Mio-tech-service.ru

Автомобильный журнал
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Векторное управление асинхронным двигателем схема

Векторное управление

Векторное управление является методом управления синхронными и асинхронными двигателями, не только формирующим гармонические токи (напряжения) фаз (скалярное управление), но и обеспечивающим управление магнитным потоком ротора. Первые реализации принципа векторного управления и алгоритмы повышенной точности нуждаются в применении датчиков положения (скорости) ротора.

В общем случае под «векторным управлением» понимается взаимодействие управляющего устройства с так называемым «пространственным вектором», который вращается с частотой поля двигателя.

Основной причиной появления векторного управления является то, что асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором (АДКЗ) — самый массовый и дешёвый в производстве двигатель, надёжный и наименее требовательный в эксплуатации (в конструкции нет механических коллекторов, контактных колец) плохо поддаётся регулированию скорости, поэтому он первоначально применялся для нерегулируемых приводов, либо для приводов с механической регулировкой (с помощью коробки передач); специальные многоскоростные АДКЗ позволяли только ступенчато изменять скорость (от двух до пяти ступеней), но их стоимость была гораздо выше, чем обычных, кроме того, требовалась станция управления для таких двигателей, которая дополнительно сильно удорожала систему управления, при этом было невозможно автоматически поддерживать скорость двигателя при изменении нагрузки. Позже были разработаны методы управления скоростью АДКЗ (скалярное управление), но в переходных процессах при скалярном регулировании потокосцепление ротора изменяется (при изменении токов статора и ротора), что приводит к снижению темпа изменения электромагнитного момента и ухудшению характеристик в динамике.

С другой стороны двигатель постоянного тока (ДПТ) при большей его стоимости и эксплуатационных затратах и меньшей надёжности (имеется механический коллектор) просто поддаётся управлению, при этом регулировка может осуществляться как изменением напряжения на якоре с постоянным номинальным потоком возбуждения (первая зона регулирования) так и изменением напряжения на обмотке возбуждения (ослабление потока возбуждения) с постоянным номинальным напряжением на якоре (вторая зона регулирования). При этом обычно регулирование ведётся сначала в первой зоне , а при необходимости дальнейшего регулирования во второй зоне (с постоянной мощностью).

Идеей векторного управления было создание такой системы управления АДКЗ, в которой, подобно ДПТ можно раздельно управлять моментом и магнитным потоком, при этом поддерживается на постоянном уровне потокосцепление ротора и значит изменение электромагнитного момента будет максимальным.

Преимущества частотного регулирования

С помощью метода частного регулирования получают:

  • оптимально удобное изменение частоты вращения электрического двигателя в процессах и технологиях, которые никогда ранее не регулировались;
  • управление скоростью работы электрическими машинами в синхронном режиме, от одной частотной установки;
  • использование частотных регуляторов позволяет перейти с машин постоянного тока на асинхронные двигатели, это дает возможность понизить эксплуатационные расходы;
  • частотный преобразователь позволяет придерживаться строго заданных технологических параметров;
  • благодаря устройству можно избавиться от механических узлов регулирования частоты вращения, вариаторов или ременных передач;
  • с их помощью улучшается степень износоустойчивости оборудования и увеличивается его срок эксплуатации;
  • точность регулирования скоростных режимов работы очень высокая, важно для устройств и механизмов, отличающихся постоянным моментом нагрузки;
  • использования частотного регулирования повышает эффективность электрооборудования и обеспечивает энергосбережение;

Весь принцип работы частотного регулирования построен на использовании синхронных и асинхронных машин и преобразующего частоту устройства. Статическое электронное устройство, каким является электронный преобразователь частоты, управляет процессом работы двигателя, формируя на выходе напряжение, обладающее переменной частотой и амплитудой. Преобразователь меняет частоту питающего напряжения, скорость двигателя соответственно изменяется.

Читать еще:  Вибрация двигателя опель зафира причина

Работа преобразователя осуществляется за счет использования полупроводниковых приборов – силовых тиристоров и транзисторов IGBT (биполярные устройства с изолированным затвором).

Рис.№2. Внешний вид преобразователей частоты в диапазоне мощностей от 0,75кВ.

Способы управления

Частота вращения ротора короткозамкнутых двигателей находится в прямой зависимости от частоты питающего оборудование сетевого напряжения. Это главное от чего зависит метод частотной регулировки. Изменяя величину частоты, на входе двигателя, изменяется скорость вращения его вала.

Управление скоростью может быть скалярным или векторным.

Векторное управление

Векторное управление включает метод управления потокосцепления (бессенсорный способ) и метод регулирования фазы статорного тока и фазы магнитного поля в зависимости от вращения ротора. Осуществляется с помощью датчиков позиционирования (обратной связи скорости) или за счет интегральных схем ASIC. Преобразователь на их основе создает образ двигателя, за счет математического моделирования, задает тепловые характеристики двигателя при разных режимах работы. Диапазон управления при векторном способе существенно увеличивается, параметры точности и быстродействия повышаются. Векторное управление считается методом широтно-импульсной модуляции.

