В настоящее время используются несколько основных способов регулирования координат асинхронных электродвигателей, далее АД:
- Дополнительные активные и реактивные сопротивления в обмотках статора и/или ротора
- Запуск АД по схеме "звезда-треугольник"
- Устройство плавного пуска
- Преобразователь частоты
Под регулированием координат понимается как запуск АД, так и управление его скоростью или моментом.
Бывают и другие менее распространенные способы регулирования координат АД. Например, система генератор-двигатель, тиристорный регулятор напряжения, непосредственный преобразователь частоты, асинхронно-вентильный каскад, машина двойного питания и многоскоростные машины. О некоторых из этих способов мы поговорим с вами в отдельных статьях.
Использование дополнительных активных и реактивных сопротивлений в обмотках статора и/или ротора
До развития преобразовательной техники использовались более простые, с точки зрения реализации, способы регулирования координат асинхронного двигателя. Если сравнить АД с КЗ и АД с фазным ротором, то для использования способа дополнительных сопротивлений наиболее простым является подключение дополнительных активных сопротивлений в фазные обмотки ротора. В связи с чем до появления преобразователей частоты АД с фазным ротором были более распространены нежели АД с КЗ ротором.
Чем больше суммарное активное сопротивление обмотки ротора, тем менее жесткой становится механическая характеристика электродвигателя (Рис.1, а). Это означает, что незначительное изменение момента нагрузки приводит к существенному изменению скорости электродвигателя.
Помимо использования активного сопротивления можно регулировать координаты асинхронного двигателя введением дополнительного индуктивного сопротивления в цепь статора или ротора (Рис.1, б). Форма характеристики похожа на форму характеристики при изменении подводимого к статору напряжения, однако величина критического скольжения изменяется с изменением характеристики.
Запуск АД по схеме "звезда-треугольник" и устройство плавного пуска
Еще один способ регулирования координат асинхронного двигателя это изменение подводимого к статору напряжения (Рис.1, в). При регулировании скорости асинхронного двигателя изменением напряжения форма механической характеристики сохраняется неизменной, а критический момент снижается пропорционально квадрату напряжения:
Величина критического скольжения для всего семейства характеристик не меняется.
Именно такой способ реализован в устройствах плавного пуска, а также при пуске АД с помощью схемы "звезда-треугольник". Различие заключается в том, что устройства плавного пуска обеспечивают плавное повышение напряжения на обмотках статора за счет встроенного тиристорного моста. В то время как в схеме "звезда-треугольник" переключение происходит дискретно.
В начальный момент времени обмотки АД соединяются в звезду, таким образом, происходит снижение фазного напряжения по сравнению с линейным в корень из трех раз, линейный и фазный токи равны:
После того, как двигатель набрал необходимые обороты, т. е. разогнался, с помощью релейно-контакторной схемы обмотки переключаются со «звезды» на «треугольник», при этом фазное напряжение становится равным линейному напряжению, фазный ток увеличивается пропорционально фазному напряжению, линейный ток превышает фазный в корень из трех раз.
Следует отметить, что пуск при пониженном напряжении имеет существенный недостаток – пусковой момент асинхронного двигателя прямо пропорционален квадрату напряжения. Поэтому такой способ пуска не подходит для нагрузок с постоянным моментом сопротивления (нагруженные конвейеры, экструдеры, подъемно-транспортное оборудование, центрифуги), требующих высокого пускового момента для преодоления момента инерции, момента трения и момента сопротивления нагрузки.
Преобразователь частоты
И последний способ, который мы рассмотрим сегодня – это регулирование частоты вращения асинхронного двигателя (Рис.1, г). Именно этот способ используется в преобразователях частоты и является наиболее простым и надежным в настоящее время.
Преобразователи частоты предназначены для управления асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором. Однако если требуется управлять двигателем с фазным ротором, то обмотки ротора можно замкнуть накоротко.
Преобразователи частоты могут осуществлять регулирование как скорости, так и момента асинхронного электродвигателя за счет двухэтапного преобразования напряжения. Синусоидальное трехфазное напряжения сети преобразуется сначала в выпрямленное напряжение на звене постоянного тока, а затем в напряжение широтно-импульсной модуляции нужной амплитуды и частоты на выходе ПЧ.
Схема трехфазного мостового инвертора состоит из трех плечей с транзисторными ключами и включенными параллельно диодами обратного тока. К средним точкам каждого плеча подключено начало фазной обмотки статора асинхронного двигателя, если обмотки статора соединены звездой, или угол треугольника при соединении обмоток статора в треугольник.
ШИМ модуляция формирует напряжение, состоящее из прямоугольных импульсов. Ток при этом имеет пульсирующую синусоидальную форму, повторяющую прямоугольные импульсы напряжения.
Важную роль для формирования ШИМ играют:
- Заданная в параметрах ПЧ частота коммутации, которая определяет частоту пилообразного напряжения
- Величина выпрямленного напряжения на шине постоянного тока, которая определяет величину опорного напряжения Uоп.
- Управляющие сигналы напряжения u1A*, u1B* и u1C* , которые представляют собой трехфазную систему синусоидальных напряжений, сдвинутых между собой на 120 градусов.
Изменение частоты напряжение на выходе инвертора достигается изменением частоты управляющих сигналов, а изменение амплитуды – изменением их амплитуды.
Более подробно принцип действия, конструкцию преобразователя частоты, а также законы управления мы разберем в следующих статьях.
С уважением,
Команда CHINT
Используемая литература:
Кацман М.М. Электрические машины. Учебное издание. Учебник для учащихся электротехнических специальностей техникумов. Издание 2-е, переработанной и дополненное. (Москва: Издательство «Высшая школа», 1990)