Controllo del motore trifase, metodi di controllo della velocità del motore

Il controllo dei motori asincroni può essere parametrico, ovvero modificando i parametri dei circuiti della macchina, o tramite un convertitore separato.

Controllo parametrico

Lo scorrimento critico dipende debolmente dalla resistenza attiva del circuito dello statore. Quando viene introdotta una resistenza aggiuntiva nel circuito dello statore, il valore diminuisce leggermente. La coppia massima può essere notevolmente ridotta. Di conseguenza, la caratteristica meccanica assumerà la forma mostrata in Fig. 1.

Riso. 1. Caratteristiche meccaniche di un motore asincrono quando si modificano i parametri del circuito primario e secondario: 1 - naturale, 2 e 3 - con l'introduzione di una resistenza attiva e induttiva aggiuntiva nel circuito dello statore

Confrontandolo con la caratteristica naturale del motore, possiamo concludere che l'introduzione di una resistenza aggiuntiva nel circuito dello statore ha scarso effetto sulla velocità. A coppia statica costante, la velocità diminuirà leggermente.Pertanto, questo metodo di controllo della frequenza è inefficiente e non viene utilizzato in questa versione più semplice.

Anche l'introduzione di resistenza induttiva nel circuito dello statore è inefficace. Anche lo slittamento critico diminuirà leggermente e la coppia del motore viene notevolmente ridotta a causa dell'aumento della resistenza. La corrispondente caratteristica meccanica è mostrata nella stessa fig. 1.

A volte viene introdotta una resistenza aggiuntiva nel circuito dello statore per limitare le correnti di spunto… In questo caso, le bobine vengono solitamente utilizzate come resistenza induttiva aggiuntiva e i tiristori vengono utilizzati come attivi (Fig. 2).

Riso. 2. Compresi i tiristori nel circuito dello statore

Tuttavia, va tenuto presente che ciò riduce significativamente non solo il critico, ma anche coppia di avviamento del motore (in c = 1), il che significa che l'avviamento in queste condizioni è possibile solo con un piccolo momento statico. L'introduzione di una resistenza aggiuntiva nel circuito del rotore è ovviamente possibile solo per un motore a rotore avvolto.

La resistenza induttiva aggiuntiva nel circuito del rotore ha lo stesso effetto sulla velocità del motore di quando viene introdotta nel circuito dello statore.

In pratica, l'uso della resistenza induttiva in un circuito del rotore è estremamente difficile a causa del fatto che deve funzionare a una frequenza variabile - da 50 Hz a diversi hertz e talvolta frazioni di hertz. In tali condizioni, è molto difficile creare uno strozzamento.

A bassa frequenza, la resistenza attiva dell'induttore influirà principalmente. Sulla base delle considerazioni di cui sopra, la resistenza induttiva nel circuito del rotore non viene mai utilizzata per il controllo della velocità.

Il modo più efficace per il controllo parametrico della velocità consiste nell'introdurre una resistenza attiva aggiuntiva nel circuito del rotore. Questo ci dà una famiglia di caratteristiche con coppia massima costante. Queste caratteristiche vengono utilizzate per limitare la corrente e mantenere una coppia costante e possono anche essere utilizzate per controllare la velocità.

Nella fig. 3 mostra come cambiando r2, i.e. input rext, è possibile in un momento statico modificare la velocità in un ampio intervallo, da nominale a zero. In pratica però è possibile regolare la velocità solo per valori sufficientemente grandi del momento statico.

Riso. 3. Caratteristiche meccaniche di un motore asincrono con l'introduzione di una resistenza aggiuntiva nel circuito del rotore

A bassi valori di (Mo) nella modalità quasi al minimo, l'intervallo di controllo della velocità è notevolmente ridotto e dovranno essere introdotte resistenze aggiuntive molto grandi per ridurre sensibilmente la velocità.

