Электрические машины - Регулирование частоты вращения асинхронных двигателей

Асинхронные двигатели являются основой современного электропривода переменного тока. Эффективность работы этого электропривода во многом определяется возможностями регулирования частоты вращения.
Возможности асинхронных двигателей в отношении регулирования частоты вращения ротора определяются выражением
.
Из этого выражения следует, что частоту вращения можно регулировать тремя способами: путем изменения частоты , числа пар полюсов p и скольжения s. Рассмотрим каждый из этих способов подробнее.

Регулирование частоты вращения изменением частоты подводимого напряжения

Этот способ является в настоящее время наиболее перспективным. Изменение частоты осуществляется с помощью полупроводникового преобразователя частоты (рис. 4.28, а). Одновременно с изменением частоты регулируют и напряжение , так чтобы обеспечить постоянство магнитного потока . Из выражения, связывающего напряжение с потоком Ф,
,
следует, что напряжение необходимо регулировать пропорционально частоте

.
Отклонение от этого закона приводит к изменению потока Ф, что нежелательно. Действительно, при увеличении потока возрастает насыщение магнитной цепи, растут потери в стали и намагничивающий ток. Уменьшение потока вызывает уменьшение максимального момента двигателя и ряд других нежелательных явлений.
При механические характеристики двигателя имеют показанный на рис. 4.28, б вид. При снижении частоты пусковой момент двигателя возрастает, а максимальный несколько снижается. Рабочее скольжение двигателя остается небольшим, что характеризует экономичный режим работы двигателя. Однако стоимость этого способа регулирования частоты вращения двигателя весьма высока, так как преобразователь частоты должен быть выполнен на полную мощность двигателя.

Регулирование частоты вращения изменением числа пар полюсов

Этот способ регулирования в отличие от предыдущего позволяет осуществить изменение частоты вращения только ступенями. Он используется в таких механизмах, как воздуходувки, транспортеры, подъемники, лифты. Двигатели с переключением числа пар полюсов называют многоскоростными. Обычно многоскоростные асинхронные двигатели выполняются с двумя, тремя и четырьмя ступенями скоростей. Двухскоростные двигатели изготавливаются с одной обмоткой, если числа пар полюсов соответствуют следующему отношению:
.
Трех- и четырехскоростные двигатели выпускаются с двумя обмотками. В трехскоростных двигателях только одна обмотка выполняется с переключением числа пар полюсов , а в четырехскоростных обе обмотки выполняются как двухскоростные. Обмотка ротора многоскоростных двигателей выполняется короткозамкнутой. Для нее не требуется переключения схемы соединения, так как необходимое число пар полюсов обмотки ротора образуется автоматически полем статора.
Изменение числа полюсов осуществляется путем изменения схемы соединения секций обмотки статора. На рис. 4.29 показаны три варианта соединения секций.

Вариант «а» соответствует последовательному согласному включению секций, при этом образуется магнитное поле с полюсами. В варианте «б» вторая секция включается встречно-последовательно. Результирующее поле имеет полюса. Мощность обмотки остается неизменной, , а момент, развиваемый двигателем, снижается в два раза, . В варианте «в» вторая секция включается встречно-параллельно. Результирующее поле также будет иметь полюса, но мощность обмотки возрастает в два раза, а момент двигателя остается постоянным .

Таким образом, для изменения числа пар полюсов в отношении необходимо, чтобы каждая фаза обмотки состояла из двух одинаковых частей. Когда обе части обтекаются токами одинакового направления, число полюсов , при изменении направления тока в одной из них число полюсов уменьшается вдвое, . При переключении числа полюсов с на полюсное деление уменьшается в два раза, при этом величина фазной зоны трехфазной обмотки меняется с 60° на 120° (рис. 4.30).
Так как чередование фаз для обеих скоростей должно оставаться одинаковым, то кроме изменения направления токов в зонах необходимо поменять местами две фазы обмотки. При большем числе полюсов обмотка выполняется с диаметральным шагом . Тогда при меньшем числе полюсов .
Малый шаг приводит к ухудшению использования обмотки и, следовательно, к некоторому снижению технико-экономических показателей двигателя.
Многоскоростные двигатели проектируются для различных режимов работы. Наиболее часто встречаются режимы с постоянным моментом и с постоянной мощностью . Регулирование частоты вращения с постоянным моментом обеспечивается при переключении обмотки со звезды на схему двойной звезды (рис. 4.31).
При таком переключении в два раза возрастает потребляемый из сети ток, а следовательно, и мощность двигателя , момент же при этом не меняется.

Если до переключения обмотка статора была соединена в треугольник (рис. 4.32), то после переключения ее на двойную звезду мощность двигателя практически не изменится, а момент уменьшится в два раза из-за увеличения частоты вращения.

Регулирование частоты вращения изменением скольжения

Изменять скольжение асинхронного двигателя можно разными способами: изменением подводимого к статору напряжения, введением сопротивления в цепь ротора или введением в цепь ротора дополнительной ЭДС.
При изменении напряжения статора механическая характеристика двигателя изменяется, как показано на рис. 4.33. Снижение напряжения приводит к уменьшению жесткости механической характеристики и росту скольжения. При этом частота вращения ротора снижается,
.
Регулирование частоты вращения таким способом возможно в ограниченном диапазоне изменения скольжения
.
Основным недостатком этого способа регулирования частоты вращения является низкий КПД из-за роста потерь в обмотке ротора пропорционально частоте скольжения
.

Поэтому он применяется только для двигателей малой мощности, работающих в системах автоматического управления.
В двигателях с фазным ротором изменить частоту вращения можно путем изменения сопротивления в роторе (рис. 4.34).
Преимущество данного способа регулирования частоты состоит в том, что максимальный момент остается неизменным. Важно также отметить, что часть потерь двигателя выносится в резистор, тем самым облегчается тепловой режим двигателя. В остальном способ аналогичен предыдущему и характеризуется низким КПД., малым диапазоном регулирования, зависящим от нагрузки, и «мягкой» механической характеристикой.

Чтобы повысить КПД двигателя при регулировании частоты вращения путем изменения скольжения, необходимо мощность скольжения использовать для совершения полезной работы или возвратить обратно в сеть. Схемы, реализующие эту идею, называются каскадными. Одной из распространенных схем данного типа является схема асинхронно-вентильного каскада (рис. 4.35).
Схема включает асинхронный двигатель с фазным ротором (АД), диодный выпрямитель (Д), сглаживающий дроссель (Др), тиристорный инвертор (И) и сетевой согласующий трансформатор (Тр). Регулирование частоты вращения осуществляется посредством изменения напряжения инвертора. Это приводит к соответствующему изменению напряжения обмотки ротора, а следовательно, и частоты вращения ротора. Мощность частоты скольжения, извлекаемая из роторной обмотки двигателя, передается в сеть через согласующий трансформатор.
Достоинством каскадных схем регулирования частоты вращения асинхронных двигателей по сравнению с частотными схемами управления в статорной цепи (рис. 4.28) является то, что полупроводниковый преобразователь выполняется на мощность скольжения, а не на полную мощность двигателя. Это обстоятельство особенно важно для мощных и сверхмощных приводов насосов, прессов, конвейеров, подъемных механизмов и др., где требуется ограниченный диапазон регулирования частоты вращения (2:1 и менее).
Асинхронно-вентильный каскад с неуправляемым выпрямителем допускает регулирование только вниз от синхронной частоты вращения. Если использовать управляемый выпрямитель, то можно осуществить регулирование частоты вращения вверх от синхронной. В этом случае направление передачи мощности скольжения меняется на противоположное.