Частота обертання асинхронного двигуна
З формули (5.62) слід три принципово можли них методу регулювання асинхронних двигунів: измене- ня частоти f (частотне регулювання), числа полюсів 2р і ковзання s. Ковзання s зазвичай змінюють шляхом зміни втрат в ланцюзі ротора за допомогою реостата, але в деяких випадках для цього змінюють величину пита ющего напруги.
Частотне регулювання. Цей спосіб регулювання частоти обертання дозволяє застосовувати найбільш надійні і дешеві асинхронні двигуни з короткозамкненим ротором. Однак для зміни частоти живлячої на- напруги потрібна наявність джерела електричного струму змінної частоти. В якості останнього використовують або синхронні генератори із змінною частотою враще- ня, або перетворювачі частоти - електромашинні або статичні, виконані на керованих полупроводні- кових вентилях (транзисторах або тиристорах).
В даний час статичні перетворювачі частоти мають досить складну схему і порівняно високу вартість. Однак швидкий розвиток силової полупроводні- ковой техніки дозволяє сподіватися на подальше здійснений- ствование перетворювачів частоти, що відкриває пер- спективи для широкого застосування частотного регули- вання.
Для отримання необхідної характеристики двигуна на- дме змінювати не тільки частоту живильної мережі, а й значення напруги. Вони повинні мати певну залежність, при якій забезпечується стійка робота двигуна, не відбувається надмірного навантаження його по току і магнітного потоку і т. П. Обраний закон управління необхідно реалізувати за допомогою досить простого і надійного автоматичного пристрою.
Розглянемо найбільш поширені закони управле- ня, що застосовуються при частотному регулюванні.
Закон Костенко - характеристики асинхронного дви- гатель при частотах напруги живлення, відмінних від номінальної, залежать від співвідношення між напругою мережі U 1 і частотою f 1.
Залежність максимального моменту від напруги і частоти виражається формулою (5.48). Підставляючи в неї значення ω1 = 2π f1 / p. при С1 = 1 отримаємо
або, нехтуючи значенням R1 в знаменнику, маємо
де С постійна.
З (5.63а) слід, що при зміні частоти f1 змінюється максимальний момент, т. Е. Ставлення максимальному моменту Мmax до моменту навантаження Мн.
Для стійкості роботи двигуна необхідно забезпечити достатню перевантажувальну здатність Mmax / Mном ≥1,7. 2. Отже, при частотному регулюванні має бути забезпечено умова
де індекси «1» і «2» відносяться до різних частотах пита ющего напруги, т. е. до різних частотах обертання.
Так як згідно (5.63 а)
то отримуємо основний закон частотного регулювання:
При постійному значенні моменту навантаження МН1 = МН2 = const рівняння (5.65) приймає вид
т. е. напругу живлення слід змінювати прямо пропор-нальних його частоті. При цьому потужність двигуна збільшується прямо пропорційно зростанню частоти обертання.
Якщо потрібно підтримувати режим постійної мощнос-ти електро-двигуна Ρ2 = Μ2 Ω2 = const. то, так як частота обертання пропорційна частоті f1, отримаємо умову
або з урахуванням (5.65)
Виведені співвідношення є наближеними, оскільки не враховують активного опору обмотки статора R1 входить в формулу (5.63). Вплив цього сопротів- лення можна встановити за спрощеною круговій діаграмі (рис. 5.35), діаметр якої за умови U1 / fl = const оста- ється незмінним. В цьому випадку при номінальній частоті f1ном лінія моментів ВІД утворює з діаметром кола кут γ ном. тангенс якого
При зниженій частоті
і лінія моментів ВІД 'проходить значно вище, що зменшує максимальний момент (відрізок). Уве- личение частоти понад f1ном мало впливає на максимальний момент, так як кут γ ном звичайно малий.
Мал. 5.35. Спрощена кругова діаграма при регулюванні за умовою U1 / f1 = const для різних значень частоти f1
На рис. 5.36 зображено залежність електромагнітного моменту в відносних одиницях М / Мном від частоти ротора f2 при різних значен нях частоти яке живить напря- вання f 1, побудовані для асинхронний Хроні двигуна потужно- стю 100 кВт при законі регули- вання U1 / f1 = const. У двига-тельном режимі максимальний момент істотно знижується при зменшенні частоти через зростаючого впливу падіння напруги в активному опору-тивления статора Ι 1R 1. що при- водить до зменшення ЕРС Е1 і магнітного потоку двигуна. У генераторному режимі макси- мальний момент зі зниженням частоти зростає, що пояснюється зворотним впливом падіння напруги Il R 1 (див. Відрізок А'r Е 'на рис. 5.35). При цьому магнітний потік двигуна збільшується. Такі характеристики в генератор- ном режимі небажані, так як при малих частотах різко зростає електромагнітний момент, що може викликати поломку вала машини.
