Меню

Электропривод с регулировкой частоты вращения



Частотный регулятор для асинхронного двигателя

Регулировка скорости изменением величины напряжения снижает момент и также увеличивает потери мощности. Регулировка частоты вращения путем изменения числа полюсов осуществляется ступенчато, кроме того, этот способ пригоден только для специальных многоскоростных двигателей с несколькими обмотками неподвижной части.

Асинхронный двигатель – самый распространенный электропривод технологического оборудования. Главная особенность таких электрических машин – постоянная скорость вращения вала. Ее регулировку осуществляют:

  • Механическим способом. Для этого вал подключают к редукторам, муфтам и другим устройствам.
  • Путем изменения числа пар полюсов, величины или частоты питающего напряжения обмоток статора.

Механическое регулирование усложняет кинематическую схему электропривода, ведет к потерям мощности и нерациональному расходу электроэнергии.

Наиболее перспективный метод регулирования уголовной скорости ротора – преобразование частоты питающего напряжения. Этот способ обеспечивает сохранение механических характеристик во всем диапазоне и обладает рядом других преимуществ.

Устройство и принцип работы частотного регулятора

Принцип частотного регулирования основан на зависимости угловой скорости вращения ротора от частоты напряжения на обмотках статора. С появлением IGBT-транзисторов и GTO-тиристоров наибольшее распространение получила схема преобразования частоты на базе широтно-импульсного модулятора.

Такие преобразователи частоты состоят:

  • Из силового выпрямителя с С или LC фильтром для сглаживания пульсаций.
  • Из инвертора на IGBT-транзисторах для преобразования постоянного напряжения в переменное, заданной частоты и амплитуды.
  • Из блока управления для генерации отпирающих силовые транзисторы импульсов.

Переменное напряжение выпрямляется и преобразуется в постоянное, затем снова инвертируется в переменное. Частота на силовом выходе ПЧ определяется длительностью отпирающих силовые транзисторы импульсов, поступающих со схемы управления.

Такой способ регулирования позволяет изменять частоту и амплитуду напряжения в силовой цепи электродвигателя, а значит управлять скоростью вращения ротора и моментом на валу электрической машины.

Структура частотного регулятора

Большинство частотных преобразователей для электродвигателей до 690 В выполнены по схеме двухуровневых инверторов напряжения. Они позволяют моделировать напряжение питания необходимой формы, амплитуды частоты. Такие устройства состоят из неуправляемого выпрямителя, 2-х транзисторных ключей на каждую фазу и конденсатора. Выходное напряжение содержит высшие гармоники, которые сглаживаются индуктивной нагрузкой. Специальные фильтры применяют относительно редко.

К недостаткам такой схемы является ограничение величины выходного напряжения, которое определяется максимальным напряжением полупроводниковых устройств.

Для высоковольтных приводов используются многоуровневые схемы регулирования. Они состоят из нескольких однофазных инверторов, соединенных последовательно. Такая схема позволяет избежать резонансов, обеспечивает высокое быстродействие, снижает скорость нарастания напряжения. Такие ПЧ имеют модульную конструкцию. При выходе из строя одной из ячеек, ее легко заменить. К недостаткам этой схемы относятся необходимость отдельного источника питания для каждого модуля, функции которого выполняет трансформатор специального назначения.

Преобразователи частоты с плавающими конденсаторами позволяют обойтись без входного трансформатора и увеличивать число ячеек в зависимости от требуемой мощности. Такое решение обеспечивает снижение высших гармоник, уменьшает скорость нарастания напряжения.

Для регулировки скорости электродвигателей с повторно-кратковременным режимом работы частыми реверсами применяют инверторы тока. Эти устройства представляют собой управляемый выпрямитель и инвертор на тиристорах. Для уменьшения помех в цепи нагрузки в схему включается расщепленный индуктивный фильтр. Выходное напряжение таких устройств имеет форму аппроксимированной синусоиды. Для сглаживания его формы обязательно включение перед электродвигателем конденсаторов. Главное достоинство таких ПЧ – возможность рекуперации электроэнергии обратно в электросеть.

