Способы регулирования частоты вращения АД

Частота вращения асинхронного двигателя

n = n₁ (1 – s) = (60f₁/p) (1-s) (85)

Из этого выражения видно, что ее можно регулировать, изменяя частоту f₁ питающего напряжения, число пар полюсов р и

Рис. 266. Схема переключения катушек обмотки статора (одной фазы) для изменения числа полюсов: а — при четырех полюсах; б — при двух полюсах

скольжение s. Последнее при заданных значениях момента на валу М_вн и частоты f₁ можно изменять путем включения в цепь обмотки ротора реостата.

Регулирование путем изменения частоты питающего напряжения. Этот способ требует наличия преобразователя частоты, к которому должен быть подключен асинхронный двигатель. На основе управляемых полупроводниковых вентилей (тиристоров) созданы статические преобразователи частоты и построен ряд опытных электровозов и тепловозов с асинхронными двигателями, частота вращения которых регулируется путем изменения частоты питающего напряжения. Такой способ регулирования частоты вращения ротора асинхронного двигателя является весьма перспективным.

Регулирование путем изменения числа пар полюсов. Этот способ позволяет получить ступенчатое изменение частоты вращения. Для этой цели отдельные катушки 1, 2 и 3, 4, составляющие одну фазу (рис. 266), переключаются так, чтобы изменялось соответствующим образом направление тока в них (например, с последовательного согласного соединения на встречное). При согласном включении катушек (рис. 266, а) число полюсов равно четырем, при встречном включении (рис. 266, б) — двум. Катушки двух других фаз, сдвинутые в пространстве на 120°, соединяются таким же образом. Такое же уменьшение числа полюсов можно осуществить при переключении катушек с последовательного на параллельное соединение. При изменении числа полюсов изменяется частота вращения n₁ магнитного поля двигателя, а следовательно, и частота вращения n его ротора. Если нужно иметь три или четыре частоты вращения n₁, то на статоре располагают еще одну обмотку, при переключении которой можно получить еще две частоты. Существуют двигатели, которые обеспечивают изменение частоты вращения n₁ при постоянном наибольшем моменте или при приблизительно постоянной мощности (рис. 267).

В асинхронном двигателе число полюсов ротора должно быть равно числу полюсов статора. В короткозамкнутом роторе это условие выполняется автоматически и при переключении обмотки статора никаких изменений в обмотке ротора выполнять не требуется.

Рис. 267. Механические характеристики двухскоростных асинхронных двигателей с постоянным наибольшим моментом (а) и постоянной мощностью (б)

Рис. 268. Механические характеристики асинхронного двигателя при регулировании частоты вращения путем включения реостата в цепь обмотки ротора

Рис. 269. Схемы подключения асинхронного двигателя к сети при изменении направления его вращения

В двигателе же с фазным ротором в этом случае надо было бы изменять число полюсов обмотки ротора, что сильно усложнило бы его конструкцию, поэтому такой способ регулирования частоты вращения используется только в двигателях с коротко-замкнутым ротором. Такие двигатели имеют большие габаритные размеры и массу по сравнению с двигателями общего применения, а следовательно, и большую стоимость. Кроме того, регулирование осуществляется большими ступенями; при частоте f₁ = 50 Гц частота вращения поля n₁ при переключениях изменяется в отношении 3000:1500:1000:750.

Регулирование путем включения в цепь ротора реостата. При включении в цепь обмотки ротора реостата с различным сопротивлением (R_п4, R_пЗ, R_п2 и т. д.) получаем ряд реостатных механических характеристик 4, 3 и 2 двигателя. При этом некоторому нагрузочному моменту М_ном (рис. 268) будут соответствовать меньшие частоты вращения n₄, n₃, n₂ и т. д., чем частота n_е при работе двигателя на естественной характеристике 1 (при R_п = 0). Это способ регулирования может быть использован только для двигателей с фазным ротором. Он позволяет плавно изменять частоту вращения в широких пределах. Недостатками его являются большие потери энергии в регулировочном реостате, поэтому его используют только при кратковременных режимах работы двигателя (при пуске и пр.).

Изменение направления вращения. Для изменения направления вращения двигателя нужно изменить направление вращения магнитного поля, создаваемого обмотками статора. Это достигается изменением порядка чередования тока в фазах обмотки статора. Например, если максимумы токов поступают в фазы обмотки статора 1 (рис. 269, а) в следующем порядке: фаза А — фаза В — фаза С, то ротор 2 двигателя будет вращаться по часовой стрелке. Если же подавать их в такой последовательности: фаза В — фаза А — фаза С, то ротор начнет вращаться против часовой стрелки. Для этой цели необходимо изменить схему соединения обмоток статора с сетью, переключив две любые фазы (провода). Например, зажим А обмотки статора, который ранее был соединен с линейным проводом Л1, нужно переключить на провод Л2, а зажим В этой обмотки, соединенный ранее с Л2, переключить на провод Л1 (рис. 269,б). Такое переключение можно осуществить обычным переключателем.

