AVR494: Управление асинхронным электрическим двигателем электрического тока по принципу постоянства V/f и привычного ШИМ-управления

  • Управление дешевым и многофункциональным 3-фазным асинхронным электрическим двигателем
  • Управление по прерываниям
  • Меньшие требования к объему памяти и вычислительным способностям

Электроэнергия уже достаточно давно применяется для формирования механического движения (вращение или перемещение) при помощи электромеханических приводов. По оценкам, 50% электроэнергии, генерированной в Америке, потребляется электрическими двигателями. Более 50 электрических двигателей в большинстве случаев можно найти в бытовом хозяйстве и приблизительно так же в автомобиле.

В целях охраны внешней среды и снижения эффекта излучения тепличных газов правительства по всему миру вводят правила, просящие от изготовителей бытового электрического оборудования и предприятий промышленности отпускать продукцию намного экономичнее расходующих электрическую энергию. Очень часто этого можно добиться за счёт хорошего управления скоростью электрического двигателя. Это считается причинной, почему разработчики домашних приборов и поставщики полупроводников на данный момент заинтересованы в создании дешевых и экономичных регулируемых приводов.

За счёт высокой выносливости, надежности, меньшей цене и высокого к.п.д. (80%) асинхронные электрические двигатели применяются во многих промышленных приложениях, в т.ч.:

ПРИНЦИП РАБОТЫ ДВУХСКОРОСТНЫХ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРО ДВИГАТЛЕЙ

  • домашние электроприборы (машины стиральные, вытяжки, холодильники, вентиляторы, пылесосы, нагнетатели воздуха и др.);
  • нагревательной системы, вентиляции и воздушного кондиционирования;
  • промышленные электрического привода (управление движением, центробежные насосы, робототехника и др.);
  • машины (электромобили)

Впрочем минусом асинхронных двигателей считается работа исключительно на номинальной скорости при подключении к сети. Это считается основой, почему частотные преобразователи нужны для регулировки скорости вращения асинхронных электрических двигателей. Очень распространенным алгоритмом управления трехфазным асинхронным электрическим двигателем считается алгоритм с поддержанием постоянства отношения напряжение/частота (правило Костенко) и применением привычного широтно-импульсно модулированного (ШИМ) управления преобразователем напряжения напряжения, как показано на рисунке 1.1.

Целью данных советов по использованию считается презентация реализации этого варианта на основе AVR RISC-микроконтроллере AT90PWM3, разработанного конкретно для использования в силовой электронике.

Управление асинхронным двигателем

Рисунок 1.1 — Стереотипная структура инверторного асинхронного привода
2. Основные характерности AT90PWM3
Алгоритмы управления выполнены на основе дешево и выгодного однокристального микроконтроллера AT90PWM3, который может достигать продуктивности 16 миллионов руководств в секунду и направлен на использование в виде устройства управления в повышающих/понижающих преобразователях постоянного напряжения, синхронных электрических машинах на основе постоянных магнитов, трехфазных асинхронных двигателей и бесколлекторных электрических двигателей постоянного тока. Микроконтроллер содержит:

  • ядро, выполненное на основе 8-разрядной AVR RISC-архитектуры (аналогичное на ATmega 88);
  • 8 кбайт внутрисистемно-программируемой флэш-памяти программ, которая дает возможность хранить до 4096 руководств и разделена на секторы прикладной программы и загрузочного кода;
  • 512 байт статического ОЗУ для хранения переменных и таблицы изменения, которые применяются в прикладной программе;
  • 512 байт ЭСППЗУ для хранения конфигурационных данных и таблиц изменения;
  • один 8-разрядный таймер и один 16-разрядный таймер;
  • программируемый сторожевой таймер с внутренним генератором;
  • 11-канальный 10-разрядный АЦП и 10-разрядный ЦАП.

Главной особенностью, которая выполняет данный микроконтроллер привлекательным для использования в устройствах управления электрическими приводами, считается интегрирование трех контроллеров управления силовым каскадом. В состав данных периферийных устройств входят 12-разрядные реверсивные счетчики с 2-мя компараторами, выходы которых могут управлять силовыми транзисторами преобразователя напряжения.

Такие элементы дают возможность вырабатывать любую трехфазную форму, применяя широтно-импульсную модуляцию, и поддерживают обычное управление паузами неперекрытия.
3.1 Асинхронный электрический двигатель

В противоположность коллекторным и бесколлекторным электрическим двигателям постоянного тока асинхронные электрические двигатели не имеют постоянных магнитов. Ротор сделан в виде короткозамкнутой обмотки ("беличья клетка"), в которой вращающееся электрическое поле создаёт магнитный поток. Благодаря различиям в скорости между электрическим полем статора и магнитным потоком в роторе электрический двигатель способен создавать вращающий момент и выполнять круговое движение.

3.2 Принцип постоянства отношения напряжение/частота (правило Костенко)
Принцип постоянства отношения напряжение/частота наиболее широко популярен в современных регулируемых асинхронных приводах [1,2].

Он может применяться в приложениях, которые не просят высоких динамических параметров, а нужно только хорошо варьировать скоростью вращения в полном диапазоне. Это дает возможность применять синусоидальную установившуюся модель асинхронного электрического двигателя, в которой величина магнитного потока статора пропорциональна отношению амплитуды и частоты напряжения обмотки статора.

Если данное отношение поддерживать на систематическом уровне, то постоянство будет хранить и магнитный поток статора и, аналогичным образом, вращающий момент зависит лишь от частоты скольжения.
Намного точнее, исходя из обыкновенной модели асинхронного электрического двигателя:

Управление асинхронным двигателем

где

— напряжение статора, магнитные потоки статора и ротора, токи статора и ротора, исходя из этого, а

— общее сопротивление статора, сопротивление ротора, индуктивность статора, индуктивность ротора, общая индуктивность рассеяния и угловая скорость вращения, исходя из этого. При питании электрического двигателя 3-фазным синусоидальным напряжением с частотой

, установившиеся токи в роторе и статоре будут также иметь синусоидальную форму с частотой

и

. Преобразуем предыдущие выражения к виду

, где

, а

. Впрочем, амплитудное значение

может оставаться постоянным при сохранении постоянства отношения

. На больших скоростях

, а амплитудное значение магнитного потока ротора остается постоянным при постоянстве отношения

:

.
Тогда, вращающий момент электрического двигателя пропорционален частоте скольжения:

. Данные выражения показывают, что желаемые значения вращающего момента

и скорости вращения электрического двигателя

могут быть достигнуты, если

. На невысоких скоростях

, а

. Когда частота статора уменьшается меньше конкретной пороговой частоты, амплитуду напряжения нужно поддерживать на определенном уровне для поддерживания постоянства магнитного потока ротора. В противоположность этому, когда частота становится выше номинального значения, амплитуда напряжения остается на номинальном уровне ввиду насыщения ключей преобразователя напряжения.

В данном варианте поток ротора будет временным и вращающий момент уменьшится.

Управление асинхронным двигателем

Рисунок 3.1 — Зависимость амплитуды напряжения статора от частоты статора, следуемая из принципа V/f
Говоря иначе, скалярный принцип управления "V/f" состоит в подаче на обмотки электрического двигателя 3-фазного синусоидального напряжения, амплитуда которого пропорциональна частоте, кроме частот ниже порогового значения и выше номинального, как показано на рисунке 3.1. В работе, Наклон, определяющий отношение амплитуды напряжения к частоте напряжения, определяется по номинальным значениям напряжения питания и частоты питающей сети, которые приводятся в паспорте на электрический двигатель, а пороговая частота подбирается по проценту (к примеру, 5%) от номинальной частоты.
Этот принцип может применяться для построения контуров автоматизированного управления скоростью (рисунок 3.2), в которых отклонение желаемой скорости от фактического измеренного значения скорости поступает в ПИ-регулятор, где вычисляется значение частоты напряжения статора. В целях снижения трудности регулятора в качестве начальных данных для правила V/f и векторного ШИМ-алгоритма применяется безоговорочное значение частоты статорного напряжения.

Если на выходе ПИ-регулятора есть отрицательное значение, то для реверсирования электрического двигателя обменивается содержание 2-ух переменных, управляющие силовыми транзисторами преобразователя напряжения. Стоит заметить, что принцип управления, рассмотренный тут, может применяться только в приложениях, где поддерживается постоянный уровень скорости при любом допустимом моменте сопротивления.

