Регулирование скорости оборотов двигателя постоянного тока

Регулирование скорости оборотов двигателя постоянного тока

С точки зрения регулирования скоростью вращения электродвигателей, интересно уравнение для электромеханических характеристик, соответствующее Второму закону Кирхгофа:

ω = U/C×Φ – Υ_Я /( C×Φ) 3 ×M

При описании технических характеристик электродвигателя скорость, выражаемая оборотами в минуту, зачастую называется частотой вращения ν по известному соотношению:

ω = 2p/T = 2pn

Поэтому эти две разноименные величины часто применяются в одном и том же смысле. Скорость w (частота ν) находится в прямой зависимости от напряжения питания U и в обратной от магнитного потока Ф. Исходя из приведенной выше формулы, возникает вывод, что скоростью можно управлять, регулируя сопротивление якоря, магнитный поток и напряжение питания.

Методы регулировки

Итак, различают три основных варианта регулирования скоростью:

1. Изменением напряжения сети. Меняя подводимое питание можно управлять частотой вращения двигателя;
2. Добавлением пускового реостата в цепь якоря. Регулируя сопротивление, можно уменьшить скорость вращения;
3. Управлением магнитного потока. Двигатели с электромагнитами дают возможность регулировать поток путем изменения тока возбуждения. Однако нижний предел ν min ограничен насыщением магнитной цепи двигателя, что не позволяет увеличивать в большой степени магнитный поток.

К каждому из вариантов соответствует определённая зависимость механических характеристик.

Методы регулирования применительны к двигателям с различными:

• типами возбуждения;
• величиной мощности.

На практике в современных электрических моторах, в связи с недостатками и ограниченности диапазонов, рассмотренные методы не всегда применяются.

Это еще связано с тем, что машины отличаются довольно небольшими КПД, и к тому же не позволяют плавно увеличивать или уменьшать частоту вращения.

Электронные же схемы управления с регуляторами частоты, работающими от аккумуляторной батареи на 12 В, напротив, широко используются. Например, они очень актуальны для управления низковольтными электродвигателями 12 вольт в приборах автоматики, детских игрушках, электрических велосипедах, аккумуляторных детских автомобилях.

Принципиальной особенностью метода является то, что ток в цепи якоря и момент, развиваемый электродвигателем, зависят лишь от величины нагрузки на его валу. Регулировка осуществляется с помощью регулятора оборотов электродвигателя.

В течение очень долгого времени тиристорные преобразователи являлись единственным коммерчески доступными регуляторами двигателей. К слову сказать, они по-прежнему самые распространенные на сегодняшний день. Однако с появлением силовых транзисторов стали наиболее популярными регуляторы оборотов двигателя постоянного тока с широтно-импульсной модуляцией. Приведём для примера ниже схему, работающую от источника постоянного тока 12 В.

Схема на практике даёт возможность, к примеру, увеличивать либо уменьшать яркость свечения ламп накаливания на 12 вольт.

Последовательно-параллельное управление используется в ситуациях, когда два или более агрегата постоянного тока соединены механически. Схема с последовательным соединением электродвигателей, в которой общее напряжение делится на всех, используется для низкоскоростных приложений. Схема с параллельным соединением машин, имеющих одинаковое напряжение, используется в высокоскоростных применениях.

Заключение

Рассмотренный метод регулировки напряжения сети считается самым эффективным и экономичным вариантом, так как:

• им обеспечивается широкий диапазон изменения скоростей (w_min / w_max) и лучшие энергетические характеристики (КПД);
• он работает без каких-либо потерь мощности в силовой цепи якоря.

Управление осуществляется плавно, и по точности регулировка частоты вращения является весьма высокой.

Выбор частотного преобразователя для дымососа и оптимизация энергопотребления

Дымососы и дутьевые вентиляторы предназначены для контролируемой тяги, вывода продуктов горения. Согласованная работа вентиляционных устройств обеспечивает стабильное отношение “ воздух-топливо” в камере сгорания котла, не зависящее от силы и направления ветра, температуры, погоды.

Состоят вентиляторы из улиткообразного корпуса, осевого направляющего аппарата и электропривода. Дутьевые нагнетательные устройства устанавливают перед камерой сгорания. Их назначение – обеспечивать подачу воздуха в топку. Дымососы располагают на выходе топки или в конце вентиляционного канала. Эти устройства предназначены для создания давления разряжения в дымоходе и отвода газов, образующихся при сгорании топлива.

Главная задача тягодутьевых устройств – обеспечение оптимальной разницы давлений внутри и снаружи топки. От этого зависит полнота сгорания топлива, его теплоотдача, количество вредных веществ в дыме и к.п.д. котельного агрегата в целом.

