Лекции / Лекция 16 Регулирование частоты вращения АД

Регулирование частоты вращения АД

Возможные способы регулирования частоты вращения. Су-

ществует два возможных метода регулирования частоты вращения асинхронных двигателей: изменением частоты вращения n1 магнитно-

го поля или величины скольжения s . Изменение частоты вращения поля n1 осуществляют двумя способами: изменением частоты f1 тока, подаваемого на обмотку статора, или изменением числа полюсов машины 2p. Изменение скольжения s при заданном нагрузочном

моменте M MH можно осуществить путем изменения питающего напряжения U1 , введения в цепь ротора добавочного активного со-

противления (в двигателях с фазным ротором) или подключения обмотки ротора к добавочному источнику электрической энергии с из-

меняющейся частотой f2 (в двигателях двойного питания и в асин-

хронных каскадах). При изменении питающего напряжения и введении в цепь ротора добавочного активного сопротивления мощность

скольжения sPЭМ целиком выделяется в цепи ротора в виде теплоты.

При подключении обмотки ротора к добавочному источнику электри-

ческой энергии мощность скольжения sРЭМ в основном поступает от

этого источника и в цепи ротора теряется только мощностьm2I22r2 .

Для изменения направления вращения ротора необходимо изменить направление вращения магнитного поля. В трехфазных машинах это осуществляют изменением чередования фаз, для чего переключают два провода, подводящие ток из сети к двум любым фазам обмотки статора.

Регулирование частоты вращения изменением частоты f1.

Этот способ регулирования частоты вращения позволяет применять наиболее надежные и дешевые асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором. Однако для изменения частоты питающего напряжения требуется наличие источника электрического тока переменной частоты. В качестве последнего используют либо синхронные генераторы с переменной частотой вращения, либо преобразователи частоты: электромашинные или статические, выполненные на управляемых полупроводниковых вентилях (тиристорах и транзисторах).

Зависимость максимального момента от напряжения и частоты выражается формулой

или, пренебрегая в (2.56) значением r1 в знаменателе и выражая

x1 2 f1L1 , x2 2 f1L1 ,

получаем

где c– постоянная; L1 и L2 – индуктивности рассеяния обмоток статора и ротора.

Из (2.57) следует, что при изменении частоты f1, одновременно

с частотой вращения изменяется и максимальный момент, т.е. перегрузочная способность двигателя (отношение максимального момента

Mm к номинальному моменту Mн ). Для устойчивости работы двига-

теля необходимо обеспечить достаточную перегрузочную способность

Mm Kп . Следовательно, при частотном регулировании должно быть

Mн

обеспечено условие:

Mm1 Mm2 const,

Mн1 Mн2

где индексы «1» и «2» относятся к различным частотам вращения; Mн1 и Mн2 – нагрузочные моменты при этих частотах. Так как согласно (2.57)

то получаем основной закон частотного регулирования:

Этот закон впервые сформулирован академиком М.П. Костенко. Если требуется регулировать частоту вращения при постоянном нагру-

зочном моменте (Mc const ), то уравнение (2.58) принимает вид

т.е. питающее напряжение следует изменять прямо пропорционально его частоте. При этом мощность двигателя увеличивается прямо пропорционально возрастанию частоты вращения.

Механические характеристики двигателя при регулировании с Mm const даны на рис. 2.61, а.

Если регулирование происходит с постоянной полезной мощно-

стью P2 , то момент Mm должен изменяться обратно пропорциональ-

но частоте вращения, а, следовательно, и f1:

Подставляя (2.60) в (2.59), получаем закон изменения напряжения при регулировании с постоянной мощностью

Механические характеристики для этого случая показаны на рис. 2.61, б.

Соотношения (2.59) и (2.61) являются приближенными, так как не учитывают влияния сопротивления r1 на Mm , что наиболее сильно

мальный момент Mm в зоне малых частот будет уменьшаться (рис.

2.61, а). Влияние этого сопротивления можно установить по упрощенной круговой диаграмме (рис. 2.62), диаметр которой при условии

частоте линия моментов ОТ образует с диаметром окружности уголн , тангенс которого

tg н r1 / x1 x2 r1 / 2 f1н L1 L2 .

При пониженной частоте

tg н r1 / 2 f 1н L1 L2

Рис. 2.62.Упрощенная круговая диаграмма при регулировании

и линия моментов ОТ проходит существенно выше, что снижает значение максимального

мало сказывается на максимальном моменте, так как угол H обычно мал.

мые для обеспечения указанного закона регулирования при заданных зна-

чениях частоты ротора f2 , т.е. электромагнитного момента. Получить

такую зависимость в электромашинных преобразователях частоты и синхронных генераторах спеременнойчастотойвращения весьма трудно, так как у них ЭДС пропорциональна частоте. Более гибким является регулирование при питании электродвигателя от статического преобразователя частоты, так как в этом случае напряжение при регулировании U1 и час-

тота f1 могут изменяться полюбомутребующемуся закону.

Регулирование частоты вращения изменением числапар по-

люсов Угловая скорость магнитного поля в асинхронном двигателе, а, следовательно, и угловая скорость ротора обратно пропорциональна числу пар полюсов. Изменяя число пар полюсов, можно регулировать скорость. Число пар полюсов зависит от шага и схемы соединения обмотки статора.

Ф

Катушки

p 2

Р=2 p 1 Р=1

Рис. 2.65. Схемы включения обмотки статора на различное число полюсов

Для регулирования угловой скорости на статоре в общих пазах можно разместить не одну, а две обмотки, имеющие различные шаги, а, следовательно, и различное число пар полюсов. В зависимости от необходимой скорости в сеть подключается та или иная обмотка. Этот способ применяется сравнительно редко, так как он имеет существенный недостаток – плохое использование обмоточного провода (всегда работает только одна из обмоток).

Более часто изменение числа пар полюсов достигается изменением (переключением) схемы соединения уложенной на статоре обмотки. Принцип такого переключения поясняется на рис. 2.65. При переходе с последовательного соединения двух катушек (рис. 2.65, a)

Мощность P2 б соответствует меньшему числу пар полюсов и

большей в 2 раза угловой скорости. Мощность P2 a соответствует

большему числу пар полюсов и меньшей угловой скорости.

Как следует из (2.62), при переходе от меньшей скорости (рис. 2.66, a) к большей (рис. 2.66, б) допустимая мощность на валу увеличивается в 2 раза. Вращающий момент в том и другом случае сохраняется неизменным

тельно, а фазы между собой – в треугольник. На рис. 2.67, б половины фаз соединяются па-

раллельно, образуя двойную звезду. Соединение по рис. 2.67, a соответствует большему числу пар полюсов и меньшей угловой скорости, а соединение по рис. 2.67, б – меньшему числу пар полюсов и большей угловой скорости.

Соответственно мощности на валу для этих схем

P2a 3U1Л I1 cos 1 ; P2б 3U1Л 2I1 cos 1;

откуда