Регулювання частоти обертання

Частота обертання ротора асинхронного двигуна визначається виразом

n₂=60f₁(1-s)/p,

з якого випливає, що частоту обертання асинхронних двигунів можна регулювати зміною будь-якої з трьох величин: ковзання, частоти струму в статорі або кількості пар полюсів в обмотці статора.

Регулювання частоти обертання зміною ковзання можливе трьома способами: зміною величини підведеної до обмотки статора напруги U₁, порушенням симетрії цієї напруги і зміною активного опору кола ротора.

Регулювання частоти обертання зміною величини напруги U. Можливість цього способа регулювання підтверд-жується графіками М=f(s), побудованими для різних значень U₁ (рис. 1.1.26): При незмінному навантаженні на двигун М_с=const збільшення U₁ викликає підвищення частоти обертання. Але діапазон регулювання частоти обертання виходить невеликим, що пояснюється вузькою зоною стійкої роботи двигуна, обмеженої критичним ковзанням і недопустимістю значного відхилення U₁ від номінального значення. Останнє обумовлене тим, що при U₁<U_1ном знижується навантажувальна властивість двигуна М_max/М_ном, а при U₁>U_1ном виникає небезпека перегріва двигуна, викликаного збільшенням електричних і магнітних втрат.

Регулювання частоти обертання порушенням симетрії підведеної напруги. При порушенні симетрії трифазної системи напруг обертове поле статора стає еліптичним. При цьому воно приймає зворотню складову, яка створює момент, напрямлений зустрічне електромагнітному моменту двигуна, що веде до зменшення результуючого моменту.

Механічні характеристики двигуна при цьому способі регулювання розташовуються в зоні між характеристикою при симетричному трифазному живленні двигуна (рис. 1.1.27,а, крива 1) і характеристикою при однофазному живленні (крива 2) – межою несиметрії трифазної напруги.

Регулювання несиметрії можна здійснити наявністю однофазного регулюючого автотрансформатора АТ (рис. 1.1.27,б). При зменшенні напруги на виході АТ несиметрія напруги збільшується, а частота обертання ротора зменшується.

Недоліки цього метода – вузька зона регулювання (s_mins_max на рис.1.1.27,а) і погіршення ККД двигуна по мірі збільшення несиметрії напруги.

Регулювання частоти обертання зміною активного опору в колі ротора. Цей спосіб можливий лише в асинхронних двигунах з фазним ротором.

Кінці фаз обмотки ротора у цих двигунах через контактні кільця і щітки виведені ззовні, що дає можливість ввімкнути послідовно з обмоткою ротора регулюючий реостат R_дод і з його допомогою змінювати активний опір кола ротора (див. рис.1.1.6,б).

Механічні характеристики асинхронного двигуна, побудовані для різних значень активного опору кола ротора, показують, що з підвищенням активного опору підвищується ковзання, що відповідає заданому навантажувальному моменту опору М_с (рис.1.1.28). Частота обертання при цьому зменшується.

Залежність ковзання (частоти обертання) від активного опору кола ротора виражається формулою, отриманої перетворенням (1.1.44) і введенням величини R_дод:

. (1.1.53)

Даний спосіб регулювання має два істотних недоліки: 1) використання його обмежене лише двигунами з фазним ротором, які майже не використовуються в автоматиці; 2) він супроводжується значними електричними втратами в колі ротора I₂²(r₂^’+R_дод), величина яких пропорційна ковзанню. Крім того, підвищення втрат в колі ротора при зменшенні частоти обертання у двигунів з самовентиляцією супроводжується погіршенням умов охолодження, так як з пониженням частоти обертання зменшується кількість охолоджуючого повітря, який проганяється вентилятором через двигун.

Але недивлячись на вказані недоліки, розглянений спосіб регулювання має істотні переваги – плавність регулювання в широкому діапазоні частот обертання і покращення пускових властивостей двиїуна (М_пускІІ>М_пускІ, І_пускІІ>I_пускІ).

Регулювання частоти обертання зміною частоти струму (частотне регулювання). Цей спосіб регулювання полягає на зміні синхронної частоти обертання, величина якої пропорційна частоті струму в обмотці статора (n₁≡f₁). Для здійснення такого регулювання необхідне джерело живлення двигуна з регулюючою частотою струму f₁. В якості джерела можуть використовуватися електромашинні і напівпровідникові перетворювачі частоти.

Необхідно мати на увазі, що з зміною f₁ змінюється і максимальний момент двигуна. Тому для зберігання перевантажувальної властивості, коефіцієнта потужності і ККД двигуна на необхідному рівні необхідно одночасно з зміною f₁ змінювати і напругу живлення U₁.

Характер одночасної зміни f₁ і U₁ визначається рівнянням

, (1.1.54)

де U₁ і М – напруга і електромагнітний момент при частоті f₁; U₁^’ і М ^’ – напруга і момент при частоті f₁^’.

Якщо регулювання частоти обертання двигуна відбувається при умові постійності навантажувального моменту (М=М^’=const), то підведену напругу необхідно змінювати пропорційно зміні частоти струму:

(1.1.55)

Частотне регулювання дозволяє плавно змінювати частоту обертання двигунів в широкому діапазоні (до 12:1). Але джерела живлення з регулюючою частотою струму дещо збільшують вартість установки, що іноді являється причиною, яка обмежує використання цього способа регулювання частоти обертання. Тому частотне регулювання до недавнього часу обмежувалося використанням для одночасного регулювання групи двигунів, що працюють в однакових умовах (наприклад, рольгангові двигуни).

За останні роки завдяки розвитку силової напівпровідникової техніки створені пристрої частотного управління, техніко-економічні показники яких дозволяють використовувати їх для індивідуального регулювання асинхронними двигунами. Використання асинхронних двигунів, укомплектованих такими пристроями, досить перспективне, особливо в пожаро – та вибухонебезпечних середовищах, де колекторні двигуни неможна використати через наявність щіточного контакту.

Регулювання частоти обертання зміною кількості полюсів обмотки статора. Цей спосіб регулювання дає стуїгінчату зміну частоти обертання. Він може відбуватися двома шляхами, але тільки в двигунах з короткозамкненим ротором.

Перший спосіб полягає в тому, що в пази вкладають дві електричко не пов’язані обмотки з різною кількістю пар полюсів, наприклад, обмотка з р=1 (n₁=3000 об/хв) і обмотка з р=2 (n₁=1500 об/хв). Вмикаючи в мережу різні обмотки, змінюють і частоту обертання двигуна.

Другий спосіб передбачає розміщення на статорі однієї обмотки, схема якої дозволяє шляхом перемикань змінювати число пар полюсів (рис. 1.1.29).

Використання двох обмоток статора з різним числом полюсів збільшує масу і габарити машини, а також приводить до неповного використання двигуна при будь-якій частоті обертання. Тому частіше всього використовують однообмоточні багатошвидкісні двигуни з однією полюсно-перемикаючою обмоткою, що допускає отримання до чотирьох різних чисел полюсів, наприклад вісім, шість, чотири, два. При частоті струму 50 Гц в такому двигуні можливе отримання чотирьох синхронних частот обертання: 750, 1000, 1500 і 3000 об/хв.

Васюра А.С. – книга “Електромашинні елементи та пристрої систем управління і автоматики” частина 2