Dreiphasenmotorsteuerung, Methoden zur Motorgeschwindigkeitssteuerung

Die Steuerung von Asynchronmotoren kann entweder parametrisch, also durch Änderung der Parameter der Maschinenkreise, oder durch einen separaten Umrichter erfolgen.

Parametrische Steuerung

Der kritische Schlupf hängt schwach vom Wirkwiderstand des Statorkreises ab. Wenn zusätzlicher Widerstand in den Statorkreis eingeführt wird, verringert sich der Wert geringfügig. Das maximale Drehmoment kann deutlich reduziert werden. Infolgedessen nimmt die mechanische Kennlinie die in Abb. gezeigte Form an. 1.

Reis. 1. Mechanische Eigenschaften eines Asynchronmotors bei Änderung der Parameter des Primär- und Sekundärkreises: 1 – natürlich, 2 und 3 – mit Einführung zusätzlicher aktiver und induktiver Widerstände im Statorkreis

Vergleicht man dies mit der natürlichen Charakteristik des Motors, kann man daraus schließen, dass die Einführung eines zusätzlichen Widerstands in den Statorkreis nur geringe Auswirkungen auf die Drehzahl hat. Bei konstantem statischen Drehmoment nimmt die Drehzahl leicht ab.Daher ist diese Ratensteuerungsmethode ineffizient und wird in dieser einfachsten Version nicht verwendet.

Auch das Einbringen eines induktiven Widerstands in den Statorkreis ist wirkungslos. Auch der kritische Schlupf nimmt leicht ab und das Motordrehmoment wird aufgrund des erhöhten Luftwiderstands deutlich reduziert. Die entsprechenden mechanischen Eigenschaften sind in derselben Abbildung dargestellt. 1.

Manchmal wird im Statorkreis ein zusätzlicher Widerstand eingeführt Einschaltströme zu begrenzen… In diesem Fall werden üblicherweise Drosseln als zusätzlicher induktiver Widerstand und Thyristoren als aktive Widerstände verwendet (Abb. 2).

Reis. 2. Einbeziehung von Thyristoren in den Statorkreis

Allerdings ist zu bedenken, dass dadurch nicht nur die kritischen, sondern auch die kritischen Werte deutlich reduziert werden Anlaufdrehmoment des Motors (in c = 1), was bedeutet, dass ein Anfahren unter diesen Bedingungen nur mit einem kleinen statischen Moment möglich ist. Das Einbringen zusätzlicher Widerstände in den Rotorkreis ist natürlich nur bei einem Rotorwicklungsmotor möglich.

Der zusätzliche induktive Widerstand im Rotorkreis hat die gleiche Auswirkung auf die Drehzahl des Motors wie beim Einbringen in den Statorkreis.

In der Praxis ist der Einsatz eines induktiven Widerstands in einem Rotorkreis äußerst schwierig, da er mit einer variablen Frequenz arbeiten muss – von 50 Hz bis zu mehreren Hertz und manchmal auch Bruchteilen eines Hertz. Unter solchen Bedingungen ist es sehr schwierig, einen Choke zu erzeugen.

Bei niedriger Frequenz wird hauptsächlich der aktive Widerstand des Induktors beeinflusst. Basierend auf den obigen Überlegungen wird der induktive Widerstand im Rotorkreis niemals zur Drehzahlregelung verwendet.

Die effektivste Art der parametrischen Drehzahlregelung besteht darin, einen zusätzlichen aktiven Widerstand in den Rotorkreis einzuführen. Dadurch erhalten wir ein Kennlinienfeld mit konstantem Maximaldrehmoment. Diese Eigenschaften werden verwendet, um den Strom zu begrenzen und ein konstantes Drehmoment aufrechtzuerhalten, und können auch zur Steuerung der Geschwindigkeit verwendet werden.

In Abb. 3 zeigt, wie durch Ändern von r2, d.h. Eingang rext, ist es zu einem bestimmten statischen Zeitpunkt möglich, die Geschwindigkeit über einen weiten Bereich zu ändern – von nominal bis Null. In der Praxis ist es jedoch möglich, die Geschwindigkeit nur bei ausreichend großen Werten des statischen Moments anzupassen.

Reis. 3. Mechanische Eigenschaften eines Asynchronmotors mit Einführung eines zusätzlichen Widerstands in den Rotorkreis

Bei niedrigen Werten von (Mo) im Leerlaufmodus wird der Geschwindigkeitsregelbereich stark reduziert und es müssen sehr große zusätzliche Widerstände eingeführt werden, um die Geschwindigkeit spürbar zu reduzieren.

