, и ротор имеют жесткий сердечник из электротехнической стали (наборного типа, из пластин), выступающий в роли магнитопровода, а также обмотку, которая укладывается в конструктивные пазы сердечника. Именно способ организации или укладки обмотки ротора является ключевым критерием классификации этих машин.

Двигатели с короткозамкнутым ротором (АДКР)

Здесь используется обмотка в виде алюминиевых, медных или латунных стержней, которые вставляются в пазы сердечника и с обеих сторон замыкаются дисками (кольцами). Тип соединения этих элементов зависит от мощности двигателя: для малых значений используют метод совместной отливки дисков и стержней, а для больших – раздельное изготовление с последующей сваркой между собой. Обмотка статора подключается с использованием схем «треугольника» или «звезды».

Двигатели с фазным ротором

К сети подключается трехфазная обмотка ротора, посредством контактных колец на основном валу и щеток. За основу принимается схема «звезда». На рисунке внизу представлена типичная конструкция такого двигателя.

Принцип работы и число оборотов асинхронных двигателей

Данный вопрос рассмотрим на примере АДКР, как наиболее распространенного типа электродвигателей подъемно-транспортном и обрабатывающем оборудовании. Напряжение от сети подается на обмотку статора, каждая из трех фаз которой смещена геометрически на 120°. После подачи напряжения возникает магнитное поле, создающее путем индукции ЭДС и ток в обмотках ротора. Последнее вызывает электромагнитные силы, заставляющие ротор вращаться. Еще одна причина, по которой все это происходит, а именно, возникает ЭДС, является разность оборотов статора и ротора.

Одной из ключевых характеристик любого АДКР является частота вращения, расчет которой можно вести по следующей зависимости:

n = 60f / p, об/мин

где f – частота сетевого напряжения, Гц, р – число полюсных пар статора.

Все технические характеристики указываются на металлической табличке, закрепленной на корпусе. Но если она отсутствует по какой-то причине, то определить число оборотов нужно вручную по косвенным показателям. Как правило, используется три основных метода:

• Расчет количества катушек. Полученное значение сопоставляется с действующими нормами для напряжения 220 и 380В (см. табл. ниже),

• Расчет оборотов с учетом диаметрального шага обмотки. Для определения используется формула вида:

где 2p – число полюсов, Z1 – количество пазов в сердечнике статора, y – собственно, шаг укладки обмотки.

Стандартные значения оборотов:

• Расчет числа полюсов по сердечнику статора. Используются математические формулы, где учитываются геометрические параметры изделия:

2p = 0,35Z1b / h или 2p = 0,5Di / h,

где 2p – число полюсов, Z1 – количество пазов в статоре, b – ширина зубца, см, h – высота спинки, см, Di – внутренний диаметр, образованный зубцами сердечника, см.

После этого по полученным данным и магнитной индукции нужно определить количество витков, которое сверяется с паспортными данными двигателей.

Способы изменения оборотов двигателя

Регулировка оборотов любого трехфазного электродвигателя, используемого в подъемно-транспортной технике и оборудовании, позволяет добиться требуемых режимов работы точно и плавно, что далеко не всегда возможно, например, за счет механических редукторов. На практике используется семь основных методов коррекции скорости вращения, которые делятся на два ключевых направления:

1. Изменение скорости магнитного поля в статоре. Достигается за счет частотного регулирования, переключения числа полюсных пар или коррекции напряжения. Следует добавить, что эти методы применимы для электродвигателей с короткозамкнутым ротором,
2. Изменение величины скольжения. Этот параметр можно откорректировать за счет питающего напряжения, подключения дополнительного сопротивления в электрическую цепь ротора, применения вентильного каскада или двойного питания. Используется для моделей с фазным ротором.

Наиболее востребованными методами являются регулирование напряжения и частоты (за счет применения преобразователей), а также изменение количества полюсных пар (реализуется путем организации дополнительной обмотки с возможностью переключения).

Типичные схемы регуляторов оборотов

На рынке сегодня есть широкий выбор регуляторов и частотных преобразователей для асинхронных двигателей. Тем не менее, для бытовых нужд подъемного или обрабатывающего оборудования вполне можно сделать расчет и сборку на микросхеме самодельного прибора на базе тиристоров или мощных транзисторов.

Ниже представлен пример схемы достаточно мощного регулятора для асинхронного двигателя. За счет чего можно добиться плавного контроля параметров его работы, снижения энергопотребления до 50%, расходов на техническое обслуживание.