В приложениях, где нужно поддерживать постоянство момента сопротивления при любых значениях скорости вращения, требуется измерение статорных токов и более непростые принципы управления.

Управление асинхронным двигателем

Рисунок 3.2 — Блок-схема автоматические системы скоростью по принципу V/f
3.3 Принцип обыкновенной широтно-импульсной модуляции
Одним из вариантов выполнения задачи формирования при помощи преобразователя напряжения трехфазной синусоидальной системы стрессов со сдвигом по фазе 120 градусов на обмотках статора считается применение таблицы синусов. В данном варианте частота статора s определяет три дискретных времени интеграторов, которые вычисляют мгновенные значения фаз для любого статорного напряжения:

где

, а Ts — период дискретизации для алгоритма управления.
Если одно из данных значений начинает увеличиваться 2 p , то для поддерживания области значений в диапазоне от 0 до 2 p из результирующего значения вычитается 2 p . Таблица синусов применяется для вычисления трех стрессов, которые следует приложить к статору:

где то( w s) — амплитуда напряжения статора, конкретная по принципу постоянства отношения напряжение-частота и sita( q ) = sin( q ).
Добиться улучшения можно путем добавки к чистой синусоиде в таблице синусов третьей гармоники sita( q ) = sin( q )+1/6sin(3 q ), т.к. она не влияет на поведение электрического двигателя и дает возможность вырабатывать сигнал, первая гармоника которого имеет амплитуду на 15.47% выше (2/ n 3) в сравнении максимумом сигнала (см. рисунок 3.3).
С учетом данного улучшения есть возможность вырабатывать очень высокое переменое напряжение при питании от такой же самой шины постоянного напряжения.

Аналогичным образом, есть возможность повышения частоты вращения электрического двигателя при сохранении постоянства отношения V/F.

Управление асинхронным двигателем

Рисунок 3.3 — Применение несинусоидальной формы напряжения с целью увеличения отношения между амплитудой первой гармоники самым большим значением
Данные значения сравнивают с выходом реверсивного счетчика (применяется в качестве генератора треугольных импульсов). Когда выходное значение реверсивного счетчика перешагивает через данные значения, переключается подходящий выход компаратора.

В конечном итоге, в каждом ШИМ-канале генерируются импульсы, показатель наполнения которых пропорционален соответствующему значению напряжения статора. Так как данный реверсивный счетчик с тремя компараторами весьма непрост для программной реализации, то данное устройство обязано присутствовать в микроконтроллере в качестве встроенного аппаратного блока.

Это и послужило основой выбора микроконтроллера AT90PWM3, в его состав входят три контроллера силового каскада (PSC). Если рассмотреть как пример первую фазу, показатель наполнения импульсов, задаваемый содержимым регистра сравнение соответствующего PSC, будет пропорционален

, где

, а Vs max и d — самое большее значение амплитуды напряжения статора и продолжительность паузы неперекрытия силовых ключей, исходя из этого. Результирующая блок-схема показана на рисунке 3.4.

Управление асинхронным двигателем

Рисунок 3.4 — Блок-схема привычного ШИМ-управления
3.4 Кол-во байт для хранения таблицы синусов
Как показано в прошлом разделе простое ШИМ-управление предполагает применение таблицы синусов для вычисления sin( q ) для абсолютно всех значений d от 0 до 2 p . Применяя определенные свойства тригонометрических функций, есть возможность уменьшить размер таблицы изменения. Очень хорошим способом считается применение таблицы изменения со значениями синусов в диапазоне лишь от 0 до p /3, т.к.
sin( q )=sin( q — p /3)+ sin(2 p /3- q ) для q между p /3 и 2 p /3; sin( q )=sin( p — q ) для q между 2 p /3 и p ; sin( q )=-sin( q — p ) для q между p и 4 p /3; sin( q )=-sin( q -4 p /3)+ sin(5 p /3- q ) для q между 4 p /3 и 5 p /3; sin( q )=-sin(2 p — q ) для q между 5 p /3 и 2 p ;
Впрочем такое решение не дает возможность добавить третью гармонику к функции синуса, необходимость чего обсуждалась в прошлом разделе. Это считается основой, почему нужно применять таблицу изменения sita( q ) со значениями или sin( q ) или sin( q )+1/6 sin( q ) в диапазоне q между 0 и p /2, а еще применять следующие соотношения для вычисления sita( q ) между p /2 и 2 p :
sita( q )=sita( p — q ) для q между p /2 и p ; sita( q )=sita( q — p ) для q между p и 3 p /2; sita( q )=-sita(2 p — q ) для q между 3 p /2 и 2 p .
Окончательное решение позволяет очень просто обмениваться между 2-мя предполагаемыми таблицами изменения.
3.5 Рабочий принцип ПИ-регулятора
Алгоритм ПИ-регулятора может быть реализован без обращения к сложной теории автоматизированного управления. Целью данного алгоритма считается обозначение управляющего сигнала объектом управления (в нашем случае это частота статорного напряжения), при котором управляемый выходной сигнал объекта управления (в нашем случае это скорость вращения ротора) достигнет заданного значения (желаемая скорость вращения, заданная пользователем).

ПИ это уменьшение от "пропорциональный и интегральный". Эти два термина описывают некоторые детали регулятора:

    пропорциональная часть, которая делает умножение результирующего сигнала рассогласования (разницы измеренного выходного сигнала объекта управления и заданного значения) на постоянную величину, которая называется показатель передачи гармоничной части. Пропорциональная часть определяет кратковременное поведение регулятора, т.к. она определяет, а сколько сильно необходимо реагировать регулятору на изменение заданных значений;
  • интегральная часть, которая прибавляет долгосрочную точность регулятору. Эта часть регулятора делает творение суммы всех предшествующих сигналов рассогласования на постоянную величину, которая именуется показателем передачи интегрирующей части. Предшествующие значения сигнала рассогласования для вычисления суммы хранятся в памяти и обновляются пока значение рассогласования не равно нулю. Это дает возможность регулятору убрать отличия между измеренным выходным значением и заданным, однако, при этом, уменьшается быстродействие и стойкость замкнутой системы.
  • Иногда, кроме гармоничной и интегрирующей части, добавляется третья- дифференцирующая. В данном варианте регулятор именуется ПИД (пропорционально-интегрально-дифференцирующий). Использование такого регулятора для управления асинхронным электрическим двигателем по принципу постоянства V/f нецелесообразно. Его использование дает возможность увеличить быстродействие контура регулирования, однако при этом также пропускаются шумы и уменьшается стабильность замкнутого контура. Более того, Д-компонент сложен в настройке.
    3.6 Датчики для управления электрическим двигателем
    Датчики скорости занимают важное место в управлении с обратной связью. Для определения частоты и направления вращения ротора могут применяться несколько решений.
    Наиболее точным, и плюс ко всему наиболее ценным, считается применение полного шифратора (энкодера) или шифратора (энкодера) приращений. Цена этих оптических датчиков велика и соразмерна с ценой собственно электрического двигателя.
    Иным решением, которое применялось авторами данных советов при экспериментировании, считается применение тахогенератора, механически связанного с ротором электрического двигателя. Для подсоединения данного датчика к микроконтроллеру потребуется один канал аналогово-цифрового изменения.
    Третьим решением считается применение датчиков на эффекте Холла. Данные дешевые бесконтактные датчики на данный момент выпускаются в виде небольших корпусных интегральных схем, в их состав входят собственно измеритель и схема формирования выходного сигнала. Такие микросхемы образовывают выходной сигнал, который вероятно будет конкретно подключен к порту ввода-вывода микроконтроллера.
    4. Описание аппаратной части (ATAVRMC200)
    Рассматриваемое решение имеется на оценочной плате ATAVRMC200. Эта плата считается инструментом, который дает возможность начать ознакомление и провести эксперименты по управлению асинхронным электрическим двигателем. Главные особенности платы ATAVRMC200:

    • Микроконтроллер AT90PWM3
    • Управление электрическим двигателем переменного напряжения 110-230В
    • Интеллектуальный силовой модуль (230В/370Вт)
    • Интерфейс внутрисистемного программирования и эмулятора
    • Интерфейс RS232
    • Ввод информации с датчиков с гальванической развязкой
    • Вход 0-10В для команд или датчика

    5. Описание ПО
    Все алгоритмы выполнены на языке Си в программных средах для проектирования IAR Embedded Workbench и AVR Studio. ЦПУ тактируется частотой 8МГц, применяя внутренний калиброванный RC-генератор.

