1. Основні теоретичні положення

Для деяких виробничих механізмів (вентиляторів, насосів, ескалаторів, метало-ріжучих станків, компресорів та ін.) у зв’язку з технологічними процесами необхідно регулювати швидкість виконавчих органів. При цьому плавне регулювання необов’язкове, а достатньо лише мати електропривод з дискретною, ступеневою зміною швидкості. Обмежену кількість фіксованих швидкостей можна отримати за допомогою багатошвидкісних короткозамкнених асинхронних двигунів, в яких обмотка статора переключається на різну кількість пар полюсів. Біляча клітка короткозамкненого двигуна автоматично створює кількість полюсів, рівну числу полюсів статора.

Синхронна кутова швидкість АД, як відомо, залежить від частоти питомої напруги та кількості пар полюсів статора:

, (1)

В паспортних даних, зазвичай, вказують номінальну частоту обертання ротора АД в обертаннях за хвилину (об/хв). В такому разі синхронна швидкість обертання ротора , визначається рівнянням (2):

. (2)

Тому для здобуття декількох фіксованих швидкостей асинхронного короткозамкненого двигуна часто використовують перемикання числа пар полюсів його статорної обмотки, або обмоток, як що їх дві. Переключення виконують з зірки на подвійну зірку, а також з трикутника на подвійну зірку. Кількість пар полюсів при цьому зменшується в двічі, що призводить до збільшення швидкості обертання електромагнітного поля і, відповідно, ротора АД. Коли на статорі двигуна знаходиться дві обмотки, в яких є можливість переключати число пар полюсів, то в двигуні можна здобути чотири регулювальні швидкості. Тобто даний спосіб регулювання швидкості електропривода потребує застосування спеціальних двигунів. Габарити та вартість таких АД вище, ніж звичайних двигунів. Однак простота засобу та висока жорсткість регулювальних характеристик визначає доцільність його використання [1].

Вітчизняною промисловістю електромашинобудування виготовляються двох-, трьох- і чотиришвидкісні асинхронні двигуни [2]. Перемикання обмоток на різне число пар полюсів дозволяє отримати співвідношення швидкостей 2:1 і забезпечує регулювання як при постійному електромагнітному моменті , так і при (приблизно) постійній потужності .

Переключення обмотки статора із зірки на подвійну зірку призводить до збільшення швидкості обертання ротора двигуна в двічі. Такій спосіб регулювання використовують коли необхідно забезпечити постійний момент на валу електроприводу ( ). Це легко пояснює порівняння математичних виразів для потужностей двигуна при різних способах з’єднань статорної обмотки. Наприклад, якщо позначити лінійну напругу через , а припустимий струм, який протікає по обмотках двигуна, через , то споживана потужність двигуна при з’єднанні обмоток зіркою, буде:

. (3)

Споживана потужність при з’єднанні подвійною зіркою має вираз:

. (4)

Коли вважати, що cos = cos , та не враховувати втрати в двигуні, то .

Якщо аналізувати схему, наведену на рис.6.1, то при з’єднанні обмоток трикутником споживча енергія визначається як:

, (5)

а при з’єднанні на подвійну зірку, як:

. (6)

Порівняння двох останніх виразів показує, що при переключенні двигуна на вищу швидкість, його потужність змінюється незначно (приблизна на 15%). Тобто, таки двигуни доцільно використовувати в механізмах, коли регулювання швидкості необхідно здійснювати при постійної потужності електропривода.

Таким чином, для регулювання швидкості при постійному моменті ( ) обмотку статора перемикають із зірки (Y) на подвійну зірку (YY).

При цьому матимуть місце наступні співвідношення:

, (7)

де , ; , ; , - відповідно, потужність, момент та швидкість двигуна при з’єднанні зіркою та подвійною зіркою.

Для регулювання швидкості двигуна при постійній потужності ( ), обмотку статора перемикають з трикутника (Δ) на подвійну зірку. Тоді маємо:

(8)

Досліджуваний в роботі двигун має на статорі дві обмотки, з яких одна не перемикається й сполучена в зірку (p=3), а друга перемикається з трикутника (р=4) на подвійну зірку (p=2). Таким чином, дві обмотки дають можливість отримати три фіксовані швидкості обертання ротора асинхронного двигуна і тими самим забезпечити здібність регулювання електропривода.

Аналіз роботи та дослідження статичних режимів цього двигуна проводиться на основі отримання експериментальних електромеханічних ω=f₁(I). Механічні характеристики ω=f₂(М), як і в попередніх лабораторних роботах, будують після відповідних розрахунків. Як і для інших асинхронних двигунів, механічна характеристика відображає залежність між моментом М і ковзанням S і може розраховуватись по спрощеної формулі Клосса.

(9)

У паспортних даних на двигуні і каталогах, як було наведено вище, приводиться частота обертання n, вимірювана в об/хв. З кутовою швидкістю ω, вимірюваною в рад/с, вона пов'язана співвідношенням (10):

. (10)

Відповідне кутовій швидкості ω ковзання S визначається по формулі

. (11)

Враховуючи те, що багатошвидкісний двигуна має три фіксовані швидкості, для нього знімається не одна природна електромеханічна характеристика, а три (по одній для кожної схеми включення обмотки статора). І далі, відповідно, будуються три механічні характеристики.

З метою обмеження струму статора в досліджуваних режимах двигун в лабораторній роботі випробовується при зниженій напрузі U=150 В. При цьому слід мати на увазі, що обертальний момент двигуна, що знаходиться в квадратичній залежності від напруги, буде значно зменшеним. Критичний момент двигуна в цьому випадку визначиться з виразу (15):

, (15)

де – перевантажувальна здатність досліджуваного двигуна; - номінальний момент двигуна, Н/м.

Номінальне S_н і критичне S_кр ковзання для кожної схеми включення двигуна (для кожної характеристики) матимуть свої певні значення. Критичне ковзання можна розрахувати по формулі

(16)

При роботі двигуна на кожній характеристиці він може знаходитися в генераторному, руховому і гальмівному (противключення) режимах.

Для розрахунку механічної характеристики генераторного режиму АД також використовується формула Клосса, але на відміну від рушійного режиму, в нього підставляється значення M_кр зі знаком «мінус». Величина критичного моменту для генераторного режиму визначається з виразу (17):

(17)