Sposoby regulacji napędów elektrycznych
Sterując energią elektryczną dostarczaną do silnika reguluje się jego prędkość obrotową
i moment obrotowy. Potrzeba regulacji tych parametrów wyjściowych silnika wynika ze
względów technologicznych oraz oszczędności energii.
W początkach XX wieku regulacje parametrów wyjściowych silników elektrycznych
stosowano w bardzo ograniczonym zakresie, głównie w silnikach prądu stałego. Znaczącym
postępem było wprowadzenie do praktyki przemysłowej tzw. układu Leonarda. Umożliwiło to
regulację silników prądu stałego. Silnik elektryczny trójfazowy prądu przemiennego sprawił
duże trudności przy próbach regulacji prędkości obrotowej lub momentu. Z tego względu
regulację parametrów wyjściowych silników stosowano głównie do silników prądu stałego.
W przypadku silników prądu przemiennego, który z uwagi na swoje właściwości ruchowe był
najczęściej stosowanym, do regulacji prędkości były używane metody mechaniczne
(przekładnie, sprzęgła regulowane). Najczęściej jednak silnik trójfazowy prądu przemiennego
był stosowany bez układów regulacji, tylko wyposażony w odpowiednią aparaturę łączącą
i zabezpieczajÄ…cÄ….
W lalach 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 na 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).
Regulacja prędkości obrotowej w silniku indukcyjnym.
1. Regulacja przez zmianę napięcia zasilającego  zmiana poślizgu
Przez zmianę napięcia zasilającego silnik, przy stałym momencie hamującym, można
wpłynąć na zmianę poślizgu z jakim pracuje silnik. Zakres regulacji poprzez zmianę napięcia
zasilającego wynosi niewiele około 10% w dół od prędkości znamionowej. Ten sposób
regulacji nie jest więc korzystny. Zmniejszaniu napięcia przy stałej wartości momentu
towarzyszy wzrost prądów, zarówno w obwodzie wirnika jak i stojana, co powoduje
niekorzystny wzrost strat w uzwojeniach. Zmianę wartości napięcia można uzyskać za
pomocÄ… autotransformatora, reaktancji regulacyjnych, rezystancji regulacyjnych w obwodzie
stojana itp. W praktyce ten sposób regulacji prędkości obrotowej silnika indukcyjnego jest
prawie nie stosowany.
2. Regulacja przez zmianę rezystancji w obwodzie wirnika  zmiana poślizgu
Zmiana rezystancji w obwodzie wirnika powoduje zmianÄ™ przebiegu charakterystyki
mechanicznej silnika. Cechą charakterystyczną jest tu zachowanie stałej wartości momentu
maksymalnego. Dodatkowo wzrostowi rezystancji odpowiada wzrost wartości poślizgu
krytycznego. Jeżeli silnik pracuje ze zwartymi pierścieniami i napędza maszynę roboczą
o stałym momencie hamującym niezależnym od prędkości obrotowej to po włączeniu
rezystancji dodatkowej w obwód wirnika ustali się nowy punkt pracy przy zmniejszonej
prędkości obrotowej wirnika. Dalszy wzrost rezystancji spowoduje dalsze zmniejszenie
prędkości obrotowej. W ten sposób można regulować prędkość silnika od znamionowej do
dowolnie małej.
Ten rodzaj regulacji jest nieekonomiczny, ponieważ w rezystorach regulacyjnych występują
duże straty mocy. Stosuje się go w szerszym zakresie prędkości tylko dla małych silników. W
dużych jednostkach regulacje taką stosuje się w zakresie 10 do 15%.
3. Regulacja prędkości przez zmianę liczby par biegunów.
Silniki, w których dokonuje się regulacji prędkości obrotowej przez zmianę liczby par
biegunów magnetycznych nazywamy silnikami wielobiegowymi. Znalazły one szerokie
zastosowanie w napędach obrabiarek. Regulacje taką można realizować stosując:
- dwa niezależne uzwojenia w stojanie o różnych liczbach biegunów magnetycznych,
- jedno uzwojenie, które można przełączać tak, aby wytwarzało pola o różnych liczbach
par biegunów.
Umieszczenie w stojanie dwóch niezależnych uzwojeń o różnych liczbach par biegunów
umożliwia skokową regulację prędkości obrotowej przez zmianę uzwojenia przyłączonego do
sieci zasilającej. Ten sposób regulacji prędkości może być stosowany tylko w silnikach
klatkowych.