    В этом приложении 3 компонента микроконтроллера играют очень большую роль:
    8-разрядный таймер 0 применяется для генерации прерываний каждые 1 мс, что определяет частоту изменения для АЦП и контроллера порта ввода-вывода. Данный таймер применяется в режиме CTC (сброс таймера при совпадении) и тактируется частотой 32 кГц.

    16-разрядный таймер 1 свободный с целью решения прочих задач.
    Контроллеры силового каскада (PSC) тактируются очень высокой частотой 64 МГц, которая вырабатывается при помощи встроенной схемы ФАПЧ, и применяются в качестве трех синхронизированных счетчиков, один из которых (PSC2) находится в роли "ведущего", а прочие (PSC0 и PSC1) — в роли "подчиненных".

    В этой комбинации изменения значений в регистрах сравнение PSC0 и PSC1 вступают в силу исключительно при изменении значений регистров сравнение PSC2. Этим обеспечивается одновременность развертки трех PSC.

    Они настроены на работу в центрированном режиме с частотой изменения 12 кГц (значение 2666 хранится в регистрах RB, чтобы частота ШИМ примерно равнялась 64 МГц/(2* 2666)=12 кГц).
    Аналогово-цифровой преобразователь также настроен на генерацию прерывания по окончании изменения. Это дает возможность иметь постоянную задержку между 2-мя выборками измеренной скорости.

    В качестве опорного напряжения преобразователя подобрано напряжение Vcc.
    Цифро-аналоговый преобразователь может также применяться в процессе тестирования для отслеживания изменения внутренних переменных.

    Для привычного ШИМ-алгоритма применяется таблица ближайших значений 127sin(2 k/180) или 127(sin(2 k/480)+1/6 sin(6 k/480)) для значений k=0. 120. Размер этой таблицы (121 байт) считается идеальным с точки зрения размера доступной внутренней памяти и периодичности оцифровки скорости вращения ротора.

    В случае двунаправленного управления скоростью значения, хранящиеся в двоих компараторах, обмениваются, когда на выходе ПИ-регулятора есть отрицательное значение.
    На рисунках 5.1 и 5.2 приведены переходные процессы для скорости вращения и статорных стрессов, полученных под управлением микроконтроллера при скачкообразном изменении заданных частот вращения между +700 и -700 оборотов за минуту. Данные результаты получены при управлении асинхронным электрическим двигателем мощностью 750 Вт (с нагрузкой не больше 370Вт).

    Данными рисунками показывается, что желаемая скорость достигается по окончании 1 секундного переходного процесса и что при достижении частотой статора на выходе ПИ-регулятора значения близкого до нуля амплитуда напряжения статора становится равной пороговому напряжению ("boost voltage"). Данные рисунки также подтверждают тот факт, что теже самые значения частот вращения и вращающих факторов могут быть достигнуты при более невысоких размахах амплитудных значений напряжения на обмотках статора благодаря применению третьей гармонической составляющей.

    Управление асинхронным двигателем

    Рисунок 5.1 — Результаты экспериментов, полученные при помощи таблицы изменения образцовой синусоиды

    Управление асинхронным двигателем

    Рисунок 5.2 — Результаты экспериментов, полученные при помощи таблицы изменения, включающей третью гармонику
    6. Задействованные ресурсы

    • Размер кода программы: 1947 байт
    • Размер ОЗУ: 246 байт (в т.ч. таблица синусов)
    • Загрузка ЦПУ: 30% (без ПИ-регулятора) / 55% (с учетом ПИ-регулятора)

    Трехфазный асинхронный мотор

    Трехфазный асинхронный мотор с короткозамкнутым ротором

    Конструкция асинхронного электрического двигателя

    Трехфазный асинхронный электрический двигатель, как и любой электрический двигатель, состоит из 2-ух главных частей — статора и ротора. Статор — неподвижная часть, ротор — вращающаяся часть.

    Ротор размещается в середине статора. Между ротором и статором есть маленькое расстояние, называемое воздушным зазором, в большинстве случаев 0,5-2 мм.

    Статор состоит из корпуса и сердечника с обмоткой. Сердечник статора собирается из тонколистовой технической стали толщиной в большинстве случаев 0,5 мм, покрытой изоляционным лаком. Шихтованная конструкция сердечника способствует существенному уменьшению вихревых токов, появляющихся в процессе перемагничивания сердечника крутящимся магнитным полем.

    Обмотки статора размещаются в пазах сердечника.
    Ротор состоит из сердечника с короткозамкнутой обмоткой и вала.

    Сердечник ротора тоже имеет шихтованную конструкцию. При этом листы ротора не лакированы, так как ток имеет маленькую частоту и оксидной пленки достаточно что бы ограничить вихревых токов.

    Рабочий принцип. Вращающееся магнитное поле

    Рабочий принцип трехфазного асинхронного электрического двигателя построен на способности трехфазной обмотки при включении ее в сеть трехфазного тока создавать вращающееся магнитное поле.
    Вращающееся магнитное поле — это главная идея электродвигателей и генераторов.

    Управление асинхронным двигателем
    Управление асинхронным двигателем

    Скорость вращения этого поля, или синхронная скорость вращения полностью пропорциональна частоте электрического тока f1 и обратно пропорциональна числу пар полюсов р трехфазной обмотки.

    ,

    • где n1 – скорость вращения магнитного поля статора, оборотов в минуту,
    • f1 – частота электрического тока, Гц,
    • p – число пар полюсов

    Идея крутящегося магнитного поля

    Чтобы понимать феномен крутящегося магнитного поля лучше, рассмотрим упрощенную трехфазную обмотку с тремя виточками. Ток нынешний по проводнику создаёт магнитное поле около него.

    На рисунке ниже показано поле создаваемое трехфазным электрическим током в определенный момент времени

    Управление асинхронным двигателем
    Управление асинхронным двигателем

    Составляющие электрического тока будут изменяться на протяжении определенного времени, благодаря чему будет изменяться создаваемое ими магнитное поле. При этом результирующее магнитное поле трехфазной обмотки будет принимать разную ориентацию, при этом сохраняя одинаковую амплитуду.

    Управление асинхронным двигателем
    Управление асинхронным двигателем
    Управление асинхронным двигателем
    Управление асинхронным двигателем

    Модуль № 7 «Векторное управление частотно-регулируемыми электроприводами»

    Управление асинхронным двигателем

    Действие крутящегося магнитного поля на закрытый виток

    Теперь разместим закрытый проводник в середине крутящегося магнитного поля. Согласно закону электромагнитной индукции изменяющееся магнитное поле приводит к появлению электродвижущей силы (ЭДС) в проводнике.

    Со своей стороны ЭДС вызовет ток в проводнике. Аналогичным образом, в магнитном поле будет располагаться закрытый проводник с током, на который по закону Ампера будет действовать сила, благодаря чему контур начнет вращаться.

    Управление асинхронным двигателем

    Влияние крутящегося магнитного поля на закрытый проводник с током

    Короткозамкнутый ротор асинхронного мотора

    По данному принципу также работает асинхронный электрический двигатель. Взамен рамки с током в середине асинхронного мотора находится короткозамкнутый ротор по конструкции напоминающий беличье колесо.

    Короткозамкнутый ротор состоит из стержней накоротко замкнутых с торцов кольцами.

    Управление асинхронным двигателем

    Короткозамкнутый ротор "беличья клетка" наиболее широко применяемый в асинхронных электродвигателях (показан без вала и сердечника)
    Трехфазный электрический ток, проходя по обмоткам статора, создаёт вращающееся магнитное поле.

    Аналогичным образом, также как было описано раньше, в стержнях ротора будет индуцироваться ток, благодаря чему ротор начнет вращаться. На рисунке ниже Вы можете заметить отличие между индуцируемыми токами в стержнях. Это происходит ввиду того что величина изменения магнитного поля отличается в самых различных парах стержней, из-за их различного расположения относительно поля.

    Изменение тока в стержнях будет изменяться на протяжении определенного времени.

    Управление асинхронным двигателем
    Управление асинхронным двигателем

    Вы также можете заметить, что стержни ротора наклонены относительно оси вращения. Это выполняется для того чтобы сделать меньше высшие гармоники ЭДС и освободится от пульсации момента.

