Регулирование скорости электродвигателей моечных машин для корнеплодов

Регулирование скорости электродвигателей моечных машин для корнеплодов

В агропромышленном комплексе во всех технологических линиях корнеплоды сначала моют, а только потом измельчают. При этом толщина резки корнеплодов для скармливания крупному рогатому скоту и птице отличается примерно в 2 раза. В технологическом процессе задействованы нерегулируемые асинхронные двигатели, запускаемые от сети с помощью контакторов. Изменение скорости двигателя измельчителя осуществляется за счет использования двухскоростного двигателя.

Существенные недостатки моечных машин при использовании нерегулируемых двигателей:

• двухскоростной двигатель измельчителя дороже обычного и неэнергоэффективен;
• при работе с двумя фиксированными скоростями двигателя отсутствует возможность подстройки измельчителя;
• при недостаточной очистке корнеплодов оператору приходится вручную корректировать процесс загрузки;
• при недогрузке моечной машины большой количество очистной воды расходуется впустую;
• транспортер грязи работает при малой загрузке с максимальной скоростью, то есть эксплуатируется в крайне неэнергоэффективном режиме.

Одним из технологических решений, позволяющих устранить существующие недостатки моечной машины, является применение частотных преобразователей.

Для примера возьмем задачу автоматизации машины для мойки корнеплодов ИКМ-5.

Технологическая схема ИКМ-5 представлена на рисунке.

1 – рама, 2 – транспортер-камнеуловитель, 3, 6, 10 – электродвигатели, 4 – душевое устройство, 5 – кожух, 7 – выбрасыватель, 8 – измельчитель, 9 – крышка измельчителя, 11 – шнек мойки, 12 – ванна, 13 – крылач, 14 – люк, 15 – вентиль, 16 – шкив привода шнека

В данной моечной машине можно применять, в зависимости от задач до четырех преобразователей частоты:

• преобразователь частоты для электродвигателя измельчителя;
• преобразователь частоты для электродвигателя транспортера – камнеуловителя;
• преобразователь частоты для электродвигателя насоса подачи очистной воды;
• преобразователь частоты для электродвигателя шнека мойки.

Преимущества использования преобразователя частоты измельчителя:

• снижаются механические нагрузки на двигатель при пуске;
• обеспечивается защита электродвигателя от перегрузок, короткого замыкания и перенапряжения;
• имеется возможность подстройки скорости двигателя для измельчения различных кормов и оптимизации режима работы, в зависимости от загрузки.

Преимущества использования преобразователя частоты транспортер-камнеуловителя:

• при снижении загрузки транспортера снижается скорость вращения, то есть двигатель эксплуатируется в энергоэффективном режиме;
• снижаются механические нагрузки на двигатель при пуске;
• обеспечивается защита электродвигателя от перегрузок, короткого замыкания и перенапряжения.

Преимущества использования преобразователя частоты для насоса подачи очистной воды:

• снижаются механические нагрузки на двигатель при пуске;
• обеспечивается защита электродвигателя от перегрузок, короткого замыкания и перенапряжения;
• при обработке корнеплодов с незначительной загрязненностью можно снизить подачу очистной воды (значительно снижается энергопотребление двигателя).

Преимущества использования преобразователя частоты электродвигателя шнека:

• снижаются механические нагрузки на двигатель при пуске;
• обеспечивается защита электродвигателя от перегрузок, короткого замыкания и перенапряжения;
• при обработке корнеплодов со значительной загрязненностью можно снизить скорость движения шнека, что приводит к лучшему обмыванию корнеплодов водой (повышается качество очистки) и позволяет оптимизировать энергопотребление установки.

Схемы подключения преобразователей частоты для управления электроприводами шнека и насоса:

Перечень элементов используемого оборудования:

В предложенной схеме есть следующие особенности:

1. Запуск двигателей происходит по переключению слаботочного тумблера SA1.
2. Разрешением запуска двигателя шнека является запуск двигателя насоса.

Схемы подключения преобразователей частоты двигателей измельчителя и транспортера-камнеуловителя являются стандартными и приведены в инструкции по эксплуатации.

Применяемое оборудование

Преобразователи частоты
Общепромышленные электродвигатели переменного тока
Выключатели нагрузки (в т.ч. рубильники)

Регулирование частоты вращения электродвигателей

Порядка 70% потребляемой промышленностью мощности, приходится на электропривод. Огромное разнообразие технологических процессов диктует свои правила, вследствие чего, появилась необходимость в изменении скорости вращения электродвигателя непосредственно во время технологического процесса. В данной статье мы раскроем различные способы регулирования скорости вращения электродвигателей.