Данная схема является сложной. Для бытовых нужд ее можно значительно упростить, используя в качестве рабочего элемента симистор, например, ВТ138-600. В этом случае схема будет выглядеть следующим образом:

Обороты электродвигателя будут регулироваться за счет потенциометра, который определяет фазу входного импульса, открывающего симистор.

Как можно судить из информации, представленной выше, от оборотов асинхронного двигателя зависят не только параметры его работы, но и эффективность функционирования питаемого подъемного или обрабатывающего оборудования. В торговой сети сегодня можно приобрести самые разнообразные регуляторы, но также можно совершить расчет и собрать эффективное устройство своими руками.

Частотник для регулировки оборотов электродвигателей, особенности использования и варианты регулировки

Регулируемый асинхронный привод широко распространен и популярен так, что фактически заменил собой синхронные электродвигатели и привод постоянного тока.

Варианты регулировки скорости электродвигателя включают несколько существующих способов:

1. Изменение подачи напряжения;
2. Переключение обмоток асинхронных двигателей;
3. Частотная регулировка скорости электродвигателя с помощью изменения токовых величин;
4. Применение электронного коммутатора.

Во многом это произошло благодаря появлению частотных преобразователей, обеспечивающих энергетические и динамические показатели. Использование частотного регулятора скорости считается самым прогрессивным и востребованным методом, входящим в способы регулировки оборотов вращения асинхронных двигателей.

Основное предназначение, которое выполняет частотный регулятор скорости для асинхронного двигателя основывается на осуществлении питания таким образом, чтобы рабочие характеристики агрегата радикально отличались от обычных параметров, получаемых из сети. При этом напряжение в сети и частота должны остаться неизменными.

Устройство и принцип работы, структура частотного регулятора

Принцип работы частотного регулятора для асинхронного двигателя заключается в питании электродвигателя переменным напряжением с меняющимися по необходимости, параметрами амплитуды и частоты. При этом поддержка соотношения напряжение/частота остаются четко определенными и неизменными. Генерирование переменного напряжения происходит благодаря силовому электронному преобразователю.

Рис. №1 Принципиальная схема преобразователя частоты.

Принцип работы подразумевает использование широтно-импульсной модуляции. Принцип подразумевает подачу импульсного напряжения на обмотки двигателя с амплитудой равной напряжению, полученному от выпрямителя. Импульсы модулированы по ширине и создают напряжение переменного тока с изменяющейся амплитудой. Наглядным примером могут считаться кривые междуфазного напряжения и тока в одной обмотке двигателя при соединении обмоток треугольником.

Рис. №2 График напряжения на выходе ШИМ и ток в двигательной обмотке при соединении трехфазного асинхронного двигателя в треугольник.

Основные элементы, которые входят в структуру частотного преобразователя

Частотный преобразователь состоит из следующих компонентов:

1. Мостовой выпрямитель на 1 или 3 фазы, оборудован конденсатором на выходе, является источником постоянного напряжения.
2. Мостовой инвертор (IGBT) питается постоянным напряжением с помощью широтно-импульсного метода модуляции, служит для генерации напряжения переменного тока с изменяемой амплитудой и частотой.
3. Модуль управления, который подает команды проводимости на инвертор. Они зависят от сигналов, подаваемых оператором и сведений о результатах измерений электрических величин (сетевое напряжение, нагрузочный ток двигателя).

Структура частотного регулятора

В настоящее время детально разработаны и широко применяются две основные топологии многоуровневых частотных преобразователей. Это каскадные и преобразователи на базе многоуровневых частотных инверторов напряжения.

Рис. №3 Структурная схема частотного преобразователя многоуровневого типа высокого напряжения, построенная на базе IGBT-транзисторов с воздушным или водяным охлаждением.

В состав устройства включен многообмоточный трансформатор. К особенностям схемы относится наличие силовых ячеек с последовательным соединением, благодаря чему на выходе устройства получается суммарное высокое напряжение. Подобная схема служит для получения формы выходного напряжения практически приближенной к идеальному синусу. Наличие шунтируемых в момент неисправности ячеек обуславливает высокую надежность схемы.

Как продолжение предыдущей схемы рассмотрим схему преобразователя на базе трансформаторного многоуровневого инвертора напряжения с широтно-импульсной модуляцией с применением IGBT-модулей. Для устройства характерна фиксированная частота ШИМ – 3кГц. В структуру устройства включены система защиты с использованием микропроцессора.

