О частотном регулировании асинхронного привода.

Аватара пользователя
Автор темы
T-Duke

О частотном регулировании асинхронного привода.

Сообщение #1 T-Duke » 10 фев 2016, 16:37

Так как вижу что в соседней теме возникают некоторые споры и даже заблуждения, решил создать отдельную тему, где моя темность осветит некоторые вопросы связанные с асинхронным приводом. Буду стараться говорить простыми словами на пальцах. Всяких дотошных буквоедов, которые цепляются к тому о чем не упомянул для экономии места и времени - прошу идти мимо. Я не собираюсь здесь писать монографию из многих глав, описывая каждый нюанс. Только главное, важное для понимания. Так же для тех кому нечего делать, или хочется холиварить, прошу, не нужно превращать этот форум в подобие чипа. Троллям там самое место, а здесь хочется конструктивно общаться и если кому, что непонятно - задавйте вопросы.

О роторе.
Итак самое главное что нужно сказать и с чего нужно начать. Асинхронные двигатели работают при наличии такого явления как скольжение поля. Когда вращающееся магнитное поле статора по скорости вращения, опережает ротор.
Только при наличии скольжения в беличьем колесе ротора наодится ЭДС и возникает крутящий момент. Детально углубляться не будем. Главное что нужно понимать - если скольжение равно нулю, то есть ротор верится с той же скоростью, что и поле статора, то крутящий момент тоже нулевой.
Второе, что важно понимать - для конкретного двигателя есть предельная величина скольжения. При таком скольжении крутящий момент ротора максимален. Если еще больше увеличить скольжение, то момент начинает падать. Графики момента в зависимости от скольжения (скорости ротора) можно найти в учебниках. Классический пример запуск 50Гц асинхронника от сети 50Гц при большой нагрузке на валу. В начальный момент скольжение очень велико. Ибо ротор почти неподвижен, а поле вертится с полной частотой. Скольжение значительно выше предельного и крутящий момент сильно ниже, чем в случае предельного скольжения. Это объясняется резким ростом потерь в роторе при превышении критического скольжения.

Итак, чтобы получать максимально возможный момент асинхронника во всем диапазоне скоростей, ПЧ должен строго поддерживать одну и ту же величину скольжения - то есть предельное скольжение, или его можно назвать оптимальным. С такой задачей может справиться только векторный частотник. Если двигатель управляется векторным частотником, то там даже при частоте в несколько Гц, возможен полный крутящий момент. Если частотник не векторый, а обычный, у которого нет ОС по скорости ротора, скольжение ротора будет произвольно меняться в зависимости от нагрузки на двигатель, и оптимального момента во всем диапазоне оборотов мы не получим.

О статоре.

Второй важный фактор - статор двигателя. Вернее то, что он электрически представляет собой для сети переменного тока, или для ПЧ. Электрически двигатель собой представляет индуктивность, последовательно включенную со сопротивлением обмоток. И параллельно ко всему этому подключена распределенная межвитковая емкость. Для этой темы емкость обмоток не играет роли, поэтому будем рассматривать статор двигателя как индуктивность и сопростивление включенное последовательно с индуктивностью. Важный момент здесь - номинальная частота, на которую изготовлен двигатель и номинальне напряжение питания в рекомендованном подключении. например частота 50Гц, напряжение 380В - звезда.

Чтобы понять поведение двигателя при изменении частоты протекающего через него тока, для начала проведем эксперимент. Вытащим из двигателя ротор, оставим только статор и будем подавать в двигатель переменный ток различной частоты. Зачем убираем ротор? Когда поговорим об асинхроннике как о трансформаторе станет понятно. Убрав же ротор из асинхронника, мы превращием его в банальный дроссель.

Итак убрали ротор и подали на двигатель номинальное напряжение, номинальной частоты, скажем 50Гц. Через обмотки статора начнет течь ток ХХ двигателя и вокруг полюсов статора начнет вращаться магнитное поле с частотой обратной пропорциональной числу пар полюсов. В двухполюсном двигателе частота вращения поля совпадает со сетью - 50Гц. В 4-х полюсном в 2 раза меньше 25Гц, во 8-ми полюсном 12.5Гц и т.д. Но сейчас это не важно. Важно понять что статор предназначен для создания внутри своего объема, вращающегося магнитного поля заданной частоты и силы.

Так вот статор двигателя включен в сеть 50Гц, на которую он рассчитан и по обмоткам течет некий ток ХХ. Возникает вопрос - А что если мы частоту тока сети уменьшим, или увеличим? Возьмем и подадим вместо номинальных 50Гц, частоту 25Гц. Что-то изменится. А именно уменьшится сопротивление обмоток двигателя переменному току. Ровно в 2 раза. Ток ХХ вырастет в два раза. Если подадим на обмотки ток с частотой 100Гц, то сопротивление обмоток увеличится и ток ХХ упадет в 2 раза. То есть статор асинхронника без ротора, ведет себя как классический дроссель - обыная индуктивно-резистивная нагрузка в сети переменного тока.

Об асинхронном двигателе, как о вращающемся трансформаторе.