Параметры, изменив которые, мы изменим скорость двигателя переменного тока (ДПТ):

• частота напряжения;
• число пар полюсов;
• величина напряжения;
• добавочное сопротивление в цепи ротора;
• вентильный каскад.

Изменяемые параметры для ДПТ:

• напряжение питания;
• сопротивление цепи обмотки якоря;
• магнитный поток.

Методы регулирования частоты вращения электродвигателя

Далее мы подробно рассмотрим эти способы и их применимость к различным типам электродвигателей.

Частотное регулирование

Наиболее эффективный, постоянно совершенствующийся способ.
Применение: двигатели переменного тока (синхронные и асинхронные с кз ротором).
Корректируя частоту питающего напряжения, мы изменим угловую скорость магнитного поля статора, следовательно, скорость двигателя в значительном диапазоне, имея достаточно жесткие механические характеристики. Для сохранения в норме коэффициента мощности и допустимости кратковременных перегрузок, меняя частоту, следует изменять и саму величину питающего напряжения.

Преимущества способа:

• обширный диапазон регулировки;
• «жесткость» механических характеристик;
• минимум потерь «скольжения», мощности.

Недостаток — высокая стоимость (в последние годы становится менее актуально).

Регулирование изменением числа пар полюсов

Применение: т.к. промышленность не выпускает серийно синхронные двигатели с изменяемым количеством пар полюсов, будем считать, что способ актуален только для асинхронных двигателей (далее АД) с кз ротором.
Способ реализуется изменением числа пар полюсов у обмоток. Этого можно добиться, изготовив двигатель с двумя независимыми обмотками. Но этот метод приводит к удорожанию конструкции и увеличению размеров машины. Поэтому наиболее выгодным является увеличение числа пар полюсов без использования второй независимой обмотки.
Промышленностью выпускаются двухскоротсные, трёхскоростные и четырёхскоростные электродвигатели.

Достоинства:

• экономичность;
• «жёсткие» механические характеристики.

Недостатки:

• ограниченное количество возможных скоростей;
• ступенчатость переключения скоростей.

Изменение питающего напряжения

Применение: асинхронные двигатели.

Изменять напряжение на статоре можно, включая в его цепь резисторы (старый и неэкономичный способ), автотрансформаторы или тиристорные регуляторы.
При регулировании скорости изменением напряжения, критический момент пропорционален квадрату подводимого напряжения. Снижается устойчивость к кратковременным перегрузкам и КПД, поэтому метод предпочтителен при «вентиляторной» нагрузке. Еще один недостаток — малый диапазон регулирования.

Добавочное сопротивление в цепи ротора

Применение: АД с фазным ротором.
При изменении сопротивления ротора прямо пропорционально изменяется скольжение. Но величина критического момента остается постоянной. Это позволяет подобрать сопротивления так, чтобы уравнять критический момент с пусковым, что благоприятно сказывается на пуске двигателя под нагрузкой.

Достоинства способа:

• простота реализации;
• критический момент = const;

Недостатки:

• большие потери (при изменении скорости половина мощности тратится на выделение тепла);
• малый диапазон;
• «мягкие» механические характеристики.

Асинхронный вентильный каскад

Применение: АД с фазным ротором.

Смысл регулирования каскадными схемами заключается в подаче в цепь ротора добавочной ЭДС. Изменяя добавочную ЭДС ротора, мы изменяем ток ротора, а значит его момент и скорость. Создать добавочную ЭДС, помимо устройства вентильного каскада, может и ДПТ — машинно-вентильный каскад.

Достоинства:

• Минимум сопутствующей силовой и контактной аппаратуры;
• плавность регулировок;
• малая мощность управления.

Недостатки:

• стоимость;
• низкий коэффициент мощности;
• плохая устойчивость к перегрузкам.

Изменение напряжения питания якоря

Применение: любые ДПТ.
Способ можно использовать если источником электрической энергии является генератор. Реализовать от общей сети невозможно.

Достоинства:

• плавность регулировок;
• простота пусков и торможений;
• экономичность.

Недостатки:

• необходимость трехкратного преобразования энергии→низкий КПД;
• три электрические машины в системе;
• дорогая эксплуатация.

Введение добавочного резистора в цепь якоря

Применение: любые ДПТ.

