Асинхронен двигател

Асинхронните двигатели се отличават с надеждна работа, сравнително елементарна конструкция, директно захранване от мрежа за променлив ток и отсъствие на специални изисквания по отношение на поддръжката. Изброените предимства обясняват широкото им разпространение във всички сфери на промишлеността. Известно е, че асинхронните двигатели са два основни вида - с фазен и накъсо съединен ротор. Схемите за управление на двата вида асинхронни двигатели са различни.

Асинхронните двигатели с накъсо съединен ротор имащи малка или средна мощност при напрежение до 1000 V, се пускат чрез пряко включване на статорната намотка към мрежовото напрежение. Схемата се реализира чрез използването на трифазен контактор. Съответните команди за пускане и спиране могат да се подадат от различни командни устройства. Най-често за целта намират приложение бутони за управление. Съществуват два основни подхода за електрозахранване на асинхронните двигатели с накъсо съединен ротор - директно към мрежата или чрез трансформатор, който осигурява потенциално разделяне на управляващите вериги и намаляване на захранващото напрежение.

Управлението на многоскоростните асинхронни двигатели с накъсо съединен ротор се реализира на базата на схеми, чрез които се осъществява

превключване на намотките на статора

с цел осигуряване на различен брой двойки полюси и диапазон на изменение на скоростта на двигателя. Например, нека разгледаме асинхронен двигател с една намотка, която се включва в звезда при високата скорост и в триъгълник при ниската. В подобни приложения превключването на секциите на намотката би могло да се осъществи чрез контактори. От своя страна, командите за пускане на висока и ниска скорост могат да се подават с бутони за управление. Изключването на двигателя също би могло да се реализира с бутон за управление. Съществуващи алтернативи в техническите средства за реализиране на тези функции са универсални превключватели и контролери. Така описаната схема осигурява изменение на скоростта на двигателя в процеса на работа, без да е необходимо спирането му. За целта изключващите контакти и бутони за управление изключват по-рано включения контактор. Логично, схемите за управление на трискоростни асинхронни двигатели включват три линейни контактора, съответно предназначени да включват намотките на статора за всяка от трите скорости.

В приложения, характеризиращи се с маломощна захранваща мрежа, мощните асинхронни двигатели с накъсо съединен ротор се пускат с

ограничаване на пусковия ток

и пусковия момент на двигателя. Технически по-ниското напрежение, подавано от статора към двигателя, се осъществява чрез три базови решения - включване на допълнителни резистори, реактори или автотрансформатори в процеса на пуск на машината. Управлението на двигателя със схеми с резистори и реактори е идентично. Посредством контактор, към статора на двигателя се подава по-ниско напрежение. В края на пускането, също посредством контактор се шунтира резисторът, съответно реакторът, при което на статора се подава пълното напрежение. Логично контакторът, благодарение на който към статора се подава по-ниско напрежение, се изключва.

В схемата с автотрансформатор се използват три контактора. Първоначално, в процеса на пускане на машината се включват два от тях и посредством автотрансформатора статорът на двигателя се захранва с понижено напрежение. В края на процеса на пуск двата контактора се изключват, включва се третият контактор и статорът на машината се захранва с пълното мрежово напрежение.

Характерна особеност на схемите с резистори и реактори са

ниските пускови моменти на двигателя

Причината е, че моментът на двигателя при пускане намалява пропорционално на квадрата на отношението на токовете в схемата с ограничаване на пусковия ток и схемата с пряко пускане. От своя страна, схемата с автотрансформатор се характеризира с висок пусков момент на двигателите. В тази схема, пусковият момент на двигателя се намалява пропорционално на първата степен на отношението на токовете.