Va tenuto presente che durante il funzionamento a basse velocità e con coppie statiche elevate, la stabilità della velocità sarà insufficiente, poiché a causa dell'elevata pendenza delle caratteristiche, lievi fluttuazioni della coppia provocheranno variazioni significative della velocità.

A volte, per fornire l'accelerazione del motore senza successiva rimozione delle sezioni del reostato, un reostato e una bobina induttiva sono collegati in parallelo agli anelli del rotore (Fig. 4).

Riso. 4. Collegamento in parallelo di ulteriore resistenza attiva e induttiva nel circuito del rotore del motore asincrono

Al momento iniziale dell'avviamento, quando la frequenza della corrente nel rotore è elevata, la corrente viene principalmente chiusa attraverso il reostato, ad es.attraverso una grande resistenza che fornisce una coppia di spunto sufficientemente elevata. Al diminuire della frequenza, la resistenza induttiva diminuisce e anche la corrente inizia a chiudersi attraverso l'induttanza.

Quando si raggiungono le velocità di esercizio, quando lo scorrimento è piccolo, la corrente scorre principalmente attraverso l'induttore, la cui resistenza a bassa frequenza è determinata dalla resistenza elettrica dell'avvolgimento rrev. Pertanto, all'avviamento, la resistenza esterna del circuito secondario viene automaticamente modificata da rreost a roro e l'accelerazione avviene a coppia praticamente costante.

Il controllo parametrico è naturalmente associato a grandi perdite di energia. L'energia di scorrimento, che sotto forma di energia elettromagnetica viene trasmessa attraverso il traferro dallo statore al rotore e viene solitamente convertita in meccanica, con una grande resistenza del circuito secondario, va principalmente a riscaldare questa resistenza, e a s = 1 tutta l'energia trasferita dallo statore al rotore, verrà consumata nei reostati del circuito secondario (Fig. 5).

Riso. 5. Perdite nel circuito secondario durante la regolazione della velocità di un motore asincrono introducendo una resistenza aggiuntiva nel circuito del rotore: I - zona di potenza utile trasmessa all'albero motore, II - zona di perdite nelle resistenze del circuito secondario

Pertanto, il controllo parametrico viene utilizzato principalmente per la riduzione della velocità a breve termine nel corso del processo tecnologico eseguito dalla macchina operatrice.Solo nei casi in cui i processi di regolazione della velocità sono combinati con l'avvio e l'arresto della macchina funzionante, come ad esempio negli impianti di sollevamento, il controllo parametrico con l'introduzione di una resistenza aggiuntiva nel circuito del rotore viene utilizzato come mezzo principale di controllo della velocità.

Regolazione della velocità variando la tensione applicata allo statore

Quando si regola la velocità di un motore a induzione variando la tensione, la forma della caratteristica meccanica rimane invariata ei momenti diminuiscono in proporzione al quadrato della tensione. Le caratteristiche meccaniche alle diverse sollecitazioni sono mostrate in Fig. 6. Come puoi vedere, nel caso di utilizzo di motori convenzionali, il campo di controllo della velocità è molto limitato.

Riso. 6… Regolazione della velocità di un motore a induzione variando la tensione nel circuito dello statore

È possibile ottenere una gamma leggermente più ampia con un motore ad alto scorrimento. Tuttavia, in questo caso, le caratteristiche meccaniche sono ripide (Fig. 7) e il funzionamento stabile del motore può essere ottenuto solo con l'uso di un sistema chiuso che fornisce la stabilizzazione della velocità.

Al variare della coppia statica, il sistema di controllo mantiene un determinato livello di velocità e si verifica il passaggio da una caratteristica meccanica all'altra, per cui il funzionamento continua alle caratteristiche indicate dalle linee tratteggiate.

Riso. 7. Caratteristiche meccaniche durante la regolazione della tensione dello statore in un sistema chiuso

Quando l'azionamento è in sovraccarico, il motore raggiunge la caratteristica limite corrispondente alla massima tensione possibile che fornisce il convertitore, e man mano che il carico aumenta ulteriormente, la velocità diminuirà in base a questa caratteristica. A basso carico, se il convertitore non riesce a ridurre la tensione a zero, si verificherà un aumento della velocità in base alla caratteristica AC.

