Управление синхронным двигателем с постоянными магнитами преобразователем частоты Danfoss

Управление синхронным двигателем с постоянными магнитами преобразователем частоты Danfoss

Синхронные двигатели с постоянными магнитами или магнитоэлектрические машины не имеют обмоток возбуждения на роторе. Вращение осуществляется за счет взаимодействия магнитных полей обмоток статора и постоянных магнитов, размещенных на роторе электрической машины.

Синхронные машины с постоянными магнитами совмещают простоту конструкции двигателей переменного тока и возможности управления ДПТ. Они обладают следующими преимуществами:

• Высокий к.п.д. во всем диапазоне частот вращения ротора, в том числе, и на пониженных скоростях.
• Простота конструкции и отсутствие потерь на возбуждение.
• Невысокая инерция при значительном моменте.
• Небольшие габариты. Например, асинхронная машина аналогичной мощности и класса энергоэффективности в 2 раза больше синхронного двигателя.
• Поддержание момента на валу, независимо от скорости вращения ротора.

Синхронные двигатели с постоянными магнитами выпускают малой и средней мощности. Их широко применяют в системах автоматики, оборудовании с высокими требованиями к стабильности частоты вращения.

К недостаткам синхронных машин относятся необходимость применения дополнительного оборудования для пуска и входа в синхронный режим, возможность размагничивания ротора при высоких температурах, необходимость установки датчиков обратной связи. Появление частотных преобразователей и современных материалов для магнитов позволило решить эти проблемы.

Конструкция электрических машин синхронного типа с постоянными магнитами

СДПМ состоит из подвижной (ротора) и неподвижной (статора) части. Исполнение ротора различается:

• По установке магнитов. Они могут размещаться на поверхности (SPMSM ) и внутри (IPMSM) вращающегося узла. Роторы со встроенными магнитами применяются в двигателях, работающих при значительной нагрузке на валу и высоких скоростях. Стоимость таких роторов существенно выше.
• По конструкции (явнополюсные и неявнополюсные роторы). Последние имеют равную индуктивность по осям горизонтальной плоскости. Роторы с явновыраженными полюсами имеют разное отношение индуктивности.

Постоянные магниты изготавливают из ферритов, сплавов редкоземельных металлов и других материалов с высокой коэрцитивной силой.

Статор синхронных электрических машин состоит из сердечника, набранного из листов электротехнической стали, и двух- или трехфазной обмотки. Различают статоры с распределенной и сосредоточенной обмоткой. Первая имеет различное положения витков в магнитном поле. Витки в сосредоточенных обмотках имеют одинаковое положение.

Сосредоточенная обмотка:

Распределенная обмотка:

Принцип работы синхронного двигателя

Принцип работы синхронных машин основан на законе Ампера. Вращающий момент появляется при взаимодействии поля ротора, образуемого постоянными магнитами, и магнитного поля обмоток статора. Синхронный двигатель не может запуститься при прямом включении в сеть. Для этого применяют:

• Запуск при помощи дополнительного двигателя. Для этого вал СДПМ соединяют с валом другой электрической машины. Такой способ дорог и практически не применяется.
• Пуск в асинхронном режиме. Роторы таких электродвигателей имеют короткозамкнутую обмотку типа “ беличья клетка”. При этом пуск происходит в асинхронном режиме. После входа в синхронизм, стержневая обмотка ротора отключается.
• Запуск при помощи частотного преобразователя. При этом ПЧ включается в цепь обмотки статора и подает на них напряжение плавно увеличивающейся частоты.

Управление синхронным двигателем с постоянными магнитами

Управление синхронными машинами осуществляется при помощи частотных преобразователей и сервоконтроллеров. Существует насколько принципов управления СДПМ. Выбор схемы осуществляется исходя из требований к электроприводу и экономической целесообразности. Наиболее распространенные схемы реализации управления синхронным электроприводом:

Скалярное

Такая схема отличатся простотой и дешевизной. При низких скоростях вращения и переменной нагрузке на валу, такой метод не подходит. При превышении нагрузки предельного момента силы на валу, электрическая машина выходит из синхронного режима и становится неуправляемой.

