Электрические машины — Регулирование частоты вращения

6.7.3. Регулирование частоты вращения двигателей постоянного тока

Согласно (6.8), регулирование частоты вращения двигателей постоянного тока можно осуществлять путем изменения потока Ф, введения дополнительного сопротивления в цепь якоря и изменения напряжения сети . В двигателях параллельного возбуждения наиболее просто осуществляется регулирование изменением потока, реализуемого с помощью реостата в цепи возбуждения. При увеличении сопротивления поток Ф уменьшается и частота вращения растет. На рис. 6.43 представлены механические характеристики двигателя параллельного возбуждения при трех значениях потока. Таким способом регулируют частоту вращения в пределах , . Верхний уровень частот ограничивается условиями коммутации. Кроме того, при глубоком уменьшении потока возбуждения усиливается размагничивающее действие реакции якоря, жесткость механической характеристики растет, и падающая характеристика при номинальном потоке может стать возрастающей при ослабленном потоке, что приведет к нарушению устойчивой работы двигателя.
Регулирование частоты вращения двигателя путем введения в цепь якоря дополнительного сопротивления позволяет изменять частоту вращения вниз от номинальной в широких пределах (рис. 6.44). Но этот способ не экономичен. Полезная мощность двигателя при постоянном моменте пропорциональна частоте вращения (без учета потерь в якоре):
,
а потребляемая из сети мощность от частоты вращения не зависит,
.
Поэтому КПД двигателя пропорционален частоте вращения якоря,

.
Кроме того, при введении дополнительного сопротивления жесткость механической характеристики двигателя снижается, что может привести к ухудшению работы приводного механизма.
Более совершенным способом регулирования частоты вращения вниз является регулирование путем изменения подводимого к двигателю напряжения. На рис. 6.45 представлены механические характеристики двигателя параллельного возбуждения для трех значений напряжений. Жесткость механических характеристик практически не меняется, поэтому таким способом можно регулировать частоту вращения от номинальной до нуля.
Этот способ по существу сходен с частотным регулированием угловой скорости в машинах переменного тока, так как закон изменения напряжения и частоты тока в якоре близок к при постоянном потоке Ф:
.
В качестве источников регулируемого напряжения используются генератор постоянного тока (рис. 6.41, а) либо полупроводниковый выпрямитель (рис. 6.41, б). Схема с полупроводниковым выпрямителем обладает более высоким быстродействием по сравнению со схемой генератор-двигатель, но уступает по перегрузочной способности. Кроме того, работа полупроводникового преобразователя ухудшает качество электрической энергии сети переменного тока из-за генерации высших гармоник напряжения и тока.
Рассмотренные способы регулирования частоты вращения двигателей параллельного возбуждения применяются и в двигателях смешанного возбуждения.

Регулирование частоты вращения двигателей последовательного возбуждения осуществляется путем изменения тока в последовательной обмотке или напряжения якоря U с помощью шунтирующих реостатов (рис. 6.46).
При шунтировании обмотки возбуждения ток уменьшается и частота вращения якоря растет, а при шунтировании якоря напряжение якоря уменьшается, поэтому частота вращения падает (рис. 6.47).
Регулирование частоты вращения вверх осуществляется практически при постоянном КПД
.
Верхний уровень частоты вращения ограничивается условиями коммутации.
Регулирование частоты вращения вниз может осуществляться вплоть до нуля, однако КПД этого способа снижается пропорционально напряжению якоря и частоте вращения:
,
где — частота вращения якоря при .
Таким образом, этот способ регулирования так же, как и реостатный способ регулирования частоты вращения двигателя с параллельным возбуждением, является неэкономичным. Он используется лишь в случае двигателей малой мощности.

Регулирование гидропривода

Скорость движения исполнительных органов объемного гидропривода зависит от расхода жидкости, поступающего в рабочую камеру, и от объема этой камеры, поэтому возможности регулирования скорости гидроприрвода основаны на различных способах изменения расхода, либо на изменении объема рабочей камеры. Рассмотрим подробнее каждый из возможных способов регулирования скорости движения исполнительных механизмов гидравлического привода.

