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.

В отраслях промышленности такая методика важна, поскольку она обеспечивает нормальное функционирование электродвигателя в конкретных условиях его эксплуатации. Частотные преобразователи современного рынка – надежные технологичные механизмы с широким выбором функций управления асинхронными электродвигателями:

транспортеров;
насосного оборудования;
вентиляторов и другой техники

Преимущества

Главный плюс частотного преобразователя (частотного регулирования скорости) – в том, что в паре с асинхронным электродвигателем он может заменить привод постоянного тока. Именно последний механизм остается слабым звеном довольно простой схемы регулировки оборотов электродвигателя.

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.

Асинхронный электродвигатель же:

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.

По типу управления – на устройства ручного и автоматического регулирования.
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;
защита электродвигателя от перегрузок.

Принцип частотного регулирования асинхронного двигателя выражен в формуле:

Формула - Принцип частотного регулирования

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:

Формула - Закон частотного регулирования асинхронного двигателя

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

Основные характеристики асинхронного двигателя при частотном регулировании, которые влияют на его работу, а потому должны учитываться в обязательном порядке:

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

Максимум новой частоты зависит от ее механических свойств. На более высокой частоте вращения по отношению к номинальной асинхронные электродвигатели выдают лучшие энергетические показатели, чем на более низкой. Поэтому в системах с редуктором полезно осуществлять регулирование с изменением частоты и вниз, и (особенно) вверх вплоть до максимума, который зависит от механической прочности ротора.

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.

Преобразователь частоты для асинхронного электродвигателя

Все новости

Следующая новость