§ 15.4. Регулирование частоты вращения асинхронных двигателей Частота вращения ротора асинхронного двигателя

n₂ =n₁(1 - s) = (f₁60/ p)(l - s). (15.2)

Из этого выражения следует, что частоту вращения ротора асинхронного двигателя можно регулировать изменением какой - либо из трех величин: скольжения s, частоты тока в обмотке ста­тора f₁ или числа полюсов в обмотке статора 2р.

Регулирование частоты вращения изменением скольжения s возможно тремя способами: изменением подводимого к обмотке статора напряжения, нарушением симметрии этого напряжения и изменением активного сопротивления обмотки ротора.

Регулировка частоты вращения изменением скольжения про­исходит только в нагруженном двигателе. В режиме холостого хода скольжение, а следовательно, и частота вращения остаются практически неизменными.

Регулирование частоты вращения изменением подводи­мого напряжения. Возможность этого способа регулирования подтверждается графиками М = f(s), построенными для разных значений U₁ (см. рис. 13.5). При неизменной нагрузке на валу дви­гателя увеличение подводимого к двигателю напряжения вызыва­ет рост частоты вращения. Однако диапазон регулирования часто­ты вращения получается небольшим, что объясняется узкой зоной устойчивой работы двигателя, ограниченным значением критиче­ского скольжения и недопустимостью значительного превышения номинального значения напряжения. Последнее объясняется тем, что с превышением номинального напряжения возникает опас­ность чрезмерного перегрева двигателя, вызванного резким увели­чением электрических и магнитных потерь. В то же время с уменьшением напряжения U₁ двигатель утрачивает перегрузочную способность, которая, как известно, пропорциональна квадрату напряжения сети (см. § 13.2).

Подводимое к двигателю напряжение изменяют либо регули­ровочным автотрансформатором, либо реакторами, включаемыми в разрыв линейных проводов.

Узкий диапазон регулирования и неэкономичность (необхо­димость в дополнительных устройствах) ограничивают область применения этого способа регулирования частоты вращения.

Регулирование частоты вращения нарушением симметрии подводимого напряжения. При нарушении симметрии подводи­мой к двигателю трехфазной системы напряжения вращающееся поле статора становится эллиптическим (см. § 9.4). При этом поле приобретает обратную составляющую (встречное поле), которая создает момент М_обр, направленный встречно вращающему момен­ту М_пр. В итоге результирующий электромагнитный момент двига­теля уменьшается (М = М_пр - М_обр).

Механические характеристики двигателя при этом способе регу­лирования располагаются в зоне между характеристикой при симмет­ричном напряжении (рис. 15.10, а, кривая 1) и характеристикой при однофазном питании дви­гателя (кривая 2) — пределом несимметрии трехфазного напряжения.

Для регулировки не­симметрии подводимого напряжения можно в цепь одной из фаз включить однофазный регулировоч­ный автотрансформатор (AT) (рис. 15.10, б). При уменьшении напряжения па выходе AT несиммет­рия увеличивается и частота вращения ротора уменьшается. Недостатками этого способа регулирования являются узкая зона

Рис. 15.10. Механические характеристики (а) и схема включения (б) асинхронного двигателя при регулировании частоты вращения изменением симметрии трехфаз­ной системы

регулирова­ния и уменьшение КПД двигателя по мере увеличения несимметрии напряжения. Обычно этот способ регулирования частоты вращения применяют лишь в двигателях малой мощности.

Регулирование частоты вращения изменением активного сопротивления в цепи ротора. Этот способ регулирования частоты вращения возможен лишь в двигателях с фазным ротором. Ме­ханические характеристики асинхронного двигателя, построенные для различных значений активного сопротивления цепи ротора (см. рис. 13.6), показывают, что с увеличением активного сопро­тивления ротора возрастает скольжение, соответствующее задан­ному нагрузочному моменту. Частота вращения двигателя при этом уменьшается. Зависимость скольжения (частоты вращения) от активного сопротивления цепи ротора выражается формулой, полученной преобразованием (13.13):

s = m₁I^/2₂ r'₂/ (ω₁ М). (15.3)