Способы управления производительностью вентиляторов тягодутьевой системы

Для управления производительностью котельных агрегатов используют следующие способы:

• Изменение тяги регулированием шиберными заслонками дымососа.
• Установка вентиляторов с переменным углом наклона лопастей.
• Регулировка частоты вращения электродвигателя дымососа гидромуфтой.

Такие методы обеспечивают полное сгорание топлива во всем диапазоне производительности. Несмотря на это, традиционные схемы управления тягой имеют серьезные недостатки.

Недостатки традиционных способов управления

В качестве электропривода вентиляторов применяют асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором. Эти электрические машины имеют постоянную частоту вращения ротора. Для регулировки объема воздуха, поступающего в топку, и управления тягой традиционно используются шиберные заслонки с сервоприводом и вентиляторы с регулируемым наклоном лопастей.

При этом объем воздуха, необходимый для поддержания нормального горения, определяется при помощи дифманометра, измеряющего разность давлений до и перед камерой сгорания. По этому параметру также определяется объем подачи топлива. Регулировка осуществляется путем изменения сечения трубопровода при помощи заслонок с электроприводом или угла наклона лопаток вентиляторов дымососов и наддува. Для обеспечения полного сгорания жидкого или газового топлива производительность дутьевого вентилятора должна превышать расход дымососа.

Такой способ управления имеет следующие недоставки:

• Возникновение автоколебаний контура тягодутьевой системы. При малейших ошибках проектирования, изменении конфигурации труб, их сечения возникает явление резонанса. Энергия, выделяющаяся при этом, может достигать нескольких десятков тысяч ватт. Вибрации разрушают трубопровод, приводят к срыву факела в токах, поломкам вентиляторов.
• Неравномерная нагрузка. При регулировке шиберами, нагрузка на двигатели колеблется от 10 до 200% от номинального рассчитанного значения. Мощность электродвигателя, размер вентилятора приходится выбирать с большим запасом. При этом тягодутьевые устройства часто работают в режиме недозагрузки, нерационально расходуя электроэнергию.
• Перегрузки при пуске. Значительный момент инерции вызывает повышенное скольжение в момент запуска электродвигателя. Это приводит к резкому увеличению тока, перегреву и повреждению обмоток, снижению срока службы электрической машины. Для защиты двигателей необходимы и дополнительные аппараты. Кроме того, запуск вентиляторов вызывает просадки напряжения и существенное увеличения нагрузки на сеть, что отрицательно сказывается на другом электрооборудовании.
• Необходимость установки датчиков положения заслонки. Применение схемы регулирования с обратной связью по разности давлений не всегда обеспечивает плавную регулировку тяги и объема воздуха, поданного в камеру сгорания. Для нормального запуска тягодутьевой системы и контроля процесса производства тепла приходится устанавливать датчики положения заслонок или дорогостоящий следящий сервопривод.

Таким образом, регулирование тяги традиционными методами – недостаточно надежный и дорогой способ управления производительностью котельных. Тягодутьевые вентиляторы часто работают вхолостую или в режиме сильной перегрузки. Мощность электродвигателей и электроаппаратов защиты приходится выбирать с большим запасом.

Проблема возникновения резонансных частот и автоколебаний контуров системы подачи воздуха и дымоудаления также остается нерешенной. Регулирование производительности дымососов и дутьевых вентиляторов путем изменения наклона лопастей или гидромуфтами также экономически нецелесообразно. Такие вентиляторы имеют высокую стоимость.

Применение частотных преобразователей для регулирования приводов тягодутьевых вентиляторов

Частотные преобразователи – устройства для плавного пуска, разгона и регулировки частоты вращения и момента на валу электродвигателя. Принцип их действия основан на влиянии частоты переменного напряжения, подаваемого на обмотки электрической машины, на скорость вращения вала. ПЧ трансформируют напряжение 50 Гц в напряжение большей или меньшей частоты. Коэффициент полезного действия частотных преобразователей составляет более 95 %. Эти электротехнические устройства потребляют около 1-2 % мощности, подаваемой на электродвигатель.

Кроме регулировки угловой скорости и момента, ПЧ позволяют реализовать практически любую схему управления с обратной связью по нескольким характеристикам, выполняют функции защиты от ненормальных режимов. Встроенные контроллеры также обеспечивают обмен данными с ПК и другими устройствами управления.

