Driefasige motorbesturing, methoden voor motorsnelheidsregeling

De besturing van asynchrone motoren kan parametrisch zijn, dat wil zeggen door de parameters van de machinecircuits te wijzigen, of door een afzonderlijke omvormer.

Parametrische controle

De kritische slip hangt zwak af van de actieve weerstand van het statorcircuit. Wanneer extra weerstand in het statorcircuit wordt geïntroduceerd, neemt de waarde iets af. Het maximale koppel kan aanzienlijk worden verminderd. Dientengevolge zal de mechanische karakteristiek de vorm aannemen die wordt getoond in Fig. 1.

Rijst. 1. Mechanische kenmerken van een asynchrone motor bij het wijzigen van de parameters van het primaire en secundaire circuit: 1 - natuurlijk, 2 en 3 - met de introductie van extra actieve en inductieve weerstand in het statorcircuit

Als we het vergelijken met de natuurlijke karakteristiek van de motor, kunnen we concluderen dat de introductie van extra weerstand in het statorcircuit weinig effect heeft op de snelheid. Bij een constant statisch koppel zal het toerental iets afnemen.Daarom is deze snelheidscontrolemethode inefficiënt en wordt deze niet gebruikt in deze eenvoudigste versie.

Het introduceren van inductieve weerstand in het statorcircuit is ook niet effectief. Kritische slip zal ook iets afnemen en het motorkoppel wordt aanzienlijk verminderd als gevolg van de toename van de luchtweerstand. De overeenkomstige mechanische karakteristiek wordt getoond in dezelfde figuur. 1.

Soms wordt een extra weerstand geïntroduceerd in het statorcircuit inschakelstromen te beperken... In dit geval worden meestal smoorspoelen gebruikt als extra inductieve weerstand en worden thyristors gebruikt als actieve weerstanden (fig. 2).

Rijst. 2. Inclusief thyristors in het statorcircuit

Houd er echter rekening mee dat dit niet alleen de kritische, maar ook aanzienlijk vermindert startkoppel van de motor (in c = 1), wat betekent dat starten onder deze omstandigheden alleen mogelijk is met een klein statisch moment. Het aanbrengen van extra weerstand in het rotorcircuit is uiteraard alleen mogelijk bij een motor met gewikkelde rotor.

De extra inductieve weerstand in het rotorcircuit heeft hetzelfde effect op de snelheid van de motor als wanneer deze wordt geïntroduceerd in het statorcircuit.

In de praktijk is het gebruik van inductieve weerstand in een rotorcircuit buitengewoon moeilijk vanwege het feit dat het op een variabele frequentie moet werken - van 50 Hz tot enkele hertz en soms fracties van een hertz. Onder dergelijke omstandigheden is het erg moeilijk om een ​​choke te creëren.

Bij lage frequenties zal vooral de actieve weerstand van de inductor van invloed zijn. Op basis van bovenstaande overwegingen wordt inductieve weerstand in het rotorcircuit nooit gebruikt voor snelheidsregeling.

De meest effectieve manier van parametrische snelheidsregeling is het introduceren van extra actieve weerstand in het rotorcircuit. Dit geeft ons een familie van kenmerken met een constant maximaal koppel. Deze karakteristieken worden gebruikt om de stroom te beperken en een constant koppel te behouden, en kunnen ook worden gebruikt om de snelheid te regelen.

In afb. 3 laat zien hoe door r2 te veranderen, d.w.z. input rext, is het op een bepaald statisch moment mogelijk om de snelheid over een breed bereik te wijzigen - van nominaal tot nul. In de praktijk is het echter mogelijk om de snelheid alleen aan te passen voor voldoende grote waarden van het statische moment.

Rijst. 3. Mechanische kenmerken van een asynchrone motor met de introductie van extra weerstand in het rotorcircuit

Bij lage waarden van (Mo) in de bijna-stationaire modus wordt het toerentalregelbereik sterk verkleind en zullen zeer grote extra weerstanden moeten worden ingevoerd om het toerental merkbaar te verlagen.