Практически изменение активного сопротивления цепи ротора достигается включением в цепь ротора регулировочного реостата (РР), подобного пусковому реостату (ПР) (см. рис. 15.2), но рассчитанного на длительный режим работы. Электрические потери в роторе пропорциональны скольжению (Р_э2 = sP_эм), поэтому умень­шение частоты вращения (увеличение скольжения) сопровождается ростом электрических потерь в цепи ротора и снижением КПД двигателя. Так, если при неизменном нагрузочном моменте на валу двигателя увеличить скольжение от 0,02 до 0,5, что соответствует уменьшению частоты вращения примерно вдвое, то потери в цепи ротора составят почти половину электромагнитной мощно­сти двигателя. Это свидетельствует о неэкономичности рассмат­риваемого способа регулирования. К тому же необходимо иметь в виду, что рост потерь в роторе сопровождается ухудшением усло­вий вентиляции из-за снижения частоты вращения, что приводит к перегреву двигателя (см. § 31.1).

Рассматриваемый способ регулирования имеет еще и тот недостаток, что участок меха­нической характеристики, со­ответствующий устойчивой ра­боте двигателя, при введении в цепь ротора добавочного со­противления становится более пологим и колебания нагрузоч­ного момента на валу двигате­ля сопровождаются значитель­ными изменениями частоты вращения ротора. Это иллюст­рирует рис. 15.11, на котором видно, что если нагрузочный момент двигателя изменится на ΔМ_ст = М^/_ст – М^//_ст, то измене­ние частоты

Рис. 15.11. Влияние сопротивления цепи ротора на

колебания частоты вращения при изменении нагрузки

вращения при выведенном регулировочном реостате ( r_д' = 0 ) составит Δn_2I, а при введенном реостате - Δn_2II. В послед­нем случае изменение частоты вращения значительно больше.

Но несмотря на указанные недостатки, рассмотренный способ ре­гулирования частоты вращения широко применяется в асинхронных двигателях с фазным ротором. В зависимости от конструкции регули­ровочного реостата этот способ регулирования частоты вращения может быть плавным (при плавном изменении сопротивления РР) или ступенчатым (при ступенчатом изменении сопротивления РР).

Способ обеспечивает регулирование частоты вращения в ши­роком диапазоне, но только вниз от синхронной частоты враще­ния. Вместе с тем он обеспечивает двигателю улучшенные пуско­вые свойства (см. § 15.1).

Регулирование частоты вращения изменением частоты тока в статоре. Этот способ регулирования (частотное регулирование) ос­нован на изменении синхронной частоты вращения n₁ = f₁ 60/ р .

Для осуществления этого способа регулирования необходим источник питания двигателя переменным током с регулируемой частотой. В качестве таких источников могут применяться элек­тромашинные, ионные или полупроводниковые преобразователи частоты (ПЧ). Чтобы регулировать частоту вращения, достаточно изменить частоту тока f₁. Но с изменением частоты f₁ = ω₁p/ (2π) будет изменяться и максимальный момент [см. (13.18)]. Поэтому для сохранения неизменными перегрузочной способности, коэффициента мощности и КПД двигателя на требуемом уровне необходимо одно­временно с изменением частоты f₁ изменять и напряжение питания U₁. Характер одновременного изменения f₁ и U₁ зависит от закона изме­нения момента нагрузки и определяется уравнением

U^/₁ /U₁ = (f₁ ^//f₁) (15.4)

где U₁ и М — напряжение и момент при частоте f₁ ; U'₁ и М' -напряжение и момент при частоте f '₁.

Если частота вращения двигателя регулируется при условии постоянства момента нагрузки ( М = М' = const), то подводимое к двигателю напряжение необходимо изменять пропорционально изменению частоты тока:

U'₁ = U₁ f '₁/f₁ (15.5)

При этом мощность двигателя увеличивается пропорциональ­но нарастанию частоты вращения. Если же регулирование произ­водится при условии постоянства мощности двигателя ( Р_эм = Мω₁ = const), то подводимое напряжение следует изменять в соответствии с законом

U'₁ = U_{1 .} (15.6)

Частотное регулирование двигателей позволяет плавно изме­нять частоту вращения в широком диапазоне (до 12:1). Однако источники питания с регулируемой частотой тока удорожают установку. Поэтому частотное регулирование до последнего времени применялось в основном для одновременного регулирования группы двигателей, работающих в одинаковых условиях (напри­мер, рольганговых двигателей). Но благодаря развитию силовой полупроводниковой техники в последние годы созданы устройства частотного регулирования, технико-экономические показатели которых оправдывают их индивидуальное применение для регули­рования частоты вращения одиночных двигателей.

