INTECHNIKS | Články | Řízení jednofázového motoru

Moderní asynchronní motory nemají jednoduchá a ekonomická zařízení pro plynulou regulaci otáček rotoru. Tato významná nevýhoda omezuje rozsah jejich použití a umožňuje stejnosměrným motorům v mnoha případech úspěšně konkurovat asynchronním motorům.

Z odvozeného vzorce pro otáčky asynchronního motoru je zřejmé, že otáčky п₂ lze upravit změnou skluzu s, počet párů pólů р nebo frekvence napájecího napětí /.

Plynulé řízení rychlosti otáčení motoru změnou skluzu je použitelné pouze u motorů s vinutým rotorem. Z Obr. 9.15 je zřejmé, že skluz při konstantním zatěžovacím momentu závisí na aktivním odporu vinutí rotoru. Proto je v obvodu tohoto vinutí pomocí sběracích kroužků a kartáčů zařazen seřizovací reostat, který plynule mění odpor vinutí, prokluz a otáčky motoru. Tento způsob je spojen s velkými tepelnými ztrátami. Na s = 0,5 polovina energie přenesené na rotor rotujícím magnetickým polem se spotřebuje na ohřev rotoru a regulačního reostatu. Kromě toho přítomnost kroužků a kartáčů komplikuje provoz stroje a prudce snižuje jeho spolehlivost.

Velikost prokluzu a tím i rychlost otáčení motoru lze upravit v malých mezích změnou napětí přiváděného do motoru.

Stupňovou regulaci rychlosti otáčení lze provádět změnou počtu párů pólů statoru motoru přepínáním sekcí jeho vinutí. Tento ekonomický a relativně jednoduchý způsob však neumožňuje plynulé nastavení otáček motoru. Průmysl vyrábí motory, jejichž rychlost otáčení lze nastavit v krocích 2, 3 a 4 krát.

Rychlost otáčení motoru lze také upravit změnou frekvence napájecího proudu, ale tato metoda se prakticky nepoužívá kvůli nedostatku jednoduchých a ekonomických zařízení pro regulaci frekvence proudu ve výkonných elektrických obvodech. Frekvence proudu je určena rychlostí otáčení rotoru generátoru, která musí být udržována přísně konstantní, když generátory pracují paralelně. Způsob tedy vyžaduje samostatný generátor pro každý motor, což je nepraktické.

Vývoj a industrializace výkonných řízených polovodičových diod umožňuje vytvářet statická zařízení s výstupním napětím, jehož frekvenci lze upravit. Tyto jednoduché, ekonomické a spolehlivé frekvenční měniče pro regulaci rychlosti otáčení asynchronních motorů s kotvou nakrátko výrazně zjednodušují pohon různých mechanismů: nejsou potřeba převodovky, převodovky ani převodovky. Význam takových událostí v celostátním měřítku je těžké přeceňovat.

V některých případech je nutné regulovat nejen otáčky, ale i směr otáčení motoru. Změna směru otáčení rotoru motoru se nazývá obrácení.

Pro reverzaci motoru je nutné změnit směr otáčení magnetického pole statoru. Při uvažování rotujícího magnetického pole bylo zjištěno, že směr jeho rotace je určen řádem fázové střídání.

Pro reverzaci motoru tedy stačí prohodit libovolné dvě fáze na svorkovnici motoru.

Pokud je nutné často používat reverzaci, sestaví se obvod se speciálním spínačem (obr. 9.18).

Karta č. 9.12 (250)

Regulace rychlosti otáčení asynchronního motoru

Uveďte hlavní nevýhodu asynchronního motoru.

Závislost rychlosti otáčení na zatěžovacím momentu na hřídeli motoru

Nedostatek ekonomických zařízení pro plynulou regulaci otáček rotoru

Pokračování karet. č. 9.12

Je možné plynule a široce regulovat rychlost otáčení asynchronního motoru změnou frekvence napájecího proudu?

Jak probíhá plynulá regulace rychlosti otáčení asynchronního motoru s rotorem nakrátko v širokém rozsahu?

Změna počtu pólových párů rotujícího magnetického pole statoru

Změna odporu obvodu vinutí rotoru

Rychlost není plynule nastavitelná

Jak se plynule řídí rychlost otáčení asynchronního motoru s vinutým rotorem?

Změna počtu pólových párů rotujícího magnetického pole statoru

Změna odporu obvodu vinutí rotoru

Rychlost není plynule nastavitelná

Jak se provádí stupňovité řízení rychlosti otáčení asynchronního motoru?

Spínací sekce vinutí statoru

Změna odporu obvodu vinutí rotoru

Inženýři každý den navrhují systémy, které používají jednofázové indukční motory. Regulace otáček jednofázových motorů je zase žádoucí ve většině aplikací, protože zajišťuje nejen požadované otáčky, ale také snižuje spotřebu energie a snižuje akustický hluk.