Асинхронните двигатели с фазен ротор се пускат с ограничаване на момента. Управлението на момента при пускане и спиране на такива електрозадвижвания е параметрично степенно, базирано на резисторно регулиране на тока. Резисторите се включват в роторната верига. Контактори се използват за подаване на напрежение към статорната намотка. В случаите, при които контакторите за променлив ток са трифазни, се използва само един контактор. Ако контакторите са за постоянен ток - при еднополюсните се използват три, а при двуполюсните - два. Характерно за

асинхронните двигатели с фазен ротор

е пускането с приблизително постоянна стойност на пусковия момент. Това се реализира чрез изключване на степените на пусковия резистор при намаляване на момента на двигателя до стойността на момента на превключване. Изключването на степените се осъществява чрез шунтирането им с контактите на управляващи контактори. Точността на стабилизиране на момента е функция на броя на степените на пусковия резистор. Броят на степените му се избира и в зависимост от статичния съпротивителен момент. При двигатели с номинален ток на ротора до 900 А най-разпространена е схемата с по два контакта на всеки ускоряващ контактор. Схемата с по три контакта, включени в триъгълник или звезда, се използва сравнително рядко и основно в случаите, при които е възможно да се използват контактори с по-малки размери. Ако големината на тока в ротора е по-висока от 900 А, намират приложение две или повече паралелни вериги на пусковите резистори.

Моментът при пускането на асинхронните двигатели с фазен ротор се управлява на базата на

времево базирана програма

Елемент от управляващата схема са електромагнитни релета за време за постоянен ток. В приложения, характеризиращи се с редки пускания на двигателя, съчетани с използването на трифазни контактори за променлив ток, в схемата за управление, релетата за ускоряване се захранват от полупроводников изправител. Съответно, в приложения, за които са характерни чести пускания на асинхронния двигател, се използват контактори с бобини за постоянен ток. Схемата на управление е аналогична на гореописаната и се захранва от общ изправител или мрежа за постоянно напрежение. Постоянство на моментите на превключване се осигурява чрез настройване на ускоряващите релета. Командите за пускане или спиране на двигателя могат да се подават от различни управляващи устройства, включително бутони за управление, ключове за управление, контролери и др.

Стабилизирането на скоростта и момента

на електрозадвижванията за променлив ток се осъществява на базата на три основни решения. Първото включва управляеми преобразуватели на променливото мрежово напрежение и преобразуватели на честотата, захранващи статорната намотка. Второто се базира на управляеми преобразуватели в роторната верига, познато още като реостатно регулиране и регулиране по схемата на асинхронно-вентилния каскад. Друго решение включва използването на електромагнитни съединители с хлъзгане.

Затворена система на управление с отрицателна обратна връзка по скорост се използва за стабилизиране на скоростта в електрозадвижванията с управляем преобразувател на напрежението в статорната верига. Причината е, че при отворена система преобразувателят на напрежение осигурява регулиране на момента на електрозадвижването. Преобразувателите на напрежение не се използват широко във функцията на средство за регулиране на скоростта на асинхронен двигател с накъсо съединен ротор в затворена система при продължителен работен режим. Сравнително слабото им използване се дължи основно на ограничения диапазон на регулиране на скоростта при постоянен момент, поради значителните загуби в двигателя. Доста по-широко се използват електрозадвижвания с асинхронен двигател с фазен ротор и допълнителен резистор в роторната верига.

Честотното управление на асинхронните двигатели

се базира на използването на схема преобразувател на честота - асинхронен двигател. Най-широко разпространените преобразуватели на честота за управление на електрозадвижвания с асинхронни двигатели са тиристорните. От своя страна, тиристорните преобразуватели са два основни вида - със звено за постоянен ток и с непосредствена връзка. Характерно за тиристорните преобразуватели на честота със звено за постоянен ток е, че напрежението на променливотоковата верига първоначално се изправя, след това се изглажда. Посредством автономен инвертор вече изправеното и изградено напрежение се преобразува в напрежение с регулируема честота и амплитуда.

