Регулирование частоты вращения асинхронных двигателей.

Асинхронный двигатель наиболее просты в изготовлении и наиболее дешёвые, поэтому применение их в регулируемых электроприводах весьма перспективно. Известны десятки способов регулирования частоты вращения асинхронного двигателя, однако до сих пор не найдено дешёвой и экономичной системы регулирования. Из формулы следует, что скорость ротора ( ) можно регулировать тремя способами: путём изменения частоты сети ( ), числа пар полюсов машины ( р ) и скольжения (S).

Регулирование скорости путём переключения числа полюсов ступенчатое. При жёстких механических характеристиках двигателя, когда скольжение изменяется в небольших пределах, регулирование скорости экономичное. Следует иметь в виду, что ступени частоты вращения при частоте 50 Гц и р = 1 и 2 соответственно 3000 или 1500 об/мин, а при р = 5 и 6 – 600 и 500 об/мин. При большем числе полюсов разница между синхронными частотами вращения уменьшается.

Для изменения числа полюсов на статоре в одни и те же пазы можно уложить две отдельные обмотки с разными числами полюсов. В зависимости от необходимой частоты вращения включается одна или другая обмотка. При этом поочерёдно работают одна или другая обмотка, что снижает использование материалов. Поэтому желательно иметь одну обмотку и путём изменения схемы обмотки переключать число полюсов.

В малых машинах применяют независимые обмотки для разных чисел полюсов, в больших пользуются одной и той же обмоткой с переключением числа полюсов. Для этого можно применить любую обмотку переменного тока, сделав в ней ряд дополнительных выводов и соединений между отдельными катушками и фазами.

Роторные обмотки двигателей с переключением числа полюсов. Обычно применяют коротко – замкнутые обмотки в виде беличьего колеса, т.к. они пригодны для любого числа полюсов. С электрической точки зрения беличьё колесо представляет собой многофазную обмотку, соединенную в звезду и замкнутую накоротко. При этом обмотки всех пар полюсов соединены параллельно. В беличьем колесе число фаз m₂=z₂/p, где z₂ – число стержней на роторе, р – число пар полюсов.

Ротор с фазными обмотками должна переключаться на разное число полюсов. Переключение числа полюсов осуществляется аналогично переключению обмотки статора.

Двигатели с изменением числа полюсов называют многоскоростными.

Возможно переключение числа пар полюсов путём изменения схемы обмотки иллюстрирует рис. 3.22: При соединении обмоток по а) получают четыре полюса, а по б) – два.

а)

При переключении числа полюсов полюсное деление изменяется в 2 раза, при это изменяется и электрический угол фазной зоны с 60 на 120˚. Чтобы направление вращения поля при переключении числа полюсов оставалось неизменным, необходимо изменить порядок следования фаз путём переключения обмоток. На рис. 3.23 а) приведена схема включения обмоток по схеме звезда, а на рис. 3.23 б) показано переключение обмоток статора на схему двойная звезда:

При таком переключении частота вращения изменяется в 2 раза, а

момент остаётся тем же.

На рис. 3.24 приведено переключение обмоток с на , которое приводит к увеличению скорости в 2 раза, момент асинхронного двигателя снижается в 2 раза, а мощность постоянна

Рисунок 3.24 Переключение обмоток

асинхронного двигателя с а) на б)

При проектировании многоскоростных двигателей стремятся сохранить высокие энергетические показатели на всех синхронных частотах вращения. Поэтому многоскоростные машины получаются с большим расходом активных материалов на единицу мощности по сравнению с обычными асинхронными двигателя.

Несмотря на то, что многоскоростные двигатели требуют сложной коммутационной аппаратуры и имеют несколько худшие энергетические показатели, они достаточно широко применяются в промышленности для привода станков, лифтов, вентиляторов и насосов, т.е. там где допустимо ступенчатое регулирование частоты вращения.

В серии 4А предусмотрен выпуск многоскоростных асинхронных двигателей на базе односкоростных с использованием сердечника статора и ротора базовых машин на мощности 0,12 – 50 кВт на две, три и четыре синхронных частоты вращения.

Наиболее простым способом, обеспечивающим плавное регулирование частоты вращения асинхронного двигателя, является изменение скольжения. Принципиальным недостатком этого способа регулирования частоты вращения является низкий кпд, т.к. потери в роторе пропорциональны скольжению. И какие бы не предлагались варианты схем изменения скольжения, а их существует десятки, в электромеханическом преобразователе энергии преобразование в тепло и в механическую мощность имеет равные возможности. В асинхронном двигателе эта связь проявляется особенно наглядно т.к. Р_э2=Р_эм S. Эта связь не зависит от способа изменения скольжения, когда в процессе регулирования участвует одна машина.

Наиболее распространённые способы изменения скольжения в асинхронном двигателе – это изменение напряжения, введение сопротивления в цепь ротора, искажение симметрии подводимых напряжений и введение ЭДС в цепь ротора.

