5.5. Регулирование частоты вращения изменением величины питающего напряжения

Изменение напряжения осуществляют с помощью автотрансформаторов, реакторов насыщения, тиристорных регуляторов. Практическое значение для регулирования имеет уменьшение напряжения, так как существенное его увеличение приводит к недопустимому возрастанию тока холостого хода и сокращает срок службы изоляции.

Пусть двигатель работает при напряжении с частотой вращения и развивает на валу постоянный и независимый от частоты вращения момент. При снижении напряжения в К раз магнитный поток из формулы (2.36), в предположении, что ЭДС примерно равна напряжению, поданному на двигатель

, (6.20)

уменьшится тоже в К раз. Вместе с потоком в К раз должен уменьшиться и момент , но при постоянном моменте на валу электромагнитный момент тоже остается постоянным. Это возможно только при увеличении в К раз тока :

. (6.21)

Скольжение асинхронного двигателя согласно уравнению (3.44) пропорционально потерям мощности в обмотке ротора или квадрату тока:

. (6.22)

Если ток роторной обмотки увеличивается в К раз, то скольжение увеличивается в раз и новой величине напряжения будет соответствовать новая частота вращения ротора:

. (6.23)

Пределы регулирования частоты вращения возможны от до .

Способ имеет существенный недостаток: при большом снижении напряжения частота вращения уменьшается незначительно, а критический момент наоборот – весьма сильно (рис. 6.7). Это отчетливо видно на численном примере.

П усть двигатель с 2p = 6 работает с частотой вращения n = n_H = 960 об/мин ( ) при напряжении равном номинальному и моменте на валу . Уменьшение величины напряжения до ( ) приводит к снижению частоты вращения до n = n₁(1  K²s) = 1000(1  1,4²·0,04) = = 922 об/мин или на 1/17 часть номинальной частоты вращения. При этом критический момент уменьшится вдвое против номинального:

. (6.24)

Двигатель с отношением моментов , поставленный работать в таких условиях, теряет устойчивость даже при номинальной нагрузке: его критический (опрокидывающий) момент становится равным номинальному (рис. 6.7).

Способ может быть рекомендован для незначительного изменения частоты вращения. Его часто применяют для двигателей малой мощности (например, однофазных двигателей бытовых вентиляторов с мощностью не превышающей 40 Вт ), у которых критическое скольжение достаточно велико: , а нагрузочный момент снижается при уменьшении частоты вращения.

5.6. Торможение двигателей

Асинхронная машина может работать в следующих тормозных режимах:

электромагнитного торможения (торможение противовключением или противоточное торможение);

генераторном с гашением выработанной электрической энергии в цепи ротора (динамическое, или реостатное, торможение);

генераторном с отдачей электрической энергии в сеть (рекуперативное торможение).

На рис. 6.8 схематически показано направление частот вращения и , электромагнитного момента , мощностей и , а также активной составляющей тока ротора при различных режимах работы машины. В двигательном режиме (рис. 6.8, а) машина потребляет из сети электрическую мощность и отдает механическую мощность . В генераторном режиме (рис. 6.8, б) электрическая и механическая мощности направлены в сторону, противоположную их направлению в двигательном режиме. Магнитный поток вращается с частотой , следовательно, относительно ротора он вращается в обратном направле-нии и создаваемый им момент противоположен . В режиме электро-магнитного тормоза в двигатель поступает и электрическая и механическая мощности (рис. 6.8, в), рассеивающиеся в виде тепла в двигателе.

Электромагнитное торможение заключается в том, что на обмотку статора двигателя, вращающегося по инерции, подают напряжение с иным порядком чередования фаз (переключив два любых провода, присоединяющие фазы обмотки статора к сети трехфазного тока). Вследствие этого магнитный поток машины начинает вращаться в сторону, противоположную вращению ротора с частотой вращения ( ), и ротор быстро затормаживается. Противоточное торможение наиболее эффективно, но и наиболее тяжело для машины: в первый момент торможения при номинальной частоте вращения скольжение

, (6.25)

а ток ротора

, (6.26)

т. е. вдвое превышает пусковой. В этом режиме машина потребляет из сети электрическую мощность . Но поскольку ее момент является тормозным, она должна потреблять также и механическую мощность . Мощности и , поступая в машину, превращаются в потери мощности (рис. 6.8, в), рассеиваемые в виде тепла в самой машине и в подключенном к ее ротору реостате.

Графически процесс торможения показан на рис. 6.9.

Кривые и относятся к двигателю с короткозамкнутым ротором, а кривые и  к двигателю с фазным ротором. Пунктиром показаны тормозные характеристики.

При режиме работы, соответствующем точке а, и переводе двигателя в тормозной режим (переключением, например, двух фаз) двигатель переходит с характеристики на характеристику (в режим, соответствующий точке ) и снижает частоту вращения , что показано кривой . Включение в цепь фазного ротора добавочного активного сопротивления позволяет сдвинуть максимум момента в область скольжения (обеспечив тем самым устойчивое электромагнитное торможение) и регулировать тормозной момент. На рис. 6.9 этот процесс показан переходом машины, работающей по кривой , из режима, соответствующего точке , в точку и снижением частоты вращения по кривой . Добавочное сопротивление наряду с сокращением времени торможения уменьшает токи и потери энергии.

Д инамическое торможение заключается в том, что при вращающемся по инерции роторе обмотку статора переключают с переменного тока на постоянный (рис. 6.10). Асинхронный двигатель переводят этим в ре-жим синхронного генератора: в неподвижном магнитном поле вращается ротор; в его проводниках индуцируется ЭДС и течет ток, величины которых пропорциональны частоте вращения; электромагнитный момент имеет направление, обратное инерционному.

В процессе торможения электромагнитный момент по своей форме аналогичен моменту машины, работающей в двигательном режиме. Дополнительно включенное в цепь фазного ротора сопротивление сдвигает максимум момента в сторону больших скольжений. Регулируют величину тормозного момента изменением тока возбуждения и величиной активного сопротивления ротора.

Режим динамического торможения можно получить и при отсутствии источника постоянного тока, подключив обмотки статора к конденсаторам. В этом режиме по обмотке статора и конденсаторам проходит трехфазный переменный ток и машина работает как асинхронный генератор с самовозбуждением, который получает реактивный ток , необходимый для возбуждения магнитного потока от конденсаторов.

По мере уменьшения частоты вращения ротора в результате выделения тепла в активном сопротивлении обмоток энергия магнитного поля и тормозной момент уменьшаются. При частоте вращения тормозной момент равен нулю.

Рекуперативный способ торможения заключается в переводе двигателя в генераторный режим при частоте вращения ротора, большей частоты вращения магнитного поля статора ( ). В этом случае машина отдает в сеть энергию, величина которой пропорциональна частоте вращения, за счет чего ротор и затормаживается.

Рекуперативное торможение возможно в крановых схемах, когда момент опускаемого груза превышает критический момент двигателя, или в многоскоростных двигателях, когда их переключат с высших скоростей на низшие. Процесс торможения показан на рис. 6.11. Работая в точке а с частотой вращения , двигатель (после переключения числа полюсов) переходит в режим, соответствующий точке б и, затормаживаясь (кривая 2), снижает свою частоту вращения до нового установившегося значения в точке в.

Переход из двигательного режима в генераторный происходит автоматически, когда частота вращения ротора превосходит частоту вращения магнитного поля .

Г енераторному режиму соответствуют участки механических характеристик, расположенных в области отрицательных моментов (рис. 6.11). Форму механических характеристик можно изменить, включив в цепь ротора добавочное активное сопротивление (пунктирная кривая на рис. 6.11), и при заданной частоте вращения получить различные тормозные моменты.

Рекуперативное торможение с энергетической точки зрения весьма выгодно, так как кинетическая энергия вращающихся масс превращается в процессе торможения в электрическую, отдаваемую в сеть. При использовании частотного управления асинхронными двигателями (например, в электроприводах тяговых и грузоподъемных механизмов) в процессе торможения можно плавно уменьшать частоту вращения практически до нуля, осуществляя рекуперативное торможение до полной остановки двигателя.