Прямые преобразователи частоты не содержат конденсаторов. Главное их преимущество – небольшие габариты и значительная мощность нагрузки. Такие устройства используются в составе мощных электроприводов работающих на низких скоростях. ПЧ этого типа выполнены на базе тиристорных преобразователей. На входе прямых ПЧ установлен фазосдвигающий трансформатор, устраняющий низшие гармоники и выполняющий функцию источника питания для каждого преобразователя. Прямые ПЧ требуют сложной схемы управления.

Состав частотных преобразователей

Кроме выпрямителя, ШИМ-модулятора и инвертора, в состав частотного преобразователя входят:

Устройство для ввода данных и обмена информацией с ПК, другими частотными преобразователями.

  • Встроенная энергонезависимая память. В этом устройстве фиксируются аварийные отключения, изменения настроек, а также другие данные.
  • Управляющий контроллер, обеспечивающий реализацию алгоритмов управления, обработку данных с датчиков, защитное отключение при ненормальных режимах работы.
  • ЭМ-фильтр. Это устройство обеспечивает снижение реактивной высокочастотной составляющей, снижающей качество электроэнергии и отрицательно влияющей на работу электродвигателя.
  • Вентилятор и радиатор для принудительного охлаждения и отвода тепла силовых транзисторов.
  • Тормозной прерыватель и другие элементы.

Кроме аппаратной части, преобразователи частоты содержат программное обеспечение. Контроллеры с открытой логикой позволяют вносить изменения в стандартное ПО, поставляемое производителем, и самостоятельно программировать ПЧ.

Однофазные преобразователи частоты

Однофазные асинхронные электродвигатели широко применяются в качестве приводов насосных агрегатов, вентиляторов, маломощных станков. Для регулирования частоты вращения этих электрических машин применяются 2 основных способа:

  • Изменение величины напряжения питания.
  • Изменение частоты питающего напряжения.

Для регулирования питающего напряжения применяются трансформаторные, автотрансформаторные, тиристорные, симисторные и транзисторные преобразователи. Изменение частоты вращения путем регулирования напряжения имеет ряд серьезных недостатков:

  • Увеличение скольжения и сильный нагрев обмоток статора.
  • Узкий диапазон регулирования.
Читайте также:  Как отрегулировать карбюратор уд2

Кроме того, постоянная составляющая питающего напряжения на выходе тиристорных и симисторных устройств вызывает увеличение шума при работе, рывки и другие нежелательные явления.

Частотное регулирование лишено этих недостатков. Однофазные ПЧ применяются в холодильном оборудовании, системах вентиляции, бытовых насосах.

Такие электроприводы обеспечивают:

  • Стабильную работу однофазного двигателя при любой частоте вращения.
  • Снижение потребления электроэнергии.
  • Возможность автоматической регулировки частоты вращения с обратной связью по изменению одного или нескольких технологических параметров.
  • Удаленное управление и контроль характеристик.
  • Защиту от ненормальных режимов работы и коротких замыканий.
  • Интеллектуальное управление электродвигателем в соответствии с заданным алгоритмом.
  • Возможность пуска без фазосдвигающего элемента.
  • Поддержание необходимого момента на валу во всем диапазоне изменения скорости.

Кроме базовых составляющих, в состав однофазного преобразователя частоты входят ПИД-регулятор, ПЛК-контроллер, устройство для обмена данными с удаленным оборудованием, пульт дистанционного управления. При введении дополнительных настроек допустимо применение трехфазного ПЧ для однофазных двигателей переменного тока.

Таким образом, управление однофазными и трехфазными асинхронными электродвигателями путем изменения частоты значительно превосходит метод регулирования величины напряжения, механические способы.

Источник

Частотно-регулируемые электроприводы — шаг к энергосбережению

Частотное регулирование пуска асинхронных электродвигателей построено на использовании преобразователя частоты, способного выполнить функцию устройства, регулирующего скорость вращения электрической машины.

Рис. №1. Преобразователь частоты.

