Điều khiển động cơ ba pha, các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ

Việc điều khiển động cơ không đồng bộ có thể là tham số, nghĩa là bằng cách thay đổi các tham số của mạch máy hoặc bằng một bộ chuyển đổi riêng.

kiểm soát tham số

Độ trượt tới hạn phụ thuộc yếu vào điện trở hoạt động của mạch stato. Khi điện trở bổ sung được đưa vào mạch stato, giá trị sẽ giảm nhẹ. Mô-men xoắn cực đại có thể giảm đáng kể. Kết quả là, đặc tính cơ học sẽ có dạng như trong hình. 1.

Cơm. 1. Đặc tính cơ học của động cơ không đồng bộ khi thay đổi các tham số của mạch sơ cấp và thứ cấp: 1 — tự nhiên, 2 và 3 — với việc đưa thêm điện trở hoạt động và cảm ứng vào mạch stato

So sánh nó với đặc tính tự nhiên của động cơ, chúng ta có thể kết luận rằng việc đưa thêm điện trở vào mạch stato ít ảnh hưởng đến tốc độ. Ở mô-men xoắn tĩnh không đổi, tốc độ sẽ giảm nhẹ.Do đó, phương pháp kiểm soát tỷ lệ này không hiệu quả và không được sử dụng trong phiên bản đơn giản nhất này.

Đưa điện trở cảm ứng vào mạch stato cũng không hiệu quả. Độ trượt tới hạn cũng sẽ giảm nhẹ và mô-men xoắn của động cơ giảm đáng kể do lực cản tăng lên. Đặc tính cơ học tương ứng được thể hiện trong cùng một hình. 1.

Đôi khi một điện trở bổ sung được đưa vào mạch stato hạn chế dòng vào… Trong trường hợp này, cuộn cảm thường được sử dụng làm điện trở cảm ứng bổ sung và thyristor được sử dụng làm cuộn cảm hoạt động (Hình 2).

Cơm. 2. Bao gồm cả thyristor trong mạch stator

Tuy nhiên, cần lưu ý rằng điều này làm giảm đáng kể không chỉ mức độ quan trọng, mà còn mô-men xoắn khởi động động cơ (với c = 1), có nghĩa là chỉ có thể bắt đầu trong những điều kiện này với một khoảnh khắc tĩnh nhỏ. Tất nhiên, việc đưa thêm điện trở vào mạch rôto chỉ có thể thực hiện được đối với động cơ rôto dây quấn.

Điện trở cảm ứng bổ sung trong mạch rôto có ảnh hưởng tương tự đến tốc độ của động cơ như khi nó được đưa vào mạch stato.

Trên thực tế, việc sử dụng điện trở cảm ứng trong mạch rôto là vô cùng khó khăn do thực tế là nó phải hoạt động ở tần số thay đổi — từ 50 Hz đến vài hertz và đôi khi là một phần của hertz. Trong những điều kiện như vậy, rất khó để tạo ra một cuộn cảm.

Ở tần số thấp, điện trở hoạt động của cuộn cảm sẽ ảnh hưởng chủ yếu. Dựa trên những cân nhắc ở trên, điện trở cảm ứng trong mạch rôto không bao giờ được sử dụng để điều khiển tốc độ.

Cách hiệu quả nhất để kiểm soát tốc độ theo tham số là đưa thêm điện trở hoạt động vào mạch rôto. Điều này mang lại cho chúng ta một họ các đặc tính với mô-men xoắn cực đại không đổi. Những đặc điểm này được sử dụng để hạn chế dòng điện và duy trì mô-men xoắn không đổi, và cũng có thể được sử dụng để kiểm soát tốc độ.

Trong bộ lễ phục. 3 chỉ ra cách thay đổi r2, tức là đầu vào rext, tại một số thời điểm tĩnh có thể thay đổi tốc độ trong một phạm vi rộng — từ danh nghĩa đến 0. Tuy nhiên, trong thực tế, chỉ có thể điều chỉnh tốc độ đối với các giá trị đủ lớn của mômen tĩnh.

Cơm. 3. Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ có thêm điện trở trong mạch rôto

Ở các giá trị thấp của (Mo) ở chế độ gần như không hoạt động, phạm vi kiểm soát tốc độ bị giảm đi rất nhiều và các lực cản bổ sung rất lớn sẽ phải được đưa vào để giảm đáng kể tốc độ.

