Įvadas į Elektros Pavaras
Apie 2/3 visos pasaulyje sugeneruotos ir pagamintos elektros energijos yra paverčiama naudinga mechanine energija elektros pavarose. Elektros pavaros plačiai naudojamos buityje, pramonėje ir transporto sistemose. Elektros variklius galima atrasti kompiuteriuose, telefonuose, mikrobangų krosnelėse, automobiliuose, šildymo / vėdinimo sistemose, miesto vandens tiekimo / nuotekų šalinimo sistemose ir t. t. Vienos elektros pavaros atlieka pagrindinį darbą, o kitos pagalbinį; vienos dirba nepertraukiamai, kitos - labai trumpą laiką. Vienos jų būna nevaldomos, kitos būtinai valdomos - užtikrinant specifinius darbo parametrus, t. y. sukimosi dažnį, momentą / jėgą ar pasukimo kampą.
Tipinę elektros pavarą sudaro energijos šaltinis, sujungtas su galios keitikliu, kuris suderintą galią tiekia į elektros variklį, prijungtą prie darbinės apkrovos. Esant valdymo poreikiui, yra formuojamas grįžtamasis ryšys jutikliais, kurių informaciją apdoroja valdiklis ir pagal nustatytą algoritmą valdo tiekiamą galią į variklį. Elektros pavaroje elektros energija patenka į galios keitiklį, kuriame yra suderinama su variklio tipu, o elektros variklis tą energiją keičia į mechaninę energiją. Esant poreikiui, valdymo įrenginys gali valdyti į variklį tiekiamą galią norint pasiekti užduotus valdomo proceso parametrus (greitį, jėgą, padėtį, ventiliatoriaus ar kompresoriaus debitą ir t. t.).
Seniau dėl tiesinių charakteristikų ir paprasto valdymo reguliuojamosiose pavarose buvo naudojami nuolatinės srovės varikliai, šiuo metu juos visiškai pakeitė dažninės asinchroninės pavaros. Nuolatinės srovės (NS) varikliai vis rečiau naudojami pramonėje, tačiau be jų neapsieinama įvairių autonominių transporto priemonių (automobilių, lėktuvų), nešiojamosios elektronikos įrenginių gamyboje, taip pat robotų technikos srityje.
Asinchroninių Variklių Ypatumai ir Konstrukcija
Viena pagrindinių elektros pavarų sudėtinių dalių yra elektros variklis, atliekantis sukamąjį ar tiesinį judesį. Asinchroniniai varikliai yra plačiai paplitę dėl paprastos konstrukcijos ir gana patikimumo; trifaziai dažniausiai naudojami pramonėje, o vienfaziai - ir pramonėje, ir buityje. Dalis šių variklių, kai nereikia reguliuoti greičio, yra jungiami tiesiogiai į tinklą, kiti naudojami dažninėse elektros pavarose. Kaip ir NS variklis, asinchroninis variklis susideda iš dviejų pagrindinių dalių - statoriaus ir rotoriaus.
Rotoriaus Konstrukcija
Rotoriaus konstrukcijos požiūriu asinchroninės mašinos skirstomos į dvi pagrindines grupes:
- Su trumpai sujungtu (narveliniu) rotoriumi.
- Su faziniu rotoriumi, kurios dar vadinamos asinchroninėmis mašinomis su kontaktiniais žiedais.
Abiejų tipų asinchroninių mašinų statoriai nesiskiria. Rotoriaus apvijos būna dvejopos: trumpai sujungtos ir fazinės. Iki 100 kW galios asinchroninių variklių rotoriai užliejami aliuminiu arba siluminu (aliuminio ir silicio lydiniu). Aliuminio ar silumino prisipildę rotoriaus grioveliai sudaro stiebus, kuriuos trumpai sujungia iš abiejų rotoriaus magnetolaidžio pusių užlieti žiedai. Aušinimui pagerinti šie žiedai dažnai turi sparnelius.
Variklio korpusas, kad būtų didesnis aušinimo paviršius, dažnai daromas briaunuotas. Apsaugoto tipo asinchroninių variklių guolių dangčiai gaminami su ventiliacijos angomis, uždengtomis metaliniu tinkleliu. Variklio korpuse gali būti įrengtos šoninės ventiliacijos angos. Ant variklio veleno po dangčiu gali būti įrengtas ventiliatorius.
Asinchroninio Variklio Veikimo Principas
Asinchroninio variklio rotoriaus sukimosi greitis visuomet mažesnis už oro tarpo magnetinio lauko sukimosi greitį (n2 < n1). Kai rotorius nesisuka (n2 = 0), gaunamas slydimas s = 1. Sukantis rotoriui variklio režimu (n2 < n1), 0 < n2 < n1, slydimas tenkina sąlygą 0 < s < 1. Nurodytąją variklio apkrovą atitinkantis slydimas vadinamas nurodytuoju slydimu. Pavyzdžiui, paprastos konstrukcijos nuo 1 iki 1000 kW variklių slydimas maždaug yra atitinkamai 0,06 - 0,01 (6 - 1%).