При прямом запуске асинхронных двигателей возникают пусковые токи, в несколько раз превышающие номинальную величину. Момент на валу двигателя при протекании переходных процессов достаточно мал. Значительный момент инерции тягодутьевых вентиляторов также вызывает значительные перегрузки, которые могут привести к перегоранию обмоток.

При подаче напряжения низкой частоты, индуктивное сопротивление электродвигателя снижается, что делает возможным увеличение тока, подаваемого на обмотки. Пусковой момент на валу достигает 200% от номинала, это позволяет преодолеть инерцию без сильных перегрузок по току.

Таким образом, частотно-регулируемый привод решает проблему перегрузок при пуске дутьевых вентиляторов и дымососов. Управление пуском и разгоном двигателя осуществляется согласно заданному алгоритму. Настройки ПЧ выбирают по параметрам тягодутьевой системы котла.

При раскручивании вентилятора дымососа естественной тягой и запуске двигателя также возникают значительные токовые перегрузки. Ток в обмотках электрической машины возрастает при расхождении скорости вращения вала и магнитного поля. Частотные преобразователи осуществляют динамическое торможение электродвигателей. При этом используется 2 метода:

• Торможение постоянным током.
• Сменой порядка фаз на обмотках.

Первый способ состоит в подаче постоянного напряжения на электродвигатель. Частотный преобразователь с ШИМ-модулятором позволяет создавать тормозной момент до 20% от номинального момента электродвигателя. Это достаточно для остановки вращения вентилятора, раскрученного естественной тягой. При этом двигатель начинает работать в режиме генератора. Кинетическая энергия преобразуется в электрическую, рассеивается на обмотках ротора и поступает на звено постоянного тока частотного преобразователя. Для защиты конденсаторов они шунтируются тормозным резистором. Добавочное сопротивление управляется силовым выключателем и включается в цепь только в режиме торможения. Выбор резистора делается исходя из режима работы двигателя, его характеристик, параметров ПЧ. Значение сопротивления указывается в паспорте преобразователя частоты.

При динамическом торможении противовключением изменяют порядок фаз, подключаемых к обмоткам двигателя. Вал начинает вращаться против направления возникающего магнитного поля и постепенно останавливается. Для ограничения токов в обмотки ротора включают добавочные сопротивления.

Применение таких способов управления торможением позволяет отказаться от тормозных колодок и других механических устройств.

Преимущества частотно-регулируемого привода в котельных

Система управления производительностью котельных агрегатов регулирует тягу и объем подачи топлива в топку. Интеграция частотных преобразователей позволяет:

• Полностью автоматизировать работу котельной и построить САР с обратной связью по нескольким технологическим параметрам. Например, в мощных котельных используют экономайзеры и воздухоподогреватели, которые нагреваются от удаляемых газов. При этом их температура не должна снижаться ниже точки выпадения росы. Установка датчика температуры в дымососе позволяет регулировать частоту вращения частотно-регулируемого привода вентиляторов и эффективно использовать выделяющееся тепло.
• Снизить расходы электроэнергии на 50-70%. Регулируемая производительность тягодутьевой системы, отказ от шиберных заслонок и механических тормозов уменьшают потребляемую двигателями электрическую мощность.
• Уменьшить износ вентиляторов и других узлов системы наддува и дымососа. ПЧ для систем управления тягой имеют функции пропуска резонансных частот. При правильной настройке снижаются вибрации, вызывающие разрушение лопастей и трубопровода.
• Увеличить срок службы электродвигателей. Плавный пуск, разгон, динамическое торможение снижают нагрев обмоток и способствуют увеличению эксплуатационного режима электрических машин.
• Отказаться от сложных схем защиты от ненормальных режимов работы. Преобразователи частоты автоматически отключают электродвигатель при просадке напряжения, обрыве фазы, перегреве, других авариях и аномальных режимах работы.
• Снизить содержание вредных веществ в продуктах горения. Точная регулировка тяги обеспечивает оптимальную подачу кислорода в камеру сгорания. При этом топливо сгорает полностью. В выбросах котельных с частотно-регулируемым приводом дутьевых вентиляторов и дымососов снижается содержание угарного газа и других опасных веществ.
• Обеспечить подхват электродвигателя. При кратковременных отключениях электроэнергии или снижении питающего напряжения, двигатель останавливается. При этом вентилятор продолжает вращаться по инерции. ПЧ обеспечивает плавный подхват электродвигателя при возобновлении электроснабжения.

Частотные преобразователи также поддерживают распространенные протоколы обмена данными и позволяют упростить схему телемеханического управления и диспетчеризации котельной. Векторное управление обеспечивает точную регулировку технологических параметров.