Закон управління при сталості магнітного потоку дозволяє отримати більш сприятливі характеристики двигуна, так як при цьому з формули (5.29) випливає, що електромагнітний момент асинхронного двигуна при заданій частоті f2 струму в роторі пропорціо- нален квадрату магнітного потоку:
Тому для підтримки максимального моменту неіз-менним потрібно мати постійний магнітний потік, т. Е. При регулюванні частоти f1 повинна дотримуватися умова Е1 / f1 = const. У цьому випадку значення моменту визначається тільки частотою ротора f2 і однаково в руховому і в гальмівному режимах (рис. 5.37, а).
Для забезпечення постійного магнітного потоку маю-ний напруга U 1 має змінюватися так, щоб вико- лось умова
Але так як ЕРС E1 й реактивний опір Χ1 пропорційні частоті f1. а активний опір R1 від частоти не залежить, то напруги-ня Ul має змінюватися за законом
де а і b - постійні.
На рис. 5.37, б показані графіки зміни напруги U 1 від частоти f1. необхідні для забезпечення зазначеного закону регулювання при заданих значеннях частоти ротора f2. т. е. електромагнітного моменту. Отримати таку залежність в електромашинних перетворювачах частоти і синхронних генераторах зі змінною частотою обертання досить важко, так як в них ЕРС пропорційна частоті. Більш гнучким є регулювання напруги в статічес- ких перетворювачах частоти, які мають також більш високий ККД і меншу масу.
Регулювання шляхом зміни числа полюсів. Таке регу- лювання дозволяє отримати ступеневу зміна часто- ти обертання. На рис. 5.38 показана найпростіша схема (для однієї фази), що дозволяє змінювати
регулюванні за умовою Фт = const
однієї фази), що дозволяє змінювати число полюсів обмотки статора в 2 рази. Для цього кожну фазу обмотки статора поділяють на дві частини, які перемикають з послідовного з'єднання на паралельне. З рис. 5.38 видно, що при включенні котушок 1 -2 і 3-4В дві паралельні ветшлісло полюсів зменшується в 2 рази, а отже, частота обертання магнітного поля збіль-личивается в 2 рази.
Мал. 5.38. Схема перемикання однієї
фази обмотки статора для зміни
числа полюсів при 2 p = 4 (а) і 2 p = 2
При перемиканні число послідовно включених витків в кожній фазі розумі-ньшается вдвічі, але так як частота обертання возраста- ет в 2 рази, ЕРС, індуці- рова в фазі, залишається незмінною. Отже, двигун при обох часто- тах обертання може бути підключений до мережі з один- акова напругою. Щось б не здійснювати пере- дання в обмотці рото ра, останню виконують короткозамкненою. Якщо потрібно мати три або че- тире частоти обертання, то на статорі розташовують ще одну обмотку, при переклю-ченіі якої можна по-лучити додатково дві частоти. Асинхронні двигуни з перемиканням числа полюсів називають багатошвидкісними.
Мал. 5.39. Принципові схеми з'єднання обмотки ста- тора
з перемиканням числа полюсів (а - г) щодо
2: 1 і механічні характеристики двигунів при такому
перемиканні (д, е)
На рис. 5.39 показані найбільш часто вживані схеми з'єднань обмотки статора з перемиканням числа полюсів відносно 2: 1. Схеми, наведені на рис. 5.39, a. б, забезпечують перемикання при постійному моменті, а схеми, наведені на рис. 5.39, в, г, - при приблизно постійної потужності.
Механічні характеристики двигуна при переключе- ванні полюсів двома розглянутими методами наведені на рис. 5.39, д. Криві 1 і 2 - при постійному моменті, криві 3 і 4 - при постійній потужності.
Як видно з схем (рис. 5.39), при переході від меншої частоти обертання до більшої змінюється напрямок струму в половині полуобмоток фаз статора. Щоб напрямок обертання поля при цьому осталость незмінним, необхідно також переключити кінці двох фаз обмотки (наприклад, фази В і С).