Векторное

Векторное управление синхронным двигателем с постоянными магнитами реализуется 3 способами:

• Полеориентированное управление с датчиком положения. Первая схема позволяет осуществлять плавное регулирование частоты вращения и момента на валу, а также задавать точное положение ротора. В качестве датчиков применяются оптические, магнитные и магниторезистивные устройства, синусно-косинусные вращающиеся трансформаторы, индуктивные энкодеры и другие устройства. Такие схемы требуют наличия контроллеров и точной настройки. Их стоимость достаточно высока. Применять схемы векторного управления имеет смысл только в претенциозных электроприводах высокоточных станков, дозаторов и т.д.
• Полеориентированное управление синхронными машинами без датчика обратной связи. Принцип определения угла поворота ротора при таком методе основан на генерации электродвигателем противо ЭДС при вращении. Вычисление ее величины позволяет определить положение ротора в стационарной системе координат. Управление без датчика не подходит при невысоких скоростях вращения, так как величина обратной ЭДС слишком мала и не превышает уровень обычных электромагнитных шумов. Кроме того, при неподвижном роторе противо ЭДС не генерируется вовсе. Схема без датчика позволяет изменять характеристики электропривода СДПМ с явнополюсным ротором. При использовании синхронных машин другого типа диапазон регулировки сильно снижается. Для этой схемы необходим процессорный управляющий блок.
• Прямое управление моментом. Такая схема обеспечивает хорошие динамические характеристики электропривода и широкий диапазон регулировки. Ограничивают ее применение значительная погрешность определения положения ротора и высокие пульсации тока статора и момента на валу. Кроме того, прямое управление создает высокую вычислительную нагрузку, для таких схем требуется мощное процессорное устройство.

Трапециидальное управление

Такая схема применяется для вентильных двигателей. Конструкция таких машин ничем не отличаются от СДПМ. Главная их особенность – принцип питания. На обмотки статора ВД подается трапециевидное напряжение. Переключение по фазам осуществляется в зависимости от угла поворота ротора.

Схемы управления ВД также бывают с датчиком и без них. В качестве устройства, обеспечивающего обратную связь, обычно используются датчики Холла. Чем больше их количество, тем точнее определяется угол поворота. Например, 3 датчика Холла позволяют определить положение ротора с точностью ±300. Бездатчиковые системы управления определяют положения по заранее известным функциям. Такие схемы применяются для решения несложных задач.

Основные направления развития контроллеров и преобразователей частоты Danfoss для СДПМ

Синхронные электродвигатели с постоянными магнитами превосходят машины постоянного тока по возможности и точности управления. Они позволяют реализовать множество схем и алгоритмов. Ведущие производители электротехники для приводов, в том числе, компания Danfoss разработали несколько линеек контроллеров и преобразователей частоты для электродвигателей такого типа. Ведутся дальнейшие разработки в следующих направлениях:

• Повышения точности отработки управляющего сигнала. Возможности изменять подсинхронные скорости вращения, определять границы динамических режимов, осуществлять регулирование во всем допустимом диапазоне.
• Снижения энергопотребления. Разрабатываются алгоритмы, оптимизирующие потребляемую СДПМ мощность путем подачи размагничивающих токов.
• Увеличения стабильности момента на малых оборотах путем устранения пульсаций.
• Упрощения алгоритмов управления, что позволит применять более дешевые контроллеры и ПЧ.
• Уменьшения количество датчиков. Безэнкодерный электропривод более надежен, однако, более чувствителен к разбросу характеристик.
• Уменьшения чувствительности привода к помехам. При усилении противо ЭДС на низких оборотах в полеориентированных схемах управления без датчика обратной связи, возрастает чувствительность к помехам.
• Создания контроллеров для использования СДПМ в качестве серводвигателей в сложных динамических системах с высокими требованиями к точности отработки команд.

Компания Danfoss может предложить технические решения управления синхронными двигателями с постоянными магнитами, отвечающими современным требованиям к электроприводу.

