Регулирование частоты вращения асинхронных двигателей

Регулирование частоты вращения асинхронных двигателей согласно уравнению n=(1-s)n₁ можно осуществить изменением:

• частоты вращения первичного магнитного поля n₁=f₁/p;
• первичной частоты f₁ или числа пар полюсов p двигателя;
• величины скольжения двигателя s.

Регулирование частоты вращения изменением первичной  частоты требует применения специальных  источников питания с регулируемой частотой (синхронных генераторов с  переменной частотой вращения, полупроводниковых  преобразователей и т.п.). Чтобы не уменьшать перегрузочную способность, не ухудшать коэффициент мощности и КПД, при регулировании целесообразно выдержать условие Φ=const. Поэтому из условия U₁≈ E₁= 4,44f₁ω₁k_об1Φ следует, что с увеличением f₁ надо увеличить напряжение, а с уменьшением f₁ - уменьшать. Обычно при регулировании U₁/f₁=const.

Рис. 1.2.8. Механические характеристики асинхронного двигателя при регулировании частоты вращения изменением числа пар полюсов: а - в режиме постоянного момента; б - в режиме постоянной мощности.

В случае, если момент сопротивления быстро уменьшается с изменением скорости (например, при вентиляторной нагрузке, когда M∼n²), напряжение следует уменьшать в большей степени, чем частоту, чтобы улучшить КПД и cosφ.

Для электроприводов с  частотным управлением целесообразно  выбирать асинхронные двигатели с минимально возможными значениями активных сопротивлений обмоток статора и ротора, с круглыми или овальными пазами ротора для уменьшения вытеснения тока, с принудительной вентиляцией, чтобы обеспечить необходимый теплоотвод на малых частотах вращения.

Двигатель для управления через статический преобразователь  частоты (СПЧ) должен проектироваться  с учетом питания несинусоидальным напряжением примерно ожидаемого гармонического состава, а его номинальное напряжение должно выбираться с учетом требуемой амплитуды первой гармоники и величины напряжения на выходе конкретного СПЧ.

Регулирование частоты вращения изменением числа пар полюсов  используется только для короткозамкнутых двигателей, так как при этом требуется  изменять p только для обмотки статора. Двигатели с переменным p называются многоскоростными и выпускаются на две, три и четыре частоты вращения.

Изменение p осуществляется или применением на статоре нескольких обмоток, уложенных в общих пазах, но имеющих разные числа пар полюсов, или использованием так называемой полюсопереключаемой обмотки, в которой изменение p осуществляется переключением в схеме обмотки. Размеры многоскоростных асинхронных двигателей всегда больше размеров нормального односкоростного двигателя, рассчитанного на те же наибольшие мощности и частоту вращения, что и первый.

Вид механических характеристик  двигателей с переключением p в отношении 2:1 в режиме постоянного момента (соединение YY при 2p и Y при 2p₂=4p₁) и в режиме постоянной мощности (соединение YY при 2p₁ и Δ при 2p₂=4p₁) показан на рис. 1.2.8.

Изменение частоты вращения уменьшением первичного напряжения (рис. 1.2.9) из-за ухудшения КПД и трудностей регулирования напряжения применяется только в двигателях малой мощности.

Регулирование частоты вращения введением дополнительного сопротивления в цепь ротора применяется в судовых двигателях с фазным ротором в редких случаях и осуществляется по той же схеме, что и реостатный пуск фазного двигателя. При этом реостат рассчитывается на длительную работу.

Работа при неноминальной частоте и условии, что напряжение сети при изменении f₁ не меняется (U₁=U_1ном=const) и момент нагрузки на валу равен или близок к номинальному, сопровождается изменением потока: уменьшение (увеличение) f₁ вызывает соответственно увеличение (уменьшение) потока Φ.

При условии постоянства  момента нагрузки это вызывает соответствующее  изменение тока в роторе I₂, поскольку M_нагр=M∼ I₂Φcosψ₂. Так как магнитная цепь асинхронного двигателя обычно является насыщенной, то при уменьшении f₁ и увеличения Φ значительно увеличивается намагничивающая составляющая тока холостого хода. Отсюда работа двигателя при значениях f₁, отличных от номинального значения f_1ном, становится затрудненной, так как сопровождается увеличением тока в роторе I₂ (перегрев ротора) или увеличением тока и потерь в стали (перегрев обмотки и стали).

.

Рис. 1.2.9.Регулирование частоты вращения путем изменения напряжения, подводимого к обмотке статора.

 

Пуск  асинхронного двигателя

Яндекс.ДиректВсе объявления «Расчет асинхронного двигателя» Выполним курсовой по электромашинам за 2-3 дня. Огромный опыт. diplom-electro.ru 

Пусковые свойства двигателей.