Asinchroninė mašina gali veikti ir generatoriaus režimu. Jei rotoriaus sukimosi greitis tampa didesnis už oro tarpo magnetinio lauko sukimosi greitį (n2 > n1), tai visuose rotoriaus apvijos laidininkuose EV ir srovė pakeis kryptį priešinga. Tuo atveju elektromagnetinės jėgos Fe taip pat pakeis kryptis priešingomis. Vadinasi, šitokiu sukimosi greičiu sukamas rotorius stabdomas. Asinchroninė mašina perėjo į generatoriaus režimą. Taigi, dirbant generatoriaus režimu (n2 > n1), slydimas tenkina sąlygą s < 0. Jeigu rotoriaus veleną suksime priešinga kryptimi (n2 = -kn1; čia k - bet koks teigiamas skaičius), tai slydimas bus didesnis už vienetą (s > 1).
Kaip veikia indukcinis variklis?
Statoriaus Apvijos ir Magnetiniai Laukai
Kintamosios srovės mašinos statoriaus apvija yra tam tikra tvarka sudėtų į statoriaus arba rotoriaus magnetolaidžio griovelius elektros laidininkų sistema. Griovelyje esanti apvijų laidininkų dalis, kurios ilgis lygus griovelio ilgiui, vadinama aktyviuoju laidininku. Du nuosekliai sujungti aktyvieji laidininkai sudaro viją. Visos apvijos vijos sujungtos taip, kad sudaro vieną arba keletą lygiagrečių šakų. Vienos lygiagretės šakos vijos jungiamos taip, kad jų elektrovaros EV sumuotųsi.
Statoriaus apvijos gali būti įvairių tipų: vienasluoksnės ir dvisluoksnės. Vienasluoksnių apvijų ritės vaizduojamos ištisinėmis linijomis, o dvisluoksnių apvijų ričių šonai, gulintieji griovelio viršutiniame sluoksnyje, braižomi ištisinėmis linijomis, o ričių šonai, gulintieji apatiniame sluoksnyje, braižomi brūkšninėmis linijomis. Apvijų žingsnis gali būti sutrumpintas (y < τ), pilnas (y = τ) arba padidintas (y > τ). Padidinto žingsnio apvijoms suvartojama daugiau vario, todėl jas gaminti neekonomiška. Sutrumpintas žingsnis turi energetinių privalumų (sumažintą aukštesniųjų magnetinio lauko harmonikų žalingą įtaką); be to, sutrumpinus žingsnį sutrumpėja sekcijos galūnės, dėl to atpinga apvija bei sumažėja vario nuostoliai. Dvisluoksnių apvijų projektavimo ir eksploatavimo patirtis rodo, kad santykinio žingsnio β = y/τ optimumas yra intervale [0,8; 0,83].
Dvisluoksnės apvijos yra būdingos vidutinės ir didelės galios asinchroninių variklių statorių apvijoms. Jų privalumas yra tas, kad jas galima gaminti sumažinto žingsnio, tai leidžia slopinti oro tarpo magnetinio lauko aukštesniąsias harmonikas. Dvisluoksnių apvijų visos sekcijos vienodos, todėl jų gamyba nesudėtinga. Dvisluoksnė apvija kloti į statoriaus griovelius sudėtingiau negu vienasluoksnė. Dvisluoksnės apvijos sekcijų skaičius dukart didesnis negu vienasluoksnės apvijos. Trifazės dvisluoksnės apvijos skirstomos į kilpines ir bangines.
Praktinę reikšmę turi paskirstytos statorių apvijos, kur kiekvienos grupių sekcijų aktyvieji šonai užima q (≥ 1) griovelių po kiekvienu poliumi. Statoriaus apvijos MV aukštesnių erdvės harmonikų slopinimui naudojama: apvijos žingsnio trumpinimas, apvijos paskirstymas ir įstriži grioveliai. Statoriaus apvijų MV pagrindinės harmonikos amplitudės sumažėjimas neturi įtakos pagrindinei MV harmonikai.
Magnetinis Laukas ir Harmonikos
Bet kurią EV harmoniką atitinkantis apvijos žingsnio sutrumpinimo faktorius apibrėžiamas santykiu kyν = sin(νπy/(2τ)). Santykis y/τ yra apvijos žingsnio sutrumpinimo koeficientas ky. Pavyzdžiui, sutrumpinus žingsnį 1/7τ (y = 6/7τ), pasinaikina EV septintosios harmonikos.
Kiekvienos apvijos srovė sukuria pulsuojančią magnetovarą (MV), o bendrai veikiant fazinių apvijų magnetovaroms, sukuriama atstojamoji trifazės apvijos MV, kurios vektorius sukasi statoriaus atžvilgiu. Trifazės apvijos pagrindinės harmonikos MV amplitudė lygi fazinių apvijų pagrindinių harmonikų MV sumai, t. y. trifazės apvijos MV amplitudė vienam poliui, kai fazių apkrova simetrinė, lygi 1,5 fazinės apvijos amplitudės.
