Почему контроль скорости двигателя?
Часто желательно контролировать скорость двигателя, как правило, для управления процессами по таким параметрам, как поток или давление. Такие приложения, как вентиляторы и насосы, часто имеют различные требования к выходной мощности, а управление скоростью двигателя более эффективно, чем механическое ограничение выхода процесса с помощью таких устройств, как дроссельные клапаны или демпферы.
Сравнение методов управления скоростью двигателя (фото-кредит: emersonindustrial.com)
Причина этого связана с тем, что для процессов на основе центрифуги (таких как вентиляторы и центробежные насосы) существуют следующие соотношения:
Крутящий момент = RPM 2
Мощность = RPM 3
Таким образом, для этих типов процессов крутящий момент, необходимый для их вращения, пропорционален квадрату скорости.
Но мощность, необходимая для их вращения, пропорциональна кубу скорости, и это делает экономию привлекательной скорости двигателя. Чтобы продолжить этот аргумент, рассмотрите энергию, потраченную впустую, когда механические средства, такие как дроссельные клапаны или демпферы, используются для управления процессом, который приводится в движение от двигателя, работающего на полной скорости.
Понятно, что управление скоростью двигателя можно использовать для экономии энергии за счет уменьшения потерь энергии, используемых для механического управления процессом.
Приводы с регулируемой скоростью (ASD)
На сегодняшний день наиболее часто используемым способом управления двигателем переменного тока являются приводы с регулируемой скоростью. В большинстве коммерческих и промышленных условий они вытеснили практически все другие методы контроля скорости двигателя.
Привод с регулируемой скоростью работает по принципу изменения частоты для изменения скорости двигателя. Напомним, что из уравнений выше синхронная скорость двигателя зависит как от частоты системы, так и от числа полюсов двигателя. Изменяя частоту, скорость двигателя может варьироваться до тех пор, пока двигатель оборудован для рассеивания тепла на пониженных скоростях.
В отличие от мягкого пуска, предпочтительные специализированные конструкции с номинальным номинальным током с инверторными характеристиками предпочтительнее, поскольку работа с пониженной скоростью может вызвать проблемы с нагревом и превышение скорости, что может привести к проблемам безопасности.
Кроме того, импульсные выходы с широтно-импульсной модуляцией (PWM) могут вызывать повторяющиеся перепады напряжения, называемые звонками, что может снизить продолжительность жизни двигателя общего назначения. Перед применением универсального двигателя в приводе с регулируемой скоростью следует проконсультироваться с производителем двигателя.
Таблица 1- Краткое описание методов пуска двигателя
| метод | преимущества | Недостатки |
| Через линию | Простой, рентабельный |
Высокий ток Высокий стартовый крутящий момент Резкий старт |
| Автотрансформатор с пониженным напряжением |
Высокий выходной крутящий момент против пускового тока. Некоторая гибкость в начальных характеристиках благодаря регулируемым кранам на автотрансформаторах |
Ограниченный рабочий цикл Большой размер оборудования за счет автотрансформаторов |
| Резистор с уменьшенным напряжением или реактор | Высокий выходной крутящий момент против пускового тока |
Ограниченный рабочий цикл Ограниченная гибкость в стартовых характеристиках Более высокий пусковой ток, чем с автотрансформатором с пониженным напряжением Большой размер оборудования за счет резисторов / реакторов |
| Уай-Дельта |
Относительно низкий пусковой ток Относительно простая стартовая конструкция Хорошо подходит для длительных периодов ускорения |
Относительно низкий выходной крутящий момент против пускового тока Ограниченная гибкость в стартовых характеристиках Требуется специальная конструкция двигателя |
| Часть подзаводом | Относительно простая стартовая конструкция |
Относительно низкий выходной крутящий момент против пускового тока Не подходит для частых запусков Требуется специальная конструкция двигателя |
| Твердотельный плавный пускатель |
Плавное ускорение Низкий пусковой ток Высокая гибкость в стартовых характеристиках Обычно предлагает управление замедлением также Обычно интегрируется с промышленной автоматизацией инфраструктура |
Относительно дорого Чувствительность к качеству электроэнергии Теплоотдача и температура окружающей среды |
| Сопротивление ротора |
Доступное плавное ускорение Хорошая гибкость в стартовых характеристиках Может также использоваться для управления скоростью |
Сложная конструкция контроллера Требуется дорогостоящая конструкция двигателя раневого ротора |
|
регулируемый Скорость привода |
Плавное ускорение Низкий пусковой ток Высокая гибкость в стартовых характеристиках Предлагает также торможение и регулирование скорости Обычно интегрируется с промышленной автоматизацией инфраструктура |
Зависимость от затрат, если не требуется контроль скорости Чувствительность к качеству электроэнергии Теплоотдача и температура окружающей среды Непрерывные гармонические токи могут создавать проблемы с качеством электроэнергии |
Существуют различные конструкции для приводов с регулируемой частотой вращения, однако для низковольтных приводов наиболее распространенным является конструкция с широтно-импульсной модуляцией с напряжением. Как следует из его названия, выход имеет широтно-импульсную модуляцию для уменьшения гармоник и шума.
