Назад: 2.5 Регулирование двигателем с последовательной обмоткой возбуждением

2.6 Регулирование скорости асинхронных электродвигателей трехфазного тока

Асинхронный двигатель трехфазного тока с короткозамкнутым ротором является наиболее массовым электрическим двигателем. Эти двигатели выпускаются мощностью от 0,1 кВт до нескольких тысяч киловатт и находят применение во всех отраслях производства. Основными достоинствами асинхронного двигателя является простота его конструкции, высокая надежность в эксплуатации и невысокая стоимость по сравнению с двигателями постоянного тока. Однако определенные неудобства применения этих двигателей возникают в ситуациях, когда к скорости вращения привода предъявляются требования по глубине и плавности ее изменения, или, как принято говорить, регулирования.

Скорость вращения асинхронных двигателей

n = 60f (1 – s)/p, (2.6)

где n – скорость вращения, об/мин; f – частота напряжения сети, Гц; р – число пар полюсов обмотки статора; s – скольжение.

Скольжением s характеризуют степень отставания скорости ротора n_р от синхронной скорости n_с вращающегося магнитного поля, создаваемого трехфазным током в обмотке статора: s = (n_c – n_p)/ n_c.

При неподвижном роторе s = 1; наоборот, если бы скорость вращения ротора достигла скорости вращения магнитного поля статора, то s = 0. При номинальной скорости вращения, которая соответствует номинальной нагрузке двигателя, скольжение для мощных двигателей составляет s_н = 1-2%, для средних s_н = 3-5% и для очень малых s_н = 7-12%.

Из (2.6) следует, что скорость вращения асинхронного двигателя можно регулировать тремя способами: изменением частоты питающего напряжения, изменением скольжения и изменением числа пар полюсов.

Регулирование скорости вращения путем изменения скольжения предполагает применение асинхронных двигателей с фазным ротором, то есть двигателя, который имеет на роторе трехсекционную обмотку и контактные кольца к этим секциям. Осуществляется регулирование скорости изменением сопротивления реостата, включенного в цепь роторных обмоток. Этот способ регулирования обладает существенными недостатками (увеличенный габарит, значительные потери энергии в реостате, малый диапазон изменения частоты вращения), находит ограниченное применение в технологическом оборудовании и поэтому здесь не рассматривается.

Регулирование скорости вращения изменением числа пар полюсов получило широкое распространение в станкостроении. Это всегда целое и четное число и поэтому рассматриваемое регулирование является грубоступенчатым.

Однако в различных отраслях промышленности имеется значительное количество производственных механизмов, выполняющих ограниченное число операций, не требующих плавного регулирования скорости и могущих удовлетвориться ограниченным числом скоростей. К числу таких машин относятся: сварочные вращатели большой грузоподъёмности, металлорежущие и деревообрабатывающие станки, грузовые и пассажирские подъемники и ряд других.

Для регулирования скорости вращения изменением числа пар полюсов применяются асинхронные двигатели специальной конструкции.

Самая распространенная схема переключения обмоток показана на рис.2.14. Две половины обмотки каждой фазы включают либо последовательно (рис.2.14,а), либо параллельно (рис.2.14,б). Во втором случае число пар полюсов обмотки статора уменьшается вдвое.

Рис. 2.14. Схемы переключения полюсов статорной обмотки двухскоростного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором

Отечественная промышленность выпускает двухскоростные двигатели на синхронные частоты вращения: 500/1000, 750/1500, 1500/3000 об/мин.

Выпускаются также трехскоростные асинхронные двигатели. В этом случае статор имеет две отдельные обмотки, одна из которых обеспечивает две скорости путем описанного выше переключения, а вторая, включаемая обычно в сеть звездой, – третью скорость.

Благодаря развитию силовой преобразовательной техники созданы и серийно выпускаются различные виды полупроводниковых преобразователей частоты, что определило широкое применение частотно-регулируемого асинхронного электропривода.

Для реализации способа частотного регулирования асинхронный короткозамкнутый двигатель включается в питающую сеть с параметрами U_c и f_c через преобразователь частоты ПЧ (рис.2.15). Если пренебречь величиной активного сопротивления статора (r_с = 0), то для того, чтобы при частотном регулировании (уменьшении частоты от номинальной) сохранить критический момент постоянным, нужно величину напряжения изменять пропорционально изменению частот:

U₁*/f₁* = const, (2.7)

где U₁* = U_1j/ U_1н.

Рис. 2.15. Схема включения двигателя: а – с питанием от преобразователя частоты; б – механические характеристики двигателя при частотном регулировании (U_1*/f_1*. = const)

Механические характеристики, соответствующие частотному регулированию при выполнении соотношения (2.7) при r_с = 0, показаны на рис.2.15 (сплошные линии).

При более точном расчете с учетом падения напряжения на сопротивлении r_с механические характеристики имеют вид, показанный на рис. 2.15,б пунктиром. При малых значениях частоты, когда относительное значение падения напряжения на сопротивлении r_с становится значимым, магнитный поток двигателя уменьшается и соответственно уменьшается момент М_к. Для того чтобы регулировать скорость двигателя, сохраняя максимальный его момент постоянным, нужно величину напряжения уменьшать в меньшей степени, чем уменьшается частота, примерно в соотношении:

U₁ = U_1нf_1* + I_1нr_c(1 – f_1*).

Такой способ регулирования напряжения называют «пропорциональное регулирование с Ir компенсацией», при этом механические характеристики будут иметь вид, показанный на рис.2.15,б сплошными линиями. Величина Ir компенсации зависит от относительной величины сопротивления r_с, которая для двигателей мощностью более 100 кВт незначительна, и ею, как правило, можно пренебречь; для двигателей мощностью до 15 кВт учет r_с обязателен. Достоинствами этого способа регулирования скорости двигателя являются:

· плавность регулирования и высокая жесткость механических характеристик, что позволяет регулировать скорость в диапазоне 1-1000;

· экономичность регулирования (потери не превышают номинальные).

Основными недостатками преобразователей частоты для регулируемого привода остаются относительно высокие сложность и стоимость.

Вопросы для самопроверки

Далее: Глава 3 ДАТЧИКИ

3.1 Основные понятия о датчиках