Houd er rekening mee dat bij het werken met lage snelheden en met hoge statische koppels de snelheidsstabiliteit onvoldoende zal zijn, omdat vanwege de hoge steilheid van de kenmerken kleine schommelingen in het koppel aanzienlijke snelheidsveranderingen zullen veroorzaken.

Om de motor te laten accelereren zonder opeenvolgende verwijdering van de reostaatsecties, worden soms een reostaat en een inductieve spoel parallel aan de rotorringen aangesloten (fig. 4).

Rijst. 4. Parallelschakeling van extra actieve en inductieve weerstand in het rotorcircuit van de asynchrone motor

Op het eerste moment van starten, wanneer de frequentie van de stroom in de rotor hoog is, wordt de stroom voornamelijk gesloten door de reostaat, d.w.z.door een grote weerstand die zorgt voor een voldoende hoog startkoppel. Naarmate de frequentie afneemt, neemt de inductieve weerstand af en begint de stroom ook door de inductantie te sluiten.

Wanneer de werksnelheden worden bereikt en de slip klein is, vloeit de stroom voornamelijk door de inductor, waarvan de weerstand bij lage frequentie wordt bepaald door de elektrische weerstand van de wikkeling. Zo wordt bij het opstarten de externe weerstand van het secundaire circuit automatisch gewijzigd van rreost naar roro, en vindt acceleratie plaats bij een vrijwel constant koppel.

Parametrische controle gaat natuurlijk gepaard met grote energieverliezen. De slipenergie, die in de vorm van elektromagnetische energie door de spleet van de stator naar de rotor wordt overgebracht en meestal wordt omgezet in mechanisch, met een grote weerstand van het secundaire circuit, gaat voornamelijk om deze weerstand te verwarmen, en bij s = 1 alle energie die van stator naar rotor wordt overgedragen, wordt verbruikt in de reostaten van het secundaire circuit (fig. 5).

Rijst. 5. Verliezen in het secundaire circuit bij het aanpassen van de snelheid van een asynchrone motor door extra weerstand in het rotorcircuit te introduceren: I — zone van nuttig vermogen dat wordt overgedragen op de motoras, II — zone van verliezen in de weerstanden van het secundaire circuit

Daarom wordt parametrische besturing voornamelijk gebruikt voor snelheidsvermindering op korte termijn in de loop van het technologische proces dat door de werkende machine wordt uitgevoerd.Alleen in gevallen waarin snelheidsregelingsprocessen worden gecombineerd met het starten en stoppen van de werkende machine, zoals bijvoorbeeld in hefinstallaties, wordt parametrische besturing met de introductie van extra weerstand in het rotorcircuit gebruikt als het belangrijkste middel voor snelheidsregeling.

Snelheidsregeling door de spanning op de stator te variëren

Bij het aanpassen van de snelheid van een inductiemotor door de spanning te veranderen, blijft de vorm van de mechanische karakteristiek ongewijzigd en nemen de momenten evenredig af met het kwadraat van de spanning. De mechanische eigenschappen bij verschillende spanningen worden getoond in Fig. 6. Zoals u kunt zien, is het bereik van de snelheidsregeling bij gebruik van conventionele motoren zeer beperkt.

Rijst. 6… Regeling van de snelheid van een inductiemotor door de spanning in het statorcircuit te veranderen

Met een motor met hoge slip kan een iets groter bereik worden bereikt. In dit geval zijn de mechanische kenmerken echter steil (fig. 7) en kan een stabiele werking van de motor alleen worden bereikt met behulp van een gesloten systeem dat zorgt voor snelheidsstabilisatie.

Wanneer het statische koppel verandert, handhaaft het besturingssysteem een ​​bepaald snelheidsniveau en vindt er een overgang plaats van de ene mechanische karakteristiek naar de andere, waardoor de werking wordt voortgezet met de karakteristieken die worden weergegeven door de stippellijnen.

