Regulatory prędkości

obrotowych silników i

układów

elektromechanicznych

Program Prezentacji:

-Wstęp

-Regulator Jamesa Watta

-Regulatory transformatorowe

-Regulatory tyrystorowe

-Regulatory triakowe

-Falowniki

Wstęp

Regulator - jeden z elementów składających się na obwód regulacji. Zadanie

regulatora polega na wygenerowaniu odpowiedniego sygnału sterującego, aby

obiekt regulowany w jak najkrótszym czasie osiągał wartość zadaną.

Regulator służy do doprowadzenia obiektu do żądanego stanu lub poprawy

niekorzystnych cech obiektu regulowanego. Regulator może np. poprawić

dynamikę obiektu regulowanego (silnik będzie szybciej osiągał

żądaną prędkość obrotową). 

Regulacją prędkości obrotowej nazywa się zmianę prędkości obrotowej

zamierzoną przez użytkownika. Zmian prędkości spowodowanych

zmianami obciążenia nie uważa się za regulację prędkości, ponieważ są

to zmiany naturalne, wynikające z własności ruchowych silnika.

Potrzeba regulacji prędkości obrotowej wynika z procesu

technologicznego (np. dobór odpowiednich prędkości skrawania w

obrabiarkach), dążenia do skrócenia czasu pracy itp.

W latach sześćdziesiątych i siedemdziesiątych znacząco rozwinęła się technika półprzewodnikowych elementów sterowanych. W napędzie elektrycznym rozpoczął się okres szerokiego stosowania tyrystorowych przekształtników do silników prądu stałego. Rozwijały się także badania w dziedzinie napędu prądu przemiennego, choć w zastosowaniach
przemysłowych znacznie wolniej niż w dziedzinie napędu z silnikami prądu stałego. Na przełomie lat 1980 i 1990 rozpoczęła się znacząca produkcja przemienników częstotliwości (przetwornice częstotliwości) stosowanych do zasilania silników prądu przemiennego. W pierwszej połowie lat 90 – tych technika wytwarzania przemienników stała się tyle

prosta, że aktualnie przetwornice częstotliwości są wytwarzane przez wiele firm. Konstrukcja współczesnego przemiennika częstotliwości umożliwia w prosty sposób uruchomienie regulowanego napędu z silnikiem prądu przemiennego (najczęściej trójfazowym).

Regulator

Jamesa Watta

Pierwszy regulator został zbudowany w 1788 roku

przez szkockiego inżyniera Jamesa Watta. Stosowano

go w 

maszynach parowych

. Regulator składał się z

dwóch lub trzech kul umocowanych na przegubowych

dźwigniach do wrzeciona obracanego przez silnik.

Gdy wzrastała prędkość obrotów silnika, kule wirujące wokół

wrzeciona odchylały się na zewnątrz pod wpływem siły

odśrodkowej blokując dopływ pary do silnika i tym samym

zmniejszając prędkość obrotową silnika. Pozwalało to utrzymywać

stałą prędkość obrotów koła zamachowego, a co za tym idzie

wszystkich maszyn podłączonych do danej jednostki napędowej.

Regulatory

Transformatorowe

Regulatory transformatorowe, zwykle 3- lub 5- stopniowe,

przeznaczone są do manualnej regulacji prędkości obrotowej jedno

i trójfazowych silników urządzeń rotacyjnych (wentylatory, pompy).

Regulacja ta następuje poprzez obniżanie napięcia zasilającego

uzyskiwanego z odczepów transformatora. Ustawianie stopni

prędkości obrotowych wymaga manualnego użycia przełączników

stopniowych. Regulacja ma charakter skokowy.

Schemat połączenia regulatora

transformatorowego regulującego

prędkość obrotową wentylatora w

nagrzewnicach wodnych

Regulatory transformatorowe są przeznaczone do regulacji obrotów wentylatorów

wyposażonych w silniki elektryczne przystosowane do regulacji poprzez obniżanie

napięcia zasilającego. Wybór napięcia wyjściowego odbywa sie manualnie, za

pomocą przełącznika umieszczonego na najczęściej na ściance czołowej

regulatora. Suma prądów maksymalnych wszystkich silników podłączonych do

regulatora

nie może przekraczać natężenia prądu nominalnego regulatora.

