Regulacja prędkości obrotowej silników prądu przemiennego

Szczegóły

Nadrzędna kategoria: Artykuły

Opublikowano: wtorek, 11, grudzień 2012 01:42

W listopadowym numerze czasopisma „Elektroinstalator” został opublikowany artykuł, w którym omówiono rodzaje, budowę oraz zasadę działania silników elektrycznych prądu przemiennego. Poniżej przedstawiamy podstawowe metody regulacji prędkości obrotowej silników indukcyjnych, synchronicznych i komutatorowych zasilanych napięciem przemiennym.

Regulacja prędkości obrotowej silników indukcyjnych

Silniki indukcyjne (asynchroniczne) znajdują od lat szerokie zastosowanie zarówno w przemyśle, jak i gospodarstwie domowym. Silniki tego typu charakteryzują się względnie dobrymi właściwościami ruchowymi, co w połączeniu z nowoczesnymi urządzeniami energoelektronicznymi sterującymi ich pracą pozwala na pełne wykorzystanie tego typu maszyn w napędach elektrycznych o regulowanej prędkości obrotowej.

Prędkość obrotowa silnika indukcyjnego zależy od:

• częstotliwości napięcia zasilającego,
• liczby par biegunów,
• poślizgu.

Rys. 1. Wpływ zmian częstotliwości napięcia zasilania na charakterystyki ruchowe silnika asynchronicznego

Zmiana prędkości poprzez regulację częstotliwości zasilania umożliwia regulację prędkości w zakresie od zera do prędkości maksymalnej, dopuszczalnej ze względów wytrzymałościowych (konstrukcyjnych). Podczas regulacji prędkości poprzez zmianę częstotliwości należy tak zmieniać wartość napięcia zasilającego, aby stosunek U/f był stały. W przeciwnym wypadku dokonując zmian częstotliwości przy stałej wartości napięcia zasilającego zmieniałby się strumień. Wzrost częstotliwości powodowałby wówczas zmniejszenie strumienia. Na rysunku 1 przedstawiono wpływ zmian częstotliwości na charakterystyki ruchowe maszyny indukcyjnej.

Druga z metod regulacji prędkości polegająca na zmianie liczby par biegunów pozwala na uzyskanie dwóch (a najwyżej czterech) różnych prędkości wirowania wirnika. Nie jest tu możliwa regulacja płynna, stąd często silniki o takim sposobie regulacji prędkości nazywano wielobiegowymi. Regulacji prędkości poprzez zmianę liczby par biegunów można dokonać stosując:

• dwa niezależne uzwojenia w stojanie o różnych liczbach biegunów magnetycznych: w takim rozwiązaniu możliwe jest jedynie uzyskanie dwóch prędkości obrotowych poprzez zmianę uzwojenia przyłączonego do sieci zasilającej. Ten sposób regulacji prędkości może być stosowany tylko w silnikach klatkowych, ponieważ klatki tego typu silników dostosowują się pod względem liczby par biegunów do liczby par biegunów stojana, a równość liczby par biegunów stojana i wirnika jest niezbędnym warunkiem powstania momentu obrotowego
• jedno uzwojenie, które moż- ¡na przełączać, tak aby wy-twarzało pola o różnych licz-bach par biegunów – pozwala to na zmniejszenie wymiarów silnika i lepsze wykorzystanie materiałów.

Kolejnym sposobem regulacji prędkości silników indukcyjnych jest regulacja poprzez zmianę poślizgu. Powodując wzrost rezystancji w obwodzie wirnika uzyskuje się wzrost poślizgu krytycznego. Na rysunku 2 przedstawiono regulację prędkości obrotowej silnika pierścieniowego poprzez zwiększenie rezystancji dodatkowej w obwodzie wirnika.

Rys. 2. Regulacja prędkości poprzez zwiększenie rezystancji dodatkowej w obwodzie wirnika maszyny pierścieniowej charakterystyki ruchowe silnika asynchronicznego

Rys. 3. Zmiana prędkości obrotowej poprzez zmianę napięcia zasilającego

Na rysunku 2 można zauważyć, że dla silnika bez dodatkowej rezystancji wirnika napędzającego maszynę roboczą o stałym momencie hamującym Mh – niezależnym od prędkości obrotowej dołączenie rezystancji dodatkowej Rd w obwód wirnika spowoduje, że ustali się nowy punkt pracy (1) przy prędkości zmniejszonej do wartości n1. Dalszy wzrost Rd powoduje zatem zmniejszanie prędkości obrotowej do dowolnie małej wartości. Płynną regulację prędkości można uzyskać poprzez wpięcie w obwód wirnika rezystancji o wartości regulowanej w sposób ciągły. Niestety, taki sposób regulacji prędkości poprzez zmianę poślizgu metodą zmiany rezystancji w obwodzie wirnika jest mało ekonomiczny ze względu na występujące w rezystorach regulacyjnych duże straty mocy. Dlatego we współczesnych układach regulacji prędkości rolę rezystorów przejęły układy energoelektroniczne oddające energię z powrotem do sieci zasilającej.