Преобразователи с функцией автоматической адаптации можно применять для модернизации действующих котельных, без замены устаревших электродвигателей.

Экономический эффект достигается многократным снижением потребления электроэнергии, возможностью оптимизировать работу котельных с рекуперацией тепла продуктов горения, сокращением трат на ремонт и обслуживания двигателей, уменьшением количества электроаппаратов и датчиков.

Техническая эффективность внедрения частотно-регулируемого привода тягодутьевых систем котельных определяется увлечением надежности схем защиты и управления, упрощением диспетчеризации и телемеханического контроля, возможностью построения полностью автоматизированных систем.

Современные частотные преобразователи «Данфосс» также позволяют реализовать частичную автоматизацию небольших котельных.

Распространенные проблемы частотно-регулируемого привода

Преобразователи частоты «Данфосс» – надежные и долговечные электротехнические устройства. Все проблемы частотно-регулируемого привода связаны:

• C ошибками при настройке. Они обычно возникают при подключении ПЧ к устаревшему или долго бывшему в эксплуатации электродвигателю. Реальные характеристики таких электрических машин могут существенно отличаться от паспортных данных. Чтобы избежать неправильных настроек, необходимо применять ПЧ с функций автоматической адаптации.
• C неправильным выбором частотного преобразователя. ПЧ выбирают по мощности, перезагрузочной способности, электрическим характеристикам, другим параметрам. При подборе частотника учитываются динамика изменения нагрузки на электродвигатель, порядок запуска дутьевых и дымососных вентиляторов, взаимное влияние всех узлов системы управления тягой.

Выбор преобразователя частоты для котельной – сложная инженерная задача, решение которой для каждого объекта индивидуально. Компания «Данфосс» предлагает несколько серий ПЧ для тягодутьевых систем, отвечающих современным требованиям к электроприводу дымососов и наддувных вентиляторов.

Регулирование частоты вращения асинхронного двигателя

Общие сведения. Технологический процесс часто требует изменения частоты вращения исполнительного механизма. С этой целью широко применяются коробки скоростей, которые усложняют кинематику провода, вызывают вибрацию системы и увеличивают инерционность привода. Для повышения точности обработки и увеличения производительности целесообразно использовать регулировочные свойства двигателей. В асинхронных двигателях частота вращения определяется из равенства

Из этого равенства следует, что изменять п можно тремя способами: изменением частоты f₁ , числа пар полюсов р и скольжения s. Частоту вращения ротора в принципе можно регулировать изменением напряжения питания U₁. Однако с увеличением U₁ появляется опасность превышения допустимой температуры нагрева двигателя, а с уменьшением U₁ уменьшается перегрузочная способность двигателя.

Регулирование изменением частоты (частотное регулирование). Этим способом изменение частоты вращения ротора п осуществляется за счет изменения частоты питающего напряжения f₁ . Это возможно потому, что скольжение в номинальном режиме составляет всего 2—8 %.

Для изменения частоты f₁ могут применяться машинные и полупроводниковые (тиристорные) преобразователи. На рис. 3.36 показана схема машинного преобразователя. Асинхронный двигатеь АД с постоянной частотой вращает генератор постоянного тока Г, работающий в системе генератор — двигатель. Генератор Г питает двигатель Д постоянного тока, частота вращения которого регулируется током возбуждения генератора Г и двигателя Д.

Двигатель вращает с различными частотами синхронный генератор СГ, частота выходного напряжения которого f₁ = n₁p/60 изменяется. В результате АД изменяет частоту вращения рабочего механизма. Этот способ позволяет плавно изменять частоту вращения АД. Недостатками способа являются высокая стоимость преобразователя, низкий КПД установки из-за многократного преобразования энергии, сравнительно небольшой диапазон регулирования.

Частотное тиристорное регулирование. Значительно больший эффект при частотном регулировании достигается применением тиристорных преобразователей. На рис. 3.37 показана схема такого регулирования. Тиристорный преобразователь ТП питается от трехфазной сети с постоянными значениями напряжения U₁ и частоты f₁.

На выходе преобразователя получается постоянное варьируемое напряжение U₁c. Это напряжение подается на блок инвертора И, на выходе которого появляется регулируемое переменное напряжение U₁v при частоте f₁v. Напряжение U₁v подается на асинхронный двигатель АД.

Для автоматизации процесса регулирования необходимо дополнительно иметь блок задания частоты БЗЧ и блоки управления напряжением УН и частотой УЧ.

Для поддержания точного значения скорости целесообразно иметь обратную связь по частоте с выхода АД на блок задания частоты.