Regulatory

Tyrystorowe

Regulatory tyrystorowe - regulują bezstopniowo prędkość obrotową silnika

przez zmianę podawanego napięcia. Napięcie jest regulowane bezstopniowo

przy pomocy tyrystora. Do jednego regulatora można podłączyć kilka

silników, zachowując warunek, iż suma prądów znamionowych nie

przekroczy 80% wartości prądu maksymalnego regulatora

Zasadę działania przedstawia poglądowo powyższy
schemat. Tyrystor "górny" załączany jest podczas dodatniej
połówki napięcia zasilającego, natomiast "dolny" przy
ujemnej, w czasie gdy jest on spolaryzowany w kierunku
przewodzenia.
Wyłączenie tyrystora następuje w chwili zmiany polaryzacji
napięcia zasilającego.

Regulacja napięcia polega na załączaniu odpowiedniego tyrystora w określonym punkcie (od 0° do 180°

elektrycznych). Przy załączeniu "górnego" tyrystora w 0° i "dolnego" w 180° (licząc od początku układu

współrzędnych) na odbiorze wystąpi pełne napięcie zasilające.  Kiedy nie wysterujemy żadnego z

tyrystorów (lub wysterujemy kątem 180°) napięcie na odbiorniku jest równe zeru.

Gdy kąt załączania tyrystorów zmaleje do wartości równej kątowi fazowemu odbiornika , wówczas prąd

odbiornika jest ciągły, sinusoidalnie zmienny, przesunięty o kąt fazowy .

Zmniejszenie wartości kąta załączenia poniżej kąta fazowego nie powoduje zmian wartości napięcia i prądu

ale pod warunkiem długich impulsów bramkowych – w przeciwnym razie drugi tyrystor nie załączy się).

1- pokrętło regulacyjne 2- nakrętka 3- ścianka przednia 4- śruby mocujące 5-
obudowa 6- regulator 7- otwór montażowy 8- śruba 9- obudowa bezpieczników

Regulatory

Triakowe

Regulatory Triakowe – występują w postaci modułu cyfrowego regulatora

do silników, bazującego na triakach.

Regulację tę osiąga się poprzez obniżanie napięcia zasilającego metodą

cięcia fazy przy pomocy triaków.

Triak jest elementem półprzewodnikowym. Pod względem funkcjonalnym

stanowi odpowiednik przeciwsobnego połączenia równoległego dwóch

tyrystorów.

J eś l i do zł ąc za zo stani e prz ył ożo ne na pi ęci e zew nętrz ne, w ów czas rów no w aga zosta ni e zabur zona. W z al eżn ości o d bi eguno w ośc i nap i ęci a zew n ętrz nego rozróżn i a si ę dw a rodza j e p ol ary zacj i zł ąc za:  

- w ki e runku p rzew odzen i a (d odatn i bi egun n api ęc i a j e st do ł ącza ny d o obsz aru p ),

- w ki erunku zap orow y m (do datni bi eg un na pi ęc i a j e st doł ączan y do obsza ru n ).

T

ri ak. A) up roszcz ona s truktu ra bl okow a b) symb ol

Bez względu na rodzaj polaryzacji dla większości złącz można przyjąć, że całe napięcie zewnętrzne

odkłada się w obszarze zubożonym. Załączenie bramki w triakach, w przeciwieństwie do podstawowych

tyrystorów następuje niezależnie od polaryzacji. Z tego względu wyróżniamy 4 stany pracy triaka: 

-Stan I+: Elektroda A2 ma potencjał dodatni względem A1, elektroda B sterowana jest impulsami

dodatnimi,

-Stan I-: Elektroda A2 ma potencjał dodatni względem A1, elektroda B sterowana jest impulsami ujemnymi,

-Stan III+: Elektroda A2 ma potencjał ujemny względem A1, sterowanie impulsami dodatnimi,

-Stan III-: Elektroda A2 ma potencjał ujemny względem A1, sterowanie impulsami ujemnymi.

