Архив / 1999 / №2(17) / Опыт применения

Регулируемый асинхронный электропривод. Вариаторы или преобразователи частоты?

Для регулирования скорости асинхронного электропривода могут применяться два типа устройств: механические вариаторы и преобразователи частоты.

Эти устройства отличаются принципами и особенностями применения. В данной статье мы рассмотрим эти принципы и особенности, а также постараемся помочь Вам сделать выбор между этими двумя типами устройств.

Вариаторы

Вариатор - механическая передача, позволяющая бесступенчато изменять частоту вращения вала приблизительно в диапазоне 1:6. Принцип его действия основан на изменении передаточного отношения между входным и выходным валом вариатора. Изменение передаточного отношения может производиться различными способами, например, за счет изменения радиусов качения обоих колёс, при неизменном диаметре промежуточного элемента (рис. 1, а-в) и т.п.

Рис. 1
Рис. 1

При этом мощность, передаваемая от ведущего вала к ведомому (за исключением потерь на трение) сохраняется P=MЧn=const. То есть при уменьшении частоты вращения выходного вала момент на нем увеличивается.

Регулирование частоты вращения осуществляется вниз относительно номинального значения в пределах  приблизительно 1:6 (сплошная линия на рис. 2). С помощью вариаторов, оснащенных планетарной передачей можно получить частоты вращения, начиная с 0 об/мин (штриховая линия на рис. 2) и  почти до номинальных оборотов двигателя. Частота вращения вала двигателя остается неизменной во всем диапазоне изменения частоты вращения выходного вала вариатора.

Передаточное отношение вариатора может изменяться как вручную, так и автоматически с помощью дополнительного пневмо- или электропривода. Последние два способа достаточно дороги и используются в последнее время редко.

Преобразователи частоты

Преобразователи частоты - это электронные устройства для плавного бесступенчатого регулирования скорости вращения вала асинхронного двигателя в широком диапазоне (1:20 и более).

Рис. 2
Рис. 2

В простейшем случае частотного регулирования управление скоростью вращения вала осуществляется с помощью изменения частоты и амплитуды трехфазного напряжения питания двигателя.

Две зоны регулирования (частотное управление)

Меняя параметры питающего напряжения можно делать скорость вращения двигателя как ниже, так и выше номинальной. В зависимости от этого различают две зоны регулирования: Зона сохранения момента (при скоростях ниже номинальной) В этой зоне напряжение и частота двигателя связаны зависимостью:

U/f=const=UНОМ/fНОМ

Как  следует из названия, в этой зоне двигатель сохраняет свой момент, однако потребителю необходимо помнить ряд особенностей использования преобразователей в этой зоне.

- Ухудшение вентиляции двигателя
Вентилятор любого общепромышленного двигателя рассчитывается, исходя из работы на номинальной скорости. Если же скорость уменьшается - уменьшается и эффективность работы вентилятора, что может вызвать перегрев двигателя.

Преобразователи ведущих фирм снабжены специальной электронной термозащитой, не позволяющей двигателю перегреться.  Но для работы в длительном режиме на пониженных частотах и с номинальным моментом необходимо использовать специальный двигатель или общепромышленный двигатель, обдуваемый внешним вентилятором.

Не во всех механизмах эта проблема стоит столь остро. Существует широкий класс устройств, нагрузка которых зависит от скорости и уменьшается с уменьшением скорости (или квадрата скорости). Это, например, насосы и вентиляторы. Для таких устройств формируется специальная зависимость U от f  и проблема перегрева на низкой скорости, как правило, не стоит в силу малых потерь в двигателе.

- Фактическое снижение момента на низкой скорости

Этот эффект присущ частотному управлению и вызван повышением тока намагничивания двигателя при низких частотах управляющего напряжения. В результате при за-коне регулирования U/f=const и частотах ниже ~UНОМ/7 момент двигателя начинает падать.  Для повышения момента в преобразователях предусмотрена функция повышения начального напряжения. Эта функция повышает момент, за счет увеличения тока на низкой скорости, но снижает КПД двигателя и увеличивает потери.

Зона сохранения мощности (при скоростях выше номинальной)

При частоте вращения выше номинальной мощность двигателя сохраняется, но момент падает.

Рис. 3
Рис. 3

При использовании общепромышленных двигателей с разным числом полюсов не следует вращать их выше 3000 об/мин, так как это может привести к проблемам с подшипниками. Для работы на более высоких скоростях используйте специализированные двигатели.

Векторное регулирование

При векторном регулировании, в отличие от частотного, управление скоростью осуществляется с помощью регулирования амплитуды и фазы вектора поля двигателя. Такое управление является наиболее точным.

Преимущества векторного регулирования

- Точная отработка скорости с компенсацией скольжения

- Глубокий диапазон регулирования
В области малых частот двигатель работает плавно и   сохраняет момент вплоть до нулевой скорости

- Быстрая реакция на скачки нагрузки.
При резких скачках нагрузки практически не происходит скачков скорости, вследствие высокой динамики регулирования.

- Оптимизация КПД двигателя на низких частотах.
За счет регулирования тока намагничивания, осуществляется оптимизация режима работы двигателя и снижение потерь в меди.

Лучшие характеристики векторного режима, однако, не отменяют частотного регулирования. Например, в групповом приводе, где от одного преобразователя питаются несколько двигателей, можно использовать только частотный режим.

 

Что же предпочесть?

ВАРИАТОРЫ
Надежны, просты, во всем диапазоне регулирования сохраняют мощность (т. е. момент с понижением скорости увеличивается), не имеют проблем с перегревом двигателя.
Встраивание в автоматические системы связано с дополнительными затратами; в основном имеют невысокий диапазон регулирования.

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
Надежны, многофункциональны, экономят электроэнергию, могут использоваться как автономно, так и в составе любой автоматической системы регулирования (управляются от компьютера, контроллера, позволяют организовывать управление с использованием различных датчиков), регулируют скорость в широком диапазоне.
Следует помнить об особенностях работы в двух зонах регулирования.

Оба типа устройств могут применяться в электроприводе.

В настоящее время опережающими темпами развивается направление, использующее преобразователи частоты, но, что предпочесть, РЕШАТЬ ВСЕТАКИ ВАМ.

На все Ваши вопросы будем рады ответить по адресу:
НТЦ "ПРИВОДНАЯ ТЕХНИКА"
105094, г. Москва, Семеновская наб., 3/1, корп.3
факс: (095) 360-01-34, 360-06-71
тел.:  (095) 360-01-34, 360-71-52, 360-20-28
E-mail: ogard@orc.ru  Internet: http://www.orc.ru/~ogard