Korzystniejsze jest stosowanie jednego uzwojenia, które można przełączać tak, aby
wytwarzało pola o różnych liczbach par biegunów.
4. Regulacja prędkości przez zmianę częstotliwości napięcia zasilającego
Zmieniając częstotliwość zasilania regulujemy prędkość wirowania pola magnetycznego,
a w konsekwencji prędkość wirowania wirnika. Sposób ten umożliwia płynną regulację
prędkości obrotowej silnika w bardzo szerokim zakresie. Omawiany sposób regulacji
wymaga oddzielnego z
ródła zasilania o regulowanej częstotliwości. Realizuje się to poprzez
stosowanie półprzewodnikowych regulatorów mocy (falowników). Falowniki są to urządzenia
elektroniczne stosowane do sterowania prędkością obrotową standardowych silników
asynchronicznych trójfazowych. Zastosowanie falownika zapewnia równocześnie szereg
funkcji dodatkowych, a przede wszystkim zabezpieczanie przeciw przeciążeniu, zwarciom
w obwodach silnika, oraz sterowanie procesem rozruchu i hamowania. Jedną z cech napędu
falownikowego jest możliwość uzyskania oszczędności energii, która może sięgać nawet
do 50%.
4.1 Zasada funkcjonowania napędów z falownikami
z
ródło: SEW o falownikach prosto i zrozumiale Stanisław Nawracaj, SEW EURODRIVE
Prędkość obrotowa omawianych silników 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.
60 Å" f
n0 =
p
gdzie:
n0 - prędkość obrotowa pola elektromagnetycznego w silniku,
f - częstotliwość napięcia zasilającego (Hz),
p - liczba par biegunów stojana.
n1 = n0 Å"(1- s)
gdzie:
n1 - prędkość obrotowa silnika asynchronicznego (obr/min),
s - poślizg silnika, wartość poślizgu mieści się w granicach od 0 do 1.
Moment wytwarzany przez silnik indukcyjny będzie niezmienny, jeśli zachowana zostanie
stała wartość prądu w uzwojeniu oraz stała wartość strumienia elektromagnetycznego
w pakiecie blach stojana i wirnika. Generalnie pozostanie on niezmienny, jeśli zachowany
zostanie stały stosunek wartości skutecznej napięcia zasilania do częstotliwości tegoż
napięcia.
Najczęściej zastosowanie falowników ma umożliwić regulację prędkości obrotowej silnika
przy zachowaniu stałości momentu napędowego. Zmiana prędkości obrotowej silnika
indukcyjnego przy stałym momencie napędowym jest możliwa jeśli zasilimy ten silnik ze
z
ródła mogącego zmieniać częstotliwość "f" ale zawsze proporcjonalnie do wartości
skutecznej napięcia "U".
Przykładowo: jeżeli silnik w znamionowych warunkach wymaga zasilenia napięciem 3 x 400
V / 50 Hz i jego znamionowe obroty wyniosą wówczas np. 1460 l /min to stosunek U/f=
400V/50Hz = 8V/ Hz. Jeśli zmniejszymy obroty pięciokrotnie, to: pięciokrotnie musi zostać
zmniejszona częstotliwość oraz, pięciokrotnie zmniejszona wartość skuteczna napięcia.
Czyli: f = 50 Hz / 5 = 10 Hz oraz U=400V/5=80V. Stosunek U/f wynosić będzie teraz : 80/10
= 8V/Hz czyli warunek spełniony. Użytkownik nie ustawia każdorazowo tych dwóch wielkości
(U oraz f) samodzielnie. Najczęściej za pomocą wybranego sygnału sterującego zadaje się
żądaną wartość częstotliwości lub obrotów.
Poniżej przedstawiono charakterystyki mechaniczne silnika indukcyjnego przy zasilaniu
bezpośrednio z sieci oraz ze z
ródła spełniającego warunek stałości U/f.
Rysunek 1 Charakterystyka mechaniczna silnika indukcyjnego przy zasilaniu prÄ…dem
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 (Mk) silnika
zasilanego ze z
ródła o stałej wartości napięcia i wzrastającej tylko częstotliwości maleje
z kwadratem tej częstotliwości.
Moment znamionowy (MN) silnika również nie pozostanie w tym obszarze niezmienny:
będzie on malał odwrotnie proporcjonalnie do wzrostu częstotliwości do chwili zrównania się
z malejÄ…cym szybciej momentem krytycznym.
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.