56) Регулирование частоты вращения асинхронного двигателя

Во многих случаях трехфазные асинхронные двигатели применяются для приво­дов, не требующих регулирования частоты вращения. Но асинхронные двигатели обладают ценными преимуществами: надежностью, дешевизной, простотой конструк­ции, высоким КПД и относительно малой массой. По этим причинам естественно стремление применять их и для приводов с регулируемой частотой вращения.

Для регулирования частоты вращения асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором обычно используются метод частотного регулирования, пред­ставляющий собой плавное регулирование частоты вращения магнитного поля путем регулирования частоты тока в обмотках статора, и метод изменения числа пар полю­сов вращающегося магнитного поля, при котором частота вращения магнитного поля изменяется скачком.

Для регулирования частоты вращения асинхронных двигателей с фазным ро­тором используется метод реостатного регулирования, представляющий собой плавное регулирование скольжения ротора путем изменения активного сопротивления его фазных обмоток.

Частотное регулирование.Наиболее перспективным методом управления часто­той вращения асинхронного двигателя являетсярегулирование частоты переменного тока статора двигателя. Угловая скорость вращающегося поля. Сле­довательно, при изменении частоты токаf пропорционально изменяется угловая скорость поля. Однако при осуществлении регулирования частоты тока нужно учесть, что необходимо одновременное регулирование напряжения. ЭДС фазы, а следовательно, и питающее напряжение пропорциональны частоте тока и потоку. Так как поток должен сохра­няться во всех режимах одним и тем же, то напряжение должно быть (без. учета па­дений напряжения в машине) пропорциональным частоте. Кроме того, это нужно для того, чтобы при изменении частоты вращения двигателя не изменялся его вра­щающий момент.

Чтобы оценить характер зависимости вращающего момента от частоты тока в обмотках статора и от напряжения на нем, пренебрежем в уравнении актив­ным сопротивлением обмотки статора и индуктивными сопротивлениями рассея­ния обмоток статораи ротораи воспользуемся выражением для частоты скольжения ():

где А =const.

Следовательно, при изменении частоты тока для поддержания вращающего момента постоянным необходимо пропорционально изменять напряжение на ста­торе; иными словами, условием поддержания постоянства вращающего момента дви­гателя при регулировании частоты будет . Если регулировать частоту тока и напряжение, соблюдая указанное условие, то механические характеристики двигателя будут оставаться жесткими, а максимальный момент почти независимым от частоты (он существенно уменьшается лишь при относительно низких частотах). В то же время мощность будет изменяться пропорционально частоте тока, так как. Например, при уменьшении частоты тока в 2 раза вдвое уменьшается и мощность двигателя на валу.

Регулирование изменением числа пар полюсов. Ступенчатое изменение угловой скорости асинхронного двигателя в широких пределах осуществимо ценой усложне­ния и удорожания конструкции асинхронного двигателя — это регулирование пере­ключением числа пар полюсов двигателя.

При постоянной частоте сети угловая скорость вращающегося поля зависит только от числа пар полюсов этого поля, определяемого обмоткой статора. Если на статоре поместить две отдельные обмотки — одну, образующую р пар, а другую, образующуюр' пар полюсов, то, включив в сеть первую или вторую обмотку, мы получим частоту вращения поля:или

следовательно, , соответственным образом будут различаться и частоты вращения ротора двигателя. При этом обмотка ротора двигателя должна быть выполнена, как беличье колесо.

Числа полюсов обмоток статора в этом случае взаимно ничем не связаны и мо­гут быть выбраны любыми в зависимости от условий работы двигателя. Само регули­рование сводится к скачкообразному изменению частоты вращения поля двигателя. Но частота вращения ротора не может изменяться скачкообразно из-за инерции всей системы электропривода. Лишь после переключения начинается соответствующее изменение частоты вращения ротора.

Чтобы показать нагляднее этот переходный процесс, построим две механические характеристики асинхронной машины с изменяемым числом пар полюсов: одну ха­рактеристику, соответствующуюр парам полюсов, а вторуюр' =2р парам полюсов (соответственно рис. 14.31,а и б). Предположим, что момент на валу двигателя оста­ется постоянным при изменении частоты вращения поля. При увеличении последней, т. е. при переходе отр' кр парами полюсов, двигатель сначала оказывается в усло­виях, близких к пусковым, и имеет место скачок тока.

Но при переходе от р кр', т. е. при уменьшении частоты вращения поля, ма­шина оказывается сначала в условиях генераторного режима и работает, отдавая

энергию в сеть. Такой режим иногда используется для быстрого и экономичного торможения электропривода.

Двумя отдельными обмотками снабжаются статоры лишь у двигателей небольшой мощности; у двигателей большой мощности более целесообразным является пере­ключение катушек одной и той же обмотки для получения различного числа пар по­люсов.

На рис. 14.32 показана схема переключения трехфазной обмотки с двух на четыре полюса. Переключение обмотки в ином отношении, чем 1 : 2, требует более сложного изменения схемы и применяется реже.

В большинстве случаев статор асинхронной машины снабжается дву­мя независимыми обмотками, из ко­торых каждая переключается в отношении 1 : 2 или ином. Таким обра­зом, двигатель имеет четыре ступени частоты вращения, например 3000_; 1500, 1000 и 500 об/мин.

Реостатное регулирование. В трех­фазных асинхронных двигателях с фаз­ным ротором используется реостатный способ регулирования частоты вращения ротора. Это достигается введением в цепь фазных обмоток ротора регулируемого трехфаз­ного реостата, как при пуске двигателя (рис. 14.24). Но этот реостат должен быть рассчитан на длительную нагрузку током ротора, а не на кратковременную, как пусковой реостат. Увеличение активного сопротивления цепи ротора изменяет характеристикуМ (s) — делает ее более мягкой (см. рис. 14.25). Если при постоян­ном моменте на валу двигателя увеличивать активное сопротивление цепи ротора путем постепенного увеличения сопротивления реостата(), то рабочая точка будет смещаться с одной кривойМ (s) на следующую, соответствующую воз­росшему сопротивлению цепи ротора (рис. 14.25, точки1—4), соответственно чему будет расти скольжение, а следовательно, уменьшаться частота вращения двигателя. Этим путем возможно изменять частоту вращения ротора в пределах от номиналь­ной до полной остановки. Но при таком способе регулирования неизбежны относительно большие потери энергии. Мощность вращающегося поля Р_ВРП без учета потерь энергии в сердечнике статора состоит из мощности потерь в проводниках обмотки ротора :и механической мощности

Отношение показывает, что доля механической мощности уменьшается прямо пропорционально уменьшению частоты вращения ротора, в то же время соответственно увеличивается доля мощности потерь в активном сопротивлении цепи ротора. Следовательно, для уменьшения частоты вращения двигателя, например, на 25% нужно включить в цепь ротора реостат с таким активным сопротивлением, в котором будет бесполезно превращаться в теплоту четверть энергии вращающегося магнитного поля. Недо­статком такого регулирования может являться и то обстоятельство, что включение реостата в цепь ротора делает механическую характеристику двигателя мягче, сле­довательно, уменьшает стабильность его частоты вращения. При включенном рео­стате малые изменения нагрузки на валу вызывают значительные изменения частоты вращения двигателя.