Багатошвидкісні двигуни мають такі недоліки: великі габарити і масу в порівнянні з двигунами нормального виконання, а отже, і більшу стои- мість. Крім того, регулювання здійснюється великими ступенями; при частоті f1 = 50 Гц частота обертання поля п1 при перемиканні змінюється в співвідношенні 3000: 1500: 1000: 750.
Мал. 5.40. Зміна форми механічної характеристики при
регулюванні частоти обертання за допомогою додаткового
Регулювання шляхом включення реостата в ланцюг ротора. При включенні в ланцюг ротора додаткових активних опору-тивления Rдоб1. Rдоб2. Rдоб3 і інших змінюється форма залежності M = f (s) і механічної характеристики n2 = f (M) двигуна (рис. 5.40, а). При цьому деякого моменту навантаження Мн відповідають ковзання sl, s2, s3. більші, ніж ковзання se при роботі двигуна на природній характеристиці (при Rдоб = 0). Отже, що встановилася частота обертання двигуна зменшується (рис. 5.40, б).
Мал. 5.41. Схеми живлення двигуна від
регулятора напруги тиристорного (а)
і на магнітних підсилювачах (б)
Цей метод регулювання може бути використаний толь до для двигунів з фазним ротором. Він дозволяє плавно змінювати частоту обертання в широких межах. Недостатка- ми його є: а) великі втрати енергії в регуліровоч- ном реостате; б) надмірно «м'яка» механічна характе- ристика двигуна при великому опорі в ланцюзі рото-ра. У деяких випадках останнє є неприпустимим, так як невеликої зміни моменту навантаження відповідає істотний ное зміна частоти обертання.
Регулювання шляхом зміни яке живить на- напруги. Цей спосіб можна здійснити по засобом тиристорного регулятора напруги РН (рис. 5.41, а), в ка- ждой фазі якого включено по два тірі- стору. При зміні уг- ла регулювання тірі- сторі змінюється дейст вующее значення напруги, що подається на асинхронний двигун АД. Якщо вхід блоку управління тиристорами зв'язати системою зворотного зв'язку з датчиком частоти обертання двигуна, то регулятор буде підтримувати незмінною частоту обертання.
Як регулятори напруги РН можна також застосувати магнітні підсилювачі МУ1. МУ4 (рис. 5.41, б), за допомогою яких регулюють напругу, що подається до двох фаз двигуна.
Мал. 5.42. Зміна фор-ми механічної харак-теристики при регуліро- вання частоти обертання шляхом зміни пита ющего напруги
Мал. 5.43. Схеми включення двигуна
при зміні напрямку обертання (а, б)
При регулюванні напруги живлення U 1 змінюється форма механічної характеристики двигуна (рис. 5.42), що при постійному нагрузочном моменті Мн призводить до зміни ковзання і частоти обертання. Практичне значення для регулювання має зменшення напруги, так як істотне його збільшення призводить до неприпусти мому зростанню струму холостого ходу.
Для двигунів нормального виконання таке регулиро-вання застосовується, так як при зменшенні напруги живлення різко зменшується максимальний момент Мтах (див. Рис. 5.42, криві 1. 2 і 3). Критичне ковзання, що визначає зону стійкої роботи двигуна, залишається при цьому незмінним: s кр = 0, l. 0,2. Принципово рассма- тріваемий метод можна було б використовувати для регулюються-вання двигунів з великим активним опором ротора, так як в цьому випадку ковзання s 'різко зростає і максимум моменту зсувається в зону, близьку до s = 1 (криві 1'. 2 'і 3 '), і навіть в область, де s> 1. Однак це веде до значного збільшення втрат потужності і зниження ККД, тому такий метод регу-воджується частоти обертання можна застосовувати тільки в мікродвигуна, для яких ККД не має вирішального значення.
Зміна напрямку обертання. Для зміни направ- лення обертання ротора електродвигуна треба змінити напрямок обертання магнітного поля. Як випливає з § 4.4, для цього необхідно змінити порядок чергування струму в фазах обмоток статора. У трифазних машинах це здійснюється шляхом перемикання двох будь-яких проводів, що підводять струм з трифазної мережі до фаз цієї обмотки (рис. 5.43, а, б).