Преимущества частотного регулирования

С помощью метода частного регулирования получают:

  • оптимально удобное изменение частоты вращения электрического двигателя в процессах и технологиях, которые никогда ранее не регулировались;
  • управление скоростью работы электрическими машинами в синхронном режиме, от одной частотной установки;
  • использование частотных регуляторов позволяет перейти с машин постоянного тока на асинхронные двигатели, это дает возможность понизить эксплуатационные расходы;
  • частотный преобразователь позволяет придерживаться строго заданных технологических параметров;
  • благодаря устройству можно избавиться от механических узлов регулирования частоты вращения, вариаторов или ременных передач;
  • с их помощью улучшается степень износоустойчивости оборудования и увеличивается его срок эксплуатации;
  • точность регулирования скоростных режимов работы очень высокая, важно для устройств и механизмов, отличающихся постоянным моментом нагрузки;
  • использования частотного регулирования повышает эффективность электрооборудования и обеспечивает энергосбережение;

Весь принцип работы частотного регулирования построен на использовании синхронных и асинхронных машин и преобразующего частоту устройства. Статическое электронное устройство, каким является электронный преобразователь частоты, управляет процессом работы двигателя, формируя на выходе напряжение, обладающее переменной частотой и амплитудой. Преобразователь меняет частоту питающего напряжения, скорость двигателя соответственно изменяется.

Работа преобразователя осуществляется за счет использования полупроводниковых приборов – силовых тиристоров и транзисторов IGBT (биполярные устройства с изолированным затвором).

Рис.№2. Внешний вид преобразователей частоты в диапазоне мощностей от 0,75кВ.

Способы управления

Частота вращения ротора короткозамкнутых двигателей находится в прямой зависимости от частоты питающего оборудование сетевого напряжения. Это главное от чего зависит метод частотной регулировки. Изменяя величину частоты, на входе двигателя, изменяется скорость вращения его вала.

Управление скоростью может быть скалярным или векторным.

Векторное управление

Векторное управление включает метод управления потокосцепления (бессенсорный способ) и метод регулирования фазы статорного тока и фазы магнитного поля в зависимости от вращения ротора. Осуществляется с помощью датчиков позиционирования (обратной связи скорости) или за счет интегральных схем ASIC. Преобразователь на их основе создает образ двигателя, за счет математического моделирования, задает тепловые характеристики двигателя при разных режимах работы. Диапазон управления при векторном способе существенно увеличивается, параметры точности и быстродействия повышаются. Векторное управление считается методом широтно-импульсной модуляции.

Рис. №3. График выходного напряжения инвертора с ШИМ (широтно-импульсной модуляцией).

С помощью векторного регулирования осуществляется точность регулирования по скорости до сотых долей процента, а точность в зависимости от момента в единицы процентов.

Скалярное управление

При скалярном регулировании изменяется амплитуда и частота напряжения питания оборудования. Когда изменяется частота напряжения и происходит отклонение диаграммы величин моментов пуска и максимального, двигателя, изменение КПД и коэффициента мощности, для соответствия рабочим характеристикам оборудования, необходимо изменять и амплитуду напряжения. Амплитудное управление состоит из трех основных частей: выпрямитель управления, фильтр и инвертор независимого типа в виде реверсивного переключателя, он обладает автономной установкой и служит устройством, формирующим разнополярные импульсы.

Рис. .№4. График переходных процессов в скалярной системе регулирования.

В настоящее время работают преобразователи частоты со скалярным управлением, в которых сохраняется неизменным отношение максимального момента электрического двигателя к моменту сопротивления на ее валу. Этот показатель свидетельствует о перегрузочной способности двигателя, определяет характер нагрузки всей машины.

Для увеличения пускового момента при уменьшении максимального момента двигателя увеличивают значение напряжения.

Одно из главных преимуществ скалярного метода может считаться способность управлять несколькими агрегатами.

Что такое преобразователь частоты

Устройство, которое служит для изменения значения токов и нагрузки и напряжения в соответствии одной частоты в другое значение этих величин другого частотного значения. Диапазон регулирования включает самые широкие границы величины частоты.

Преобразователь частоты включает в свою конструкцию два основных блока, являющиеся управляющей и силовой частью.