    Если стержни были бы направлены вдоль оси вращения, то в них появилось бы пульсирующее магнитное поле в виду того, что магнитное сопротивление обмотки намного выше магнитного сопротивления зубцов статора.

    Скольжение асинхронного мотора. Частота вращения ротора

    Характерный признак асинхронного мотора заключается в том, что скорость вращения ротора n2 меньше синхронной скорости вращения магнитного поля статора n1.
    Это можно объяснить тем, что ЭДС в стержнях обмотки ротора индуцируется исключительно при неравенстве скоростей вращения n2

    Управление асинхронным двигателем

    Трехфазный ток (разница фаз 120°)

    Звезда и треугольник

    Трехфазная обмотка статора электрического двигателя соединяется по схеме "звезда" или "треугольник" в зависимости от напряжения питания сети. Концы трехфазной обмотки могут быть: соединены в середине электрического двигателя (из мотора выходит три провода), выведены наружу (выходит шесть проводов), выведены в клеммную коробку (в коробку выходит шесть проводов, из коробки три).
    Фазное напряжение — разница потенциалов между самим началом и концом одной фазы.

    Другое обозначение для соединений "звезда": фазное напряжение это разница потенциалов между линейным проводом и нейтралью (стоит обратить внимание, что у схемы "треугольник" отсутствует нейтраль).
    Линейное напряжение — разница потенциалов между 2-мя линейными проводами (между фазами).

    Звезда Треугольник Обозначение
    Uл, Uф — линейное и фазовое напряжение, В,
    Iл, Iф — линейный и фазовый ток, А,
    S — полная мощность, Вт
    P — активная мощность, Вт

    Теперь изменим схему соединения на "треугольник", линейное напряжение остается таким же Uл=380 В, а фазовое напряжение становится больше в корень из 3 раз Uф=Uл=380 В. Увеличение фазового напряжения приводит к увеличению фазового тока в корень из 3 раз. Аналогичным образом линейный ток схемы "треугольник" увеличится в три раза линейного тока схемы "звезда".

    А значит и мощность потребления будет в 3 раза больше:
    Аналогичным образом, если мотор рассчитывается на подключение к трёхфазной системы электроснабжения электрического тока по схеме "звезда", подключение данного электрического двигателя по схеме "треугольник" может привести к его выходу из строя.
    Если в нормальном режиме электрический двигатель подключен по схеме "треугольник", то Для снижения пусковых токов на определенный период времени пуска его можно объединить по схеме звезда.

    При этом одновременно с пусковым током станет меньше также пусковой момент.

    Управление асинхронным двигателем

    Подключение электрического двигателя по схеме звезда и треугольник

    Обозначение выводов статора электрического двигателя с тремя фазами

    Схема соединения обмоток, название фазы и вывода Обозначение вывода Начало Конец
    Открытая схема (число выводов 6)
    первая фаза U1 U2
    вторая фаза V1 V2
    третья фаза W1 W2
    Соединение в звезду (число выводов 3 или 4)
    первая фаза U
    вторая фаза V
    третья фаза W
    точка звезды (нулевая точка) N
    Соединение в треугольник (число выводов 3)
    первый вывод U
    второй вывод V
    3-ий вывод W
    Схема соединения обмоток, название фазы и вывода Обозначение вывода Начало Конец
    Открытая схема (число выводов 6)
    первая фаза C1 C4
    вторая фаза C2 C5
    третья фаза C3 C6
    Соединение звездой (число выводов 3 или 4)
    первая фаза C1
    вторая фаза C2
    третья фаза C3
    нулевая точка 0
    Соединение треугольником (число выводов 3)
    первый вывод C1
    второй вывод C2
    3-ий вывод C3

    Подключение трехфазного асинхронного мотора к однофазной сети при помощи фазосдвигающего элемента

    Трехфазные асинхронные электрические двигатели могут быть подключены к однофазной сети при помощи фазосдвигаюших элементов. При этом электрический двигатель будет работать либо в режиме однофазного мотора с пусковой обмоткой (рисунок а, б, г) либо в режиме конденсаторного мотора с регулярно включенным рабочим конденсатором (рисунок в, д, е).

    Управление асинхронным двигателем

    Схемы подсоединения трехфазного асинхронного электрического двигателя к однофазной сети
    Схемы приведенные на рисунке "а", "б", "д" используются, когда выведены все шесть кончиков обмотки.

    Электрические двигатели с соединением обмоток согласно схемам "а", "б", "г" фактически эквивалентны двигателям, которые сконструированы как однофазные электрические двигатели с пусковой обмоткой. Номинальная мощность при этом состовляет 40-50% от мощности в трехфазном режиме, а во время работы с рабочим конденсатором 75-80%.

    Емкость рабочего конденсатора при частоте тока 50 Гц для схем "в", "д", "е" приблизительно рассчитывается исходя из этого по формулам:

    • ,где Cраб — емкость рабочего конденсатора, мкФ,
    • Iном – номинальный (фазный) ток статора трехфазного мотора, А,
    • U1 – напряжение однофазной сети, В.

    Управление асинхронным двигателем

      Способы подсоединения асинхронного электрического двигателя к сети питания:

    • прямое подключение к сети питания
    • подключение от устройства мягкого пуска
    • подключение от преобразователя частоты
    Управление асинхронным двигателем

    Варианты подсоединения асинхронного электрического двигателя при помощи магнитного контактора (слева), устройства мягкого пуска (посеридине) и частотного преобразователя (с правой стороны). Схемы представлены в упрощенном виде.
    FU1-FU9 — низковольтные предохранители, KK1 — теплореле, KM1 — магнитный контактор, L1-L3 — контакты для подсоединения к сети трехфазного электрического тока, M1-M3 — асинхронные электрические двигатели, QF1-QF3 — автовыключатели, UZ1 — устройство мягкого пуска, UZ2 — частотный преобразователь

    Прямое подключение к сети питания

    Применение магнитных контакторов дает возможность управлять асинхронными электрическими двигателями путем непосредственного подсоединения мотора к сети электрического тока.
    При помощи магнитных контакторов можно осуществить схему:

    • нереверсивного пуска: пуск и остановка;
    • реверсивного пуска: пуск, остановка и реверс.

    Применение теплореле дает возможность выполнить защиту электрического двигателя от величин электрического тока гораздо превышающих номинальное значение.

    Нереверсивная схема

    Реверсивная схема

    Минусом прямой коммутации обмоток асинхронного электрического двигателя с сетью считается наличие больших пусковых токов, в момент запуска электрического двигателя.

    Мягкий пуск асинхронного электрического двигателя

    В задачах, где не требуется регулировка скорости электрического двигателя в рабочий период Для снижения пусковых токов применяется устройство мягкого пуска.
    Устройство мягкого пуска оберегает асинхронный электрический двигатель от повреждений вызванных резким увеличением используемой энергии во время пуска путем ограничения пусковых токов.

    Устройство мягкого пуска дает возможность обеспечить плавный разгон и торможение асинхронного электрического двигателя.
    Устройство мягкого пуска доступнее и компактнее частотного преобразователе.

    Используется там, где регулировка частоты вращения и момента требуется исключительно при запуске.

    Частотное управление асинхронным электрическим двигателем

    Для регулирования частоты вращения и момента асинхронного мотора применяют преобразователь частоты. Рабочий принцип частотного преобразователя построен на изменении частоты и напряжения электрического тока.

      Применение частотного преобразователя позволяет:

    • сделать меньше энергопротребление электрического двигателя;
    • управлять частотой вращения электрического двигателя (плавный пуск и остановка, регулировка скорости в рабочий период);
    • избежать перегрузок электрического двигателя и благодаря этому расширить его рабочий срок.
    Управление асинхронным двигателем

    Практичная схема частотно-регулируемого привода

      В зависимости от функционала преобразователи частоты реализуют следующие методы регулирования асинхронным электрическим двигателем:

    • скалярное управление;
    • векторное управление.

    Скалярное управление считается простым и недорогим в реализации, однако имеет следующие минусы — медлительный отклик на изменение нагрузки и маленькой диапазон регулирования. Благодаря этому скалярное управление в большинстве случаев применяется в задачах, где нагрузка либо постоянна, либо меняется по известному закону (к примеру, управление вентиляторами).