Читайте так же:

Как отрегулировать рулевую колонку москвич 412

Объемное регулирование

Данный способ регулирования основан на изменении объема рабочих камер гидромашин — насосов и гидромоторов.

Регулирование рабочего объема насоса

Подачу объемного насоса можно вычислить по формуле:

q — объем рабочей камеры насоса
n — частота вращения вала насоса
η — объемный КПД

Получается, что изменения объем рабочей камеры насоса, можно регулировать расход жидкости, подаваемой в напорный трубопровод при постоянной частоте вращения.

Насосы, конструкция которых позволяет изменять объем рабочей камеры называют регулируемыми. Наибольшее распространение получили регулируемые пластинчатые и аксиально-поршневые насосы.

Конструкция регулируемых машин значительно сложнее чем нерегулируемых, а значит регулируемые насосы значительно дороже. Высокая стоимость является одним из главных недостатков объемного регулирования гидропривода.

Объемное регулирование насоса часто применяется для изменения скорости движения гидроцилиндров.

Регулирование рабочего объема гидромотора

Скорость вращения вала гидромотора можно вычислить, используя зависимость:

где q — объем рабочей камеры гидромотора
n — частота вращения вала гидромотора
η — объемный КПД гидромотора

Используя данную зависимость можно сделать вывод, что изменяя объем рабочей камеры гидромотора можно регулировать скорость вращения вала.

Регулируемым называют гидромотор, в конструкции которого предусмотрена возможность изменения объема рабочей камеры. Наиболее часто используются регулируемые аксиально-поршневые моторы, существуют конструкции регулируемых пластинчатых и радиально-поршневых гидромоторов.

На риунке показан регулируемый аксиально-поршневой насос, изменение узла наклона блока, в данном случае, осуществляется с помоью механической передачи. При изменении угла наклона меняется величина хода поршней, а значит и подача насоса, чем меньше уогл — тем меньше ход.

Достаточно часто используется схема объемного регулирования с одновременным использованием регулируемых насоса и гидромотора. Наибоольшее распространение получили регулируемые аксиально-поршневые моторы.

Преимущества объемного регулирования

высокий КПД
отсутствие нагрева жидкости в результате дросселирования

Недостатки объемного регулирования

высокая стоимость
сложность конструкции регулируемых машин
медленное срабатывание

Дроссельное регулирование

Суть дроссельного регулирования заключаются в отводе части жидкости, подаваемой насосом. Подача насоса при дроссельном регулировании делится на два потока.

где Qгд — расход, подводимый к гидродвигателям
Qсл — расход отправляемый на слива

Изменяя соотношение этих расходов можно менять скорость движения исполнительных механизмов.

В зависимости от схемы установки регулируемого гидравлического сопротивления — дросселя, различают три типовых схемы дроссельного регулирования гидропривода:

Последовательное
- в линии нагнетания
- в линии слива
Рассмотрим подробнее каждый из этих способов регулирования.
Последовательное регулирование с установкой дросселя в линии нагнетания
Дроссель или регулятор расхода при данном способе регулирования устанавливается в линию нагнетания насоса, он необходим для создания необходимого перепада давления. Сброс части жидкости осуществляется через предохранительный клапан.
Рассмотрим принцип работы схемы с последовательным дроссельным регулированием.

При полном открытии дросселя весь поток жидкости направляется к гидроцилиндру, скорость его движения при переключении распределителя будет максимальной.
При уменьшении проходного сечения дросселя давление перед ним будет увеличиваться. При достижении давления начала открытия предохранительного клапана, часть жидкость через него будет отправляться на слив. Скорость перемещения штока гидроцилиндра будет уменьшаться.
При дальнейшем закрытии дросселя давление перед ним будет расти, а значит предохранительный клапан будет открываться сильнее отправляя большее количество жидкости на слив. Что позволит уменьшать скорость движения штока цилиндра.
Данный способ регулирования характеризуется простотой реализации и относительной дешевизной органов регулирования. Однако дросселирование обуславливает большие потери энергии, а значит низкий КПД и большое тепловыделение. Причем при последовательном регулировании, нагретая на дросселе жидкость будет поступать в полость исполнительного гидродвигателя.
Последовательное регулирование с установкой дросселя в линии слива
Дроссель может устанавливаться не только в линии нагнетания насоса, но и в линии слива гидродвигателя, такую схему называют последовательным регулированием гидравлического привода с установкой дросселя в линии слива.