Es ist zu berücksichtigen, dass bei niedrigen Drehzahlen und hohen Standmomenten die Drehzahlstabilität nicht ausreicht, da aufgrund der hohen Kennliniensteilheit bereits geringe Drehmomentschwankungen zu deutlichen Drehzahländerungen führen.

Um eine Beschleunigung des Motors ohne sukzessives Entfernen der Rheostatabschnitte zu ermöglichen, werden manchmal ein Rheostat und eine Induktionsspule parallel zu den Rotorringen geschaltet (Abb. 4).

Reis. 4. Parallelschaltung zusätzlicher aktiver und induktiver Widerstände im Rotorkreis des Asynchronmotors

Im ersten Moment des Anlassens, wenn die Stromfrequenz im Rotor hoch ist, wird der Strom hauptsächlich durch den Rheostat geschlossen, d. h.durch einen großen Widerstand, der für ein ausreichend hohes Anlaufdrehmoment sorgt. Wenn die Frequenz abnimmt, nimmt der induktive Widerstand ab und der Strom beginnt sich auch durch die Induktivität zu schließen.

Beim Erreichen von Betriebsdrehzahlen und bei geringem Schlupf fließt der Strom hauptsächlich durch die Induktivität, deren Widerstand bei niedriger Frequenz durch den elektrischen Widerstand der Wicklung rrev bestimmt wird. Dadurch wird beim Anfahren der Außenwiderstand des Sekundärkreises automatisch von rreost auf roro geändert und die Beschleunigung erfolgt bei nahezu konstantem Drehmoment.

Die parametrische Steuerung ist naturgemäß mit großen Energieverlusten verbunden. Die Schlupfenergie, die in Form elektromagnetischer Energie durch den Spalt vom Stator zum Rotor übertragen und üblicherweise bei einem großen Widerstand des Sekundärkreises in mechanische Energie umgewandelt wird, dient hauptsächlich der Erwärmung dieses Widerstands und bei s = 1 Die gesamte vom Stator zum Rotor übertragene Energie wird in den Rheostaten des Sekundärkreises verbraucht (Abb. 5).

Reis. 5. Verluste im Sekundärkreis beim Anpassen der Drehzahl eines Asynchronmotors durch Einführung eines zusätzlichen Widerstands im Rotorkreis: I – Bereich der auf die Motorwelle übertragenen Nutzleistung, II – Verlustbereich in den Widerständen des Sekundärkreises

Daher wird die parametrische Steuerung hauptsächlich zur kurzfristigen Geschwindigkeitsreduzierung im Verlauf des technologischen Prozesses der Arbeitsmaschine eingesetzt.Nur in Fällen, in denen Geschwindigkeitsregelungsprozesse mit dem Starten und Stoppen der Arbeitsmaschine kombiniert werden, wie beispielsweise bei Hebeanlagen, wird als Hauptmittel der Geschwindigkeitssteuerung eine parametrische Steuerung mit Einführung eines zusätzlichen Widerstands in den Rotorkreis eingesetzt.

Geschwindigkeitsregulierung durch Variation der am Stator angelegten Spannung

Beim Anpassen der Drehzahl eines Induktionsmotors durch Änderung der Spannung bleibt die Form der mechanischen Kennlinie unverändert und die Momente nehmen proportional zum Quadrat der Spannung ab. Die mechanischen Eigenschaften bei verschiedenen Belastungen sind in Abb. dargestellt. 6. Wie Sie sehen, ist der Drehzahlregelbereich bei Verwendung herkömmlicher Motoren sehr begrenzt.

Reis. 6… Regelung der Drehzahl eines Induktionsmotors durch Änderung der Spannung im Statorkreis

Mit einem Motor mit hohem Schlupf kann ein etwas größerer Bereich erreicht werden. Allerdings sind in diesem Fall die mechanischen Eigenschaften steil (Abb. 7) und ein stabiler Betrieb des Motors kann nur durch den Einsatz eines geschlossenen Systems zur Drehzahlstabilisierung erreicht werden.

Wenn sich das statische Drehmoment ändert, behält das Steuersystem ein bestimmtes Geschwindigkeitsniveau bei und es findet ein Übergang von einer mechanischen Charakteristik zu einer anderen statt. Infolgedessen wird der Betrieb mit den durch die gestrichelten Linien dargestellten Charakteristiken fortgesetzt.