Рис. 4 Структурная схема преобразователя.

На схеме видно, что все блоки функционально взаимосвязаны. На схеме показано как работает частотный регулятор для асинхронного двигателя, устройство и принцип работы.

В первом блоке находится входной трансформатор, в блоке осуществляется передача электроэнергии от трехфазного высоковольтного источника питания. От многоуровневого трансформатора производится распределение пониженного напряжения в шкаф инвертора на многоуровневый инвертор.

Шкаф инвертора включает в состав многоуровневый трехфазный инвертор, состоящий из ячеек – преобразователей. В каждой находится шестиимпульсный фильтр для выпрямления звена постоянного тока и мостовой инвертор напряжения на IGBT-транзисторах. По схеме происходит выпрямление входного переменного тока, который благодаря инвертору изменяется в переменный ток, обладающий регулируемыми показателями частоты и напряжения.

В шкафу защиты управления находятся микропроцессорный блок, обладающий многофункциональными возможностями и системой питания от ТСН преобразователя, устройство ввода преобразователя и первичные сенсоры, обозначающие режимы работы преобразователя.

Микропроцессор служит для формирования сигналов управления инвертором в зависимости от обозначенного алгоритма работы. Он служит для обработки сведений, собранных с датчиков напряжения и тока. Микропроцессор формирует сигналы для управления защитами и аварийными кнопками управления, корректирует алгоритм управления.

Для передачи сведений и связи используется оптоволоконный кабель. Для бесперебойной работы имеется независимый встроенный источник питания. Редактирование параметров выполняется пультом дистанционного управления.

Для надежного отключения и безопасного проведения различного рода работ преобразователь оборудован линейным разъединителем.

Рис. №5 Обобщенная схема ячейки преобразователя

Источники управляемого переменного напряжения формируют фазу напряжения для выполнения их последовательного соединения. Выходная схема питающей сети асинхронного двигателя происходит по схеме соединения обмоток «Звезда». Напряжение в трехфазном инверторе распределяется по схеме.

Рис. №6 Схема распределения напряжения в инверторе на три фазы.

Частотные преобразователи для однофазного асинхронного электродвигателя

Использование малогабаритных частотных преобразователей применяется при управлении скоростью вращения однофазных двигателей, применяемых в конструкциях бытовых устройств и для производства технологических процессов. Подробней про регулирование однофазного асинхронного двигателя с помощью частотного преобразователя смотрите здесь.

Частотный регулятор скорости для асинхронного двигателя будет необычайно актуальным в схемах управления такими приборами, как кондиционеры воздуха, холодильные камеры, электрические вентиляторы, насосы, все оборудование с использованием асинхронных электродвигателей.

Особенности использования регуляторов скорости для однофазных электродвигателей

В конструкцию частотного регулятора входит несколько элементов, обеспечивающих эффективность работы устройства, к ним относятся:

1. Встроенный конвертер интерфейсов RS485 (работает опционно);
2. Встроенный ПЛК контроллер;
3. Встроенный ПИД-регулятор (формирует сигнал для управления устройством).

К преимущественным особенностям использования регуляторов скорости относятся инновационные технологии векторного управления. Значительная энергосберегающая эффективность – это функция, которая обеспечивается в автоматическом режиме. Управление регулятором скорости можно выполнять с помощью дистанционного пульта управления, минимальное расстояние для управления 5м.

Важно: в конструкции преобразователя частоты предусмотрена возможность автоматически регулировать выходное напряжение.

Популярные модели регуляторов скорости для однофазного двигателя

Среди многообразия устройств, выполняющих функцию управления электродвигателем, существуют две основные разновидности моделей регуляторов оборотов. Это электронные тиристорные однофазные регуляторы скорости, которые работают за счет плавного изменения напряжения питания. Вторая разновидность моделей регуляторов оборотов – трансформаторный однофазный регулятор скорости. Его работа заключается в изменении положения трехступенчатого кулачкового переключателя, с помощью которого происходит изменение комбинации переключения обмоток.

Частотное управление регулированием скоростью асинхронного электродвигателя в наше время является техническим стандартом. Использование частотного регулятора вытеснило очень многие способы управления. Симметричное и несимметричное управление напряжением и использование добавочных сопротивлений, изменение числа пар полюсов ушли в прошлое.