Snižování otáček motoru – metody a doporučení

Elektrický stroj se při přímém připojení ke zdroji proudu otáčí jednou rychlostí, což není vhodné pro jednotlivé výrobní procesy. Pro rozšíření rozsahu prováděných úkonů je nutné upravit otáčky elektromotoru. Tuto možnost mohou používat různá zařízení a každé má své vlastní vlastnosti.

Proč je potřeba regulace

Elektromotory se standardně otáčejí jednou konstantní rychlostí, která je určena aktuální charakteristikou. Například asynchronní jednotky pracující z jednofázové sítě 220V s frekvencí 50 Hz se budou otáčet konstantní rychlostí 3000 ot./min.

V praxi je účelnější a výhodnější používat motor pro různé podobné úkoly. Proto se používá regulace otáček, která zahrnuje změnu úhlové rychlosti otáčení hřídelů nebo řemenic. Je nezbytný pro provoz domácích praček, brusek, čerpadel, ventilátorů, spotřebičů a elektrického nářadí v různých režimech rychlosti.

Z technického hlediska otevírá nastavitelný točivý moment dvě možnosti:

• změnit aktuální obrat;
• nastavte točivý moment na určitou hodnotu.

V praxi tato možnost otevírá nové možnosti:

• Nastavení optimální rychlosti otáčení.
  U čerpadel a dopravníků je možné regulovat přísun látek, surovin, obrobků v požadovaném objemu za jednotku času.
• Nastartujte motor plynule.
  Postupné zvyšování točivého momentu pro dosažení jmenovitého provozního výkonu. Stejný princip zajišťuje plynulé odstavení zařízení.
• Úspora elektrické energie.
  Schopnost regulovat spotřebu energie snížením rychlosti elektrického stroje.
• Zabraňte přehřátí.
  Nucené snížení rychlosti otáčení v situacích, kdy při provozu na jmenovitý výkon dochází k nadměrnému teplu nebo zátěži (způsobené důvody třetích stran nesouvisejícími se zdravím jednotky).

Díky možnosti nastavení rychlosti plní elektromotor širší rozsah technických úkolů.

Typy zařízení

Nastavení rychlosti je organizováno připojením přídavného zařízení k okruhu. Podle jejich fungování se dělí na dva typy:

• Rychlostní zámky.
  Po zapnutí se elektromotor okamžitě otáčí rychlostí nastavenou při regulaci. Dojde k normálnímu startu, ale točivý moment se udržuje pod jmenovitým točivým momentem.
• Regulátoři.
  Mohou nastavit požadovaný počet otáček v rozsahu podporovaném jednotkou.

Svorky jsou speciální mechanická zařízení – magnetické zámky, spojky. Jejich úkolem je snížit rychlost otáčení kartáčovaného stejnosměrného motoru o specifický faktor. Tato jednoduchá a levná zařízení jsou zastaralá, ale stále se používají, když jsou ke kontrole volnoběhu potřeba pouze 2-3 provozní otáčky nebo nouzové snížení výkonu. Moderní svorky jsou většinou domácí zařízení, která se snadno vyrábějí a spojují.

Regulátory jsou navrženy tak, aby nastavily přesnou rychlost otáčení pod jmenovitou rychlost. Představují je především elektronická zařízení a celé systémy ovlivňující proud v silovém obvodu.

Metody nastavení

Princip fungování různých zařízení je velmi odlišný, ale plní jeden úkol – snížit počet otáček hřídele elektrického stroje.

Vstup odporu

Pomocí proměnných odporů můžete regulovat rychlost rotace magnetického pole na jednotku elektřiny. Nastavení skluzu přímo úměrně mění točivý moment rotoru.

Nastavení rychlosti pomocí proměnných odporů je doprovázeno řadou nuancí:

• S rostoucím odporem klesá zahřívání vodiče.
  Díky snížení přebytečného tepla je eliminováno přehřívání, což je velké plus pro motory s klecovou klecí z hlediska nehodovosti.
• Současné charakteristiky se nemění.
  Při nižších otáčkách bude motor nadále spotřebovávat stejné množství elektřiny jako při provozu na jmenovitý výkon.

V důsledku toho je nastavení rychlosti otáčení doprovázeno úměrnými ztrátami účinnosti. To je ekonomicky neopodstatněné a proměnné rezistory se používají pouze pro krátkodobé snížení rychlosti (například aby se zabránilo přehřátí zařízení, které je škodlivé pro náhlé zastavení)

Propojka vinutí zatáčky

Principem regulace je zkrácení cesty pro proud vinutím pomocí pohyblivého kontaktu. Jednoduše řečeno, dojde k nucenému a kontrolovanému zkratu.

Výhodou této metody je minimální krok při změně otáček (vzhledem k velkému počtu otáček) a možnost přesné regulace točivého momentu nástroje. Ale design jednotky je velké mínus. Ovladač je zapojen uvnitř těla elektrického stroje, které je obtížné rozebrat a znovu složit. Otočná propojka má zvláštní význam pouze u elektromotorů s dlouhou životností a spolehlivých elektromotorů, které vyžadují minimální údržbu.

