4.5. Регулирование частоты и направления вращения асинхронных двигателей

Регулирование изменения частоты вращения двигателя осуществляется эксплуатирующим персоналом. При этом предполагается, что механическая ха­ рактеристика нагрузки при регулировании остается прежней.

На основании вычисления частоты вращения асинхронного двигателя

(4.23)

можно предложить три принципиально возможных метода регулирования асинхронных двигателей: изменение частоты f (частотное регулирование), числа полюсов 2р и скольжения S . Скольжение S обычно изменяют с помо­ щью реостата, включенного в цепь ротора, но в некоторых случаях для этого изменяют величину питающего напряжения.

Все указанные способы регулирования частоты вращения находят практическое применение.

Рассмотрим их подробнее.

4.5.1. Частотное регулирование

Частотное регулирование частоты вращения позволяет применять наибо­ лее надежные и дешевые асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором и является одним из самых перспективных и широко используемых в настоя­ щее время.

Изменяя частоту питающего двигатель напряжения, можно регулировать частоту его вращения, получая тем самым различные искусственные характе­ ристики, обладающие высокой жесткостью. Этот способ обеспечивает плавное регулиров;ание в широком диапазоне, к тому же отличается и еще одним важ­ ным свойством: при регулировании частоты вращения асинхронного двигателя не происходит увеличения его скольжения и потери скольжения оказываются небольшими, что делает данный способ весьма экономичным. Для лучшего ис­ пользования электродвигателя и получения высоких энергетических показате­ лей его работы (коэффициентов мощности и полезного действия, перегрузоч­ ной способности) частоту питающего напряжения и его значение необходимо изменять одновременно.

В 1925 г. профессор Н.П. Костенко произвел обобщение вопроса частотно­ го регулирования и установил единый закон, связывающий между собой регу­ лируемые напряжения и частоту для различных законов изменения нагрузки на валу двигателя:

(4.24)

При постоянном значении нагрузочного MHi=M„2=const уравнение (4.23)

принимает вид

т.е. питающее напряжение следует изменять прямо пропорционально его часто­ те. При этом мощность двигателя увеличивается прямо пропорционально воз­ растанию частоты вращения. Для поддержания режима постоянной мощности

Рис. 4.19. Механические характеристики асинхронного двигателя

при различных значениях частоты

Недостатком частотного регулирования является громоздкость и высокая стоимость источника питания.

4.5.2.Регулирование путем изменения числа полюсов

Среди производственных механизмов, требующих изменения скорости движения рабочего органа, имеются такие, у которых это изменение может происходить не плавно, а ступенчато. Это большинство грузовых и пассажир­ ских”лифтов, где для достижения требуемой точности остановки кабины произ­ водится предварительное снижение скорости ее движения. В механизмах подач многих металлорежущих станков регулирование скорости часто осуществляет­ ся путем ступенчатого изменения частоты вращения приводного электродвига-

теля. В этих случаях, а также в некоторых других в качестве приводных двига­ телей широко используются многоскоростные асинхронные электродвигатели, у которых регулирование частоты вращения производится путем изменения числа пар полюсов статорной обмотки. При этом становится другой частота вращения магнитного поля, создаваемого обмоткой статора, а следовательно, и частота вращения ротора двигателя.

На рис. 4.20 показана простейшая схема (для одной фазы), позволяющая изменять число полюсов обмотки статора в 2 раза.

Рис. 4.20. Схема переключения одной фазы обмотки статора для изменения числа полюсов при 2р = 4 (а) и 2р = 2(6)

Каждую фазу обмотки статора разделяют на две части, которые переклю­ чают с последовательного соединения на параллельное. Из рис. 4.20 видно, что при включении катушек 1-2 и 3-4 в две параллельные ветви число полюсов уменьшается в два раза, следовательно, частота вращения магнитного поля уве­ личивается в 2 раза.

При переключении число последовательно включенных витков в каждой фазе уменьшается вдвое, но, так как частота вращения возрастает в два раза, ЭДС, индуцированная в фазе, остается неизменной. Следовательно, двигатель при обеих частотах вращения может быть подключен к сети с одинаковым на­ пряжением. Чтобы не переключать обмотку ротора, его выполняют ко­ роткозамкнутым. Если нужно иметь три или четыре частоты вращения, то на статоре располагают еще одну обмотку, при переключении которой можно по­

лучить две дополнительные частоты. Асинхронные двигатели с переключением числа полюсов называют многоскоростными.