Většina komerčně vyráběných jednofázových motorů není reverzibilní, tzn. jsou navrženy tak, aby se otáčely pouze jedním směrem. Směr jejich otáčení lze změnit pouze pomocí přídavných prostředků: přídavného vinutí, externích relé a spínačů, mechanické převodovky atd. Také pokud to konstrukce motoru umožňuje, lze jej reverzovat pomocí měničů pro regulaci otáček.

Existuje mnoho druhů asynchronních motorů s jednofázovým napájením. Konstrukce a princip jejich činnosti jsou podrobně popsány v literatuře o elektromechanice. Nejběžnějším typem je motor se dvěma statorovými vinutími, z nichž jedno má ve svém obvodu trvale zapnutý provozní kondenzátor, který zajišťuje proudový posun ve vinutí o 90 elektrických stupňů pro vytvoření rotujícího magnetického pole. Takový motor se nazývá kondenzátorový motor. O tom bude řeč v tomto článku.

Hlavní metodou hladkého nastavení rychlosti kondenzátorového jednofázového motoru je frekvenční metoda, implementovaná pomocí třífázových nebo jednofázových PWM měničů (frekvenční měniče), dále způsob regulace fázového napětí pomocí tyristorových regulátorů výkonu. Podívejme se na tyto metody podrobněji.

Možnost 1. Řízení U/F pomocí jednofázového PWM měniče

Na výstupu invertoru sestávajícího ze čtyř IGBT tranzistorů (obr. 1) je generováno jednofázové napětí s proměnnou frekvencí a efektivní hodnotou s lineární závislostí V/F (napětí-frekvenční charakteristika). Díky kondenzátoru ve vinutí motoru se získá pole blízké kruhovému. Tento způsob řízení je realizován pomocí specializovaných frekvenčních měničů, které jsou určeny výhradně pro řízení jednofázové motory. Obvykle implementují speciální algoritmy řízení motoru, které zajišťují stabilní start a stabilní provoz v deklarovaném frekvenčním rozsahu.

Frekvenci lze nastavit směrem dolů i nahoru od jmenovité, ale na rozdíl od třífázových pohonů s proměnnou frekvencí je rozsah řízení jednofázového motoru menší. Zpravidla nepřesahuje 1:10, protože kapacita přímo závisí na frekvenci.

Mezi hlavní výhody tohoto způsobu ovládání patří: 1) snadné uvedení do provozu, protože nejsou nutné žádné konstrukční změny motoru; 2) zaručený spolehlivý a stabilní provoz, protože frekvenční měnič je pro to speciálně navržen motory a bere v úvahu všechny vlastnosti jejich provozu; 3) dobré regulační vlastnosti a schopnosti, které jsou vlastní většině frekvenčních měničů (analogové a diskrétní vstupy/výstupy, PID regulátor, přednastavené rychlosti, komunikační rozhraní, ochranné funkce atd.).

Mezi nevýhody patří: 1) pouze jednosměrné otáčení (nemožnost reverzace motoru bez externích spínacích zařízení); 2) poměrně vysoké náklady na frekvenční měniče pro jednofázové motory, protože používají IGBT moduly se značnou proudovou rezervou (například v jednofázovém frekvenčním měniči o výkonu 1.1 kW se používá IGBT modul stejně jako u třífázového s 2.2 kW) az důvodu omezené nabídky na trhu.

Možnost 2. Řízení U/F pomocí třífázového PWM měniče

V tomto případě se používá standardní frekvenční měnič s můstkovým obvodem IGBT tranzistory (obr. 2) je na výstupu generováno třífázové napětí s fázovým posunem 120 stupňů. Obě vinutí jsou jednofázová motoru a jejich střed jsou připojeny ke třem výstupním fázím střídače. Kondenzátor musí být v tomto případě vyloučen z obvodu. Protože vinutí jsou geometricky posunuta o 90 stupňů a napětí na ně aplikované je o 120 elektrických stupňů, výsledné pole nebude kruhové a v důsledku toho bude točivý moment pulzovat. Navíc jeho průměrná hodnota za období bude menší (obr. 2) než v případě napájení z napětí s posunem o 90 stupňů.

Se schématem zapojení na obr. 2 se efektivní napětí na hlavním vinutí (Vhl) bude rovnat rozdílu napětí fází A a C a napětí na přídavném vinutí (Vadd) = Vb-Vc. Změnou pořadí spínání IGBT tranzistorů můžete snadno změnit střídavé napětí na vinutí, a tedy i směr otáčení motoru (obr. 3) bez dalšího hardwaru.

Zde je třeba poznamenat, že ne každý frekvenční měnič je vhodný ovládání jednofázového motoru, protože proudy ve fázích budou asymetrické a pokud je ochrana proti nesymetrii výstupních fází, bude provoz měniče zablokován. Jako vlastně žádný kondenzátor motoru vhodné pro tuto metodu, protože u některých typů motorů je velmi obtížné nebo nemožné odstranit kapacitu z přídavného vinutí a přídavné vinutí je obvykle vyrobeno z tenčího drátu, který při absenci kondenzátoru může vést k jeho přehřátí a mezizpětný zkrat.