Reis. 7. Mechanische Eigenschaften beim Einstellen der Statorspannung in einem geschlossenen System

Bei Überlastung des Antriebs erreicht der Motor die Grenzkennlinie, die der maximal möglichen Spannung entspricht, die der Umrichter bereitstellt, und bei weiterer Erhöhung der Belastung verringert sich die Drehzahl entsprechend dieser Kennlinie. Wenn der Umrichter bei geringer Last die Spannung nicht auf Null reduzieren kann, kommt es entsprechend der Wechselstromkennlinie zu einem Drehzahlanstieg.

Als spannungsgesteuerte Quelle werden üblicherweise magnetische Verstärker oder Thyristorwandler verwendet. Bei Verwendung eines Thyristorwandlers (Abb. 8) arbeitet dieser üblicherweise im Impulsbetrieb. In diesem Fall wird an den Statorklemmen des Induktionsmotors eine bestimmte Durchschnittsspannung aufrechterhalten, die zur Gewährleistung einer bestimmten Drehzahl erforderlich ist.

Reis. 8. Schema der Impulsgeschwindigkeitssteuerung eines Induktionsmotors

Um die Spannung an den Statorklemmen des Motors zu regeln, scheint es möglich, einen Transformator oder Spartransformator mit Teilwicklungen zu verwenden. Die Verwendung separater Transformatorblöcke ist jedoch mit sehr hohen Kosten verbunden und bietet nicht die erforderliche Regelungsqualität, da in diesem Fall nur eine stufenweise Spannungsänderung möglich ist und es praktisch unmöglich ist, eine Abschnittsschalteinrichtung in eine einzubauen automatisches System. Spartransformatoren werden manchmal verwendet, um die Einschaltströme leistungsstarker Motoren zu begrenzen.

Drehzahlregelung durch Umschaltung der Statorwicklungsabschnitte auf unterschiedliche Polpaarzahlen

Es gibt eine Reihe von Produktionsmechanismen, die während des technologischen Prozesses mit unterschiedlichen Geschwindigkeitsstufen arbeiten müssen, wobei keine stufenlose Regelung erforderlich ist, sondern ein Antrieb mit diskreter, schrittweiser Geschwindigkeitsänderung ausreicht. Zu diesen Mechanismen gehören einige Metall- und Holzbearbeitungsmaschinen, Aufzüge usw.

Es kann eine begrenzte Anzahl fester Drehzahlen erreicht werden Mehrgeschwindigkeits-Käfigläufermotoren, bei dem die Statorwicklung auf eine andere Polpaarzahl umschaltet. Die Eichhörnchenzelle eines Eichhörnchenzellenmotors bildet automatisch die Anzahl der Pole, die der Anzahl der Statorpole entspricht.

Es werden zwei Motorkonstruktionen verwendet: mit mehreren Wicklungen in jeder Statornut und mit einer einzelnen Wicklung, deren Abschnitte vertauscht werden, um eine unterschiedliche Anzahl von Polpaaren zu erzeugen.

Drehzahlmotoren mit mehreren unabhängigen Statorwicklungen sind technisch und wirtschaftlich den eintourigen Drehzahlmotoren unterlegen. Bei Mehrwicklungsmotoren wird die Statorwicklung ineffizient ausgenutzt, die Statornut ist nicht ausreichend gefüllt, Wirkungsgrad und Cosφ liegen unter dem Optimum. Daher wird die Hauptverteilung aus mehrtourigen Einwicklungsmotoren mit Umschaltung der Wicklungen auf unterschiedliche Polpaarzahlen erzielt.

Beim Abschnittswechsel ändert sich die MDS-Verteilung in der Statorbohrung. Dadurch ändert sich auch die Drehzahl des MDS und damit der magnetische Fluss. Am einfachsten ist es, Polpaare im Verhältnis 1:2 zu vertauschen. In diesem Fall sind die Wicklungen jeder Phase in Form von zwei Abschnitten ausgeführt.Durch Ändern der Stromrichtung in einem der Abschnitte können Sie die Anzahl der Polpaare halbieren.

Betrachten Sie die Schaltungen der Statorwicklung des Motors, deren Abschnitte auf acht und vier Pole geschaltet sind. In Abb. 9 zeigt der Einfachheit halber eine einphasige Wicklung. Wenn zwei Abschnitte in Reihe geschaltet werden, das heißt, wenn das Ende des ersten Abschnitts K1 mit dem Anfang des zweiten Abschnitts H2 verbunden wird, erhalten wir acht Pole (Abb. 9, a).

Wenn wir die Stromrichtung im zweiten Abschnitt in die entgegengesetzte Richtung ändern, verringert sich die Anzahl der von der Spule gebildeten Pole um die Hälfte und beträgt vier (Abb. 9, b). Durch Umstecken der Brücke von den Klemmen K1, H2 auf die Klemmen K1, K2 kann die Stromrichtung im zweiten Abschnitt geändert werden. Außerdem können vier Pole erhalten werden, indem Abschnitte parallel verbunden werden (Abb. 9, c).

