Řízení třífázového motoru, způsoby řízení otáček motoru

Řízení asynchronních motorů může být buď parametrické, to znamená změnou parametrů obvodů stroje, nebo samostatným měničem.

Parametrické řízení

Kritický skluz slabě závisí na aktivním odporu obvodu statoru. Když je do obvodu statoru zaveden další odpor, hodnota mírně klesá. Maximální točivý moment může být výrazně snížen. V důsledku toho bude mít mechanická charakteristika podobu znázorněnou na obr. 1.

Rýže. 1. Mechanická charakteristika asynchronního motoru při změně parametrů primárního a sekundárního okruhu: 1 — přirozený, 2 a 3 — se zavedením přídavného aktivního a indukčního odporu do obvodu statoru

Při porovnání s přirozenou charakteristikou motoru můžeme dojít k závěru, že zavedení dodatečného odporu do obvodu statoru má malý vliv na otáčky. Při konstantním statickém momentu se otáčky mírně sníží.Proto je tato metoda řízení rychlosti neefektivní a v této nejjednodušší verzi se nepoužívá.

Zavedení indukčního odporu do obvodu statoru je také neúčinné. Kritický prokluz se také mírně sníží a točivý moment motoru se výrazně sníží v důsledku zvýšení odporu. Odpovídající mechanická charakteristika je znázorněna na stejném obr. 1.

Někdy je do obvodu statoru zaveden další odpor k omezení náběhových proudů… V tomto případě se jako přídavný indukční odpor obvykle používají tlumivky a jako aktivní tyristory (obr. 2).

Rýže. 2. Včetně tyristorů v obvodu statoru

Je však třeba mít na paměti, že to výrazně snižuje nejen kritické, ale také startovací moment motoru (v c = 1), což znamená, že start za těchto podmínek je možný pouze s malým statickým momentem. Zavedení dodatečného odporu do obvodu rotoru je samozřejmě možné pouze u motoru s vinutým rotorem.

Přídavný indukční odpor v obvodu rotoru má stejný vliv na otáčky motoru, jako když je zaveden do obvodu statoru.

V praxi je použití indukčního odporu v obvodu rotoru extrémně obtížné kvůli skutečnosti, že musí pracovat s proměnnou frekvencí — od 50 Hz do několika hertzů a někdy zlomků hertzů. Za takových podmínek je velmi obtížné vytvořit tlumivku.

Při nízké frekvenci bude ovlivňovat především aktivní odpor induktoru. Na základě výše uvedených úvah se indukční odpor v obvodu rotoru nikdy nepoužívá pro řízení rychlosti.

Nejúčinnějším způsobem parametrického řízení otáček je zavedení dodatečného aktivního odporu do obvodu rotoru. To nám dává řadu charakteristik s konstantním maximálním točivým momentem. Tyto charakteristiky se používají k omezení proudu a udržování konstantního točivého momentu a lze je také použít k řízení rychlosti.

Na Obr. 3 ukazuje, jak změnou r2, tzn. input rext, je možné v určitém statickém okamžiku měnit otáčky v širokém rozsahu — od nominálních po nulové. V praxi je však možné upravit otáčky pouze pro dostatečně velké hodnoty statického momentu.

Rýže. 3. Mechanická charakteristika asynchronního motoru se zavedením přídavného odporu do obvodu rotoru

Při nízkých hodnotách (Mo) v režimu téměř naprázdno je rozsah řízení rychlosti značně omezen a bude nutné zavést velmi velké dodatečné odpory, aby se rychlost znatelně snížila.

Je třeba si uvědomit, že při provozu v nízkých otáčkách a s vysokými statickými momenty bude stabilita otáček nedostatečná, protože díky velké strmosti charakteristiky způsobí mírné kolísání momentu výrazné změny otáček.

Někdy, aby se zajistilo zrychlení motoru bez postupného odstraňování sekcí reostatu, jsou reostat a indukční cívka připojeny paralelně ke kroužkům rotoru (obr. 4).

Rýže. 4. Paralelní zapojení přídavného činného a indukčního odporu v obvodu rotoru asynchronního motoru

V počátečním okamžiku rozběhu, kdy je frekvence proudu v rotoru vysoká, je proud převážně uzavřen přes reostat, tzn.díky velkému odporu, který poskytuje dostatečně vysoký rozběhový moment. S klesající frekvencí se snižuje indukční odpor a proud se začíná uzavírat i přes indukčnost.

Při dosažení provozních otáček, při malém skluzu, protéká proud hlavně induktorem, jehož odpor při nízké frekvenci je určen elektrickým odporem vinutí rrev. Při rozběhu se tedy vnější odpor sekundárního okruhu automaticky změní z rreost na roro a ke zrychlení dochází při prakticky konstantním momentu.