Асинхронный двигатель не имеет явно выраженных полюсов и поэтому его число полюсов зависит от схемы соединения катушек в обмотках каждой фазы статора.

Если, например, обмотка фазы состоит из двух катушек, то при их последовательном соединении число пар полюсов р = 2, а при параллельном соединении р = 1. Начала и концы катушек выводятся на клеммы щитка, так что переключение катушек можно делать на работающем двигателе. Можно разместить в пазах статора две независимые обмотки, каждая из которых создает разное число пар полюсов, например, р = 1 и р = 2.

Одна из обмоток может, например, соединяться в одинарную звезду, а другая – в двойную звезду (рис. 3.38, а и б). Можно также переключать треугольник в двойную звезду (рис. 3.39, а и б).

В результате двигатель будет трехскоростной. В принципе можно разместить на статоре две обмотки, каждая из которых имеет две скорости, такая машина будет четырехскоростной. Однако размещение нескольких обмоток увеличивает габариты и стоимость машины. Поэтому лучше применять одну обмотку с переключением на четыре скорости. При этом можно получить синхронные скорости 3000 / 1500 / 1000 / 500 или 1500 / 1000 / 750 / 500 об/мин или другие комбинации.

Регулирование изменением числа полюсов является ступенчатым регулированием. Механические характеристики при разном числе пар полюсов показаны на рис. 3.40. Этот способ регулирования экономичен, рабочая часть характеристик жесткая, но данный способ применяется лишь в случаях, не требующих плавного регулирования, например в станках, где ступенчатое регулирование применяется с целью уменьшения числа ступеней в коробках скоростей, вентиляторах, насосах и др.

Регулирование частоты вращения изменением подводимого напряжения. При уменьшении напряжения U момент двигателя уменьшается пропорционально U 2 . В связи с этим изменяются механические характеристики, уменьшается критический момент Mк , при постоянном моменте сопротивления увеличивается скольжение и уменьшается частота вращения ротора.

Уменьшать напряжение U можно включением в цепь статора реостатов (рис. 3.41, а), автотрансформаторов (рис. 3.41,6) или регулируемых дросселей (рис. 3.41, в). При включении реостатов в них теряется значительная мощность (RI 2 ).

Автотрансформаторы дают возможность регулировать частоту вращения лишь вручную.

Регулируемые дроссели позволяют автоматизировать этот процесс, для чего их цепь

подмагничивания включается в систему автоматического регулирования.

Данный метод применяется только у двигателей малой мощности, так как при этом способе регулирования уменьшается КПД двигателя, уменьшается критический момент, а диапазон регулирования сравнительно небольшой.

Регулирование изменением сопротивления цепи ротора R₂ (реостатное регулирование). Этот способ применим только для двигателей с фазным ротором. Такое регулирование связано с изменением скольжения s в соответствии с зависимостью п = п₁ (1 — s).

Из формул ( 3.26) и ( 3.28) следует, что с увеличением R₂ угол наклона механической характеристики увеличивается, а критический момент остается постоянным (Mк = const).

На рис. 3.42 представлено семейство характеристик п(М) при различных R₂ . Если момент нагрузки Mc = const, то частота вращения n с увеличением R₂ падает, а скольжение увеличивается.

Этот способ регулирования имеет ряд недостатков: дополнительные потери энергии в реостате, механические характеристики становятся мягкими, относительно малый диапазон регулирования.

Частотное регулирование асинхронного двигателя

Unfortunately, you are using an outdated browser. Please update your browser to improve performance, quality of the displayed material, and improve security.

Частотное регулирование асинхронного двигателя

Частотник или (полностью) частотный преобразователь позволяет осуществлять частотное регулирование электродвигателя. Регулирование скорости (частоты) при эксплуатации данного устройства подразумевает возможности плавного изменения частоты оборотов ротора в большую или в меньшую сторону относительно номинальной.

• транспортеров;
• насосного оборудования;
• вентиляторов и другой техники

Преимущества

Электрический привод постоянного тока не отличается особой надежностью: во время эксплуатации имеет место искрение щеток, что быстро изнашивает коллектор. Во взрывоопасной среде или запыленных помещениях такое устройство использовать нельзя. К тому же его цена остается довольно внушительной.

• проще в плане конструкции;
• дешевле стоит;
• более надежен, потому что не имеет подвижных контактов;
• меньше по размеру при аналогичной мощности (проще установить, легче спланировать систему);
• легче.

Два важных преимущества асинхронных двигателей – их простое производство и неприхотливость по части обслуживания. Есть, правда, и недостатки, к которым относится сложность организации изменения скоростных характеристик электродвигателя. Здесь не подходят классические решения – изменение напряжения через дополнительные сопротивления в цепи обмоток.

