Даний розділ присвячений теоретичним основам частотного регулювання та принципам роботи пристрою плавного пуску.
Принцип роботи перетворювача частоти
Частотний перетворювач - пристрій, що дозволяє здійснювати регулювання швидкості обертання електродвигунів за допомогою зміни частоти електричного струму.
Для розуміння процесу частотного регулювання для початку необхідно згадати з курсу електротехніки принцип роботи асинхронного електродвигуна.
Обертання вала електродвигуна відбувається за рахунок магнітного поля створюваного обмотками статора. Синхронна частота обертання магнітного поля залежить від частоти напруги мережі живлення f і виражається наступною залежністю:
де p - число пар полюсів магнітного поля.
Під дією навантаження частота обертання ротора електродвигуна дещо відрізняється від частоти обертання магнітного благаючи статора внаслідок ковзання s:
Отже частота обертання ротора електродвигуна являє собою залежність від частоти напруги мережі живлення:
Таким чином необхідну частоту обертання валу електродвигуна n p можна отримати шляхом зміни частоти напруги мережі f. Ковзання при зміні частоти обертання не збільшується, а відповідно втрати потужності в процесі регулювання незначні.
Для ефективної роботи електроприводу і забезпечення максимальних значень основних характеристик електродвигуна потрібно разом з частотою змінювати і напругу живлення.
Функція зміни напруги в свою чергу залежить від характеру моменту навантаження. При постійному моменті навантаження M c = const напруга на статорі повинно регулюватися пропорційно частоті:
Для випадків вентиляторного режиму:
При моменті навантаження, назад пропорційному швидкості:
Таким чином, плавне регулювання частоти забезпечується одночасним регулюванням частоти і напруги на статорі асинхронного двигуна.
Рис 1. Схема частотного перетворювача
На рис. 1. представлена типова блок-схема низьковольтного перетворювача частоти. У нижній частині малюнка для кожного блоку наочно зображені графіки вхідних і вихідних напруг і струмів.
Для більш наочного розуміння принципу роботи інвертора розглянемо принципову схему частотного перетворювача на рис. 2
Мал. 2 - принципова схема низьковольтного перетворювача частоти
В основному в інверторах застосовується метод широтно-імпульсної модуляції (ШІМ). Принцип даного методу полягає в поперемінному включенні і виключенні ключів генератора, формуючи імпульси різної тривалості (рис. 3). Синусоїдальний сигнал виходить за рахунок індуктивності двигуна або застосування додаткового фільтра, що згладжує.
Мал. 3. Вихідний сигнал перетворювача частоти
Таким чином, керуючи процесом вмикання-вимикання інверторних ключів, ми можемо формувати вихідний сигнал потрібної частоти, а отже управляти технологічними параметрами механізму шляхом зміни частоти обертання приводу.
Теорія і принцип роботи пристрою плавного пуску
У зв'язку з особливостями перехідних процесів, що відбуваються під час пуску електродвигуна струми обмоток досягають 6-8 кратної величини номінального струму електродвигуна, а крутний момент на його валу досягає 150-200% від номінального значення. Як наслідок це збільшує ризик поломки механічної частини двигуна, а також призводить до падіння напруги мережі живлення.
Для рішення даних проблем на практиці застосовується пристрої плавного пуску електродвигунів. забезпечують поступове збільшення струмового навантаження.
Крім зниження струмових навантажень м'які пускачі дозволяють.
- Знизити нагрів обмоток двигуна;
- Знизити просадки напруги під час пуску;
- Забезпечити гальмування і подальший запуск двигуна у встановлений момент часу;
- Знизити гідроудари в напірних трубопроводах при роботі в складі приводу насоса;
- Знизити електромагнітні перешкоди;
- Забезпечити комплексний захист електродвигуна при пропажі фази, перенапруженні, заклинювання і ін;
- Підвищити надійність і довговічність системи в цілому.
Принцип роботи УПП
Типова схема пристрою плавного пуску представлена на рис. 1
Мал. 1. Типова схема пристрою плавного пуску
Зміною кута відкриття тиристорів здійснюється регулювання вихідної напруги УПП. Чим більше кут відкриття тиристора - тим більше величина вихідної напруги, що живить електродвигун.
Мал. 2. Формування вихідної напруги УПП
Беручи до уваги те що величина крутного моменту асинхронного електродвигуна пропорційна квадрату напруги, то зниження напруги знижує величину крутного моменту валу двигуна. За допомогою такого методу пускові струми електродвигуна знижуються до величини 2. 4 IНОМ. при цьому час розгону дещо збільшується. Наочне зміна механічної характеристики асинхронного електродвигуна при зниженні напруги показано на рис. 3
Рис 3. Механічні характеристика двигуна
Зниження струмового навантаження в процесі м'якого пуску електродвигуна наочно показані на рис. 4.
Мал. 4. Діаграма плавного пуску асинхронного електродвигуна показана
На рис. 1. продемонстрована типова схема пристрою плавного пуску однак варто відзначити, що реальна схема м'якого пускача буде завісити в першу чергу від умов його експлуатації. Наприклад, для побутового побутової інструменту і електродвигуна приводу промислової дробарки потрібні різні пристрої плавного пуску. Найважливішими параметрами, визначальними режими роботи пристроїв плавного пуску, є час пуску і максимальне перевищення по току.
Залежно від цих параметрів виділяють наступні режими роботи пристроїв плавного пуску:
- Нормальний. пуск 10-20 секунд, ток при пуску не більше 3,5 Iном.
- Важкий. пуск близько 30 секунд, струму при пуску не перевищує 4,5 Iном
- Надважкий. час розгону не обмежена, системи з велику інерцію, пусковий струм в діапазоні 5,5 ... 8 Iном
Пристрої плавного пуску можна розділити на наступні основні групи:
1. Регулятори пускового моменту
Даний тип пристроїв здійснює контроль тільки однієї фази трифазного двигуна. Контроль однією фазою дає можливість знижувати пускового момент електродвигуна двигуна, але при цьому зниження пускового струму відбувається незначне. Пристрої даного типу не можуть застосовуватися для зменшення струмових навантажень в період пуску, а також для пуску високоінерціонних навантажень. Однак вони знайшли застосування в системах з однофазними асинхронними електродвигунами.
2. Регулятори напруги без зворотного зв'язку
Даний тип пристроїв працює за наступним принципом: користувач задає величину початкового напруги і час його наростання до номінальної величини і навпаки. Регулятори напруги без зворотного зв'язку можуть здійснювати контроль як двох так і трьох фаз електродвигуна. Такі регулятори забезпечують зниження пускового струму зниженням напруги в процесі пуску.
3. Регулятори напруги зі зворотним зв'язком
Даний тип УПП є досконалішу модель описаного вище пристроїв. Наявність зворотного зв'язку з дозволяє управляти процесом збільшення напруги домагаючись оптимального режиму пуску електродвигуна. Дані про струмового навантаження дозволяє також організувати комплексний захист електродвигуна від перевантаження, перекосу фаз і т.п.
4. Регулятори струму зі зворотним зв'язком
Регулятори струму зі зворотним зв'язком являють собою найбільш досконалі пристрої плавного пуску. Принцип роботи заснований на прямому регулюванні струму а не напруги. Це дозволяє домогтися найбільш точне управління пуском електродвигуна, а також полегшує настройку і програмування УПП.