Заключается в последовательном включении в цепь якоря регулировочного реостата. Но способ не получил распространения ввиду своей неэкономичности и плохого влияния на КПД двигателя, т.к. в цепи реостата теряется очень большое количество энергии.

Регулирование изменением магнитного потока

В цепь возбуждения двигателей параллельного и смешанного возбуждения подключается реостат. В машинах последовательного возбуждения изменение магнитного потока в обмотке возбуждения производится шунтированием этой обмотки регулируемым сопротивлением. Максимальная скорость вращения двигателя ограничивается лишь механической прочностью якоря. Скорость двигателя регулируется в диапазонах 2:1-5:1, в частных случаях 8-10:1.

Общие сведения об электрических машинах — Изменение скорости вращения путем изменения первичного напряжения и другие

Скорость вращения двигателя можно регулировать путем изменения (уменьшения) напряжения на его зажимах. Это основано на зависимости M = f(s) (185), которую, предполагая постоянными параметры двигателя и неизменной частоту приложенного напряжения в пределах по s<sKр, можно записать в виде M = c1U1s. Отсюда следует, что при постоянном моменте па валу двигателя скольжение s меняется при изменении напряжения в соответствии с зависимостью

На рисунке 176 даны кривые вращающих моментов двигателя при различных значениях первичного напряжения; если скольжение s1 соответствует работе двигателя при напряжении.

Рис. 176. Механические характеристики асинхронного двигателя при различных величинах напряжения.

Как видно, диапазон регулирования скорости вращения, равной (1—s), весьма невелик. Расширение диапазона регулирования получается при более пологих механических характеристиках, то есть в двигателях с большим значением sK. Но следует помнить, что потери, возникающие во вторичной цепи, равны мощности скольжения [см. формулу (159)]. К недостаткам относится также и то, что при
снижении напряжения пропорционально его квадрату падает перегрузочная способность двигателя. К достоинствам этого способа относятся возможность применения его к короткозамкнутым двигателям, плавное регулирование скорости вращения, простота и надежность в работе. Напряжение на зажимах двигателя при неизменном напряжении сети изменяют при помощи установленных между сетью и статором двигателя регулируемого автотрансформатора или управляемых дросселей насыщения. При изменении значения постоянного тока подмагничивания индуктивное сопротивление дросселей изменяется, что вызывает изменение напряжения на зажимах двигателя.
Ухудшение охлаждения самовентилируемых двигателей при снижении скорости вращения приводит к необходимости повышать номинальную мощность двигателя (увеличивать габарит регулируемого двигателя по сравнению с нерегулируемым). Степень завышения мощности зависит от формы механической характеристики двигателя (ее пологости в области рабочих режимов), вида статической нагрузки и диапазона регулирования.
Выбор электродвигателя по мощности, дросселей насыщения или автотрансформатора для регулируемого привода представляет собой самостоятельный вопрос, рассматриваемый в курсах электропривода и в периодической литературе.
Способы регулирования скорости вращения изменением напряжения перспективны прежде всего для приводов с вентиляторной характеристикой момента, механизма или постоянным моментом, но при малом диапазоне регулирования. Такие приводы достаточно распространены в сельскохозяйственном производстве.
Метод регулирования скорости вращения изменением напряжения применяется также для двигателей с фазным ротором, причем в этом случае для получения более пологих механических характеристик двигателя в цепь ротора включают добавочные сопротивления.

Другие способы регулирования скорости вращения

Рассмотренные способы регулирования скорости вращения можно отнести к наиболее распространенным. Из возможных других можно назвать способ регулирования скорости вращения двигателя с фазным ротором при включении в цепь ротора индуктивных сопротивлений, наглухо присоединенных к цепи ротора и размещенных на одном валу с ним (двигатель Розова, рис. 178), а также способ импульсного регулирования. При импульсном регулировании непрерывно включают двигатель в сеть и отключают его от сети или при помощи контактора К шунтируют сопротивления, включенные между сетью и статором двигателя (рис. 179).

Рис. 178. Двигатель с индуктивными сопротивлениями в роторе:
а — электрическая схема; б — внешний вид; в — конструкция индуктивного сопротивления; 1 — катушка; 2 — корпус диска; 3 — крышка.

Рис. 179. Схема импульсного регулирования скорости вращения асинхронного двигателя.