Динамическое торможение АД

Динамическое торможение АД (торможение постоянным током) осуществляется путем подключения к двум любым обмоткам статора источника постоянного тока. При этом с помощью группы контактов К1 асинхронный двигатель сначала отключают от питания трехфазным переменным током, и только после этого, замыкают группу контактов К2 и подают постоянный ток. Величину постоянного тока регулируют сопротивлением rт (рисунок 1).

Рисунок 1 - Схема динамического торможения асинхронного двигателя

Само динамическое торможение асинхронного двигателя сопровождается следующими процессами и изменениями:

При отключении переменного тока, вращающееся магнитное поле перестает существовать. Далее подключают источник постоянного тока, который создает постоянное магнитное поле. Ротор по инерции продолжает крутиться теперь уже в постоянном магнитном поле, в обмотке ротора наводится ЭДС, ее частота прямо пропорциональна скорости вращения вала. Появление тока в обмотке ротора вызвано наличием вышеупомянутой ЭДС. Ток создает магнитный поток, который неподвижнен относительно статора. Взаимодействие результирующего магнитного поля АД и тока ротора создает тормозной момент. При этом асинхронный двигатель становится генератором; преобразовует кинетическую энергию вращающегося вала в электрическую, которая на обмотке ротора рассеивается в виде тепловой энергии. При переходе в режим динамического торможения частота и угловая скорость равны: f=0 w0=0. Кривая динамического торможения должна проходить через начало координат и торможение происходит до полной остановки (рисунок 2).

Эффективность динамического торможения зависит от параметров:

- Величина постоянного тока, который протекает по статорной обмотке двигателя (чем больше ток, тем больше тормозной эффект);

- Величина сопротивления, введенного в цепь ротора. Эффективность торможения повышается путем комбинирования динамического торможения и торможения с введением сопротивлений в обмотку ротора (рисунок 2):

Рисунок 2 – Механическая характеристика динамического торможения асинхронного двигателя

Чем больше сопротивление введено в цепь ротора, тем выше эффективность торможения, то есть на кривой а1изображена самая быстрая остановка двигателя при наибольшем сопротивлении - R1>R2>R3.

- Схема соединения обмоток статора.

Величина магнитодвижущей силы (F) напрямую связана с понятием эффективность торможения, чем больше значение силы – тем эффективней происходит торможение,

F=I·W.

На рисунках, которые изображены ниже, стрелками показаны направления протекания постоянного тока по обмоткам, IW– ампер витки (так как количество витков в обмотках одинаково, то зависит значение только от величины тока). Векторные диаграммы иллюстрируют направления магнитодвижущих сил (F), сложив по правилам суммирования векторы, мы получим результирующий вектор, который обозначен жирной стрелкой.

Обмотка статора может быть соединена:

а) Схема соединения обмотки статора в звезду:

б) Схема соединения статорной обмотки в треугольник:

в) Соединение обмотки статора в звезду с закороченными двумя фазами:

г) Подключение звезда с разорванным нулем:

д) Подключение треугольник с закороченными фазами:

Схемы соединения а) и б) имеют наибольшее распространение, потому что не требуют переключения при торможении самих обмоток.

Необходимо подметить, что напряжение (U) источника постоянного тока должно быть малой величиной, потому что сопротивление обмотки статора мало. Ток выбирается из условия необходимого начального тормозного момента, обычно выбирают ~2Mном.

Преимущества режима динамического торможения:

- Относительная простота осуществления способа;

- Возможность торможения до полной остановки вала ротора;

- Высокая эффективность торможения, особенно при использовании комбинированного метода.

Основным недостатком является необходимость наличия источника постоянного тока.

Расчет величины тормозного сопротивления:

RT = 2·rф.ст + rт,

rт=RT - 2rф.ст,

где RT - полное сопротивление цепи источника постоянного тока, rф.ст - сопротивление фазы статора.

Вышеприведенные формулы являются частным случаем (для понимания отношений величин сопротивления), когда постоянный ток протекает только по двум обмоткам статора, если же ток будет протекать по трем обмоткам, то коэффициент (количество фаз) перед сопротивлением фазы статора нужно соответственно изменить.