Какие способы регулирования скорости двигателя наиболее экономичны
Регулирование скорости оборотов двигателя постоянного тока
С точки зрения регулирования скоростью вращения электродвигателей, интересно уравнение для электромеханических характеристик, соответствующее Второму закону Кирхгофа:
ω = U/C×Φ – ΥЯ /( C×Φ) 3 ×M
При описании технических характеристик электродвигателя скорость, выражаемая оборотами в минуту, зачастую называется частотой вращения ν по известному соотношению:
ω = 2p/T = 2pn
Поэтому эти две разноименные величины часто применяются в одном и том же смысле. Скорость w (частота ν) находится в прямой зависимости от напряжения питания U и в обратной от магнитного потока Ф. Исходя из приведенной выше формулы, возникает вывод, что скоростью можно управлять, регулируя сопротивление якоря, магнитный поток и напряжение питания.
Методы регулировки
Итак, различают три основных варианта регулирования скоростью:
К каждому из вариантов соответствует определённая зависимость механических характеристик.
Методы регулирования применительны к двигателям с различными:
На практике в современных электрических моторах, в связи с недостатками и ограниченности диапазонов, рассмотренные методы не всегда применяются.
Это еще связано с тем, что машины отличаются довольно небольшими КПД, и к тому же не позволяют плавно увеличивать или уменьшать частоту вращения.
Электронные же схемы управления с регуляторами частоты, работающими от аккумуляторной батареи на 12 В, напротив, широко используются. Например, они очень актуальны для управления низковольтными электродвигателями 12 вольт в приборах автоматики, детских игрушках, электрических велосипедах, аккумуляторных детских автомобилях.
Принципиальной особенностью метода является то, что ток в цепи якоря и момент, развиваемый электродвигателем, зависят лишь от величины нагрузки на его валу. Регулировка осуществляется с помощью регулятора оборотов электродвигателя.
В течение очень долгого времени тиристорные преобразователи являлись единственным коммерчески доступными регуляторами двигателей. К слову сказать, они по-прежнему самые распространенные на сегодняшний день. Однако с появлением силовых транзисторов стали наиболее популярными регуляторы оборотов двигателя постоянного тока с широтно-импульсной модуляцией. Приведём для примера ниже схему, работающую от источника постоянного тока 12 В.
Схема на практике даёт возможность, к примеру, увеличивать либо уменьшать яркость свечения ламп накаливания на 12 вольт.
Последовательно-параллельное управление используется в ситуациях, когда два или более агрегата постоянного тока соединены механически. Схема с последовательным соединением электродвигателей, в которой общее напряжение делится на всех, используется для низкоскоростных приложений. Схема с параллельным соединением машин, имеющих одинаковое напряжение, используется в высокоскоростных применениях.
Заключение
Рассмотренный метод регулировки напряжения сети считается самым эффективным и экономичным вариантом, так как:
Управление осуществляется плавно, и по точности регулировка частоты вращения является весьма высокой.
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
Из рис. 1 следует, что при увеличении сопротивления в цепи ротора при том же моменте частота вращения вала двигателя уменьшается.
Регулирование частоты вращения асинхронного двигателя изменением напряжения на статоре
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.
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.
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.
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.
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.
Регулирование скорости вращения двигателей переменного тока
Практика показывает, что во многих случаях, когда требуется получить глубокое и плавное регулирование скорости, применяют электроприводы постоянного тока. Использование таких двигателей даёт выгодное соотношение общей стоимости электропривода и его функциональных характеристик, поскольку именно двигатели постоянного тока позволяют более простыми средствами осуществить качественное регулирование скорости. Однако при использовании двигателей постоянного тока необходимо преобразовывать переменный ток в постоянный. Это преобразование всегда связано с потерями энергии и увеличением капитальных затрат на преобразовательную установку. Поэтому в ряде регулируемых установок применяют двигатели переменного тока, более простые, дешёвые, надёжные и экономичные в эксплуатации.
Чаще всего применяются асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором, реже асинхронные двигатели с контактными кольцами, иногда коллекторные двигатели переменного тока.
Синхронные двигатели широко используются в промышленных установках средней и большой мощности, не требующих регулирования скорости вращения. Хотя принципиально имеется возможность регулирования скорости вращения синхронных электродвигателей изменением частоты, однако, как правило, синхронные двигатели должны быть отнесены к числу нерегулируемых.
Наибольшее применение получили следующие способы регулирования скорости вращения асинхронного двигателя:
а) введением сопротивления в цепь ротора;
б) изменением числа пар полюсов;
в) изменением частоты питающего напряжения;
г) каскадным включением асинхронного двигателя с другими машинами или вентильными преобразователями.
Для целей регулирования скорости, кроме упомянутых, могут быть использованы некоторые специальные способы включения электрических двигателей: импульсное регулирование, регулирование с помощью дросселей насыщения и другие.
