Способы регулирования скорости асинхронного двигателя

Почти все станки в качестве электропривода оснащаются асинхронными двигателями. У них простая конструкция и не высокая стоимость. В связи с этим важным оказывается регулирование скорости асинхронного двигателя. Однако в стандартной схеме включения управлять его оборотами можно только с помощью механических передаточных систем (редукторы, шкивы), что не всегда удобно. Электрическое управление оборотами ротора имеет больше преимуществ, хотя оно и усложняет схему подключения асинхронного двигателя.

Для некоторых узлов автоматического оборудования подходит именно электрическое регулирование скорости вращения вала асинхронного электродвигателя. Только так можно добиться плавной и точной настройки рабочих режимов. Существует несколько способов управления частотой вращения путём манипуляций с частотой, напряжением и формой тока. Все они показаны на схеме.

Из представленных на рисунке способов, самыми распространёнными для регулирования скорости вращения ротора являются изменение следующих параметров:

· напряжения подаваемого на статор,

· вспомогательного сопротивления цепи ротора,

· числа пар полюсов,

· частоты рабочего тока.

Последние два способа позволяют изменять скорость вращения без значительного снижения КПД и потери мощности, остальные способы регулировки способствуют снижению КПД пропорционально величине скольжения. Но и у тех и других есть свои преимущества и недостатки. Поскольку чаще всего на производстве применяются асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором, то все дальнейшие обсуждения будут касаться именно этого типа электродвигателей.

Для частотного регулирования применяют в основном полупроводниковые преобразователи. Их принцип действия основан на особенности работы асинхронного двигателя, где частота вращения магнитного поля статора зависит от частоты напряжения питающей сети. Скорость вращения поля статора определяется по следующей формуле:

n1 = 60f/p, где n1 — частота вращения поля (об/мин), f-частота питающей сети (Гц), p-число пар полюсов статора, 60 — коэффициент пересчета мерности.

Для эффективной работы асинхронного электродвигателя без потерь нужно вместе с частотой изменять и подаваемое напряжение. Напряжение должно меняться в зависимости от момента нагрузки. Если нагрузка постоянная, то напряжение изменяется пропорционально частоте.

Современные частотные регуляторы позволяют уменьшать и увеличивать обороты в широком диапазоне. Это обеспечило их широкое применение в оборудовании с управляемой протяжкой, например, в многоконтактных станках сварной сетки. В них скорость вращения асинхронного двигателя, приводящего в движение намоточный вал, регулируется полупроводниковым преобразователем. Такая регулировка позволяет оператору, следящему за правильностью выполнения технологических операций, ступенчато ускоряться или замедляться по мере настройки станка.

Остановимся на принципе работы преобразователя частоты более подробно. В его основе лежит принцип двойного преобразования. Состоит регулятор из выпрямителя, импульсного инвертора и системы управления. В выпрямителе синусоидальное напряжение преобразуется в постоянное и подаётся на инвертор. В составе силового трёхфазного импульсного инвертора есть шесть транзисторных переключателей. Через эти автоматические ключи постоянное напряжение подаётся на обмотки статора так, что в нужный момент на соответствующие обмотки поступает то прямой, то обратный ток со сдвигом фаз 120°. Таким образом, постоянное напряжение трансформируется в переменное трёхфазное напряжение нужной амплитуды и частоты.

Необходимые параметры задаются через модуль управления. Автоматическая регулировка работы ключей осуществляется по принципу широтно-импульсной модуляции. В качестве силовых переключателей используются мощные IGBT-транзисторы. Они, по сравнению с тиристорами, имеют высокую частоту переключения и выдают почти синусоидальный ток с минимальными искажениями. Не смотря на практичность таких устройств, их стоимость для двигателей средней и высокой мощности остаётся очень высокой.

Регулировка скорости вращения асинхронного двигателя методом изменения числа пар полюсов также относится к наиболее распространённым методам управления электродвигателей с короткозамкнутым ротором. Такие моторы называются многоскоростными. Есть два способа осуществления этого метода:

· укладывание сразу нескольких обмоток с разными числами пар полюсов в общие пазы статора,

· применение специальной намотки с возможностью переключения существующих обмоток под нужное число пар полюсов.

