Способы регулирования скорости асинхронного двигателя

1. Способы регулирования скорости асинхронного двигателя

Асинхронный двигатель  является наиболее массовым электрическим  двигателем. Эти двигатели выпускаются  мощностью от 0,1 кВт до нескольких тысяч киловатт и находят применение во всех отраслях хозяйства. Основным достоинством асинхронного двигателя является простота его конструкции и невысокая стоимость. Однако по принципу своего действия асинхронный двигатель в обычной схеме включения не допускает регулирования скорости его вращения. Особое внимание следует обратить на то, что во избежание значительных потерь энергии, а, следовательно, для короткозамкнутых асинхронных двигателей во избежание перегрева его ротора, двигатель должен работать в длительном режиме с минимальными значениями скольжения.

Рассмотрим возможные способы регулирования скорости асинхронных двигателей (см. рис.1). Скорость двигателя определяется двумя параметрами: скоростью вращения электромагнитного поля статора ω₀ и скольжением s:

 
Рис.1. Классификация способов регулирования  асинхронных двигателей

Исходя из (1) принципиально возможны два способа регулирования скорости: регулирование скорости вращения поля статора и регулирование скольжения при постоянной величине ω₀.

Скорость вращения поля статора определяется двумя параметрами (см.3.3): частотой напряжения, подводимого  к обмоткам статора f₁, и числом пар полюсов двигателя р_п. В соответствии с этим возможны два способа регулирования скорости: изменение частоты питающего напряжения посредством преобразователей частоты, включаемых в цепь статора двигателя (частотное регулирование), и путем изменения числа пар полюсов двигателя.

Регулирование скольжения двигателя при постоянной скорости вращения поля статора для короткозамкнутых асинхронных двигателей возможно путем изменения величины напряжения статора при постоянной частоте этого напряжения. Для асинхронных двигателей с фазным ротором, кроме того, возможны еще два способа: введение в цепь ротора добавочных сопротивлений (реостатное регулирование) и введение в цепь ротора добавочной регулируемой э.д.с. посредством преобразователей частоты, включаемых в цепь ротора (асинхронный вентильный каскад и двигатель двойного питания).

В настоящее время  благодаря развитию силовой преобразовательной техники созданы и серийно  выпускаются различные виды полупроводниковых  преобразователей частоты, что определило опережающее развитие и широкое  применение частотно-регулируемого асинхронного электропривода. Основными достоинствами этой системы регулируемого электропривода являются:

- плавность регулирования  и высокая жесткость механических  характеристик, что позволяет  регулировать скорость в широком  диапазоне; 

- экономичность регулирования, определяемая тем, что двигатель работает с малыми величинами абсолютного скольжения, и потери в двигателе не превышают номинальных.

Недостатками частотного регулирования являются сложность  и высокая стоимость (особенно для  приводов большой мощности) преобразователей частоты и сложность реализации в большинстве схем режима рекуперативного торможения.

Подробно принципы и  схемы частотного регулирования  скорости асинхронного двигателя рассмотрены  ниже.

Изменение скорости переключением  числа пар полюсов асинхронного двигателя позволяет получать несколько (от 2 до 4) значений рабочих скоростей, т.е. плавное регулирование скорости и формирование переходных процессов при этом способе невозможно.

       Поэтому данный способ имеет определенные области применения, но не может рассматриваться, как основа для построения систем регулируемого электропривода.

 

2. Частотное регулирование  асинхронных электроприводов

Принципиальная возможность  регулирования угловой скорости асинхронного двигателя изменением частоты питающего напряжения вытекает из формулы ω = 2πf₁ (1 - s)/p. При регулировании частоты также возникает необходимость регулирования амплитуды напряжения источника, что следует из выражения U₁ ≈ Е₁ = kФf₁. Если при неизменном напряжении изменять частоту, то поток будет изменяться обратно пропорционально частоте. Так, при уменьшении частоты поток возрастет, и это приведет к насыщению стали машины и как следствие к резкому увеличению тока и превышению температуры двигателя; при увеличении частоты поток будет уменьшаться и как следствие будет уменьшаться допустимый момент.