5.1. Регулирование скорости вращения асинхронного двигателя ведением сопротивления в цепь ротора.
Введение сопротивления в цепь ротора (реостатное регулирование) позволяет, как и у двигателей постоянного тока, регулировать скорость вращения двигателя. Плавность регулирования зависит от числа ступеней включаемого сопротивления. Регулирование осуществляется вниз от основной скорости, причём лучшее использование двигателя достигается при регулировании с постоянным моментом. Диапазон регулирования непостоянен и зависит от нагрузки. Жёсткость характеристик значительно уменьшается по мере снижения скорости, что ограничивает диапазон регулирования до (2÷3) : 1. Недостатком этого способа регулирования являются также значительные потери энергии.
Более благоприятным в отношении потерь энергии является реостатное регулирование скорости при вентиляторном моменте нагрузки, когда подводимая мощность значительно уменьшается по мере снижения скорости. Поэтому такой способ регулирования находит более широкое применение в приводах с вентиляторным моментом нагрузки, а также в механизмах с повторно-кратковременным режимом работы, как, например, в крановых устройствах.
5.2. Регулирование скорости вращения асинхронного двигателя изменением числа полюсов.
Синхронная угловая скорость асинхронного электродвигателя зависит от частоты f1 питающего напряжения и от числа пар полюсов статора p:
или синхронная скорость вращения
, об/мин.
Поэтому числом пар полюсов можно регулировать скорость вращения двигателя.
У двигателей с переключением числа полюсов обмотка каждой фазы состоит обычно из двух одинаковых частей, в одной из которых изменяется направление тока путём переключения этих частей с последовательного на параллельное соединение. Такое переключение (рис. 7.1) приводит к уменьшению числа полюсов вдвое и, следовательно, к увеличению вдвое синхронной скорости машины.
Рисунок.5.1. Схема переключения обмоток статора с последовательного на параллельное соединение.
Практически присоединение обмоток производится переключением обмотки статора по схеме, приведённой на рисунке 7.2, где осуществлён переход от одиночной звезды к двойной, или по схеме, где произведено переключение с треугольника на двойную звезду.
Кроме двухскоростных двигателей, применяются трёхскоростные двигатели, имеющие дополнительно ещё одну не переключаемую обмотку, а также четырёхскоростные двигатели, в статоре которых обычно закладывается две независимые обмотки на разные числа полюсов, каждая из которых переключается по одной из указанных выше схем.
Двигатели с переключением полюсов выполняют с короткозамкнутым ротором.
Регулирование скорости вращения переключением полюсов является не плавным, а ступенчатым. Вместе с тем рассматриваемый способ регулирования является весьма экономичным и отличается механическими характеристиками, обладающие большой жёсткостью.
Благодаря своим преимуществам двигатели с переключением полюсов находят широкое применение там, где не требуется плавного регулирования скорости, например в некоторых металлорежущих станках в целях уменьшения количества механических передач. Они применяются также для вентиляторов, насосов, элеваторов в цементной, нефтяной и других отраслях промышленности.
Рисунок 5.2.Схемы переключения обмоток статора на двойную звезду.
Регулирование частоты вращения асинхронного электродвигателя
Подписка на рассылку
Рисунок 1. Асинхронный двигатель Асинхронный двигатель (рис. 1) имеет неподвижную часть, которая называется статор, и вращающуюся часть, именуемую ротором. Магнитное поле создается в обмотке, размещенной в статоре. Такая конструкция электродвигателя позволяет регулировать частоту его вращения различными способами.
Основные технические характеристики, учитываемые при изменении частоты вращения
При регулировании частоты вращения асинхронных электродвигателей следует учитывать несколько основных технических показателей, которые в значительной мере влияют на процесс работы двигателей.
Есть несколько способов регулирования частоты вращения электродвигателя:
Регулирование частоты вращения изменением частоты питающей сети
Регулирование частоты вращения путем изменения частоты в питающей сети считается одним из самых экономичных способов регулирования, который позволяет добиться отличных механических характеристик электропривода. Когда происходит изменение частоты питающей сети, частота вращения магнитного поля также меняется.
Преобразование стандартной частоты сети, которая составляет 50 Гц, происходит за счет источника питания. Одновременно с изменением частоты происходит и изменение напряжения, которое необходимо для обеспечения высокой жесткости механических характеристик.
Регулирование частоты вращения позволяет добиться различных режимов работы электродвигателя:
В качестве источника питания для регулирования могут использоваться электромашинные вращающиеся преобразователи, а также статические преобразователи частоты, которые работают на полупроводниковых приборах, серийно выпускающихся промышленностью.
Несомненным преимуществом частотного регулирования является наличие возможности плавно регулировать частоту вращения в обе стороны от естественной характеристики. При регулировании достигается высокая жесткость характеристик и отличная перегрузочная способность.
