Je možné plynule regulovat otáčky asynchronního motoru?

Asynchronní elektromotory jsou nejběžnějšími elektrickými stroji používanými v pohonech průmyslových a domácích zařízení. Jejich hlavní výhody: relativně nízká hmotnost při vysokém výkonu, jednoduchý design, nízká cena.

Zvažme způsoby regulace rychlosti rotoru asynchronních motorů. Otáčky hřídele lze teoreticky nastavit několika způsoby:

V praxi se nejčastěji používají 2 metody:

• Změna počtu pólů statoru.
• Regulace napětí na vinutí statoru nebo rotoru.
• Změna frekvence napájecího napětí.

Mechanické převodovky se používají také k regulaci otáček asynchronních elektrických strojů. Zvažme konstrukci asynchronního elektromotoru a výhody a nevýhody každého způsobu změny rychlosti otáčení.

Zařízení asynchronního motoru

Existují 2 hlavní typy asynchronních elektrických strojů s fázovými rotory a rotory nakrátko. Konstrukce druhého je znázorněna na obrázku:

Motor se skládá z rotujícího rotoru, stacionárního statoru, skříně a rámu. Stator obsahuje třífázové vinutí s úhlovou vzdáleností 120°, zapojené do hvězdy nebo trojúhelníku.

Konstrukce rotoru je tzv. klec na veverku a skládá se z tyčí zahnutých mezi 2 kroužky.

Při přivedení napětí na vinutí statoru se objeví magnetické pole, které indukuje proud v rotující části, při interakci polí se rotor začne otáčet ve stejném směru jako magnetické pole statoru. Frekvence otáčení pohyblivé části poněkud zaostává za rychlostí otáčení pole; tento rozdíl se nazývá skluz.

Elektrické stroje s vinutým rotorem se liší provedením rotační části. Obsahuje třífázové vinutí, zapojené do hvězdy a připojené k regulačnímu reostatu. Proud v něm lze tedy upravit změnou rychlosti otáčení a točivého momentu.

Konstrukce motorů s vinutým rotorem je složitější, mezi výhody takových elektrických strojů patří zlepšené startovací vlastnosti.

Způsoby regulace rychlosti otáčení změnou počtu pólových párů a napětí na vinutích

Frekvence otáčení hřídele asynchronních motorů je určena ze vzorce: n = 60f / p, kde f je frekvence síťového napětí Hz, p je počet pólových párů statoru. Přivedením napětí na různé části vinutí lze tedy změnit počet připojených pólových párů a upravit rychlost motoru. Nevýhody této metody zahrnují složitost návrhu. Rychlost lze navíc upravovat pouze v krocích o číslo, které je násobkem počtu párů pólů.

Další metodou změny otáček motoru je úprava napájecího napětí. Je nevhodný pro asynchronní motory s rotorem nakrátko, protože snížením napětí na vinutí statoru výrazně snižuje tuhost mechanických charakteristik.

Oblastí použití této metody jsou pohony s asynchronními motory s vinutým rotorem. Pro regulaci napětí je do obvodu ráfku rotační části zaveden reostat. Tak je možné plynule měnit rychlost otáčení hřídele až do synchronní rychlosti 3000 ot./min.

Mezi nevýhody patří značná ztráta napětí na odporovém prvku a nedostatečná účinnost při nízké zátěži.

Zhoršují se také mechanické vlastnosti.

Frekvenční řízení otáček asynchronních motorů

Rychlost otáčení asynchronních motorů lze také řídit změnou frekvence napájecího napětí. S příchodem rychle spínaných tranzistorů a tyristorů bylo možné použít elektronické invertory pro změnu frekvence napětí dodávaného do statoru.

Tato metoda nemá všechny nevýhody regulace napětí a má následující výhody:

• Udržuje pevný výkon při jakékoli rychlosti bez ohledu na zatížení.
• Hladká, plynulá změna rychlosti otáčení.
• Nastavitelné nahoru a dolů ze synchronní rychlosti.
• Malé rozměry a hmotnost.