Parametrické řízení je přirozeně spojeno s velkými energetickými ztrátami. Energie skluzu, která se ve formě elektromagnetické energie přenáší mezerou ze statoru na rotor a obvykle se přeměňuje na mechanickou, s velkým odporem sekundárního okruhu, jde hlavně na ohřev tohoto odporu a při s = 1 veškerá energie přenesená ze statoru na rotor bude spotřebována v reostatech sekundárního okruhu (obr. 5).

Rýže. 5. Ztráty v sekundárním okruhu při úpravě otáček asynchronního motoru zavedením dodatečného odporu do obvodu rotoru: I — zóna užitečného výkonu přenášeného na hřídel motoru, II — zóna ztrát odporů sekundárního okruhu.

Parametrické řízení se proto používá především pro krátkodobé snížení rychlosti v průběhu technologického procesu prováděného pracovním strojem.Pouze v případech, kdy jsou procesy regulace rychlosti kombinovány se spouštěním a zastavováním pracovního stroje, jako např. u zdvihacích zařízení, se jako hlavní prostředek regulace rychlosti používá parametrické řízení se zavedením přídavného odporu do okruhu rotoru.

Regulace otáček změnou napětí aplikovaného na stator

Při nastavování otáček indukčního motoru změnou napětí zůstává tvar mechanické charakteristiky nezměněn a momenty klesají úměrně druhé mocnině napětí. Mechanické charakteristiky při různém namáhání jsou znázorněny na Obr. 6. Jak vidíte, v případě použití konvenčních motorů je rozsah regulace otáček velmi omezený.

Rýže. 6… Regulace otáček asynchronního motoru změnou napětí v obvodu statoru

O něco širší rozsah lze dosáhnout motorem s vysokým skluzem. V tomto případě jsou však mechanické charakteristiky strmé (obr. 7) a stabilního chodu motoru lze dosáhnout pouze s použitím uzavřeného systému, který zajišťuje stabilizaci otáček.

Při změně statického točivého momentu řídicí systém udržuje danou rychlostní úroveň a dochází k přechodu z jedné mechanické charakteristiky na druhou, v důsledku čehož provoz pokračuje s charakteristikami znázorněnými přerušovanými čarami.

Rýže. 7. Mechanické charakteristiky při nastavování napětí statoru v uzavřené soustavě

Při přetížení pohonu se motor dostane na mezní charakteristiku odpovídající maximálnímu možnému napětí, které měnič poskytuje, a při dalším zvyšování zátěže se budou otáčky snižovat podle této charakteristiky. Při nízké zátěži, pokud měnič nedokáže snížit napětí na nulu, dojde ke zvýšení otáček podle AC charakteristiky.

Jako napěťově řízený zdroj se obvykle používají magnetické zesilovače nebo tyristorové měniče. V případě použití tyristorového měniče (obr. 8) pracuje zpravidla v pulzním režimu. V tomto případě je na statorových svorkách indukčního motoru udržováno určité průměrné napětí, které je nezbytné pro zajištění dané rychlosti.

Rýže. 8. Schéma impulsní regulace otáček indukčního motoru

K regulaci napětí na svorkách statoru motoru by se zdálo možné použít transformátor nebo autotransformátor se sekčním vinutím. Použití samostatných transformátorových bloků je však spojeno s velmi vysokými náklady a neposkytuje potřebnou kvalitu regulace, protože v tomto případě je možná pouze skoková změna napětí a je prakticky nemožné zavést úsekový spínací přístroj do automatický systém. Autotransformátory se někdy používají k omezení zapínacích proudů silných motorů.

Řízení rychlosti přepínáním sekcí vinutí statoru na různý počet párů pólů

Existuje řada výrobních mechanismů, které během technologického procesu musí pracovat na různých rychlostních úrovních, přičemž není potřeba plynulá regulace, ale stačí mít pohon s diskrétní, stupňovitou, změnou otáček. Mezi takové mechanismy patří některé kovoobráběcí a dřevoobráběcí stroje, výtahy atd.

Lze dosáhnout omezeného počtu pevných otáček vícerychlostní motory s kotvou nakrátko, ve kterém se vinutí statoru přepne na jiný počet pólových párů. Veverkový článek motoru s veverkovými články automaticky tvoří počet pólů rovný počtu pólů statoru.

Používají se dvě konstrukce motoru: s více vinutími v každé štěrbině statoru a s jediným vinutím, jehož sekce jsou spínány tak, aby produkovaly různý počet párů pólů.

Vícerychlostní motory s několika nezávislými statorovými vinutími jsou technicky a ekonomicky horší než jednovinutí vícerychlostní motory. U motorů s více vinutími je vinutí statoru využíváno neefektivně, vyplnění statorové štěrbiny je nedostatečné, účinnost a cosφ jsou pod optimem. Hlavní rozvod je tedy získáván z vícerychlostních jednovinutých motorů se spínáním vinutí na různém počtu pólových párů.