Тиристорните преобразуватели на честота със звено за постоянен ток също са различни видове - с управляем или неуправлвяем изправител, с автономен инвертор на ток или на напрежение. При използване на тиристорни преобразуватели с управляем изправител (УИ), управлението на напрежението и честотата на преобразувателя се свежда до въздействие върху УИ. Посредством въздействие върху управляемия изправител се регулира напрежението на тиристорния преобразувател. При тиристорни преобразуватели с неуправляем изправител се използват автономни инвертори с широчинно-импулсна модулация. Напрежението и честотата се управляват посредством въздействие върху автономния инвертор по разделени канали.

Основното предимство на схемата с

управляемия изправител

се изразява в сравнително лесната й реализация. Недостатъците й не са малко - нисък фактор на мощността, зависим от ъгъла на регулиране на тиристорите на управляемите изправители; съществено специфично тегло на висшите хармоници в кривата на изходното напрежение, водещо до появата на допълнителни смущения в системата и др. Като недостатък се определя и изменението на захранващото напрежение на инвертора, както и необходимостта от поддържане на запаси по капацитет на комутиращите кондензатори. За разлика от описаните схеми, тези на тиристорните преобразуватели на честота с неуправляем изправител и автономен инвертор се отличават с редица предимства. Сред основните техни предимства е индивидуалното комутиране на тиристорите, характерно за автономния инвертор на напрежение. Схемата на автономния инвертор включва - силови тиристори, отсичащи диоди и диоди на възвратния мост. Всеки от силовите тиристори разполага с отделен блок за комутация. Като недостатък на тези тиристорни преобразуватели се посочва сложността им и големият брой елементи, породени от наличността на комутиращи блокове.

Характерно за

честотнотоковото управление

на електрозадвижвания за променлив ток е, че в тиристорния преобразувател на честота се използват автономни инвертори на ток (АИТ). Предназначението на АИТ е да формира променлив по честота ток на двигателя. Често сталибизаторът на ток, захранващ инвертора, се изпълнява на основата на управляем изправител. Предимство на инверторите на ток е по-лесната им реализация в сравнение с инверторите на напрежение, основно поради факта, че не съдържат възвратен диоден мост. Основна специфика на тиристорните преобразуватели на честота с автономни инвертори на ток е възможността, която предлагат за връщане на енергия в мрежата. Високата енергийна ефективност на тези решения обяснява все по-широкото им разпространение. Управляващият изправител в затворените системи преминава автоматично в инверторен режим, осигурявайки връщане на енергия в мрежата. Използването на реверсивни изправители дава възможност за реализиране на рекуперативен режим на работа в електрозадвижванията с автономен инвертор на напрежение.

Като основен недостатък на тиристорните преобразуватели на честота с АИТ се счита усложняването им, поради необходимостта от осигуряване на синусоидален ток на двигателя.

Двата основни начина за управление на асинхронните двигатели - управление с допълнително електродвижещо напрежение и управление с допълнителен резистор чрез широчинно-импулсен модулатор, се реализират чрез

тиристорни преобразуватели

включени в роторната верига. Различна би могла да бъде силовата част на асинхронните електрозадвижвания, управлявани с допълнително електродвижещо напрежение в роторната верига. Асинхронните електрозадвижвания от този тип се наричат асинхронно-вентилни каскади (АВК). Влияние върху силовата им част оказват видовете използвани тиристорни преобразуватели на честота, принципите за управлението им и начините за включването им в роторната верига. Управлението на двигателите се реализира с тиристорни преобразуватели на честота със звено за постоянен ток и с непосредствена връзка. Когато е необходимо да се реализира двузоново регулиране на скоростта, тиристорните преобразуватели на честота с непосредствена връзка са по-доброто техническо решение, по мнението на експерти.

Реверсирането на асинхронните електродвигатели

се базира на схеми, които осигуряват превключване на две от фазите на захранващото напрежение, подавано от статора към двигателя. Когато се използват трифазни контактори за променлив ток за осигуряване на двете посоки на въртене на двигателя, са достатъчни два контактора. Съответно, ако се използват еднополюсни контактори за постоянен ток, необходимият брой контактори е шест.

