Zení otáček asynchronních motorů

Řekneme vám, jak vybrat frekvenční měnič pro asynchronní elektromotor a jaké parametry zařízení byste neměli přehlížet.

Frekvenční měnič (frekvenční měnič, FC) je zařízení určené k regulaci chodu asynchronního motoru.

Správně zvolený frekvenční měnič umožňuje měnit rychlost otáčení hřídele motoru a tím udržovat určité ukazatele průtoku nebo tlaku. Umožňuje také provoz elektromotoru bez třífázového napájení 380 V (výkon omezený na 2,2 kW) bez ztráty výkonu (za předpokladu, že motor podporuje přepínání hvězda-trojúhelník).

Řekneme vám, jak vybrat frekvenční měnič pro asynchronní elektromotor a jaké parametry zařízení byste neměli přehlížet.

Proč potřebujete frekvenční měnič?

Počítač řeší několik důležitých problémů najednou:

• pomáhá zapnout zpětný chod;
• omezuje startovací proud;
• umožňuje řídit provozní proud;
• zajišťuje plynulé zrychlení a zastavení motoru včetně úpravy času;
• chrání motor a samotný mechanismus před přetížením;
• stabilizuje točivý moment na hřídeli při kolísání napětí;
• po obnovení napájení automaticky restartuje elektromotor;
• umožňuje ovládat a spravovat technické parametry zařízení.

Pomocí frekvenčního měniče můžete vytvořit víceúrovňový systém řízení výroby a zlepšit jeho efektivitu.

Výhodné je použití frekvenčního měniče. Pomáhá šetřit spotřebu energie. Frekvenční měnič také prodlužuje životnost mechanických a elektrických součástí zařízení. To vám umožní vyhnout se nutnosti oprav, snížit průběžné výrobní náklady a tzv. náklady na vlastnictví.

Jaké parametry použít pro výběr frekvenčního měniče

Hlavní faktory, které je třeba vzít v úvahu při výběru modelu:

• Typ elektromotoru. Frekvenční měnič se volí vždy pro konkrétní typ motoru. Frekvenční měnič pro asynchronní model s vinutím nakrátko není vhodný pro synchronní elektromotor s permanentními magnety a naopak (co 500E?).
• Frekvence. Čím větší je frekvenční rozsah IF, tím více možností poskytuje.
• Jmenovitý výkon frekvenčního měniče. Musí být větší nebo roven výkonu motoru.
• Jmenovitý proud frekvenčního měniče. Podobně by měl být stejný nebo větší než proud motoru.
• Způsob ovládání. Existují 2 způsoby ovládání frekvenčního měniče. Vector – minimalizuje jalový proud a řídí točivý moment hřídele, když motor běží na minimálních frekvencích. Skalární metoda pomáhá synchronně ovládat skupinu elektromotorů.
• Provozní režim frekvenčního měniče. Frekvenční měniče pracují v režimu čerpadlo-ventilátor nebo v obecném průmyslovém režimu. První je nezbytný pro provoz se zátěží s proměnným točivým momentem, druhý – s konstantním.
• Napájecí napětí. Frekvenční měnič může být navržen pro třífázovou nebo jednofázovou síť.
• Úroveň ochrany proti prachu a vlhkosti. Chráněné zařízení se vyplatí zvolit, pokud bude frekvenční měnič umístěn na prašném místě nebo v místnosti s vysokou vlhkostí.

Existuje řada dalších funkčních vlastností frekvenčního měniče, které jsou důležité pro provoz s určitými typy zařízení.

Jak vybrat frekvenční měnič a co zvážit

Názorně vám ukážeme, jak vybrat frekvenční měnič pro asynchronní motor s následujícími vlastnostmi:

• jmenovitý výkon – 37 kW;
• jmenovitý proud – 70,2 A;
• napětí – 380 V při zapojení do trojúhelníku.

Další charakteristiky modelu naleznete na typovém štítku elektromotoru.

S ohledem na tyto vlastnosti si můžete vybrat frekvenční měnič ProfiMaster PM150A-4T030B-H nebo PM150A-4T037B-H – oba vyhovují základním parametrům. Charakteristiky těchto modelů jsme shrnuli do tabulky, aby bylo snadné je porovnat.

Porovnání výkonu a proudu v různých provozních režimech

Pro rozhodnutí o modelu je nutné vzít v úvahu povahu zatížení elektromotoru.

Pokud se jedná o čerpadlo-ventilátor (s proměnným kroutícím momentem), je rozumnější zvolit frekvenční měnič PM150A-4T030B-H. V tomto provozním režimu jsou jeho hlavní parametry stejné nebo větší než parametry elektromotoru.

