Регулирование частоты вращения асинхронного двигателя
Регулирование частоты вращения асинхронного двигателя определяется в соответствии с требованиями технологических процессов и тех производственных механизмов, в которых он используются. Оно характеризуется следующими основными показателями.
Диапазон регулирования Д (предел изменения частоты вращения). Под этой величиной понимается отношение максимальной частоты вращения двигателя nmах к его минимальной частоте вращения nmin:
Плавность регулирования, которая характеризуется минимальным скачком частоты вращения двигателя при переходе с одной механической характеристики на другую.
Направление возможного изменения частоты вращения двигателя (зона регулирования). При номинальных условиях работы (напряжении и частоте питающей сети) асинхронный двигатель имеет естественную механическую характеристику. При регулировании частоты вращения соответствующие им характеристики будут отличаться от естественной. Эти характеристики носят название искусственных (регулировочных) характеристик. С помощью одних методов регулирования удается получить искусственные характеристики, располагающиеся только ниже естественной. Другие методы обеспечивают регулирование частоты вращения асинхронного двигателя выше и ниже естественной характеристики.
Экономичность регулирования определяется по дополнительным капитальным затратам, необходимым при создании регулировочных устройств, а также по потерям электроэнергии при регулировании.
Следует отметить, что в ряде случаев, например для механизмов, работающих сравнительно малое время на искусственных характеристиках, потери электроэнергии даже при неэкономичных способах регулирования будут невелики (работа на низких доводочных скоростях лифтов, кранов и др.). При этом более рационально применение простых и дешевых способов регулирования частоты вращения двигателей, даже и неэкономичных с точки зрения потребления энергии.
Допустимая нагрузка двигателя при работе его на регулировочных характеристиках ограничивается величинами токов в статорной и роторных цепях. Эта нагрузка определяется допустимым нагревом двигателя и во многом определяется механическими характеристиками производственных механизмов, моментом сопротивления на валу, моментом инерции двигателя и механизма и т. д.
Регулирование частоты вращения асинхронного двигателя может производиться способом воздействия на него со стороны статора или со стороны ротора.
Чтобы рассмотреть возможные способы регулирования частоты вращения, сначала получим ее выражение. В соответствии с приведенными ранее формулами (3), (4) можно записать, что частота вращения ротора n, об/мин, равна:
где f1 — частота питающей сети, Гц; р — число пар полюсов двигателя; s — скольжение, отн. ед.
Из формулы (55) следует, что существуют три основных способа регулирования частоты вращения:
- изменением частоты f1 питающего двигатель напряжения;
- изменением числа пар полюсов р;
- изменением скольжения s.
Воздействие на асинхронный двигатель может осуществляться как со стороны статора, так и со стороны ротора. Все три способа нашли широкое применение на практике. Рассмотрим эти способы подробнее.
Электрические машины — Регулирование частоты вращения асинхронных двигателей
Асинхронные двигатели являются основой современного электропривода переменного тока. Эффективность работы этого электропривода во многом определяется возможностями регулирования частоты вращения.
Возможности асинхронных двигателей в отношении регулирования частоты вращения ротора определяются выражением
.
Из этого выражения следует, что частоту вращения можно регулировать тремя способами: путем изменения частоты , числа пар полюсов p и скольжения s. Рассмотрим каждый из этих способов подробнее.
Регулирование частоты вращения изменением частоты подводимого напряжения
Этот способ является в настоящее время наиболее перспективным. Изменение частоты осуществляется с помощью полупроводникового преобразователя частоты (рис. 4.28, а). Одновременно с изменением частоты регулируют и напряжение , так чтобы обеспечить постоянство магнитного потока . Из выражения, связывающего напряжение с потоком Ф,
,
следует, что напряжение необходимо регулировать пропорционально частоте
.
Отклонение от этого закона приводит к изменению потока Ф, что нежелательно. Действительно, при увеличении потока возрастает насыщение магнитной цепи, растут потери в стали и намагничивающий ток. Уменьшение потока вызывает уменьшение максимального момента двигателя и ряд других нежелательных явлений.
При механические характеристики двигателя имеют показанный на рис. 4.28, б вид. При снижении частоты пусковой момент двигателя возрастает, а максимальный несколько снижается. Рабочее скольжение двигателя остается небольшим, что характеризует экономичный режим работы двигателя. Однако стоимость этого способа регулирования частоты вращения двигателя весьма высока, так как преобразователь частоты должен быть выполнен на полную мощность двигателя.