    Управление асинхронным двигателем

    Скалярное управление асинхронным двигателем с датчиком скорости
    Векторное управление применяется в задачах, где требуется независимо управлять скоростью и моментом электрического двигателя (к примеру, лифт), что, например, дает возможность держать постоянную частота вращения при изменяющемся моменте нагрузки. При этом векторное управление является наиболее эффективным управлением с точки зрения КПД и увеличения рабочего времени электрического двигателя.

    Среди векторных методов управления асинхронными электрическими двигателями очень большое применение получили: полеориентированное управление и прямое управление моментом.

    Управление асинхронным двигателем

    Полеориентированное управления асинхронным электрическим двигателем по датчику положения ротора
    Полеориентированное управление позволяет медленно и точно управлять параметрами движения (скоростью и моментом), однако при этом для его реализации требуется информация о направлениии вектора потокосцепления ротора мотора.

      По способу получения информации о положении потокосцепления ротора электрического двигателя выделяют:

    • полеориентированное управление по датчику;
    • полеориентированное управление без датчика: положение потокосцепления ротора вычисляется математически на основе той информации, содержащейся в частотном преобразователе (напряжение питания, напряжения и токи статора, сопротивление и индуктивность обмоток статора и ротора, кол-во пар полюсов мотора).
    Управление асинхронным двигателем

    Полеориентированное управления асинхронным электрическим двигателем без датчика положения ротора
    Прямое управление моментом имеет обычную схему и высокую динамику работы, однако при этом высокие пульсации момента и тока.

    Трехфазный асинхронный мотор с фазным ротором

    До массового распространения преобразователей частоты асинхронные двигатели средней и внушительной мощности делали с фазным ротором. Трехфазные асинхронные двигатели с фазным ротором (АДФР) в большинстве случаев использовали в устройствах с тяжёлыми условиями пуска, к примеру в качестве крановых двигателей электрического тока, либо же для привода устройств, требующих плавного регулирования скорости вращения.

    Конструкция АДФР

    Фазный ротор

    Конструктивно фазный ротор из себя представляет трехфазную обмотку (подобную обмотки статора) уложенную в пазы сердечника фазного ротора. Концы фаз такой обмотки ротора в большинстве случаев соединяются в "звезду", а начала подсоединяют к контактным кольцам, изолированным один от одного и от вала. Через щетки к контактным кольцам в большинстве случаев прикрепляется трехфазный пусковой или регулировочный реостат.

    Асинхронные двигатели с фазным ротором имеют довольно не простую конструкцию, чем у двигателей с короткозамкнутым ротором, впрочем обладают прекрасными пусковыми и регулировочными качествами.

    Управление асинхронным двигателем

    Фазный ротор

    Статор АДФР

    Статор асинхронного мотора с фазным ротором по конструкции не выделяется от статора асинхронного мотора с короткозамкнутым ротором.

    Обозначение выводов вторичных обмоток трехфазного АДФР

    Схема соединения обмоток, название фазы и вывода Обозначение вывода Начало Конец
    Открытая схема (число выводов 6)
    первая фаза K1 K2
    вторая фаза L1 L2
    третья фаза M1 M2
    Соединение в звезду (число выводов 3 или 4)
    первая фаза K
    вторая фаза L
    третья фаза M
    точка звезды (нулевая точка) Q
    Соединение в треугольник (число выводов 3)
    первый вывод K
    второй вывод L
    3-ий вывод M
    Схема соединения обмоток, название фазы и вывода Обозначение вывода
    Соединение звездой (число выводов 3 или 4)
    первая фаза Р1
    вторая фаза Р2
    третья фаза Р3
    нулевая точка 0
    Соединение треугольником (число выводов 3)
    первый вывод Р1
    второй вывод Р2
    3-ий вывод Р3

    Пуск АДФР

    Управление асинхронным двигателем

    Пуск двигателей с фазным ротором выполняется при помощи пускового реостата в цепи ротора.
    Используются проволочные и жидкостные реостаты.

    Железные реостаты являются ступенчатыми, и переключение с одной ступеньки на иную выполняется либо вручную при помощи рукояти контроллера, значительным элементом которого считается вал с укрепленными на нем контактами, или же автоматично при помощи пускателей или контроллера с электроприводом.
    Жидкостный реостат собой представляет сосуд с электролитом, в котором опущены электроды.

    Сопротивление реостата изменяется путем изменения глубины погружения электродов [3].
    Для увеличения КПД и снижения износа щеток некоторые АДФР содержат особое устройство (короткозамкнутый механизм), которое после запуска поднимает щетки и замыкает кольца.

    При реостатном пуске достигаются прекрасные пусковые характеристики, так как высокие значения факторов достигаются при низких значениях пусковых токов. На данный момент АДФР заменяются комбинацией асинхронного электрического двигателя с короткозамкнутым ротором и частотным преобразователем.

    Как правильно подобрать метод управления преобразователем частоты?

    Согласно последним данным статистики приблизительно 70% всей выработанной электрической энергии в мире потребляет электрический привод. И из года в год этот процент растет.
    При правильно подобранном способе управления электрическим двигателем возможно получение самого большого КПД, самого большого крутящего момента на валу электромашины, и при этом повысится общая продуктивность механизма. Хорошо работающие электрические двигатели потребляют минимум электрической энергии и предоставляют самую большую экономность.
    Для электрических двигателей, работающих от преобразователя частоты ПЧ, результативность в большинстве случаев зависит от подобранного способа управления электрической машиной. Только поняв положительные качества любого способа, инженеры и проектировщики систем электрических приводов смогут получить самую большую продуктивность от любого способа управления.
    Содержание:

    Способы контроля

    Большинство людей, работающие в области автоматизации, однако не сталкивающиеся близко с процессами разработки и внедрения систем электрических приводов считают, что управление электрическим двигателем состоит из очередности команд, вводимых при помощи интерфейса от пульта управления или ПК. Да, с точки зрения общей иерархии управления автоматической системой это правильно, но есть еще методы управления самим электрическим двигателем.

    Эти способы и будут оказывать максимальное влияние на продуктивность всей системы.
    Для асинхронных электрических двигателей, подключенных к преобразователю частоты, есть 4-ре ключевых способа управления:

    • U/f – вольт на герц;
    • U/f с энкодером;
    • Векторное управление с разомкнутым контуром;
    • Векторное управление с замкнутым контуром;

    Все 4-ре метода применяют широтно-импульсную модуляцию ШИМ, которая изменяет ширину фиксированного сигнала путем изменения продолжительности импульсов для создания аналогового сигнала.
    Широтно-импульсная модуляция применяется к преобразователю частоты путем применения фиксированного напряжения шины постоянного тока.

    Транзисторы с изолированным затвором (IGBT) путем быстрого закрытия-открытия (правильнее сказать коммутации) генерируют выходные импульсы. Изменяя ширину данных импульсов на выходе получают «синусоиду» необходимой частоты. Если даже форма анодного напряжения транзисторов импульсная, то ток все равно выходит в виде синусоиды, так как электрический двигатель имеет индуктивность, которая оказывает влияние на форму тока.

    Все способы управления основываются на ШИМ модуляции. Разница между методами управления заключается лишь в методе вычисления подаваемого напряжения на электрический двигатель.

    Управление асинхронным двигателем

    В этом случае несущая частота (показана красным) собой представляет самую большую частоту коммутации транзисторов. Несущая частота для преобразователей напряжения, в основном, лежит в границах 2 кГц – 15 кГц. Опорная частота (показана синим) собой представляет сигнал задания выходной частоты.

    Для преобразователей напряжения применимых в обыкновенных системах электрических приводов, в основном, лежит в границах 0 Гц – 60 Гц. При накладывании сигналов 2-ух частот один на один, будет выдаваться сигнал открытия транзистора (отмечен черным цветом), который подводит силовое напряжение к электрическому двигателю.

    Способ управления U/F

    Управление вольт-на-герц, очень часто называемое как U/F, наверное, самый простой способ регулирования. Он часто применяться в несложных системах электрического привода из-за собственной простоты и небольшого количества нужных для работы показателей. Этот метод управления не требует обязательной установки энкодера и обязательных настроек для частотно-регулируемого электрического привода (но рекомендовано).

    Это приводит к меньшим расходам на дополнительное оборудование (датчики, провода обратных связей, реле и так дальше). Управление U/F постоянно используют в высокочастотном оборудовании, к примеру, его нередко применяют в станках с числовым программным управлением для привода вращения шпинделя.