Innym sposobem regulacji prędkości poprzez zmianę poślizgu jest regulacja poprzez zmianę napięcia zasilającego – rysunek 3. Przy stałym momencie hamującym Mh na zmianę poślizgu można także wpłynąć, dokonując zmian napięcia zasilającego. W takim przypadku poślizg krytyczny, przy którym występuje moment krytyczny, nie zmienia się, natomiast zmienia się wartość tego momentu.

Zakres regulacji prędkości obrotowej przez zmianę napięcia zasilającego wynosi niewiele ponad 10% poniżej prędkości znamionowej. Zatem jest to bardzo mały zakres regulacji, a ponadto silnik może utknąć, czyli zatrzymać się na skutek zmniejszenia się przeciążalności. Z tych też powodów ten sposób regulacji prędkości obrotowej silnika indukcyjnego jest bardzo rzadko stosowany.

Dobrą metodą regulacji prędkości silników indukcyjnych jest zastosowanie metody kaskadowej, której schemat przedstawiono na rysunku 4.W układzie z rysunku 4 w obwód wirnika włączono prostownik tyrystorowy, do którego wyjścia jest przyłączony falownik. Urządzenie to jest zasilane z sieci poprzez transformator obniżający napięcie falownika do napięcia wirnika silnika. Takie połączenie prostownika i falownika poprzez dławik L tworzy przemiennik częstotliwości, za pomocą którego energia poślizgu silnika jest przekazywana do sieci.

Silniki indukcyjne mają niewielkie możliwości regulacji prędkości obrotowej, co jest niewątpliwie jedną z ich zasadniczych wad. Można ją jednak łatwo wyeliminować stosując układy energoelektroniczne do regulacji częstotliwości napięcia zasilającego.

Jeśli prędkość wirowania wirnika jest większa od zera i mniejsza od prędkości synchronicznej n0, co odpowiada zakresowi wartości poślizgu od 0 do 1, wtedy maszyna indukcyjna pracuje jako silnik. Jeśli prędkość maszyny indukcyjnej jest większa od prędkości synchronicznej np. wtedy, gdy jest ona połączona z inną maszyną, która ją napędza, to poślizg maszyny indukcyjnej jest mniejszy od zera i pracuje wtedy jako prądnica.

Możliwa jest także praca hamulcowa maszyny indukcyjnej. Odbywa się ona wtedy, gdy prędkość wirowania wirnika jest mniejsza od zera, tzn. jeżeli moment elektromagnetyczny maszyny działa w kierunku zgodnym z kierunkiem wirowania pola, czyli przeciwdziała momentowi zewnętrznemu.

Oprócz opisanych powyżej trzech podstawowych stanów pracy, maszyna indukcyjna może pracować w jednych z dwóch stanów szczególnych, z których pierwszy ma miejsce, gdy poślizg jest równy 1, a prędkość n wynosi 0. Oznacza to, że wirnik jest nieruchomy, wówczas przy otwartym obwodzie wirnika występuje stan podobny do stanu jałowego transformatora. Natomiast przy zamkniętym obwodzie wirnika występuje stan analogiczny do stanu zwarcia transformato ra. Ponieważ prędkość wynosi 0, moc mechaniczna nie występuje, a pobrana z sieci energia jest w całości zamieniana na ciepło zarówno w obwodzie magnetycznym, jak i elektrycznym maszyny indukcyjnej.

Drugi ze stanów szczególnych dotyczy sytuacji, gdy prędkość n jest równa prędkości synchronicznej, a poślizg s = 0. W tym stanie pracy maszyna indukcyjna jest odbiornikiem takiego samego typu jak dławik czy transformator w stanie jałowym.

Rys. 4. Kaskadowy układ regulacji prędkości silnika indukcyjnego

...pełna wersja artykułu w EI 12/2012