В зависимости от частоты и продолжительности импульсов двигатель работает с некоторой приблизительно постоянной скоростью вращения. Регулирование сопряжено с ухудшением энергетических показателей, сопровождается толчками токов и применяется только для двигателей весьма малой мощности.

Способы управления трехфазным двигателем и регулирования его скорости

Управление трехфазными двигателями может осуществляться несколькими способами. Мы расскажем о самых распространенных методах и рассмотрим их достоинства и недостатки.

Переключение секций обмоток статора на разное число пар полюсов

Древо- и металлообрабатывающие станки, подъемники и многие другие механизмы работают на разных скоростях и не нуждаются в плавном регулировании. Для управления ими достаточно привода со ступенчатым изменением скорости.

Вы можете обеспечить некоторое количество фиксированных скоростей вращения с помощью многоскоростного короткозамкнутого двигателя, переключая обмотку статора на различное число пар полюсов. Скорость вращения магнитного потока в этом случае изменяется благодаря распределению МДС в расточке статора. Если соотношение пар полюсов составляет 1:2, обмотки каждой из фаз представляют собой две секции. Изменяя направление тока в одной из них, вы измените число пар полюсов в 2 раза.

Частотный способ управления

Этот способ позволяет плавно регулировать скорость в достаточно широких пределах, сохраняя характеристики работы двигателя. Скорость вращения ротора изменяется путем изменения частоты питающего тока и скорости вращения магнитного поля.

Вам понадобится преобразователь частоты, способный преобразовать ток питающей сети 50 Гц в ток регулируемой переменной частоты, который плавно изменяется в широких пределах. Многие частотные преобразователи, выпускаемые современной промышленностью, выполняют векторное или бездатчиковое управление и регулируют выходные частоты в диапазоне 0-800 Гц.

Этот метод управления предполагает использование двух каналов управления – по напряжению и по частоте. При уменьшении частоты с целью сохранения магнитного потока неизменным требуется в то же время снижать уровень напряжения.

Изменение напряжения, подводимого к статору

Чтобы форма механической характеристики двигателя оставалась постоянной, а скорость достигала нужного вам значения, нужно воспользоваться способом изменения напряжения. На обычных двигателях диапазон регулирования скорости не слишком велик. Большего диапазона можно добиться на двигателях повышенного скольжения. Для обеспечения устойчивой работы агрегата необходимо применять замкнутую систему, которая гарантирует стабилизацию скорости.

Когда вы меняете статический момент, система регулирования начинает поддерживать заданный уровень скорости, и одна механическая характеристика переходит в другую. Источником с регулируемым напряжением служат тиристорные преобразователи (обычно функционирующие в импульсном режиме) либо магнитные усилители. Заданную скорость обеспечивает среднее напряжение, поддерживающееся на зажимах статора.

Использование автотрансформаторов с секционными обмотками и трансформаторов для регулирования напряжения на зажимах возможно, но не всегда целесообразно, поскольку эти агрегаты достаточно дороги и не могут обеспечить высокое качество регулирования, к тому же с ними доступно исключительно ступенчатое изменение напряжения. Автотрансформаторы обычно применяют, если необходимо ограничить пусковой ток в мощном двигателе.

Параметрическое управление

Этот способ означает введение добавочного сопротивления в цепи двигателя. Поскольку активное сопротивление цепи статора незначительно влияет на значение критического скольжения, введение в цепь статора дополнительного сопротивления малоэффективно, и такой метод практически не применяется. Если статический момент неизменен, скорость лишь слегка понизится.

Примерно такой же эффект дает введение в цепь статора индуктивного сопротивления. При этом немного уменьшается критическое скольжение, а вот момент двигателя снижается существенно, так как сопротивление увеличивается.

Добавочное сопротивление в цепи статора может ограничить пусковые токи. Тогда дополнительное активное сопротивление обеспечивают тиристоры, а дополнительное индуктивное сопротивление – дроссели.

Такой же незначительный эффект оказывает введение добавочного индуктивного сопротивления в цепь ротора. Гораздо лучше регулирует скорость добавочное активное сопротивление в цепи ротора.

Ввиду всего вышеизложенного, использование способа параметрического управления обосновано в том случае, когда необходимо кратковременное снижение скорости во время технологического процесса, либо если процессы управления скоростью полностью сочетаются с циклом пуска и торможения исполнительного механизма.

Способы регулирования скорости трехфазных двигателей выбираются в зависимости от целей, которые вы преследуете, типа и модели двигателя и рабочего механизма, особенностей технологического процесса и т.д.