Регулирование частоты вращения асинхронных двигателей

Частота вращения ротора асинхронного двигателя.

n₂ =n₁(1 — s) = (f₁60/ p)(l — s). (2.2).

Из этого выражения следует, что частоту вращения ротора асинхронного двигателя можно регулировать изменением какой — либо из трех величин: скольжения s, частоты тока в обмотке статора f₁ или числа полюсов в обмотке статора 2р.

Регулирование частоты вращения изменением скольжения s возможно тремя способами: изменением подводимого к обмотке статора напряжения, нарушением симметрии этого напряжения и изменением активного сопротивления обмотки ротора. фазный асинхронный ротор Регулировка частоты вращения изменением скольжения происходит только в нагруженном двигателе. В режиме холостого хода скольжение, а следовательно, и частота вращения остаются практически неизменными.

Регулирование частоты вращения изменением подводимого напряжения. Возможность этого способа регулирования подтверждается графиками М = f(s), построенными для разных значений U₁. При неизменной нагрузке на валу двигателя увеличение подводимого к двигателю напряжения вызывает рост частоты вращения. Однако диапазон регулирования частоты вращения получается небольшим, что объясняется узкой зоной устойчивой работы двигателя, ограниченным значением критического скольжения и недопустимостью значительного превышения номинального значения напряжения. Последнее объясняется тем, что с превышением номинального напряжения возникает опасность чрезмерного перегрева двигателя, вызванного резким увеличением электрических и магнитных потерь. В то же время с уменьшением напряжения U₁ двигатель утрачивает перегрузочную способность, которая, как известно, пропорциональна квадрату напряжения сети.

Подводимое к двигателю напряжение изменяют либо регулировочным автотрансформатором, либо реакторами, включаемыми в разрыв линейных проводов.

Узкий диапазон регулирования и неэкономичность (необходимость в дополнительных устройствах) ограничивают область применения этого способа регулирования частоты вращения.

Регулирование частоты вращения нарушением симметрии подводимого напряжения. При нарушении симметрии подводимой к двигателю трехфазной системы напряжения вращающееся поле статора становится эллиптическим. При этом поле приобретает обратную составляющую (встречное поле), которая создает момент М_обр, направленный встречно вращающему моменту М_пр. В итоге результирующий электромагнитный момент двигателя уменьшается (М = М_пр — М_обр).

Механические характеристики двигателя при этом способе регулирования располагаются в зоне между характеристикой при симметричном напряжении (рис. 2.10, а, кривая 1) и характеристикой при однофазном питании двигателя (кривая 2) — пределом несимметрии трехфазного напряжения.

Для регулировки несимметрии подводимого напряжения можно в цепь одной из фаз включить однофазный регулировочный автотрансформатор (AT) (рис. 2.10, б). При уменьшении напряжения па выходе AT несимметрия увеличивается и частота вращения ротора уменьшается. Недостатками этого способа регулирования являются узкая зона регулирования и уменьшение КПД двигателя по мере увеличения несимметрии напряжения.

Рис. 2.10. Механические характеристики (а) и схема включения (б) асинхронного двигателя при регулировании частоты вращения изменением симметрии трехфазной системы

Обычно этот способ регулирования частоты вращения применяют лишь в двигателях малой мощности.

Регулирование частоты вращения изменением активного сопротивления в цепи ротора. Этот способ регулирования частоты вращения возможен лишь в двигателях с фазным ротором. Механические характеристики асинхронного двигателя, построенные для различных значений активного сопротивления цепи ротора (см. рис. 13.6), показывают, что с увеличением активного сопротивления ротора возрастает скольжение, соответствующее заданному нагрузочному моменту. Частота вращения двигателя при этом уменьшается. Зависимость скольжения (частоты вращения) от активного сопротивления цепи ротора выражается формулой, полученной преобразованием:

s = m₁I^/2₂ r'₂/ (щ₁ М). (2.3).

Практически изменение активного сопротивления цепи ротора достигается включением в цепь ротора регулировочного реостата (РР), подобного пусковому реостату (ПР) (см. рис. 2.2), но рассчитанного на длительный режим работы. Электрические потери в роторе пропорциональны скольжению (Р_э2 = sP_эм), поэтому уменьшение частоты вращения (увеличение скольжения) сопровождается ростом электрических потерь в цепи ротора и снижением КПД двигателя. Так, если при неизменном нагрузочном моменте на валу двигателя увеличить скольжение от 0,02 до 0,5, что соответствует уменьшению частоты вращения примерно вдвое, то потери в цепи ротора составят почти половину электромагнитной мощности двигателя. Это свидетельствует о неэкономичности рассматриваемого способа регулирования. К тому же необходимо иметь в виду, что рост потерь в роторе сопровождается ухудшением условий вентиляции из-за снижения частоты вращения, что приводит к перегреву двигателя.

Рассматриваемый способ регулирования имеет еще и тот недостаток, что участок механической характеристики, соответствующий устойчивой работе двигателя, при введении в цепь ротора добавочного сопротивления становится более пологим и колебания нагрузочного момента на валу двигателя сопровождаются значительными изменениями частоты вращения ротора. Это иллюстрирует рис. 2.11, на котором видно, что если нагрузочный момент двигателя изменится на ДМ_ст = М^/_ст — М^//_ст, то изменение частоты вращения при выведенном регулировочном реостате (r_д' = 0) составит Дn_2I, а при введенном реостате — Дn_2II. В последнем случае изменение частоты вращения значительно больше.