Numery stanów odpowiadają numerom ćwiartek na wykresie charakterystyki

prądowo- napięciowej. Optymalne warunki sterowania uzyskuje się dla stanów I+ i

III-, tzn. przy sterowaniu impulsami o zmiennej polaryzacji, przy czym dodatni

impuls bramkowy pojawia się przy dodatnim napięciu na elektrodzie A2.

Wykorzystując pracę triaków w obu kierunkach polaryzacji, stworzono regulatory

bezstopniowe

Przemienniki częstotliwości

( Falowniki )

Falownik jest to urządzenie elektryczne zamieniające prąd stały którym

jest zasilane, na prąd przemienny  o regulowanej częstotliwości

wyjściowej. Jeśli w falowniku zastosuje się modulację szerokości impulsów

(MSI) to równocześnie ze zmianą częstotliwości można regulować

wartość skutecznego napięcia wyjściowego.

Falowniki służą głównie do regulacji prędkości obrotowej silników

elektrycznych prądu przemiennego

Prędkość obrotowa silników prądu zmiennego zależy od częstotliwości napięcia zasilającego (czyli od czynnika zewnętrznego) oraz

od liczby par biegunów (czyli od sposobu, w jaki zaprojektowano i nawinięto uzwojenie stojana ). Wartość napięcia zasilania ma

również wpływ na obroty ale w praktyce nieznaczny w stosunku do dwóch pierwszych czynników.

gdzie:

n

0

- prędkość obrotowa pola elektromagnetycznego w silniku,

f - częstotliwość napięcia zasilającego (Hz),

p - liczba par biegunów stojana.

gdzie:

n

1

- prędkość obrotowa silnika asynchronicznego (obr/min),

s - poślizg silnika, wartość poślizgu mieści się w granicach od 0 do 1.

Najczęściej zastosowanie falowników ma umożliwić

regulację prędkości obrotowej silnika przy zachowaniu

stałości momentu napędowego. Zmiana prędkości

obrotowej silnika przy stałym momencie napędowym jest

możliwa jeśli zasilimy ten silnik ze źródła mogącego

zmieniać częstotliwość "f" ale zawsze proporcjonalnie do

wartości skutecznej napięcia "U".

Poniżej zostały przedstawione charakterystyki mechaniczne silnika indukcyjnego przy zasilaniu bezpośrednio z sieci oraz ze źródła spełniającego warunek stałości U/f.

Rysunek 1 Charakterystyka mechaniczna silnika indukcyjnego przy zasilaniu prądem elektrycznym bezpośrednio z sieci

Rysunek 2 Charakterystyka mechaniczna silnika indukcyjnego z regulacją parametrów wejściowych

Z rysunku 2 wynika, że dla każdej częstotliwości z zakresu, w którym spełniony jest

warunek stałości U/f, charakterystyka mechaniczna silnika ma ten sam kształt i jest

tylko przesunięta wzdłuż osi częstotliwości. Poczynając od punktu, gdzie nie możemy

już zapewnić stałości stosunku U/f (falownik generuje napięcie o wartości równej

zasilającemu z sieci i dalej zwiększać może tylko samą częstotliwość) każda następna

charakterystyka jest niższa od poprzedniej. Jest to obszar tzw. osłabionego strumienia.

Moment krytyczny (M

k

) silnika zasilanego ze źródła o stałej wartości napięcia i

wzrastającej tylko częstotliwości maleje z kwadratem tej częstotliwości.

Częstotliwość, od której napięcie wyjściowe falownika przestaje wzrastać (wskutek

osiągnięcia wartości napięcia zasilania z sieci) nazwa się częstotliwością załomu.

Częstotliwość ta nie zależy od wartości napięcia zasilania.

Dziękujemy za

uwagę