В результате уменьшения проходного сечения дросселя давление в линии нагнетания будет возрастать, когда оно достигнет величины достаточной для открытия предохранительного клапана часть жидкости через него будет отправлена на слив. Получается что при дроссельном регулировании гидродвигатель постоянно будет находится под нагрузкой за счет противодавления на сливе, что может негативно сказаться на его ресурсе.
При установке дросселя в линии слива нагретая на гидравлическом сопротивлении жидкость поступает не к гидродвигателю, как в случае с установкой дросселя в линию нагнетания, а в накопительный бак, где накопленное тепло рассеивается.
Параллельное дроссельное регулирование скорости гидропривода
Схема параллельного регулирования с помощью дросселя показана на рисунке.

Дроссель установлен параллельно гидроцилиндру. При увеличении открытия дросселя поток жидкости, проходящий через него на слив будет увеличиваться, а поток жидкости направляемый к гидродвигателю будет уменьшаться. Изменяя открытие дросселя можно регулировать соотношение расходов этих потоков. Выделяемое при дросселировании тепло с помощью жидкости отводится в бак.
Достоинства дроссельного регулирования гидравлического привода
- простота реализации,
- низкая стоимость,
- возможность плавного регулирования в широком диапазоне.
Недостатки дроссельного регулирования
- большие потери энергии — низкий КПД,
- нагрев рабочей жидкости, необходимость использования теплообменников.
Частотное регулирование скорости гидропривода
В том случае, если для вращения вала насоса используется электродвигатель, для изменения подачи можно применить частотное регулирование.
Подача насоса определяется его рабочим объемом и частотой вращения вала, изменяя частоту можно влиять на подачу насоса.