Rijst. 7. Mechanische kenmerken bij het aanpassen van de statorspanning in een gesloten systeem

Wanneer de omvormer overbelast is, bereikt de motor de limietkarakteristiek die overeenkomt met de maximaal mogelijke spanning die de omvormer levert, en naarmate de belasting verder toeneemt, zal het toerental afnemen volgens deze karakteristiek. Als de omvormer bij lage belasting de spanning niet tot nul kan verlagen, zal er een snelheidsverhoging zijn volgens de AC-karakteristiek.

Magnetische versterkers of thyristoromvormers worden meestal gebruikt als spanningsgestuurde bron. In het geval van gebruik van een thyristoromvormer (fig. 8), werkt deze meestal in pulsmodus. In dit geval wordt een bepaalde gemiddelde spanning gehandhaafd op de statoraansluitingen van de asynchrone motor, wat nodig is om een ​​bepaalde snelheid te garanderen.

Rijst. 8. Schema van impulssnelheidsregeling van een inductiemotor

Om de spanning op de motorstatorklemmen te regelen, lijkt het mogelijk om een ​​transformator of autotransformator met sectionele wikkelingen te gebruiken. Het gebruik van afzonderlijke transformatorblokken brengt echter zeer hoge kosten met zich mee en levert niet de noodzakelijke kwaliteit van de regeling op, aangezien in dit geval alleen een stapsgewijze verandering van de spanning mogelijk is en het praktisch onmogelijk is om een ​​sectieschakelapparaat in een automatisch systeem. Autotransformatoren worden soms gebruikt om de inschakelstromen van krachtige motoren te beperken.

Snelheidsregeling door statorwikkelsecties om te schakelen naar een verschillend aantal poolparen

Er zijn een aantal productiemechanismen die tijdens het technologische proces op verschillende snelheden moeten werken, terwijl er geen behoefte is aan een soepele regeling, maar het volstaat om een ​​aandrijving te hebben met een discrete, stapsgewijze, snelheidsverandering. Dergelijke mechanismen omvatten enkele metaalbewerkings- en houtbewerkingsmachines, liften, enz.

Er kan een beperkt aantal vaste toerentallen worden bereikt kooiankermotoren met meerdere snelheden, waarbij de statorwikkeling overschakelt naar een ander aantal poolparen. De eekhoorncel van een eekhoorncelmotor vormt automatisch het aantal polen dat gelijk is aan het aantal statorpolen.

Er worden twee motorontwerpen gebruikt: met meerdere wikkelingen in elke statorsleuf en met een enkele wikkeling waarvan de secties worden geschakeld om een ​​verschillend aantal poolparen te produceren.

Multi-speed motoren met verschillende onafhankelijke statorwikkelingen zijn technisch en economisch inferieur aan single-winding multi-speed motoren. Bij motoren met meerdere wikkelingen wordt de statorwikkeling inefficiënt gebruikt, is de vulling van de statorsleuf onvoldoende, zijn het rendement en de cosφ beneden optimaal. Daarom wordt de hoofddistributie verkregen van motoren met enkele wikkeling met meerdere snelheden waarbij de wikkelingen op een verschillend aantal poolparen worden geschakeld.

Bij het wisselen van secties verandert de MDS-verdeling in de statorboring. Hierdoor verandert ook de rotatiesnelheid van de MDS en daarmee de magnetische flux. De eenvoudigste manier is om paren polen te schakelen met een verhouding van 1: 2. In dit geval zijn de wikkelingen van elke fase gemaakt in de vorm van twee secties.Door de richting van de stroom in een van de secties te veranderen, kunt u het aantal poolparen halveren.

Overweeg de circuits van de statorwikkeling van de motor, waarvan de secties zijn geschakeld naar acht en vier polen. In afb. 9 toont voor de eenvoud een enkelfasige wikkeling. Wanneer twee secties in serie zijn geschakeld, dat wil zeggen wanneer het einde van de eerste sectie K1 is verbonden met het begin van de tweede H2, krijgen we acht polen (Fig. 9, a).

Als we de richting van de stroom in de tweede sectie in de tegenovergestelde richting veranderen, wordt het aantal polen gevormd door de spoel met de helft verminderd en is het gelijk aan vier (Fig. 9, b). De richting van de stroom in de tweede sectie kan worden gewijzigd door de jumper van de klemmen K1, H2 naar de klemmen K1, K2 over te brengen. Ook kunnen vier polen worden verkregen door secties parallel te verbinden (Fig. 9, c).