Cần lưu ý rằng khi vận hành ở tốc độ thấp và mô-men xoắn tĩnh cao, độ ổn định tốc độ sẽ không đủ, bởi vì do đặc tính có độ dốc cao, những dao động nhỏ của mô-men xoắn sẽ gây ra những thay đổi đáng kể về tốc độ.

Đôi khi, để cung cấp khả năng tăng tốc cho động cơ mà không cần loại bỏ liên tiếp các phần của bộ biến trở, một bộ biến trở và một cuộn dây cảm ứng được nối song song với các vòng rôto (Hình 4).

Cơm. 4. Kết nối song song điện trở hoạt động và cảm ứng bổ sung trong mạch rôto của động cơ không đồng bộ

Tại thời điểm ban đầu khởi động, khi tần số của dòng điện trong rôto cao, dòng điện chủ yếu được đóng qua biến trở, tức làthông qua một điện trở lớn cung cấp một mô-men xoắn khởi động đủ cao. Khi tần số giảm, điện trở cảm ứng giảm và dòng điện cũng bắt đầu đóng qua cuộn cảm.

Khi đạt đến tốc độ vận hành, khi độ trượt nhỏ, dòng điện chủ yếu chạy qua cuộn cảm, có điện trở ở tần số thấp được xác định bởi điện trở của vòng quay cuộn dây. Do đó, khi khởi động, điện trở ngoài của mạch thứ cấp tự động thay đổi từ rreost sang roro, và khả năng tăng tốc xảy ra ở mô-men xoắn thực tế không đổi.

Điều khiển tham số đương nhiên liên quan đến tổn thất năng lượng lớn. Năng lượng trượt, ở dạng năng lượng điện từ, được truyền qua khe hở từ stato đến rôto và thường được chuyển thành cơ năng, với điện trở lớn của mạch thứ cấp, chủ yếu dùng để đốt nóng điện trở này và ở s = 1 tất cả năng lượng truyền từ stato sang rôto sẽ được tiêu thụ trong các bộ biến trở của mạch thứ cấp (Hình 5).

Cơm. 5. Tổn thất ở mạch thứ cấp khi điều chỉnh tốc độ của động cơ không đồng bộ bằng cách đưa thêm điện trở vào mạch rôto: I — vùng công suất hữu ích truyền đến trục động cơ, II — vùng tổn thất điện trở của mạch thứ cấp

Do đó, điều khiển tham số chủ yếu được sử dụng để giảm tốc độ ngắn hạn trong quá trình công nghệ được thực hiện bởi máy làm việc.Chỉ trong trường hợp các quy trình điều chỉnh tốc độ được kết hợp với việc khởi động và dừng máy làm việc, chẳng hạn như khi lắp đặt nâng, điều khiển tham số với việc đưa thêm điện trở vào mạch rôto mới được sử dụng làm phương tiện chính để điều khiển tốc độ.

Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp đặt vào stato

Khi điều chỉnh tốc độ của động cơ cảm ứng bằng cách thay đổi điện áp, hình dạng của đặc tính cơ không thay đổi và mô men giảm tỷ lệ với bình phương điện áp. Các đặc tính cơ học ở các ứng suất khác nhau được thể hiện trong hình. 6. Như bạn thấy, trong trường hợp sử dụng động cơ thông thường, phạm vi điều khiển tốc độ rất hạn chế.

Cơm. 6… Điều chỉnh tốc độ của động cơ cảm ứng bằng cách thay đổi điện áp trong mạch stato

Có thể đạt được phạm vi rộng hơn một chút với động cơ trượt cao. Tuy nhiên, trong trường hợp này, các đặc tính cơ học dốc (Hình 7) và hoạt động ổn định của động cơ chỉ có thể đạt được khi sử dụng hệ thống kín cung cấp ổn định tốc độ.

Khi mô-men xoắn tĩnh thay đổi, hệ thống điều khiển sẽ duy trì một mức tốc độ nhất định và xảy ra quá trình chuyển đổi từ đặc tính cơ học này sang đặc tính cơ học khác.