Для регулирования частоты вращения вала электродвигателя, а значит и насоса, используется специальный регулятор частоты. Он позволяет изменять скорость вращения вала электродвигателя в широком диапазоне. При увеличении частоты вращения подача насоса будет расти, при уменьшении — снижаться.
Диапазон регулирования ограничен возможностями частотного регулятора, и величиной рабочего диапазона частот вращения насоса, например радиально-поршневые насосы устойчиво работают в диапазоне 1000 — 3000 об/мин.
Частотно-регулируемый электропривод
Частотно-регулируемый, или частотно-управляемый привод (ЧРП, ЧУП) — система управления частотой вращения ротора асинхронного двигателя, которая включает в себя электродвигатель и преобразователь частоты.
Так как асинхронные двигатели могут вращаться на одной частоте, задаваемой им питающей сетью переменного тока, для управления ими используют преобразователи частоты.
Схема 1. Частотно-регулируемый привод.
Частотный преобразователь (ЧП) — это устройство, объединяющее в себе выпрямитель и инвертор. Выпрямитель преобразует переменный ток промышленной частоты в постоянный, а инвертор наоборот. Выходные тиристоры (GTO) или транзисторы (IGBT), открываясь и закрываясь при помощи электронного управления, формируют необходимое напряжение, аналогичное трехфазному. Возможность менять частоту напряжения позволяет изменять отдаваемую в нагрузку мощность не дискретно (как при механической регулировке), а непрерывно. За счет такого принципа действия частотно регулируемый привод может плавно регулировать параметры вращения двигателя.
Преимущества применения частотно регулируемых приводов для управления АД
1. Облегчает пусковой режим привода.
2. Позволяет двигателю долго работать, независимо от степени загрузки.
3. Обеспечивает большую точность регулировочных операций.
4. Позволяет контролировать состояние отдельных узлов в цепях промышленной электрической сети. За счет этого возможно вести постоянный учет количества времени, наработанного двигателями, чтобы потом оценивать их результативность.
5. Наличие электронных узлов дает возможность диагностировать неисправности в работе двигателя дистанционно.
6. К устройству можно подключать различные датчики обратной связи (давления, температуры). В результате скорость вращения будет стабильна при постоянно меняющихся нагрузках.
7. При пропадании сетевого напряжения включается управляемое торможение и перезапуск.
- повышается уровень КПД за счет чего можно сэкономить порядка 30-35 % электроэнергии;
- количество и качество конечного продукта возрастает;
- снижается износ комплектующих механизмов;
- возрастает срок службы оборудования.
Недостатки систем частотного регулируемого привода
- Создают сильные помехи, которые мешают другой электронике функционировать. Справиться с этой проблемой поможет установка в цепи управления фильтров высокочастотных помех, которые будут снижать степень такого влияния.
- Высокая стоимость ЧРП. Однако она окупится через 2-3 года.
Отрасли применения ЧРП
Список отраслей получается обширным, сложнее найти отрасль, где бы не применялись ЧП:
Нефтедобыча и переработка: насосное оборудование, привод аппаратов воздушного охлаждения (АВО) и градирен, комплексная автоматизация различных технологических линий.
Металлургия: приводы рольгангов, конвейеров, прокатных станов, наматывающих устройств волочильных станов, насосов, вентиляторов.
Машиностроение: привод обрабатывающих станков, насосы, конвейерные линии, полиграфические машины.
Горнодобывающее и обогатительное производство: дробилки, мешалки, конвейеры, песковые и пульповые насосы.
Химическая промышленность: насосы, мешалки, грануляторы, экструдеры, центрифуги, приводы дымососов и вентиляторов, АСУ.
Пищевая промышленность: грануляторы, экструдеры, мельницы, дробилки, куттеры, жом-прессы, этикетировочные аппараты, конвейеры, технологические линии, насосы, вентиляторы.
ЖКХ: различное насосное оборудование, АСУ.
Стройкомплекс: краны, подъемные механизмы.
Транспорт: судовой привод, электротранспорт.
Как выбрать частотный преобразователь
- Мощность и разновидность асинхронного электродвигателя.
- Диапазон и точность регулировки скорости.
- Необходимость точного поддержания момента и скорости вращения на валу двигателя.