Рис. 2.11. Влияние сопротивления цепи ротора на колебания частоты вращения при изменении нагрузки

Но несмотря на указанные недостатки, рассмотренный способ регулирования частоты вращения широко применяется в асинхронных двигателях с фазным ротором. В зависимости от конструкции регулировочного реостата этот способ регулирования частоты вращения может быть плавным (при плавном изменении сопротивления РР) или ступенчатым (при ступенчатом изменении сопротивления РР).

Способ обеспечивает регулирование частоты вращения в широком диапазоне, но только вниз от синхронной частоты вращения. Вместе с тем он обеспечивает двигателю улучшенные пусковые свойства (см. § 2.1).

Регулирование частоты вращения изменением частоты тока в статоре. Этот способ регулирования (частотное регулирование) основан на изменении синхронной частоты вращения n₁ = f₁ 60/ р .

Для осуществления этого способа регулирования необходим источник питания двигателя переменным током с регулируемой частотой. В качестве таких источников могут применяться электромашинные, ионные или полупроводниковые преобразователи частоты (ПЧ). Чтобы регулировать частоту вращения, достаточно изменить частоту тока f₁. Но с изменением частоты f₁ = щ₁p/ (2р) будет изменяться и максимальный момент [см. (13.18)]. Поэтому для сохранения неизменными перегрузочной способности, коэффициента мощности и КПД двигателя на требуемом уровне необходимо одновременно с изменением частоты f₁ изменять и напряжение питания U₁. Характер одновременного изменения f₁ и U₁ зависит от закона изменения момента нагрузки и определяется уравнением.

U^/₁ /U₁ = (f₁ f₁) (2.4).

где U₁ и М — напряжение и момент при частоте f₁; U'₁ и М' -напряжение и момент при частоте f '₁.

Если частота вращения двигателя регулируется при условии постоянства момента нагрузки (М = М' = const), то подводимое к двигателю напряжение необходимо изменять пропорционально изменению частоты тока:

U'₁ = U₁ f '₁/f₁ (2.5).

При этом мощность двигателя увеличивается пропорционально нарастанию частоты вращения. Если же регулирование производится при условии постоянства мощности двигателя (Р_эм = Мщ₁ = const), то подводимое напряжение следует изменять в соответствии с законом.

U'₁ = U_1. (2.6).

Частотное регулирование двигателей позволяет плавно изменять частоту вращения в широком диапазоне (до 12:1). Однако источники питания с регулируемой частотой тока удорожают установку. Поэтому частотное регулирование до последнего времени применялось в основном для одновременного регулирования группы двигателей, работающих в одинаковых условиях (например, рольганговых двигателей). Но благодаря развитию силовой полупроводниковой техники в последние годы созданы устройства частотного регулирования, технико-экономические показатели которых оправдывают их индивидуальное применение для регулирования частоты вращения одиночных двигателей.

Использование асинхронных двигателей, укомплектованных такими устройствами для частотного регулирования, наиболее целесообразно в пожарои взрывоопасных средах (химическая и нефтеперерабатывающая промышленность), где применение коллекторных двигателей (см. гл. 29) недопустимо.

Регулирование частоты вращения изменением числа полюсов обмотки статора. Этот способ регулирования частоты вращения дает ступенчатую регулировку. Так, при f1 =50 Гц и р = 1ч5 пар полюсов можно получить следующие синхронные частоты вращения: 3000, 1500, 1000, 750, 600 об/мин.

Изменять число полюсов в обмотке статора можно либо укладкой на статоре двух обмоток с разным числом полюсов, либо укладкой на статоре одной обмотки, конструкция которой позволяет путем переключения катушечных групп получать различное число полюсов. Последний способ получил наибольшее применение.

Принцип преобразования четырехполюсной обмотки в двухполюсную (для одной фазы) показан на рис. 2.12: при последовательном согласном соединении двух катушек возбуждаемое ими магнитное поле образует четыре полюса (рис. 2.12, а); при последовательном встречном (рис. 2.12, б) или параллельном соединениях (рис. 2.12, в) — два полюса. Таким образом, принцип образования полюсно переключаемой обмотки основан на том, что каждая фаза обмотки делится на части (катушечные группы), изменяя схему соединения которых получают разное число полюсов.

Рис 2.12. Схемы включения обмотки статора на разное число полюсов

Возможны два режима работы асинхронных двигателей с полюсно переключаемыми обмотками: режим постоянного момента (рис. 2.13, а) — при переключении двигателя с одной частоты вращения на другую вращающий момент на валу двигателя М₂ остается неизменным, а мощность Р₂ изменяется пропорционально частоте вращения n₂:

Рис. 2.13. Схемы переключения числа полюсов и механические характеристики в режимах постоянного момента (а) и постоянной скорости (б)

Р₂ = 0,105 М₂ n₂ (2.7).

режим постоянной мощности (рис. 2.13, б) — при переключении двигателя с одной частоты вращения на другую мощность P₂ остается примерно одинаковой, а момент на валу M₂ изменяется соответственно изменению частоты вращения n₂:

М₂ = 9,55 Р₂/ n₂. (2.8).

Если на статоре расположить две полюсно переключаемые обмотки, то получим четырехскоростной двигатель. Однако возможно применение и одной обмотки, допускающей путем переключения катушечных групп получение до четырех вариантов различных чисел полюсов. Например, асинхронный двигатель типа 4А180М12/8/6/4 имеет на статоре обмотку, допускающую переключение на 12,8,6,4 полюса.

Регулирование частоты вращения изменением числа полюсов на статоре применяют исключительно в асинхронных двигателях с короткозамкнутым ротором, так как число полюсов в обмотке этого ротора всегда равно числу полюсов статора и для изменения частоты вращения достаточно изменить число полюсов в обмотке ротора. В случае же фазного ротора пришлось бы и на роторе применить полюсно переключаемую обмотку, что привело бы к недопустимому усложнению двигателя.