Регулирование скорости вращения трехфазных асинхронных двигателей

Возможности регулирования скорости вытекает из уравнения механической характеристики АД и уравнения синхронной скорости:

. (6.7)

где . (6.8)

Способы регулирования скорости следующие:

1) изменение частоты тока f;

2) изменение частоты пар полюсов р;

3) изменение подводимого напряжения U₁;

4) включение добавочных резисторов в цепь ротора.

При изменении частоты тока пропорционально изменяется синхронная скорость ω ₀, моменты двигателя, в том числе и момент критический М_к, поскольку:

. (6.9)

где , где L – индуктивность обмотки;

ω ₀ – по (6.9) также пропорционально f.

Следовательно, в знаменателе уравнения (6.9) две величины пропорциональны частоте тока f. Можно записать:

. (6.10)

Если уравнение (6.10) выразить в относительных единицах , и , то оно имеет вид:

. (6.11)

Из уравнения (6.11) найдем закон изменения напряжения при изменении частоты тока:

. (6.12)

Уравнение (6.12) показывает, что надо изменять напряжение не только при изменении частоты (а), но и при изменении момента сопротивления рабочей машины, поскольку в установившемся режиме всегда М=М_с, или в относительных единицах μ =μ _{с .}

Ранее было определено, что все многообразие механических характеристик рабочих машин условно разделяется на четыре типа (рисунок 6.6, а). Каждой группе соответствует свой закон изменения напряжения (рисунок 6.6, б).

Рисунок 6.6 Изменение момента сопротивления от скорости вращения рабочих машин (а) и изменения механических характеристик асинхронных двигателей при регулировании скорости частоты тока (б): ν – относительная скорость; М_доп – допустимый момент при регулировании; α – относительная частота тока.

Для реализации регулирования скорости асинхронного электропривода используют преобразователи частоты, то звеном постоянного тока, позволяющие путем программирования обеспечить требуемый закон изменения напряжения при изменении частоты тока, причем этот закон определяет исходя из вида механической характеристики рабочей машины.

Регулирование скорости АД частотой тока обеспечивает следующие показатели:

1) диапазон регулирования 100: 1 в разомкнутых системах и более 1000: 1 – в замкнутых системах регулирования. Большие диапазоны обеспечивают векторное управление преобразователем частоты;

2) плавное регулирование;

3) направление регулирования вниз и в небольшом диапазоне в верх от естественной характеристики;

4) стабильность механических характеристик соответствует естественной характеристике;

5) экономичное регулирование;

6) допустимая нагрузка зависит от отношения U/f при регулировании и соответствует рисунку 6.6, б для разных законов изменения момента сопротивления от скорости.

Изменение числа пар полюсов возможно выполнить только в специальных многоскоростных асинхронных двигателях. Такие двигатели имеют на статоре обмотку трех фаз, которая разделяется на две части. Эти части можно соединить последовательно или параллельно. От этого меняется число пар полюсов двигателя. Следует отметить, что это не единственный способ изменения числа пар полюсов: есть способы посложнее.

Развернутая схема обмотки одной фазы при последовательном и параллельном соединении полуобмоток изображена на рисунке 6.7. Используя правило буравчика, определим направления электромагнитного поля. Считаем, что в это мгновение ток проходит от начала обмотки к его концу.

Рисунок 6.7. Развернутая схема обмотки одной фазы при последовательном соединении полуобмоток (а) и при параллельном соединении (б).

Трехфазные обмотки асинхронных многоскоростных двигателей могут быть соединены в звезду или в треугольник. При соединении обмоток в звезду и последующем переключении полуобмоток в двойную звезду обеспечивается постоянство допустимого момента при регулировании (рисунок 6.8).

При соединении обмоток в схему «треугольник» и переключении полуобмоток на соединение в двойную звезду обеспечивается постоянство допустимой мощности при регулировании (рисунок 6.9).

Рисунок 6.8. Схема трехфазной обмотки при соединении Ү и Ү Ү (а) и механические характеристики асинхронного двигателя при этих соединениях (б).

Рисунок 6.9. Схема трехфазной обмотки при соединении Δ и Ү Ү (а) и механические характеристики асинхронного двигателя при этих соединениях (б).

Изменения числа пар полюсов обеспечивает следующие показатели регулирования:

1) диапазон до 6, в специальных электродвигателях для лифтов – до 12;

2) регулирование ступенчатое;

3) направление регулирования – вниз от естественной характеристики, соответствующий 1-ой паре полюсов;

4) стабильность характеристик соответствует естественным характеристикам;

5) экономичное регулирование (экономичность регулирования определяется нагрузкой на валу);

6) допустимый момент М=const соответствует схеме переключения Ү /Ү Ү, а допустимая нагрузка Рдоп=const схеме Δ /Ү Ү.