В первом случае чтобы уложить в пазы дополнительные обмотки нужно уменьшить сечение провода, а это приводит к уменьшению номинальной мощности электродвигателя. Во втором случае имеет место усложнение коммутационной аппаратуры, особенно для трёх и более скоростей, а также ухудшаются энергетические характеристики. Более подробно этот и другие способы регулирования скорости асинхронного двигателя описаны в архивном файле, который можно скачать внизу страницы.

Обычно многоскоростные двигатели выпускаются на 2, 3 или 4 скорости вращения, причем 2-х скоростные двигатели выпускаются с одной обмоткой на статоре и с переключением числа пар полюсов в отношении 2: 1 = р2: pt, 3-х скоростные двигатели — с двумя обмотками на статоре, из которых одна выполняется с переключением 2: 1 = Рг: Pi, 4-х скоростные двигатели — с двумя обмотками на статоре, каждая из которых выполняется с переключением числа пар полюсов в отношении 2:1. Многоскоростными электродвигателями оснащаются различные станки, грузовые и пассажирских лифты, они используются для приводов вентиляторов, насосов и т.д.

Вопрос 22

Нагревание и охлаждение электродвигателей

При работе любого электродвигателя часть поступающей к тему энергии затрачивается на потери, связанные с нагревом обмоток и магнитопроводов, трением в подшипниках и враща­ющихся частей о воздух. Хотя потери энергии в современных электродвигателях невелики, при их работе все же выделяется значительное количество тепла, что приводит к нагреву элек­тродвигателей. Различают постоянные и переменные потери в электрических машинах. Величина первых не зависит или мало зависит от нагрузки машины. К ним относятся потери на перемагничивание, на вихревые токи, на нагрев параллельных об­моток возбуждения и на трение (о воздух, в подшипниках, на щетках и т. п.). К переменным относят потери, пропорциональ­ные квадрату тока нагрузки. Это потери на нагрев обмотки якоря или статора), последовательных обмоток возбуждения, коллектора и т. п. На холостом ходу нагрев машин определяется постоянными потерями. По мере загрузки машины увеличиваются переменные потери и нагрев ее повышается.

Таким образом, вопросы нагрева электродвигателей имеют большое практическое значение, так как нагревом должна оп­ределяться допустимая нагрузка электродвигателя. Темпера­тура неработающей машины равна температуре окружающего воздуха. Если машина приведена в рабочее состояние и нагруз­ка на,нее постоянна, то в каждую единицу времени в ней на­чинают выделяться определенные порции тепла. В начальный момент работы все выделенное в машине тепло почти полно­стью идет на ее нагрев, при этом повышается температура ма­шины, т. е. появляется температурный перепад τ между темпе­ратурой машины и температурой окружающей среды. При по­явлении температурного перепада машина начинает часть вы­деляющегося в ней тепла отдавать окружающей среде путем конвекции, лучеиспускания и теплопроводности.

Чем выше перепад τ, тем больше тепла машина будет отда­вать окружающей среде. Наконец, перепад достигает такого предельного значения τ _пр, когда все выделяемое в машине тепло станет отводиться в окружающую среду и нагрев машины прекратится, т. е. ее температура достигнет значения, предель­ного для данной нагрузки.

В случае, когда нагрузка на машину превышает допусти­мую, установившаяся температура может оказаться слишком высокой и превысит допустимую. Установившаяся температу­ра работающей машины не должна превосходить величины, оп­ределяемой теплоемкостью ее изоляции.

Современные электроизоляционные материалы, используе­мые в электрических машинах, делятся на классы: А, В и др. К материалам класса А относятся хлопок, шелк и другие подоб­ные органические материалы, пропитанные специальными лака­ми или маслами, различные эмали. К материалам класса В отно­сятся материалы из слюды или асбеста, пропитанные органиче­скими связующими составами.

Для всех изоляционных материалов классов А и В ГОСТом установлены допускаемые превышения температуры при температуре охлаждающего воздуха +35°С. Номинальная мощность электродвигателей нормируется для температуры охлаждающего воздуха до 40°С. Если кран или другой механизм предназначается для работы при температуре окружающей среды более 40°С, при выборе электродвигателей нужно учи­тывать это обстоятельство и вводить соответствующую (поправку, повышающую мощность электродвигателей. В качестве первого приближения можно рекомендовать следующее эмпирическое правило: учитывать повышенную температуру воздуха, увели­чивая мощность выбираемого двигателя на 1% при повышении температуры воздуха на 1 ◦С.