Регулирование частоты вращения изменением числа пар полюсов
Этот способ регулирования в отличие от предыдущего позволяет осуществить изменение частоты вращения только ступенями. Он используется в таких механизмах, как воздуходувки, транспортеры, подъемники, лифты. Двигатели с переключением числа пар полюсов называют многоскоростными. Обычно многоскоростные асинхронные двигатели выполняются с двумя, тремя и четырьмя ступенями скоростей. Двухскоростные двигатели изготавливаются с одной обмоткой, если числа пар полюсов соответствуют следующему отношению:
.
Трех- и четырехскоростные двигатели выпускаются с двумя обмотками. В трехскоростных двигателях только одна обмотка выполняется с переключением числа пар полюсов , а в четырехскоростных обе обмотки выполняются как двухскоростные. Обмотка ротора многоскоростных двигателей выполняется короткозамкнутой. Для нее не требуется переключения схемы соединения, так как необходимое число пар полюсов обмотки ротора образуется автоматически полем статора.
Изменение числа полюсов осуществляется путем изменения схемы соединения секций обмотки статора. На рис. 4.29 показаны три варианта соединения секций.
Вариант «а» соответствует последовательному согласному включению секций, при этом образуется магнитное поле с полюсами. В варианте «б» вторая секция включается встречно-последовательно. Результирующее поле имеет полюса. Мощность обмотки остается неизменной, , а момент, развиваемый двигателем, снижается в два раза, . В варианте «в» вторая секция включается встречно-параллельно. Результирующее поле также будет иметь полюса, но мощность обмотки возрастает в два раза, а момент двигателя остается постоянным .
Таким образом, для изменения числа пар полюсов в отношении необходимо, чтобы каждая фаза обмотки состояла из двух одинаковых частей. Когда обе части обтекаются токами одинакового направления, число полюсов , при изменении направления тока в одной из них число полюсов уменьшается вдвое, . При переключении числа полюсов с на полюсное деление уменьшается в два раза, при этом величина фазной зоны трехфазной обмотки меняется с 60° на 120° (рис. 4.30).
Так как чередование фаз для обеих скоростей должно оставаться одинаковым, то кроме изменения направления токов в зонах необходимо поменять местами две фазы обмотки. При большем числе полюсов обмотка выполняется с диаметральным шагом . Тогда при меньшем числе полюсов .
Малый шаг приводит к ухудшению использования обмотки и, следовательно, к некоторому снижению технико-экономических показателей двигателя.
Многоскоростные двигатели проектируются для различных режимов работы. Наиболее часто встречаются режимы с постоянным моментом и с постоянной мощностью . Регулирование частоты вращения с постоянным моментом обеспечивается при переключении обмотки со звезды на схему двойной звезды (рис. 4.31).
При таком переключении в два раза возрастает потребляемый из сети ток, а следовательно, и мощность двигателя , момент же при этом не меняется.
Если до переключения обмотка статора была соединена в треугольник (рис. 4.32), то после переключения ее на двойную звезду мощность двигателя практически не изменится, а момент уменьшится в два раза из-за увеличения частоты вращения.
Регулирование частоты вращения изменением скольжения
Изменять скольжение асинхронного двигателя можно разными способами: изменением подводимого к статору напряжения, введением сопротивления в цепь ротора или введением в цепь ротора дополнительной ЭДС.
При изменении напряжения статора механическая характеристика двигателя изменяется, как показано на рис. 4.33. Снижение напряжения приводит к уменьшению жесткости механической характеристики и росту скольжения. При этом частота вращения ротора снижается,
.
Регулирование частоты вращения таким способом возможно в ограниченном диапазоне изменения скольжения
.
Основным недостатком этого способа регулирования частоты вращения является низкий КПД из-за роста потерь в обмотке ротора пропорционально частоте скольжения
.
Поэтому он применяется только для двигателей малой мощности, работающих в системах автоматического управления.
В двигателях с фазным ротором изменить частоту вращения можно путем изменения сопротивления в роторе (рис. 4.34).
Преимущество данного способа регулирования частоты состоит в том, что максимальный момент остается неизменным. Важно также отметить, что часть потерь двигателя выносится в резистор, тем самым облегчается тепловой режим двигателя. В остальном способ аналогичен предыдущему и характеризуется низким КПД., малым диапазоном регулирования, зависящим от нагрузки, и «мягкой» механической характеристикой.
