Регулирование частоты вращения электродвигателей

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.

Электродвигатели постоянного тока

Электрическая мощность в моторе преобразуется в механическую, заставляющую его вращаться, а часть этой мощности расходуется на нагревание проводника. Конструкция двигателя электрического постоянного тока включает якорь и индуктор, которые разделяют воздушные зазоры. Индуктор, состоящий из добавочных и главных полюсов, и станины, предназначен для создания магнитного поля. Якорь, собранный из отдельных листов, обмотка рабочая и коллектор, благодаря которому постоянный ток подводится к рабочей обмотке, образуют магнитную систему. Коллектор – это насаженный на вал двигателя цилиндр, собранный из изолированных друг от друга медных пластин. К его выступам припаиваются концы обмотки якоря. Ток с коллектора снимается при помощи щеток, закрепленных в определенном положении в щеткодержателях, благодаря чему обеспечивается нужный прижим на поверхность коллектора. Щетки с корпусом двигателя соединяются с помощью траверса.

Щетки, в процессе работы, скользят по поверхности вращающегося коллектора, переходя от одной его пластины к другой. При этом, в параллельных секциях обмотки якоря происходит изменение тока (когда щетка накоротко замыкает виток). Процесс этот называют коммутацией.

Под влиянием своего магнитного поля, в замкнутой секции обмотки возникает ЭДС самоиндукции, вызывающая появление дополнительного тока, который на поверхности щеток распределяет неравномерно ток, что приводит к искрению.

Частота вращения – одна из важнейших его характеристик. Ее регулировать можно тремя способами: изменяя поток возбуждения, изменяя величину подводимого напряжения к двигателю, изменяя сопротивление в якорной цепи.

Два первых способа встречаются намного чаще третьего, ввиду его неэкономичности. Ток возбуждения регулируется при помощи любого устройства, у которого возможно изменять активное сопротивление (например, реостата). Регулирование при помощи изменения напряжения требует наличие источника постоянного тока: преобразователя или генератора. Такое регулирование применяют во всех промышленных электроприводах.

Регулирование скорости путем шунтирования якоря

При шунтировании якоря (рисунок 2, б) ток и поток возбуждения возрастают, а скорость уменьшается. Так как падение напряжения R_в × I мало и поэтому можно принять R_в ≈ 0, то сопротивление R_ш.а практически находится под полным напряжением сети, его значение должно быть значительным, потери в нем будут велики и к. п. д. сильно уменьшится.

Кроме того, шунтирование якоря эффективно тогда, когда магнитная цепь не насыщена. В связи с этим шунтирование якоря на практике используется редко.

На рисунке 3 кривая 4 представляет собой характеристику n = f(M) при

Преимущества и недостатки

Если сравнивать синхронные электродвигатели с асинхронными двигателями, однозначно у первых более сложный механизм, но также нужно выделить их существенные преимущества:

• Работа синхронных двигателей не особо зависит от интенсивности напряжения.
• Важным плюсом синхронных двигателей являются их сравнительно небольшие габариты, при этом их эффективность и механические функции намного лучше.
• Независимо от того, какие будут колебания нагрузки, это никак не повлияет на обороты и скорость вращения.
• Даже в случае значительных перегрузок на валу, синхронный двигатель будет работать без проблем, компенсируя такие пиковые скачки тем, что будет повышен ток в обмотке возбуждения.
• Синхронные двигатели могут работать так же как компенсаторы, благодаря тому, что они могут производить реактивную энергию. Для этого нужно подать повышенное напряжение на обмотку возбуждения. Если же выставить ток возбуждения в оптимальном режиме, не будет потребляться реактивная энергия, так же она не будет уходить на сеть.

При всех вышеперечисленных преимуществах использования синхронных электродвигателей, мы должны так же отметить один основной недостаток – отсутствие пускового момента. То есть, для запуска двигателя, необходимо использовать отдельное оборудование.

Это как раз и есть основная причина, почему синхронные двигатели долгое время были ограничены в использовании.

Устройство синхронной машины

У синхронной электрической машины существует две основных составляющих части: индуктор (ротор) и якорь (статор). Самой оптимальной и потому распространенной на сегодняшний день является схема, когда якорь располагают на статоре, в то время как индуктор располагается на роторе. Обязательным условием для функционирования механизма является наличие между этими двумя частями воздушной прослойки. Якорь в данном случае представляет собой неподвижную часть устройства (статор). Он может состоять как из одной, так и из нескольких обмоток, в зависимости от необходимой мощности магнитного поля, которое он должен создавать. Сердечник статора, как правило, набирается из отдельных тонких листов электротехнической стали.

Индуктор в синхронных электрических машинах представляет собой электромагнит, при этом концы его обмотки выводятся непосредственно на контактные кольца на валу. Во время работы индуктор возбуждается постоянным током, благодаря которому ротор и создает электромагнитное поле, взаимодействующее с магнитным полем якоря. Таким образом, благодаря постоянному току, возбуждающему индуктор, достигается постоянная частота вращения магнитного поля внутри синхронной машины.

