6. Регулирование скорости вращения асинхронного двигателя изменением скольжения

Под регулированием скорости вращения электропривода понимают принудительное изменение его скорости в результате воздействия либо на электродвигатель, либо на систему управления, либо на систему передач, не связанное с изменением нагрузки на валу. В настоящее время доказано, что регулирование скорости вращения способствует увеличению производительности труда, улучшению качества продукции и экономии электроэнергии.

В настоящее время все большее применение находит электрическое регулирование, связанное непосредственно с воздействием на приводной двигатель, которое имеет ряд преимуществ в отношении технических и экономических показателей.

Для оценки свойств регулируемого электропривода используются ряд показателей, характеризующих различные способы его регулирования: диапазон регулирования, плавность, экономичность, стабильность, направление регулирования, допустимая нагрузка при различных скоростях.

Принципы регулирования

Угловая скорость вращения АД равна:

,

где ₀ — угловая скорость вращения магнитного поля статора, рад/с;

S — скольжение.

Если выразить скольжение через уравнение равновесия для фазы обмотки ротора:

,

где Е₂ — ЭДС, наведенная в обмотке ротора, В;

U₂ — напряжение ротора, В;

I₂ — ток фазы обмотки ротора, А;

Z₂ — полное сопротивление фазы обмотки ротора, Ом,

то можно получить

.

Анализ данного выражения показывает, что существует два принципиальных способа регулирования: изменением напряжения обмотки ротора и изменением скорости вращения магнитного поля статора.

При реализации этих принципов наибольшее практическое применение получили следующие способы регулирования угловой скорости АД: реостатное регулирование; переключением числа полюсов; каскадные включения АД; изменением питающего напряжения; изменением частоты питающего напряжения.

Реостатное регулирование АД заключается в изменении сопротивления обмотки ротора путем включения в цепь добавочного сопротивления.

При увеличении добавочного сопротивления критический момент остается постоянным, жесткость рабочих участков характеристик уменьшается, а, следовательно, и стабильность работы АД на данной частоте вращения становится меньше. Направление регулирования возможно только одно-зонное — "вниз" от номинальной частоты вращения. Экономичность низкая из-за потерь в добавочном сопротивлении. Диапазон регулирования до 3:1. Плавность зависит от числа ступеней реостата и может повыситься за счет применения импульсного регулирования. Главным недостатком этого способа является невозможность его применения на АД с короткозамкнутым ротором.

Для регулирования скорости АД изменением величины питающего напряжения характерно снижение перегрузочной способности за счет снижения критического момента при снижении жесткости характеристик. При этом изменение напряжения возможно только в сторону уменьшения. Несмотря на возможность плавного регулирования другие показатели — экономичность, стабильность и диапазон регулирования довольно низки. Практическое применение данный способ имеет в электроприводах малой мощности.

Скорость вращения магнитного поля статора АД равна: ,

гдеf — частота питающего напряжения, Гц;

р — число пар плюсов.

Данное выражение показывает, что скорость ₀ обратно пропорциональна числу пар полюсов электрической машины. На практике эта взаимосвязь реализуется, например, переключением статорных обмоток АД со схем "звезда" или "треугольник" на схему соединения "двойная звезда". Механические характеристики при данном способе показывают его высокую стабильность (жесткость не меняется). Экономичность высокая, диапазон до 8:1. Широкое применение этот способ регулирования получил в электроприводах, не требующих плавного регулирования скоростей, с двумя-тремя ступенями скорости.

Каскадные способы относятся к регулированию напряжения обмотки ротора, но, в отличие от реостатного способа обеспечивают высокие экономичность и плавность. Сущность каскадных методов регулирования АД сводится к тому, что в цепь ротора вводится добавочная ЭДС, позволяя полезно использовать энергию скольжения. В зависимости от реализации энергии скольжения каскады делятся на электрические и электромеханические. В первом случае энергия скольжения возвращается в питающую цепь, во втором — энергия, преобразованная в механическую, возвращается на вал двигателя. Широкое распространение получили вентильные и вентильно-машинные каскады с применением полупроводниковых преобразователей. Положительные стороны каскадных схем регулирования делает выгодным их применение в электроприводах большой мощности, но область их применения ограничивается большими габаритами и необходимостью наличия фазного ротора у двигателей.