Чтобы повысить КПД двигателя при регулировании частоты вращения путем изменения скольжения, необходимо мощность скольжения использовать для совершения полезной работы или возвратить обратно в сеть. Схемы, реализующие эту идею, называются каскадными. Одной из распространенных схем данного типа является схема асинхронно-вентильного каскада (рис. 4.35).
Схема включает асинхронный двигатель с фазным ротором (АД), диодный выпрямитель (Д), сглаживающий дроссель (Др), тиристорный инвертор (И) и сетевой согласующий трансформатор (Тр). Регулирование частоты вращения осуществляется посредством изменения напряжения инвертора. Это приводит к соответствующему изменению напряжения обмотки ротора, а следовательно, и частоты вращения ротора. Мощность частоты скольжения, извлекаемая из роторной обмотки двигателя, передается в сеть через согласующий трансформатор.
Достоинством каскадных схем регулирования частоты вращения асинхронных двигателей по сравнению с частотными схемами управления в статорной цепи (рис. 4.28) является то, что полупроводниковый преобразователь выполняется на мощность скольжения, а не на полную мощность двигателя. Это обстоятельство особенно важно для мощных и сверхмощных приводов насосов, прессов, конвейеров, подъемных механизмов и др., где требуется ограниченный диапазон регулирования частоты вращения (2:1 и менее).
Асинхронно-вентильный каскад с неуправляемым выпрямителем допускает регулирование только вниз от синхронной частоты вращения. Если использовать управляемый выпрямитель, то можно осуществить регулирование частоты вращения вверх от синхронной. В этом случае направление передачи мощности скольжения меняется на противоположное.
Регулирование скорости асинхронного двигателя
Наиболее распространены следующие способы регулирования скорости асинхронного двигателя : изменение дополнительного сопротивления цепи ротора, изменение напряжения, подводимого к обмотке статора, двигателя изменение частоты питающего напряжения, а также переключение числа пар полюсов.
Регулирование частоты вращения асинхронного двигателя путем введения резисторов в цепь ротора
Введение резисторов в цепь ротора приводит к увеличению потерь мощности и снижению частоты вращения ротора двигателя за счет увеличения скольжения, поскольку n = n о (1 — s).
Из рис. 1 следует, что при увеличении сопротивления в цепи ротора при том же моменте частота вращения вала двигателя уменьшается.
Жесткость механических характеристик значительно снижается с уменьшением частоты вращения, что ограничивает диапазон регулирования до (2 — 3) : 1. Недостатком этого способа являются значительные потери энергии, которые пропорциональны скольжению. Такое регулирование возможно только для двигателя с фазным ротором.
Регулирование частоты вращения асинхронного двигателя изменением напряжения на статоре
Изменение напряжения, подводимого к обмотке статора асинхронного двигателя , позволяет регулировать скорость с помощью относительно простых технических средств и схем управления. Для этого между сетью переменного тока со стандартным напряжением U 1ном и статором электродвигателя включается регулятор напряжения .
При регулировании частоты вращения асинхронного двигателя изменением напряжения, подводимого к обмотке статора, критический момент М кр асинхронного двигателя изменяется пропорционально квадрату подводимого к двигателю напряжения U рет (рис. 3 ), а скольжение от U рег не зависит.
Рис. 1. Механические характеристики асинхронного двигателя с фазным ротором при различных сопротивлениях резисторов, включенных в цепь ротора
Рис. 2. Схема регулирования скорости асинхронного двигателя путем изменения напряжения на статоре
Рис. 3. Механические характеристики асинхронного двигателя при изменении напряжения подводимого к обмоткам статора
Если момент сопротивления рабочей машины больше пускового момента электродвигателя (Мс > Мпуск), то двигатель не будет вращаться, поэтому необходимо запустить его при номинальном напряжении Uном или на холостом ходу.
Регулировать частоту вращения короткозамкнутых асинхронных двигателей таким способом можно только при вентиляторном характере нагрузки. Кроме того, должны использоваться специальные электродвигатели с повышенным скольжением. Диапазон регулирования небольшой, до n кр.
Для изменения напряжения применяют трехфазные автотрансформаторы и тиристорные регуляторы напряжения.