Для максимального использования (по тепловым возмож­ностям) всех применяемых в электродвигателе материалов не­обходимо, чтобы при полной нагрузке его отдельные части на­гревались до температур, близких к предельно допустимым. С этой же целью используется искусственное охлаждение элек­тродвигателей, позволяющее большую часть выделяющегося при работе машины тепла отдавать окружающей среде и тем самым повышать нагрузку без опасности разрушения изоляции машины. Большинство электродвигателей, используемых для привода подъемно-транспортных машин, оборудуется самовентиляцией. Лишь электродвигатели, работающие в особо тя­желых условиях, могут иметь независимую вентиляцию. В этом случае воздух через внутренние полости машины продувается независимым вентилятором.

Напрев электрической машины характеризует зависимость вида τ = f (t). Аналитическое определение этой зависимости за­труднено тем, что электрическая машина не является однород­ным телом. Отдельные ее части имеют различные теплоемкости, теплопроводности и теплоотдачу. Они по-разному нагреваются и по-разному отдают тепло окружающей среде. Если для упро­щения принять, что электрическая машина является однород­ным телом, то задача определения зависимости вида τ = f(t) может быть решена следующим образом.

Предварительно примем следующие обозначения:

τ — температурный перепад, град;

q — количество тепла, выделяемого в машине, кал/сек;

с — теплоемкость машины, кал/град;

А — теплоотдача машины, кал/град • сек.

За время dt в машине выделится Q=qdt калорий тепла.

где Q ₁ — тепло, затрачиваемое за время dt на нагрев машины;

Q ₂ — тепло, отданное окружающей среде за это же время. За время dt температурный перепад машины возрастет на вели­чину dτ. Следовательно,

Подставив эти выражения в уравнение (8), получим диф­ференциальное уравнение теплового баланса машины

Интеграл этого уравнения, решаемого относительно t,

Примем за начальные условия t = 0 и τ = τ ₀ (τ ₀ — темпера­турный перепад машины). Тогда

Теперь выражение (12) примет вид

Подставив это выражение в уравнение (11) и произведя пре­образования, получим

Полученное уравнение и является аналитически выраженной зависимостью температурного перепада τ от времени t. Поло­жив в этом уравнении t = ̴, получим значение τ _пр:

Следовательно, величина предельного или установившегося пе­репада τ _пр, а значит, и установившаяся температура машины зависят лишь от количества тепла, выделяемого в машине за единицу времени, и от ее теплоотдачи.

Величина входящая в показатель степени в уравнении (15), имеет размеренность времени и называется по­стоянной времени нагревания. Эта величина от нагрузки ма­шины не зависит и физически является тем временем, в течение которого машина достигла бы перегрева, равного предель­ному, при отсутствии теплоотдачи в окружающую среду. Зна­чение постоянной времени нагревания зависит от мощности и конструктивных особенностей машины и колеблется в пределах от 1 до 4 ч. Приближенно величину постоянной времени нагревания можно определить по эмпирической формуле:

где Θ₁, Θ₂ и Θ₃ — значения температуры машины, измеренные че­рез равные промежутки времени Δt.

Таким образом, уравнение (15) примет вид:

Из этого уравнения вытекает, что теоретически предельный перегрев достигается машиной по истечении бесконечно боль­шого периода времени.

Однако практически можно считать, что машина достигает предельного (установившегося) перегрева по истечении времени, равного (3÷4) Т. Действительно, подставив в уравнение (18) значение t = 3 Т, получим, что τ = 0,95 τ _пр, а при t = 4 Т τ = 0,98 τ _пр

Кривая, соответствующая уравнению (18), называется экспонентой (рис. 7). Уравне­нию (18) соответствует кри­вая 1. Кривой 2 соответствует уравнение

которое можно получить, при­няв τ ₀=0. Кривые охлаждения электрических машин подобны кривым нагрева. Действитель­но, если выделение тепла в ма­шине прекратится (q = 0), то уравнения (15) и (18) примут вид:

которому соответствует кривая 3, представляющая собой кривую охлаждения машины от начального перегрева до нуля.

Следует иметь в виду, что значения Т в уравнениях (19) и (20) должны быть одинаковыми, если принять электрическую машину за однородное тело. В действительности же постоян­ная времени нагревания вращающейся машины меньше посто­янной времени охлаждения этой же машины и составляет в среднем 0,25÷0,7 Т _охл.

Вопрос 23

Дата добавления: 2014-12-25