Электродвигатели постоянного тока. Устройство и работа. Виды

Электрические двигатели, приводящиеся в движение путем воздействия постоянного тока, применяются значительно реже, по сравнению с двигателями, работающими от переменного тока. В бытовых условиях электродвигатели постоянного тока используются в детских игрушках, с питанием от обычных батареек с постоянным током. На производстве электродвигатели постоянного тока приводят в действие различные агрегаты и оборудование. Питание для них подводится от мощных батарей аккумуляторов.

Устройство и принцип работы

Электродвигатели постоянного тока по конструкции подобны синхронным двигателям переменного тока, с разницей в типе тока. В простых демонстрационных моделях двигателя применяли один магнит и рамку с проходящим по ней током. Такое устройство рассматривалось в качестве простого примера. Современные двигатели являются совершенными сложными устройствами, способными развивать большую мощность.

Главной обмоткой двигателя служит якорь, на который подается питание через коллектор и щеточный механизм. Он совершает вращательное движение в магнитном поле, образованном полюсами статора (корпуса двигателя). Якорь изготавливается из нескольких обмоток, уложенных в его пазах, и закрепленных там специальным эпоксидным составом.

Статор может состоять из обмоток возбуждения или из постоянных магнитов. В маломощных двигателях используют постоянные магниты, а в двигателях с повышенной мощностью статор снабжен обмотками возбуждения. Статор с торцов закрыт крышками со встроенными в них подшипниками, служащими для вращения вала якоря. На одном конце этого вала закреплен охлаждающий вентилятор, который создает напор воздуха и прогоняет его по внутренней части двигателя во время работы.

Принцип действия такого двигателя основывается на законе Ампера. При размещении проволочной рамки в магнитном поле, она будет вращаться. Проходящий по ней ток создает вокруг себя магнитное поле, взаимодействующее с внешним магнитным полем, что приводит к вращению рамки. В современной конструкции мотора роль рамки играет якорь с обмотками. На них подается ток, в результате вокруг якоря создается магнитное поле, которое приводит его во вращательное движение.

Для поочередной подачи тока на обмотки якоря применяются специальные щетки из сплава графита и меди.

Выводы обмоток якоря объединены в один узел, называемый коллектором, выполненным в виде кольца из ламелей, закрепленных на валу якоря. При вращении вала щетки по очереди подают питание на обмотки якоря через ламели коллектора. В результате вал двигателя вращается с равномерной скоростью. Чем больше обмоток имеет якорь, тем равномернее будет работать двигатель.

Щеточный узел является наиболее уязвимым механизмом в конструкции двигателя. Во время работы медно-графитовые щетки притираются к коллектору, повторяя его форму, и с постоянным усилием прижимаются к нему. В процессе эксплуатации щетки изнашиваются, а токопроводящая пыль, являющаяся продуктом этого износа, оседает на деталях двигателя. Эту пыль необходимо периодически удалять. Обычно удаление пыли выполняют воздухом под большим давлением.

Щетки требуют периодического их перемещения в пазах и продувки воздухом, так как от накопившейся пыли они могут застрять в направляющих пазах. Это приведет к зависанию щеток над коллектором и нарушению работы двигателя. Щетки периодически требуют замены из-за их износа. В месте контакта коллектора со щетками также происходит износ коллектора. Поэтому при износе якорь снимают и на токарном станке протачивают коллектор. После проточки коллектора изоляция, находящаяся между ламелями коллектора стачивается на небольшую глубину, чтобы она не разрушала щетки, так как ее прочность значительно превышает прочность щеток.

Виды

Электродвигатели постоянного тока разделяют по характеру возбуждения:

Независимое возбуждение

При таком характере возбуждения обмотка подключается к внешнему источнику питания. При этом параметры двигателя аналогичны двигателю на постоянных магнитах. Обороты вращения настраиваются сопротивлением обмоток якоря. Скорость регулируют специальным регулировочным реостатом, включенным в цепь обмоток возбуждения. При значительном снижении сопротивления или при обрыве цепи ток якоря повышается до опасных величин.