Cơm. 7. Đặc tính cơ khi điều chỉnh điện áp stato trong hệ thống kín

Khi ổ đĩa bị quá tải, động cơ đạt đến đặc tính giới hạn tương ứng với điện áp tối đa có thể mà bộ chuyển đổi cung cấp và khi tải tăng hơn nữa, tốc độ sẽ giảm theo đặc tính này. Ở mức tải thấp, nếu bộ chuyển đổi không thể giảm điện áp về 0, thì sẽ có sự gia tăng tốc độ theo đặc tính AC.

Bộ khuếch đại từ tính hoặc bộ chuyển đổi thyristor thường được sử dụng làm nguồn điều khiển điện áp. Trong trường hợp sử dụng bộ chuyển đổi thyristor (Hình 8), bộ chuyển đổi sau thường hoạt động ở chế độ xung. Trong trường hợp này, một điện áp trung bình nhất định được duy trì ở các cực stato của động cơ cảm ứng, điều này cần thiết để đảm bảo tốc độ nhất định.

Cơm. 8. Sơ đồ điều khiển tốc độ xung của động cơ không đồng bộ

Để điều chỉnh điện áp ở các cực stato của động cơ, có vẻ như có thể sử dụng máy biến áp hoặc máy biến áp tự ngẫu có cuộn dây cắt. Tuy nhiên, việc sử dụng các khối máy biến áp riêng biệt có liên quan đến chi phí rất cao và không mang lại chất lượng điều chỉnh cần thiết, vì trong trường hợp này chỉ có thể thay đổi điện áp từng bước và thực tế không thể đưa một thiết bị chuyển mạch phần vào một hệ thống tự động. Máy biến áp tự ngẫu đôi khi được sử dụng để hạn chế dòng khởi động của động cơ mạnh.

Kiểm soát tốc độ bằng cách chuyển đổi các phần cuộn dây stato sang số cặp cực khác nhau

Có một số cơ cấu sản xuất mà trong quá trình công nghệ phải làm việc ở các cấp tốc độ khác nhau, đồng thời không cần điều tiết nhịp nhàng, nhưng chỉ cần có truyền động với tốc độ rời rạc, từng bước thay đổi là đủ. Các cơ chế như vậy bao gồm một số máy gia công kim loại và gỗ, thang máy, v.v.

Có thể đạt được một số giới hạn tốc độ quay cố định động cơ lồng sóc đa tốc độ, trong đó cuộn dây stato chuyển sang một số cặp cực khác nhau. Tế bào lồng sóc của động cơ lồng sóc tự động tạo thành số cực bằng với số cực của stato.

Hai thiết kế động cơ được sử dụng: với nhiều cuộn dây trong mỗi rãnh stato và với một cuộn dây duy nhất có các phần được chuyển mạch để tạo ra số cặp cực khác nhau.

Động cơ nhiều tốc độ với một số cuộn dây stato độc lập kém hơn động cơ nhiều tốc độ một cuộn dây về mặt kỹ thuật và kinh tế. Trong động cơ nhiều cuộn dây, cuộn dây stato được sử dụng không hiệu quả, không đủ lấp đầy rãnh stato, hiệu suất và cosφ dưới mức tối ưu. Do đó, phân phối chính thu được từ các động cơ một cuộn dây nhiều tốc độ với việc chuyển đổi các cuộn dây trên các số cặp cực khác nhau.

Khi chuyển đổi các phần, phân phối MDS trong lỗ khoan stato thay đổi. Do đó, tốc độ quay của MDS cũng thay đổi và do đó, từ thông cũng thay đổi. Cách dễ nhất là hoán đổi các cặp cực theo tỷ lệ 1: 2. Trong trường hợp này, cuộn dây của mỗi pha được thực hiện ở dạng hai phần.Thay đổi hướng của dòng điện ở một trong các phần cho phép bạn giảm một nửa số cặp cực.

Hãy xem xét các mạch của cuộn dây stato của động cơ, các phần của chúng được chuyển sang tám và bốn cực. Trong bộ lễ phục. 9 thể hiện cuộn dây một pha để đơn giản. Khi hai phần được kết nối nối tiếp, nghĩa là khi phần cuối của phần thứ nhất K1 được kết nối với phần đầu của H2 thứ hai, chúng ta có tám cực (Hình 9, a).

Nếu chúng ta đổi hướng dòng điện trong đoạn thứ hai sang hướng ngược lại, thì số cực do cuộn dây tạo thành sẽ giảm đi một nửa và sẽ bằng bốn (Hình 9, b). Hướng của dòng điện trong phần thứ hai có thể được thay đổi bằng cách chuyển jumper từ các đầu K1, H2 sang các đầu K1, K2. Ngoài ra, có thể thu được bốn cực bằng cách kết nối song song các phần (Hình 9, c).

