Тема 2.3. Пуск. Регулирование частоты вращения. Способы торможения

2.3.1. Пуск асинхронных двигателей

Практическое применение находят следующие способы пуска :

− при непосредственном подключении к сети (прямой пуск);

− при пониженном напряжении, подаваемом на обмотку статора;

− при использовании особой конфигурации стержней ротора;

− при подключении к обмотке ротора пускового реостата.

Прямой пуск путем непосредственного подключения обмотки статора к сети  самый распространенный способ пуска АД с короткозамкнутым (к. з.) ротором. Недостатком данного способа пуска является значительный бросок пускового тока I_П = 5...7,5 I_1Н. Обычно мощности энергетических систем достаточно велики и бросок пускового тока двигателей даже большой мощности не оказывает существенного влияния на напряжение сети. Однако при недостаточно мощной электросети пусковой ток АД может вызвать значительное уменьшение напряжения и автоматическое отключение потребителей. В этом случае для уменьшения пускового тока АД с к. з. ротором пускают при пониженном напряжении с помощью автотрансформатора или при включении в обмотку статора добавочного сопротивления (обычно реактивного). Недостатком такого пуска является значительное уменьшение пускового и максимального моментов АД, которые пропорциональны квадрату напряжения, приложенного к обмотке статора, поэтому такой пуск используют только при малой нагрузке.

Для повышения пускового момента АД применяют особую конфигурацию стержней короткозамкнутого ротора. Различают глубокопазные и двухклеточные двигатели, с двумя короткозамкнутыми обмотками: пусковой и рабочей. Увеличение пускового момента таких двигателей достигается из-за увеличения активного сопротивления обмотки ротора при пуске за счет вытеснения тока в верхнюю часть стержня (явление поверхностного эффекта).

Пуск АД с фазным ротором осуществляют при подключении к обмотке ротора пускового реостата,что позволяет уменьшить пусковой ток, увеличить пусковой момент и сократить время пуска.

2.3.2. Регулирование частоты вращения

Частота вращения АД в соответствии с формулой n₁ (2.1) имеет вид

Отсюда следует возможность регулирования частоты вращения тремя способами: изменением f₁, p, и s.

Частотное регулирование является лучшим способом регулирования, однако возможно только при питании АД от отдельного синхронного генератора с переменной частотой вращения либо от преобразователя частоты. При этом необходимо соблюдать закон регулирования (закон Костенко), который при постоянстве момента сопротивления на валу имеет вид

const.

Регулирование частоты вращения путем изменения числа пар полюсов широко применяется в АД с к. з. ротором. При этом обмотка статора переключается с последовательного соединения секций на параллельное соединение или наоборот, что позволяет изменять число полюсов и частоту вращения в два раза. Таков принцип получения двухскоростного АД. Трех- и четырехскоростные АД имеют на статоре еще одну обмотку, что позволяет получить дополнительно два варианта полюсности двигателя.

Многоскоростные АД имеют большую стоимость, чем двигатели нормального исполнения. Кроме того, регулирование здесь осуществляется ступенчато.

Регулирование частоты вращения изменением скольжения применяется как в АД с короткозамкнутым ротором, так и в АД с фазным ротором. В АД с к. з. ротором этот способ реализуется за счет плавного снижения питающего напряжения. При этом максимальный момент M_m  U₁² будет понижаться, а скольжение расти (рис. 2.5).

Рис. 2.5. Механические характеристики АД при различных напряжениях U₁

Момент, развиваемый двигателем, всегда равен моменту нагрузки на валу М = М_С , поэтому уменьшение напряжения можно производить до тех пор, пока M_m  M_C. При скольжении s> s_m АД теряет устойчивость. В связи с этим регулирование возможно в узких пределах s_H  s  s_m. Реально для АД средней и большой мощностей, работающих с номинальной нагрузкой, удается снизить частоту вращения n на 3...5 %. АД малой мощности, имеющие большие активные сопротивления, позволяют уменьшить частоту вращения на 40...50 %.

В АД с фазным ротором скольжение можно изменять включением в цепь ротора добавочного активного сопротивления. При этом скольжение может меняться в широких пределах s_H  s  1, т.е. практически до полной остановки двигателя. Однако наряду с плавностью и широтой диапазона регулирования имеют место большие потери энергии в регулировочном реостате, что существенно снижает энергетические показатели. Можно полезно использовать электрическую энергию, выделяющуюся в цепи ротора. Посредством преобразовательной установки эту энергию передают обратно в питающую сеть или к вспомогательному двигателю. Последний сообщает дополнительную механическую энергию валу основного двигателя. Такие электромеханические системы называют асинхронными каскадами и применяют в установках большой мощности.

2.3.3. Способы электрического торможения АД

Для выполнения ряда производственных процессов требуется быстрое и плавное торможение АД. Электрическое торможение, в отличие от механического, является более предпочтительным. Существует три основных способа электрического торможения: противовключение, генераторное, динамическое.

При торможении противовключением изменяют направление вращения поля путем переключения двух линейных проводов, питающих обмотку статора. Ротор при этом вращается навстречу полю со скольжением , развивая тормозной момент. Частота вращенияn уменьшается до нуля, и если АД не отключить, то он начнет вращаться в обратную сторону. Таким образом осуществляется реверс, т.е. изменение направления вращения двигателя.

При генераторном торможении частота вращения ротора n превосходит частоту вращения поля n₁. Переход в генераторный режим АД происходит в электроприводах при изменении направления нагрузочного момента. На практике его часто используют для подтормаживания, т. е. для ограничения скорости механизма. Типичный пример  спуск груза краном, когда АД вращается согласно с направлением спуска и скорость движения груза ограничивается, поскольку в этом режиме электромагнитный момент является тормозящим. При этом происходит рекуперация, т. е. энергия отдается в сеть. Такой режим генераторного торможения широко применяется, например, для двухскоростных АД с переключением числа полюсов. Так, например, если при р=1 ротор имел частоту вращения n = 3000 об/мин, то при переключении на р = 2 он будет тормозиться до n = 1500 об/мин, возвращая энергию в сеть.

При динамическом торможении обмотку статора АД отключают от сети, а затем две фазы подключают к источнику постоянного тока. В результате появляется постоянный магнитный поток, индуктирующий в обмотке вращающегося ротора переменную ЭДС. Создается тормозной электромагнитный момент. В этом режиме АД представляет собой обращенный синхронный генератор, в котором статор создает постоянное магнитное поле, а ротор представляет собой якорь генератора.

Более подробная информация по данному разделу содержится в учебном пособии [1].