Электродвигатели с независимым возбуждением запрещается запускать без нагрузки или с небольшой нагрузкой, так как его скорость резко возрастет, и двигатель выйдет из строя.

Параллельное возбуждение

Обмотки возбуждения и ротора соединяются параллельно с одним источником тока. При такой схеме ток обмотки возбуждения значительно ниже тока ротора. Параметры двигателей становятся слишком жесткими, их можно применять для привода вентиляторов и станков.

Регулировка оборотов двигателя обеспечивается реостатом в последовательной цепи с обмотками возбуждения или в цепи ротора.

Последовательное возбуждение

В этом случае возбуждающая обмотка подключается последовательно с якорем, в результате чего по этим обмоткам проходит одинаковый ток. Обороты вращения такого мотора зависят от его нагрузки. Двигатель нельзя запускать на холостом ходу без нагрузки. Однако такой двигатель обладает приличными пусковыми параметрами, поэтому подобная схема используется в работе тяжелого электротранспорта.

Смешанное возбуждение

Такая схема предусматривает применение двух обмоток возбуждения, находящихся парами на каждом полюсе двигателя. Эти обмотки можно соединять двумя способами: с суммированием потоков, либо с их вычитанием. В итоге электродвигатель может обладать такими же характеристиками, как у двигателей с параллельным или последовательным возбуждением.

Чтобы заставить двигатель вращаться в другую сторону, на одной из обмоток изменяют полярность. Для управления скоростью вращения мотора и его запуском используют ступенчатое переключение разных резисторов.

Особенности эксплуатации

Электродвигатели постоянного тока отличаются экологичностью и надежностью. Их главным отличием от двигателей переменного тока является возможность регулировки оборотов вращения в большом диапазоне.

Такие электродвигатели постоянного тока можно также применять в качестве генератора. Изменив направление тока в обмотке возбуждения или в якоре, можно изменять направление вращения двигателя. Регулировка оборотов вала двигателя осуществляется с помощью переменного резистора. В двигателях с последовательной схемой возбуждения это сопротивление расположено в цепи якоря и позволяет уменьшить скорость вращения в 2-3 раза.

Этот вариант подходит для механизмов с длительным временем простоя, так как при работе реостат сильно нагревается. Повышение оборотов создается путем включения в цепь возбуждающей обмотки реостата.

Для моторов с параллельной схемой возбуждения в цепи якоря также применяются реостаты для уменьшения оборотов в два раза. Если в цепь обмотки возбуждения подключить сопротивление, то это позволит повышать обороты до 4 раз.

Применение реостата связано с выделением тепла. Поэтому в современных конструкциях двигателей реостаты заменяют электронными элементами, управляющими скоростью без сильного нагревания.

На коэффициент полезного действия мотора, работающего на постоянном токе, влияет его мощность. Слабые электродвигатели постоянного тока обладают малой эффективностью, и их КПД около 40%, в то время, как электродвигатели мощностью 1 МВт могут обладать коэффициентом полезного действия до 96%.

6 способов регулировки скорости двигателя с помощью ПЧ

Любой преобразователь частоты имеет несколько каналов управления частотой выходного напряжения и, соответственно, скоростью вращения электродвигателя. Рассмотрим основные каналы на примере преобразователя VT Drive Fit.

Итак, скорость двигателя можно регулировать следующими способами.

1. Настройка параметра F0-08 в меню устройства. Заданное значение частоты программируется и запоминается. В процессе работы частоту можно оперативно менять при помощи клавиш «Вверх» и «Вниз». Этот канал управления выбирается установкой функции F0-03 = 0. Измененное значение частоты после выключения питания не сохраняется и при повторном включении вновь возвращается к значению, установленному в F0-08. Задать запоминание измененной в процессе работы частоты можно установкой параметра F0-03 = 1.

2. Использование аналоговых входов Ai1, Ai2, Ai3. Все три входа могут быть входами по напряжению, с диапазоном от 0 до 10 В. Вход Ai2 может использоваться как токовый — на плате имеется специальный джампер для переключения. Если необходимо наличие входа Ai3 (диапазон напряжения – от -10 до +10 В), применяется дополнительная плата расширения, которая заказывается отдельно. Для выбора этих каналов нужно задать F0-03 = 2, 3, 4.