6. Использование асинхронных двигателей, укомплектованных такими устройствами для частотного регулирования, наиболее целесообразно в пожаро- и взрывоопасных средах (химическая и нефтеперерабатывающая промышленность), где применение коллекторных двигателей (см. гл. 29) недопустимо.

Регулирование частоты вращения изменением числа полюсов обмотки статора. Этот способ регулирования частоты вращения дает ступенчатую регулировку. Так, при f₁ =50 Гц и р = 1÷5 пар полюсов можно получить следующие синхронные частоты вращения: 3000, 1500, 1000, 750, 600 об/мин.

Изменять число полюсов в обмотке статора можно либо укладкой на статоре двух обмоток с разным числом полюсов, либо укладкой на статоре одной обмотки, конструкция которой позволяет путем переключения катушечных групп получать различное число полюсов. Последний способ получил наибольшее применение.

Принцип преобразования четырехполюсной обмотки в двух­полюсную (для одной фазы) показан на рис. 15.12: при последова­тельном согласном соединении двух катушек возбуждаемое ими магнитное поле образует четыре полюса (рис. 15.12, а); при по­следовательном встречном (рис. 15.12, б) или параллельном со­единениях (рис. 15.12, в) — два полюса. Таким образом, принцип образования полюсно переключаемой обмотки основан на том, что каждая фаза обмотки делится на части (катушечные группы), из­меняя

Рис 15.12. Схемы включения обмотки статора

на разное число полюсов

схему соединения которых получают разное число полюсов.

Возможны два режима работы асинхронных двигателей с по­люсно переключаемыми обмотками:

режим постоянного момента (рис. 15.13, а) — при переключении двигателя с одной частоты вращения на другую вращающий момент на валу двигателя М₂ остается неизменным, а мощность Р₂ изменяется пропорционально частоте вращения n₂:

Рис. 15.13. Схемы переключения числа полюсов и механиче­ские характеристики в режимах постоянного момента (а) и постоянной скорости (б)

Р₂ = 0,105 М₂ n₂ (15.7)

режим постоянной мощности (рис. 15.13, б) — при переключении двигателя с одной частоты вращения на другую мощность P₂ остается примерно одинаковой, а момент на валу M₂ изменяется соответственно изменению частоты вращения n₂:

М₂ = 9,55 Р₂/ n₂. (15.8)

Если на статоре расположить две полюсно переключаемые обмотки, то получим четырехскоростной двигатель. Однако воз­можно применение и одной обмотки, допускающей путем пере­ключения катушечных групп получение до четырех вариантов различных чисел полюсов. Например, асинхронный двигатель ти­па 4А180М12/8/6/4 имеет на статоре обмотку, допускающую пере­ключение на 12,8,6,4 полюса.

Регулирование частоты вращения изменением числа полюсов на статоре применяют исключительно в асинхронных двигателях с короткозамкнутым ротором, так как число полюсов в обмотке этого ротора всегда равно числу полюсов статора и для изменения частоты вращения достаточно изменить число полюсов в обмотке ротора. В случае же фазного ротора пришлось бы и на роторе применить полюсно переключаемую обмотку, что привело бы к недопустимому усложнению двигателя.

Контрольные вопросы

1. Какими показателями характеризуются пусковые свойства асинхронных дви­гателей? 2. Каковы достоинства и недостатки пусковых свойств асинхронных двигателей?

3. Как лучше, с точки зрения улучшения пусковых свойств, уменьшить пуско­вой ток: снижением подводимого к двигателю напряжения или увеличением активного сопротивления в цепи обмотки ротора?

4. Каковы достоинства и недостатки пуска асинхронных двигателей непосред­ственным включением в сеть?

5. Какие существуют способы пуска асинхронных двигателей при пониженном напряжении?

6. В чем сущность эффекта вытеснения тока и почему он возникает при пуске двигателя и почти исчезает при его работе?

7. Почему бутылочная форма паза ротора способствует лучшему проявлению эффекта вытеснения тока?

8. Перечислите способы регулирования частоты вращения асинхронных двига­телей и дайте им сравнительную оценку.

9. Почему при частотном регулировании частоты вращения одновременно с частотой тока необходимо изменять напряжение?