Pokud motor běží s konstantním točivým momentem (obecné průmyslové zatížení), bude PM150A-4T037B-H fungovat lépe. Tento model, pokud se používá v obecném průmyslovém režimu, je navržen pro proud 75 A a výkon 37 kW – indikátory odpovídající charakteristikám příslušného elektromotoru.

Metoda řízení FC

Frekvenční měniče PM150A-4T030B-H nebo PM150A-4T037B-H zajišťují řízení otáček motoru ve skalárním i vektorovém režimu.

Skalární

Skalární režim řízení frekvenčního měniče se často nazývá U/F nebo volt-frekvence. Udržuje magnetické pole statoru a jmenovitý točivý moment na hřídeli beze změny, bez ohledu na rychlost otáčení hřídele.

Současně se při provozu na frekvencích blízkých minimu mění rychlost otáčení hřídele. Směr změny závisí na zatížení: když se zvyšuje, rychlost se snižuje, když se snižuje, zvyšuje se. Velikost změny parametrů je ovlivněna parametry elektromotoru.

Pro udržení točivého momentu na frekvenci až 5-10 Hz je důležité správně nastavit napětí křivky U/F. Pokud zvýšíte napětí, zvýší se rozběhový moment, zvýší se odběr proudu a v důsledku toho se zvýší zahřívání. Pro volt-frekvenční řízení se doporučuje nastavit frekvenci od 15 do 50 Hz.

Metoda skalárního řízení umožňuje frekvenčnímu měniči řídit parametry několika elektromotorů najednou, pokud jsou vybaveny samostatnou proudovou ochranou.

Tento režim je vhodný pro řešení různých problémů. Elektrické pohony čerpadel, ventilátorů, kompresorů, obráběcích strojů a dalších výrobních zařízení pracují s frekvenčními měniči ve skalárním režimu.

Vektor

Vektorový režim frekvenčního měniče zajišťuje konstantní rychlost otáčení při proměnném zatížení, protože výstupní napětí je regulováno v automatickém režimu. Model ve vektorovém režimu tedy zajišťuje nepřerušovaný provoz motoru při nízkých frekvencích, protože nezávisle kompenzuje pokles napětí ve vinutí. V tomto případě se může frekvence otáčení při konstantní zátěži mírně měnit. Změna frekvence do 5 Hz se považuje za normální. To se děje proto, že měnič hledá optimální napětí na vinutí motoru.

Vektorová metoda může zachytit točivý moment při nízkých frekvencích, zejména při měnícím se zatížení. Rozsah nastavení vektorového režimu je obvykle širší než rozsah skalárního režimu, ale to neplatí pro všechny modely frekvenčních měničů.

Měnič v tomto režimu může pracovat pouze s jedním elektromotorem, není možné připojit více motorů.

Vektorový režim se obvykle používá, když frekvenční měnič pracuje s motorem zdvihacího stroje, vrtné soupravy nebo jiného zařízení, pokud je důležité zajistit vysoký točivý moment v nízkofrekvenčním rozsahu v okamžiku spouštění elektromotoru.

Vlastnosti použití frekvenčního měniče

Pokud potřebujete zvýšit rozběhový moment, je lepší zvolit frekvenční měnič s vyšším výkonem. V případě námi zvažovaného elektromotoru a frekvenčního měniče se bude jednat o model ProfiMaster PM150A-4T037B-H.

Nutnost výběru výkonnějšího měniče je dána tím, že frekvenční měnič ve většině případů dokáže dodávat elektromotoru pouze jedenapůlnásobný proud. Pro výpočet tohoto ukazatele je nutné vynásobit jmenovitý proud přetížitelností frekvenčního měniče.

Pokud má být frekvenční měnič použit ke zvýšení otáček elektromotoru nad jmenovité otáčky, je důležité vzít v úvahu jednu vlastnost. Když se frekvence zvyšuje nad jmenovitou hodnotu, kroutící moment na hřídeli klesá úměrně druhé mocnině poměru U/F. To zase vede k urychlenému opotřebení ložisek a zvýšené pravděpodobnosti přetížení motoru.

Volby

Kromě základních charakteristik je důležitá i doplňková funkčnost převodníku. Některé prvky usnadňují instalaci a seřízení frekvenčního měniče a zvyšují spolehlivost jeho provozu.

• vestavěné zařízení na ochranu před bleskem;
• pohodlný ovládací panel s indikací a displejem;
• funkce automatického ladění motoru;
• velké množství nastavení a instalací;
• diskrétní, analogové a digitální výstupy;
• komunikační rozhraní Modbus RTU, RS 485;
• vestavěné brzdové zařízení;
• chráněné pouzdro podle standardu IP20;
• vestavěný ventilátor pro nucené chlazení vzduchem.

