Регулирование скорости асинхронного двигателя

Содержание:

1. Способы регулирования асинхронного двигателя…………………………………3

2. Частотное регулирование асинхронных электроприводов………………………..6

3. Регулирование скорости, тока и момента с помощью резисторов в цепях ротора и статора…………………………………………………………………………………8

4. Регулирование скорости АД изменением числа пар полюсов…………………...12 
1. Способы регулирования асинхронного двигателя

   Асинхронный двигатель является наиболее массовым электрическим двигателем. Эти двигатели  выпускаются мощностью от 0,1 кВт  до нескольких тысяч киловатт и находят применение во всех отраслях хозяйства. Основным достоинством асинхронного двигателя является простота его конструкции и невысокая стоимость. Однако по принципу своего действия асинхронный двигатель в обычной схеме включения не допускает регулирования скорости его вращения. Особое внимание следует обратить на то, что во избежание значительных потерь энергии, а, следовательно, для короткозамкнутых асинхронных двигателей во избежание перегрева его ротора, двигатель должен работать в длительном режиме с минимальными значениями скольжения.

   Рассмотрим  возможные способы регулирования  скорости асинхронных двигателей (см. рис.1). Скорость двигателя определяется двумя параметрами: скоростью вращения электромагнитного поля статора ω₀ и скольжением s:

   Исходя  из (1) принципиально возможны два способа регулирования скорости: регулирование скорости вращения поля статора и регулирование скольжения при постоянной величине ω₀.

   Скорость  вращения поля статора определяется двумя параметрами (см.3.3): частотой напряжения, подводимого к обмоткам статора f₁, и числом пар полюсов двигателя р_п. В соответствии с этим возможны два способа регулирования скорости: изменение частоты питающего напряжения посредством преобразователей частоты, включаемых в цепь статора двигателя (частотное регулирование), и путем изменения числа пар полюсов двигателя.

   Регулирование скольжения двигателя при постоянной скорости вращения поля статора для  короткозамкнутых асинхронных двигателей возможно путем изменения величины напряжения статора при постоянной частоте этого напряжения. Для асинхронных двигателей с фазным ротором, кроме того, возможны еще два способа: введение в цепь ротора добавочных сопротивлений (реостатное регулирование) и введение в цепь ротора добавочной регулируемой э.д.с. посредством преобразователей частоты, включаемых в цепь ротора (асинхронный вентильный каскад и двигатель двойного питания).

   В настоящее время благодаря развитию силовой преобразовательной техники  созданы и серийно выпускаются  различные виды полупроводниковых  преобразователей частоты, что определило опережающее развитие и широкое применение частотно-регулируемого асинхронного электропривода. Основными достоинствами этой системы регулируемого электропривода являются:

   - плавность регулирования и высокая  жесткость механических характеристик,  что позволяет регулировать скорость в широком диапазоне;

   - экономичность регулирования, определяемая  тем, что двигатель работает  с малыми величинами абсолютного  скольжения, и потери в двигателе  не превышают номинальных. 

   Недостатками  частотного регулирования являются сложность и высокая стоимость (особенно для приводов большой мощности) преобразователей частоты и сложность реализации в большинстве схем режима рекуперативного торможения.

   Подробно  принципы и схемы частотного регулирования  скорости асинхронного двигателя рассмотрены ниже.

   Изменение скорости переключением числа пар  полюсов асинхронного двигателя  позволяет получать несколько (от 2 до 4) значений рабочих скоростей, т.е. плавное регулирование скорости и формирование переходных процессов  при этом способе невозможно.

       Поэтому данный способ имеет определенные области применения, но не может рассматриваться, как основа для построения систем регулируемого электропривода.

2. Частотное регулирование  асинхронных электроприводов

    Принципиальная  возможность регулирования угловой скорости асинхронного двигателя изменением частоты питающего напряжения вытекает из формулы ω = 2πf₁ (1 - s)/p. При регулировании частоты также возникает необходимость регулирования амплитуды напряжения источника, что следует из выражения U₁ ≈ Е₁ = kФf₁. Если при неизменном напряжении изменять частоту, то поток будет изменяться обратно пропорционально частоте. Так, при уменьшении частоты поток возрастет, и это приведет к насыщению стали машины и как следствие к резкому увеличению тока и превышению температуры двигателя; при увеличении частоты поток будет уменьшаться и как следствие будет уменьшаться допустимый момент.