Kvůli malému stoupání a přesnému nastavení sinusoidy se propojka otáček vinutí statoru motoru často nazývá autotransformátorovou metodou změny rychlosti.

Změna aktuálního pulzu

Proud je přiváděn přes usměrňovací jednotku do kolektoru řízených tranzistorů, ze kterého je přenášen do budicích vinutí. Na rozdíl od frekvenčního měniče je v tomto případě napětí každého přijatého impulsu sníženo o specifický faktor. V tomto případě se interval mezi nimi nemění. Střídavá sinusovka se zmenšuje, ale nemění svůj tvar.

Stojí za zmínku, že samotný usměrňovač pouze zvyšuje nebo snižuje pulzní napětí, ale nemůže jej regulovat v obou směrech. Proto je dodáván s kolektorem dvou tranzistorů pro nastavení rychlosti nahoru a dolů.

Polovodičový vstup

Tyristor měnící proud je připojen k části obvodu mezi elektromotorem a napájecím zdrojem. Ve stejném okamžiku, kdy dorazí stejný počet impulsů, jich tyristor projde určitým počtem.

Například pro jednofázovou síť 220V s frekvencí 50 Hz se každou sekundu sníží počet pulzů z 50 na N, kde N je počet potřebný pro nastavenou rychlost otáčení. Krok ke snížení počtu impulsů je nulová fáze střídavého proudu.

Na rozdíl od frekvenčního generátoru tyristor neprodlužuje pauzu mezi jednotlivými impulsy, ale prodlužuje periodu nulové fáze.

Tyristorový regulátor lze připojit dvěma způsoby:

• S protilehlým uspořádáním dvojice polovodičů.
  V tomto provedení jeden tyristor pracuje na snížení rychlosti elektromotoru, druhý na zvýšení.
• Společně s triakem.
  S tímto schématem bude jediný tyristor schopen snížit a upravit rychlost otáčení hřídele na požadovanou hodnotu. Když motor dosáhne jmenovitého výkonu, otevře se část obvodu s polovodičovým triakem.

Tyristory umožňují nejen regulovat kroutící moment, ale také zajistit plynulý rozběh elektrického stroje. V tomto případě však zůstává problémem snížení účinnosti a úspora spotřeby při použití motoru.

Přepínání pólů

Tento způsob nastavení zahrnuje změnu rychlosti otáčení magnetického pole přepínáním mezi vinutími. Ve skutečnosti neexistují žádné jednofázové elektromotory s přepínáním pólů.

U dvoufázových elektromotorů může ke změně rychlosti dojít dvěma způsoby:

• přepínání výkonu mezi vinutími s různým počtem závitů;
• uvedením do provozu určitého počtu shodných vinutí statoru s nevyčnívajícím pólem.

Ve druhém případě, napájeném z jednofázové společné sítě, pro získání 1500 otáček za minutu se otevře polovina vinutí a pro 1000 otáček za minutu – 2/3 (například 8 z 12 vinutí). Funkci regulátoru vykonává fázový kondenzátor.

U třífázových trojúhelníkových motorů dostává každé vinutí proud ze samostatné fáze. Takové jednotky mohou podporovat 3 rychlosti otáčení bez regulátoru. Stačí provést fázově nezávislé buzení každého statorového vinutí. To však bude vyžadovat připojení statoru a kotvy k samostatnému napájecímu zdroji a také vyžaduje výpočet a výrobu nestandardních vinutí.

Frekvenční měnič

Moderní regulátor otáček, který je dnes běžný u všech motorů. Frekvenční měnič řídí pulzně šířkovou modulaci (PWM). Jednoduše řečeno, počet impulzů za jednotku času se mění zvýšením pauzy mezi nimi, a nikoli periody nulové fáze (jako u tyristorů).

Moderní frekvenční měniče představují stmívače, které ovlivňují proud v celém silovém obvodu, a to nejen na části elektromotoru. Vyrábějí se nejen k regulaci rychlosti, ale také k ovládání jasu osvětlení v sítích 220 Voltů.

Ve srovnání s jinými regulátory má změna frekvence střídavého proudu pomocí stmívače 3 klíčové výhody:

1. Přesné nastavení rychlosti.
   Krouticí moment můžete nastavit s přesností na jednotky otáček.
2. Ekonomická spotřeba.
   Spotřeba elektrické energie se snižuje přímo úměrně s rychlostí otáčení hřídele. Mezi výhodnou náplň některých zařízení patří automatické nastavení na optimální hodnotu.
3. Hladký start.
   Díky přesnému nastavení je udržováno pomalé zvyšování a snižování otáček až do dosažení jmenovitého výkonu nebo úplného zastavení.

Ostatní regulátory podporují tyto důležité možnosti samostatně a nejsou považovány za kvalitní zařízení. Všechny tři může zajistit pouze frekvenční měnič. Proto je dnes široce používán jako regulátor.

Údržba
elektrické stroje © Held Repair LLC
TIN 7811781566
781101001

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.