Введение

Область отраслевых применений, в которых асинхронные электродвигатели питаются от статических преобразователей частоты быстро расширяется и, хотя многое уже сделано в этом направлении, еще многое должно быть изучено/понято для работы в таких приложениях. Продвижение приводных систем регулирования скорости приводит к необходимости обеспечения специфическими техническими руководствами производителей электрических машин и преобразователей частоты, так что применения могут быть соответствующе разработаны в дополнение к существующим преимуществам как для эффективности так и для стоимости.

В данной статье разъясняются основные аспекты, касающиеся применения асинхронных электродвигателей низкого напряжения (< 690 В) с преобразователями частоты, для габаритов моторов не более IEC 355 (NEMA 587).

Прежде всего упомянуты главные и наиболее соответствующие международные стандарты.

Представлены теоретические основы регулирования скорости электрических машин с помощью статических преобразователей частоты, а также основные характеристики электронных инверторов.

Как только становятся известны основы привода с регулированием скорости, анализируют поведение всей энергетической системы. Каждый компонент силовой системы (линия электропитания - преобразователь частоты - асинхронный двигатель - нагрузка) должен быть правильно подобран, также как и общее взаимодействие между ними, и как результат - регулирование скорости.

Для лучшего понимания вопроса приведены примеры систем регулирования скорости.

Всегда смотрите на техническое разъяснение максимально полно, некоторые спорные пункты акцентированы. Рассматриваются расхождения, существующие между различными стандартами, и представлена точка зрения WEG.

Регулирование скорости асинхронных машин

Для асинхронных индукционных машин скорость вращения ротора, частота питающего напряжения, количество пар полюсов и скольжение связаны следующим выражением:

где:
n : механическая скорость (об/мин)
f1 : частота питающего напряжения (Гц)
p : количество пар полюсов
s : скольжение

Анализ вышеприведенной формулы показывает, что механическая скорость мотора является функцией трех параметров. Так, изменение любого из этих параметров будет приводить к изменению скорости мотора как указано в следующей таблице.

Использование преобразователей частоты в настоящее время является наиболее эффективным методом регулирования скорости вращения электродвигателей. На выходе преобразователя из напряжения постоянной частоты и постоянной амплитуды формируется напряжение, переменное по частоте и амплитуде. Изменение частоты напряжения, подаваемого на зажимы электродвигателя, приводит к изменению частоты вращающегося магнитного поля, которое в свою очередь изменяет механическую скорость вращения вала электродвигателя.

Момент на валу, развиваемый электродвигателем, рассчитывается по формуле:

T = k₁φ_mI₂

Пренебрегая падением напряжения, обусловленного сопротивлением статора, поток намагничивания рассчитывается по формуле:

φ_m = k₂ V₁ / f₁

где:
Т : момент на валу (Нм)
φ_m : поток намагничивания (Wb)
I₂ : ток ротора (А) - зависит от нагрузки
V₁ : напряжение статора (В)
k₁ и k₂ : константы - зависят от материала и исполнения электрической машины

Учитывая, постоянство момента нагрузки и допуская, что ток зависит от нагрузки, получаем, что изменение питающего напряжения подаваемого на электродвигатель с амплитудой пропорциональной частоте приводит к постоянству потока намагничивания и, следовательно, постоянному крутящему моменту, в то время как ток остается неизменным.

Таким образом, двигатель обеспечивает постоянную корректировку скорости и вращающего момента в отношении механической нагрузки.

Потери при этом могут быть сведены к минимуму, в соответствии с условиями нагрузки путем поддержания постоянного скольжения на любой скорости, для заданной нагрузки.

Нижеприведенный график получен из вышеприведенного выражения.

Соотношение V/f остается неизменным до базовой (номинальной) скорости мотора. Выше этой частоты значение напряжения остается неизменным, в то время как частота может увеличиваться, как показано на графике слева.

Область выше базовой частоты называется областью ослабления поля, в которой поток уменьшается в результате увеличения частоты, и как следствие уменьшается крутящий момент двигателя. Типичная зависимость крутящего момента от скорости асинхронного двигателя при управлении от преобразователя частоты изображена на иллюстрации внизу.

Получается, что крутящий момент остается постоянным до базовой частоты и выше этой частоты он падает (ослабление поля). Поскольку выходная мощность пропорциональна крутящему моменту, умноженному на скорость, она растет линейно до базовой частоты, а выше этой частоты остается постоянной. Это показано на графике внизу.

За последние годы значительно увеличилось количество применений электродвигателей с регулированием скорости вращения преобразователем частоты. Это объясняется многими преимуществами таких применений:

• Со стороны управления - управление может быть установлено удаленно в подходящем месте, оставляя в зоне обработки только электродвигатель - в противоположность гидравлическим и механическим системам регулирования скорости.
• Снижение затрат - прямой запуск электродвигателя вызывает броски тока, что может навредить электродвигателю и другому электрическому оборудованию в связанной электрической системе. Преобразователь частоты обеспечивает мягкий запуск электродвигателя, и как результат уменьшение затрат на обслуживание оборудования.
• Увеличение производительности - промышленные системы часто делаются "с запасом" из-за ожидания увеличения производительности в будущем. Преобразователи частоты позволяют регулировать рабочую скорость в зависимости от оборудования и производственных потребностей.
• Энергоэффективность - общий КПД системы зависит не только от используемого электродвигателя, но и от используемого способа управления.

Преобразователи частоты обычно имеют высокий КПД, достигающий 97% и выше. Асинхронные электродвигатели также имеют высокий уровень КПД, достигающий 95% и выше в больших силовых электрических машинах, работающих в номинальных режимах.

Универсальность - статические преобразователи частоты используются как для применений с постоянным моментом нагрузки так и с переменным. В применениях с переменным моментом (низкий крутящий момент на низких скоростях) напряжение на зажимах электродвигателя уменьшается. В применениях с постоянным моментом (или постоянной мощностью) улучшение эффективность системы происходит благодаря возможности планой регулировки скорости, без необходимости использования нескольких электродвигателей и механических систем для изменения скорости (например, шкивы и шестерни), которые вводят дополнительные потери.

Высокое качество - точный контроль скорости с преобразователем частоты оптимизирует процесс, что обеспечивает более высокое качество конечного продукта.