Вход переменного тока в привод обычно представляет собой диодный выпрямитель. Упрощенная топология схемы для привода PWM с напряжением питания приведена на рисунке 1 ниже.
Рисунок 1 - Привод с регулируемой скоростью PWM с напряжением питания: упрощенная топология схемы для реализации низкого напряжения
Выходной каскад схемы на рисунке 1 состоит из биполярных транзисторов с изоляцией (IGBT), которые обычно используются в низкоскоростных приводах с регулируемой скоростью PWM вместо SCR из-за их превосходной скорости переключения.
Регулируемые приводы скорости обеспечивают превосходное управление скоростью для двигателей мощностью до 10 000 л.с. в зависимости от напряжения в системе. Они обычно включают защиту двигателя, позволяя, при желании, пропускать отдельные защитные реле двигателя.
Из-за высоких частот переключения и их взаимодействия с емкостью кабеля длина кабеля между выходом привода и двигателем ограничена, и, как упоминалось выше для устройств плавного пуска, конденсаторы коррекции коэффициента мощности и импульсные конденсаторы не должны использоваться на выходе регулируемого привода скорости.
Также из-за высоких частот переключения шум синфазного шума на заземляющих проводниках может быть проблемой при использовании этих приводов.
AC Variable Speed Drive и IE2 Motor Kit - 1.5kW (2.0HP) 230V Single Phase (фото кредит: inverterdrive.com)
На входящей линии преобразователи с регулируемой скоростью создают гармоники, которые необходимо учитывать при проектировании всей системы. Эта тема рассматривается в следующем разделе этого руководства. Приводы с регулируемой частотой вращения, такие как устройства плавного пуска, представляют собой микропроцессорные устройства. Поэтому они могут взаимодействовать с инфраструктурой автоматизации объекта.
За исключением нескольких отдельных случаев, для большинства промышленных и коммерческих установок регулируемые приводы скорости - это выбор скорости для двигателей переменного тока.
Старые методы //
Существуют различные другие способы управления скоростью переменного тока. Вот некоторые из них:
- Регулирование скорости вращения ротора - аналогично пуску с сопротивлением ротору, этот метод состоит в изменении эффективного сопротивления ротора асинхронного двигателя раневого ротора для изменения скорости. Варианты этого метода включают в себя системы рекуперации энергии ротора с использованием второй машины или вспомогательного твердотельного выпрямителя и преобразователя.
- Многоскоростной двигатель. Этот тип двигателя обычно представляет собой двигатель с короткозамкнутым ротором, который имеет до четырех фиксированных скоростей.
- Регулировка первичного напряжения с использованием насыщающихся реакторов. Этот метод применим только к двигателям NEMA Design D и предлагает очень узкий диапазон контроля скорости.
Из-за ограничений этих методов и того факта, что они не подходят для широкого спектра двигателей, регулируемый привод скорости, как правило, является решением для большинства коммерческих и промышленных объектов.
Ссылка // AC Motors, управление двигателем и защита двигателя - Билл Браун, PE, Square D Engineering Services