    ⚠ Самодельный преобразователь частоты, для управления асинхронным двигателем.

    Управление асинхронным двигателем

    Модель с постоянным моментом вращения имеет постоянный вращающий момент во всем диапазоне скоростей при одинаковом соответствии U/F. Модель с переменным соотношением вращающего момента имеет намного ниже напряжение питания на невысоких скоростях.

    Это нужно для устранения насыщения электрической машины.
    U/F — это только один способ регулирования скорости асинхронного электрического двигателя, который дает возможность управление нескольких электрических приводов от одного преобразователя частоты.

    Исходя из этого все машины запускаются и останавливаются одновременно и работают с одной частотой.
    Но этот вариант управления имеет пару ограничений. К примеру, во время использования способа регулирования U/F без энкодера нет никакой решительности, что вал асинхронной машины крутится.

    Более того, пусковой момент электрической машины при частоте 3 Гц исчерпывается 150%. Да, ограниченного крутящего момента вполне достаточно для использования во множестве существующего оборудования. К примеру, фактически все вентиляторы и насосы применяют способ регулирования U/F.

    Этот способ сравнительно прост из-за его более «свободной» спецификации. Управление скорости, в основном, находится в диапазоне 2% — 3% самой большой выходной частоты.

    Отклик по скорости рассчитывается на частоту более 3 Гц. Скорость реагирования частотного преобразователя определяется быстротой его реакции на изменение опорной частоты. Чем больше скорость реагирования – тем быстрее будет реакция электрического привода на изменение задания скорости.

    Диапазон регулирования скорости во время использования способа U/F составляет 1:40. Помножив это соотношение на самую большую рабочую частоту электрического привода, получаем значение небольшой частоты, на которой сможет работать электрическая машина.

    К примеру, если максимальное значение частоты 60 Гц, а диапазон составляет 1:40, то небольшое значение частоты будет составлять 1,5 Гц.
    Паттерн U/F определяет соотношение частоты и напряжения во время работы частотно-регулируемого электрического привода.

    Опираясь на него, кривая задания частоты вращения (частота электрического двигателя) будет определять кроме значения частоты еще и значения напряжения, подводимого к клеммам электрической машины.
    Операторы и технические профессионалы подберут нужный шаблон регулирования U/F одним параметром в сегодняшнем частотном преобразователе.

    Предустановленные шаблоны уже оптимизированы под определенные использования. Также есть возможности создания собственных шаблонов, которые будут оптимизироваться под определенную систему частотно-регулируемого электрического привода или электрического двигателя.
    Данные устройства как вентиляторы или насосы имеют момент нагрузки, который зависит от скорости их вращения.

    Переменный вращающий момент (рисунок выше) шаблона U/F предохраняет ошибки регулирования и увеличивает результативность. Данная модель регулирования снижает токи намагничивания на невысоких частотах благодаря уменьшению напряжения на электрической машине.

    Механизмы с постоянным крутящим моментом, например конвейеры, экструдеры и иное оборудование применяют способ регулирования с постоянным моментом. При регулярной нагрузке нужен полный ток намагничивания на всех скоростях.

    Исходя из этого характеристика имеет прямой Наклон во всем диапазоне скоростей.

    Управление асинхронным двигателем

    Способ управления U/F с энкодером

    При необходимости увеличить точность регулирования частоты вращения в систему управления добавляют энкодер. Введение обратной связи по скорости при помощи энкодера дает возможность увеличить точность регулирования до 0,03%.

    Анодное напряжение как и прежде будет определятся заданным шаблоном U/F.
    Этот вариант управления не получил широкого использования, так как представляемые им плюсы если сравнивать со стандартными функциями U/F минимальны. Пусковой момент, скорость отклика и диапазон регулирования скорости – все похоже с обычным U/F.

    Также, при повышении рабочих частот могут появиться проблемы с работой энкодера, так как он имеет ограниченное численность оборотов.

    Векторное управление без обратной связи

    Векторное управление (ВУ) без обратной связи применяется для более широкого и динамичного регулирования скорости электрической машины. При пуске от преобразователя частоты электрические двигатели способны развивать пусковой момент в 200% от номинального при частоте всего 0,3 Гц.

    Это существенно расширяет список механизмов, где может быть применен асинхронный электрический привод с векторным управлением. Данный метод также дает возможность управлять моментом машины во всех четырех квадрантах.

    Управление асинхронным двигателем

    Ограничение вращающего момента выполняется двигателем. Это нужно для устранения повреждения оборудования, машин или продукции. Значение факторов разбивают на 4-ре разных квадранта, в необходимости направления вращения электрической машины (вперед или назад) и в зависимости от того, реализует ли электрический двигатель режим рекуперативного торможения.

    Ограничения как правило ставятся для любого квадранта отдельно либо же пользователь может задать общий вращающий момент в преобразователе частоты.
    Двигательный режим асинхронной машины будет при условиях, что магнитное поле ротора отстает от магнитного поля статора. Если магнитное поле ротора начнет опережать магнитное поле статора, то тогда машина войдет в режим рекуперативного торможения с отдачей энергии, говоря проще – асинхронный мотор перейдет в генераторный режим.

    К примеру, машина по закупорке бутылок может применять ограничение момента в квадранте 1 (направление вперед с хорошим моментом) для устранения чрезмерного затягивания крышки бутылки. Механизм создает движение вперед и применяет хороший момент для того, чтобы завинтить крышку бутылки. А вот устройство, такое как лифт, с противовесом тяжелее, чем пустая кабина, будет применять квадрант 2 (обратное вращение и хороший момент).

    Если кабина поднимается на этаж выше, то вращающий момент будет противоположен скорости. Это нужно для скоростного ограничения подъема и недопущения свободного падения противовеса, так как он тяжелее, чем кабина.
    Обратная связь по току в данных преобразователях частоты ПЧ дает возможность ставить ограничения по моменту и току электрического двигателя, так как при увеличении тока растет и момент.

    Анодное напряжение ПЧ может изменятся в сторону увеличения, если механизм требует приложения большего крутящего момента, или уменьшатся, если достигнуто его предельно допустимое значение. Это выполняет принцип векторного управления асинхронной машиной более гибким и динамичным если сравнивать с принципом U/F.

    Также преобразователи частоты с векторным управлением и разомкнутым контуром имеют более быстрый отклик по скорости – 10 Гц, что выполняет возможным его использование в механизмах с ударными нагрузками. К примеру, в дробилках горной породы нагрузка регулярно меняется и зависит от объема и габаритов отделываемой породы.

    В отличие от шаблона управления U/F векторное управление применяет векторный алгоритм, для определения очень эффективного напряжения работы электрического двигателя.

    Векторное управления ВУ решает эту задачу за счёт наличия обратной связи по току мотора. В основном, обратная связь по току вырабатывается внутренними преобразователями электрической энергии тока самого преобразователя частоты ПЧ.

    Благодаря полученному значению тока частотный преобразователь проводит вычисления вращающего момента и потока электрической машины. Базовый вектор тока мотора математически расщепляется на вектор тока намагничивания (Id) и крутящего момента (Iq).

    Применяя данные и параметры электрической машины ПЧ вычисляет векторы тока намагничивания (Id) и крутящего момента (Iq). Для достижения самой большой продуктивности, частотный преобразователь должен держать Id и Iq разведенными на угол 90 0 . Это значительно, так как sin 90 0 = 1, а значение 1 собой представляет максимальное значение крутящего момента.

    Управление асинхронным двигателем

    В общем векторное управление асинхронным электрическим двигателем выполняет более жёсткий контроль. Управление скорости составляет приблизительно ±0,2% от самой большой частоты, а диапазон регулирования может достигать 1:200, что дает возможность сберегать вращающий момент во время работы на невысоких скоростях.

    Векторное управление с обратной связью

    Векторное управление с обратной связью применяет тот же алгоритм управления, что и ВУ без обратной связи. Главное отличие состоит в наличии энкодера, что позволяет частотно-регулируемому электрическому приводу развивать 200% пусковой момент при скорости 0 оборотов в минуту. Данный пункт очень необходим для создания начального момента при трогании с места лифтов, кранов и остальных подъемных машин, чтобы не позволить просадки груза.

    Наличие датчика обратной связи по скорости дает возможность повысить время отклика системы более 50 Гц, а еще увеличить диапазон регулирования скорости до 1:1500. Также наличие обратной связи дает возможность управлять не скоростью электрической машиной, а моментом. Не во всех механизмах собственно значение момента имеет большую значимость.