3. Использование импульсного высокочастотного входа Di5. На этот вход могут быть поданы импульсы с напряжением от 9 до 30 В и частотой до 100 кГц. Соответствие между частотой на входе Di5 и выходной частотой преобразователя частоты VT Drive Fit определяется в параметрах F4-28…F4-31. Импульсы для работы на этом канале могут быть получены с вращающегося энкодера, с индуктивного или оптического датчика, а также с дискретного выхода другого ПЧ или контроллера. Для выбора данного канала устанавливается F0-03 = 5.

4. Если в работе требуется несколько значений частоты, их можно предварительно задать, используя многоскоростной (многоступенчатый) режим. Для этого необходимо установить F0-03 = 6. Код выбора частоты задается подачей сигналов на четыре дискретных входа Di.

5. Использование датчика ПИД-регулятора. Датчиком может быть любой преобразователь давления, температуры, напряжения в сигнал напряжения или тока. При этом реализуется обратная связь, позволяющая регулировать и поддерживать постоянными различные параметры технологических процессов. Для выбора этого канала устанавливается F0-03 = 8.

6. Выходную частоту можно менять путем подачи сигналов Up / Down на соответствующие дискретные входы. Для этого нужно функцию (F00…F4-10) этих входов установить на значения 6 и 7.

Выбор между источниками частоты

В общем случае можно выбрать 3 источника частоты, каждый из которых имеет каналы управления, перечисленные выше.

1. Главный источник частоты Х. Выбор канала производится в параметре Х0-03.
2. Вспомогательный источник частоты Y. Выбор канала производится в параметре Х0-04.
3. Сочетание (суперпозиция) главного и вспомогательного источников, X и Y.

Примеры установки канала управления скоростью приведены для главного источника частоты Х. Для вспомогательного канала Y параметры задаются аналогичным образом. Максимальная выходная частота, независимо от канала и источника, ограничена параметром, заданным в параметре F0-10 (50…320 Гц).

Возможность регулировки частоты при помощи переменного резистора (потенциометра) отсутствует. Плавная регулировка возможна только путем применения внешнего потенциометра, подключенного на аналоговый вход Ai1…Ai3.

Электротехника и электрооборудование — Регулирование скорости вращения и реверсирование асинхронных электродвигателей

Регулирование скорости вращения асинхронных двигателей производят несколькими способами. Формула скорости вращения асинхронных двигателей:
(7.7) где s — скольжение в долях единицы показывает, что скорость вращения может регулироваться изменением частоты тока f, числа пар полюсов р и скольжения s.
Регулирование скорости вращения изменением величины скольжения асинхронного электродвигателя возможно двумя способами:

1. введением в цепь ротора дополнительного сопротивления, что возможно для двигателей с фазным ротором;
2. изменением реактивных сопротивлений (дросселей насыщения), включаемых в обмотку статора.

