5.4 Регулювання ад зміною кількості пар полюсів.

Для такого регулювання використовують спеціальні багатошвидкісні АД, які розглядались у курсі “Електричні машини”. Тут ми розглянемо найбільш застосовані схеми перемикання, у котрих кожна фаза складена з двох пів фаз. Такі двигуни використовуються у верстатах, різних підіймачах та ін..

Схема трикутник – подвійна зірка – наведена на рис. 5.13, а, б. Схема трикутник має р1 пар полюсів, а подвійна зірка – . Характеристики такого перемикання наведені на рис. 5.13, в .

Рис. 5.13

Для спрощення на рис. 5.13, а, б, наведена назва лише однієї фази “A”, де А1н – початок першої пів фази, А1к – її кінець; А2н і А2к – відповідно у другої пів фази.

Допустимий струм у секції обмотки І1доп=І1ном, отже для трикутника допустима потужність буде:

, а для подвійної зірки .

Вважаємо, що , тоді обидві потужності практично є рівними. Але швидкість при перемиканні збільшується у двічі, тому що у трикутника р1 пар полюсів, а у подвійної зірки . Отже, допустимий момент зменшиться майже у два рази. Таке перемикання має назву – “з постійною потужністю”.

Схема зірка – подвійна зірка наведена на рис. 5.14.

Рис. 5.14

На рис. 5.14, а – вихідна схема “зірка” з р1 пар полюсів. При перемиканні на “подвійну зірку” буде р2 пар полюсів і схема на рис. 5.13, б. Характеристики такого перемикання наведені на рис. 5.14, б. При цьому допустима потужність для подвійної зірки аналогічна попередньому випадку, а для початкової зірки буде: - бачимо, що вона у двічі менша за допустиму при подвійній зірці.

Отже, при такому перемиканні, коли і швидкість, і потужність зросли у двічі, то момент залишається незмінним. Тому таке перемикання має назву “з постійним моментом”.

Обидва із розглянутих способів регулювання вельми економічні (ніяких додаткових резисторів або перетворювачів), жорсткість характеристик залишається високою, а здатність до перенавантажень – великою.

Недоліки – це дискретність регулювання і невеликий його діапазон: можливий максимум чотири швидкості – 3000/1500 об/хв. і 1000/500 об/хв. Точність регулювання визначена статизмом , тобто вельми висока.

5.5 Частотне регулювання ад.

Відомо, що , тому частотне регулювання забезпечує плавну зміну кутової швидкості без зростання ковзання S, і, як наслідок цього, втрати при такому регулюванні мінімальні. Закон частотного регулювання був сформульований академіком М. П. Костенко: якщо сконструювати АД для частоти f1ном, моменту Мном і напруги U1ном і змінювати при новому значені моменту напругу U1 і частоту f1, щоб задовольнялось співвідношення , (5.15) то двигун буде працювати практично з незмінним коефіцієнтом перенавантаження, а його ККД буде залежати тільки від зміни частоти і практично не буде залежати від зміни моменту на валу , якщо насичення магнітного кола двигуна не занадто велике.

Отже, регулювання частоти f1 потребує і одночасного регулювання і амплітуди напруги U1 тому таке регулювання можливе лише у замкнених системах. Це можуть бути системи із інверторами струму, напруги або електромеханічний перетворювач. З курсу “Електричні машини” відомо три основних варіанти такого регулювання:

а) , якщо Мс=const;

б) , якщо є вентиляторне навантаження, для якого М~ω² ;

в) , якщо , тобто потужність Р=const;

Характеристики для цих варіантів регулювання наведені відповідно на рис. 5.15 а, б, в, де частоти f11>f12ном>f13, а Мс – статичний допустимий момент опору.

Рис. 5.15

Принципово розглядають два діапазони регулювання, перший, коли f1<f1ном, а другий, коли f1>f1ном.

Якщо частота живлення менша за номінальну, то можливо виконати положення і Мmax=const. Але якщо частота живлення більша за номінальну, виконати цю умову(Мmax=const) неможливо, тому що недопустимо перевищувати номінальну напругу, тобто, U1>U1ном. Тому, коли f1>f1ном амплітуда напруги залишається незмінною U1=U1ном і, як слідує з рівняння (5.15) максимальний момент буде зменшуватись, а також і допустимий момент навантаження.

Слід також додати, що при високих частотах, коли f1*>0.5, цілком допустимо знехтувати величиною опору статору r1. Але при малих частотах буде зменшуватись магнітний потік, а також момент через більш різко виражений спад напруги у активних опорах статора та перетворювача частоти. Тому у разі регулювання по характеристикам рис. 5.15, а, слід мати , тобто зменшувати напругу U1 в меншій ступені.

Проаналізуємо цю обставину за допомогою колової діаграми на рис. 5.16.

Рис. 5.16

При низькій частоті та зазначеному законі регулювання діаметр кола струмів лишається незмінним, оскільки хк~f1, і тоді діаметр АС~ . Але при цьому зміниться кут γном , оскільки при f1<f1номtgγ′> tgγном.

Наприклад, якщо зменшити номінальну частоту 50Гц в три рази, одержимо tgγ′=3 tgγном. При цьому приблизно в три рази збільшується кут γ, тому що у номінальному режимі він невеликий, тобто γ′=3γном . Але тоді точка Т на коловій діаграмі переміститься у точку Т′. Оскільки лінія АТ є лінія моментів, то при номінальній частоті f1ном і куті γном максимальний момент визначається відрізком ВG, тобто Мmax~ВG. При зниженій частоті f1<f1ном і куті γ′>γном максимальний момент буде Мmax′~B′G′, тобто Мmax′<Мmax; інакше кажучи, вимога незмінності моменту не витримується, причому тим більше, чим менше f1. Тому для підтримання моменту незмінним, тобто Ф=const, необхідно виконувати умову . Інакше кажучи, змінювати напругу U1 при малих частотах треба так, щоб виконувалась умова .

Але так як Е і х1 пропорційні частоті f1, а опір r1 від частоти не залежить, то напруга U1 повинна змінюватись за законом , де а і b – сталі. Таке регулювання є характерним, наприклад, для кранового електропривода.

При перевантаженнях та за малих частот, коли f1=2…5Гц, бажано підвищити у 2…3 рази. Тоді зросте потік Ф, спаде струм І1 і електричні витрати. Але зросте струм намагнічування і втрати у сталі.

Розглянемо і енергетичні показники при частотному регулюванні. Відомо, що система живлення має цілий спектр вищих гармонік, тобто двигун живиться несинусоїдальною напругою. Тому ККД знижується на 2…3%, а cosφ – на 5%. Потужність двигуна може зменшитись на 10…20%. Відомо, що електричні витрати від ν-ой гармоніки , а втрати у сталі , де Ркз і рс1 відповідно витрати короткого замикання та у сталі при синусоїдальному живлені [5]. Це тому, що амплітуди вищих гармонік магнітного потоку малі.

Висновки: Частотне регулювання АД ні у якому разі не уступає за якістю і діапазону електроприводам постійного струму. Але потребує складних і дорогих перетворювачів, а також висококваліфікованого персоналу для їх обслуговування.