Rijst. 9. Schakelsecties van de statorwikkeling naar een ander aantal poolparen

De mechanische kenmerken van een motor met twee snelheden met geschakelde statorwikkelingen worden getoond in Fig. tien.

Rijst. 10. Mechanische kenmerken van een inductiemotor bij het schakelen van de statorwikkeling van een verschillend aantal poolparen

Bij het overschakelen van schema a naar schema b (fig. 9), wordt constant motorvermogen gehandhaafd op beide snelheidsniveaus (fig. 10, a). Bij gebruik van de tweede schakeloptie kan de motor hetzelfde koppel ontwikkelen. Het is mogelijk om secties van de statorwikkeling te schakelen, waardoor niet alleen een snelheidsverhouding van 1: 2, maar ook andere wordt geboden. Naast motoren met twee versnellingen produceert de industrie ook motoren met drie en vier versnellingen.

Frequentieregeling van draaistroommotoren

Zoals uit het bovenstaande volgt, is de snelheidsregeling van de inductiemotor buitengewoon moeilijk. Traploze snelheidsregeling over een breed bereik met behoud van voldoende stijfheid van karakteristieken is alleen mogelijk met gedeeltelijke regeling. Door de frequentie van de voedingsstroom en dus de rotatiesnelheid van het magnetische veld te wijzigen, is het mogelijk om de rotatiesnelheid van de motorrotor aan te passen.

Om de frequentie in de installatie te regelen is echter een frequentieomvormer nodig, die een stroom met constante frequentie van het voedingsnet van 50 Hz kan omzetten in een stroom met variabele frequentie die soepel varieert over een breed bereik.

Aanvankelijk waren er pogingen om omvormers op elektrische machines te gebruiken. Om echter stroom met variabele frequentie van een synchrone generator te verkrijgen, is het noodzakelijk om de rotor met variabele snelheid te laten draaien. In dit geval worden de taken van het regelen van de snelheid van de draaiende motor toegewezen aan de motor die de synchrone generator in rotatie aandrijft.

De collectorgenerator, die een stroom met variabele frequentie kan genereren met een constante rotatiesnelheid, maakte het ook niet mogelijk om het probleem op te lossen, omdat ten eerste een stroom met variabele frequentie nodig is om het op te wekken, en ten tweede, zoals alle AC-collectormachines , doen zich grote moeilijkheden voor, die zorgen voor een normale commutatie van de collector.

In de praktijk begon frequentieregeling zich te ontwikkelen met de komst van halfgeleider apparaten… Tegelijkertijd bleek het mogelijk om frequentieomvormers te maken voor het aansturen van zowel energiecentrales als uitvoerende motoren in servosystemen en servoaandrijvingen.

Naast de complexiteit van het ontwerpen van een frequentieomvormer, is er ook de noodzaak om tegelijkertijd twee grootheden te regelen: frequentie en spanning. Wanneer de frequentie afneemt om de snelheid te verlagen, kan de EMF- en netspanningsbalans alleen worden gehandhaafd door de magnetische flux van de motor te vergroten. In dit geval zal het magnetische circuit verzadigen en zal de statorstroom intensief toenemen volgens een niet-lineaire wet. Als gevolg hiervan is de werking van een inductiemotor in frequentieregelingsmodus bij constante spanning onmogelijk.

Door de frequentie te verlagen, is het noodzakelijk om tegelijkertijd het spanningsniveau te verlagen om de magnetische flux ongewijzigd te houden. Bij frequentieregeling moeten dus twee besturingskanalen worden gebruikt: frequentie en spanning.

Rijst. 11. Mechanische kenmerken van een inductiemotor wanneer deze wordt geleverd met een spanning met gecontroleerde frequentie en constante magnetische flux

Frequentieregelsystemen worden meestal gebouwd als gesloten lussystemen en meer informatie hierover vindt u hier: Frequentieregeling van een asynchrone motor