При изменении напряжения источника питания изменяется максимальный момент пропорционально квадрату напряжения, а критическое скольжение остаётся неизменным (Рис. 3.25). При уменьшении U₁ изменяется точка устойчивой работы системы двигатель – нагрузка и изменяется скольжение от S₁ до S₃. Пределы регулирования зависят от вида механической характеристики двигателя и нагрузки. Чтобы расширить пределы регулирования – отношение максимальной частоты вращения к минимальной (n_max : n_min) необходимо иметь мягкую механическую характеристику двигателя, когда критическое скольжение находится в пределах 1 ÷ 3.

Рисунок 3.25 Механические характеристики асинхронного двигателя при изменении напряжения источника тока и нагрузки Ме

Изменять частоту вращения а.д. можно, вводя активное сопротивление в цепь ротора (Рис. 3.26).

Рисунок 3.26 Механическая характеристика асинхронного двигателя при изменении сопротивления в цепи ротора и нагрузки Ме

В двигателе с фазным ротором регулировочный реостат подключается к контактным кольцам, и при изменении активного сопротивления резистора двигатель плавно или ступенчато, в зависимости от конструкции трёхфазного резистора, переходит с одной механической характеристики на другую.

Преимущество регулирования частоты вращения путём изменения активного сопротивления ротора в том, что максимальный момент остаётся неизменным, т.к. не изменяется напряжение, подводимые к двигателю. Включение резистора в обмотку ротора приводит к тому, что частично потери в роторе выделяются и в резисторе, пропорционально отношению активных сопротивлений обмотки ротора и резистора. Выведение потерь из машины даёт возможность уменьшить габариты машины.

При регулировании частоты вращения асинхронных исполнительных двигателей находит применение комбинированный способ регулирования, когда изменяют подводимое к двигателю напряжение и активное сопротивление ротора.

При изменении частоты вращения ротора, изменяется частота тока в роторе f₂=Sf₁. За счёт изменения f₂, при этом за счёт вытеснения тока в роторе можно получить необходимый закон изменения R₂. При увеличении f₂ растёт активное сопротивление короткого замыкания обмотки, выполненной в виде диска, и частота вращения изменяется за счёт изменения напряжения и активного сопротивления обмотки ротора.

Регулирование напряжения на выводах двигателя осуществляется путём включения реакторов насыщения, магнитных усилителей, автотрансформаторов и тиристорных преобразователей напряжения. Последние в настоящее время получили наибольшее распространение.

Тиристорные преобразователи напряжения включают последовательно в обмотку статора двигателя (Рис. 3.27).

Через преобразователь проходит вся мощность двигателя, и габариты преобразователя несмотря на применение тиристоров в 1,5 – 2 раза больше двигателя.

Магнитные усилители в качестве регуляторов применяют реже, т.к. они имеют достаточно большие габариты.

Мощность скольжения S может быть использована или частично возвращена в сеть, если использовать дополнительно другие машины или статические преобразователи энергии.

Такие схемы регулирования называются каскадными (Рис. 3.28).

Схема (Рис. 3.28) работает следующим образом. Мощность скольжения асинхронного двигателя после выпрямления подаётся на двигатель постоянного тока (ДПТ) на валу которого находится синхронный генератор (СГ). Синхронный генератор отдаёт энергию в сеть. Недостаток наличие машины постоянного тока и силовых выпрямителей. Габариты двигателя и выпрямителей зависят от пределов регулирования.

Есть много других схем регулирования путём изменения скольжения.

Наиболее перспективный способ регулирования частоты вращения асинхронного двигателя является частотный. (Рис.3.29) изменение частоты и напряжения источника питания осуществляется преобразователем частоты (ПЧ).

При преобразовании частоты f₁ и напряжение сети ПЧ обеспечивает работу АД при постоянном потоке, U/f = const. Регулирование экономичное, однако через преобразователь проходит вся мощность, и габариты преобразователя частоты превышают габариты двигателя.

Регулировать частоту можно в статоре или в роторе. В двигателях большой мощности удобнее регулировать частоту в роторе, т.к. мощность скольжения *S значительно меньше мощности обмотки статора. Поэтому преобразователь частоты имеет меньшие габариты. В этом случае мощность в воздушный зазор поступает со стороны статора и ротора. Такие машины получили название асинхронный двигатель двойного питания, а способ называют введением ЭДС в цепь ротора. Этот способ занимает среднее положение между частотным способом и способом изменения скольжения.

Несмотря на применение тиристоров частотный привод всё ещё не занял доминирующего положения в регулируемых приводах с асинхронным двигателем. В последнее время в связи с появлением силовых транзисторов при параллельном их соединении появилась возможность создать дешёвый малогабаритный преобразователь частоты на мощность в несколько десятков кВт. Следует иметь в виду, что введение в энергосистему нелинейных элементов(преобразователь частоты) приводит к появлению высших гармоник в сети и искажению синусоидальности напряжений. Ухудшение качества электроэнергии приводит к потерям в энергосистеме.