Рис. №3. График выходного напряжения инвертора с ШИМ (широтно-импульсной модуляцией).

С помощью векторного регулирования осуществляется точность регулирования по скорости до сотых долей процента, а точность в зависимости от момента в единицы процентов.

Скалярное управление

При скалярном регулировании изменяется амплитуда и частота напряжения питания оборудования. Когда изменяется частота напряжения и происходит отклонение диаграммы величин моментов пуска и максимального, двигателя, изменение КПД и коэффициента мощности, для соответствия рабочим характеристикам оборудования, необходимо изменять и амплитуду напряжения. Амплитудное управление состоит из трех основных частей: выпрямитель управления, фильтр и инвертор независимого типа в виде реверсивного переключателя, он обладает автономной установкой и служит устройством, формирующим разнополярные импульсы.

Рис. .№4. График переходных процессов в скалярной системе регулирования.

В настоящее время работают преобразователи частоты со скалярным управлением, в которых сохраняется неизменным отношение максимального момента электрического двигателя к моменту сопротивления на ее валу. Этот показатель свидетельствует о перегрузочной способности двигателя, определяет характер нагрузки всей машины.

Для увеличения пускового момента при уменьшении максимального момента двигателя увеличивают значение напряжения.

Одно из главных преимуществ скалярного метода может считаться способность управлять несколькими агрегатами.

Что такое преобразователь частоты

Устройство, которое служит для изменения значения токов и нагрузки и напряжения в соответствии одной частоты в другое значение этих величин другого частотного значения. Диапазон регулирования включает самые широкие границы величины частоты.

Преобразователь частоты включает в свою конструкцию два основных блока, являющиеся управляющей и силовой частью.

Тиристоры и транзисторы, представляющие собой электронный ключ, составляют силовую часть. Цифровые микропроцессоры относятся к управляющей части, управляют силовой частью и служат для организации контроля, диагностики и защитных функций.

Существует два типа преобразователей, их конструктивные особенности зависят от структуры построения работы силовой части.

  1. Преобразователи частоты, в которых главным считается явно выраженное звено постоянного тока.
  2. Устройство с непосредственной связью без использования промежуточного звена.

Устройства с непосредственной связью работает на не запираемых тиристорах. Обмотки статора двигателя поочередно подключаются с помощью групп тиристоров. Система управления имеет существенный недостаток, который подразумевает наличие сложной системы управления. «Резанная» или «пилообразная» синусоида создает большие потери энергии в двигателе, происходит это за счет высших гармоник, являющихся следствием сильных помех в сети. Для повышения качества электрической энергии потребители вынуждены использовать компенсирующие устройства, которые отличает высокая стоимость.

Читать еще:  Двигатель автобуса паз схема

Рис. № 5. Схема преобразователя с непосредственной связью.

К достоинствам преобразователей с непосредственной связью относятся:

  1. Высокий КПД.
  2. Обладание способностью работать с большими напряжениями и токами, разрешающими использовать их с высоковольтным оборудованием.
  3. Стоимость самого преобразователя отличается невысокой ценой, хотя сопутствующее оборудование стоит очень дорого.

Устройство с явно выраженным звеном постоянного тока отличают двойное преобразование энергии – это сглаживание синусоиды напряжения в фильтре и выпрямление в выпрямителе, после чего оно снова преобразуется инвертором в переменное напряжение изменяемой частоты и амплитуды напряжения.

Рис. № 6. Схема преобразователя с явно выраженным звеном постоянного тока.

Автономные инверторы формируют синусоидальное напряжение переменного тока. Основу устройства составляют запираемые транзисторы GTO моделей IGCT и другие, а также биполярные модели IGBT, обладающие запираемым затвором. Они работают с током и напряжением больших величин в течении длительного времени и под большой нагрузкой, способны выдержать значительные импульсные воздействия.

Рис №7 . Схема инверторного преобразователя, состоящего из: 1 – выпрямитель неуправляемого или управляемого типа; 2 – фильтра для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения, вместе с выпрямителем он является звеном постоянного тока; 3 – импульсного инвертора; 4 – фильтр для сглаживания пульсаций на выходе из устройства.

Особенно велико участие инверторов в высоковольтном приводе мощностью до десятков мегаватт, где значение выходного напряжения составит 3 – 10кВ и выше.

