Изменение частоты тока.
При изменении этого параметра изменяется угловая скорость поля статора 0 = 2f1/р, а пропорционально изменяется и скорость ротора. Этим способом пользуются, присоединяя АД к отдельному, специально для него предназначенному синхронному генератору или же тиристорному преобразователю частоты. Более подробно этот способ рассматривается в теме «Тиристорные преобразователи частоты».
Изменение числа пар полюсов статора.
Наиболее широко применяется, так как этот способ регулирования угловой скорости пригоден для короткозамкнутых АД. Изменяя число пар полюсов р переключением фазных обмоток статора с одной схемы соединения на другую (рис.4.15) можно в обратно пропорциональной зависимости изменить синхронную угловую скорость АД под нагрузкой. При этом число пар полюсов короткозамкнутого ротора изменяется автоматически. Так как р — целое число, то регулирование данным способом ступенчатое. В простейшем и наиболее распространенном случае полюса переключают со схемы соединения «звезда» на схему соединения «двойная звезда» (рис.4.16,а). Каждая фазная обмотка специального 2-скоростного АД состоит из двух секций. Начала и концы каждой из половин фазных обмоток, расположенных на панели выводов АД, соединяют последовательно или параллельно (во втором случае - звезда»). Число пар полюсов при этом уменьшается вдвое.
Рис.4.15. Схемы соединения двух половин фазной обмотки 2-скоростного короткозамкнутого АД: а–последовательное соединение, б–параллельное соединение.
Это становится очевидным из сопоставления принципиальных схем соединения обеих половин обмотки одной фазы АД. На рис.4.15, а обе половины соединены последовательно перемычкой 1К–2Н между концом первой половины и началом второй. Рассматривая направление тока в активных сторонах секции обмотки в определенный момент времени, устанавливаем, что в АД создано вращающееся магнитное поле, образованное восемью полюсами. На рис.4.15,б обе половины обмотки соединены параллельно перемычками 1К —2Н и 1Н—2К. Теперь в не которых соседних сторонах секций ток в данный момент времени течет в одинаковом направлении, вследствие чего образуется всего 4 полюса. Угловая скорость ротора АД в результате такого переключения увеличивается вдвое. То же получается при переключении обмоток со схемы «треугольник» на схему «двойная звезда» (рис. 4.16,б).
В качестве примера рассмотрим простейшие переключения обмоток 2-скоростных АД: со «звезды» или «треугольника» на «двойную звезду» (см. рис.4.16).
Рис. 4.16. Схемы переключения обмоток статора асинхронного 2-скоростного короткозамкнутого двигателя:
а—со звезды» на «двойную звезду»; б—с «треугольника» на двойную звезду»
При переключении двух частей каждой фазы с последовательного соединения на параллельное число пар полюсов уменьшается вдвое, а угловая скорость поля статора во столько же раз увеличивается, и соответственно в такой же степени возрастает угловая скорость ротора. Отличие соответствующих механических характеристик (рис. 4.17) при различных способах переключения пар полюсов состоит в неодинаковости критических моментов и объясняется следующими обстоятельствами.
Рис. 4.17. Механические характеристики 2-скоростного асинхронного двигателя:
а — при переключении обмотки статора со «звезды» на «двойную звезду; б — с «Треугольника» на «двойную звезду»
1. При переключении со «звезды» на «двойную звезду» вдвое уменьшается число пар полюсов и вдвое увеличивается магнитный поток одного полюса. Последнее объясняется тем, что у «двойной звезды» по отношению к «звезде» при том же значении фазового напряжения число последовательно соединенных витков одной фазы будет меньше в 2 раза, а это ведет к увеличению в 2 раза тока статора и соответственно в 2 раза увеличивается магнитный поток одной пары полюсов. Так как вращающий момент АД, и в частном случае критический момент, пропорционален числу полюсов, то его значение может быть выражено следующей формулой: Мкр = с1рI2Ф соs 2. Из этого уравнения ясно, что поскольку при переключении числа пар полюсов по первому способу значение рФ не изменяется, критический момент АД, определяющий его перегрузочную способность, остается таким же.
В случае переключения с «треугольника» на «двойную звезду» фазное напряжение уменьшается в √3 раз, а число последовательно соединенных витков одной фазы — в 2 раза. Поэтому ток возбуждения и магнитный поток здесь увеличиваются всего на 14%. Значение рФ при уменьшении вдвое числа пар полюсов также уменьшается. Следовательно, уменьшается и критический момент АД, т. е. снижается перегрузочная способность.
При переключении многоскоростного АД с большей скорости на меньшую в первоначальный момент скорость вращающегося по инерции ротора оказывается больше угловой скорости поля статора, снизившейся в 2 раза. Вследствие этого скольжение становится отрицательным, ЭДС ротора Е2s становится противоположной по фазе и соответственно меняется на 180° по фазе ток ротора I2. Изменившийся по фазе ток создает во взаимодействии с магнитным потоком противоположный по направлению момент : Мт = kI2Ф соs 2, который для вращающегося в том же направлении ротора будет являться тормозным. Это явление в схемах ЭП судовых грузоподъемных механизмов широко используют для облегчения работы механических электромагнитных тормозов.
Возможны и другие переключения схем соединения обмоток, причем каждая фазная обмотка может состоять не только из двух половин, но и из трех, четырех и даже пяти частей. В этих случаях отдельные части обмоток соединяют, кроме указанных выше схем, «двойным» и «тройным треугольником», «тройной звездой»; применяют комбинированное соединение нескольких частей обмоток и т. п. В результате можно получать не только две, но и три, четыре угловые скорости. Такие полюсопереключаемые АД называются многоскоростными.
В судовых ЭП применяются многоскоростные 2- и 3-обмоточные АД серии МАП, у которых есть 2 или 3 независимые одна от другой 3-фазные обмотки статора. Каждая из обмоток выполнена на разное число пар полюсов. Одна из обмоток называется тихоходной, другая–быстроходной и т.д. Любую из этих обмоток можно переключить со схемы «треугольник» на схему «двойная звезда» и получить таким образом большее число скоростей. Наибольшее распространение в 2-скоростном исполнении получили АД с кратностью скоростей 2:1, а в 3-скоростном исполнении — с кратностью 4:2:1 и 6:2:1. Полюсопереключаемые АД могут иметь обычный ротор с короткозамкнутой обмоткой, а также ротор с переменными параметрами (двойная беличья клетка и т. п.).
Способ регулирования скорости переключением числа пар полюсов прост в реализации и экономичен, поскольку АД работают с малыми скольжениями. Основной недостаток этого способа — ограниченное число скоростей в заданном диапазоне регулирования: для 1-обмоточньих АД—обычно 2 скорости, для 2-обмоточных–3. Обеспечить плавное регулирование скорости здесь невозможно, нельзя получить также «ползучие» скорости. При ступенчатом изменении числа пар полюсов угловая скорость поля статора, а соответственно и скольжение также изменяются ступенчато. Это приводит к ступенчатому изменению значений ЭДС, тока ротора, вращающего момента, и АД испытывает дополнительные динамические нагрузки. Кроме того, многоскоростные АД, при прочих равных условиях, больше по габаритным размерам, и для управления ими нужна более сложная и дорогая аппаратура.