Reis. 9. Umschalten von Abschnitten der Statorwicklung auf eine andere Polpaarzahl

Die mechanischen Eigenschaften eines zweistufigen Motors mit geschalteten Statorwicklungen sind in Abb. dargestellt. zehn.

Reis. 10. Mechanische Eigenschaften eines Induktionsmotors beim Schalten der Statorwicklung unterschiedlicher Polpaarzahl

Beim Umschalten von Schema a auf Schema b (Abb. 9) bleibt die Motorleistung in beiden Geschwindigkeitsstufen konstant (Abb. 10, a). Bei Verwendung der zweiten Schaltmöglichkeit kann der Motor das gleiche Drehmoment entwickeln. Es ist möglich, Abschnitte der Statorwicklung zu schalten und so ein Drehzahlverhältnis nicht nur von 1:2, sondern auch von anderen bereitzustellen. Neben Zweigangmotoren produziert die Industrie auch Drei- und Viergangmotoren.

Frequenzregelung von Drehstrommotoren

Wie aus dem oben Gesagten hervorgeht, ist die Drehzahlregelung des Induktionsmotors äußerst schwierig. Eine stufenlose Geschwindigkeitsregelung über einen weiten Bereich bei gleichzeitig ausreichender Steifigkeit der Kennlinie ist nur mit Teilregelung möglich. Durch Ändern der Frequenz des Versorgungsstroms und damit der Rotationsgeschwindigkeit des Magnetfelds ist es möglich, die Rotationsgeschwindigkeit des Motorrotors anzupassen.

Um die Frequenz in der Anlage zu steuern, ist jedoch ein Frequenzumrichter erforderlich, der einen Strom mit konstanter Frequenz des Versorgungsnetzes von 50 Hz in einen Strom mit variabler Frequenz umwandeln kann, der über einen weiten Bereich gleichmäßig variiert.

Zunächst gab es Versuche, Umrichter an elektrischen Maschinen einzusetzen. Um jedoch Strom mit variabler Frequenz von einem Synchrongenerator zu erhalten, ist es notwendig, seinen Rotor mit variabler Geschwindigkeit zu drehen. In diesem Fall werden die Aufgaben der Drehzahlregelung des laufenden Motors dem Motor übertragen, der den Synchrongenerator rotierend antreibt.

Auch der Kollektorgenerator, der bei konstanter Drehzahl einen Strom variabler Frequenz erzeugen kann, ermöglichte keine Lösung des Problems, da zum Erregen ein Strom variabler Frequenz erforderlich ist und zweitens wie bei allen Wechselstrom-Kollektormaschinen Es treten große Schwierigkeiten auf, eine normale Kommutierung des Kollektors sicherzustellen.

In der Praxis begann sich die Frequenzsteuerung mit dem Aufkommen von zu entwickeln Halbleiterbauelemente… Gleichzeitig erwies es sich als möglich, Frequenzumrichter zur Steuerung sowohl von Kraftwerken als auch von Leitmotoren in Servosystemen und Servoantrieben zu entwickeln.

Neben der Komplexität des Entwurfs eines Frequenzumrichters besteht auch die Notwendigkeit, zwei Größen gleichzeitig zu steuern – Frequenz und Spannung. Wenn die Frequenz sinkt, um die Drehzahl zu verringern, kann das EMF- und Netzspannungsgleichgewicht nur durch Erhöhen des magnetischen Flusses des Motors aufrechterhalten werden. In diesem Fall gerät der Magnetkreis in die Sättigung und der Statorstrom steigt nach einem nichtlinearen Gesetz stark an. Dadurch ist der Betrieb eines Induktionsmotors im Frequenzregelungsmodus bei konstanter Spannung unmöglich.

Durch die Reduzierung der Frequenz ist es zur Aufrechterhaltung des magnetischen Flusses erforderlich, gleichzeitig den Spannungspegel zu reduzieren. Daher müssen bei der Frequenzregelung zwei Steuerkanäle verwendet werden: Frequenz und Spannung.

Reis. 11. Mechanische Eigenschaften eines Induktionsmotors bei Versorgung mit Spannung kontrollierter Frequenz und konstantem Magnetfluss

Frequenzregelsysteme werden üblicherweise als Systeme mit geschlossenem Regelkreis aufgebaut. Weitere Informationen dazu finden Sie hier: Frequenzregelung eines Asynchronmotors