4.3. Регулирование скорости ад изменением частоты питающего напряжения.

Данный способ широко используется для регулирования ско­рости асинхронных двигателей с высокими показателями каче­ства. Одновременно с этим он позволяет эффективно регулиро­вать и другие переменные ЭП с асинхронными двигателями.

Принцип действия этого способа заключается в том, что изме­нение частоты f1 питающего двигатель напряжения U1 в соответствии с выражением при водит к изменению скорости Wo, за счет чего получаются различные искусственные характери­стики.

Рис. 5.11. Схема включения (а) и механические характеристики (б) при регулировании частоты напряжения на статоре и закон регулирования частоты (в):

1 - преобразователь частоты и напряжения; 2 – двигатель; З ... 7- характери­стики

Схема включения двигателя при регулировании частоты при­ведена на рис. 5.11, а. Необходимым элементом ЭП является пре­образователь частоты и напряжения 1 (В дальнейшем использует­ся обозначение ПЧ), на вход которого подается стандартное на­пряжение сети U1 (220, 380 В и т.д.) промышленной частоты f1 = 50 Гц, а с его выхода снимается переменное напряжение U1рег регулируемой частоты f1рег.

Регулирование выходной частоты и напряжения осуществля­ется с помощью управляющего сигнала Uу, который задает требуемое значение частоты и тем самым скорости двигателя 2.

Этот способ обеспечивает плавное регулирование скорости в широком диапазоне ее изменения, а получаемые характеристики обладают высокой жесткостью. Частотный способ отличается еще одним весьма важным свойством: регулирование скорости двига­теля не сопровождается увеличением его скольжения, поэтому потери мощности при регулировании скорости, определяемые по формуле (5.5), оказываются небольшими.

Для лучшего использования двигателя и получения высоких энергетических показателей его работы - коэффициентов мощности, полезного действия и перегрузочной способности - одно­временно с частотой необходимо изменять и подводимое к двига­телю напряжение. Соотношение частоты и напряжения, называ­емое часто законом частотного регулировании, определяется ха­рактером зависимости момента нагрузки Мс от скорости. При пре­небрежении активным сопротивлением цепи статора и при по­стоянном моменте нагрузки Мс = const напряжение на статоре должно регулироваться пропорционально его частоте:

При пренебрежении активным сопротивлением цепи статора R1 критический момент двигателя определяется формулой (5.13). Так как , то при таком соотношении критический момент и двигатель сохраняет свою перегрузочную способность.

Для вентиляторного характера момента нагрузки закон частот­ного регулирования имеет вид

а при моменте нагрузки, обратно пропорциональном скорости, он запишется в виде

Таким образом, при реализации частотного способа регулиро­вания скорости двигателя должен использоваться преобразователь частоты, который позволяет также регулировать и напряжение на статоре двигателя в определенной пропорции.

Анализ механических характеристик двигателя показывает следующее. Скорость идеального холостого хода двигателя в соответ­ствии с формулой изменяется пропорционально ча­стоте напряжении. Механические характеристики двигателя раз­деляются на два семейства: характеристики, соответствующие ча­стотам ниже номинальной (сетевой) , когда происходит сни­жение напряжения, и выше ее, когда напряжение остается неиз­менным на уровне номинального значения.

В области частот выполняется соотношение =const, так как напряжение, подводимое к двигателю, регулиру­ется от номинального (сетевого) в сторону уменьшения. Поэтому Mк= const и двигатель имеет характеристики 6 и 7, показанные на рис. 5.11, б.

В области частот по условиям нормальной работы двигателя нельзя повышать напряжение выше номинального (пас­портного). Поэтому регулирование скорости в этой области ведет­ся при , что отражено на рис. 5.11, в. Таким образом, критический момент Мк при в соответствии с (5.13) будет уменьшаться и характеристики будут иметь вид кри­вых 3 и 4, показанных на рис. 5.11, б.

Рассмотрим показатели регулирования скорости двигателя. Ре­ализуемый диапазон регулирования скорости в разомкнутых си­стемах составляет 10 ... 15, а в замкнутых (при использовании об­ратных связей) его значение может достигать 10000 и более.

Регулирование скорости в этой системе может осуществляться плавно, в широком диапазоне, в обе стороны от естественной характеристики, т. е. двигатель может иметь скорость как больше, так и меньше номинальной. При этом регулировочные характери­стики имеют высокую жесткость, а двигатель сохраняет свою пе­регрузочную способность.

Частотное регулирование скорости асинхронного двигателя не сопровождается выделением дополнительных потерь мощности, поскольку работа двигателя происходит при небольших скольже­ниях.

В силу отмеченных высоких показателей частотный способ на­ходит широкое применение. Кроме того, можно назвать приме­ры, когда использование частотно-управляемого асинхронного ЭП является единственно возможным. Это привод высокоскоростных электрошпинделей, электроверетен, вентиляторов высокоскоро­стных аэродинамических труб, различных испытательных стендов и т.д.