Standardní ovládací panel lze pomocí propojovacího kabelu přemístit až na 50 m od frekvenčního měniče.

Při výběru převodníku je také důležité věnovat pozornost podmínkám nákupu. LLC “NTC Privodnaya Tekhnika” prodává veškeré vybavení se zárukou. Naši techničtí specialisté poskytují konzultace, pomáhají s výběrem elektrozařízení, doprovázejí dodávky a provádějí záruční i pozáruční údržbu frekvenčních měničů.

Tlumivky a další komponenty pro frekvenční měniče

Pro vyřešení některých problémů je nutné správně vybrat nejen frekvenční měnič, ale i další periferní zařízení.

Například tranzistorový odpor rozptyluje energii motoru směrovanou do frekvenčního měniče. Brzdný odpor pomáhá rychle zastavit nebo zpomalit motor pracující při setrvačném zatížení. Takové zařízení je také žádané, když je nutné zachovat přesnost polohování.

Další doplňkovou položkou, která se může hodit, je motorový plyn. Instaluje se, pokud vzdálenost mezi elektromotorem a frekvenčním měničem přesahuje 30 metrů. Motorová tlumivka zabraňuje dopadu pulzních proudů na elektromotor, snižuje rušení a omezuje amplitudy proudu. Tento prvek tedy chrání měnič kmitočtu před zkratem.

Síťová tlumivka je nutná, pokud:

• indikátory elektrické sítě jsou nestabilní, dochází k poklesu napětí nebo pulzaci;
• fázový přechod je pozorován více než 3 %;
• je použit výkonný transformátor (>500 kVA);
• výkon transformátoru je 6+krát vyšší než výkon frekvenčního měniče;
• kabel mezi transformátorem a frekvenčním měničem je kratší než 10 metrů.

Ve všech těchto případech bude síťová tlumivka fungovat jako obousměrná vyrovnávací paměť mezi elektrickou sítí a frekvenčním měničem. Chrání zařízení před špičkovými napěťovými rázy a pomáhá prodloužit životnost frekvenčního měniče.

Jistič vypne napájení a zabrání poškození zařízení v případě abnormálního přetížení. Vypínací proud jističe se volí tak, aby byl 1,5–2krát větší než jmenovitý proud měniče kmitočtu.

Regulace otáček motoru je stanovena v souladu s požadavky technologických postupů a výrobních mechanismů, ve kterých jsou použity. Je charakterizován následujícími hlavními ukazateli.
Rozsah regulace D (limit změny rychlosti). Tato hodnota je chápána jako poměr maximálních otáček motoru k jeho minimálním otáčkám.
Plynulost regulace, který se vyznačuje minimálním skokem otáček motoru při přechodu z jedné mechanické charakteristiky na druhou.
Směr možné změny otáček motoru (kontrolní zóna).
Za jmenovitých provozních podmínek (napájecí napětí a frekvence) má motor přirozené mechanické vlastnosti. Při nastavování rychlosti otáčení se budou odpovídající charakteristiky lišit od přirozené. Tyto vlastnosti se nazývají umělé (regulační) charakteristiky. Pomocí některých metod řízení je možné získat umělé charakteristiky, které se nacházejí pouze pod tou přirozenou. Jiné metody poskytují řízení rychlosti nad a pod přirozenou křivkou. Efektivnost regulace je dána dodatečnými investičními náklady nutnými k vytvoření regulačních zařízení a také ztrátami elektrické energie při regulaci.

Je třeba poznamenat, že v řadě případů, například u mechanismů, které pracují relativně krátkou dobu na umělých charakteristikách, budou energetické ztráty i při nehospodárných způsobech řízení malé (práce při nízkých dokončovacích rychlostech výtahů, jeřábů atd.). ). Přitom je racionálnější používat jednoduché a levné způsoby regulace otáček motoru, i když jsou z hlediska spotřeby energie neekonomické.

Přípustné zatížení motoru při provozu na jeho regulačních charakteristikách je omezeno velikostí proudů v obvodech statoru a rotoru. Toto zatížení je určeno přípustným ohřevem motoru a je do značné míry dáno mechanickými vlastnostmi výrobních mechanismů, momentem odporu na hřídeli, momentem setrvačnosti motoru a mechanismu atd.

Otáčky asynchronních motorů lze řídit jejich ovlivňováním ze strany statoru nebo ze strany rotoru. Všechny tři metody jsou v praxi široce používány. Zvažme tyto metody podrobněji.