Statoriaus sukamasis magnetinis laukas gali būti apskritiminis ir elipsinis. Apskritiminis magnetinis laukas charakterizuojamas tuo, kad to lauko magnetinio srauto tankio fazorius sukasi vienodu greičiu ir savo galu nubrėžia apskritimą, t. y. srauto tankio fazorius bet kurioje padėtyje yra vienodas (nekinta). Apskritiminį magnetinį lauką sukuria daugiafazė statoriaus apvija, jeigu kiekvienos fazės magnetinio srauto tankio fazoriai vienodi, t. y. sudaro simetrinę sistemą.
Elipsinis sukamasis magnetinis laukas susideda iš dviejų dedamųjų: pagrindinės dedamosios (tiesioginio sukimosi) ir atvirkštinio sukimosi. Tokiu būdu elipsinio lauko magnetinio srauto tankio fazorius bet kurioje padėtyje susideda iš tiesioginio srauto tankio ir atvirkštinio srauto tankio fazorių sumos: B = Bt + Bat, kai Bt ≠ Bat. Atvirkštinis magnetinis laukas turi neigiamą įtaką kintamosios srovės mašinoms, pavyzdžiui, varikliuose jis sukuria priešveikiantį (stabdymo) elektromagnetinį momentą ir blogina jų eksploatacines savybes.
Naudingą magnetinį srautą sukuria pagrindinė MV harmonika, o aukštesniosios MV harmonikos sukelia neigiamą įtaką elektros mašinai. Aukštesniųjų harmonikų MV polių žingsnis atvirkščiai proporcingas harmonikos eilės numeriui: τν = τ/ν. Todėl tų harmonikų periodiškumas auga proporcingai harmonikos numeriui. Trifazės statoriaus apvijos trečiosios harmonikos MV atstojamoji, kai apkrova simetrinė, lygi nuliui. Tai tinka ir ankstesniosioms harmonikoms, kurių numeriai dalijasi 9, 15, ir t.t. Kitų aukštesniųjų harmonikų MV galima susilpninti, sutrumpinus apvijos žingsnį, paskirsčius apviją grioveliuose ir įstrižais grioveliais.
Daugiafazės statoriaus apvijos aukštesniųjų harmonikų MV - besisukančios. Sukimosi dažnis nν yra ν kartų mažesnis negu pagrindinis MV sukimosi dažnis. Šių MV sukimosi kryptis priklauso nuo harmonikos numerio: 6x + 1 eilės harmonikos sukasi vienodu greičiu su pagrindinės harmonikos MV - tiesioginio sukimosi MV, o 6x - 1 eilės MV sukasi priešinga kryptimi pagrindinei harmonikai - atvirkštinio sukimosi MV (čia x = 1, 2, 3, ...).
Elektronikos Svarba Asinchroninėse Pavarose
Atpigus galios ir valdymo elektronikai, dažninės asinchroninės pavaros pradėtos naudoti dažniau nei nuolatinės srovės elektros pavaros ir beveik visur, kur reikalingas greičio ar momento reguliavimas. Elektros pavaros struktūroje galios keitiklis, valdomas valdymo įrenginio, atlieka esminį vaidmenį formuojant ir tiekiant suderintą elektros energiją asinchroniniam varikliui. Šiuolaikinė elektronika leidžia preciziškai keisti varikliui tiekiamo maitinimo dažnį ir įtampą, tiesiogiai įtakojant rotoriaus sukimosi greitį ir generuojamą sukimo momentą.
Elektronika taip pat svarbi valdant variklio mechanines charakteristikas. Elektros pavaros judėjimą apibūdina du veikiantys momentai: variklio išvystomasis momentas ir pasipriešinimo ar stabdantysis apkrovos momentas. Valdymo įrenginys, apdorodamas jutiklių informaciją, gali dinamiškai keisti variklio režimą, užtikrindamas reikiamą įsibėgėjimą, stabdymą ar nusistovėjusį režimą (kai dinaminis momentas Mdin = 0).
Be to, elektroninės sistemos prisideda prie asinchroninių variklių efektyvumo ir ilgaamžiškumo. Jos padeda sušvelninti variklio paleidimo ir stabdymo procesus, sumažina triukšmą ir vibracijas bei paleidimo momento pulsavimą. Nuolatinė srovė kinta nuo +I1m iki -I1m. Todėl vienfazės apvijos MV kinta dažniu nuo + iki kiekviename poliaus žingsnyje. Visos MV aukštesniosios harmonikos pulsuoja vienodu dažniu. Galios ir valdymo elektronikos pažanga leidžia kurti sprendimus, kurie efektyviai slopina aukštesniąsias magnetinio lauko harmonikas, didinančias energijos nuostolius ir sukeliančias neigiamą įtaką elektros mašinai, gerindamos variklio našumą ir patikimumą.
tags: #asinchronines #pavaros #elektronika