14.17. Методы регулирования частоты вращения асинхронных двигателей

Для регулирования частоты вращения асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором обычно служат метод частотного регулирования, представляющий собой плавное регулирование частоты вращения магнитного поля путем регулирования частоты тока в обмотках статора, и метод изменения числа пар полюсов вращающегося магнитного ноля, при котором частота вращения магнитного поля изменяется скачком.

Для регулирования частоты вращения асинхронных двигателей с фазным ротором применяется метод реостатного регулирования, представляющий собой плавное регулирование скольжения ротора путем изменения активного сопротивления его фазных обмоток.

А. Частотное регулирование. Наиболее перспективным методом управления частотой вращения асинхронного двигателя является регулирование частоты переменного тока в обмотках статора двигателя. Угловая скорость вращающегося поля w_п = 2pf'/p, т.е. изменяется пропорционально изменению частоты тока f. Однако при регулировании частоты тока необходимо одновременное регулирование напряжения. Это связано с тем, что в соответствии с выражением (14.10) ЭДС фазы, а следовательно, и питающее напряжение пропорциональны частоте тока и потоку. Так как поток должен сохраняться во всех режимах одним и тем же, то напряжение должно быть (без учета падений напряжения в обмотках машины) пропорциональным частоте. Кроме того, это нужно для того, чтобы при изменении частоты вращения двигателя не изменялся его вращающий момент.

При оценке характера зависимости вращающего момента от частоты тока в обмотках статора и от напряжения не будем учитывать в уравнении (14.28) активное сопротивление обмотки статора r_в1 и индуктивные сопротивления рассеяния обмоток статора x_рас1 и ротора x_рас2. Тогда вращающий момент с учетом (14.12)

(14.35)

где А = const.

Следовательно, при изменении частоты тока для поддержания вращающего момента постоянным необходимо пропорционально изменять напряжение на обмотках статора, т.е. нужно выполнить условие U/f = const. Если регулировать частоту тока и напряжение, соблюдая указанное условие, то механические характеристики двигателя будут оставаться жесткими, а максимальный момент почти не зависящим от частоты (он существенно уменьшается лишь при относительно низких частотах). В то же время мощность будет изменяться пропорционально частоте тока, так как P₂ = M_врw_р. Например, при уменьшении частоты тока в 2 раза вдвое уменьшается и мощность на валу двигателя.

Б. Регулирование изменением числа пар полюсов. Ступенчатое изменение угловой скорости асинхронного двигателя в широких пределах переключением числа пар полюсов осуществимо ценой усложнения и удорожания его конструкции.

При постоянной частоте сети угловая скорость вращающегося поля зависит только от числа пар полюсов, задаваемого обмоткой статора. Если на статоре поместить две отдельные обмотки — одну, образующую p пар, а другую, образующую p' пар полюсов, то, включив в сеть первую или вторую обмотку, получим частоту вращения поля:

n₁ = 60f/p или п'₁ = 60f/p';

следовательно, n₁/n'₁ = p'/p,

т.е. соответственным образом будут различаться и частоты вращения ротора двигателя. При этом обмотка ротора двигателя должна быть выполнена, как беличье колесо.

Числа полюсов обмоток статора в этом случае взаимно ничем не связаны и могут быть выбраны любыми в зависимости от условий работы двигателя. Само регулирование сводится к скачкообразному изменению частоты вращения поля. Но частота вращения ротора не может изменяться скачком из-за инерции всей системы электропривода. Лишь после переключения начинается соответствующее изменение частоты вращения ротора.

Чтобы показать нагляднее этот переходный процесс, построим две механические характеристики асинхронной машины с изменяемым числом пар полюсов: одну характеристику при р парах полюсов, а вторую — при p' = 2р парах полюсов (соответственно рис. 14.31, а и б). Предположим, что тормозной момент на валу двигателя остается постоянным при изменении частоты вращения поля. При увеличении последней, т. е. при переходе от p' к p парам полюсов (рис. 14.31, а), двигатель сначала оказывается в условиях, близких к пусковым, и имеет место скачок тока. При переходе от p к p' (рис. 14.31, б), т.е. при уменьшении частоты вращения поля, машина оказывается сначала в условиях генераторного режима и работает, отдавая энергию в сеть. Такой режим иногда используется для быстрого и экономичного торможения электропривода.

Двумя отдельными обмотками снабжаются статоры лишь у двигателей небольшой мощности; у двигателей большой мощности целесообразнее переключение катушек одной и той же обмотки для получения различного числа пар полюсов. На рис. 14.32 показана схема переключения трехфазной обмотки с двух на четыре полюса. Переключение обмотки в ином отношении, чем 1 : 2, требует более сложного изменения схемы и применяется реже.

В большинстве случаев статор асинхронной машины снабжается двумя независимыми обмотками, из которых каждая переключается в отношении 1 : 2 (или ином). Таким образом, двигатель имеет четыре ступени частоты вращения, например 3000, 1500, 1000 и 500 об/мин.

В. Реостатное регулирование. В трехфазных асинхронных двигателях с фазным ротором применяется реостатный способ регулирования частоты вращения ротора. Это достигается введением в цепь фазных обмоток ротора регулируемого трехфазного реостата, как при пуске двигателя (см. рис. 14.26). Но этот реостат должен быть рассчитан на длительную нагрузку током ротора, а не на кратковременную, как пусковой реостат. Увеличение активного сопротивления цепи ротора изменяет характеристику M_вр(s) — делает ее более мягкой (см. рис. 14.27). Если при постоянном моменте на валу двигателя увеличивать активное сопротивление цепи ротора путем постепенного увеличения сопротивления реостата (r_р1 < r_р2 < r_р3), то рабочая точка будет смещаться с одной кривой M_вр(s) на следующую, соответствующую возросшему сопротивлению цепи ротора (см. рис. 14.27, точки 1–4), соответственно чему растет скольжение, а следовательно, уменьшается частота вращения двигателя. Этим путем можно изменять частоту вращения ротора в пределах от номинальной до полной остановки. Недостатком такого способа регулирования являются относительно большие потери энергии (см. § 14.11). Мощность вращающегося поля P_вр.п без учета потерь энергии в сердечнике статора состоит (см. рис. 14.20) из мощности потерь в проводах обмотки ротора (см. схему замещения на рис. 14.18)

P_пр2 = r'_в2(I'₂)² и механической мощности

Отношение

P_пр2/P_мех = s/(1 – s) = (n₁ – n)/n,

т.е.

P_мех = P_вр.пn/n₁,

показывает, что для механической мощности уменьшается прямо пропорционально уменьшению частоты вращения ротора, одновременно соответственно увеличивается доля мощности потерь в активном сопротивлении цепи ротора. Для уменьшения частоты вращения двигателя, например на 25%, нужно включить в цепь ротора реостат с таким активным сопротивлением, в котором будет бесполезно превращать в теплоту четверть энергии вращающегося магнитного поля.

Недостатком такого регулирования может являться и то обстоятельство, что включение реостата в цепь ротора делает механическую характеристику двигателя мягче, следовательно, уменьшает стабильность его частоты вращения. При включенном реостате малые изменения нагрузки на валу вызывают значительные изменения частоты вращения двигателя.