Регулирование скорости асинхронных электродвигателей с фазным ротором введением в его цепь дополнительного сопротивления позволяет уменьшать его скорость практически не более чем на 40—50% номинальной скорости.
При таком регулировании с увеличением сопротивления реостата увеличивается величина скольжения, т. е. уменьшается число оборотов двигателя. В этом случае схема регулирования сходна со схемой пуска асинхронного электродвигателя с фазным ротором (см. рис.7.8) с той разницей, что регулировочный реостат должен быть рассчитай на длительную нагрузку током. Регулирование скорости с помощью добавочного сопротивления в цепи ротора приводит к неустойчивой работе электродвигателя на малых оборотах, так как при этом приходится включать большие сопротивления, что приводит к значительным колебаниям скорости при небольших изменениях момента сопротивления нагрузки. Кроме того, этот способ мало экономичен, так как увеличивает потери в роторной цепи.
Описанный способ регулирования асинхронных электродвигателей с фазным ротором применяется в тех случаях, когда работа электродвигателя с пониженной скоростью непродолжительна и когда не требуется большой точности регулирования, например для регулирования скорости движения механизмов подъемно-транспортных установок.
Регулирование скорости асинхронных электродвигателей при помощи дросселей насыщения состоит в том, что в цепь статора электродвигателя включаются реактивные сопротивления с переменной индуктивностью. Изменение индуктивности реактивных сопротивлений (дросселей) осуществляется пропусканием постоянного тока различной величины через обмотку управления дросселями (рис. 7.13, а).
Изменяемое индуктивное сопротивление в цепи статора электродвигателя позволяет получать на зажимах машины различное напряжение (рис. 7.13, б), чем достигается изменение скольжения, т. е. скорости вращения ротора. Достоинством описанного способа является плавное регулирование скорости вращения электродвигателя; недостатками — значительное уменьшение максимального вращающего момента, а также уменьшение коэффициента мощности и к. п. д. электродвигателя.
Регулирование скорости вращения асинхронного электродвигателя за счет изменения числа пар полюсов осуществляется переключением обмотки статора и является ступенчатым. Для этих целей применяют специальные асинхронные многоскоростные электродвигатели, выпускаемые промышленностью и рассчитанные на 2, 3 и 4 скорости. Так, например, четырех скорости ой электродвигатель может иметь синхронные скорости вращения 500, 750, 1000 и 1500 об/мин.

Рис. 7.13. Схема включения и регулирования скорости асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором при помощи дросселей насыщения:
а — схема включения; б — механические характеристики

Рис. 7.14. Переключение проводов для изменения направления вращения асинхронного двигателя

Изменение числа пар полюсов достигают наиболее простым способом при устройстве двух независимых обмоток на статоре асинхронного электродвигателя. Такие электродвигатели выпускают с синхронными скоростями вращения 1000/1500 об/мин.
Двухскоростные электродвигатели имеют шесть, трехскоростные— девять и четырехскоростные — двенадцать выводов к переключателю полюсов.
Регулирование скорости вращения асинхронного электродвигателя изменением частоты тока требует применения специального источника переменного тока с изменяемой частотой. Этот способ еще не нашел применения для регулирования скорости электроприводов строительных машин, но является весьма перспективным при использовании для статических преобразователей частоты управляемых, полупроводниковых вентилей-тиристоров, производство которых в настоящее время развивается (о тиристорах см. гл. 10).
Изменение направления вращения асинхронного двигателя — реверсирование достигается изменением направления вращения магнитного
поля. Для этого достаточно переключить любые два провода трехфазной системы, подводящие ток к статору двигателя. На рис. 7.14 приведена схема такого переключения. При переключении трех проводов направление вращения магнитного поля статора, а следовательно, и ротора двигателя не изменится.

§ 7.9. Потери энергии и коэффициент полезного действия асинхронных электродвигателей. Коэффициент мощности двигателей

Электрическая энергия, расходуемая при работе асинхронного электродвигателя, затрачивается на полезную механическую работу и на покрытие потерь: электрических, магнитных и механических.
Потери в меди или электрические потери обусловлены нагреванием обмоток статора и ротора при протекании по ним тока. Потери в стали (магнитные потери) состоят из потерь на вихревые токи и на перемагничивание в стальных частях статора и ротора. Потери на вихревые токи пропорциональны квадрату частоты тока, а на перемагничивание — первой степени частоты тока. Магнитные потери главным образом происходят в статоре. Потери в стали ротора ничтожно малы вследствие малой частоты его тока и поэтому ими можно пренебрегать.
Механические потери состоят из расхода энергии на трение в подшипниках, трение ротора о воздух и воздуха в вентиляционной системе электродвигателя. Эти потери зависят от скорости вращения ротора, его диаметра, типа подшипников и конструкции вентиляционной системы двигателя.
Коэффициентом полезного действия (к. п. д.) двигателя называют отношение полезной механической мощности Р3 на валу двигателя к затраченной мощности, потребляемой из сети P1
(7-8)
Так как разница между затраченной и полезной мощностью равна потерям, то формулу получения к. п. д. двигателя можно записать в следующем виде:
(7.9)
где рм — потери в меди или электрические потери; рс — потери в стали или магнитные потери;
Рмех — механические потери.
Потери в меди являются переменными, зависящими от нагрузки, вследствие того что с увеличением тока увеличивается назревание обмоток.
Потери в стали (магнитные) и механические потери являются постоянными, так как не зависят от нагрузки.
Коэффициент полезного действия двигателя изменяется в зависимости от нагрузки.
Наибольшей величины к. п. д. достигает при нагрузке, равной примерно 0,75 номинальной, а затем с увеличением нагрузки к. п. д. уменьшается вследствие увеличения электрических потерь на нагревание обмоток (рис. 7.15, а).
Большое магнитное сопротивление воздушного зазора между статором и ротором асинхронного двигателя приводит к значительной величине намагничивающего (реактивного) тока, составляющего примерно 0,4—0,7 от номинальной силы тока электродвигателя. В связи с этим двигатель всегда работает с cos φ, меньшим единицы. При полной нагрузке коэффициент мощности cos φ двигателей достигает максимальной величины 0,8—0,9 (рис. 7.15, б).