- Соответствие конструкции устройства персональным пожеланиям.
СОВЕТ: если какой-то из параметров должен отвечать особым требованиям, то лучше предпочесть не потенциально подходящий частотно регулируемый электропривод, а тот, который будет классом выше.
Выполненные проекты
НПО «Винт», г. Москва. Подруливающие устройства для судового привода. Суда, оборудованные ими, получают большую маневренность при швартовке, проходе узкостей, тралении. Значительно снижается риск столкновения судов. Сокращается время разгрузки и погрузки, что дает экономию времени и денег.
ООО «Стройбезопасность», г. Тихорецк. Оснащение приводов башенных кранов. Это решение упрощает управление, дает возможность тонко регулировать скорость в большом диапазоне, приводит к отсутствию пусковых бросков тока.
ОАО «Тагмет», г. Таганрог. Рольганги щелевой закалочной печи. Обеспечивают точный догон трубы в зоне загрузки и отрыв на выходе и безаварийную работу оборудования. Главный экономический эффект применения частотных преобразователей — это повышение качества продукции.
ОАО «Ульяновский сахарный завод», р.п. Цильна, Ульяновская обл. Привод жом-пресса 500 кВт. Регулирует обороты по нагрузке: в результате стружка подается неравномерно и не происходит перебросов при этом поддерживается нужный уровень давления в шахте. Увеличивается срок службы оборудования, снижается количество аварийных остановок, упрощается обслуживание процесса.
МУП «Водоканал», г. Новочебоксарск. Автоматизированная система оперативного диспетчерского управления (АСОДУ) водоснабжением г. Новочебоксарска. Кроме снижения прямых затрат на энергоресурсы, снизилась аварийность и улучшилось качество обслуживания.
Регулировать скорость двигателя частотой
Двигатель то был рассчитан на работу при 5060 Герц. Не вдаваясь в теорию, которую и сам плохо помню, просто приведу пример, что двигатели одной серии но с разным количеством пар полюсов (то есть рассчитанные на разные номинальные обороты) имеют сильные различия в массогабаритных показателях. Это обусловлено тем, что в забытой мной формуле мощности 3 фазного асинхронного электродвигателя присутствовует значение частоты (точно помню). Так вот, такие преобразователи частоты могут и применяются с успехом на двигателях с так называемой вентиляторной нагрузкой на валу (центробежные и прямоточные насосы и вентиляторы), где при понижении оборотов понижается и момент(нагрузка) на валу, но не на системах с постоянным моментом (редукторы и прочее). При её понижении, Вы банально перегружаете двигатель, он становится ещё более асинхронным, чем рассчитано инженерами-проектировщиками, скольжение ротора относительно вращающегося ЭМ поля растёт, что приводит к потерям и перегреву. Надо либо заменить двигатель на более мощный, либо с большим числом пар полюсов (рассчитанный на меньшие номинальные обороты).
То есть задача сводится к рассчёту требуемой мощности при минимальных оборотах.
Приближённо:
Где Т — момент на валу
Р — мощность развиваемая двигателем (отбрасываем потери на нагрев и механические при нормальном режиме невелики)
величина Ws = 4*3.14 * f / # of poles
f = частота на выходе преобразователя
# of poles — количество пар полюсов двигателя
Как видите, понижение частоты снижает и развиваемую двигателем мощность.
Сообщений: 12774
Откуда: Мск
Регистрация: Февраль 2003
написано 27 Декабря 2007 09:57 Инфо &#149 Правка &#149 Ответить &#149 IP
Сообщений: 2195
Откуда: Engine Control Room
Регистрация: Апрель 2003
написано 27 Декабря 2007 11:46 Инфо &#149 Правка &#149 Ответить &#149 IP
Фактически Вы имеете 2 фазый двигатель с обмотками намотанными для работы в системе со сдвигом фаз на 90 градусов. 3 фазный преобразователь выдаёт жёсткий сдвиг на 120. При включении на 2 фазы с конденсатором при падении частоты его ёмкость становится недостаточной и он не обеспечивает сдвиг на 90 градусов. Таким образом, скольжение ротора относительно ЭМ поля и сдвиг его фаз в обмотке у вас больше номинального что и вызывает такие потери и перегрев. Думаю, что существуют преобразователи частоты и для этого типа двигателей.
Сообщений: 5959
Откуда: SPb
Регистрация: Июнь 2001
написано 27 Декабря 2007 12:44 Инфо &#149 Правка &#149 Ответить &#149 IP
Сообщений: 12775
Откуда: Мск
Регистрация: Февраль 2003
