Jak regulovat otáčky střídavého motoru

Asynchronní elektromotory jsou nejběžnějšími elektrickými stroji používanými v pohonech průmyslových a domácích zařízení. Jejich hlavní výhody: relativně nízká hmotnost při vysokém výkonu, jednoduchý design, nízká cena.

Zvažme způsoby regulace rychlosti rotoru asynchronních motorů. Otáčky hřídele lze teoreticky nastavit několika způsoby:

V praxi se nejčastěji používají 2 metody:

• Změna počtu pólů statoru.
• Regulace napětí na vinutí statoru nebo rotoru.
• Změna frekvence napájecího napětí.

Mechanické převodovky se používají také k regulaci otáček asynchronních elektrických strojů. Zvažme konstrukci asynchronního elektromotoru a výhody a nevýhody každého způsobu změny rychlosti otáčení.

Zařízení asynchronního motoru

Existují 2 hlavní typy asynchronních elektrických strojů s fázovými rotory a rotory nakrátko. Konstrukce druhého je znázorněna na obrázku:

Motor se skládá z rotujícího rotoru, stacionárního statoru, skříně a rámu. Stator obsahuje třífázové vinutí s úhlovou vzdáleností 120°, zapojené do hvězdy nebo trojúhelníku.

Konstrukce rotoru je tzv. klec na veverku a skládá se z tyčí zahnutých mezi 2 kroužky.

Při přivedení napětí na vinutí statoru se objeví magnetické pole, které indukuje proud v rotující části, při interakci polí se rotor začne otáčet ve stejném směru jako magnetické pole statoru. Frekvence otáčení pohyblivé části poněkud zaostává za rychlostí otáčení pole; tento rozdíl se nazývá skluz.

Elektrické stroje s vinutým rotorem se liší provedením rotační části. Obsahuje třífázové vinutí, zapojené do hvězdy a připojené k regulačnímu reostatu. Proud v něm lze tedy upravit změnou rychlosti otáčení a točivého momentu.

Konstrukce motorů s vinutým rotorem je složitější, mezi výhody takových elektrických strojů patří zlepšené startovací vlastnosti.

Způsoby regulace rychlosti otáčení změnou počtu pólových párů a napětí na vinutích

Frekvence otáčení hřídele asynchronních motorů je určena ze vzorce: n = 60f / p, kde f je frekvence síťového napětí Hz, p je počet pólových párů statoru. Přivedením napětí na různé části vinutí lze tedy změnit počet připojených pólových párů a upravit rychlost motoru. Nevýhody této metody zahrnují složitost návrhu. Rychlost lze navíc upravovat pouze v krocích o číslo, které je násobkem počtu párů pólů.

Další metodou změny otáček motoru je úprava napájecího napětí. Je nevhodný pro asynchronní motory s rotorem nakrátko, protože snížením napětí na vinutí statoru výrazně snižuje tuhost mechanických charakteristik.

Oblastí použití této metody jsou pohony s asynchronními motory s vinutým rotorem. Pro regulaci napětí je do obvodu ráfku rotační části zaveden reostat. Tak je možné plynule měnit rychlost otáčení hřídele až do synchronní rychlosti 3000 ot./min.

Mezi nevýhody patří značná ztráta napětí na odporovém prvku a nedostatečná účinnost při nízké zátěži.

Zhoršují se také mechanické vlastnosti.

Frekvenční řízení otáček asynchronních motorů

Rychlost otáčení asynchronních motorů lze také řídit změnou frekvence napájecího napětí. S příchodem rychle spínaných tranzistorů a tyristorů bylo možné použít elektronické invertory pro změnu frekvence napětí dodávaného do statoru.

Tato metoda nemá všechny nevýhody regulace napětí a má následující výhody:

• Udržuje pevný výkon při jakékoli rychlosti bez ohledu na zatížení.
• Hladká, plynulá změna rychlosti otáčení.
• Nastavitelné nahoru a dolů ze synchronní rychlosti.
• Malé rozměry a hmotnost.

Frekvenční měniče nevyžadují změny v konstrukci elektromotorů. Lze je použít pro všechny typy střídavých elektrických strojů s vinutými rotory nebo rotory nakrátko.

Existuje několik typů měničů a způsobů řízení frekvence. Podívejme se na nejběžnější typy a metody.

Veda frekvenční měniče – pokročilý produkt, který plně odpovídá požadavkům trhu a poskytuje vysokou spolehlivost, efektivitu a flexibilitu v provozu.

Typy frekvenčních měničů

Jedním z úplně prvních schémat frekvenčních měničů byla zařízení s přímým připojením k síti. Střídače tohoto typu mají galvanické připojení k elektrické síti a bývají postaveny na bázi rychlo spínaných tyristorů. Polovodičové prvky jsou obsaženy v můstkových, křížových, nulových a antiparalelních obvodech.

Zařízení s přímou spojkou zajišťují stabilní provoz při nízkých otáčkách motoru a mají vysokou účinnost. Měniče mohou také zajistit návrat elektřiny do sítě v režimu brzdění motorem. V případě potřeby lze výkon zařízení zvýšit připojením dalších jednotek. Mezi nevýhody zařízení patří: nesinusový průběh napětí, možnost regulace rychlosti pouze směrem dolů a relativní složitost řídicího obvodu.

Nejběžnější frekvenční měniče v nízkonapěťových pohonech jsou založeny na obvodu s dvojitou konverzí s jasně definovaným stejnosměrným meziobvodem.

Výkonová část obvodu se skládá z:

• Z diodového třífázového usměrňovače. Jednotka zajišťuje konverzi střídavého proudu na stejnosměrný proud.
• Ze stejnosměrného spoje. Kapacitní prvek filtruje stejnosměrnou složku a vyhlazuje zvlnění, ke kterému dochází během provozu měniče.
• Ze střídače. Funkční blok využívající rychle spínané tranzistory převádí stejnosměrné napětí na střídavé. Frekvence je nastavena algoritmem otevírání/zavírání polovodičových prvků a je určena pulsně šířkovým modulátorem.

Obvody s dvojitou konverzí poskytují čistý sinusový výstup, umožňují řízení rychlosti nad a pod synchronní frekvencí a poskytují tuhost v celém rozsahu. Mezi nevýhody patří určitá ztráta výkonu v důsledku dvojité konverze elektřiny, složitost návrhu a relativně vysoká cena.

Závěr

Nejúčinnějším způsobem je řízení rychlosti otáčení hřídele frekvencí napájecího napětí statoru. Frekvenční měniče:

• Snižte startovací proudy.
• Výrazně snížit spotřebu energie.
• Umožňuje upravit točivý moment při dynamickém zatížení.
• Rychlost otáčení hřídele je plynule řízena v širokém rozsahu.

Zařízení také poskytují ochranu proti fázové nesymetrii, přetížení, zkratu a napěťovým rázům. Moderní invertory také umožňují implementovat jakýkoli zákon o automatickém řízení, provádět dálkové ovládání, vést protokol událostí a mnoho dalšího.