    К примеру, мотальная машина, механизмы закупорки и остальные. В данных устройствах нужно настраивать момент машины.

    Методы управления асинхронным двигателем

    Электрический привод сейчас считается основой большинства подъемно-транспортных, обрабатывающих комплексов. Одним из вариантов их плавной работы считается векторное управление асинхронным двигателем, преобразующим электроэнергию в механическую – вращение приводного вала и связанных с ним механизмов.

    Что такое асинхронный мотор?

    Перед тем как переходить к модели, алгоритмам и системам управления электрическим приводом, необходимо наверняка знать, что он представляет собой. Это дает возможность обнаружить в его цепи подобные моменты, которые можно будет использовать для организации плавного изменения основных параметров (частота/частота вращения, напряжение).

    Исходя из этого, можно определить параметры контроллера, создать технологичные карты для его локации в шкафу и обслуживания.
    Если вы хотите найти хороший онлайн-магазин Электрики, рекомендуем посетить магазин 220 ВОЛЬТ. Если же вы не желаете сами заморачиваться с Электрикой, мы предлагаем поискать мастера профессионала на ресурсе Ремонтник.ру

    Работа любого асинхронного мотора основывается на возбуждении на контактных обмотках магнитного поля при подаче электричества от силового распределительного шкафа. Оно появляется на статоре – неподвижной части мотора, состоящую из кольцевого сердечника (магнитопровода), собранного из некоторых пластин из металла. Любая из них имеет концентрические пазы на внутренней стороне кольца, которые при соединении образовывают продолговатые пазы.

    Они служат для намотки проволки, составляющей основу обмотки статора.

    Управление асинхронным двигателем

    Также асинхронный мотор имеет подвижную часть – ротор, соединенный с приводным валом. Он также имеет пластинчатый сердечник с пазами, однако уже на внешней стороне.

    Взамен проволки применяются медные прутья, которые по краешкам замыкаются пластинами (этот вариант мотора именуется с короткозамкнутым ротором).
    Благодаря тому, что скорости вращения магнитных полей статора и ротора выделяются, в обмотках последнего за счёт индукции наводится переменный ток.

    Он, со своей стороны, побуждает электромагнитную силу, приводящую ротор в движение (вращение). Разница частот в большинстве случаев именуется скольжением.

    Его величина составляет порядка 2…10%.

    Как можно управлять частотой вращения мотора?

    Понятно, что мотор в обыкновенном режиме работы от сети (электрического шкафа) имеет типовую скорость/частоту вращения. Это уменьшает прямое его применение, вынуждая использовать разные редукторные механизмы для понижения частоты до необходимой. Однако даже тогда нет возможности динамично менять обороты, а одновременно с ними, мощность, подачу, так как все равно остаются фиксированными частоты на выходе из мотора и редуктора.

    Для увеличения существующих рамок применяют разные методы управления (частотные, импульсные, фазные и т. д), которые можно поделить на две обширные группы:

    1. Скалярное. В основном, применяется на приводных двигателях компрессорных, вентиляторных, насосных и других механизмов, где требуется контроль частоты вращения или любого иного параметра, связанного с датчиками,
    2. Векторное. Это улучшенная идея, которая подразумевает отдельный, самостоятельный контроль, изменение момента и магнитного потока. Токосцепление ротора поддерживается на систематическом уровне, что дает возможность сохранить самый большой критерий момента.

    Если вы хотите найти хороший онлайн-магазин Электрики, рекомендуем посетить магазин 220 ВОЛЬТ. Если же вы не желаете сами заморачиваться с Электрикой, мы предлагаем поискать мастера профессионала на ресурсе Ремонтник.ру

    Управление асинхронным двигателем

    Управление асинхронным двигателем

    Отличие скалярного от векторного управления как раз состоит в возможности выполнения контроля возбуждения (потока). Практически, он представляется как ДПТ, имеющий независимые один от одного обмотки.

    Подобный подход дает возможность создать аналогичную математическую модель системы работы контроллера.

    Наши читатели советуют!

    Для экономии на платежах за электрическую энергию наши читатели предлагают ‘Экономитель энергии Electricity Saving Box’. Ежемесячные платежи станут на 30-50% меньше, чем были до применения экономителя.

    Он убирает реактивную составляющую из сети, благодаря чему уменьшается нагрузка и, как последствие, ток употребления. Электрические приборы потребляют меньше электрической энергии, уменьшаются расходы на ее оплату.

    Формы и схема векторного управления

    Все имеющиеся на данное время системы векторного управления работой двигателей можно поделить на две группы:

    1. Датчиковые. Блок управления работой мотора имеет с ним обратную связь по скорости, при помощи расположения на валу надлежащих датчиков,
    2. Бездатчиковые. Это системы, которые работают без датчиков скорости на основном валу.

    Если вы хотите найти хороший онлайн-магазин Электрики, рекомендуем посетить магазин 220 ВОЛЬТ. Если же вы не желаете сами заморачиваться с Электрикой, мы предлагаем поискать мастера профессионала на ресурсе Ремонтник.ру
    Датчиковые системы считаются более сложными, так как точность контроля составляет 1:10000.

    Бездатчиковые системы работают на уровне не больше 1:100. Все частотники с учетом уровня создаваемых помех ставятся в центральных или некоторых шкафах.

    Если представить все заявленное выше как наглядную схему, то выйдет нечто следующее:

    Модуль №4. Частотное регулирование скорости асинхронного двигателя

    Управление асинхронным двигателем

    Тут можно видеть такие основные элементы системы управления, как:

    • АД – собственно, асинхронный мотор (объект контроля),
    • БРП – закономерный блок регуляторов для переменных уравнения,
    • БВП – закономерный блок, отвечающий за вычисления по переменным,
    • БЗП – блок, задающий значения переменных,
    • ДС – измеритель скорости на валу мотора,
    • АИН ШИМ – блок амплитудно-импульсной/широтно-импульсной модуляции.

    То, что на схеме отображено в виде блоков, в работе считается только лишь параметрическими элементами цепи управления, которая реализовывается на микроконтроллере. Исходя из этого, сам контроллер и сопутствующие механизмы исполнения устанавливаются в электрический шкаф.

    Для грамотного монтажа разрабатывается технологическая карта.
    Если вы хотите найти хороший онлайн-магазин Электрики, рекомендуем посетить магазин 220 ВОЛЬТ.

    Если же вы не желаете сами заморачиваться с Электрикой, мы предлагаем поискать мастера профессионала на ресурсе Ремонтник.ру

    Управление частотными контроллерами

    Современные частотные преобразователи тока/напряжения работают и по скалярному, и по векторному варианту, применяя параметрические математические модели, реализованные в программном коде встроенного микроконтроллера. Частотники электронного типа работают на тиристорных мостовых схемах и включают следующие ключевые элементы:

    • Выпрямитель – тиристорный или транзисторный мост, преобразующий электрический ток в постоянный,
    • Преобразователь напряжения – блок АИМ/ШИМ, работающий по обратному принципу, другими словами преобразующий постоянный ток в переменный.

    Так как такой переход так или по другому оказывает влияние на форму графика анодного напряжения, то блочный контроллер/частотник может применять в схеме дросселя и специализированные ЕМС фильтры. Последние используют для снижения интенсивности электро-магнитных помех.

    Управление асинхронным двигателем

    Управление частотными контроллерами

    Центральный контроллер обеспечивает параметрическое управление схемой, а еще вспомогательными задачами, к примеру, диагностикой состояния, защитой от перегрузок и т. п. Сам частотник в большинстве случаев устанавливается в отдельный шкаф, чтобы сделать меньше электромагнитные помехи на оборудование.
    Если вы хотите найти хороший онлайн-магазин Электрики, рекомендуем посетить магазин 220 ВОЛЬТ. Если же вы не желаете сами заморачиваться с Электрикой, мы предлагаем поискать мастера профессионала на ресурсе Ремонтник.ру

    В общем, векторное управление, организованное на сегодняшнем контроллере и преобразователе частоты, дает возможность добиться плавного регулирования основных величин, а еще побочных рабочих параметров оборудования. Ввиду наличия электро-магнитных помех во время работы, частотники в большинстве случаев размещают отдельно от главного электрического шкафа.

