Лекция 6

4.5. Регулирование скорости электроприводов переменного тока

Широкое применение двигателей переменного тока обусловлено их простотой, дешевизной, повышенной надежностью, существенно (в 2—3 раза) меньшими габаритами и массой по сравнению с двигателями постоянного тока.

Наибольшее распространение в настоящее время получили следующие способы регулирования скорости асинхронного двигателя:

1. реостатное;

2. изменением частоты питающего напряжения.

Для регулирования угловой скорости, кроме упомянутых, могут быть использованы некоторые другие способы включения электрических двигателей: импульсное регулирование, регулирование изменением подводимого к статору напряжения, регулирование с помощью электромагнитной муфты скольжения и др.

4.5.1. Реостатное регулирование скорости асинхронного электропривода

Введение резисторов в цепь ротора (реостатное регулирование) позволяет, как и для двигателей постоянного тока, регулировать угловую скорость двигателя. Плавность регулирования зависит от числа ступеней включаемых резисторов. Регулирование осуществляется вниз от основной угловой скорости.

Реостатные характеристики асинхронного двигателя в рабочей зоне, как и в приводе постоянного тока, отличаются невысокой жесткостью, уменьшающейся с ростом сопротивления резисторов в роторной цепи.

Практически допустимый диапазон при реостатном регулировании угловой скорости не превышает (2 – 3):1.

Допустимая нагрузка длительно работающего двигателя при реостатном регулировании определяется неизменным моментом, равным номинальному, так как номинальному моменту соответствует номинальный ток двигателя. В этом случае предполагается, что двигатель имеет независимую вентиляцию и охлаждается одинаково интенсивно при любой угловой скорости.

Допустимый ток и соответственно допустимый момент самовентилируемого двигателя должен быть снижен по сравнению с номинальным тем в большей мере, чем ниже его угловая скорость.

Потери мощности при реостатном регулировании без учеа постоянных потерь пропорционально скольжению. Если, например, скорость двигателя снижена вдвое по сравнению с номинальной, то примерно половина всей потребляемой из сети мощности теряется в регулировочных резисторах.

Основная мощность теряется в регулировочном резисторе.

Недостатками реостатного регулирования скорости являются:

1) необходимость дискретного изменения сопротивления в роторной цепи с помощью силовых аппаратов, управляемых дистанционно или вручную, что дает ступенчатое регулирование скорости и исключает возможность использования замкнутых систем автоматического управлении;

2) невысокое быстродействие;

3) большие потери энергии.

Реостатное регулирование благодаря своей простоте находит практическое применение, например, в приводе подъемно-транспортных устройств, вентиляторов и насосов малой и средней мощности (до 100 кВт).

4.5.2. Частотное регулирование асинхронных электроприводов

Принципиальная возможность регулирования угловой скорости асинхронного двигателя изменением частоты питающего напряжения вытекает из формулы . При регулировании частоты также возникает необходимость регулирования амплитуды напряжения источника, что следует из выражения ., где- ЭДС статора. Если при неизменном напряжении изменять частоту, то поток будет изменяться обратно пропорционально частоте. Так, при уменьшении частоты поток возрастет и это приведет к насыщению стали машины и, как следствие, к резкому увеличению намагничивающего тока и превышению температуры двигателя; при увеличении частоты поток будет уменьшаться и, как следствие, будет уменьшаться допустимый момент.

Для наилучшего использования асинхронного двигателя при регулировании угловой скорости изменением частоты необходимо регулировать напряжение одновременно в функции частоты и нагрузки, что реализуемо только в замкнутых системах электропривода.

Для осуществления частотного регулирования скорости находят применение преобразователи, на выходе которых по требуемому соотношению или независимо меняется как частота, так и амплитуда напряжения. Преобразователи частоты можно разделить на электромашинные и вентильные. Вентильные преобразователи подразделяются на преобразователи с непосредственной связью и преобразователи с промежуточным звеном постоянного тока. Принципы действия преобразователей частоты и схемные решения подробно рассматриваются в специальных курсах, поэтому здесь этих вопросов касаться не будем.

Для выявления свойств асинхронного двигателя при частотном управлении предполагаем, что преобразователь обладает неограниченной мощностью, выходное напряжение которого симметрично и синусоидально. Такое представление преобразователя позволяет выявить предельные возможности асинхронного двигателя и получить достаточно простые закономерности.

Расчетные уравнения, позволяющие рассчитывать механические характеристики и анализировать свойства электропривода при частотном регулировании имеют такой же вид, как и уравнения при номинальной частоте (гл. 3).

Синхронная скорость .

Критическое скольжение ,где - индуктивное сопротивление при частоте.

Критический момент .

Анализ последнего выражения показывает, что при сравнительно больших частотах, когда значением по сравнению сможно пренебречь, максимальный момент двигателя при изменении частоты постоянен, если напряжение изменяется пропорционально частоте, т. е.

Уравнение для расчета характеристики в двигательном режиме

,

где .

При дальнейшем снижении частоты активное сопротивление статора становится соизмеримым со значениеми максимум момента двигателя снижается (рис. 4.14). Это происходит как вследствие уменьшения потока двигателя из-за увеличивающейся доли падения напряжения наот общего приложенного напряжения, так и уменьшения абсолютного критического скольжения, что приводит даже при неизменном потоке к уменьшению момента вследствие уменьшения тока ротора в соответствии с выражением.

Для поддержания достаточной перегрузочной способности во всем диапазоне регулирования необходимо при малых частотах уменьшать напряжение в меньшей степени, чем снижается частота.

Диапазон регулирования в разомкнутых системах при не превышает (5 -8):1

Регулирование ниже основной скорости может производиться с постоянным моментом нагрузки, если двигатель имеет независимую вентиляцию. В тех случаях, когда используются самовентилируемые двигатели, у которых со снижением скорости уменьшается теплоотдача, допустимая нагрузка должна быть снижена при длительной работе на низких скоростях. При частотном регулировании скорости и номинальном моменте потери уменьшаются за счет снижения потерь в стали, что позволяет в меньшей мере снижать его нагрузку, чем при других способах регулирования.

Частотное регулирование при изменении частоты и соответственно подводимого к статору напряжения может производиться не только ниже основной угловой скорости, но и частично (в соответствии с допустимым превышением скорости над синхронной по условиям механической прочности) выше основной.

В замкнутых системах частотного управления могут быть получены характеристики требуемого качества в диапазоне регулирования 10 000:1 и более.

Частотное регулирование угловой скорости является экономичным, так как управление двигателем производится при малых скольжениях. Кроме того, в замкнутых системах можно управлять двигателем, достигая минимума потерь в нем или минимума потребляемого двигателем тока, или экстремума других энергетических показателей, так как имеется возможность регулировать напряжение в функции нагрузки. Частотное регулирование угловой скорости обычно плавное, бесступенчатое, но оно требует применения относительно сложного преобразователя.

Большим достоинством частотного регулирования является возможность реализации высоких регулировочных свойств, не уступающих приводу постоянного тока, в электроприводе с бесконтактным асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором — наиболее простым, надежным и дешевым электрическим двигателем.