5. Регулирование частоты вращения и торможение асинхронных двигателей

5.1. Общие положения

Частота вращения ротора асинхронной машины

. (5.1)

Способы регулирования частоты вращения асинхронных двигателей, согласно выражению (5.1), можно подразделить на два класса:

1. регулирование частоты вращения магнитного поля статора

, (6.2)

что достигается либо регулированием частоты питающего напряжения, либо изменением числа пар полюсов;

2. изменение скольжения двигателя при , что поясняется следующим: при постоянном моменте на валу, как следует из формулы (4.7)

,

Введение дополнительных сопротивлений в цепь статорной обмотки равносильно уменьшению на ней напряжения. Следовательно, скольжение есть функция напряжения и сопротивлений роторной обмотки . Отсюда этот класс регулирования возможно реализовать либо изменением величины подаваемого на двигатель напряжения, либо (для двигателя с фазным ротором) введением в цепь ротора добавочных сопротивлений .

При изменении частоты напряжения или числа пар полюсов КПД двигателя остается высоким. При изменении питающего напряжения или введении в цепь ротора добавочного активного сопротивления КПД снижается тем больше, чем больше , так как при этом мощность скольжения по выражению (3.20)

(6.3)

теряется во вторичной цепи двигателя.

Изменение добавочного индуктивного сопротивления осуществляют подключением обмотки ротора к добавочному источнику электрической энергии (добавочной ЭДС ). В этом случае мощность скольжения в основном поступает от этого источника и в цепи ротора теряется только мощность .

Сложность способа регулирования заключается в необходимости автоматического изменения частоты добавочной ЭДС при изменении частоты вращения. Этот способ применяют достаточно редко.

При регулировании частоты вращения асинхронного двигателя необходимо учитывать, что при изменении частоты вращения меняются условия охлаждения статора и ротора. Это проявляется особенно сильно в самовентилируемых двигателях, длительная мощность которых снижается при уменьшении частоты вращения.

5.2. Частотное регулирование

Частотный способ является одним из наиболее перспективных и широко используемых в настоящее время способов регулирования частоты вращения наиболее надежных и дешевых асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором. Он обеспечивает плавное регулирование частоты вращения в широком диапазоне с высокой жесткостью получаемых характеристик.

Для лучшего использования асинхронного двигателя одновре-менно с изменением частоты питающего напряжения необходимо изменять и величину этого напряжения.

При выборе соотношения между частотой и напряжением, подводимому к статору асинхронного двигателя, исходят из условия сохранения перегрузочной способности, т. е. отношения максимального (критического) момента двигателя к моменту нагрузки . Если пренебречь активным сопротивлением статора и учесть, что  и  , то, согласно формуле (4.13),

, (6.4)

где А  постоянная, не зависящая от f₁.

Следовательно, для любых двух значений частоты и не-обходимо соблюдать следующее соотношение:

, (6.5)

где моменты нагрузки при частотах вращения асинхронного двигателя, соответствующих частотам и .

Основной закон изменения напряжения при частотном способе регулирования частоты вращения асинхронного двигателя

. (6.6)

Этот закон впервые сформулирован академиком М. П. Костенко.

Если требуется регулировать частоту вращения при постоянном нагрузочном моменте ( ), то уравнение (6.6) принимает вид

. (6.7)

Если требуется поддерживать режим постоянной мощности электродвигателя , то, приняв частоту вращения ротора приблизительно пропорциональной частоте , получим условие

(6.8)

или с учетом выражения (6.6)

. (6.9)

На рис. 6.1, а приведены схема частотного регулирования частоты вращения асинхронного двигателя, а на рис. 6.1, б  механические характеристики двигателя при выполнении соотношения (6.7), а также при . Для частот ниже номинальной ( ) критический момент двигателя постоянен, что обеспечивает неизменную перегрузочную способность двигателя.

При частотах выше номинальной ( ), когда по техническим условиям напряжение не может быть выше номинального (вследствие высокого насыщения магнитопровода или опасности быстрого старения изоляции при повышенном напряжении на обмотке статора), критический момент уменьшается.

На малых частотах пренебрежение активным сопротивлением статорной обмотки при выводе основного закона регулирования напряжения заметно отражается на характеристиках электропривода. В этом случае часто регулирование двигателя осуществляют по закону постоянства магнитного потока. Как следует из формулы (3.45) и рис. 3.12, а, электромагнитный момент при заданной частоте тока в роторе пропорционален квадрату магнитного потока:

. (6.10)

Значит, для поддержания максимального момента неизменным требуется иметь постоянный поток, т. е. при регулировании частоты должно соблюдаться условие .

Для обеспечения неизменного магнитного потока питающее напряжение изменяют по условию

. (6.11)

Необходимым элементом частотного электропривода является преобразователь частоты (и напряжения), на вход которого подается стандартное напряжение сети (220, 380 и т. д.) промышленной частоты Гц, а с выхода снимается переменное напряжение регулируемой частоты . Входная частота и напряжение регулируются с помощью управляющего сигнала, изменение которого в конечном счете влияет на величину частоты вращения двигателя. В состав преобразователя входят следующие элементы: входной фильтр, служащий для уменьшения пульсаций тока питающей сети постоянного тока; регулятор напряжения, позволяющий изменять напряжение на обмотках статора асинхронного двигателя в соответствии с выбранным законом регулирования при изменении частоты; собственно преобразователь частоты (инвертор), поочередно подключающий фазы обмотки статора двигателя к шинам разной полярности. Современные преобразователи частоты выполняют на основе транзисторов (в двигателях большой мощности тиристоров), работающих в режиме ключей.

Особенностями работы частотно-регулируемого двигателя являются:

несинусоидальность питающего напряжения и вызываемые ею высшие временные гармоники магнитного поля, порождающие повышенные потери мощности, шумы и вибрации, дополнительный нагрев обмоток и магнитопровода;

работа в переходных режимах (как основной режим работы частотноуправляемых двигателей), требующая повышения быстродействия двигателя, что возможно при снижении момента инерции ротора за счет уменьшения его диаметра при увеличении активной длины машины;

применение независимой вентиляции в машине, поскольку при снижении частоты вращения и при достаточно высокой степени загрузки самовентиляция оказывается неэффективной.

Уменьшения влияния несинусоидальности добиваются увеличением воздушного зазора. Кроме того, при повышенном зазоре уменьшаются потери мощности, возможно увеличение насыщения зубцов статора, что влечет уменьшение активного сопротивления и, как следствие, увеличение максимального момента.