При пуске ротор  двигателя, преодолевая момент нагрузки и момент инерции, разгоняется от частоты вращения  п =  0 до п . Скольжение при этом меняется от s_п = 1 до s. При пуске должны выполняться два основных требования: вращающий момент должен бить больше момента сопротивления (М_вр>М_с) и пусковой ток I_п должен быть по возможности небольшим.

В зависимости  от конструкции ротора (короткозамкнутый или фазный), мощности двигателя, характера  нагрузки возможны различные способы  пуска: прямой пуск, пуск с использованием дополнительных сопротивлений, пуск при  пониженном напряжении и др. Ниже различные способы пуска рассматриваются более подробно.

Прямой пуск. Пуск двигателя непосредственным включением на напряжение сети обмотки статора называется прямым пуском. Схема прямого пуска приведена на рис. 3.22. При включении рубильника в первый момент скольжение s = l, а приведенный ток в роторе и равный ему ток статора

, (3.37)

максимальны (см.п.3.19 при s=1). По мере разгона ротора скольжение уменьшается и поэтому в конце  пуска ток значительно меньше, чем в первый момент. В серийных двигателях при прямом пуске кратность пускового тока k_I = I_П / I_1НОМ = ( 5,…,7), причем большее значение относится к двигателям большей мощности.

Рис. 3.22

Значение пускового  момента находится из (3.23) при s = 1: 

.(3.38)

Из рис. 3.18 видно, что пусковой момент близок к номинальному и значительно меньше критического. Для серийных двигателей кратность пускового момента          М_П/ М_НОМ = (1.0,…,1.8).

Приведенные данные показывают, что при прямом пуске  в сети, питающей двигатель, возникает  бросок тока, который может вызвать настолько значительное падение напряжение, что другие двигатели, питающиеся от этой сети, могут остановиться. С другой стороны, из-за небольшого пускового момента при пуске под нагрузкой двигатель может не преодолеть момент сопротивления на валу и не тронется с места. В силу указанных недостатков прямой пуск можно применять только у двигателей малой и средней мощности (примерно до 50 кВт).

Пуск двигателей с улучшенными  пусковыми свойствами. Улучшение пусковых свойств асинхронных двигателей достигается использованием эффекта вытеснения тока в роторе за счет специальной конструкции беличьей клетки. Эффект вытеснения тока состоит в следующем: потокосцепление и индуктивное сопротивление X₂ проводников в пазу ротора тем выше, чем ближе ко дну паза они расположены (рис.3.23). Также X₂ прямо пропорционально частоте тока ротора.

Следовательно, при пуске двигателя, когда  s=1  и   f₂ = f₁ = 50 Гц , индуктивное сопротивление X₂ = max  и под влиянием этого ток вытесняется в наружный слой паза. Плотность тока j по координате h распределяется по кривой, показанной на рис.3.24. В результате ток в основном проходит по наружному сечению проводника, т.е. по значительно меньшему сечению стержня, и, следовательно, активное сопротивление обмотки ротора R₂ намного больше, чем при нормальной работе. За счет этого уменьшается пусковой ток и увеличивается пусковой момент М_П (см. (3.37), (3.38) ). По мере разгона двигателя скольжение и частота тока ротора падает и к концу пуска достигает 1 – 4 Гц. При такой частоте индуктивное сопротивление мало и ток распределяется равномерно по всему сечению проводника. При сильно выраженном эффекте вытеснения тока становится возможным прямой пуск при меньших бросках тока и больших пусковых моментах.

К двигателям с  улучшенными пусковыми свойствами относятся двигатели, имеющие роторы с глубоким пазом, с двойной беличьей клеткой и некоторые другие.

Рис.3.23                                                          Рис. 3.24

Двигатели с глубокими пазами. Как показано на рис.3.25, паз ротора выполнен в виде узкой щели, глубина которой примерно в 10 раз больше, чем ее ширина. В эти пазы-щели укладывается обмотка в виде узких медных полос. Распределение магнитного потока показывает, что индуктивность и индуктивное сопротивление в нижней части  проводника значительно больше, чем в верхней части. Поэтому при пуске ток вытесняется в верхнюю часть стержня и активное сопротивление значительно увеличивается. По мере разгона  двигателя скольжение уменьшается, и плотность тока по сечению становится почти одинаковой. В целях увеличения эффекта вытеснения тока глубокие пазы выполняются не только в виде щели, но и трапецеидальной формы. В этом случае глубина паза несколько меньше, чем при прямоугольной форме.

Рис.3.25

Рис.3.26

Двигатели с двойной клеткой. В таких двигателях обмотки ротора выполняются в виде двух клеток (рис.3.26): во внешних пазах 1 размещается обмотка из латунных проводников, во внутренних 2 – обмотка из медных проводников. Таким образом, внешняя обмотка имеет большее активное сопротивление, чем внутренняя. При пуске внешняя обмотка сцепляется с очень слабым магнитным потоком, а внутренняя – сравнительно сильным полем. В результате ток вытесняется во внешнюю клетку, а во внутренней тока почти нет.