Регулятор напряжения Я112Б (Подробнее о регуляторах Я112)

Регулятор напряжения, как в других генераторах, включает и выключает ток возбуждения. Если напряжение растет он выключает ток возбуждения, напряжение снижается, он включает ток возбуждения и напряжение снова растет, он опять выключат ток возбуждения, так поддерживается стабильный уровень напряжения около 14 Вольт.

Первоначальное возбуждение возможно без аккумулятора.

Регулятор Я 112 Б отличается тем, что гарантированно пропускает ток возбуждения, даже при очень малых значениях напряжения на выходе генератора, что обеспечивает надежное возбуждение генератора без аккумулятора.

В роторе установлены постоянные магниты, которые создают достаточно сильно магнитное поле для возбуждения генератора.

После того как генератор возбудился, часть тока обмотки через дополнительный выпрямитель отводится в обмотку возбуждения, для этого выход дополнительного выпрямителя подключается в точке Д регулятора напряжения. Ток возбуждения идет через точку Д на обмотку возбуждения и дальше через точку Ш и открытый транзистор регулятора на массу.

На точку Б регулятора подключается плюс от вывода генератора. Этот плюс открывает регулятор напряжения, По напряжению на точке Б регулятор поддерживает заданное значение выходного напряжения генератора.

Точка С регулятора используется для подключения конденсатора – фильтра. Этот конденсатор сглаживает пульсации опорного напряжения на входе регулятора, которые в отсутствии аккумулятора достаточно большие, конденсатор сглаживает пульсации и повышает точность работы генератора. В других схемах тракторных генераторов, точка С используется для переключения «Зима – Лето»

Вывод фазы Ф используется для подключения реле блокировки стартера. При работающем двигателе случайное включение стартера должно быть исключено, чтобы не повредить стартер, для этого в схему пуска включено реле блокировки стартера. Когда двигатель работает, переменное напряжение с фазы генератора попадает на это реле и оно знает, что стартер нельзя включать После остановки двигателя, реле снова позволяет включить стартер.

Генератор трактора не работает, что делать?

Если тракторный генератор не работает, то надо сначала заменить регулятор напряжения. Если не помогло, то придется разбирать.

Часто сгорает обмотка, это видно по обгоревшей проволоке.

Если обмотка целая остается диодный мост. Его придется заменить

Если повторно сгорает регулятор напряжения, возможно сгорела обмотка возбуждения и ее сопротивление стало слишком маленьким.

При сборке генератора после ремонта, может быть перепутано подсоединение выводов обмотки возбуждения. В этом случае ток возбуждения идет в другую сторону и размагничивает ротор, в котором вставлены постоянные магниты. Мощность генератора резко падает и он практически престает работать. Попробуйте поменять местами выводы обмотки возбуждения, все должно нормализоваться.

Компаундирование возбуждения синхронного генератора — это автоматическое регулирование его напряжения, основанное на изменении тока возбуждения в зависимости от тока в статоре.

Принципиальная схема компаундирования приведена на рисунке 10.11. В силовой цепи генератора Г установлены трансформаторы тока 1. Их вторичные обмотки нагружены реостатами 3 и первичной обмоткой трансформатора 2, вторичная обмотка которого питает выпрямитель 4. Подводимое к выпрямителю напряжение можно регулировать реостатами 3. Выпрямленный ток поступает в обмотку ОВВ возбуждения возбудителя и является тем добавочным током, который приводит к увеличению напряжения на зажимах генератора. Чем больше ток нагрузки генератора, протекающий в его силовой цепи, тем больше выпрямленный ток, дополняющий ток возбуждения возбудителя, и тем полнее восстанавливается напряжение на зажимах генератора.

Компаундирующие устройства просты, легко настраиваются, в них отсутствуют подвижные части, контакты, нет зоны нечувствительности. Такое устройство не только улучшает внешнюю характеристику синхронного генератора благодаря увеличению тока возбуждения при росте нагрузки, но и обеспечивает форсировку возбуждения при пуске короткозамкнутых асинхронных электродвигателей соизмеримой с генератором мощности: облегчается запуск двигателя и одновременно улучшается режим напряжения для работавших ранее электродвигателей.

Компаундирующее устройство типа УКУ-ЗМ, схема которого дана на рисунке 10.11, устанавливают на генераторах серий С и СГ мощностью до 60 кВ • А при условии, что напряжение возбудителя не более 45 В, а ток возбуждения возбудителя не превышает 4,5 А. Вторичный ток трансформатора выпрямителя регулируется в нем, однако не при помощи реостатов 3, а путем изменения сечения магнитопровода трансформатора. Для этой цели устройство имеет рукоятку настройки, вращая которую, изменяют вторичный ток трансформатора, а следовательно, добиваются необходимой характеристики работы.

Схеме, приведенной на рисунке 10.11, присущ ряд недостатков. Наиболее существенный заключается в том, что дополнительный ток в обмотке возбуждения возбудителя пропорционален общему току в силовой цепи генератора, а не его реактивной составляющей. Поэтому схема не может обеспечить надлежащего поддержания напряжения при всех изменениях нагрузки независимо от ее характера, то есть при малых cos φ, но при тех же токах в статоре (по абсолютному значению) напряжение на зажимах генератора ниже, чем при больших cos φ С целью устранения недостатков компаундирующего устройства его дополняют специальным аппаратом, получившим название корректора напряжения.