Сгорел АС двигатель 3кВт 3000 об/мин , Управлялся частотником

В настоящее время применяются две системы регулирования скорости вращения роторов асинхронных двигателей (АД), основанные на двух разных принципах частотного управления:
1. Скалярное или вольт-частотное U/f-регулирование;
2. Векторное регулирование.
Скалярное или U/f-регулирование – это изменение скорости вращения ротора АД путём воздействия на частоту питающего напряжения при одновременном изменении величины (модуля) этого напряжения. Различают 2 метода скалярного управляния:
- без обратной связи по скорости вращения ротора;
- с обратной связью по скорости вращения ротора.
Вольт-частотный способ без обратной связи (ОС) по скорости ротора широко применяется в схемах управления асинхронными электродвигателями, в приводе оборудования, работающего с постоянной нагрузкой. Благодаря простой конструкции без датчиков обратной связи, невысоких требований к вычислительной способности управляющего блока, сравнительно низкой стоимости, такие ПЧ массово используються в несложных электроприводах. Скалярный метод позволяет реализовать групповое управление однотипными электродвигателями с их одновременным пуском и остановкой.
Один из основных недостатков скалярного вольт-частотного управления – зависимость скорости вращения ротора АД от нагрузки. Без обратной связи по скорости ротора невозможно поддерживать оптимальной величину скольжения ротора. Такие ПЧ не позволяют одновременно управлять частотой вращения ротора с поддержанием постояннного крутящего момента на валу. Скалярные частотные преобразователи также не обладают высокой перегрузочной способностью. Ещё один существенный недостаток скалярных ПЧ – потеря жёсткости механических характеристик на небольших скоростях.
Скалярный вольт-частотный способ управления с энкодером (датчиком оборотов или скорости вращения ротора) позволяет существенно расширить возможности скалярного метода. При этом величина U/f поддерживается при различных скоростях вращения ротора.
При возрастании угловой частоты вращения ротора, напряжение на обмотках статора АД также должно увеличиваться. Однако, в асинхронных электрических машинах частота вращения магнитного поля статора не совпадает со скоростью вращения ротора из-за наличия скольжения. Скольжение при этом зависит от нагрузки на валу АД. Для компенсации скольжения в схему электропривода добавляют датчик скорости или энкодер. Обратная связь по скорости вращения ротора позволяет повысить точность поддержания скорости вращения ротора до 0,03%. Таким образом, скалярное управление с энкодером позволяет устранить недостаточную точность регулирования скорости вращения ротора при изменении механической нагрузки.

Векторное регулирование – это метод управления скоростью вращения ротора АД не только путём воздействия на частоту питающего напряжения при одновременном изменении величины (модуля) этого напряжения, но и обеспечивающий управление магнитным потоком обмоток АД. В основе векторного управления лежит представление о напряжениях, токах и потокосцеплениях, как о пространственных векторах. При векторном управлении скоростью АД имеется возможность поддерживать постоянство потокосцепления электромагнитных полей статора и ротора, в отличие от скалярного регулирования, где потокосцепление этих полей может меняться при изменении токов ротора и статора вследствие изменения частоты, напряжения или нагрузки на валу АД, что приводит к снижению темпа изменения электромагнитного момента в переходных процессах.
Векторное регулирование может быть как с обратной связью по скорости ротора, так и без неё. Наиболее совершенные ПЧ используют векторное регулирование с обратной связью по скорости ротора, но для реализации данного метода требуются специальные АД с встроенными датчиками скорости вращения ротора.