Изменения числа пар полюсов обеспечивается контакторами или универсальными переключателями при ручном управлении.

Изменения напряжения возможно выполнить только вниз от номинального.

Это приводит к уменьшения момента, поскольку , увеличению скольжения s и потерь в роторе . Критическое скольжение изменяется незначительно. Все механические характеристики стремятся к точке ω ₀. Это приводит к тому, что диапазон возможного изменения скорости для двигателей с обычным ротором даже при вентиляторной нагрузки на валу получается незначительный (рисунок 6.10, а).

Использование асинхронного двигателя с повышенным скольжением ротора увеличивает диапазон регулирования (рисунок 6.10, б). Повышенное скольжение имеют все асинхронные двигатели малой мощности (менее 0, 55 кВт), поэтому чем меньше по мощности асинхронный двигатель, тем лучший диапазон регулирования он обеспечивает при вентиляторной нагрузки на валу.

Рисунок 6.10. Изменение скорости Δ ω при регулировании напряжением на обмотках асинхронного двигателя с малым критическим скольжениям (а) и с большим критическим скольжением (б).

Потери в роторе асинхронного двигателя при регулировании скорости вращения напряжением на обмотке статора вызывают значительные потери мощности в роторе. Максимальное значение потерь имеет место при скольжении s=0, 33 (при вентиляторной нагрузке). При этом скольжении наблюдается также возрастание потребляемого тока (рисунок 6.11):

Рисунок 6.11. Изменение потерь мощности в роторе АД при регулировании скорости напряжением на статоре и вентиляторной нагрузке на валу (а) и изменение тока асинхронных двигателей Д100L6П (1, 1 кВт) и Д80В6П (0, 37 кВт) при регулировании скорости (б).

Изменение напряжения на статоре асинхронного двигателя с повышенным скольжением при вентиляторной нагрузке на валу обеспечивает следующие показатели регулирования:

1) диапазон до 10: 1;

2) регулирование плавное при использовании тиристорных регуляторов напряжения и ступенчатое – при использовании автотрансформатора с отпайками;

3) направлении регулирования вниз от естественной механической характеристики;

4) стабильность характеристик снижается; все характеристики стремятся к ω ₀;

5) неэкономичное регулирование;

6) допустимая нагрузка примерно соответствует вентиляторной механической характеристике.

Регулирование малых по мощности осевых вентиляторов нашло применение в системах микроклимата животноводческих помещений (Климат 4). Используются асинхронные трехфазные электродвигатели, имеющие повышенное скольжение (Sн до 0, 17). Наибольший двигатель – 1, 1 кВт, наименьший – 0, 25 кВт. Регулируется напряжение по средством тиристорного регулятора напряжения. Эта система электропривода заменяется на электропривода преобразователем частоты, как более экономичный.

Включении добавочных резисторов в ротор возможна только в специальных электродвигателях с фазным ротором. В сельскохозяйственном производстве такие двигатели встречаются в обкаточных стендах большей мощности.

Отличительной особенностью такого регулирования скорости является постоянство критического момента при регулировании. Это подтверждается формулой (6.9) критического момента, в которой нет места сопротивлению в цепи ротора r’’.

Этот способ регулирования аналогичен ДПТ независимого возбуждения включением резисторов в цепь якоря и имеет аналогичные показатели регулирования:

1) диапазон 2, 5: 1 и более;

2) регулирование ступенчатое в приводах подъемных устройств или плавное (жидкостной реостат в стендах обкатки ДВС);

3) направление регулирования – вниз от естественной механической характеристики;

4) стабильность характеристик уменьшается;

5) экономичность низкая, связана с потерей мощности на добавочных резисторах;

6) допустимый момент при регулировании постоянный (рисунок 6.12).

Рисунок 6.12. Схема, поясняющая регулирование скорости включением добавочных резисторов в цепь ротора АД с фазным ротором (а) и механические характеристики при током регулировании (б).

Критическое скольжение при включении добавочных резисторов уменьшается пропорционально величине сопротивления добавочных резисторов:

. (6.13)

где – приведенная к обмотке статора сопротивления обмотки ротора, Ом.

Выводы:

1) наилучший способ регулирования скорости АД – изменением частоты тока. Только в этом случае для экономичной работы привода надо программировать ПЧ на требуемый закон изменения напряжения от изменения частоты, который определяется видом механической характеристики приводимой во вращение рабочей машины;

2) экономично также изменение числа пар полюсов двигателя, но недостаток этого способа – ступенчатое регулирование;

3) регулирование напряжения на статоре или включение добавочных резисторов в цепь ротора является не экономичными способами. Они получили названия параметрические способы регулирования скорости АД. При этом следует помнить, что регулировать скорость напряжением можно только малых двигателей с вентиляторной нагрузкой на валу.