Frekvenční měniče nevyžadují změny v konstrukci elektromotorů. Lze je použít pro všechny typy střídavých elektrických strojů s vinutými rotory nebo rotory nakrátko.

Existuje několik typů měničů a způsobů řízení frekvence. Podívejme se na nejběžnější typy a metody.

Veda frekvenční měniče – pokročilý produkt, který plně odpovídá požadavkům trhu a poskytuje vysokou spolehlivost, efektivitu a flexibilitu v provozu.

Typy frekvenčních měničů

Jedním z úplně prvních schémat frekvenčních měničů byla zařízení s přímým připojením k síti. Střídače tohoto typu mají galvanické připojení k elektrické síti a bývají postaveny na bázi rychlo spínaných tyristorů. Polovodičové prvky jsou obsaženy v můstkových, křížových, nulových a antiparalelních obvodech.

Zařízení s přímou spojkou zajišťují stabilní provoz při nízkých otáčkách motoru a mají vysokou účinnost. Měniče mohou také zajistit návrat elektřiny do sítě v režimu brzdění motorem. V případě potřeby lze výkon zařízení zvýšit připojením dalších jednotek. Mezi nevýhody zařízení patří: nesinusový průběh napětí, možnost regulace rychlosti pouze směrem dolů a relativní složitost řídicího obvodu.

Nejběžnější frekvenční měniče v nízkonapěťových pohonech jsou založeny na obvodu s dvojitou konverzí s jasně definovaným stejnosměrným meziobvodem.

Výkonová část obvodu se skládá z:

• Z diodového třífázového usměrňovače. Jednotka zajišťuje konverzi střídavého proudu na stejnosměrný proud.
• Ze stejnosměrného spoje. Kapacitní prvek filtruje stejnosměrnou složku a vyhlazuje zvlnění, ke kterému dochází během provozu měniče.
• Ze střídače. Funkční blok využívající rychle spínané tranzistory převádí stejnosměrné napětí na střídavé. Frekvence je nastavena algoritmem otevírání/zavírání polovodičových prvků a je určena pulsně šířkovým modulátorem.

Obvody s dvojitou konverzí poskytují čistý sinusový výstup, umožňují řízení rychlosti nad a pod synchronní frekvencí a poskytují tuhost v celém rozsahu. Mezi nevýhody patří určitá ztráta výkonu v důsledku dvojité konverze elektřiny, složitost návrhu a relativně vysoká cena.

Závěr

Nejúčinnějším způsobem je řízení rychlosti otáčení hřídele frekvencí napájecího napětí statoru. Frekvenční měniče:

• Snižte startovací proudy.
• Výrazně snížit spotřebu energie.
• Umožňuje upravit točivý moment při dynamickém zatížení.
• Rychlost otáčení hřídele je plynule řízena v širokém rozsahu.

Zařízení také poskytují ochranu proti fázové nesymetrii, přetížení, zkratu a napěťovým rázům. Moderní invertory také umožňují implementovat jakýkoli zákon o automatickém řízení, provádět dálkové ovládání, vést protokol událostí a mnoho dalšího.

Obrázek 1. Indukční motor Asynchronní motor (obrázek 1) má stacionární část nazývanou stator a rotační část nazývanou rotor. Magnetické pole se vytváří ve vinutí umístěném ve statoru. Tato konstrukce elektromotoru umožňuje různými způsoby regulovat jeho frekvenci otáčení.

Hlavní technické vlastnosti zohledněné při změně rychlosti otáčení

Při regulaci rychlosti otáčení asynchronních elektromotorů je třeba vzít v úvahu několik základních technických ukazatelů, které významně ovlivňují činnost motorů.