Тип преобразователей на тиристорах IGBT имеет ряд существенных преимуществ – это:

  1. Полная управляемость.
  2. Неэнергоемкая и простая схема управления.
  3. Границы регулирования частоты самые высокие.
  4. Возможность работать на невысоких скоростях без использования датчика обратной связи.
  5. Комбинация устройства с микропроцессорами управления способствуют понижению уровня высших гармоник и предотвращает появление потерь в обмотках электродвигателя.
  6. Способствует снижению нагрева статора и уменьшает пульсацию момента, предотвращает явление называемое «шагание» ротора двигателя в районе малых частот.
  7. Понижает потери в магнитопроводе трансформатора в конденсаторах.
  8. Повышает долговечность оборудования и увеличивает длительность эксплуатации проводов на ВЛ.
  9. Уменьшает число ложных срабатываний защит и снижает погрешности измерительных индукционных приборов.
  10. Благодаря модульной структуре повышается надежность устройства, и уменьшаются его габаритные размеры.
  11. Обладают стойкостью к броскам тока и перенапряжениям.

Современные преобразователи частоты стоят немалые деньги, но их окупаемость, происходит за время менее 2 лет, используя преобразователь частоты существует реальная возможность добиться существенной экономии энергоресурсов и увеличить время эксплуатации всего оборудования.

Пишите комментарии,дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное.

Трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором

, у которого ротор выполнен с короткозамкнутой обмоткой в виде беличьей клетки

Конструкция асинхронного электродвигателя

Трехфазный асинхронный электродвигатель, как и любой электродвигатель, состоит из двух основных частей – статора и ротора. Статор – неподвижная часть, ротор – вращающаяся часть. Ротор размещается внутри статора. Между ротором и статором имеется небольшое расстояние, называемое воздушным зазором, обычно 0,5-2 мм.

Читать еще:  Гидравлическая система запуска двигателя

Статор состоит из корпуса и сердечника с обмоткой. Сердечник статора собирается из тонколистовой технической стали толщиной обычно 0,5 мм, покрытой изоляционным лаком. Шихтованная конструкция сердечника способствует значительному снижению вихревых токов, возникающих в процессе перемагничивания сердечника вращающимся магнитным полем. Обмотки статора располагаются в пазах сердечника.

Ротор состоит из сердечника с короткозамкнутой обмоткой и вала. Сердечник ротора тоже имеет шихтованную конструкцию. При этом листы ротора не покрыты лаком, так как ток имеет небольшую частоту и оксидной пленки достаточно для ограничения вихревых токов.

Принцип работы. Вращающееся магнитное поле

Принцип действия трехфазного асинхронного электродвигателя основан на способности трехфазной обмотки при включении ее в сеть трехфазного тока создавать вращающееся магнитное поле.

Вращающееся магнитное поле – это основная концепция электрических двигателей и генераторов.

Вращающееся магнитное поле асинхронного электродвигателя

Частота вращения этого поля, или синхронная частота вращения прямо пропорциональна частоте переменного тока f1 и обратно пропорциональна числу пар полюсов р трехфазной обмотки.

,

  • где n1 – частота вращения магнитного поля статора, об/мин,
  • f1 – частота переменного тока, Гц,
  • p – число пар полюсов

Концепция вращающегося магнитного поля

Чтобы понять феномен вращающегося магнитного поля лучше, рассмотрим упрощенную трехфазную обмотку с тремя витками. Ток текущий по проводнику создает магнитное поле вокруг него. На рисунке ниже показано поле создаваемое трехфазным переменным током в конкретный момент времени

Магнитное поле прямого проводника с постоянным током

Магнитное поле создаваемое обмоткой

Составляющие переменного тока будут изменяться со временем, в результате чего будет изменяться создаваемое ими магнитное поле. При этом результирующее магнитное поле трехфазной обмотки будет принимать разную ориентацию, сохраняя при этом одинаковую амплитуду.

Вращающееся магнитное поле

Действие вращающегося магнитного поля на замкнутый виток

Теперь разместим замкнутый проводник внутри вращающегося магнитного поля. По закону электромагнитной индукции изменяющееся магнитное поле приведет к возникновению электродвижущей силы (ЭДС) в проводнике. В свою очередь ЭДС вызовет ток в проводнике. Таким образом, в магнитном поле будет находиться замкнутый проводник с током, на который согласно закону Ампера будет действовать сила, в результате чего контур начнет вращаться.

Влияние вращающегося магнитного поля на замкнутый проводник с током

Короткозамкнутый ротор асинхронного двигателя

По этому принципу также работает асинхронный электродвигатель. Вместо рамки с током внутри асинхронного двигателя находится короткозамкнутый ротор по конструкции напоминающий беличье колесо. Короткозамкнутый ротор состоит из стержней накоротко замкнутых с торцов кольцами.

Короткозамкнутый ротор “беличья клетка” наиболее широко используемый в асинхронных электродвигателях (показан без вала и сердечника)

Трехфазный переменный ток, проходя по обмоткам статора, создает вращающееся магнитное поле. Таким образом, также как было описано ранее, в стержнях ротора будет индуцироваться ток, в результате чего ротор начнет вращаться. На рисунке ниже Вы можете заметить различие между индуцируемыми токами в стержнях. Это происходит из-за того что величина изменения магнитного поля отличается в разных парах стержней, из-за их разного расположения относительно поля. Изменение тока в стержнях будет изменяться со временем.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector