Как регулируется частота вращения асинхронного двигателя. Регулирование частоты вращения. Частотный регулятор для асинхронного двигателя – устройство и принцип работы

Регулирование частоты вращения двигателей определяется в соответствии с требованиями технологических процессов и тех производственных механизмов, в которых они используются. Оно характеризуется следующими основными показателями.
Диапазон регулирования Д (предел изменения частоты вращения). Под этой величиной понимается отношение максимальной частоты вращения двигателя к его минимальной частоте вращения.
Плавность регулирования , которая характеризуется минимальным скачком частоты вращения двигателя при переходе с одной механической характеристики на другую.
Направление возможного изменения частоты вращения двигателя (зона регулирования).
При номинальных условиях работы (напряжении и частоте питающей сети) двигатель имеет естественную механическую характеристику. При регулировании частоты вращения соответствующие им характеристики будут отличаться от естественной. Эти характеристики носят название искусственных (регулировочных) характеристик. С помощью одних методов регулирования удается получить искусственные характеристики, располагающиеся только ниже естественной. Другие методы обеспечивают регулирование частоты вращения выше и ниже естественной характеристики. Экономичность регулирования определяется по дополнительным капитальным затратам, необходимым при создании регулировочных устройств, а также по потерям электроэнергии при регулировании.

Следует отметить, что в ряде случаев, например для механизмов, работающих сравнительно малое время на искусственных характеристиках, потери электроэнергии даже при неэкономичных способах регулирования будут невелики (работа на низких доводочных скоростях лифтов, кранов и др.). При этом более рационально применение простых и дешевых способов регулирования частоты вращения двигателей, даже и неэкономичных с точки зрения потребления энергии.

Допустимая нагрузка двигателя при работе его на регулировочных характеристиках ограничивается величинами токов в статорной и роторных цепях. Эта нагрузка определяется допустимым нагревом двигателя и во многом определяется механическими характеристиками производственных механизмов, моментом сопротивления на валу, моментом инерции двигателя и механизма и т. д.

Регулирование частоты вращения асинхронных двигателей может производиться способом воздействия на него со стороны статора или со стороны ротора. Все три способа нашли широкое применение на практике. Рассмотрим эти способы подробнее.

Регулирование частоты вращения изменением частоты питающей сети является наиболее экономичным способом регулирования и позволяет получить хорошие механические характеристики электропривода. При изменении частоты питающей сети обеспечивается изменение частоты вращения магнитного поля асинхронного двигателя. Источник питания двигателя должен осуществлять преобразование напряжения стандартной частоты сети 50 Гц в напряжение с требуемой частотой. Одновременно с изменением частоты должна регулироваться по определенному закону и величина подводимого к двигателю напряжения, чтобы обеспечить высокую жесткость механической характеристики и требуемую перегрузочную способность двигателя. При регулировании частоты вращения асинхронных двигателей изменением частоты питающей сети можно обеспечить различные режимы работы: с постоянным вращающим моментом; с постоянной мощностью на валу; с моментом, пропорциональным квадрату частоты.

Зависимости между регулируемыми напряжением и частотой с учетом влияния активного сопротивления статора, изменения жесткости механических характеристик, насыщения стали, ухудшения теплоотдачи на низких частотах вращения ротора двигателя имеют довольно сложный характер. В качестве источника питания могут применяться электромашинные вращающиеся преобразователи, использующие электрические машины, или статические преобразователи частоты на полупроводниковых приборах, которые серийно выпускает промышленность. Положительным свойством частотного регулирования является возможность плавного регулирования в широком диапазоне в обе стороны от естественной характеристики (в том числе возможно вращение двигателя с частотой, большей номинальной). При регулировании обеспечивается жесткость характеристик и высокая перегрузочная способность. Однако в ряде случаев в приводах металлообрабатывающих станков, электрошпинделей, мощных воздуходувок и других механизмов частотное регулирование является наиболее приемлемым.

Регулирование частоты вращения изменением числа полюсов в обмотке статора обеспечивается благодаря изменению частоты вращения магнитного поля статора. При неизменной частоте питающей сети частота вращения магнитного поля и определяемая ею частота вращения ротора изменяются обратно пропорционально числу полюсов. Так как число полюсов, фиксированное ступенями, может быть равно 2, 4, 6, 8, 10 и т. д., что при частоте питающей сети, равной 50 Гц, соответствует синхронной частоте вращения 3000, 1500, 1000, 750, 600 об/мин и т. д., то указанным способом может быть обеспечено только ступенчатое регулирование.

Кроме двухскоростных асинхронных двигателей нашли применение трехскоростные и четырехскоростные двигатели. В трехскоростных двигателях размещаются одна переключаемая и одна непереключаемая обмотка, а в четырехскоростных - две переключаемые обмотки, позволяющие получить четыре синхронные частоты вращения, например 3000/1500/1000/500 об/мин. Двигатели с переключением числа пар полюсов, как правило, имеют короткозамкнутый ротор с обмоткой типа беличьей клетки. Такой ротор обеспечивает возможность работы без дополнительных пересоединений в его цепи. В случае фазного ротора в многоскоростных двигателях потребовалось бы производить переключения одновременно на статоре и роторе, что усложнило бы конструкцию ротора и эксплуатацию таких машин. К положительным показателям многоскоростных асинхронных двигателей следует отнести экономичность и относительно большой диапазон регулирования частоты вращения ротора. Недостатком данного способа регулирования является указанная выше невозможность плавного изменения частоты вращения.

Как отмечалось, в рамках единой общепромышленной серии асинхронных двигателей 4А выпускается модификация многоскоростных двигателей, предназначенных для работы на двух, трех или четырех скоростях. Регулирование частоты вращения изменением скольжения является одним из простых способов регулирования. В то же время при изменении (увеличении) скольжения изменяются (увеличиваются) потери в обмотке ротора, что приводит к уменьшению КПД при регулировании.

Регулирование скольжения можно осуществлять как со стороны статора, так и со стороны ротора. Естественно, что во втором случае ротор должен быть фазным и иметь выведенную на контактные кольца обмотку. При регулировании со стороны статора изменяют приложенное к его обмотке напряжение. Увеличение напряжения сверх номинального приводит к насыщению магнитной цепи двигателя и потому не применяется.

Для регулирования частоты вращения уменьшают напряжение питания. При этом развиваемый двигателем момент изменяется пропорционально квадрату напряжения и соответственно изменяются механические характеристики двигателя, в результате чего изменяются и значения рабочих скольжений. При регулировании со стороны ротора в основном применяется реостатное регулирование частоты вращения путем введения в цепь обмотки ротора добавочных активных сопротивлений (резисторов). При этом важно заметить, что изменение в широких пределах частоты вращения двигателя при данном способе регулирования не повлечет за собой изменения максимального (критического) момента. Таким образом, перегрузочная способность двигателя при регулировании не снижается.

Во многих случаях трехфазные асинхронные двигатели применяются для приво­дов, не требующих регулирования частоты вращения. Но асинхронные двигатели обладают ценными преимуществами: надежностью, дешевизной, простотой конструк­ции, высоким КПД и относительно малой массой. По этим причинам естественно стремление применять их и для приводов с регулируемой частотой вращения.

Для регулирования частоты вращения асинхронных двигателей с коротко-замкнутым ротором обычно используются метод частотного регулирования, пред­ставляющий собой плавное регулирование частоты вращения магнитного поля путем регулирования частоты тока в обмотках статора, и метод изменения числа пар полю­сов вращающегося магнитного поля, при котором частота вращения магнитного поля изменяется скачком.

Для регулирования частоты вращения асинхронных двигателей с фазным ро­тором используется метод реостатного регулирования, представляющий собой плавное регулирование скольжения" ротора путем изменения активного сопротивления его фазных обмоток.

Частотное регулирование. Наиболее перспективным методом управления часто­той вращения асинхронного двигателя является регулирование частоты переменного тока статора двигателя. Угловая скорость вращающегося поля п = 2 f/р. Сле­довательно, при изменении частоты тока f пропорционально изменяется угловая скорость поля. Однако при осуществлении регулирования частоты тока нужно учесть, что необходимо одновременное регулирование напряжения. Это связано с тем, что в соответствии с выражением (14.10) ЭДС фазы, а следовательно, и питающее напряжение пропорциональны частоте тока и потоку. Так как поток должен сохра­няться во всех режимах одним и тем же, то напряжение должно быть (без учета па­дений напряжения в машине) пропорциональным частоте. Кроме того, это нужно для того, чтобы при изменении частоты вращения двигателя не изменялся его вра­щающий момент.

Чтобы оценить характер зависимости вращающего момента от частоты тока в обмотках статора и от напряжения на нем, пренебрежем в уравнении (14.28) актив­ным сопротивлением обмотки статора г л и индуктивными сопротивлениями рассея­ния обмоток статора x pac 1 и ротора x рас2 и воспользуемся выражением для частоты скольжения (14.13):

Mвр = = А ,

где А = const.

Следовательно, при изменении частоты тока для поддержания вращающего момента постоянным необходимо пропорционально изменять напряжение на ста­торе; иными словами, условием поддержания постоянства вращающего момента дви­гателя при регулировании частоты будет U 1 /f = const. Если регулировать частоту тока и напряжение, соблюдая указанное условие, то механические характеристики двигателя будут оставаться жесткими, а максимальный момент почти независимым от частоты (он существенно уменьшается лишь при относительно низких частотах). В то же время мощность будет изменяться пропорционально частоте тока, так как Р 2 = М вр р. Например, при уменьшении частоты тока в 2 раза вдвое уменьшается и мощность двигателя на валу.

Регулирование изменением числа пар полюсов. Ступенчатое изменение угловой скорости асинхронного двигателя в широких пределах осуществимо ценой усложне­ния и удорожания конструкции асинхронного двигателя - это регулирование пере­ключением числа пар полюсов двигателя.

При постоянной частоте сети угловая скорость вращающегося поля зависит только от числа пар полюсов этого поля, определяемого обмоткой статора. Если на статоре поместить две отдельные обмотки - одну, образующую р пар, а другую, образующую р" пар полюсов, то, включив в сеть первую или вторую обмотку, мы получим частоту вращения поля:

N 1 =60f/р или п" 1 = 60f/р", следовательно,

n1/ п" 1 =p"/p,

соответственным образом будут различаться и частоты вращения ротора двигателя. При этом обмотка ротора двигателя должна быть выполнена, как беличье колесо.

Числа полюсов обмоток статора в этом случае взаимно ничем не связаны и мо­гут быть выбраны любыми в зависимости от условий работы двигателя. Само регули­рование сводится к скачкообразному изменению частоты вращения поля двигателя. Но частота вращения ротора не может изменяться скачкообразно из-за инерции всей системы электропривода. Лишь после переключения начинается соответствующее изменение частоты вращения ротора.

Чтобы показать нагляднее этот переходный процесс, построим две механические характеристики асинхронной машины с изменяемым числом пар полюсов: одну ха­рактеристику, соответствующую р парам полюсов, а вторую р" = 1р парам полюсов (соответственно рис. 14.31, а и б). Предположим, что момент на валу двигателя оста­ется постоянным при изменении частоты вращения поля. При увеличении последней, т. е. при переходе от р" к р парами полюсов, двигатель сначала оказывается в усло­виях, близких к пусковым, и имеет место скачок тока.

Но при переходе от р к р" , т. е. при уменьшении частоты вращения поля, ма­шина оказывается сначала в условиях генераторного режима и работает, отдавая энергию в сеть.

Такой режим иногда используется для быстрого и экономичного торможения электропривода.

Двумя отдельными обмотками снабжаются статоры лишь у двигателей небольшой мощности; у двигателей большой мощности более целесообразным является пере­ключение катушек одной и той же обмотки для получения различного числа пар по­люсов. На рис. 14.32 показана схема переключения трехфазной обмотки с двух на четыре полюса. Переключение обмотки в ином отношении, чем 1: 2, требует более сложного изменения схемы и применяется реже.

В большинстве случаев статор асинхронной машины снабжается дву­мя независимыми обмотками, из ко­торых каждая переключается в отно­шении 1: 2 или ином. Таким обра­зом, двигатель имеет четыре ступени частоты вращения, например 3000, > 1500, 1000 и 500 об/мин.

Реостатное регулирование . В трех­фазных асинхронных двигателях с фаз­ным ротором используется реостатный способ регулирования частоты вращения ротора. Это достигается введением в цепь фазных обмоток ротора регулируемого трехфаз­ного реостата, как при пуске двигателя (рис. 14.24). Но этот реостат должен быть рассчитан на длительную нагрузку током ротора, а не на кратковременную, как пусковой реостат. Увеличение активного сопротивления цепи ротора изменяет характеристику М (s) - делает ее более мягкой (см. рис. 14.25). Если при постоян­ном моменте на валу двигателя увеличивать активное сопротивление цепи ротора путем постепенного увеличения сопротивления реостата (r р1 < r р2 < r р3), то рабочая точка будет смещаться с одной кривой М (s) на следующую, соответствующую воз­росшему сопротивлению цепи ротора (рис. 14.25, точки 1-4), соответственно чему будет расти скольжение, а следовательно, уменьшаться частота вращения двигателя.

Этим путем возможно изменять частоту вращения ротора в пределах от номиналь­ной до полной остановки. Но при таком способе регулирования неизбежны относи­тельно большие потери энергии (см. § 14.11). Мощность вращающегося поля Р вр,п без учета потерь энергии в сердечнике статора состоит (см. рис. 14.20) из мощности потерь в проводниках обмотки ротора (см. схему замещения на рис. 14.19);

Р пр2 =r" в2 (I" 2) 2

и механической мощности

Р мех =r" в2 (I" 2) 2 .

Отношение

Р пр 2 /Р мех = s/(l -s) = (n 1 - п)/п

показывает, что деля механической мощности уменьшается прямо пропорционально уменьшению частоты вращения ротора, в то же время соответственно увеличивается доля мощности потерь в активном сопротивлении цепи ротора. Следовательно, для уменьшения частоты вращения двигателя, например, на 25 % нужно включить в цепь ротора реостат с таким активным сопротивлением, в котором будет бесполезно превращаться в теплоту четверть энергии вращающегося магнитного поля. Недостатком такого регулирования может являться и то обстоятельство, что включение реостата в цепь ротора делает механическую характеристику двигателя мягче, сле­довательно, уменьшает стабильность его частоты вращения. При включенном рео­стате малые изменения нагрузки на валу вызывают значительные изменения частоты вращения двигателя.