1. Regulační rozsah D, tedy mez, do které je možné měnit rychlost otáčení. Tato charakteristika se vypočítá jako poměr minimální a maximální rychlosti otáčení.
2. Plynulost regulace je dána minimálním skokem v rychlosti otáčení elektromotoru při přechodu z jedné mechanické charakteristiky na druhou.
3. Směr změny otáček motoru (tzv. kontrolní zóna). Jmenovité provozní podmínky určují přirozené mechanické vlastnosti motoru. Po provedení procesu regulace otáček se tyto charakteristiky (napětí a frekvence napájecí sítě) začnou měnit. Výsledkem jsou umělé vlastnosti, které jsou obvykle nižší než přirozené.

Existuje několik způsobů, jak regulovat rychlost elektromotoru:

Regulace rychlosti otáčení změnou frekvence napájecí sítě

Regulace rychlosti otáčení změnou frekvence v napájecí síti je považována za jeden z nejekonomičtějších způsobů řízení, který umožňuje dosáhnout vynikajících mechanických vlastností elektrického pohonu. Při změně frekvence napájecí sítě se mění i frekvence rotace magnetického pole.

Ke konverzi standardní síťové frekvence, která je 50 Hz, dochází díky napájení. Současně se změnou frekvence dochází i ke změně napětí, která je nezbytná pro zajištění vysoké tuhosti mechanických charakteristik.

Regulace rychlosti otáčení umožňuje dosáhnout různých provozních režimů elektromotoru:

• s konstantním točivým momentem;
• s točivým momentem, který je úměrný druhé mocnině frekvence;
• s konstantním výkonem hřídele.

Jako zdroj energie pro regulaci lze použít rotační měniče elektrických strojů a také statické měniče frekvence, které pracují na polovodičových součástkách komerčně vyráběných průmyslem.

Nepochybnou výhodou frekvenční regulace je možnost plynule upravovat rychlost otáčení v obou směrech od přirozené charakteristiky. Při regulaci je dosaženo vysoké tuhosti a vynikající přetížitelnosti.

Ovládání rychlosti změnou počtu pólů

Regulace rychlosti otáčení změnou počtu pólů nastává změnou rychlosti otáčení magnetického pole statoru. Frekvence napájecí sítě zůstává nezměněna, přičemž se mění frekvence rotace magnetického pole a otáčky rotoru. Liší se nepřímo s počtem pólů. Například počet pólů je 2, 4, 6, 8, pak otáčky motoru při změně jejich počtu budou 3000, 1500, 1000, 750 ot./min.

Motory, které zajišťují spínání většího počtu pólových párů, mají obvykle rotor nakrátko s vinutím. Díky tomuto rotoru může motor pracovat bez dalších přepojování v okruhu.

Změna rychlosti otáčení připojením rotoru s reostatem k obvodu

Dalším způsobem změny otáček motoru je zařazení rotoru s reostatem do okruhu. Tato metoda má značné omezení, protože ji lze použít pouze u motorů s vinutým rotorem. Poskytuje plynulou změnu rychlosti otáčení ve velmi širokém rozsahu. Nevýhodou jsou velké energetické ztráty v regulačním reostatu.

Změna směru otáčení

Změnu směru otáčení motoru lze provést změnou směru otáčení magnetického pole, které je vytvářeno vinutím statoru. Změnu směru otáčení lze dosáhnout změnou řádu střídání proudu ve fázích vinutí statoru.

Chcete-li zadat objednávku, zavolejte manažerům společnosti Cable.RF ® telefonicky +7 (495) 646-08-58 nebo zašlete žádost na e-mail [email protected] s uvedením požadovaného modelu elektromotoru, cílů a provozní podmínky. Manažer vám pomůže vybrat tu správnou značku podle vašich přání a potřeb.

Přihlásit se k odběru newsletteru

Přihlášením k odběru budete rychle dostávat novinky z elektrotechnického průmyslu, kabelovny, skladovou dostupnost a speciální nabídky.