Trefas motorstyrning, metoder för motorvarvtalsreglering

Styrningen av asynkronmotorer kan antingen vara parametrisk, det vill säga genom att ändra parametrarna för maskinkretsarna, eller genom en separat omvandlare.

Parametrisk kontroll

Den kritiska slirningen beror svagt på statorkretsens aktiva motstånd. När ytterligare motstånd införs i statorkretsen minskar värdet något. Det maximala vridmomentet kan reduceras avsevärt. Som ett resultat kommer den mekaniska egenskapen att ha den form som visas i fig. 1.

Ris. 1. Mekaniska egenskaper hos en asynkronmotor vid ändring av parametrarna för den primära och sekundära kretsen: 1 — naturlig, 2 och 3 — med införandet av ytterligare aktivt och induktivt motstånd i statorkretsen

Genom att jämföra det med motorns naturliga egenskaper kan vi dra slutsatsen att införandet av ytterligare motstånd i statorkretsen har liten effekt på hastigheten. Vid konstant statiskt vridmoment kommer hastigheten att minska något.Därför är denna hastighetskontrollmetod ineffektiv och används inte i denna enklaste version.

Att införa induktivt motstånd i statorkretsen är också ineffektivt. Kritisk slirning kommer också att minska något, och motorns vridmoment reduceras avsevärt på grund av det ökade luftmotståndet. Motsvarande mekaniska egenskaper visas i samma figur. 1.

Ibland införs ett extra motstånd i statorkretsen för att begränsa inkopplingsströmmar… I det här fallet används vanligtvis drosslar som extra induktivt motstånd och tyristorer som aktiva (Fig. 2).

Ris. 2. Inklusive tyristorer i statorkretsen

Det bör dock komma ihåg att detta avsevärt minskar inte bara det kritiska, utan också motorns startmoment (i c = 1), vilket innebär att start under dessa förhållanden endast är möjligt med ett litet statiskt moment. Införandet av ytterligare motstånd i rotorkretsen är naturligtvis endast möjligt för en lindad rotormotor.

Det extra induktiva motståndet i rotorkretsen har samma effekt på motorns varvtal som när den införs i statorkretsen.

I praktiken är användningen av induktiv resistans i en rotorkrets extremt svår på grund av att den måste arbeta med en variabel frekvens - från 50 Hz till flera hertz och ibland bråkdelar av en hertz. Under sådana förhållanden är det mycket svårt att skapa en choke.

Vid låg frekvens kommer induktorns aktiva motstånd främst att påverka. Baserat på ovanstående överväganden används aldrig induktivt motstånd i rotorkretsen för varvtalsreglering.

Det mest effektiva sättet för parametrisk varvtalsreglering är att införa ytterligare aktivt motstånd i rotorkretsen. Detta ger oss en familj av egenskaper med konstant maximalt vridmoment. Dessa egenskaper används för att begränsa strömmen och bibehålla ett konstant vridmoment, och kan även användas för att styra hastigheten.

I fig. 3 visar hur man genom att ändra r2, dvs. input rext är det möjligt att vid något statiskt ögonblick ändra hastigheten över ett brett område — från nominell till noll. I praktiken är det dock möjligt att justera hastigheten endast för tillräckligt stora värden av det statiska momentet.

Ris. 3. Mekaniska egenskaper hos en asynkronmotor med införandet av ytterligare motstånd i rotorkretsen

Vid låga värden på (Mo) i nästan tomgångsläge reduceras hastighetskontrollområdet kraftigt och mycket stora extra motstånd måste införas för att minska hastigheten avsevärt.

Man bör komma ihåg att vid drift vid låga hastigheter och med höga statiska vridmoment kommer hastighetsstabiliteten att vara otillräcklig, eftersom på grund av egenskapernas höga branthet kommer små fluktuationer i vridmomentet att orsaka betydande förändringar i hastigheten.

Ibland, för att åstadkomma acceleration av motorn utan successiv borttagning av reostatsektionerna, är en reostat och en induktiv spole anslutna parallellt med rotorringarna (fig. 4).

Ris. 4. Parallellkoppling av ytterligare aktivt och induktivt motstånd i asynkronmotorns rotorkrets

I det initiala startögonblicket, när strömfrekvensen i rotorn är hög, stängs strömmen huvudsakligen genom reostaten, d.v.s.genom ett stort motstånd som ger ett tillräckligt högt startmoment. När frekvensen minskar minskar det induktiva motståndet och strömmen börjar sluta genom induktansen också.

När driftshastigheter uppnås, när glidningen är liten, flyter strömmen huvudsakligen genom induktorn, vars resistans vid låg frekvens bestäms av lindningens elektriska resistans rrev. Vid uppstart ändras således sekundärkretsens externa motstånd automatiskt från rreost till roro, och acceleration sker med praktiskt taget konstant vridmoment.