Хотя теория частотного регулирования разработана еще в 30-е годы XX века, реализовать управление асинхронным электродвигателем с помощью регулятора частоты до недавнего времени было сложно. Причина – высокая стоимость производства и (соответственно) продажи преобразователей частоты.

Ситуация изменилась с появлением схем с IGBT-транзисторами (БТИЗ, биполярные транзисторы с изолированным затвором, производительные микропроцессорные системы). На их базе производителям из Японии, Европы и США удалось снизить стоимость изготовления частотного преобразователя, не теряя в его технических характеристиках.

Виды управления скоростями

Существует несколько видов управления асинхронным электродвигателем, среди которых самым распространенным в последние годы стал метод векторного или векторного бездатчивокового регулирования скорости. Он нередко встречается в частотном преобразователе, который изначально применяет скалярное управление без клемм для присоединения датчика скорости.

Собственно, вид регулирования асинхронного двигателя частотным преобразователем , зависит от класса последнего. А делят регуляторы частоты по нескольким признакам.

1. По типу управления – на устройства ручного и автоматического регулирования.
2. В зависимости от вида выходной нагрузки частотный преобразователь делится по способу исполнения:
   • на устройства для электроприводов насосного и вентиляторного оборудования;
   • механизмы для привода общепромышленного назначения;
   • частотные преобразователи для электродвигателей, которые эксплуатируются в сложных условиях (с перегрузками).

Частотные преобразователи последних поколений, кроме разных по исполнению вариаций, могут иметь еще и разный набор функций. К последним относятся 2 вида управления (ручной и автоматический) скоростью вращения и его направлением, потенциометр на основной панели, система настройки диапазонов выходных частот (0–800 Гц).

Принцип

Задачи частотника в системе частотного регулирования асинхронного электродвигателя:

• изменение показателей электродвигателя в автоматическом режиме через обработку сигналов с датчиков, установленных на периферии;
• приведение привода в действие, согласно настройкам (программируемый алгоритм работы по времени);
• поддержание функции автоматического восстановления первоначальных настроек работы в случаях кратковременных остановок (прерываний питания);
• удаленное управление переходными процессами с пульта; от перегрузок.

Принцип частотного регулирования асинхронного двигателя выражен в формуле:

Его суть: изменяя частоту f1 питающего напряжения, можно менять угловую скорость магнитного поля статора при неизменном количестве пар полюсов, обозначенных в формуле p. Такой метод обеспечивает оптимальные характеристики работы асинхронного электродвигателя, но и оптимальные показатели регулирования частоты:

• мягкое (плавное) регулирование скоростей в большом диапазоне частоты;
• повышенная жесткость механических показателей;
• регулирование частоты вращений вала без повышения скольжения электродвигателя (за счет чего потери мощности сводятся к предельному минимуму).

Одним из условий частотного регулирования скорости асинхронного двигателя является одновременное с частотой вращений изменение напряжения, которое к нему подводится. Это нужно для повышения энергетических показателей работы электропривода (КПД, коэффициенты мощности, способности выдерживать перегрузки).

Закон частотного регулирования асинхронного двигателя (закон напряжения) определяется типом момента нагрузки (обозначается как Мс).

• Когда Мс = const, напряжение на статоре регулируется пропорционально частоте вращения, согласно выражению:

• Если характер момента нагрузки – вентиляторный, то применяется выражение:

• Если момент нагрузки обратно пропорционален частоте:

Другими словами, для реализации поставленных перед ним задач (плавное бесступенчатое частотное регулирование частоты оборотов вала асинхронного электродвигателя) частотный преобразователь должен одновременно:

• менять частоту оборотов;
• регулировать на статоре напряжение.

Технические характеристики для учета

• Диапазон изменения – Д. Представляет собой предел, до которого возможно регулирование. Вычисляется как соотношение минимальной и максимальной частоты вращения.
• Степень плавности частотного регулирования. Рассчитывается по минимальному скачку частоты вращения вала электродвигателя при переходе от одной механической характеристики к другой.
• Зона регулирования (направление изменения вращения). Номинальные условия эксплуатации задают естественный набор характеристик электродвигателя, которые при управлении частотой вращения начнут изменяться. На выходе асинхронный электродвигатель получит новые – искусственные – характеристики, которые, как правило, ниже, чем естественные.

Правила регулирования частоты

При этом важно учитывать следующее правило. При повышении количества оборотов вала относительно паспортных данных электродвигателя частота его источника питания не должна увеличиваться более, чем в 1,5–2 раза от номинальной.