Cơm. 9. Chuyển các đoạn của cuộn dây stato sang số cặp cực khác nhau

Các đặc tính cơ học của động cơ hai tốc độ với cuộn dây stato chuyển đổi được thể hiện trong hình. mười.

Cơm. 10. Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ khi chuyển đổi cuộn dây stato có số cặp cực khác nhau

Khi chuyển từ sơ đồ a sang sơ đồ b (Hình 9), công suất động cơ không đổi được duy trì ở cả hai mức tốc độ (Hình 10, a). Khi sử dụng tùy chọn sang số thứ hai, động cơ có thể phát triển cùng một mô-men xoắn. Có thể chuyển đổi các phần của cuộn dây stato, cung cấp tỷ lệ tốc độ không chỉ 1: 2 mà còn các phần khác. Ngoài động cơ hai tốc độ, ngành công nghiệp còn sản xuất động cơ ba và bốn tốc độ.

Điều khiển tần số của động cơ ba pha

Như sau từ trên, việc điều chỉnh tốc độ của động cơ cảm ứng là vô cùng khó khăn. Điều khiển tốc độ thay đổi vô hạn trên một phạm vi rộng trong khi vẫn duy trì đủ độ cứng của các đặc tính chỉ có thể thực hiện được với điều khiển một phần. Bằng cách thay đổi tần số của dòng điện cung cấp và do đó thay đổi tốc độ quay của từ trường, có thể điều chỉnh tốc độ quay của rôto động cơ.

Tuy nhiên, để kiểm soát tần số trong quá trình cài đặt, cần có bộ chuyển đổi tần số, có thể chuyển đổi dòng điện tần số không đổi của mạng cung cấp 50 Hz thành dòng điện tần số thay đổi thay đổi trơn tru trong một phạm vi rộng.

Ban đầu, đã có những nỗ lực sử dụng bộ chuyển đổi trên máy điện. Tuy nhiên, để thu được dòng điện tần số thay đổi từ máy phát đồng bộ, cần phải quay rôto của nó với tốc độ thay đổi. Trong trường hợp này, nhiệm vụ điều chỉnh tốc độ của động cơ đang chạy được giao cho động cơ điều khiển máy phát đồng bộ quay.

Bộ tạo bộ thu, có thể tạo ra dòng điện có tần số thay đổi ở tốc độ quay không đổi, cũng không cho phép giải quyết vấn đề, bởi vì, thứ nhất, cần có dòng điện có tần số thay đổi để kích thích nó, và thứ hai, giống như tất cả các máy thu điện xoay chiều , phát sinh khó khăn lớn, đảm bảo việc đi lại bình thường của người thu gom.

Trong thực tế, điều khiển tần số bắt đầu phát triển với sự ra đời của Thiết bị bán dẫn… Đồng thời, có thể tạo ra các bộ biến tần để điều khiển cả nhà máy điện và động cơ điều hành trong các hệ thống servo và ổ đĩa servo.

Cùng với sự phức tạp của việc thiết kế bộ biến tần, cũng cần phải điều khiển đồng thời hai đại lượng - tần số và điện áp. Khi tần số giảm để giảm tốc độ, EMF và cân bằng điện áp lưới chỉ có thể được duy trì bằng cách tăng từ thông của động cơ. Trong trường hợp này, mạch từ sẽ bão hòa và dòng điện stato sẽ tăng mạnh theo quy luật phi tuyến tính. Do đó, hoạt động của động cơ cảm ứng ở chế độ điều khiển tần số ở điện áp không đổi là không thể.

Bằng cách giảm tần số, để giữ cho từ thông không đổi, cần phải giảm đồng thời cấp điện áp. Như vậy trong điều khiển tần số phải sử dụng hai kênh điều khiển: tần số và điện áp.

Cơm. 11. Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ khi được cung cấp điện áp có tần số điều khiển và từ thông không đổi

Các hệ thống điều khiển tần số thường được xây dựng dưới dạng các hệ thống vòng kín và thông tin thêm về chúng được đưa ra ở đây: Điều chỉnh tần số của động cơ không đồng bộ