СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ
Асинхронные двигатели полностью вытеснили двигатели постоянного тока, синхронные двигатели. Это обусловлено более качественными показателями, таких как стоимость, статические и динамические характеристики, простота в управлении. Двигатели переменного тока с короткозамкнутым ротором используются повсеместно. Это могут быть приводы вентиляторов, насосов, лифтов, конвейеров и других устройств. Приводы могут вращать исполнительный механизм «напрямую», либо с использованием редуктора. Применение схемы подключения механизма к валу более экономичное (с точки зрения энергетики), и позволяет более точно управлять электродвигателем. Использование функционала мотор-редуктор также имеет свои плюсы:
— при больших нагрузках электродвигатель можно использовать другого типа размера.
— малый вес конструкции, за счет использования электродвигателя меньшей мощности
— удобство монтажа
При этом, снижаются показатели в управлении, поскольку редуктор имеет ограниченное количество передач.
Какие требования предъявляются к современным системам управления?
Система управления асинхронным двигателем должна обеспечивать:
А) максимальную экономию электроэнергии
Б) иметь высокую точность регулирования частоты
В) иметь высокую надежность и невысокую стоимость.
Г) иметь возможность дистанционного управления
Для подбора (проектирования) систем управления, специалист оценивает все 4 показателя, и принимает решение о выборе на основе комплексных показателей. При этом, если Заказчик предоставляет техническое задание, инженер обязан руководствоваться им.
Все системы управления асинхронными двигателями можно классифицировать:
По аппаратной части
— релейно-контакторные
По использованию обратной связи:
— с обратной связью
РЕЛЕЙНО-КОНТАКТОРНЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
Используются повсеместно для управления приводами малой мощности. Для пуска двигателя используются пускатели (контакторы), которые замыкают цепь питания от сети на обмотки двигателя.
Плюсы:
— низкая стоимость. Контакторы не дорогие и, приобрести их можно в любом специализированном магазине
— высокая ремонтно пригодность. Замена пускателя не вызывает сложностей в полевых условиях.
— хорошие показатели при модернизации схемы управления. Релейно-контакторные системы легко модернизировать
Минусы:
— высокие пусковые токи. При замыкании питания сети на обмотки двигателя, возникает пусковой ток в 7-9 раз превышающий номинальный ток двигателя..
— повышенные динамические нагрузки на электродвигатель и механизм.
— невозможность управления частотой вращения асинхронным двигателем. Низкая надежность.
Релейно-контакторные системы нельзя назвать «устаревшими». Созданные в конце прошлого века, эти системы по-прежнему плотно занимают свою нишу. Большинство двигателей мощностью до 10 кВт используют контакторную схему управления. Тем не менее, для приводов большой мощности, выше 15 кВт часто используется схема пуска «звезда-треугольник». О чем речь?
При включении трехфазного электродвигателя «звездой» концы обмоток статора соединяются вместе. Напряжение от сети подается на начало обмоток. Фазное напряжение будет на 1,73 меньше линейного. Уменьшается пусковой ток, момент, нагрузки на механику всей системы. После того, как асинхронный двигатель раскрутится, обмотки статора соединяются в «треугольник». Напряжение сети напрямую подключается к обмоткам электродвигателя.
Плюсы системы управления «звезда-треугольник» очевидны: снижение пусковых токов и момента при запуске. Не высокая стоимость и хорошие эксплуатационные характеристики. Из минусов можно отметить использование дополнительно коммутационную аппаратуру (реле, пускатели), а также, реле времени (определяет время работы в режиме «звезда»).
МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ СИСТЕМЫ
Системы управления с использованием микропроцессоров выводят на новый уровень регулирование частоты. Практическое применение таких систем обусловлено:
— точностью поддержания заданной частоты электродвигателя
— использование обратной связи
— высокая помехозащищенность питающей сети и защита электродвигателя от перенапряжений
Микропроцессорные системы используются там, где требуется поддерживание заданного значения при работе исполнительного механизма. Например, требуется поддержание заданного расхода воздуха вентилятором, или заданного значения давления на «выкиде» насоса. Поддержание заданной частоты возможно только с применением преобразователя частоты (ПЧ).
Преобразователь частоты (либо асинхронный преобразователь частоты): электронное устройство, предназначенное для преобразования напряжения сети переменного тока (постоянной частоты) в трехфазное напряжение регулируемой частоты. Регулирование частоты осуществляется по закону V/f, также возможно использование векторного управления.
Помимо регулирования частоты асинхронного электродвигателя, ПЧ способен обеспечить защиту двигателя, возможность диагностики электрических характеристик обмоток. Преобразователь частоты имеет возможность принимать и отдавать информацию о величине тока, напряжения, частоты по каждой из фаз, производить архивацию данных. Также, есть функция подсчета количество наработанных часов.
Плюсы:
— отличные эксплуатационные характеристики. Вывести из строя преобразователь частоты достаточно непросто. Малые габариты.
— точность управления, гибкость системы, использование обратной связи
— возможность управления по протоколу, удаленно, совместно с другими ПЧ
Минусы:
— требуется охлаждение. ПЧ греется, и монтаж его в шкаф без принудительного охлаждения может нарушить его работу.
— сложность в наладке. Для параметрирования ПЧ требуются знания и навыки. Настройка протоколов обмена данными также требует углубленных знаний.
— высокая стоимость.
— низкая ремонтно пригодность. Ремонт в полевых условиях практически невозможен.
Зачастую, при работе с электродвигателями большой мощностью поддержание заданной частоты не требуется. К примеру, насос перекачивает 24 часа в сутки сточные воды из резервуаров на очистные сооружения. Давление на «выкиде» насоса постоянное и не требует изменения по величине. В таких случаях, рационально использование «УПП».
УПП – устройство плавного пуска «soft starter», предназначено для запуска асинхронного электродвигателя с постепенным увеличением частоты. Основным электронным элементом является тиристор, открытием которым управляет микропроцессор. Время запуска задается наладчиком, в секундах, после чего двигатель постепенно раскручивается и выходит на номинальную частоту. После выхода на режим, УПП отключается и подключает асинхронный электродвигатель напрямую в сеть.
УПП от преобразователя частоты отличается только тем, что не имеет возможности изменять частоту вращения электродвигателя. При этом, сохраняются все преимущества ПЧ, такие как гибкость системы, высокие эксплуатационные характеристики, применение протоколов. Также, УПП значительно дешевле преобразователя частоты, что несомненно является плюсом. В системах управления, где не требуется изменение частоты вращения электродвигателем, устройства плавного пуска прочно занимают свои позиции.
Полезные формулы:
Теоретическая формула мощности трехфазного электродвигателя при соединении в звезду или треугольником P = 3 * Uф * Iф * cos(α).
Однако для линейных значений напряжения и тока она выглядит как P = √3× Uф × Iф × cos(α).
Для расчета номинального вращающего момента используют формулу Мном = 30Рном ÷ pi × нном, где: Рном — номинальная мощность электрического двигателя, Вт; нном — номинальное число оборотов, мин-1
Расчет тока в 3х фазной сети I = P/(√3*U*cos φ)
Расчет тока в 1 фазной сети I = P/(U*cos φ)
Закон Ома для участка цепи: U=I*R
