Постоянная мощность при частотном регулировании

Частотное управление асинхронными двигателями. Законы частотного регулирования. Регулирование с постоянной мощностью

Страницы работы

Содержание работы

1. Частотное управление асинхронными двигателями

Электромеханическое преобразование энергии в асинхронных машинах происходит при наличии взаимно неподвижных вращающихся полей статора и ротора, т.е. при выполнении условия , где частота вращения поля статора, частота вращения поля ротора относительно ротора, частота вращения ротора, число пар полюсов, и — частоты токов статора и ротора соответственно.

Мощность, потребляемая машиной из сети, равна мощность, отдаваемая нагрузке, полезная мощность, , а их разность — это мощность потерь, связанная с преобразованием энергии.

Параметрические способы регулирования скорости (изменение амплитуды питающего напряжения или изменение сопротивления цепи ротора у двигателей с фазным ротором) приводят к тому, что скорость идеального холостого хода двигателя остается неизменной, а это означает, что при постоянном моменте нагрузки электромагнитная мощность потребляемая двигателем из сети также остается постоянной. Работа двигателя на пониженной скорости сопровождается ростом потерь, которые оказываются пропорциональными частоте скольжения где

Применение частотных способов регулирования, при которых изменяется скорость холостого хода, т.е. , сопровождается уменьшением величины потребляемой энергии при практически неизменной величине потерь.

Благоприятные энергетические соотношения при частотном регулировании и наличие в настоящее время регулируемых по частоте и напряжению источников питания привели к тому, что этот способ регулирования скорости и момента асинхронных двигателей стал основным.

1.1. Законы частотного регулирования

При выборе закона частотного регулирования часто исходят из условия сохранения перегрузочной способности двигателя:

Пренебрегая паданием напряжения на активном сопротивлении цепи статора, и учитывая, что , можно найти

Для любой частоты и соответствующей угловой скорости можно записать

где фазное напряжение при частоте , — момент статической нагрузки на валу двигателя при скорости

Из последнего выражения следует, что для двух любых значений частот и должно соблюдаться равенство

Отсюда следует закон частотного регулирования

или в относительных единицах

Этот закон называют основным законом частотного регулирования или законом Костенко, который описал его в статье “Работа многофазного асинхронного двигателя при переменном числе периодов” — Электричество, N2, 1925 г.

Закон получен в пренебрежении падением напряжения на активных сопротивлениях статора и насыщением магнитной цепи. Закон Костенко дает выражение для напряжения при произвольном значении частоты и учитывает свойства нагрузки. Если нагрузка с уменьшением частоты также уменьшается, то нет смысла сохранять поток двигателя неизменным. Его можно уменьшить настолько, чтобы сохранить коэффициент статической перегрузки, т.е. запас статической устойчивости.

Уменьшение потока с уменьшением нагрузки при том же запасе устойчивости дает уменьшение потерь в стали и повышает экономичность привода с частотным управлением и часто изменяющейся нагрузкой по сравнению с асинхронным двигателем при постоянной частоте питания.

Диапазон регулирования скорости двигателя ограничен сверху насыщением магнитопровода. С ростом отношения растет поток и резко увеличивается ток намагничивания . По этой причине применение закона Костенко практически ограничено нагрузками, не слишком превышающими .

Нижняя граница диапазона зависит от статического момента при трогании двигателя.

Практическое применение основного закона ( закона Костенко) ограничивают трудности непосредственного измерения момента на валу двигателя.

Задача упрощается в ряде практических случаев, если учесть реальный характер изменения статического момента. Для многих механизмов зависимость момента от скорости в зоне регулирования м.б. представлена в виде степенной функции вида

, где М0 — момент статической нагрузки при

Учитывая, что получим

Основной закон принимает вид

Из всего многообразия зависимостей наиболее часто встречаются три случая:

1. — не зависит от скорости q=0, Мс= const, U1/f1=const или .

2. — Регулирование с постоянной мощностью

3. Идеализированная вентиляторная нагрузка:

Характеристики двигателя для трех указанных случаев показаны на рисунках 1.2а, 1.2б, 1.2 с.

Применение упрощенных законов частотного регулирования позволяет получить наиболее простые системы регулирования (рис.1.3), в которых входным воздействием является частота f1, а закон регулирования задается блоком связи БС.

Источник

Частотное регулирование асинхронного двигателя

Частотное регулирование угловой скорости вращения электропривода с асинхронным двигателем в настоящее время широко применяется, так как позволяет в широком интервале плавно изменять обороты вращения ротора как выше, так и ниже номинальных значении.

Частотные преобразователи являются современными, высокотехнологичными устройствами, обладающими большим диапазоном регулирования, имеющими обширный набор функций для управления асинхронными двигателями. Высочайшее качество и надежность дают возможность применять их в различных отраслях для управления приводами насосов, вентиляторов, транспортеров и т.д.

Частотный преобразователь

Частотные преобразователи по напряжению питания подразделяются на однофазные и трехфазные, а но конструктивному исполнению на электромашинные вращающиеся и статические. В электромашинных преобразователях переменная частота получается за счет использования обычных или специальных электрических машин. В статических частотных преобразователях изменение частоты питающего тока достигается за счет применения не имеющих движения электрических элементов.

Схема частотного преобразователя асинхронного двигателя

Схема частотного преобразователя асинхронного двигателя

Выходной сигнал преобразователя частоты

Выходной сигнал преобразователя частоты

Преобразователи частоты для однофазной сети позволяют обеспечить электропривод производственного оборудования мощностью до 7,5 кВт. Особенностью конструкции современных однофазных преобразователей является то, что на входе имеется одна фаза с напряжением 220В, а на выходе — три фазы с тем же значением напряжения, что позволяет подключать к устройству трехфазные электродвигатели без применения конденсаторов.

Преобразователи частоты с питанием от трехфазной сети 380В выпускаются в диапазоне мощностей от 0,75 до 630 кВт. В зависимости от величины мощности устройства изготавливаются в полимерных комбинированных и металлических корпусах.

Самой популярной стратегией управления асинхронными электродвигателями является векторное управление. В настоящее время большинство частотных преобразователей реализуют векторное управление или даже векторное бездатчиковое управление (этот тренд встречается в частотных преобразователях, первоначально реализующих скалярное управление и не имеющих клемм для подключения датчика скорости).

Исходя из вида нагрузки на выходе, преобразователи частоты подразделяются по типу исполнения:

для насосного и вентиляторного привода;

для общепромышленного электропривода;

эксплуатируется в составе электродвигателей, работающих с перегрузкой.

Механические характеристики типичных нагрузок

Механические характеристики типичных нагрузок

Современные преобразователи частоты обладают разнообразным набором функциональных особенностей, например, имеют ручное и автоматическое управление скоростью и направлением вращения двигателя, а также встроенный потенциометр на панели управления. Наделены возможностью регулирования диапазона выходных частот от 0 до 800 Гц.

Преобразователи способны выполнять автоматическое управление асинхронным двигателем по сигналам с периферийных датчиков и приводить в действие электропривод по заданному временному алгоритму. Поддерживать функции автоматического восстановления режима работы при кратковременном прерывании питания. Выполнять управление переходными процессами с удаленного пульта и осуществлять защиту электродвигателей от перегрузок.

Частотный преобразователь Siemens

Связь между угловой скоростью вращения и частотой питающего тока вытекает из уравнения

При неизменном напряжении источника питания U1 и изменении частоты изменяется магнитный поток асинхронного двигателя. При этом для лучшего использования магнитной системы при снижении частоты питания необходимо пропорционально уменьшать напряжение, иначе значительно увеличатся намагничивающий ток и потери в стали.

Аналогично при увеличении частоты питания следует пропорционально увеличивать напряжение, чтобы сохранить магнитный поток постоянным, так как в противном случае (при постоянном моменте на валу) это приведет к нарастанию тока ротора, перегрузке его обмоток по току, снижению максимального момента.

Рациональный закон регулирования напряжения зависли от характера момента сопротивления.

При постоянном моменте статической нагрузки (Mс = const) напряжение должно регулироваться пропорционально его частоте U1/f1 = const. Для вентиляторного характера нагрузки соотношение принимает вид U1/f 2 1 = const.

При моменте нагрузки, обратно пропорциональном скорости U1/ √ f1 = const.

На рисунках ниже представлены упрощенная схема подключения и механические характеристики асинхронного двигателя при частотном регулировании угловой скорости.

Схема подключения частотного преобразователя к асинхронному электродвигателю

Схема подключения частотного преобразователя к асинхронному электродвигателю

Характеристики для нагрузки с постоянным статическим моментом сопротивления

Характеристики для нагрузки с постоянным статическим моментом сопротивления

Характеристики для нагрузки вентиляторного характера

Х арактеристики для нагрузки вентиляторного характера

Характеристики при статическом моменте нагрузки обратно пропорциональном угловой скорости вращения

Характеристики при статическом моменте нагрузки обратно пропорциональном угловой скорости вращения

Частотное регулирование скорости асинхронного двигателя позволяет изменять угловую скорость вращения в диапазоне — 20. 30 к 1. Регулирование скорости асинхронного двигателя вниз от основной осуществляется практически до нуля.

При изменении частоты питающей сети верхний предел частоты вращения асинхронного двигателя зависит от ее механических свойств, тем более что на частотах выше номинальной асинхронные двигатель работает с лучшими энергетическими показателями, чем на пониженных частотах. Поэтому, если в системе привода используется редуктор, это управление двигателем по частоте следует производить не только вниз, но и вверх от номинальной точки, вплоть до максимальной частоты вращения, допустимой но условиям механической прочности ротора.

При увеличении оборотов вращения двигателя выше указанного значения в ею паспорте частота источника питания не должна превышать номинальную не более чем 1,5 — 2 раза.

Частотный способ является наиболее перспективным для регулирования асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Потери мощности мри гаком регулировании невелики, поскольку не сопровождаются увеличением скольжения. Получаемые при этом механические характеристики обладают высокой жесткостью.

Источник

Частотное регулирование скорости вращения асинхронных электродвигателей

Наиболее экономичным способом регулирования скорости вращения асинхронных электрических машин с короткозамкнутым ротором является изменение частоты питающего напряжения последних. При изменении частоты также будут меняться и параметры асинхронной машины. Для обеспечения необходимых значений пускового и критического моментов, а также коэффициента мощности и коэффициента полезного действия КПД, необходимо с изменением частоты соответствующим образом изменять и напряжение, подводимое к зажимам электродвигателя.

Общие закономерности регулирования скорости асинхронных машин путем изменения частоты питающей сети были исследованы академиком М.П. Костенко еще в 1925 году.

Основное соотношение, связывающее изменение частоты и напряжения, в зависимости от характера статического момента механизма может быть выведено из общих соотношений, представляемых эквивалентной схемой замещения. При постоянной частоте питающей сети критический момент асинхронного электродвигателя будет равен:

Где: m 1 – количество фаз в обмотке статора; r 1 и x 1 – активное и индуктивное сопротивление статорной обмотки; х 2 / — индуктивное сопротивление роторной обмотки, приведенной к первичной обмотке; f – частота питающей сети.

Если пренебречь активным сопротивлением статорной обмотки, выражение (1) примет вид:

Индуктивные сопротивления x 1 и х 2 / зависят от частоты питающей сети. Поэтому при переменной частоте предыдущее выражение должно быть записано как:

Для сохранения неизменной перегрузочной способности машины отношение критических моментов при любых скоростях должно быть равно отношению соответствующих статических моментов:

Где М с1 и М с2 – статические моменты, соответствующие скорости электрической машины при частотах f 1 и f 2; U 1 и U 2 – напряжения, подводимые к двигателю при тех же частотах.

Полученная формула (4) показывает, что оптимальный закон изменения напряжения при частотном регулировании определяется характером изменения статического момента в зависимости от частоты. В таблице ниже сопоставлены значения моментов, мощностей и напряжений при различных характерах зависимости статического момента от скорости.

Анализ, проведенный академиком М.П. Костенко на базе упрощенной круговой диаграммы, показал, что при соблюдении условия (4) будет иметь место постоянство cosφ, а КПД электрической машины будет функцией частоты и не зависит от нагрузки. Для всех видов зависимости момента от скорости: М с ≡ 1/f, М с = const, M c ≡ f и M c ≡ f 2 . КПД двигателя при каждой заданной скорости будет примерно одинаков.

Для выявления поведения асинхронного электродвигателя при регулировании частоты питающего напряжения в случаях различной зависимости статического момента от скорости необходимо установить характер изменения пускового и критического моментов.

В основу рассмотрения легла эквивалентная схема асинхронной машины с намагничивающим контуром, вынесенным на зажимы машины. Влияние насыщения не учитывается. За исходные данные принимаем параметры машины при номинальном напряжении и частоте f ном = 50 Гц. В качестве независимой переменной (определяющего параметра) удобно принять частоту, выраженную в относительных единицах:

Напряжение, приложенное к зажимам электрической машины, будет функцией частоты и одновременно, будет зависеть от характера изменения статического момента, и в общем случае будет иметь вид:

Показатель степени α зависит от желаемого характера М дв и функции скорости. При построении механической характеристики асинхронной машины при любой f можно использовать общее выражение:

Индуктивное сопротивление обмоток можно выразить при f = 50 Гц, а именно:

Где х 1н и х 2н / — индуктивные сопротивления статора и ротора, приведенные к обмотке статора, при f = 50 Гц.

После введения относительных единиц выражение примет вид:

Где φ – частота в относительных единицах; α – коэффициент, определяемый характером зависимости момента от скорости электрической машины.

В (8) при переходе к относительным единицам U 2 превращается в U 2 нφ 2α , однако за счет f, входящей в выражение синхронной скорости ω 0 = 2πf нφ, показатель степени у

φ становится 2α — 1.

Величина критического момента станет равна:

В случае пренебрежения активным сопротивлением статорной обмотки:

Выражение (10) может быть представлено как:

Где М кн – критический момент электрической машины при номинальном напряжении и f.

Критическое скольжение при переменной частоте:

В ряде случаев удобно воспользоваться выражением механической характеристики, содержащим значение критического момента:

Если пренебречь сопротивлением активным обмотки статора уравнение механической характеристики примет вид:

Подставляя в упрощенное выражение механической характеристики значения М к и s к без учета r 1 получим расчетную формулу:

На рисунке ниже приведены механические характеристики асинхронного электродвигателя для трех различных частот в относительных единицах для случая изменения f по закону (U/f) = const или α = 1.

Сравнение характеристик показывает, что критическое скольжение возрастает с понижением частоты. Это связано с изменением соотношения активного и индуктивного сопротивления. При уменьшении f критический момент в двигательном режиме уменьшается. Выражение для пускового момента равно:

Пусковой момент при небольших изменениях частоты несколько увеличивается, а затем, при дальнейшем уменьшении f, достигает максимума, а дальше падает. Понижение М, наблюдаемое при низких f, вызывается относительным увеличением активного сопротивления, а также уменьшением магнитного потока, влияние которого не учитывают приведенные выше формулы. Уменьшение потока обуславливается падением напряжения в обмотке статора и является функцией нагрузки электродвигателя. Уменьшение магнитного потока может быть устранено с помощью увеличения отношения U/f при малых значениях частоты. Увеличение отношения U/f в размере, необходимом для поддержания номинального значения магнитного потока при нагрузке, приведет к тому, что при малых нагрузках машина окажется перевозбужденной и, следовательно, возрастет намагничивающий ток.

Механическая характеристика асинхронного двигателя для случая α = 1/2 , то есть при изменении напряжения по закону

Регулирование скорости асинхронных короткозамкнутых машин в настоящее время применяется для самого широкого спектра рабочих механизмов. В высоко оборотистых электроприводах, где скорость вращения вала равна или превышает 3000 об/мин, применение коллекторных электромашин крайне нежелательно. Здесь больше подходит частотно-регулируемый асинхронный электропривод. Часто данный способ регулирования применяется при необходимости одновременного изменения скорости по одному закону нескольких рабочих органов машины, приводимых в движение отдельными электродвигателями. Примерами таких установок могут послужить электроприводы центрифуг вискозной промышленности, применяемые для получения вискозного волокна, рогулечных прядильных машин текстильной промышленности, роликовых транспортеров прокатных цехов металлургических заводов, служащих для транспортировки как горячего, так и холодного металла в процессе прокатки. Во всех перечисленных случаях каждый отдельный элемент рабочей машины (отдельная центрифуга, рогулька прядильной машины, ролик транспортера и так далее) приводятся в движение отдельным асинхронным двигателем мощностью от нескольких десятков ватт, до киловатт, и целая группа подобных двигателей может питаться от одного преобразователя с регулируемой частотой.

В качестве источника регулируемых асинхронных электродвигателей могут быть использованы следующие типы преобразователей частоты:

Источник

Поделиться с друзьями
Мощность и напряжение