Gli amplificatori magnetici oi convertitori a tiristori vengono solitamente utilizzati come sorgente controllata in tensione. Nel caso di utilizzo di un convertitore a tiristori (Fig. 8), quest'ultimo di solito funziona in modalità a impulsi. In questo caso, ai terminali dello statore del motore a induzione viene mantenuta una certa tensione media, necessaria per garantire una determinata velocità.

Riso. 8. Schema di controllo della velocità ad impulso di un motore asincrono

Per regolare la tensione ai morsetti dello statore del motore sembrerebbe possibile utilizzare un trasformatore o autotrasformatore con avvolgimenti sezionati. Tuttavia, l'uso di blocchi trasformatori separati è associato a costi molto elevati e non fornisce la necessaria qualità di regolazione, poiché in questo caso è possibile solo una variazione graduale della tensione ed è praticamente impossibile introdurre un dispositivo di commutazione di sezione in un sistema automatico. Gli autotrasformatori vengono talvolta utilizzati per limitare le correnti di spunto di motori potenti.

Controllo della velocità commutando le sezioni dell'avvolgimento dello statore su un numero diverso di coppie di poli

Ci sono una serie di meccanismi di produzione che durante il processo tecnologico devono lavorare a diversi livelli di velocità, mentre non c'è bisogno di una regolazione dolce, ma è sufficiente avere un azionamento con un cambio di velocità discreto, graduale. Tali meccanismi includono alcune macchine per la lavorazione dei metalli e del legno, ascensori, ecc.

È possibile ottenere un numero limitato di velocità di rotazione fisse motori a gabbia di scoiattolo a più velocità, in cui l'avvolgimento dello statore passa a un diverso numero di coppie di poli. La cella di scoiattolo di un motore a celle di scoiattolo forma automaticamente il numero di poli pari al numero di poli dello statore.

Vengono utilizzati due modelli di motore: con più avvolgimenti in ciascuna cava dello statore e con un singolo avvolgimento le cui sezioni vengono commutate per produrre un numero diverso di coppie di poli.

I motori a più velocità con più avvolgimenti di statore indipendenti sono inferiori in termini tecnici ed economici ai motori a più velocità a singolo avvolgimento. Nei motori a più avvolgimenti, l'avvolgimento dello statore viene utilizzato in modo inefficiente, il riempimento della cava dello statore è insufficiente, l'efficienza e il cosφ sono inferiori a quelli ottimali. La distribuzione principale è quindi ottenuta da motori ad avvolgimento singolo multivelocità con commutazione degli avvolgimenti su diverso numero di coppie polari.

Quando si cambiano le sezioni, la distribuzione MDS nel foro dello statore cambia. Di conseguenza, cambia anche la velocità di rotazione dell'MDS e quindi il flusso magnetico. Il modo più semplice è scambiare coppie di poli con un rapporto di 1: 2. In questo caso, gli avvolgimenti di ciascuna fase sono realizzati sotto forma di due sezioni.La modifica della direzione della corrente in una delle sezioni consente di dimezzare il numero di coppie polari.

Considera i circuiti dell'avvolgimento dello statore del motore, le cui sezioni sono commutate su otto e quattro poli. Nella fig. 9 mostra un avvolgimento monofase per semplicità. Quando due sezioni sono collegate in serie, cioè quando la fine della prima sezione K1 è collegata all'inizio della seconda H2, otteniamo otto poli (Fig. 9, a).

Se cambiamo la direzione della corrente nella seconda sezione al contrario, il numero di poli formati dalla bobina sarà ridotto della metà e sarà pari a quattro (Fig. 9, b). La direzione della corrente nella seconda sezione può essere modificata trasferendo il ponticello dai morsetti K1, H2 ai morsetti K1, K2. Inoltre, è possibile ottenere quattro poli collegando sezioni in parallelo (Fig. 9, c).

