Способы регулирования скорости асинхронного двигателя.

Способы регулирования скорости асинхронного электропривода можно определить на основании анализа уравнения механической характеристики двигателя:

 

 

Uф – фазное напряжение сети;

– приведённое к статору сопротивление роторной цепи;

= – сопротивления обмотки ротора и реостата ;

R1 – сопротивление обмотки статора;

ω0 = – угловая скорость поля статора;

f1 – частота сети;

р – число пар полюсов;

S = – скольжение;

ω – угловая скорость ротора;

хк – реактивное сопротивление короткого замыкания.

Из формулы следует, что регулировать скорость асинхронного электропривода электрическим путём можно изменением числа пар полюсов р, введением реостата в цепь ротора (Rp2), изменением напряжения, приложенного к статорной обмотке и изменением частоты питающей сети.

Изменением числа пар полюсов обеспечивается ступенчатое регулирование синхронной угловой скорости двигателя ω0.

Преимущество данного способа – экономичность

Недостаток:

Cтупенчатое управление скоростью двигателя. Перегрузочная способность двигателя пропорциональна числу полюсов при заданной величине индукции. Для получения заданной перегрузочной способности необходимо подбирать соотношения обмоток, что достигается изменением фазного напряжения (соединение обмоток звездой или треугольником) или числа витков (путем соединения отдельных частей обмоток последовательно или параллельно). С целью получения одинаковой перегрузочной способности при разном числе р применяются либо отдельные обмотки, либо полюсно переключаемые обмотки статора с двойной звезды на треугольник или с двойной звезды на звезду. Максимальный диапазон регулирования, обеспечиваемый переключением числа пар полюсов, составляет 6: 1 при использовании независимых обмоток.

Регулирование скорости введением реостата в цепь ротора.

При данном способе регулирования вся энергия скольжения выделяется в виде потерь в цепи электродвигателя. Потери мощности в реостате при этом составят ΔР = Рэ·S, где Рэ – электромагнитная мощность. Отсюда видно, что потери мощности в двигателе пропорциональны относительному перепаду угловой скорости. Недостатком этого способа является также уменьшение стабильности скорости при ее снижении, относительно малый диапазон регулирования (2:1), ступенчатость.

Регулирование скорости изменением напряжения, приложенного к статорной обмотке. Система «преобразователь напряжения – двигатель»

Одним из возможных способов изменения скорости АД является изменение напряжения на выводах его статора, при этом частота такого напряжения постоянна и равна частоте сети переменного тока. Между выводами питающей сети и статора АД включен преобразователь напряжения, при использовании которого изменяться напряжение, подводимое к статору АД.

Недостатком такого регулирования является резкое снижение критического момента по мере уменьшения напряжения на обмотке статора АД.

Регулирование скорости вращения АД изменением частоты питающего напряжения.

Частотный способ является одним из наиболее перспективных и широко используемых в настоящее время способов регулирования скорости АД. Принцип его заключается в том, что, изменяя частоту f питающего АД напряжения, можно в соответствии с выражением (ω0=2πf1/p изменять его синхронную скорость ω0, получая тем самым различные искусственные характеристики. Этот способ обеспечивает плавное регулирование в широком диапазоне, получаемые характеристики обладают высокой жесткостью. Частотный способ к тому же отличается и еще одним весьма важным свойством: при регулировании скорости АД не происходит увеличения его скольжения, как это имеет место, например, при реостатном регулировании; Поэтому при этом способе регулирования потери скольжения, определяемые по (1.3), оказываются небольшими, в связи с чем частотный способ наиболее экономичен.

 

ΔР2 = Р1 – Р2 = М·ω0 – М·ω = М·ω0·s = Р1·s

 

Для лучшего использования АД и получения высоких энергетических показателей его работы – коэффициентов мощности, полезного действия, перегрузочной способности – одновременно с изменением частоты питающего напряжения необходимо изменять и значение этого напряжения. Закон изменения напряжения при этом зависит от характера момента нагрузки.

При выборе соотношения между частотой и напряжением, подводимым к статору АД, часто исходят из условия сохранения его перегрузочной способности λ, которая определяется отношением критического момента двигателя Мк к моменту нагрузки Мс:

 

λ = Мк / Мс = const

 

Если пренебречь активным сопротивлением статора и учесть, что хк ~ f1 и ω0 ~ f1, то согласно выражению:

 

Мк = 3Uф2 / (ω0 хк)

 

можно записать (1.5) как:

 

λ = = const

 

где:

А – постоянная, не зависящая от f1.

Из (1.5) следует, что для любых значений частоты f1i и f1к должно соблюдаться следующее соотношение:

 

 

где:

Мсi, Мск – моменты нагрузки при скоростях АД, соответствующих частотам f1i и f1к.

Отсюда следует основной закон изменения напряжения при частотном способе регулирования скорости АД:

С помощью выражения (1.7) могут быть получены частные законы изменения напряжения и частоты при различных зависимостях момента нагрузки Мс от скорости.

При постоянном моменте нагрузки Мс = const, при этом согласно (1.7), т.е. напряжение на статоре должно изменяться пропорционально его частоте.

Для вентиляторного характера момента нагрузки соотношение (1.7) имеет вид (1.9), а при моменте нагрузки, обратно пропорциональном скорости, запишется в виде (1.11):

 

Uф / f1 = const

 

Uф / f12 = const

 

= const

 

На рисунке 1.6 приведены механические характеристики АД при частотном регулировании скорости с выполнением соотношения (1.9), где график 1 – U=Uн, f=1.3fн; 2 – U=Uн, f=fн; 3 – U=0.65Uн, f=0.65fн; 4 – U=0.3Uн, f=0.3fн.

Для частот ниже номинальной (fi < fном) критический момент АД постоянен, что обеспечивает неизменную перегрузочную способность двигателя.

 

Механические характеристики двигателя при частотном регулировании скорости

 

При частотах выше номинальной (fi > fном), когда по техническим условиям напряжение на статоре не может быть повышено сверх номинального, критический момент АД снижается.

Необходимым элементом привода является преобразователь частоты (и напряжения), на вход которого подаётся стандартное напряжение сети U1 (220, 380 В и т.д.) промышленной частоты f1 = 50 Гц, а с его выхода снимается переменное напряжение Uрег регулируемой частоты fрег, значения которых находятся между собой в определённых соотношениях, определяемых формулами (1.9 – 1.11) регулирование выходной часты и напряжения преобразователя осуществляется с помощью управляющего сигнала, изменение которого определяет в конечном итоге изменение скорости АД.