Регулирование скорости трехфазного асинхронного двигателя

Для этих двигателей нет простых и экономичных способов плавного регулирования скорости.

Различают основные и не основные способы регулирования. К основным способам можно отнести следующие, проанализировав уравнение:

 = ₀(1  s) =

1 – реостатный;

2 – изменением числа пар полюсов (р);

3 – изменением частоты питающего тока (f₁).

Первый способ – реостатный.

Этот способ рассмотрен при изучении способа пуска двигателя с фазным ротором. В цепь ротора вводится дополнительное активное сопротивление пускового реостата (R).

Преимущество – простота.

Недостатки : а) – малая экономичность из-за больших потерь энергии в роторе, т.к. Р_ротора Р_нs.

Если s = 0.5s_н, то есть глубина регулирования 50%, то потери энергии на реостате составят 50% от номинальной мощности двигателя.

б) – наблюдается неустойчивость регулирования.

Второй способ – изменением числа пар полюсов (р).

В этом способе могут быть два варианта

2.1. Двигатель изготовляется с двумя обмотками в каждой фазе. Этот способ применяется только для короткозамкнутых двигателей.

Для двигателей с фазным ротором этот способ не применяется, т.к двигатель получается сложным.

р_{1 =} 2; р₂ = 1;

тогда ^₀ = 2f₁/р₁  2f₁/р₂

2.2. Двигатель изготовляется с одной обмоткой, но специальной. Каждая обмотка статора разделена на две секции с одинаковым числом витков. При различном включении секций в них изменяется направление тока или его величина.

Наиболее употребляемыми схемами переключения секций (полуобмоток) являются следующие:

а) последовательно согласное

А    

I_{1 доп}

Х w₁

U₁ N S N S

А^ I_{1 доп} A X A^ X ^

Х ^ w₁

Z^ Y ^

C ^ B^

Z Y

C B

Рис.25 Схема включения полуобмоток статора последовательно-

Согласно

При такой схеме включения имеем:

число полюсов – 4,

следовательно, число пар полюсов – 2 (р₁=2),

тогда, угловая скорость магнитного поля статора ^₀ = 2₁/р₁ ,

а допустимый ток, в обмотке (фазе) статора I_{1 доп}.

б) последовательно-встречное

Д ля простоты рассмотрим данное включение на одной обмотке (фазе А).

А 0.5   0.5 

I_2доп

0.5I_{2 доп}

Х

А^ N S S N

0.5I_{2 доп}

Х ^ X A A^ X ^

Рис.26 Схема включения полуобмоток статора последовательно-

Встречно

При данном включении количество пар полюсов уменьшается в два раза и становится равным одной (р₂=1). Тогда, угловая скорость магнитного поля статора будет ^₀= 2₁/р₂

или, в сравнении с первым способом, ^₀ = 2^₀ .

Ток фазы в этом случае останется равным току в первом способе

I_{2 доп}= I_{1 доп}

в) параллельно-согласный способ (двойная звезда)

При этом способе подключения число пар полюсов будет равно одной (р₃=1).Следовательно, угловая скорость магнитного поля статора возрастет в сравнении с первым способом в два раза - ^₀ = 2^₀ .

Но и ток фазы (одной обмотки ) увеличится в два раза - I_{3 доп} = 2I_{1 доп}

(см. рис.27).

А 0.5  0.5

I_{3 доп} 0.5I_{3 доп}

Х

N S S N

А^

Х ^ 0.5I₃ доп А Х А^ Х ^

Рис.27 Схема соединений обмоток статора при параллельно-

согласном способе

Допустимая мощность, которую можно приложить к обмоткам двигателя, как известно из электротехники, определяется

а) Р_{1 доп}= 3 U₁I_{1 доп} cos₁ - для первого способа;

б) Р_{2 доп}= 3 U₁I_{2 доп} cos₂ - для второго способа;

в) Р_{3 доп}= 3 U₁I_{3 доп} cos₃ - для третьего способа.

Сравним первый и второй способы.

Так как I_{1 доп}= I_{2 доп} , то cos₁ = cos₂,

тогда: Р_{1 доп}= Р_{2 доп} = const.

Известно, что Р = М  и ^₀ = 2 ^₀

тогда М_{1 доп}^₀ = М_{2 доп}2^₀

получим М_{2 доп} = ½ М_{1 доп} или М_{1 доп} = 2 М_{2 доп}

т.е., допустимый момент на валу для второго способа будет в два раза меньше, чем для первого, хотя скорость возрастает в два раза. Следовательно, регулирование скорости происходит при непостоянном моменте.