А теперь первый раз проведу аналогию между асинхронником и трансформатором. Пока на роторе нет нагрузки и ротор вращается равномерно, для сети переменного тока (или ПЧ) двигатель представляет собой аналог первичной обмотки трансформатора включенного в сеть переменного тока. При чем вторичная обмотка которого нагружена на довольно большое сопротивление, представляющее собой различные потери.
Пока на вторичной обмотке обычного транса нет нагрузки, то первичная обмотка ведет себя как дроссель большой индуктивности. Через первичку протекает небольшой ток ХХ, его еще называют током намагничивания.

То же самое и с асинхронником. Пока нагрузки на валу нет, то через обмотку статора протекает небольшой ток ХХ, создающий вращающееся магнитное поле в статоре и компенсирующий разные потери, например на трение в подшипниках.
Снова вернемся к обычному трансу, но теперь во вторичку включим нагрузку, например лампочку. Это моментально приведет к тому, что первичная обмотка почувствует эту нагрузку и отреагирует на это тем, что уменьшит свой имеданс переменногому току. Строго говоря тут нужно говорить не об импедансе, а о принципах работы трансформатора. Но чтобы короче - будем думать, что меняется импеданс, что в принципе тоже правильно, если не вдаваться в детали. То есть как только появится нагрузка на вторичке, в первичке сразу подскочит потребление тока. Аналогичная ситуация с асинхронником. Как только мы дадим нагрузку на ротор, это моментально скажется на обмотке статора и ток через обмотку увеличится, для компенсации воздействия нагрузки.

То есть асинхронный двигатель являет собой вращающийся трансформатор сразу преобразовывающий переменный ток в механическую работу на выходе. Первичкая обмотка такого транса - обмотка статора. Вторичная обмотка - беличье колесо в роторе. Выход не электрический а механический.

Об управлении асинхронным приводом.

Теперь когда мы понмаем, что асинхронник это по сути трансформатор, хоть и своеобразный, рассмотрим работу такого транса на разных частотах.

Если мы подаем на ненагруженный транс номинальную частоту 50Гц, то через первичку течет номинальный ток ХХ. Если уменьшаем частоту до 25Гц, то через транс начинает течь ток ХХ в два раза выше. То есть на ровном месте ток становится выше в два раза. Нагрев обмотки от холостого тока растет уже в четыре раза, по закону Джоуля-Ленца. То есть мы ничего не меняли кроме частоты. Нагрузку не подключали, а ток уже вырос.
Если еще уменьшим частоту, например до 12.5Гц, то ток ХХ вырастет в 4 раза по сравнению с номинальным при 50Гц. Нагрев обмотки током ХХ вырастет уже в 16 раз. То есть видим, что тут что-то нужно делать.

Выход есть. Он называется законом управления V/f = const. Если мы изменяем частоту которой питаем трансформатор, то мы должны изменить и напряжение подаваемое на транс, чтобы не менялся ток через первичку. То есть, если мы питаем двигатель рассчитанный на 380В и 50Гц, от сети частотой 25Гц, то напряжение в этой сети должно составлять уже половину - 190В. Иначе двигатель будет работать в нерасчетном режиме, с большими потерями как в меди, так и в стали статора.

Главный вывод из этого - при уменьшении частоты тока питающего двигатель - необходимо уменьшать напряжение подаваемое на этот двигатель. Этим и занимаются частотники. Когда мы выкручиваем регулятор на 25Гц, частотник вместо положенных 220В дает уже 110В и двигатель работает в своих номинальных параметрах.

А как же на счет крутящего момента ротора? А ему наплевать на напряжение, которым питают статор двигателя. Ротору нужно скольжение и номинальная индукция поля. Если нужное скольжение обеспечено, и хватает тока через обмотки для создания номинальной индукции поля, то обеспечен и номинальный крутящий момент. То есть, если мы питаем асинхронник током частоты 25Гц и напряжением 110В, то это никак не сказывается на крутящем моменте, если скольжение не изменилось.

Этот факт и говорит о том, что векторный частотник может давать хороший момент на низах, вплоть до нескольких Гц, так как он выдерживает заданное скольжение. Ограничением крутящего момента на низах, служит сопростивление провода обмоток статора, а если точнее то потери на обмотках при попытке достичь той же индукции поля, при пониженном напряжении питания. Когда частота вращения поля низкая, то на двигатель подается напряжение сильно ниже номинального и больше сказывается влияние оммического сопротивления обмоток. Это равноценно тому, что сам закон V/f=const начинает меняться. Вместо константы в правой части уравнения появляется переменная величина, которая может быть к тому же нелинейной. Хороший векторный частотник знает как управляться с этой перменной, поэтому возможен высокий крутящий момент, даже на частоте порядка 1Гц. Хотя все это ценой повышенных потерь, то есть пониженного КПД двигателя. Тут ничего не поделать это недостатки асинхронного привода.

Вот блин, затронул только самое главное в общих чертах, даже не трогал двигатели с переключением полюсов, а сколько текста уже. Если же вдаваться в детали, то можно целую книгу написать. Так что всяких педантов, прошу понять, что всех деталей нельзя упомянуть в одном посте и выясняя их можно на сотни страниц разойтись.