Někdy na vlastní nebezpečí a riziko využijete připojení jednofázového motoru s kondenzátorem k třífázovému měniči, což většina výrobců frekvenčních měničů zakazuje. V tomto případě je nutné zvolit frekvenční generátor se značnou proudovou rezervou vzhledem k motoru, frekvenční generátor by neměl mít ochranu proti přerušení/zkreslení výstupních fází a je třeba pamatovat na to, že při určité frekvenci, resp. v obvodu vinutí kondenzátoru motoru může dojít k elektrické rezonanci, která povede k jeho poškození.

Výhody metody jsou tedy: 1) dostupnost na trhu a poměrně nízká cena frekvenčních měničů s třífázovým výkonem; 2) možnost zpětného chodu; 3) dobrý rozsah regulace rychlosti a schopnosti, které jsou vlastní většině frekvenčních měničů (analogové a diskrétní vstupy/výstupy, PID regulátor, přednastavené rychlosti, komunikační rozhraní, ochranné funkce atd.).

Nevýhody metody: 1) snížený a pulzující točivý moment motoru, zvýšené zahřívání; 2) ne všechny frekvenční měniče a kondenzátorové motory jsou pro tuto metodu vhodné, je nutná předběžná analýza charakteristik měniče a konstrukce motoru. Většina výrobců frekvenčních měničů navíc ve svých návodech zakazuje připojení jednofázových motorů a v případě poruchy mohou zrušit své záruční povinnosti na výrobek.

Možnost 3. Regulace fázového napětí pomocí tyristorového regulátoru

Donedávna nedostatek cenově dostupného a kvalitního frekvenčního měniče pro jednofázové motory vedly k hledání dalších řešení, jedním z nich byla změna napětí statoru při zachování jeho konstantní frekvence.

Na výstupu tyristorového regulátoru, sestávajícího ze dvou tyristorů zapojených zády k sobě (obr. 4), vzniká změnou úhlu (alfa) jednofázové napětí s konstantní frekvencí a nastavitelnou efektivní hodnotou. ) otevření tyristorů.

Kritický moment se při takové regulaci sníží úměrně s napětím, kritický skluz zůstane nezměněn.

Zhodnoťme metodu.
1) Jednozónová regulace – pouze dolů z hlavní rychlosti.
2) Rozsah řízení s otevřenou smyčkou je přibližně 2:1; stabilita rychlosti je uspokojivá; hladkost je vysoká.
3) S klesající rychlostí se přípustné zatížení prudce snižuje.
4) Uvažovaná metoda kontroly je pro dlouhodobé používání neúčinná. I pro nejpříznivější zatížení – zatížení ventilátoru je nutné zvýšit instalovaný výkon motoru dvakrát až třikrát, intenzivní vnější proudění vzduchu, protože například pokud motor točí 750 ot./min (při synchronní frekvenci 1500) skluz je 0,5 a 0,5 výkonu jde do zátěže a 0,5 ohřívá rotor (nepočítaje další ztráty).
5) Tyristorový regulátor je jednoduché zařízení 3-4x levnější než frekvenční měnič a právě tato vlastnost systému regulace otáček napětí vedla v řadě případů k jeho neoprávněnému používání.

Závěr

Všechny tři metody mají právo na existenci, pouze výběr jedné z nich musí být proveden na základě konkrétního aplikačního problému.

Samozřejmě, že nejuniverzálnější a nejméně pracné ve fázi návrhu je první metoda – regulace pomocí frekvenční měnič s jednofázovým výstupem. Tato metoda je vhodná pro většinu aplikací a kromě kondenzátorových motorů ji lze použít i pro řízení jednofázových stíněných pólových motorů.

Druhým způsobem je regulace pomocí frekvenční měnič s třífázovým výstupem, – vyžaduje předběžnou studii jak měniče, tak motoru pro možnost spolupráce. A doporučuje se vždy volit měnič s výraznou výkonovou rezervou v poměru k motoru. Tato metoda je optimální pro reverzní aplikace.

Třetí způsob je regulace otáček změnou napětí, – lze v některých případech použít ke krátkodobému snížení otáček ventilátorů a čerpadel s nízkým výkonem a je velmi užitečný a účinný pro snížení startovacích proudů a úsporu energie při nízkém zatížení. Tato metoda je cenově nejefektivnější, ale jak bylo zdůrazněno dříve, tyristorové regulátory by neměly být používány k regulaci otáček jakýchkoliv výkonných motorů pohánějících stroje pracující v nepřetržitém provozu.

• LLC “Intekhniks”
• 109518, Moskva, st. 1. Grayvoronovský pr-d, 20
• tel. +7 (495) 287-45-49
• tel. +7 (495) 410-86-85
• e-mail: [email protected]