М М_{1 max}

1

М_{1 п 2}

М_{1 доп} М_{2 max}

М_{2 п}

М_{2 доп}



^₀ ^₀

Рис.28 Механические характеристики при переключении с последо-

вательно-согласного (кривая 1) на последовательно-встречное (кривая 2) соединение

При включении обмоток на третий способ соединения, когда угловая скорость возрастает в два раза, потребляемая мощность возрастает также в два раза, т.к.

при I_{3 доп} = 2I_{1 доп},

Р_{3 доп}= 3 U₁ I_{3 доп} cos₃ = 3 U₁ 2I_{1 доп} cos₃ ,

т.е. Р_{3 доп} = 2Р_{1 доп} ,

а так как ^₀ = 2^₀,

то при Р = М 

М_{1 доп}= М_{3 доп} = const , также М_{1 max}= М_{3 max}

Cледовательно, можно сделать вывод, что регулирование происходит при постоянном моменте (рис.29).

М

М_{1 max}= M_{3 max}

1 2

М_{1 п}=М_{3 п}

М_{1 доп}= М_{3 доп}

^₀ ^₀ 

Рис.29 Механические характеристики при переключении с последо-

вательно-согласного (1) на параллельно-согласное (2) соединение

Преимущества изменения скорости ротора асинхронного двигателя переключением полуобмоток:

– простота регулирования; регулирование может быть двух, трех и четырех скоростное. Больше не делается из-за сложности укладки полуобмоток в пазы статора, увеличиваются потери мощности на единицу массы;

– сохраняется жесткость характеристик.

Недостатки

– не плавное, а крупноступенчатое регулирование;

– экономичность, КПД и cos меньше, чем у обычного двигателя.

Способ используется в двигателях с целью уменьшения количества механических передач в станках, вентиляторах, насосах, мельницах.

Третий способ – изменение частоты тока источника питания.

Частотное регулирование находит все большее применение для рольгангов, транспортеров и, особенно, для металлорежущих станков с целью обеспечения большой частоты вращения (более 20 000 мин^-1).

При регулировании частоты возникает необходимость регулировать также и напряжение источника питания, т.к.

U₁  Е₁ = кФ₁ (35)

Из выражения (35) видно, что если увеличивается частота, а напряжение остается постоянным, то магнитный поток будет уменьшаться и, как следствие, будет уменьшаться допустимый момент.

При снижении частоты, магнитный поток увеличивается (при U₁= const), что приводит к насыщению стали машины и, как следствие, к резкому увеличению токов намагничивания и на гистерезис, следовательно, нагреву двигателя. Поэтому, для наилучшего использования асинхронного двигателя при регулировании скорости изменением частоты, необходимо регулировать одновременно частоту и напряжение, что возможно только в замкнутых системах электропривода:

Ф  U₁/₁ (36)

Нет простых и дешевых преобразователей, удовлетворяющих требованиям выражения (36). В настоящее время преобразователи частоты можно разделить:

1) – электромашинные; 2)– вентильные или статические.

Схема электромашинного преобразователя частоты с промежуточным звеном постоянного тока, в котором используется синхронный генератор, представлена на рис.30.

Ũ ₁=const Ũ₁=var

ƒ₁=const ƒ₁=var

=const =var

М₁ G₁ M2 G2 M₃ M₄ M₅

ОВG₁ ОВМ₂

ПЧ

R₁ R₂ R

+  +  + 

Рис.30 Электромашинный преобразователь частоты с промежуточным звеном постоянного тока и синхронным генератором переменного тока

где М_1, G₁ – соответственно, асинхронный двигатель и генератор постоянного тока для преобразования переменного сетевого напряжения неизменной частоты в регулируемое по величине постоянное напряжение, которое зависит от тока возбуждения генератора G₁;

М₂ – двигатель постоянного тока. Может изменять частоту

вращения при изменении подаваемого на него напряжения;

G₂ – синхронный генератор переменного тока. При изменении

его угловой скорости изменяются пропорционально

частота и напряжение;

М₃, М₄, М₅ – потребители – асинхронные двигатели (потребители).

В свою очередь электромашинные могут быть выполнены с промежуточным звеном постоянного тока и непосредственной связью. Последние не нашли широкого применения из-за дороговизны.

Недостатки 1). Если считать, что мощность, потребляемая двигателями М₃, М₄, М₅ равна Р_ном потребителей, то при пренебрежении потерями в машинах общая установленная мощность преобразователя частоты составит:

Р_п.ч= Р_м1 + Р_G1 + Р_м2 + Р_G2 = 4Р_ном

С учетом потерь в машинах преобразователя его установленная мощность будет еще больше. Это основной недостаток.

2). Низкий КПД, определяемый произведением КПД отдельных машин. Если КПД отдельных машин – 0.9, то суммарный КПД составит 0.9⁴=0.66.

3). Значительная инерционность системы.

Лекция №6