Для наилучшего использования  асинхронного двигателя при регулировании  угловой скорости изменением частоты  необходимо регулировать напряжение одновременно в функции частоты и нагрузки, что реализуемо только в замкнутых системах электропривода. В разомкнутых системах напряжение регулируется лишь в функции частоты по некоторому закону, зависящему от вида нагрузки.

Частотное регулирование угловой  скорости электроприводов переменного тока с двигателями с короткозамкнутым ротором находит все большее применение в различных отраслях техники. Например, в установках текстильной промышленности, где с помощью одного преобразователя частоты, питающего группу асинхронных двигателей, находящихся в одинаковых условиях, плавно и одновременно регулируются их угловые скорости. Примером другой установки с частотно-регулируемыми асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором могут служить транспортные рольганги в металлургической промышленности, некоторые конвейеры и др.

Частотное регулирование  угловой скорости асинхронных двигателей широко применяется в индивидуальных установках, когда требуется получение  весьма высоких угловых скоростей (для привода электрошпинделей в  металлорежущих станках с частотой вращения до 20 000 об/мин).

Экономические выгоды частотного регулирования особенно существенны  для приводов, работающих в повторно-кратковременном  режиме, где имеет место частое изменение направления вращения с интенсивным торможением.

Для осуществления частотного регулирования угловой скорости находят применение преобразователи, на выходе которых по требуемому соотношению или независимо меняется как частота, так и амплитуда напряжения. Преобразователи частоты можно разделить на электромашинные и вентильные. В свою очередь электромашинные преобразователи могут быть выполнены с промежуточным звеном постоянного тока и непосредственной связью. В последних используют коллекторную машину переменного тока, на вход которой подают переменное напряжение с постоянной частотой и амплитудой, а на выходе ее получают напряжение с регулируемой частотой и амплитудой. Электромашинные преобразователи с непосредственной связью практического применения не получили.

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Регулирование скорости, тока и момента с помощью резисторов в цепях ротора и статора

Один из распространенных способов регулирования скорости, тока и момента  АД с фазным ротором связан с введением  и изменением дополнительных резисторов в цепи его ротора. Схема, в которой  реализуется этот способ регулирования, приведена на рис. 4.7, а. Основным достоинством этого способа является простота реализации, что определило его широкое применение в ряде электроприводов.

Для построения семейства получаемых при этом способе искусственных  механических характеристик проведем анализ их характерных точек. С помощью выражения для скорости идеального холостого хода ω0 = ρf1/p отмечаем следующее:

1) скорость идеального холостого  хода АД ω₀ при регулировании R_д2 не изменяется;

2) максимальный (критический) момент  двигателя Мк также остается неизменным;

3) критическое скольжение Sк увеличивается  при увеличении R_2д.

Использование этих характеристик  для регулирования скорости АД характеризуется  такими же показателями, что и для  ДПТ независимого возбуждения. Диапазон регулирования скорости небольшой — около 2 — 3, что определяется снижением жесткости характеристик и ростом потерь по мере увеличения диапазона регулирования скорости.

Плавность регулирования при реостатном регулировании небольшая и определяется плавностью изменения дополнительного резистора R2д. Скорость АД изменяется только вниз от основной.

Экономичность способа определяется стоимостью используемых средств регулирования  и расходами при эксплуатации электропривода. Затраты, связанные  с созданием данной системы электропривода, невелики, так как для регулирования обычно используются простые и дешевые ящики металлических резисторов. В то же время при эксплуатации этой системы затраты велики, поскольку значительны потери энергии.

Электрические потери в  роторной цепи ΔР2, называемые потерями скольжения. Чем больше скольжение s, тем больше потери в роторной цепи, поэтому реализация большого диапазона регулирования скорости приводит к значительным потерям энергии и снижению КПД электропривода.

Регулирование скорости этим способом применяется в тех случаях, когда требуется небольшой диапазон регулирования скорости и работа на пониженных скоростях непродолжительна. Например, этот способ нашел широкое применение в электроприводе ряда подъемно-транспортных машин и механизмов.