Рис. 7.15. Зависимость коэффициента мощности асинхронного двигателя от его нагрузки

С уменьшением нагрузки коэффициент мощности снижается, что объясняется малой зависимостью от нагрузки намагничивающего (реактивного) тока. Сила тока двигателя складывается из двух величин: активного тока, зависящего от нагрузки, и реактивного тока, независимого от нагрузки. Поэтому при механической недогрузке активный ток уменьшается и, следовательно, увеличивается относительная величина реактивного тока, что приводит к снижению коэффициента мощности cos φ.

Регулирование частоты вращения электродвигателей

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):

• частота напряжения;
• число пар полюсов;
• величина напряжения;
• добавочное сопротивление в цепи ротора;
• вентильный каскад.

Изменяемые параметры для ДПТ:

• напряжение питания;
• сопротивление цепи обмотки якоря;
• магнитный поток.

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:

• обширный диапазон регулировки;
• «жесткость» механических характеристик;
• минимум потерь «скольжения», мощности.

Недостаток — высокая стоимость (в последние годы становится менее актуально).

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:

• экономичность;
• «жёсткие» механические характеристики.

Недостатки:

• ограниченное количество возможных скоростей;
• ступенчатость переключения скоростей.

Изменение питающего напряжения

Применение: асинхронные двигатели.

Изменять напряжение на статоре можно, включая в его цепь резисторы (старый и неэкономичный способ), автотрансформаторы или тиристорные регуляторы.
При регулировании скорости изменением напряжения, критический момент пропорционален квадрату подводимого напряжения. Снижается устойчивость к кратковременным перегрузкам и КПД, поэтому метод предпочтителен при «вентиляторной» нагрузке. Еще один недостаток — малый диапазон регулирования.

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:

• простота реализации;
• критический момент = const;

Недостатки:

• большие потери (при изменении скорости половина мощности тратится на выделение тепла);
• малый диапазон;
• «мягкие» механические характеристики.

Асинхронный вентильный каскад

Применение: АД с фазным ротором.

Смысл регулирования каскадными схемами заключается в подаче в цепь ротора добавочной ЭДС. Изменяя добавочную ЭДС ротора, мы изменяем ток ротора, а значит его момент и скорость. Создать добавочную ЭДС, помимо устройства вентильного каскада, может и ДПТ — машинно-вентильный каскад.

Достоинства:

• Минимум сопутствующей силовой и контактной аппаратуры;
• плавность регулировок;
• малая мощность управления.

Недостатки:

• стоимость;
• низкий коэффициент мощности;
• плохая устойчивость к перегрузкам.

Изменение напряжения питания якоря

Применение: любые ДПТ.
Способ можно использовать если источником электрической энергии является генератор. Реализовать от общей сети невозможно.

Достоинства:

• плавность регулировок;
• простота пусков и торможений;
• экономичность.

Недостатки:

• необходимость трехкратного преобразования энергии→низкий КПД;
• три электрические машины в системе;
• дорогая эксплуатация.

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.