Регулирование частоты вращения асинхронных двигателей

Частота вращения ротора асинхронного двигателя

Частоту вращения ротора асинхронного двигателя можно регулировать изменением частоты тока в обмотке статора , числа пар полюсов обмотки статора и скольжения .

11.1 Регулирование частоты вращения изменением частоты питающего напряжения

Этот способ регулирования (частотное регулирование) основан на изменении синхронной частоты вращения поля в зазоре

,

что достигается регулированием первичной частоты .

Изменение питающей частоты приводит к изменению максимального момента

,

а, следовательно, кратности максимального момента, скольжения, коэффициента мощности, КПД двигателя. Поэтому необходимо одновременно с изменением частоты изменять напряжение, подводимое к обмотке статора.

Отношение максимальных моментов при двух различных частотах и

Вводя условие постоянства отношения кратности максимального момента, перегрузочной способности двигателя, для различных частот питающего напряжения

Имеем коэффициент регулирования

Установившийся режим при новой частоте наступает при новом статическом моменте , определяемым статической характеристикой электропривода .

Можно сформулировать закон регулирования для трех случаев.

1. Статический момент нагрузки не зависит от скорости вращения (частоты). Например, лебедка, подъемный кран.

Тогда,

Напряжение следует изменять пропорционально частоте.

Рис. 11.1. Механические характеристики при различных и .

2. Статический момент нагрузки обратно-пропорционален скорости вращения. Например, металлорежущие станки.

Тогда,

Напряжение следует изменять пропорционально корню квадратному частоты.

Рис. 11.2. Механические характеристики при различных и .

3. Статический момент нагрузки пропорционален квадрату частоты вращения. Например, вентиляторы, центробежные насосы, гребные винты.

Тогда,

Напряжение следует изменять пропорционально квадрату частоты.

Рис. 11.3. Механические характеристики при различных и .

В качестве источников питания используются электромашинные или полупроводниковые преобразователи частоты. Наибольшее применение для частотного регулирования асинхронных двигателей получили тиристорные преобразователи частоты ТПЧ.

11.2 Регулирование частоты вращения изменением числа пар полюсов двигателя (многоскоростные двигатели)

Этот способ регулирования дает ступенчатую регулировку. Применимо только для асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, где число полюсов ротора всегда соответствует полюсности статора.

Промышленностью изготовляются двух-, трех- и четырехскоростные асинхронные двигатели.

Изменять число пар полюсов в обмотке статора можно либо укладкой на статоре двух обмоток с разным числом полюсов, либо переключением катушечных групп одной или двух обмоток.

Регулирование частоты вращения изменением скольжения возможно тремя способами: изменением амплитуды подводимого напряжения, изменением активного сопротивления обмотки ротора, нарушением симметрии подводимого трехфазного напряжения.

11.3 Регулирование частоты вращения изменением амплитуды подводимого напряжения

При изменении напряжения меняется механическая характеристика. Установившийся режим наступает при другом скольжении, соответствующем новой точке пересечения механической и статической характеристик (рис. 11.5,а).

Рис. 11.5. Механические характеристики асинхронных двигателей при различных значениях первичного напряжения

Для двигателей обычного исполнения диапазон изменения скорости небольшой из-за узкой зоны устойчивой работы двигателя. Диапазон регулирования увеличивается для двигателей с повышенным активным сопротивлением обмотки ротора (рис. 11.5,б). При увеличении скольжения растут потери и перегрев двигателя.

Изменять напряжение питания можно посредством регулировочного автотрансформатора или трехфазного дросселя насыщения. Обмотка управления дросселя подключается к источнику постоянного тока. С увеличением тока управления усиливается магнитное насыщение сердечников дросселя и индуктивное сопротивление его рабочих обмоток уменьшается, напряжение питания асинхронного двигателя увеличивается.

Большие габариты и значительная масса регулируемых дросселей являются причинами, ограничивающими их применение.

Более рациональным является применение тиристотрных регуляторов напряжения, посредствам которых регулируется напряжение на обмотке статора двигателя при неизменной частоте тока .

11.5 Регулирование частоты вращения нарушением симметрии подводимого напряжения

11.6 Регулирование частоты вращения изменением активного сопротивления в цепи ротора

Данный метод регулирования применяется для двигателей с фазным ротором, причем в этом случае в цепь ротора включаются добавочные сопротивления. В соответствие с механической характеристикой при постоянном статическом моменте на валу ротора, с увеличением активного сопротивления в цепи ротора возрастает скольжение. При этом растут потери и снижается КПД.