    Управление асинхронным двигателем. Три самые распространенные схемы.

    Управление асинхронным двигателем

    Управление асинхронным двигателем

    Добрый день, уважаемые читатели! Сегодня побеседуем про управление асинхронным двигателем, а еще рассмотрим три обычные схемы, которые используются очень часто.
    Все электрические важные схемы станков, установок и машин содержат конкретный набор стандартных блоков и узлов, которые сочетаются между собой в некотором роде.

    В релейно-контакторных схемах главными элементами управления двигателями являются электромагнитные контакторы и реле.
    Очень часто в качестве привода в станках и установках используются трехфазные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором.

    Такие двигатели просты в устройстве, обслуживании и ремонте. Они удовлетворяют большинству требований к электрическому приводу станков. Основными минусами асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором являются большие токи пуска (в 5-7 раза больше номинального) и невозможность несложными методами медленно менять частота вращения двигателей.

    С возникновением и активным внедрением в схемы электрических установок преобразователей частоты эти двигатели начали активно вытеснять остальные типы двигателей (асинхронные с фазным ротором и двигатели постоянного тока) из электрических приводов, где нужно было лимитировать токи пуска и медленно настраивать частота вращения во время работы.

    Управление асинхронным двигателем
    Асинхронный мотор с короткозамкнутым ротором

    Одной из положительных качеств применения асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором считается простота их включения в сеть. Нужно только подать на статор мотора трехфазное напряжение и мотор сразу запускается. В упрощенном варианте для включения можно применять трехфазный рубильник или пакетный выключатель.

    Но такие аппараты при собственной простоте и надежности являются аппаратами ручного управления.
    В схемах же станков и установок часто должна быть предусматривается работа того либо другого мотора в автоматизированном цикле, обеспечиваться очередность включения нескольких двигателей, автоматическое изменение направления вращения ротора мотора (реверс) и т.д.

    Обеспечить все данные функции с аппаратами ручного управления нереально, хотя во многих старых станков для резки металла тот же реверс и переключение числа пар полюсов для изменения частоты вращения ротора мотора чаще всего делается при помощи пакетных переключателей. Рубильники и пакетные выключатели в схемах постоянно применяются как вводные устройства, подающие напряжение на схему станка.

    Все же операции управления двигателями осуществляются электромагнитными контакторами.
    Включение мотора через электромагнитный контактор обеспечивает не считая всех удобств при управлении еще и нулевую защиту.

    Что это такое будет рассказано ниже.

    Управление асинхронным двигателем
    Электромагнитный контактор

    Очень часто в станках, установках и машинах используются три электрические схемы:
    схема управления нереверсивным двигателем с применением одного электромагнитного контактора и 2-ух кнопок «пуск» и «стоп»,
    схема управления возвратным двигателем с применением 2-ух контакторов (или одного реверсивного контактора) и трех кнопок.
    схема управления возвратным двигателем с применением 2-ух контакторов (или одного реверсивного контактора) и трех кнопок, в 2-ух из которых применяются спаренные контакты.
    Разберем рабочий принцип этих всех схем.

    1. Управление асинхронным двигателем при помощи одного магнитного контактора
    Схема показана на рисунке.

    Управление асинхронным двигателем
    Управление асинхронным двигателем при помощи магнитного контактора

    При нажатии на кнопку SB2 «Пуск» катушка контактора попадает под напряжение 220 В, т.к. она оказывается включенной между фазой С и нулем ( N) . Подвижная часть контактора притягивается к неподвижной, замыкая при этом собственные контакты. Силовые контакты контактора подают напряжение на мотор, а блокировочный замыкается параллельно кнопке «Пуск».

    Из-за этого при отпускании кнопки катушка контактора не теряет питание, т.к. ток в данном варианте идет через блокировочный контакт.
    Если бы блокировочный контакт не был бы подключен параллельно кнопки (по какой-нибудь причине отсутствовал), то при отпускании кнопки «Пуск» катушка теряет питание и силовые контакты контактора размыкаются в цепи мотора, после этого он выключается. Такой рабочий режим именуют «толчковым».

    Применяется он не во всех установках, к примеру в схемах кран-балок.
    Остановка двигателя который работает после запуска в схеме с блокировочным контактом делается при помощи кнопки SB1 «Стоп». При этом, кнопка создаёт разрыв в цепи, магнитный контактор теряет питание и собственными силовыми контактами выключает мотор от питающей сети.

    Если вдруг исчезнет напряжение по какой-нибудь причине магнитный контактор также выключается, т.к. это равносильно нажатию на кнопку «Стоп» и созданию разрыва цепи. Мотор останавливается и вторичный пуск его если есть наличие напряжения возможен исключительно при нажатии на кнопку SB2 «Пуск».

    Аналогичным образом, магнитный контактор обеспечивает т.н. «нулевую защиту». Если бы он в цепи отсутствовал и мотор управлялся рубильником или пакетным выключателем, то при возврате напряжения мотор запускался бы автоматично, что несет большую опасность для персонала .
    2. Схема управления возвратным двигателем при помощи 2-ух магнитных контакторов

    Схема работает подобно предыдущей. Изменение направления вращения (реверс) ротор мотора меняет при изменении порядка чередования фаз на его статоре.

    При включении контактора Км1 на мотор приходят фазы — A , B , С, а при включении контактора KM2 — порядок фаз меняется на С, B , A.

    Управление асинхронным двигателем
    Управление асинхронным двигателем при помощи 2-ух магнитных контакторов

    Включение мотора на вращение в одну сторону выполняется кнопкой SB2 и электромагнитным контактором KM1 . Если понадобится смены направления вращения нужно нажать на кнопку SB1 «Стоп», мотор перестанет работать и потом при нажатии на кнопку SB 3 мотор начинает вращаться в оборотную сторону. В данной схеме для смены направления вращения ротора нужно переходное нажатие на кнопку «Стоп».

    Плюс ко всему, в схеме обязательно применение в цепях любого из контакторов нормально-закрытых (размыкающих) контактов для оснащения защиты от одновременного нажатия 2-ух кнопок «Пуск» SB2 — SB 3, что приводит к короткому замыканию в цепях питания мотора. Дополнительные контакты в цепях контакторов не дают контакторам включится одновременно, т.к. какой-нибудь из контакторов при нажатии на две кнопки «Пуск» включиться на секунду до недавнего времени и разомкнет собственный контакт в цепи иного контактора.
    Необходимость в разработке такой блокировки требует применения контакторов с очень приличным количеством контактов или контакторов с контактными приставками, что делает дороже и затрудняет электрическую схему.

    3. Схема управления возвратным двигателем при помощи 2-ух магнитных контакторов и трех кнопок (две из которых имеют контакты с механической связью)
    Схема показана на рисунке.

    Управление асинхронным двигателем
    Управление асинхронным двигателем при помощи 2-ух магнитных контакторов и трех кнопок (две из которых имеют контакты с механической связью)

    Отличие данной схемы от предыдущей в том, что в цепи каждого контактора не считая общей кнопки SB1 «Стоп»включены по 2 контакта кнопок SB2 и SB 3, причем в цепи Км1 кнопка SB2 имеет нормально-открытый контакт (замыкающий), а SB 3 — нормально-закрытый (размыкающий) контакт, в цепи Км3 — кнопка SB2 имеет нормально-закрытый контакт (размыкающий), а SB 3 — нормально-открытый. При нажатии каждой из кнопок цепь одного из контакторов замыкается, а цепь иного одновременно при этом размыкается.

    Подобное применение кнопок позволяет отказаться от применения дополнительных контактов для защиты от одновременного включения 2-ух контакторов (этот режим при этой схеме нереален) и позволяет совершать реверс без промежуточного нажатия на кнопку «Стоп», что весьма комфортно. Кнопка «Стоп» необходима для финальной остановки мотора.
    Приведенные в статье схемы являются упрощенными.

    В них отсутствуют аппараты защиты (автовыключатели, теплореле), детали сигнализации. Такие схемы также часто восполняются разными контактами реле, выключателей, переключателей и датчиков.

    Также возможно питание катушки электромагнитного контактора напряжение 380 В. В данном варианте он подсоединяется от 2-ух любых фаз, к примеру, от Но и B . Возможно применение силового трансформатора для уменьшения напряжения в схеме управления. В данном варианте применяются электромагнитные контакторы с катушками на напряжение 110, 48, 36 или 24 В.