Если публике будет интересно, то мое темнейшество может осветить вопрос торможения асинхронника, когда он переходит в режим генератора.
Technology is insignificant comparing to the power of the Force.

Аватара пользователя
Георгий

О частотном регулировании асинхронного привода.

Сообщение #2 Георгий » 10 фев 2016, 16:58

Припасу эту тему (ссылку) для любителей связывать частоту вращения двигателя с развиваемым моментом на валу оного.
Что называется - разжевали и в рот положили. :good2:
С удовольствием прочту и о вопросе торможения.

Аватара пользователя
Автор темы
T-Duke

О частотном регулировании асинхронного привода.

Сообщение #3 T-Duke » 10 фев 2016, 17:04

Надо будет сюда перетащить с чипа свою тему об обычных двигателях и развить ее для случая бесколлекторников.
Technology is insignificant comparing to the power of the Force.

Аватара пользователя
DOC

О частотном регулировании асинхронного привода.

Сообщение #4 DOC » 10 фев 2016, 17:40

Сообщение не по теме
T-Duke писал(а):Источник цитаты Надо будет сюда перетащить с чипа свою тему об обычных двигателях и развить ее для случая бесколлекторников.

Обязательно нужно! :) будем ждать!
Свернуть
Да, раньше этот мир был куда больше…
- Нет, мир остался прежним. Стало меньше содержимого.

Аватара пользователя
Akondr

О частотном регулировании асинхронного привода.

Сообщение #5 Akondr » 10 фев 2016, 17:56

T-Duke писал(а):Источник цитаты для случая бесколлекторников.

Мечтаю бесколлекторник авиамодельный приобрести с драйвером и контроллером. Шпиндель замутить на станок... :good2:

Аватара пользователя
neon

О частотном регулировании асинхронного привода.

Сообщение #6 neon » 10 фев 2016, 19:09

лучше тогда мотор-колесо для велосипеда использовать, как я считаю. Можно сделать полый вал, да и момент будет гораздо больше, как и перегрузочная способность, из-за лучших условий охлаждения. Авиамодельный рассчитан на интенсивное охлаждение набегающим потоком воздуха от воздушного винта или за счёт воздухозаборников. Средняя мощность в стационарных условиях его резко уменьшится, да и игрушка это больше, чем серьёзный привод, особенно если взглянуть на подшипники.
«То, что я понял, — прекрасно, из этого я заключаю, что остальное, что я не понял, — тоже прекрасно». Сократ.

Аватара пользователя
Автор темы
T-Duke

О частотном регулировании асинхронного привода.

Сообщение #7 T-Duke » 10 фев 2016, 19:24

Если недогружать авиамодельник по току, например в 2 раза, то тепловыделение на нем снизится в 4 раза. Авиамодельники в принципе подходят даже нормально. Большой недостаток - довольно высокие обороты, что требует редуктора, примерно двухступенчатого. Вкусными становятся мощные авиамодельные - на несколько кВт и обороты при этом не выше 6000. Если давать в них ток в 2 раза меньше номинального, то они очень хороши и греться сильно не будут и шумят не больше обычных двигателей.

А мотор-колесо самый подходящий вариант для прямого привода. Но при одинаковом весе, быстроходный двигатель с редуктором мощнее.
Technology is insignificant comparing to the power of the Force.

Аватара пользователя
Валерий

О частотном регулировании асинхронного привода.

Сообщение #8 Валерий » 10 фев 2016, 19:57

Поддерживаю автора в его начинании.
На всякий случай положу в раздел "Электронные книги" наш учебник по трехфазному электроприводу.

Аватара пользователя
_NazaR_

О частотном регулировании асинхронного привода.

Сообщение #9 _NazaR_ » 10 фев 2016, 23:52

T-Duke писал(а):Источник цитаты убрали ротор и подали на двигатель номинальное напряжение, номинальной частоты, скажем 50Гц. Через обмотки статора начнет течь ток ХХ двигателя

Это уже будет не ток ХХ,а ток близкий к КЗ т.к без ротора индуктивное сопротивление обмотки станет ничтожно мало и как следствие перегрев и возгорание со всеми вытекающими ,в лучшем случае выбивание защиты.
Все люди делятся на два вида: нормальные и те, кто постоянно жует пиццу и сходит с ума по всяким механизмам..

Аватара пользователя
_NazaR_

О частотном регулировании асинхронного привода.

Сообщение #10 _NazaR_ » 10 фев 2016, 23:56

T-Duke писал(а):Источник цитаты статор асинхронника без ротора, ведет себя как классический дроссель

Согласен,только в данном случае как дроссель с разомкнутым магнитопроводом и огромными токами в обмотке.
Все люди делятся на два вида: нормальные и те, кто постоянно жует пиццу и сходит с ума по всяким механизмам..


Вернуться в «Электропривод»

Кто сейчас на конференции

Сейчас этот форум просматривают: нет зарегистрированных пользователей и 0 гостей