Практически изменение активного сопротивления цепи ротора достигается включением в цепь ротора регулировочного реостата, подобного пусковому реостату, но рассчитанного на длительный режим работы.

12. Тормозные режимы асинхронных двигателей

При отключении двигателя от сети продолжается длительное вращение роторных частей двигателя и рабочего механизма за счет запасенной кинетической энергии. Для быстрой остановки применяют тормозные режимы двигателя.

12.1 Генераторное (рекуперативное) торможение

Генераторный режим работы асинхронной машины на сеть наступает, если ротор вращать в сторону вращения магнитного поля с угловой скоростью . Осуществить это можно, подводя механическую мощность к валу машины с помощью постороннего двигателя. Скольжение при этом будет отрицательным.

Проводники ротора в этом случае будут перегонять магнитное поле, а проводники статора отставать от магнитного поля. Противоположные направления скоростей проводников относительно поля, обусловят противоположные знаки индуцируемых в них ЭДС. По сравнению с двигательным режимом направления ЭДС ротора и активной составляющей тока ротора меняются на обратные. ЭДС и становятся в противофазе. Изменение направления тока меняет направление электромагнитного момента, он становится тормозным, направленным против движения, а вырабатываемая электроэнергия отдается в сеть.

Аналогичным образом АМ перейдет в генераторный режим рекуперативного торможения при снижении угловой скорости вращения поля статора меньше угловой скорости ротора . Осуществить это можно, снизив частоту питающего напряжения сети , либо увеличением числа пар полюсов в обмотке статора.

На рис.12.2 поясняется режим генераторного торможения для двухскоростного асинхронного двигателя путем переключения числа пар полюсов с на .

Рис. 12.1. Режим генераторного торможения двухскоростного асинхронного двигателя.

На рисунке: - синхронная частота вращения поля; - номинальная частота вращения ротора для двух режимов.

Применяется для «подтормаживания» в лифтах и других подъемных механизмов.

Эффективно рекуперативное торможение на электрифицированном транспорте с частотным регулированием асинхронных тяговых двигателей. При питании асинхронного двигателя от управляемого тиристорного преобразователя частоты ТПЧ, постепенно снижая частоту, можно уменьшить частоту вращения почти до полной остановки двигателя.

12.2 Динамическое торможение

При отключении асинхронного двигателя от сети переменного тока и подключении его к источнику постоянного тока возникает режим динамического торможения. С постоянным по величине и неподвижным в пространстве полем статора взаимодействует вращающийся по инерции ротор. Наводимые в роторе переменные ЭДС и ток взаимодействуют с неподвижным полем статора, создавая на роторе электромагнитный момент, направленный против вращения. По мере уменьшения частоты вращения ротора, ЭДС уменьшается, следовательно, уменьшается и тормозящий момент. Для регулировки величины этого момента в двигателе с фазным ротором можно изменять величину сопротивления резисторов в цепи ротора. В двигателях с короткозамкнутым ротором регулировка выполняется резистором в цепи постоянного тока.

12.3 Торможение противовключением

При изменении порядка чередования фаз питающего напряжения изменяется направление вращения поля, скольжение становится больше единицы и двигатель переходит в режим электромагнитного тормоза рис. 12.2.

При этом направление вращения поля относительно проводников статора и ротора в режиме тормоза будет таким же, что и при работе двигателем. Поэтому векторные диаграммы для этих режимов не имеют принципиальных отличий.

Как и в двигательном режиме, электромагнитный момент в тормозном режиме будет направлен по направлению вращения поля. Но, поскольку ротор вращается в противоположную сторону, на него этот момент будет оказывать тормозящее действие.

При работе в режиме электромагнитного тормоза в обмотке ротора выделяется не только электромагнитная мощность, но и мощность, поступающая с вала, так как внешний момент, приложенный к ротору, действует в сторону его вращения. Вся потребляемая машиной энергия расходуется на покрытие потерь в машине, которые достаточно велики. Поэтому этот режим является тяжелым в тепловом отношении и допустим лишь кратковременно.

Рис.12.2. Режим торможения противовключением.

Если при двигатель не отключить, то произойдет реверс. Этот способ торможения применяют для двигателей с фазным ротором. Возможность включения в цепь ротора добавочного регулируемого активного сопротивления позволяет ограничить токи в обмотках и получить более мягкую механическую характеристику, делающую процесс торможения более устойчивым.

Дата добавления: 2015-12-07