Читайте также:  Регулировка спайсеровского моста уаз

Тиристоры и транзисторы, представляющие собой электронный ключ, составляют силовую часть. Цифровые микропроцессоры относятся к управляющей части, управляют силовой частью и служат для организации контроля, диагностики и защитных функций.

Существует два типа преобразователей, их конструктивные особенности зависят от структуры построения работы силовой части.

  • Преобразователи частоты, в которых главным считается явно выраженное звено постоянного тока.
  • Устройство с непосредственной связью без использования промежуточного звена.

Устройства с непосредственной связью работает на не запираемых тиристорах. Обмотки статора двигателя поочередно подключаются с помощью групп тиристоров. Система управления имеет существенный недостаток, который подразумевает наличие сложной системы управления. «Резанная» или «пилообразная» синусоида создает большие потери энергии в двигателе, происходит это за счет высших гармоник, являющихся следствием сильных помех в сети. Для повышения качества электрической энергии потребители вынуждены использовать компенсирующие устройства, которые отличает высокая стоимость.

Рис. № 5. Схема преобразователя с непосредственной связью.

К достоинствам преобразователей с непосредственной связью относятся:

  • Высокий КПД.
  • Обладание способностью работать с большими напряжениями и токами, разрешающими использовать их с высоковольтным оборудованием.
  • Стоимость самого преобразователя отличается невысокой ценой, хотя сопутствующее оборудование стоит очень дорого.

Устройство с явно выраженным звеном постоянного тока отличают двойное преобразование энергии – это сглаживание синусоиды напряжения в фильтре и выпрямление в выпрямителе, после чего оно снова преобразуется инвертором в переменное напряжение изменяемой частоты и амплитуды напряжения.

Рис. № 6. Схема преобразователя с явно выраженным звеном постоянного тока.

Автономные инверторы формируют синусоидальное напряжение переменного тока. Основу устройства составляют запираемые транзисторы GTO моделей IGCT и другие, а также биполярные модели IGBT, обладающие запираемым затвором. Они работают с током и напряжением больших величин в течении длительного времени и под большой нагрузкой, способны выдержать значительные импульсные воздействия.

Рис №7 . Схема инверторного преобразователя, состоящего из: 1 – выпрямитель неуправляемого или управляемого типа; 2 – фильтра для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения, вместе с выпрямителем он является звеном постоянного тока; 3 – импульсного инвертора; 4 – фильтр для сглаживания пульсаций на выходе из устройства.

Особенно велико участие инверторов в высоковольтном приводе мощностью до десятков мегаватт, где значение выходного напряжения составит 3 – 10кВ и выше.

Тип преобразователей на тиристорах IGBT имеет ряд существенных преимуществ – это:

  • Полная управляемость.
  • Неэнергоемкая и простая схема управления.
  • Границы регулирования частоты самые высокие.
  • Возможность работать на невысоких скоростях без использования датчика обратной связи.
  • Комбинация устройства с микропроцессорами управления способствуют понижению уровня высших гармоник и предотвращает появление потерь в обмотках электродвигателя.
  • Способствует снижению нагрева статора и уменьшает пульсацию момента, предотвращает явление называемое «шагание» ротора двигателя в районе малых частот.
  • Понижает потери в магнитопроводе трансформатора в конденсаторах.
  • Повышает долговечность оборудования и увеличивает длительность эксплуатации проводов на ВЛ.
  • Уменьшает число ложных срабатываний защит и снижает погрешности измерительных индукционных приборов.
  • Благодаря модульной структуре повышается надежность устройства, и уменьшаются его габаритные размеры.
  • Обладают стойкостью к броскам тока и перенапряжениям.

Современные преобразователи частоты стоят немалые деньги, но их окупаемость, происходит за время менее 2 лет, используя преобразователь частоты существует реальная возможность добиться существенной экономии энергоресурсов и увеличить время эксплуатации всего оборудования.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта Электронщик , буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное. Делитесь информацией в соцсетях, ставьте лайки, если вам понравилось — это поможет развитию канала

Источник

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.

Читайте также:  Регулировка клапанов на квадроцикле поларис 500

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.

Источник