О роторе АД.
Асинхронные двигатели (АД) работают при наличии такого явления как скольжение поля, когда вращающееся электромагнитное поле статора по скорости вращения опережает скорость вращения ротора. Только при наличии скольжения в беличьем колесе ротора АД наводится ЭДС и возникает крутящий момент. Если скольжение равно нулю, то есть ротор вращается с той же скоростью, что и поле статора, то крутящий момент тоже будет нулевой.
Для конкретного АД существует предельная величина скольжения. При таком скольжении крутящий момент на валу АД максимален. Если увеличить скольжение, то момент начинает падать. Например, рассмотрим запуск АД от сети 50 Гц при большой нагрузке на валу. В начальный момент скольжение очень велико, ибо ротор почти неподвижен, а поле статора вращается с номинальной частотой. При этом скольжение значительно выше предельного и крутящий момент значительно ниже, чем в случае предельного скольжения. Это объясняется резким ростом потерь в роторе при превышении критического скольжения. Чтобы получить максимально возможный момент АД во всём диапазоне частот, ПЧ должен строго поддерживать одну и ту же величину скольжения – т.е. предельное (оптимальное) скольжение. С такой задачей может справиться только векторный ПЧ с обратной связью по скорости вращения ротора (но не скалярный ПЧ), поскольку только при векторном управлении скоростью АД имеется возможность поддерживать постоянство потокосцепления электромагнитных полей статора и ротора, в отличие от скалярного регулирования. Если АД управляется векторным ПЧ, то даже при частоте в несколько Гц возможно получение номинального крутящего момента. Если ПЧ не векторый, а обычный скалярный или векторный без обратной связи по скорости ротора, то скольжение ротора будет произвольно меняться в зависимости от нагрузки на АД, и оптимального момента во всем диапазоне частот не будет!

О статоре АД.
Электрически статор любого АД представляет собой индуктивность, последовательно включенную с активным сопротивлением обмоток. Параллельно к ней подключена распределённая межвитковая емкость, которой можно пренебречь из-за её незначительной величины. Важный момент – номинальная частота, на которую изготовлен АД и номинальное напряжение питания, например, частота 50 Гц, напряжение 380 В, соединение обмоток Y "звезда".
Чтобы понять поведение АД при изменении частоты протекающего через него тока, для начала проведем эксперимент. Вытащим из АД ротор, оставим только статор и будем подавать на него переменный ток различной частоты. Убрав ротор из АД, мы превращаем его в банальный дроссель.
При подаче на него номинального напряжения, номинальной частоты 50 Гц, через обмотки статора начнёт течь ток холостого хода (ХХ) АД и вокруг полюсов статора начнёт вращаться магнитное поле с частотой, обратнопропорциональной числу пар полюсов статора. В двухполюсном АД (с одной парой полюсов) синхронная частота вращения поля равна 3000 об/мин. С двумя парами полюсов частота вращения поля в 2 раза меньше и равна1500 об/мин, в 6-ти полюсном АД (3 пары полюсов) – 1000 об/мин и т.д. Но сейчас это не важно. Важно понять, что статор предназначен для создания вращающегося магнитного поля заданной частоты и силы. Когда статор АД включен в сеть 50 Гц, на которую он рассчитан и по его обмоткам течёт некий ток ХХ. Возникает вопрос, что будет если уменьшить, или увеличить частоту напряжения сети?
Если уменьшить частоту питающего напряжения в 2 раза до 25 Гц, то ровно в 2 раза уменьшится сопротивление обмоток АД переменному току. При этом сила тока ХХ возрастет в 2 раза.
Если увеличить частоту питающего напряжения в 2 раза до 100 Гц, то ровно в 2 раза увеличится сопротивление обмоток АД переменному току. При этом сила тока ХХ уменьшится в 2 раза. Т.е. статор АД без ротора ведёт себя как классический дроссель – обыная индуктивно-резистивная нагрузка в сети переменного тока.
Теперь проведём аналогию между АД и трансформатором. Пока на роторе нет нагрузки и ротор вращается равномерно, для сети переменного тока (или для ПЧ) АД представляет собой аналог первичной обмотки трансформатора, включенного в сеть переменного тока, вторичная обмотка которого нагружена на довольно большое сопротивление, представляющее собой различные потери ХХ. Пока на вторичной обмотке обычного транса нет нагрузки, то его первичная обмотка тоже ведёт себя как дроссель большой индуктивности. Через первичку протекает небольшой ток ХХ, называемый током намагничивания.
То же самое и с АД. Пока нагрузки на валу нет, через обмотку статора протекает небольшой ток ХХ, создающий вращающееся магнитное поле в статоре и компенсирующий различные потери, например на трение в подшипниках.
Снова вернёмся к обычному трансу, но теперь подключим к его вторичке активную нагрузку, например, лампу накаливания. Это моментально приведёт к тому, что первичная обмотка отреагирует на это тем, что уменьшит свой имеданс (полное сопротивление) переменногому току (строго говоря, следует говорить не об импедансе, а о принципах работы трансформатора. Но для краткости будем думать, что меняется импеданс, что в принципе тоже правильно, если не вдаваться в детали). Как только появится нагрузка на вторичке, в первичке сразу же подскочит потребление тока.
Аналогичная ситуация и с АД. Как только мы дадим механическую нагрузку на ротор, это моментально скажется на обмотке статора и ток через его обмотки увеличится для компенсации воздействия нагрузки. Т.е. АД представляет собой вращающийся трансформатор, преобразующий переменный ток в механическую работу. Первичная обмотка такого транса – это обмотка статора АД. Вторичная обмотка – беличье колесо ротора АД.