На рис. 4.21 показаны наиболее часто употребляемые схемы соединений обмотки статора с переключением числа полюсов в отношении 2:1. Схемы а, б обеспечивают переключение при постоянном моменте, а схемы в, г - при при­

близительно постоянной мощности. Механические характеристики двигателя при переключении полюсов двумя рассмотренными методами приведены на рис. 4.21, д, е; кривые 1 и 2 характеризуют постоянный момент; кривые 3 и 4 -

постоянную мощность.

Рис. 4.21. Принципиальные схемы переключения обмотки статора с переключением числа полюсов (а-г) в отношении 2:1 и механические характеристики двигателей при таком пере­

ключении (д, е)

Как видно из схем (рис. 4.21), при переходе от меньшей частоты вращения к большей изменяется направление тока в половине полуобмоток фаз статора. Чтобы направление вращения поля при этом осталось неизменным, необходимо также переключить концы двух фаз обмоток (например, фазы В и С).

Многоскбростные двигатели имеют следующие недостатки: большие габа­ риты и массу по сравнению с двигателями нормального исполнения, а следова­ тельно, и большую стоимость. Кроме того, регулирование здесь осуществляет­ ся большими ступенями: при частоте fj = 50Гц частота вращения поля П| при

переключении изменяется в соотношении 3000:1500:1000:750.

4.5.3.Регулирование путем включенияреостата в цепь ротора

Одним из наиболее простых способов регулирования частоты вращения асинхронных двигателей является реостатное регулирование, т.е. регулирова­ ние введением дополнительных активных сопротивлений в цепи обмоток дви­ гателей.

Принципиально реостатное регулирование может быть осуществлено вве­ дением активного сопротивления в статорные или роторные цепи. Однако практически для целей регулирования частоты вращения преимущественно применяется включение дополнительных сопротивлений роторной цепи по схеме, представленной на рис. 4.22.

Рис. 4.22. Включение дополнительных активных сопротивлений в цепи ротора асинхронного двигателя

Этот способ регулирования может быть применен для асинхронных двига­ телей с кантатными кольцами, к щеткам которых присоединяются зажимы от внешних активных дополнительных сопротивлений, введение которых в ротор­ ную цепь позволяет простым способом изменять частоту вращения двигателя в относительно широких пределах. Допустим, что асинхронный двигатель вра­ щается с частотой nj и преодолевает при этом постоянный статический момент М с. Введем дополнительное сопротивление в роторную цепь. При этом ток ро­ торной цепи уменьшится, что приведет к сокращению электромагнитного мо­ мента по сравнению со статическим, в результате чего начнет уменьшаться час­ тота вращения двигателя. Снижению частоты вращения соответствует увеличе­ ние скольжения S двигателя, а значит, увеличение ЭДС ротора, которая равна E2KS, где Е2к - ЭДС ротора при неподвижном двигателе. При увеличении ЭДС начнут расти ток ротора и электромагнитный момент

двигателя. Когда последний вновь станет равным статическому, изменение час­ тоты вращения прекратится и двигатель снова будет работать в установившем­ ся режиме с частотой вращения которая меньше nL.

Механические характеристики асинхронного двигателя, построенные для различных значений сопротивлений цепи ротора, показаны на рис. 4.23.

Рис. 4.23. Изменение формы механической характеристики при регулировании частота вращения с помощью добавочного активного сопротивления:

а-механические характеристики при различных б - изменение скорости вращения АД при изменении

Недостатками этого метода являются большие потери энергии в регулиро­ вочном реостате и чрезмерно "мягкая" механическая характеристика двигателей при большом сопротивлении в цепи ротора. В некоторых случаях последнее является недопустимым, т.к. небольшому изменению нагрузочного момента соответствует существенное изменение частоты вращения.

4.5.4. Регулирование путем изменения питающего напряжения

Возможность регулирования изменением питающего напряжения под­ тверждается графиками M=f(s), построенными для разных значений Uj

(рис. 4.24).

При неизменной нагрузке на валу двигателя увеличение напряжения вызы­ вает рост частоты вращения. Однако диапазон ее регулирования получается не­ большим, что объясняется узкой зоной устойчивой работы двигателя, ограни­ ченной значениями критического скольжения и незначительными изменениями величины питающего напряжения.

Последнее объясняется тем, что с превышением номинального напряжения возникает опасность чрезмерного перегрева двигателя, резко увеличивающего электрические и магнитные потери. В то же время с уменьшением напряжения U) двигатель утрачивает перегрузочную способность, которая, как известно, пропорциональна квадрату напряжения сети.