Рис. 4. Схема замкнутой системы регулирования скорости тиристорный регулятор напряжения — асинхронный двигатель (ТРН — АД)
Замкнутая схема управления асинхронным двигателем , выполненным по схеме тиристорный регулятор напряжения — электродвигатель позволяет регулировать скорость асинхронного двигателя с повышенным скольжением (такие двигатели применяются в вентиляционных установках).
Регулирование частоты вращения асинхронного двигателя изменением частоты питающего напряжения
Так как частота вращения магнитного поля статора n о = 60 f /р, то регулирование частоты вращения асинхронного двигателя можно производить изменением частоты питающего напряжения.
Принцип частотного метода регулирования скорости асинхронного двигателя заключается в том, что, изменяя частоту питающего напряжения, можно в соответствии с выражением при неизменном числе пар полюсов р изменять угловую скорость n о магнитного поля статора.
Этот способ обеспечивает плавное регулирование скорости в широком диапазоне, а механические характеристики обладают высокой жесткостью.
Для получения высоких энергетических показателей асинхронных двигателей (коэффициентов мощности, полезного действия, перегрузочной способности) необходимо одновременно с частотой изменять и подводимое напряжение. Закон изменения напряжения зависит от характера момента нагрузки Мс. При постоянном моменте нагрузки напряжение на статоре должно регулироваться пропорционально частоте.
Схема частотного электропривода приведена на рис. 5, а механические характеристики АД при частотном регулировании — на рис. 6.
Рис. 5. Схема частотного электропривода
Рис. 6. Механические характеристики асинхронного двигателя при частотном регулировании
С уменьшением частоты f критический момент несколько уменьшается в области малых частот вращения. Это объясняется возрастанием влияния активного сопротивления обмотки статора при одновременном снижении частоты и напряжения.
Частотное регулирование скорости асинхронного двигателя позволяет изменять частоту вращения в диапазоне (20 — 30) : 1. Частотный способ является наиболее перспективным для регулирования асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Потери мощности при таком регулировании невелики, поскольку минимальны потери скольжения.
Большинство современных преобразователей частоты построено по схеме двойного преобразования. Они состоят из следующих основных частей: звена постоянного тока (неуправляемого выпрямителя), силового импульсного инвертора и системы управления.
Звено постоянного тока состоит из неуправляемого выпрямителя и фильтра. Переменное напряжение питающей сети преобразуется в нем в напряжение постоянного тока.
Силовой трехфазный импульсный инвертор содержит шесть транзисторных ключей. Каждая обмотка электродвигателя подключается через соответствующий ключ к положительному и отрицательному выводам выпрямителя. Инвертор осуществляет преобразование выпрямленного напряжения в трехфазное переменное напряжение нужной частоты и амплитуды, которое прикладывается к обмоткам статора электродвигателя.
В выходных каскадах инвертора в качестве ключей используются силовые IGBT-транзисторы. По сравнению с тиристорами они имеют более высокую частоту переключения, что позволяет вырабатывать выходной сигнал синусоидальной формы с минимальными искажениями. Регулирование выходной частоты I вых и выходного напряжения осуществляется за счет высокочастотной широтно-импульсной модуляции.
Регулирование частоты вращения асинхронного двигателя переключение числа пар полюсов
Ступенчатое регулирование скорости можно осуществить, используя специальные многоскоростные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором.
Из выражения n о = 60 f /р следует, что при изменении числа пар полюсов р получаются механические характеристики с разной частотой вращения n о магнитного поля статора. Так как значение р определяется целыми числами, то переход от одной характеристики к другой в процессе регулирования носит ступенчатый характер.
Существует два способа изменения числа пар полюсов. В первом случае в пазы статора укладывают две обмотки с разным числом полюсов. При изменении скорости к сети подключается одна из обмоток. Во втором случае обмотку каждой фазы составляют из двух частей, которые соединяют параллельно или последовательно. При этом число пар полюсов изменяется в два раза.
Рис. 7. Схемы переключения обмоток асинхронного двигателя: а — с одинарной звезды на двойную; б — с треугольника на двойную звезду
Регулирование скорости путем изменения числа пар полюсов экономично, а механические характеристики сохраняют жесткость. Недостатком этого способа является ступенчатый характер изменения частоты вращения асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Выпускаются двухскоростные двигатели с числом полюсов 4/2, 8/4, 12/6. Четырехскоростной электродвигатель с полюсами 12/8/6/4 имеет две переключаемые обмотки.
