Асинхронный двигатель, как двигатель регулируемой частоты.
Оценка двигателя при питании от сети фиксированной частоты применима и если синусоидальные напряжения любой другой частоты прикладываются к двигателю, при условии, что поток в воздушном зазоре остается на прежнем уровне. Это означает, что если такой двигатель питается от источника изменяемого напряжения и частоты, можно построить любое число комплектов кривых, аналогичных показанным на рис. 1 – по одному комплекту для каждой частоты. На рис. 2 показана типичная последовательность механических характеристик, которые получаются при питании двигателя от источника изменяемой частоты и напряжения (напряжение меняется прямо пропорционально частоте).
Важным является то, что всегда существует возможность работы в зоне справа от пикового момента, т.е. в области максимального КПД, соотношения M/I и устойчивости при любой требуемой скорости. При работе от такого источника питания двигатель всегда может работать при наиболее выгодных условиях (без высоких токов, низких моментов и КПД) при любых скоростях. При этом предполагается, что такой источник питания двигателя имеет природу, аналогичную промышленной сети, т.е. форма напряжения – синусоидальная, внутреннее сопротивление источника питания – мало. На практике большинство инверторных систем, как будет показано позже, не эквивалентны промышленной сети и возможности и способы работы инверторов могут не позволить использовать все потенциальные возможности двигателя.
Рис. 2. Механические характеристики двигателя при различных частотах
Другим важным моментом является то, что большинство инверторных систем для асинхронных двигателей позволяют контролировать все параметры цепи, т.е.
частота,
уровень тока,
уровень напряжения
могут быть изменены независимо друг от друга, для достижения оптимальной рабочей зоны.
Рассмотрим по очереди к чему приводит изменение каждой их этих величин.
Частота
Изменение частоты тока, подаваемого на двигатель, приведет к изменению скорости вращения вращающего поля статора и, следовательно, синхронной скорости двигателя. Т.к. момент создается за счет разности скоростей ротора и вращающего поля, скорость двигателя будет немного меньше, чем синхронная скорость. Тем не менее, подавая частоту, немного превышающую данную, возможно задать требуемую скорость вращения двигателя. Т.е. теперь возможно компенсировать незначительное падение скорости (относительно синхронной), присущее двигателям.
Т.е. теперь двигатель не ограничен частотой питающей сети в 50 Гц. Если механическая часть двигателя позволяет работать на более высоких скоростях, нет причины, ограничивающей бы эксплуатацию двигателя, например, на частоте 69.77 Гц.
Таким образом, теперь для двигателя, предназначенного для работы от сети, существует возможность полной реализации всех его потенциальных возможностей. Одно из ограничений возникающее при этом состоит в том, что охлаждение двигателя может быть недостаточным и, следовательно, двигатель может оказаться неспособным потреблять такие же токи и соответственно создавать момент, как при больших скоростях.
Дополнительное преимущество подключения двигателя к источнику изменяемой частоты состоит в том, что всегда есть возможность уменьшить частоту таким образом, чтобы вывести двигатель в генераторный режим и обеспечить торможение с рекуперацией энергии в инвертор. Т.е. пока инвертор способен поглощать энергию от двигателя и исполнительного механизма есть возможность полного управления процессом торможения.
Напряжение
Как и во всех индуктивных элементах электрических цепей, в обмотке статора асинхронного двигателя индуцируется напряжение (благодаря потоку в магнитопроводе), которое приблизительно равно по величине и противоположно по направлению прикладываемому напряжению. Токи протекают по обмотке благодаря разнице между прикладываемым и индуцируемым напряжением, ограниченные только сопротивлением обмотки. Таким образом, обмотка статора подчиняется обычным законам магнитных цепей, в соответствии с которыми индуцируемое напряжение пропорционально:
поток частота число витков
и, следовательно, если необходимо сохранить оптимальное и постоянное значение потока, напряжение необходимо изменять пропорционально частоте.
Тем не менее, как было сказано выше, это не всегда необходимо. Уровень напряжения, а, следовательно, поток могут быть легко изменены, при необходимости. Увеличение потока приведет к созданию большего момента, а единственным ограничением на увеличение потока являются большие потери в железе и больший ток намагничивания.
На первый взгляд, уменьшение потока уменьшением напряжения может быть полезным, но эффективно это используется лишь в двух целях.
Если значительные периоды времени двигатель эксплуатируется с незначительной нагрузкой, потери в железе можно значительно уменьшить, снизив поток. Наиболее частый случай, допускающий снижения потока, встречается при необходимости обеспечения высоких скоростей без увеличения напряжения выше номинального (чтобы не допустить пробоя изоляции). Эксплуатация двигателя на частотах, превышающих номинальную на 50%, может свободно достигаться при снижении потока.
Уменьшение подаваемого напряжения и потока также используется, как средство защиты двигателя. Если по какой-либо причине в двигателе протекают недопустимо высокие токи (например, при блокировке вала двигателя), то, благодаря возможности снижения напряжения, их можно избежать.
На рис.3 показаны основные зависимости, связанные с изменением потока. Из-за насыщения ток намагничивания должен увеличиваться на больший коэффициент, чем увеличивается поток. Создаваемый момент будет увеличиваться пропорционально потоку, если моментная составляющая тока поддерживается постоянной.
Рис. 3. Зависимости
потока
Ток.
Момент, развиваемый асинхронным двигателем, является результатом взаимодействия потока в воздушном зазоре и токов в проводниках ротора. При работе в зоне, близкой к синхронной скорости с низкими значениями скольжения значение коэффициента мощности велико и генерируемый момент практически пропорционален протекающему току. Поэтому управление током ротора обеспечивает прямое управление моментом двигателя при низких уровнях скольжения.
Ток статора содержит составляющую, эквивалентную току ротора, зависящую от коэффициента трансформации между ротором и статором, но он также содержит магнитную составляющую, вызывающую МДС и, следовательно, поток в магнитопроводе. Примем допущение, что скорость вращения ротора и токи, протекающие в нем, не влияют на магнитопровод и, следовательно, логично предположить, что требуемый ток намагничивания двигателя почти не зависит от скорости вращения, т.е. МДС, требуемая для создания номинального потока, одинакова, при какой бы скорости двигатель не вращался.
Тем не менее, действующее сопротивление магнитной цепи изменяется с изменением прикладываемой частоты и, как было сказано выше, если необходимо поддерживать постоянный ток намагничивания и поток, то необходимо изменять напряжение пропорционально частоте.
Поэтому, в общем случае, управление током асинхронного двигателя позволяет управлять уровнем создаваемого момента, пока сохраняется низкий уровень скольжения.