Защити при асинхронни електрозадвижвания

С цел предпазване на електрооборудването от повреди и повишаване сигурността му на работа електрозадвижванията разполагат с вградена електрическа защита. Сравнително елементарна е защитата на електрозадвижвания с двигатели до 1000 V. При двигатели с по-високо напрежение схемите за защита прогресивно се усложняват и оскъпяват с нарастването на големината на напрежението. Основните защити при електрозадвижвания са - нулева, максималнотокова, топлинна и специална.

Както е известно, нулевата защита е срещу самопускане на двигателя при сериозно намаляване или кратковременно прекъсване на напрежението на захранващата мрежа. Технически нулевата защита на електрозадвижванията се реализира чрез използването на линейни контактори и автоматични прекъсвачи. Характерно за електрозадвижвания, които при аварии може да спрат, без това да наруши производственият цикъл, е, че нулевата защита изключва двигателя и спира механизма. За разлика от тях, във високоотговорни електрозадвижвания защитата не изключва двигателя, а осъществява самопускането му. В подобни схеми вместо бутони за управление се използват прекъсвачи.

Максималнотоковата защита

има предназначение да защитава електрозадвижването от къси съединения. Реализира се от стопяеми предпазители, максималнотокови релета и автоматични прекъсвачи. Максималнотоковата защита изключва консуматора от мрежата в аварийни режими. Трябва да се има предвид, че при изграждане на максималнотокова защита на задвижване с асинхронен двигател с накъсо съединен ротор, токът, който издържа стопяемата вложка, се определя в зависимост от режима на пускане. За разлика от тях, при асинхронните двигатели с фазен ротор изборът на стопяемата вложка се прави на базата на номиналния ток на двигателя.

Когато се използват максималнотокови релета, бобината им се включва в две фази на захранващата мрежа, а контактите - във веригата на бобината на линейния контактор или във веригата на релето за напрежение. За приложения, в които максималнотоковата защита се реализира чрез автоматични прекъсвачи, като такива могат са се използват едно-, дву- и триполюсни прекъсвачи.

Топлинната защита

се използва, за да защитава двигателите от претоварване. Реализира се чрез електротоплинни, максималнотокови релета и автоматични прекъсвачи с топлинни изключватели. В приложения, при които топлинната защита се изгражда на базата на електротоплинно реле, то се включва в две фази - непосредствено или чрез токови трансформатори. Последните се използват в случаите, при които токът на двигателя превишава номиналния ток на релето. Характерно за тази защита е, че след като предизвикат изключване на двигателя от захранващата мрежа, за последващо включване се изисква намесата на оператор. Нагревателният елемент на електротоплинното реле се избира в зависимост от номиналната мощност на двигателя или тока на нагревателния елемент, който, от своя страна, е функция на номиналния ток на двигателя и температурата на околната среда.

При електрозадвижвания, поддържащи

повторно-кратковременни режими на работа

характеристиките на нагряване на релето и двигателя са различни, което налага за защита от претоварване да се използват максималнотокови релета. Сравнително често, подобна защита се използва при асинхронните двигатели за защита от претоварване и работа на две фази. В този случай, токът на релето трябва да има стойност, по-малка от тока на двигателя при работа на три фази и по-голяма от тока на двигателя при работа на две фази.

Специфика, която следва да се отчете при използването на максималнотокови релета, е, че токовете им на настройка са по-малки от пусковите. Следователно, за да се пусне двигателят, контактите на максималнотоковите релета трябва да се шунтират с контакта на релето за време.

Това се прави с отчитане на необходимостта периодът от време, през който релетата се шунтират, да бъде по-голям от времетраенето на пусковия процес на двигателя.

Източник: Инженерно ревю