Riso. 9. Commutazione delle sezioni dell'avvolgimento dello statore su un numero diverso di coppie di poli

Le caratteristiche meccaniche di un motore a due velocità con avvolgimenti di statore commutati sono mostrate in Fig. dieci.

Riso. 10. Caratteristiche meccaniche di un motore a induzione quando si commuta l'avvolgimento dello statore di un numero diverso di coppie di poli

Quando si passa dallo schema a allo schema b (Fig. 9), la potenza del motore costante viene mantenuta a entrambi i livelli di velocità (Fig. 10, a). Quando si utilizza la seconda opzione di cambio, il motore può sviluppare la stessa coppia. È possibile cambiare sezioni dell'avvolgimento dello statore, fornendo un rapporto di velocità non solo 1: 2, ma anche altri. Oltre ai motori a due velocità, l'industria produce anche motori a tre e quattro velocità.

Controllo di frequenza di motori trifase

Come segue da quanto sopra, la regolazione della velocità del motore a induzione è estremamente difficile. Il controllo della velocità infinitamente variabile su un'ampia gamma pur mantenendo una rigidità sufficiente delle caratteristiche è possibile solo con un controllo parziale. Variando la frequenza della corrente di alimentazione e quindi la velocità di rotazione del campo magnetico è possibile regolare la velocità di rotazione del rotore del motore.

Tuttavia, per controllare la frequenza nell'impianto, è necessario un convertitore di frequenza, in grado di convertire una corrente a frequenza costante della rete di alimentazione di 50 Hz in una corrente a frequenza variabile che varia uniformemente su un'ampia gamma.

Inizialmente, ci sono stati tentativi di utilizzare convertitori su macchine elettriche. Tuttavia, per ottenere corrente a frequenza variabile da un generatore sincrono, è necessario far ruotare il suo rotore a velocità variabile. In questo caso i compiti di regolazione della velocità del motore in moto sono affidati al motore che aziona in rotazione il generatore sincrono.

Anche il generatore del collettore, che può generare una corrente di frequenza variabile a velocità di rotazione costante, non ha permesso di risolvere il problema, perché, in primo luogo, per eccitarlo è necessaria una corrente di frequenza variabile, e in secondo luogo, come tutte le macchine a collettore AC , sorgono grandi difficoltà, garantendo la normale commutazione del collettore.

In pratica, il controllo della frequenza iniziò a svilupparsi con l'avvento di dispositivi a semiconduttore… Allo stesso tempo, è stato possibile creare convertitori di frequenza per il controllo sia di centrali elettriche che di motori esecutivi in ​​servosistemi e servoazionamenti.

Insieme alla complessità della progettazione di un convertitore di frequenza, vi è anche la necessità di controllare simultaneamente due grandezze: frequenza e tensione. Quando la frequenza diminuisce per diminuire la velocità, l'equilibrio della tensione EMF e della rete può essere mantenuto solo aumentando il flusso magnetico del motore. In questo caso il circuito magnetico si saturerà e la corrente dello statore aumenterà intensamente secondo una legge non lineare. Di conseguenza, il funzionamento di un motore a induzione in modalità di controllo della frequenza a tensione costante è impossibile.

Riducendo la frequenza, per mantenere inalterato il flusso magnetico, è necessario ridurre contemporaneamente il livello di tensione. Pertanto, nel controllo della frequenza, devono essere utilizzati due canali di controllo: frequenza e tensione.

Riso. 11. Caratteristiche meccaniche di un motore a induzione alimentato con tensione a frequenza controllata e flusso magnetico costante

I sistemi di controllo della frequenza sono generalmente costruiti come sistemi a circuito chiuso e ulteriori informazioni su di essi sono fornite qui: Regolazione della frequenza di un motore asincrono