Об управлении асинхронным приводом.
Теперь когда мы понмаем, что АД – это по сути вращающийся трансформатор, хоть и своеобразный, рассмотрим его работу на разных частотах питающего напряжения.
Если подать на ненагруженный транс номинальную частоту 50 Гц, то через первичку потечёт номинальный ток ХХ. Если уменьшить частоту до 25 Гц, то через транс начинает течь ток ХХ в два раза выше. При этом нагрев обмотки от тока ХХ возрастёт по закону Джоуля-Ленца уже в четыре раза! Т.е. даже ничего не меняя, кроме частоты, можно увеличить ток ХХ в разы!
Если ещё уменьшить частоту, например, до 12,5 Гц, то ток ХХ вырастет в 4 раза по сравнению с номинальным при 50 Гц. При этом нагрев обмотки током ХХ вырастет уже в 16 раз! Очевидно, что надо что-то делать, чтобы не сжечь АД.
Выход есть и он называется вольт-частотным законом управления U/f = const. Если изменять частоту напряжения питания АД, то необходимо обязательно изменять и напряжение, подаваемое на АД, чтобы не менялся ток через обмотки статора. Например, если запитать АД, рассчитанный на напряжение 380 В и частоту 50 Гц, от сети (от ПЧ) частотой 25 Гц, то напряжение при этом должно составлять уже половину номинального, т.е. равное 190 В, иначе АД будет работать в нерасчётном режиме, с большими потерями как в меди, так и в стали статора.

Главный вывод: При уменьшении частоты тока, питающего АД, необходимо уменьшать напряжение питания. Это и реализуется в различных ПЧ. Когда задана частота 25 Гц, ПЧ вместо положенных 220 В выдает уже 110 В и АД работает при своих номинальных параметрах.
А что на счёт крутящего момента ротора? А ротору наплевать на напряжение, которым питают статор двигателя. Ротору нужно скольжение и номинальная индукция электромагнитного поля. Если нужное скольжение будет обеспечено, и сила тока через обмотки статора будет достаточна для создания номинальной индукции поля, то будет обеспечен и номинальный крутящий момент. Т.е., если АД питается током частоты 25 Гц и напряжением 110 В, то это никак не скажется на крутящем моменте ротора, если скольжение не изменилось.
Этот факт и говорит о том, что векторный ПЧ с обратной связью по скорости ротора может создавать хороший вращающий момент вплоть до частоты в несколько Гц, так как он поддерживает заданное скольжение.
Ограничением крутящего момента на низких частотах, служит сопротивление провода обмоток статора, а если точнее, то потери в обмотках при попытке достичь той же индукции поля, при пониженном напряжении питания. Когда частота вращения поля низкая, то на АД подаётся напряжение значительно ниже номинального, при этом сильнее сказывается влияние оммического сопротивления обмоток. Это равноценно тому, что сам закон U/f = const начинает меняться и вместо константы в правой части уравнения появляется переменная величина, которая может быть к тому же нелинейной. Хороший векторный ПЧ с обратной связью по скорости ротора умеет управляться с этой перменной, поэтому он может обеспечить высокий крутящий момент, даже на частотах порядка нескольких Гц. Хотя всё это достигается ценой повышенных потерь, то есть пониженного КПД двигателя. Тут ничего не поделать – это недостатки асинхронного привода.

» Скрыть... «