написано 27 Декабря 2007 14:09 Инфо &#149 Правка &#149 Ответить &#149 IP
Сообщений: 9444
Откуда: Санктъ-Питербурхъ
Регистрация: Декабрь 2000
написано 27 Декабря 2007 17:50 Инфо &#149 Правка &#149 Ответить &#149 IP
Сообщений: 12779
Откуда: Мск
Регистрация: Февраль 2003
написано 27 Декабря 2007 18:20 Инфо &#149 Правка &#149 Ответить &#149 IP
В данном случае превалирует индуктивная составляющая, что и приводит к уменьшению сопротивления и увеличению потребляемого тока.
Да, но инвертор предназначен именно для регулирования оборотов, причем инверторы выпускают много фирм, неужели специалисты-разработчики с «мицубиши» не знают школьного курса физики?
Более того, на витрине в магазине (Митино) мотор крутится целыми днями (для привлечения внимания) на вал одета ленточка — два-три оборота в секунду, ничего не греется.
Давайте скорее совет что делать.
Сообщений: 2196
Откуда: Engine Control Room
Регистрация: Апрель 2003
написано 27 Декабря 2007 18:47 Инфо &#149 Правка &#149 Ответить &#149 IP
Да, Вы правы, греется из-за неверного сдвига фаз относительно обмотки. Смените смазку в подшипниках, обмотка может и выдержит этот режим, а вот подшипники высохнут раньше. Вдобавок, сам двигатель видимо тоже нуждается в каком-то обдуве от собственного вентилятора или приводимого им. А Вы это охлаждение ему ликвидировали. Собственно и 3 фазный двигатель может работать на 2 фазах, при этом потребляемый ток возрастёт примерно в 1.44 раза, а момент на валу упадёт вместе с оборотами и вырастет скольжение (по сути потери). Вам нужно просто иметь ввиду, что ток и следовательно потребляемая мощность напрямую зависят от момента на валу, при снижении оборотов с 2500 до 300 момент там в основном создаётся подшипниками и потерями самого двигателя.
Весельчак У
Забудьте, потери при этом методе растут слишком быстро. Рассчётный же КПД 98%. А там перегрев и прочее неприятное. Регулировать напряжением то можно, как раз для этой мощности потери не будут играть особой роли, только надо обеспечить обратную связь чтобы двигатель с гарантией стартовал и не останавливался. Кстати, промыщленные преобразователи частоты позволяют так-же регулировать и напряжение.
Сообщений: 9449
Откуда: Санктъ-Питербурхъ
Регистрация: Декабрь 2000
написано 29 Декабря 2007 19:05 Инфо &#149 Правка &#149 Ответить &#149 IP
Сообщений: 12785
Откуда: Мск
Регистрация: Февраль 2003
написано 29 Декабря 2007 19:54 Инфо &#149 Правка &#149 Ответить &#149 IP
Добавление от 29 Декабря 2007 21:58:
Добавление от 30 Декабря 2007 00:32:
Напряжение одинаковое на всем диапазоне частот.
Может есть смысл последовательно с мотором включить конденсатор?
Для ограничения тока.
Сообщений: 5667
Откуда: Санкт-Петербург,Россия
Регистрация: Июнь 2003
написано 30 Декабря 2007 09:50 Инфо &#149 Правка &#149 Ответить &#149 IP
Скажи пожалуйста, как ты собираешся использовать этот двигатель? В качестве вентилятора?
Сообщений: 12786
Откуда: Мск
Регистрация: Февраль 2003
написано 30 Декабря 2007 11:27 Инфо &#149 Правка &#149 Ответить &#149 IP
Сообщений: 5670
Откуда: Санкт-Петербург,Россия
Регистрация: Июнь 2003
написано 30 Декабря 2007 12:31 Инфо &#149 Правка &#149 Ответить &#149 IP
А низкие обороты действительно нужны?
Сообщений: 12787
Откуда: Мск
Регистрация: Февраль 2003
написано 31 Декабря 2007 00:13 Инфо &#149 Правка &#149 Ответить &#149 IP
Сообщений: 5674
Откуда: Санкт-Петербург,Россия
Регистрация: Июнь 2003
написано 31 Декабря 2007 01:33 Инфо &#149 Правка &#149 Ответить &#149 IP
Тип двигателя не пробовал определить? Почему именно этот преобразователь был куплен?
Сообщений: 12790
Откуда: Мск
Регистрация: Февраль 2003
написано 31 Декабря 2007 01:48 Инфо &#149 Правка &#149 Ответить &#149 IP
Сообщений: 5676
Откуда: Санкт-Петербург,Россия
Регистрация: Июнь 2003
написано 31 Декабря 2007 10:36 Инфо &#149 Правка &#149 Ответить &#149 IP
Двигателей переменного тока существует всяких дофига. Синхронный у тебя двигатель или асинхронный, например?
Преобразователь.. из всего многообразия этот был наиболее подходящим.
Ты сам это определял ? По каким критериям?
Маркировку двигателя сюда запости для полноты картины.
Я не большой спец по электрическим машинам, но мне ясно, что данных, которые ты привёл по двигателю, несколько недостаточно, чтобы правильно выбрать устройство управления.
голоса
Рейтинг статьи