Рассматриваемый способ также используется для регулирования тока и момента  АД при его пуске.

Если обратиться к характеристикам  двигателя, то можно отметить, что за счет подбора сопротивления резистора пусковой момент АД может быть увеличен вплоть до значения критического момента Мк. Это свойство АД используется при его пуске с моментом нагрузки, превышающим пусковой момент АД Мп на естественной характеристике.

Пусковой ток АД уменьшается  по мере увеличения R_2д, что позволяет с помощью введения добавочных резисторов осуществлять его ограничение.

Задача по расчету  дополнительных резисторов в цепи ротора обычно формулируется следующим  образом. Задана искусственная механическая характеристика АД (полностью или  частично) или отдельная точка  этой характеристики с координатами ω_и, М_и. Найти сопротивление дополнительного резистора R_2д, при включении которого в цепь ротора АД будет иметь заданную искусственную характеристику или же она будет проходить через заданную точку. При этом предполагается, что естественная механическая характеристика АД известна (рассчитана или снята экспериментально). Отметим, что требуемая искусственная характеристика может быть задана по условиям пуска или регулирования скорости.

Расчет сопротивления  добавочного резистора R_2д может быть выполнен несколькими способами в зависимости от формы задания требуемой искусственной механической характеристики.

1. Искусственная характеристика  задана полностью и известен  участок критического момента.  В этом случае расчет целесообразно вести по формуле, с помощью которой находится отношение критических скольжений АД на естественной и искусственной характеристиках,

2. Если искусственная  характеристика задана своей  рабочей частью и участок критического  момента не определен, то удобно  использовать метод отрезков, Чаще  всего этот способ применяется  для АД с короткозамкнутым  ротором, у которых нельзя использовать  цепь ротора для включения каких-либо регулирующих устройств. Так же используется включение резистора в одну фазу, что позволяет получить примерно такие же характеристики двигателя при уменьшении количества регулирующих элементов.

Искусственные характеристики построены исходя из анализа характерных точек механической характеристики, а именно:

1. Скорость идеального  холостого хода ω₀ не зависит от сопротивления фазы статора R₁, поэтому все искусственные характеристики проходят через одну и ту же точку на оси ординат.

2. Критические момент  и скольжение АД уменьшаются по мере увеличения R_1д.

3. Пусковой момент  АД М_п, также уменьшается при увеличении R_1д.

Искусственные характеристики мало пригодны для регулирования  скорости АД: они обеспечивают небольшой  диапазон изменения скорости; жесткость характеристик АД и его перегрузочная способность, характеризуемая критическим моментом, по мере увеличения R_1д снижаются; способ отличает и низкая экономичность.

В силу этих недостатков  регулирование скорости АД с помощью  активных резисторов в цепи его статора применяется редко. Этот способ обычно используется для ограничения токов и моментов АД с короткозамкнутым ротором в различных переходных процессах — при пуске, реверсе и торможении. Например, такая схема применяется в электроприводе лифтов, имеющем двухскоростной АД. В таких электроприводах при переходе с высокой скорости на пониженную в цепь низкоскоростной обмотки статора вводится добавочный резистор, который обеспечивает ограничение тока и момента АД.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Регулирование скорости ад изменением числа пар полюсов

 

Этот способ используется для регулирования скорости многоскоростных  АД с короткозамкнутым ротором. Возможность  получения искусственных характеристик  АД данным способом, и следовательно, регулирования его скорости, непосредственно следует из выражения для угловой скорости магнитного поля АД ω₀ = 2 πf₁/p.

Изменение числа пар  полюсов АД р производится за счет переключений в обмотке статора, при этом число пар полюсов  короткозамкнутого ротора изменяется автоматически. Так как количество полюсов АД может быть равным только целому числу — 1, 2, 3 и т. д., то следовательно, данный способ обеспечивает только ступенчатое регулирование скорости. Двигатели, допускающие регулирование скорости этим способом, получили название многоскоростных.