Parametrisk styrning är naturligt förknippad med stora energiförluster. Slirenergin, som i form av elektromagnetisk energi överförs genom gapet från statorn till rotorn och vanligtvis omvandlas till mekanisk, med ett stort motstånd i sekundärkretsen, går huvudsakligen till att värma detta motstånd, och vid s = 1 all energi som överförs från stator till rotor, kommer att förbrukas i sekundärkretsens reostater (fig. 5).

Ris. 5. Förluster i sekundärkretsen vid justering av hastigheten på en asynkronmotor genom att införa ytterligare motstånd i rotorkretsen: I — zon med användbar kraft som överförs till motoraxeln, II — zon för förluster i sekundärkretsens resistanser

Därför används parametrisk styrning huvudsakligen för kortvarig hastighetsminskning under den tekniska processen som utförs av arbetsmaskinen.Endast i de fall där hastighetsregleringsprocesser kombineras med start och stopp av arbetsmaskinen, som till exempel i lyftinstallationer, används parametrisk styrning med införande av ytterligare motstånd i rotorkretsen som det huvudsakliga medlet för hastighetsreglering.

Hastighetsreglering genom att variera spänningen som appliceras på statorn

När du justerar hastigheten på en induktionsmotor genom att ändra spänningen, förblir formen på den mekaniska egenskapen oförändrad, och momenten minskar i proportion till kvadraten på spänningen. De mekaniska egenskaperna vid olika spänningar visas i fig. 6. Som du kan se, vid användning av konventionella motorer, är hastighetskontrollområdet mycket begränsat.

Ris. 6... Reglering av hastigheten på en induktionsmotor genom att ändra spänningen i statorkretsen

Ett lite bredare utbud kan uppnås med en motor med hög slirning. Men i detta fall är de mekaniska egenskaperna branta (fig. 7) och stabil drift av motorn kan endast uppnås med användning av ett slutet system som ger hastighetsstabilisering.

När det statiska vridmomentet ändras bibehåller styrsystemet en given hastighetsnivå och en övergång från en mekanisk egenskap till en annan sker, vilket gör att driften fortsätter med de egenskaper som visas av de streckade linjerna.

Ris. 7. Mekaniska egenskaper vid justering av statorspänningen i ett slutet system

När frekvensomriktaren är överbelastad når motorn gränskarakteristiken som motsvarar den maximalt möjliga spänningen som omvandlaren ger, och när belastningen ökar ytterligare kommer varvtalet att minska enligt denna karakteristik. Vid låg belastning, om omvandlaren inte kan minska spänningen till noll, kommer det att ske en hastighetsökning enligt AC-karakteristiken.

Magnetiska förstärkare eller tyristoromvandlare används vanligtvis som en spänningsstyrd källa. Vid användning av en tyristoromvandlare (fig. 8) fungerar den senare vanligtvis i pulsläge. I detta fall upprätthålls en viss medelspänning vid induktionsmotorns statorterminaler, vilket är nödvändigt för att säkerställa en given hastighet.

Ris. 8. Schema för impulshastighetskontroll av en induktionsmotor

För att reglera spänningen vid motorns statorterminaler verkar det möjligt att använda en transformator eller autotransformator med sektionslindningar. Användningen av separata transformatorblock är dock förknippad med mycket höga kostnader och ger inte den nödvändiga kvaliteten på regleringen, eftersom i detta fall endast en stegvis ändring av spänningen är möjlig, och det är praktiskt taget omöjligt att införa en sektionsomkopplingsanordning i en automatiskt system. Autotransformatorer används ibland för att begränsa inkopplingsströmmarna hos kraftfulla motorer.

Hastighetskontroll genom att byta statorlindningssektioner till olika antal polpar

Det finns ett antal produktionsmekanismer som under den tekniska processen måste fungera på olika hastighetsnivåer, samtidigt som det inte finns något behov av smidig reglering, utan det räcker med en drivning med en diskret, stegvis, hastighetsändring. Sådana mekanismer inkluderar vissa metallbearbetnings- och träbearbetningsmaskiner, hissar etc.

Ett begränsat antal fasta rotationshastigheter kan uppnås flerhastighets ekorrburmotorer, där statorlindningen växlar till ett annat antal polpar. Ekorrcellen i en ekorrcellsmotor bildar automatiskt antalet poler lika med antalet statorpoler.

Två motorkonstruktioner används: med flera lindningar i varje statorslits och med en enda lindning vars sektioner växlas för att producera ett annat antal polpar.

Flerhastighetsmotorer med flera oberoende statorlindningar är sämre än enkellindade flerhastighetsmotorer i tekniska och ekonomiska termer. I flerlindade motorer används statorlindningen ineffektivt, fyllningen av statorslitsen är otillräcklig, effektiviteten och cosφ är under optimal. Därför erhålls huvudfördelningen från flerhastighets enkellindade motorer med omkoppling av lindningarna på olika antal polpar.