По мере разгона  двигателя ток из внешней клетки переходит во внутреннюю и при s =s_НОМ протекает в основном по внутренней клетке. Ток во внешней клетке при этом сравнительно небольшой. Результирующий пусковой момент, складывающийся из моментов от двух клеток, значительно больше, чем у двигателей нормальной конструкции, и несколько больше, чем у двигателей с глубоким пазом. Однако следует иметь в виду, что стоимость двигателей с двойной клеткой ротора выше.

Пуск переключением обмотки  статора.

Если при  нормальной работе двигателя фазы статора соединены в треугольник, то, как показано на рис.3.27, при пуске первоначально они соединяются в звезду. Для этого сначала включается выключатель Q, а затем переключатель S ставится в нижнее положение Пуск. В таком положении концы фаз Х, Y, Z соединены между собой, т.е. фазы соединены звездой. При этом напряжение на фазе в √3 раз меньше линейного. В результате линейный ток при пуске в 3 раза меньше, чем при соединении треугольником. При разгоне ротора в конце пуска переключатель S переводится  в верхнее положение и, как видно из рис. 3.27, фазы статора пересоединяются в треугольник. Недостатком этого способа является то, что пусковой момент также уменьшается в 3 раза, так как момент пропорционален квадрату фазного напряжения, которое в √3 раз меньше при соединении фаз звездой. Поэтому такой способ применим при небольшом нагрузочном моменте и только для двигателей, нормально работающих при соединении обмоток статора в треугольник.

Рис.3.27

Пуск при включении добавочных  резисторов в цепь статора. (рис. 3.28). Перед пуском  выключатель (пускатель) находится в разомкнутом состоянии и замыкается выключатель Q₁.

При этом в цепь статора включены добавочные резисторы R_ДОБ. В результате обмотка статора питается пониженным напряжением U_1n = U_1НОМ – I_nR_ДОБ. После разгона двигателя замыкается выключатель Q₂ и обмотка статора включается на номинальное напряжение U_1НОМ. Подбором R_ДОБ можно ограничить пусковой ток до допустимого. Следует иметь в виду, что момент при пуске, пропорциональный U²_1П, будет меньше и составляет (U_1П / U_1НОМ)² номинального. Важно отметить, что при этом способе пуска значительны потери в сопротивлении R_ДОБ (R_ДОБI²_1n). Можно вместо резисторов R_ДОБ включить катушки с индуктивным сопротивлением Х_ДОБ, близким к R_ДОБ.

Применение  катушек позволяет уменьшить потери в пусковом сопротивлении.

Рис.3.29                          Рис.3.28

Автотрансформаторный пуск. Кроме указанных способов можно применить так называемый автотрансформаторный пуск.

Соответствующая схема показана на рис.3.29. Перед пуском переключатель S устанавливается в положение 1, а затем включается автотрансформатор и статор питается пониженным напряжением U_1П. Двигатель разгоняется при пониженном напряжении и в конце разгона переключатель S переводится в положение 2 и статор питается номинальным напряжением U_1ном.

Если коэффициент  трансформации понижающего трансформатора n, тогда ток I на его входе будет в n раз меньше. Кроме того, пусковой ток будет также в n раз меньше, т.е. ток при пуске в сети будет в n² раз меньше, чем при непосредственном пуске.

Этот способ, хотя и лучше рассмотренных в п.3.14.7, но значительно дороже.

Пуск двигателя с фазным ротором.

Пуск двигателя  с фазным ротором осуществляется путем включения пускового реостата в цепь ротора, как это показано на рис.3.30. Начала фаз обмоток ротора присоединяются к контактным кольцам и через щетки подключаются к пусковому реостату с сопротивлением Rp.

Приведенное к обмотке  статора сопротивление пускового  реостата Rp рассчитывается так, чтобы пусковой момент был максимальный, т.е. равен критическому. Так как при пуске скольжение  s_П = 1, то  s_П = 1 =  s_К , равенство М_П = М _Пmaх  = М_К будет обеспечено. Тогда .

Пуск двигателя  происходит по кривой, показанной на рис.3.31. В момент пуска  рабочая точка на механической характеристике находится в положении а, а при разгоне двигателя она перемещается по кривой 1, соответствующей полностью включенному реостату. При моменте, соответствующем точке е , включается первая ступень реостата и момент скачком увеличивается до точки b – рабочая точка двигателя переходит на кривую 2; в момент времени, соответствующей точке d, выключается вторая   ступень реостата, рабочая точка скачком переходит в точку с и двигатель выходит на естественную характеристику 3 и затем в точку f. Реостат закорачивается, обмотка ротора замыкается накоротко, а щетки отводятся от колец.