Такой метод управления – частотное регулирование асинхронного двигателя – более всего оправдывает себя в механизмах и короткозамкнутым ротором. В случае с ним ввиду отсутствия скольжения потери мощности остаются минимальными, а выходные механические характеристики – с высокой жесткостью.

Плюсы электродвигателя с регулированием скорости

Основной плюс электродвигателя, управляемого с помощью частотного преобразователя, – высокий опрокидывающий момент. Это он обеспечивает стабильную эксплуатацию электропривода и подключенного к нему оборудования в большом диапазоне частот вращения.

Благодаря данному факту применение асинхронных электродвигателей с регулированием скорости позволяет отказаться от ряда механизмов (снижается потеря мощности, к которой приводит их использование), получая высокий КПД.

Частотно-регулируемые приводы как основа эффективного управления электродвигателями

В постиндустриальную эпоху, начиная с 80-х годов ХХ века, асинхронный электропривод стал основным потребителем электрической энергии (свыше 60% электроэнергии в промышленности потребляется данными электродвигателями), как наиболее простой, за счет этого и дешевый, и надежный тип двигателя. Большинство секторов экономики стали использовать (или еще более нарастили) двигательную нагрузку в виде: насосных, компрессорных, вентиляционных и т.п. установок. Технологический процесс различных производств зачастую стал требовать изменения частоты вращения каких-либо исполнительных механизмов, например, когда расход водопотребления мал в магистральной сети, достаточно снизить частоту вращения ротора электродвигателя, который приводит в действие магистральный насос, тем самым снизив потребление воды.

В тоже время возникла тенденция к использованию энергосберегающих технологий, снижению потерь электроэнергии, в том числе и в силовых машинах. Ощутимый рост стоимости энергоресурсов, одержимость рационального их использования, а также бурное развитие электронной и вычислительной технике способствовали появлению устройств, предназначенных для экономного управления электродвигателями различного типа.

О том, как обеспечить максимально эффективное управление электроприводом, говорим сегодня.

Большая часть электрической энергии, потребляемой производственными и технологическими установками, используется для выполнения какой-либо механической работы. Для приведения в движение рабочих органов различных производственных и технологических механизмов преимущественно используются асинхронные электрические двигатели с короткозамкнутым ротором (в дальнейшем именно о данном типе электродвигателя и будем вести повествование). Сам электродвигатель, его система управления и механическое устройство, передающее движение от вала двигателя к производственному механизму, образуют систему электрического привода.

Наличие минимальных потерь электроэнергии в обмотках за счет регулирования частоты вращения двигателя, возможность плавного пуска за счет равномерного увеличения частоты и напряжения — это основные постулаты эффективного управления электродвигателями.

Ведь раньше и до сих пор существуют такие способы управления двигателем, как:

• реостатное регулирование частоты, путем введения дополнительных активных сопротивлений в цепи обмоток двигателя, последовательно закорачиваемых контакторами;
• изменение напряжения на зажимах статора, при этом частота такого напряжения постоянна и равна частоте промышленной сети переменного тока;
• ступенчатое регулирование путем изменения числа пар полюсов статорной обмотки.

Но эти и другие способы регулирования частоты несут с собой главный недостаток — значительные потери электрической энергии, а ступенчатое регулирование по определению является недостаточно гибким способом.

Потери неизбежны?

Остановимся более подробно на электрических потерях, возникающих в асинхронном электродвигателе.

Работа электрического привода характеризуется целым рядом электрических и механических величин.

К электрическим величинам относятся:

• напряжение сети,
• ток электродвигателя,
• магнитный поток,
• электродвижущая сила (ЭДС).

Основными механическими величинами являются

• частота вращения n (об/мин) ,
• вращающийся момент M (Н•м) двигателя,
• механическая мощность электродвигателя P (Вт) , определяемая произведением момента на частоту вращения:

P=(M • n)/(9,55) (1)

Для обозначения скорости вращательного движения наряду с частотой вращения n используется и другая известная из физики величина — угловая скорость ω , которая выражается в радианах за секунду (рад/с). Между угловой скоростью ω и частотой вращения n существует следующая связь:

ω=(2• π • n)/60=n/(9,55) ,

при учете которой формула приобретает вид:

P=M•ω (2)

Зависимость вращающего момента двигателя M от частоты вращения его ротора n называется механической характеристикой электродвигателя. Отметим, что при работе асинхронной машины со статора на ротор передается через воздушный зазор с помощью электромагнитного поля так называемая электромагнитная мощность:

Часть этой мощности передается на вал ротора в виде механической мощности согласно выражению (2), а остальная часть выделяется в виде потерь в активных сопротивлениях всех трех фаз роторной цепи.