    Для наилучшего использования асинхронного двигателя при регулировании  угловой скорости изменением частоты  необходимо регулировать напряжение одновременно в функции частоты и нагрузки, что реализуемо только в замкнутых системах электропривода. В разомкнутых системах напряжение регулируется лишь в функции частоты по некоторому закону, зависящему от вида нагрузки.

Частотное регулирование угловой скорости электроприводов переменного тока с двигателями с короткозамкнутым ротором находит все большее применение в различных отраслях техники. Например, в установках текстильной промышленности, где с помощью одного преобразователя частоты, питающего группу асинхронных двигателей, находящихся в одинаковых условиях, плавно и одновременно регулируются их угловые скорости. Примером другой установки с частотно-регулируемыми асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором могут служить транспортные рольганги в металлургической промышленности, некоторые конвейеры и др.

    Частотное регулирование угловой скорости асинхронных двигателей широко применяется  в индивидуальных установках, когда  требуется получение весьма высоких  угловых скоростей (для привода электрошпинделей в металлорежущих станках с частотой вращения до 20 000 об/мин).

    Экономические выгоды частотного регулирования особенно существенны для приводов, работающих в повторно-кратковременном режиме, где имеет место частое изменение направления вращения с интенсивным торможением.

    Для осуществления частотного регулирования  угловой скорости находят применение преобразователи, на выходе которых  по требуемому соотношению или независимо меняется как частота, так и амплитуда  напряжения. Преобразователи частоты можно разделить на электромашинные и вентильные. В свою очередь электромашинные преобразователи могут быть выполнены с промежуточным звеном постоянного тока и непосредственной связью. В последних используют коллекторную машину переменного тока, на вход которой подают переменное напряжение с постоянной частотой и амплитудой, а на выходе ее получают напряжение с регулируемой частотой и амплитудой. Электромашинные преобразователи с непосредственной связью практического применения не получили.  
 
 
 
 
 
 
 

    3. Регулирование скорости, тока и момента с помощью резисторов в цепях ротора и статора

    Один  из распространенных способов регулирования  скорости, тока и момента АД с  фазным ротором связан с введением  и изменением дополнительных резисторов в цепи его ротора. Схема, в которой реализуется этот способ регулирования, приведена на рис. 4.7, а. Основным достоинством этого способа является простота реализации, что определило его широкое применение в ряде электроприводов.

    Для построения семейства получаемых при этом способе искусственных механических характеристик проведем анализ их характерных точек. С помощью выражения для скорости идеального холостого хода ω0 = ρf1/p отмечаем следующее:

    1) скорость идеального холостого  хода АД ω₀ при регулировании R_д2 не изменяется;

    2) максимальный (критический) момент  двигателя Мк также остается  неизменным;

    3) критическое скольжение Sк увеличивается  при увеличении R_2д.

    Использование этих характеристик для регулирования  скорости АД характеризуется такими же показателями, что и для ДПТ независимого возбуждения. Диапазон регулирования скорости небольшой — около 2 — 3, что определяется снижением жесткости характеристик и ростом потерь по мере увеличения диапазона регулирования скорости.

    Плавность регулирования при реостатном регулировании небольшая и определяется плавностью изменения дополнительного резистора R2д. Скорость АД изменяется только вниз от основной.

    Экономичность способа определяется стоимостью используемых средств регулирования и расходами  при эксплуатации электропривода. Затраты, связанные с созданием данной системы электропривода, невелики, так как для регулирования обычно используются простые и дешевые ящики металлических резисторов. В то же время при эксплуатации этой системы затраты велики, поскольку значительны потери энергии.

    Электрические потери в роторной цепи ΔР2, называемые потерями скольжения. Чем больше скольжение s, тем больше потери в роторной цепи, поэтому реализация большого диапазона  регулирования скорости приводит к  значительным потерям энергии и снижению КПД электропривода.

    Регулирование скорости этим способом применяется  в тех случаях, когда требуется  небольшой диапазон регулирования  скорости и работа на пониженных скоростях  непродолжительна. Например, этот способ нашел широкое применение в электроприводе ряда подъемно-транспортных машин и механизмов.

    Рассматриваемый способ также используется для регулирования  тока и момента АД при его пуске.

    Если  обратиться к характеристикам двигателя, то можно отметить, что за счет подбора сопротивления резистора пусковой момент АД может быть увеличен вплоть до значения критического момента Мк. Это свойство АД используется при его пуске с моментом нагрузки, превышающим пусковой момент АД Мп на естественной характеристике.