Использованы материалы книги Дайнеко В.А., Ковалинский А.И. Электрооборудование сельскохозяйственных предприятий.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
Регулирование частоты вращения асинхронного электродвигателя
Рисунок 1. Асинхронный двигатель Асинхронный двигатель (рис. 1) имеет неподвижную часть, которая называется статор, и вращающуюся часть, именуемую ротором. Магнитное поле создается в обмотке, размещенной в статоре. Такая конструкция электродвигателя позволяет регулировать частоту его вращения различными способами.
Основные технические характеристики, учитываемые при изменении частоты вращения
При регулировании частоты вращения асинхронных электродвигателей следует учитывать несколько основных технических показателей, которые в значительной мере влияют на процесс работы двигателей.
- Диапазон регулирования Д, то есть предел, до которого возможно изменять частоту вращения. Эта характеристика вычисляется по соотношению минимальной и максимальной частоты вращения.
- Плавность регулирования — определяется по минимальному скачку частоты вращения электродвигателя, когда осуществляется переход одной механической характеристики на другую.
- Направление изменения частоты вращения двигателя (так называемая зона регулирования). Номинальные условия работы определяют естественную механическую характеристику двигателя. Когда осуществляется процесс регулирования частоты вращения, эти характеристики (напряжение и частота питающей сети) начнут изменяться. В результате получаются искусственные характеристики, которые обычно ниже естественных.
Есть несколько способов регулирования частоты вращения электродвигателя:
Регулирование частоты вращения изменением частоты питающей сети
Регулирование частоты вращения путем изменения частоты в питающей сети считается одним из самых экономичных способов регулирования, который позволяет добиться отличных механических характеристик электропривода. Когда происходит изменение частоты питающей сети, частота вращения магнитного поля также меняется.
Преобразование стандартной частоты сети, которая составляет 50 Гц, происходит за счет источника питания. Одновременно с изменением частоты происходит и изменение напряжения, которое необходимо для обеспечения высокой жесткости механических характеристик.
Регулирование частоты вращения позволяет добиться различных режимов работы электродвигателя:
- с постоянным вращающим моментом;
- с моментом, который пропорционален квадрату частоты;
- с постоянной мощностью на валу.
В качестве источника питания для регулирования могут использоваться электромашинные вращающиеся преобразователи, а также статические преобразователи частоты, которые работают на полупроводниковых приборах, серийно выпускающихся промышленностью.
Несомненным преимуществом частотного регулирования является наличие возможности плавно регулировать частоту вращения в обе стороны от естественной характеристики. При регулировании достигается высокая жесткость характеристик и отличная перегрузочная способность.
Регулирование частоты вращения изменением числа полюсов
Регулирование частоты вращения путем изменения числа полюсов происходит за счет изменения частоты вращения магнитного поля статора. Частота питающей сети остается неизменной, в то время как происходит изменение частоты вращения магнитного поля и частоты вращения ротора. Они меняются обратно пропорционально числу полюсов. Например, число полюсов равно 2, 4, 6, 8, тогда обороты двигателя при изменении их количества будут составлять 3000, 1500, 1000, 750 оборотов в минуту.
Двигатели, которые обеспечивают переключение числа пар полюсов, имеют обычно короткозамкнутый ротор с обмоткой. Благодаря этому ротору обеспечивается возможность работы двигателя без дополнительных пересоединений в цепи.
Изменение частоты вращения включением в цепь ротора с реостатом
Еще одним способом изменения частоты вращения двигателя является включение в цепь ротора с реостатом. Такой метод имеет существенное ограничение, так как может быть применен только для двигателей с фазным ротором. Он обеспечивает плавное изменение частоты вращения в очень широких пределах. Минусом же являются большие потери энергии в регулировочном реостате.
Изменение направления вращения
Изменение направления вращения двигателя может быть осуществлено за счет изменения направления вращения магнитного поля, которое создается обмотками статора. Изменение направления вращения можно достичь, изменив порядок чередования тока в фазах обмотки статора.
Для оформления заказа позвоните менеджерам компании Кабель.РФ ® по телефону +7 (495) 646-08-58 или пришлите заявку на электронную почту zakaz@cable.ru с указанием требуемой модели электродвигателя, целей и условий эксплуатации. Менеджер поможет Вам подобрать нужную марку с учетом Ваших пожеланий и потребностей.