Vid sektionsbyte ändras MDS-fördelningen i statorhålet. Som ett resultat ändras även MDS:s rotationshastighet, och därmed det magnetiska flödet. Det enklaste sättet är att byta polpar med förhållandet 1: 2. I det här fallet är lindningarna i varje fas gjorda i form av två sektioner.Genom att ändra strömriktningen i en av sektionerna kan du halvera antalet polpar.

Tänk på kretsarna för motorns statorlindning, vars sektioner är omkopplade till åtta och fyra poler. I fig. 9 visar en enfaslindning för enkelhets skull. När två sektioner är seriekopplade, det vill säga när slutet av den första sektionen K1 är ansluten till början av den andra H2, får vi åtta poler (fig. 9, a).

Om vi ​​ändrar strömriktningen i den andra sektionen till motsatt, kommer antalet poler som bildas av spolen att reduceras med hälften och kommer att vara lika med fyra (fig. 9, b). Strömmens riktning i den andra sektionen kan ändras genom att överföra bygeln från klämmorna K1, H2 till klämmorna K1, K2. Dessutom kan fyra poler erhållas genom att parallellkoppla sektioner (fig. 9, c).

Ris. 9. Växla sektioner av statorlindningen till ett annat antal polpar

De mekaniska egenskaperna hos en tvåväxlad motor med omkopplade statorlindningar visas i fig. tio.

Ris. 10. Mekaniska egenskaper hos en induktionsmotor vid omkoppling av statorlindningen för olika antal polpar

Vid byte från schema a till schema b (fig. 9) bibehålls konstant motoreffekt vid båda hastighetsnivåerna (fig. 10, a). När du använder det andra växlingsalternativet kan motorn utveckla samma vridmoment. Det är möjligt att byta sektioner av statorlindningen, vilket ger ett hastighetsförhållande inte bara 1: 2, utan även andra. Förutom tvåväxlade motorer tillverkar industrin även tre- och fyrväxlade motorer.

Frekvensstyrning av trefasmotorer

Som följer av ovanstående är hastighetsregleringen av induktionsmotorn extremt svår. Steglöst variabel hastighetskontroll över ett brett område med bibehållen tillräcklig styvhet av egenskaper är endast möjlig med partiell kontroll. Genom att ändra frekvensen på matningsströmmen och därför magnetfältets rotationshastighet är det möjligt att justera motorrotorns rotationshastighet.

Men för att styra frekvensen i installationen behövs en frekvensomvandlare, som skulle kunna omvandla en konstant frekvensström i försörjningsnätet på 50 Hz till en variabel frekvensström som varierar jämnt över ett brett område.

Inledningsvis gjordes försök att använda omvandlare på elektriska maskiner. För att erhålla ström med variabel frekvens från en synkrongenerator är det emellertid nödvändigt att rotera rotorn med variabel hastighet. I det här fallet tilldelas uppgifterna att reglera hastigheten på den löpande motorn till motorn som driver den synkrona generatorn i rotation.

Kollektorgeneratorn, som kan generera en ström med variabel frekvens med konstant rotationshastighet, tillät inte heller att lösa problemet, eftersom det för det första behövs en ström med variabel frekvens för att excitera den, och för det andra, som alla AC-kollektormaskiner , uppstår stora svårigheter, vilket säkerställer normal kommutering av samlaren.

I praktiken började frekvenskontroll utvecklas med tillkomsten av halvledarenheter… Samtidigt visade det sig vara möjligt att skapa frekvensomformare för styrning av både kraftverk och executive motorer i servosystem och servodrivningar.

Tillsammans med komplexiteten i att designa en frekvensomformare, finns det också ett behov av att samtidigt styra två storheter - frekvens och spänning. När frekvensen minskar för att minska hastigheten kan EMF och nätspänningsbalansen endast upprätthållas genom att öka motorns magnetiska flöde. I detta fall kommer den magnetiska kretsen att mättas och statorströmmen kommer att öka intensivt enligt en icke-linjär lag. Som ett resultat är driften av en induktionsmotor i frekvensstyrningsläge vid konstant spänning omöjlig.

Genom att minska frekvensen, för att hålla det magnetiska flödet oförändrat, är det nödvändigt att samtidigt minska spänningsnivån. Vid frekvensstyrning måste alltså två styrkanaler användas: frekvens och spänning.

Ris. 11. Mekaniska egenskaper hos en induktionsmotor när den förses med spänning med kontrollerad frekvens och konstant magnetiskt flöde

Frekvensstyrningssystem byggs vanligtvis som slutna system och mer information om dem ges här: Frekvensreglering av en asynkronmotor