Při spínání sekcí se mění rozložení MDS ve vývrtu statoru. V důsledku toho se také mění rychlost otáčení MDS a tím i magnetický tok. Nejjednodušším způsobem je přepínání párů pólů s poměrem 1: 2. V tomto případě jsou vinutí každé fáze vyrobeny ve formě dvou sekcí.Změna směru proudu v jedné ze sekcí umožňuje snížit počet pólových párů na polovinu.

Uvažujme obvody statorového vinutí motoru, jehož sekce jsou přepnuty na osm a čtyři póly. Na Obr. 9 znázorňuje pro jednoduchost jednofázové vinutí. Když jsou dvě sekce zapojeny do série, to znamená, když je konec první sekce K1 spojen se začátkem druhé H2, dostaneme osm pólů (obr. 9, a).

Pokud změníme směr proudu ve druhém úseku na opačný, pak se počet pólů tvořených cívkou zmenší na polovinu a bude se rovnat čtyřem (obr. 9, b). Směr proudu ve druhé sekci lze změnit přemístěním propojky ze svorek K1, H2 na svorky K1, K2. Také čtyři póly lze získat paralelním spojením sekcí (obr. 9, c).

Rýže. 9. Přepínání sekcí vinutí statoru na jiný počet pólových párů

Mechanická charakteristika dvourychlostního motoru se spínaným statorovým vinutím je na Obr. deset.

Rýže. 10. Mechanická charakteristika asynchronního motoru při spínání statorového vinutí různého počtu pólových párů

Při přechodu ze schématu a na schéma b (obr. 9) je udržován konstantní výkon motoru na obou rychlostních úrovních (obr. 10, a). Při použití druhé možnosti řazení může motor vyvinout stejný točivý moment. Je možné přepínat sekce vinutí statoru, poskytující poměr rychlostí nejen 1: 2, ale i jiné. Kromě dvourychlostních motorů vyrábí průmysl také tří- a čtyřrychlostní motory.

Frekvenční řízení třífázových motorů

Jak vyplývá z výše uvedeného, ​​regulace otáček indukčního motoru je extrémně obtížná. Plynulá regulace otáček v širokém rozsahu při zachování dostatečné tuhosti charakteristiky je možná pouze při částečné regulaci. Změnou frekvence napájecího proudu a tedy i rychlosti otáčení magnetického pole je možné upravit rychlost otáčení rotoru motoru.

Pro řízení frekvence v instalaci je však zapotřebí frekvenční měnič, který dokáže převést konstantní frekvenční proud napájecí sítě 50 Hz na proud s proměnnou frekvencí plynule se měnící v širokém rozsahu.

Zpočátku byly pokusy použít měniče na elektrických strojích. Pro získání proudu s proměnnou frekvencí ze synchronního generátoru je však nutné otáčet jeho rotorem proměnlivou rychlostí. V tomto případě jsou úkoly regulace otáček běžícího motoru přiřazeny motoru, který pohání synchronní generátor v rotaci.

Kolektorový generátor, který může generovat proud s proměnnou frekvencí při konstantní rychlosti otáčení, také neumožnil vyřešit problém, protože za prvé je k jeho vybuzení potřeba proud s proměnnou frekvencí a za druhé, stejně jako všechny stroje na střídavé kolektory vznikají velké potíže zajišťující normální komutaci kolektoru.

V praxi se frekvenční řízení začalo rozvíjet s příchodem polovodičová zařízení… Zároveň se ukázalo, že je možné vytvořit frekvenční měniče pro řízení elektráren i výkonných motorů v servosystémech a servopohonech.

Spolu se složitostí návrhu frekvenčního měniče je také potřeba současně řídit dvě veličiny — frekvenci a napětí. Když se frekvence sníží, aby se snížila rychlost, lze rovnováhu EMF a síťového napětí udržet pouze zvýšením magnetického toku motoru. V tomto případě se magnetický obvod nasytí a statorový proud se intenzivně zvýší podle nelineárního zákona. V důsledku toho je provoz indukčního motoru v režimu řízení frekvence při konstantním napětí nemožný.

Snížením frekvence, aby byl magnetický tok nezměněn, je nutné současně snížit úroveň napětí. Při řízení frekvence je tedy nutné použít dva řídící kanály: frekvenci a napětí.

Rýže. 11. Mechanické vlastnosti asynchronního motoru při napájení napětím řízené frekvence a konstantním magnetickým tokem

Systémy řízení frekvence jsou obvykle stavěny jako systémy s uzavřenou smyčkou a více informací o nich je uvedeno zde: Regulace frekvence asynchronního motoru