Regulace rychlosti otáčení změnou frekvence napájecí sítě je nejekonomičtější způsob ovládání a umožňuje získat dobré mechanické vlastnosti elektrického pohonu. Při změně frekvence napájecí sítě se mění frekvence otáčení magnetického pole asynchronního motoru. Napájecí zdroj motoru musí převádět napětí standardní síťové frekvence 50 Hz na napětí s požadovanou frekvencí. Současně se změnou frekvence je třeba podle určitého zákona regulovat velikost napětí přiváděného do motoru, aby byla zajištěna vysoká tuhost mechanických charakteristik a požadovaná přetížitelnost motoru. Při regulaci rychlosti otáčení asynchronních motorů změnou frekvence napájecí sítě je možné zajistit různé provozní režimy: s konstantním momentem; s konstantním výkonem hřídele; s točivým momentem úměrným druhé mocnině frekvence.

Vztahy mezi regulovaným napětím a frekvencí, zohledňující vliv odporu statoru, změny tuhosti mechanických charakteristik, nasycení oceli a zhoršení přenosu tepla při nízkých otáčkách rotoru motoru, jsou poměrně složité. Jako zdroj energie lze použít elektrické rotační měniče využívající elektrické stroje nebo statické měniče frekvence na polovodičových součástkách, které jsou komerčně vyráběny v průmyslu. Pozitivní vlastností frekvenční regulace je možnost plynulé regulace v širokém rozsahu v obou směrech přirozené charakteristiky (včetně možnosti natáčet motor na vyšší frekvenci, než je jmenovitá). Při regulaci je zajištěna tuhost charakteristiky a vysoká přetížitelnost. V řadě případů je však u pohonů kovoobráběcích strojů, elektrovřeten, výkonných dmychadel a dalších mechanismů nejvhodnější regulace frekvence.

Ovládání rychlosti změnou počtu pólů ve vinutí statoru je zajištěno změnou frekvence otáčení magnetického pole statoru. Při konstantní frekvenci napájecí sítě se frekvence otáčení magnetického pole a jím určená rychlost rotoru mění nepřímo úměrně počtu pólů. Protože počet pólů, pevně stanovený v krocích, se může rovnat 2, 4, 6, 8, 10 atd., což při frekvenci napájecí sítě 50 Hz odpovídá synchronní rychlosti otáčení 3000, 1500, 1000 , 750, 600 ot./min. atd., pak lze pomocí této metody dosáhnout pouze krokového řízení.

Kromě dvourychlostních asynchronních motorů se používají i třírychlostní a čtyřrychlostní motory. Třírychlostní motory mají jedno spínané a jedno nespínané vinutí, zatímco čtyřrychlostní motory mají dvě spínaná vinutí, umožňující čtyři synchronní rychlosti, například 3000/1500/1000/500 ot./min. Motory s přepínáním počtu pólových párů mají zpravidla rotor nakrátko s vinutím nakrátko. Takový rotor umožňuje provoz bez dalších přepojování ve svém obvodu. V případě vinutého rotoru u víceotáčkových motorů by bylo nutné současné spínání na statoru a rotoru, což by komplikovalo konstrukci rotoru a provoz takových strojů. Mezi pozitivní ukazatele vícerychlostních asynchronních motorů patří účinnost a poměrně velký rozsah regulace otáček rotoru. Nevýhodou tohoto způsobu ovládání je výše zmíněná nemožnost plynule měnit rychlost otáčení.

Jak bylo uvedeno, v rámci jedné obecné průmyslové řady 4A asynchronních motorů se vyrábí modifikace vícerychlostních motorů navržená pro provoz při dvou, třech nebo čtyřech rychlostech. Regulace rychlosti otáčení změnou skluzu je jedním z nejjednodušších způsobů ovládání. Zároveň se při změně skluzu (zvětšení) mění (zvětšují) ztráty ve vinutí rotoru, což vede ke snížení účinnosti při regulaci.

Regulace skluzu lze provádět jak ze strany statoru, tak ze strany rotoru. Přirozeně ve druhém případě musí být rotor fázový a musí mít vinutí připojené ke sběracím kroužkům. Při regulaci ze strany statoru se mění napětí aplikované na jeho vinutí. Zvýšení napětí nad jmenovité vede k saturaci magnetického obvodu motoru a proto se nepoužívá.

Pro regulaci rychlosti otáčení snižte napájecí napětí. V tomto případě se točivý moment vyvíjený motorem mění úměrně druhé mocnině napětí a podle toho se mění i mechanické vlastnosti motoru, v důsledku čehož se mění i hodnoty pracovních skluzů. Při regulaci ze strany rotoru se využívá především reostatická regulace otáček zaváděním přídavných aktivních odporů (rezistorů) do obvodu vinutí rotoru. Je důležité poznamenat, že změna otáček motoru v širokém rozsahu s tímto způsobem řízení nebude mít za následek změnu maximálního (kritického) točivého momentu. Při regulaci se tedy nesnižuje přetížitelnost motoru.

Související články: