8. Регулирование частоты вращения асинхронных двигателей
Общие положения. Частота вращения ротора асинхронного двигателя
Частоту вращения ротора асинхронного двигателя можно регулировать изменением частоты тока в обмотке статора f1 , числа пар полюсов обмотки статора p и скольжения s.
Способы регулирования частоты вращения асинхронных двигателей.
8.1 Регулирование частоты вращения изменением частоты питающего напряжения
Этот способ регулирования (частотное регулирование) основан на изменении синхронной частоты вращения поля в зазоре
,
что достигается регулированием первичной частоты f1.
Изменение питающей частоты приводит к изменению максимального момента
и перегрузочной способности двигателя. Поэтому необходимо одновременно с изменением частоты изменять напряжение, подводимое к обмотке статора.
Характер регулирования напряжения в зависимости от частоты (закон регулирования) зависит от свойств конкретного электропривода, а именно, зависимости статического момента сопротивления рабочего механизма от частоты вращения. Из условия равенства в установившемся режиме электромагнитного момента моменту статическому, считая момент холостого хода равным нулю M0 = 0,
можно сформулировать закон регулирования, в частности, для двух случаев.
При постоянном статическом моменте нагрузки Mс = const следует поддерживать
.
При этом потребляемая двигателем мощность Р1 ~ Mc Ω ~ sf1 ~ f1 изменяется пропорционально частоте вращения.
При обратно-пропорциональном изменении статического момента нагрузки от скорости вращения Mc = 1/Ω ~ 1/f1 = const, то есть при постоянной мощности нагрузки, следует поддерживать
.
В качестве источников питания могут быть использованы электромашинные или полупроводниковые преобразователи частоты. Наибольшее применение для частотного регулирования асинхронных двигателей получили тиристорные преобразователи частоты ТПЧ.
8.2 Регулирование частоты вращения изменением числа пар полюсов p двигателя (многоскоростные двигатели)
Этот способ регулирования дает ступенчатую регулировку. Изменять число пар полюсов в обмотке статора можно либо укладкой на статоре двух обмоток с разным числом полюсов, либо переключением катушечных групп одной или двух обмоток.
Применимо только для асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором.
Промышленностью изготовляются двух-, трех- и четырехскоростные асинхронные двигатели.
Регулирование частоты вращения изменением скольжения s возможно тремя способами: изменением подводимого напряжения, нарушением симметрии подводимого трехфазного напряжения, изменением активного сопротивления обмотки ротора.
8.3 Регулирование частоты вращения изменением подводимого напряжения
При изменении напряжения меняются механические характеристики - при постоянном статическом моменте меняется скольжение и скорость вращения ротора (рис. 8.4,а).
Рис. 8.4. Механические характеристики асинхронных двигателей при различных значениях первичного напряжения
Для двигателей обычного исполнения диапазон изменения скорости небольшой из-за узкой зоны устойчивой работы двигателя. Диапазон регулирования увеличивается для двигателей с повышенным активным сопротивлением обмотки ротора (рис. 8.4,б).
Момент
двигателя M ~
,
а потребляемый ток I ~ U
. Поэтому по мере уменьшения напряжения
и роста скольжения при Mc
= const отношение I/М
увеличивается, растут потери и перегрев
двигателя.
Изменять напряжение питания можно посредством регулировочного автотрансформатора или трехфазного дросселя насыщения. Обмотка управления дросселя подключается к источнику постоянного тока. С увеличением тока управления усиливается магнитное насыщение сердечников дросселя и индуктивное сопротивление его рабочих обмоток уменьшается, напряжение питания асинхронного двигателя увеличивается.
Большие габариты и значительная масса регулируемых дросселей являются причинами, ограничивающими их применение.
Более рациональным является применение тиристотрных регуляторов напряжения, посредствам которых регулируется напряжение на обмотке статора двигателя при неизменной частоте тока f1.
8.4 Регулирование частоты вращения нарушением симметрии подводимого напряжения.
При нарушении симметрии подводимого к двигателю трехфазного напряжения вращающееся поле статора становится эллиптическим. Появление обратного поля и встречного момента уменьшает электромагнитный момент.
Механические характеристики двигателя располагаются в зоне между характеристикой при симметричном напряжении и характеристикой при однофазном питании двигателя – пределом несимметрии трехфазного напряжения.
Для регулирования несимметрии подводимого напряжения можно в цепь одной из фаз включить однофазный регулировочный автотрансформатор.
8.5 Регулирование частоты вращения изменением активного сопротивления в цепи ротора
Данный метод регулирования применяется для двигателей с фазным ротором, причем в этом случае в цепь ротора включаются добавочные сопротивления. В соответствие с механической характеристикой при постоянном моменте на валу ротора, с увеличением активного сопротивления в цепи ротора возрастает скольжение. При этом растут потери и снижается КПД.
Практически изменение активного сопротивления цепи ротора достигается включением в цепь ротора регулировочного реостата, подобного пусковому реостату, но рассчитанного на длительный режим работы.
8.6 Импульсное регулирование частоты вращения
Принцип импульсного регулирования частоты вращения двигателя состоит в том, что обмотка статора периодически подключается к сети, а затем отключается; или резисторы, включенные последовательно в цепь статора или фазного ротора и ограничивающие ток в этих цепях, периодически шунтируются. При этом двигатель постоянно находится в переходном режиме ускорения и замедления скорости вращения ротора. Средняя частота вращения ротора зависит от отношения продолжительности импульса управления к периоду подачи импульсов.
Импульсное регулирование посредством контактора не обеспечивает достаточной надежности работы привода из-за быстрого выхода из строя контактов. Более надежным является применение для этого бесконтактных устройств, например тиристорного ключа.
9. Асинхронные короткозамкнутые двигатели с улучшенными пусковыми характеристиками