Эти потери, называемые электрическими, равны:

Таким образом, электрические потери определяются квадратом тока, проходящего по обмоткам.

Они в сильной степени определяются нагрузкой асинхронного двигателя. Все другие виды потерь, кроме электрических, изменяются с нагрузкой менее существенно.

Поэтому рассмотрим, как изменяются электрические потери асинхронного двигателя при регулировании частоты вращения.

Электрические потери непосредственно в обмотке ротора электродвигателя выделяются в виде тепла внутри машины и потому определяют ее нагрев. Очевидно, чем больше электрические потери в цепи ротора, тем меньше КПД двигателя, тем менее экономична его работа.

Учитывая, что потери в статоре примерно пропорциональны потерям в роторе, еще более понятно стремление уменьшить электрические потери в роторе. Тот способ регулирования частоты вращения двигателя является экономичным, при котором электрические потери в роторе относительно невелики.

Из анализа выражений следует, что самый экономичный способ управления двигателями заключается в частоте вращения ротора близкой к синхронной.

Частотно-регулируемые приводы

В обиход различных сфер промышленности, которые используют насосное, вентиляционной оборудование, производства, использующие конвейерные установки, объекты генерации (ТЭЦ, ГРЭС и т.п.) и многих других, вошли такие установки как частотно-регулируемые привода (ЧРП), также называемые — преобразователями частоты (ПЧ). Данные установки и позволяют изменять частоту и амплитуду трехфазного напряжения, поступающего на электродвигатель, за счет чего и достигается гибкое изменение режимов работы управляющих механизмов.

Высоковольтный частотно-регулируемый привод

Приведем краткое описание существующих преобразователей частоты.

Конструктивно преобразователь состоит из функционально связанных блоков: блока входного трансформатора (шкаф трансформатора); многоуровневого инвертора (шкаф инвертора) и системы управления и защит с блоком ввода и отображения информации (шкаф управления и защит).

В шкафу входного трансформатора производится передача энергии от трехфазного источника питания входным многообмоточным трансформатором, который распределяет пониженное напряжение на многоуровневый инвертор.

Многоуровневый инвертор состоит из унифицированных ячеек – преобразователей. Количество ячеек определяется конкретным конструктивом и заводом-изготовителем. Каждая ячейка, оснащена выпрямителем и фильтром звена постоянного тока с мостовым инвертором напряжения на современных IGBT транзисторах (биполярный транзистор с изолированным затвором). Первоначально выпрямляется входной переменный ток, а затем с помощью полупроводникового инвертора преобразуется в переменный ток с регулируемой частотой и напряжением.

Полученные источники управляемого переменного напряжения соединяются последовательно в звенья, формируя фазу напряжения. Построение выходной трехфазной системы питания асинхронного двигателя производится включением звеньев по схеме «ЗВЕЗДА».

Система управления защиты располагается в шкафу управления и защиты и представлена многофункциональным микропроцессорным блоком с системой питания от источника собственных нужд преобразователя, устройством ввода-вывода информации и первичными сенсорами электрических режимов работы преобразователя.

Потенциал экономии: считаем вместе

На основании данных, предоставленных компанией Mitsubishi Electric, оценим потенциал энергосбережения при внедрении преобразователей частоты.

Вначале посмотрим, как меняется мощность при различных режимах регулирования двигателя:

А теперь приведем пример расчета:

Экономия между работой под номинальной нагрузкой и работой с возможностью регулирования скорости вращения двигателя (работа совместно с ЧРП) равна:

7 446 400 кВт • ч/год — 3 846 400 кВт • ч/год= 3 600 000 кВт • ч/год

Учтем тариф на электроэнергию равным — 1 кВт•ч / 5,5 руб. Стоит отметить, что стоимость взята по первой ценовой категории и усредненному значению для одного из промышленных предприятий Приморского края за 2019г.

Получим экономию в деньгах:

3 600 000 кВт • ч/год • 5,5 руб/кВт • ч= 19 800 000 руб/год

Практика реализации подобных проектов позволяет с учетом затрат на эксплуатацию и ремонты, а также стоимости самих преобразователей частоты, добиться срока окупаемости в 3 года.

Как показывают цифры, в экономической целесообразности внедрения ЧРП сомневаться не приходится. Однако одной экономикой эффект от их внедрения не ограничивается. О том, как ЧРП осуществляют плавный пуск двигателя, значительно уменьшая его износ, читайте в следующих выпусках журнала.