Регулирование частоты вращения изменением числа полюсов
Регулирование частоты вращения путем изменения числа полюсов происходит за счет изменения частоты вращения магнитного поля статора. Частота питающей сети остается неизменной, в то время как происходит изменение частоты вращения магнитного поля и частоты вращения ротора. Они меняются обратно пропорционально числу полюсов. Например, число полюсов равно 2, 4, 6, 8, тогда обороты двигателя при изменении их количества будут составлять 3000, 1500, 1000, 750 оборотов в минуту.
Двигатели, которые обеспечивают переключение числа пар полюсов, имеют обычно короткозамкнутый ротор с обмоткой. Благодаря этому ротору обеспечивается возможность работы двигателя без дополнительных пересоединений в цепи.
Изменение частоты вращения включением в цепь ротора с реостатом
Еще одним способом изменения частоты вращения двигателя является включение в цепь ротора с реостатом. Такой метод имеет существенное ограничение, так как может быть применен только для двигателей с фазным ротором. Он обеспечивает плавное изменение частоты вращения в очень широких пределах. Минусом же являются большие потери энергии в регулировочном реостате.
Изменение направления вращения
Изменение направления вращения двигателя может быть осуществлено за счет изменения направления вращения магнитного поля, которое создается обмотками статора. Изменение направления вращения можно достичь, изменив порядок чередования тока в фазах обмотки статора.
Регулирование частоты вращения электродвигателей
Подписка на рассылку
Порядка 70 % потребляемой промышленностью мощности, приходится на электропривод. Огромное разнообразие технологических процессов диктует свои правила, вследствие чего, появилась необходимость в изменении скорости вращения электродвигателя непосредственно во время технологического процесса. В данной статье мы раскроем различные способы регулирования скорости вращения электродвигателей.
Параметры, изменив которые, мы изменим скорость двигателя переменного тока (ДПТ):
Изменяемые параметры для ДПТ:
Методы регулирования частоты вращения электродвигателя
Далее мы подробно рассмотрим эти способы и их применимость к различным типам электродвигателей.
Частотное регулирование
Наиболее эффективный, постоянно совершенствующийся способ.
Применение: двигатели переменного тока (синхронные и асинхронные с кз ротором).
Корректируя частоту питающего напряжения, мы изменим угловую скорость магнитного поля статора, следовательно, скорость двигателя в значительном диапазоне, имея достаточно жесткие механические характеристики. Для сохранения в норме коэффициента мощности и допустимости кратковременных перегрузок, меняя частоту, следует изменять и саму величину питающего напряжения.
Преимущества способа:
Регулирование изменением числа пар полюсов
Применение: т.к. промышленность не выпускает серийно синхронные двигатели с изменяемым количеством пар полюсов, будем считать, что способ актуален только для асинхронных двигателей (далее АД) с кз ротором.
Способ реализуется изменением числа пар полюсов у обмоток. Этого можно добиться, изготовив двигатель с двумя независимыми обмотками. Но этот метод приводит к удорожанию конструкции и увеличению размеров машины. Поэтому наиболее выгодным является увеличение числа пар полюсов без использования второй независимой обмотки.
Промышленностью выпускаются двухскоротсные, трёхскоростные и четырёхскоростные электродвигатели.
Достоинства:
Недостатки:
Изменение питающего напряжения
Применение: асинхронные двигатели.
Добавочное сопротивление в цепи ротора 
Применение: АД с фазным ротором.
При изменении сопротивления ротора прямо пропорционально изменяется скольжение. Но величина критического момента остается постоянной. Это позволяет подобрать сопротивления так, чтобы уравнять критический момент с пусковым, что благоприятно сказывается на пуске двигателя под нагрузкой.
Достоинства способа:
Недостатки:
Асинхронный вентильный каскад
Асинхронный вентильный каскадПрименение: АД с фазным ротором.
Достоинства:
Недостатки:
Изменение напряжения питания якоря
Применение: любые ДПТ.
Способ можно использовать если источником электрической энергии является генератор. Реализовать от общей сети невозможно.
Достоинства:
Недостатки:
Введение добавочного резистора в цепь якоря
Применение: любые ДПТ.
Заключается в последовательном включении в цепь якоря регулировочного реостата. Но способ не получил распространения ввиду своей неэкономичности и плохого влияния на КПД двигателя, т.к. в цепи реостата теряется очень большое количество энергии.
Регулирование изменением магнитного потока
В цепь возбуждения двигателей параллельного и смешанного возбуждения подключается реостат. В машинах последовательного возбуждения изменение магнитного потока в обмотке возбуждения производится шунтированием этой обмотки регулируемым сопротивлением. Максимальная скорость вращения двигателя ограничивается лишь механической прочностью якоря. Скорость двигателя регулируется в диапазонах 2:1-5:1, в частных случаях 8-10:1.
Преимущества:
Недостатки: