Регулирование скорости вращения асинхронных двигателей

§ 28-2. Регулирование скорости вращения асинхронных  двигателей с короткозамкнутым ротором

Общие положения.

Скорость вращения ротора асинхронного двигателя

Способы регулирования  скорости вращения асинхронных двигателей, согласно выражению (28-3), можно подразделить на два класса: 1) регулирование скорости вращения первичного магнитного поля

что достигается  либо регулированием первичной частоты  f_lt либо изменением числа пар полюсов р двигателя; 2) регулирование скольжения двигателя s при п_х — const. В первом случае к. п. д. двигателя остается высоким^ а во втором случае к. п. д. снижается тем больше, чем больше s, так как при этом мощность скольжения (см. § 24-5)

теряется во вторичной цепи двигателя (мощность скольжения используется полезно только в каскадных установках — см. § 28-3). 

Рассмотрим здесь  главнейшие способы регулирования скорости вращения.

Регулирование скорости изменением первичной частоты  (частотное регулирование) требует применения источников питания с регулируемой частотой (синхронные генераторы с переменной скоростью вращения, ионные или полупроводниковые преобразователи частоты и др.)- Поэтому данный способ регулирования используется главным образом в случаях, когда для целых групп двигателей необходимо повышать (п > 3000 об/мин) скорости вращения (например, ручной металлообрабатывающий инструмент, некоторые механизмы деревообрабатывающей промышленности и др.) или одновременно и плавно их регулировать (например, двигатели рольгангов мощных прокатных станов и др.). С развитием полупроводниковых преобразователей все более перспективным становится также индивидуальное частотное регулирование скорости вращения Двигателей. Схему короткозамкнутого асинхронного двигателя с частотным управлением при помощи полупроводниковых преобразователей можно получить, если на схеме рис. 11-14 заменить явно-полюсный ротор на ротор с обмоткой в виде беличьей клетки и питать эту схему от сети переменного тока через полупроводниковый выпрямитель. Управление инвертором при этом производится особым преобразователем частоты вне зависимости от положения ротора двигателя. Величина напряжения регулируется с помощью выпрямителя.

Если пренебречь относительно небольшим падением напряжения в первичной цепи асинхронного двигателя, то

Существенное  изменение величины потока Ф при  регулировании п нежелательно, так как увеличение Ф против нормального вызывает увеличение насыщения магнитной цепи и сильное увеличение намагничивающего тока, а уменьшение Ф вызывает недоиспользование машины, уменьшение перегрузочной способности и увеличение тока /₂ при том же значении М [(см. равенство (25-11)] и т. д. Поэтому в большинстве случаев целесообразно поддерживать Ф = = const. При этом из соотношения (28-6) следует, что одновременно с регулированием частоты пропорционально ей необходимо изменять также напряжение, т. е. поддерживать

Отступление от этого правила целесообразно  только в случаях, когда М_ст быстро уменьшается с уменьшением п (например, приводы вентиляторов, когда М„ = п²). В этом случае более быстрое уменьшение Ux по сравнению с /_L вызывает уменьшение Ф и улучшает энергетические показатели двигателя (cos ф_х и к. п. д. — см. § 29-7)

 

и в то же время  уменьшение М_т с точки зрения перегрузочной способности не опасно.

При широком  диапазоне регулирования правильнее поддерживать

O = £₁/f₁ = const.

К недостаткам  частотного регулирования относится  громоздкость и высокая стоимость  питающей установки.

Регулирование скорости изменением числа пар полюсов  р используется обычно для двигателей с короткозамкнутым ротором, так как при этом требуется изменять р только для обмотки статора. Изменять р можно двумя способами: 1) применением на статоре нескольких обмоток, которые уложены в общих пазах и имеют разные числа пар полюсов р; 2) применением обмотки специального типа, которая позволяет получить различные значения р путем изменения (переключения) схемы соединений обмотки. Предложено значительное количество различных схем обмоток с переключением числа пар полюсов, однако широкое распространение из них получили только некоторые. Применение нескольких обмоток невыгодно, так как при этом из-за ограниченного места с пазах сечение проводников каждой из обмоток нужно уменьшать, что приводит к снижению мощности двигателя. Использование обмоток с переключением числа пар полюсов вызывает усложнение коммутационной аппаратуры, в особенности, если с помощью одной обмотки желают получить более двух скоростей вращения. Несколько ухудшаются также энергетические показатели двигателей.

Двигатели с  изменением числа пар полюсов  называются много-скоростными, Обычно они выпускаются на 2, 3 или 4 скорости вращения, причем двухскоростные двигатели изготовляются с одной обмоткой на статоре и с переключением числа пар полюсов в отношении р₂ : p_t = 2 : 1, трехскоростные двигатели — с двумя обмотками на статоре, из которых одна выполняется с переключением Рг ^: Pi ⁼ 2 : 1, четырехскоростные двигатели — с двумя обмотками на статоре, каждая из которых выполняется с переключением числа пар полюсов в отношении 2:1. Например, двигатель на /_х = 50 гц с синхронными скоростями вращения 1500/1000/750/500 об/мин имеет одну обмотку с переключением на 2р = 4 и 8 и другую обмотку с переключением на 2р = 6 и 12.

Многоскоростные двигатели применяются в металлорежущих и деревообрабатывающих станках, в  грузовых и пассажирских лифтах, для  приводов вентиляторов и насосов  и в ряде других случаев.

Каждая фаза обмотки с переключением числа  пар полюсов в отношении 2 : 1 (рис. 28-5) состоит из двух частей, или половинок, с одинаковым количеством катушечных групп в каждой части. 

Когда обе части  обмотки обтекаются токами одинакового  направления, обмотка создает магнитное  поле с большим числом полюсов (рис. 28-5, а, 2р = 4), а при изменении направления тока в одной части обмотки на обратное число полюсов уменьшается вдвое (рис. 28-5, б и в, 1р = 2). Подобные переключения производятся во всех фазах одновременно, и переключаемые части обмотки могут

соединяться последовательно (рис. 28-5, а и б) или параллельно (рис. 28-5, в).

Ширина фазной зоны, занимаемой сторонами катушек  катушечной группы, и величина шага обмотки в зубцовых делениях одинаковы при обоих числах полюсов. Поскольку, однако, при переключении числа пар полюсов в отношении 2 : 1 полюсное деление изменяется в два раза, то величина • фазной зоны в электрических градусах и относительный шаг обмотки при этом также изменяются в два раза.

Переключаемую обмотку выполняют так, что при  меньшем числе пар полюсов  {р^ фазная зона а = 60° эл. Тогда при удвоенном числе пар полюсов (р₂ = 2рх) ширина этой зоны, будет а = 120° эл. Нормальные чередования фазных зон при одинаковом направлении вращения магнитного поля для обеих скоростей вращения должны быть

такими, как показано на рис. 28-6. Из рисунка видно, что, кроме изменения направлений токов в зонах X, Y, Z (рис. 28-6, а) на обратные (т. е. обращение их в зоны А, В, С), для сохранения направления вращения поля, а следовательно, и ротора при переключении числа пар полюсов (рис. 28-6, б) необходимо также переключить концы двух фаз обмотки (например, фазы В и С).

Обмотка выполняется  так, что ее шаг равен полному (180° эл.) при большем числе полюсов (2р₂), так как кривая н. с. обмотки с зоной а = 120° наиболее близка к синусоидальной при полном шаге. Тогда при меньшем числе полюсов относительный шаг |J = = 0,5.

Рис. 28-5. Принципиальные схемы

одной фазы обмотки  с переключением

числа полюсов: а — при 2р = 4;

б, в — при 2р = 2

 

Из сказанного следует, что обмотка с переключением  числа по-люсо'в создает н. с. с большей величиной высших гармоник поля, чем нормальная трехфазная обмотка с а = 60° и р = ⁵/_в. Это приводит к некоторому ухудшению энергетических показателей двигателей с переключением числа полюсов по сравнению с нормальными.

На рис. 28-7 и 28-8 представлены наиболее часто употребляемые  схемы обмоток с переключением  числа пар полюсов в отношении р₂ ■" pi = 2 : 1. Определим мощности и моменты, развиваемые двигателями с такими схемами обмоток при неизменном линейном напряжении сети U_n и наибольшем допустимом (номинальном) токе в полуфазе обмотки /_ф. Пренебрегая разницей в условиях охлаждения при изменении скорости вращения, можно принять, что величина /ф одинакова при обеих скоростях вращения. Приближенно

Рис. 28-6. Чередование  фазных зон обмотки с переключением  полюсов в отношении 1 : 2

Рис. 28-7. Принципиальная схема соединений обмотки с переключением  числа полюсов в отношении 2 : 1 при постоянном моменте

Рис. 28-8. Принципиальная схема соединений обмотки с переключением  числа полюсов в отношении 2 : 1 при постоянной мощности

можно считать, что коэффициенты мощности и к. п. д. при одинаковых значениях /ф для обеих скоростей вращения также одинаковы. При указанных условиях мощности на валу для схем рис. 28-7, а и б соответственно равны:

 

Таким образом,

и, следовательно, при переходе of меньшей скорости вращения (рис. 28-7, а) к большей (рис. 28-7, б) допустимая мощность на валу увеличивается в два раза. Момент вращения при этом, очевидно, остается постоянным, и поэтому схема переключения Y/YY (рис.28-7) называется также схемой переключения,с М = const. При схемах рис. 28-8, а и б имеем соответственно:

Обычно при  использовании схемы рис. 28-8 для  обеих скоростей вращения указывается .одинаковая номинальная мощность, т. е*>

принимается, что  Pi = Л% Схема переключения Д/Кк (рис 28-8) называется также; схемой переключения с Р *4 — const.

Вид механических харак* тертетик двигателей cq cxe| мами обмоток рис. 28-7 и 28^1 изображен на рис. 28-9.

При переключении ышоЩ, скоростной, обмотки магни*?

нще индукции на отдельных участках магнитной цепи в обще*| случае изменяются, что необходимо иметь в виду при проектирован нии Двигателя, чтобы, с одной стороны, добиться по возможности более полного использования материалов двигателя» а с другой^ не допустить чрезмерного насыщения магнитной, цеди.

Вес и стоимость  многоекороетнш двигателей несколько больше^ чемг у нормальных асинхронных двигателей такой же мощности/ Тем не менее это лучший и наиболее широко применяемый сносок регулирования скорости "короткозамкнувдх двигателей.

Регулирование скорости уменьшением величины первичного напряжения. При уменьшении U_x момент двигателя ^змеияется пропорционально Щ я соотйелгственво ваменяются механические ка^актеристики (рис. 28-10), в результате чего, наменяйтся также значения рабочих скольжений s_u\, s₃... при данном виде зависимости Л1„ = / (s). Очевидно, что регулирование s в этом случае во»? можно в нределйх 0 < s < Sm. Для получения достаточно большого

 

диапазона регулирования  скорости необходимо, чтобы активное сопротивление цепи ротора и соответственно s_m были, достаточно велики (рис. 28-10, б).

Рис. 28-10. Механические характеристики асинхронных двигателей при различных величинах первичного напряжения

Следует учитывать, что во вторичной цепи возникают  потери, равные мощности скольжения P_s и вызывающие повышенный нагрев ротора.

Этот метод  регулирования скорости применяется  также для двигателей с фазным ротором, причем в этом случае 9 о&пь ротора включаются добавочные сопротивления.

В связи с  пониженным к. п. д. и трудностями  регулирования напряжения рассматриваемый  метод.йршеняется только для двигателей малой мощности. При этом для регулирования U_t можно использовать регулируемые автотрансформаторы или сопротивления, включенные последовательно в первичную день, В последние годы для этой цели все чаще применяют (рис, 28-11) реакторы насыщения, регулируемые путем додмагничивания постоянным током (см. § 18-4). При изменении величины постоянного тока подмагничива-ния индуктивное сопротивление реактора изменяется, что

приводит к  изменению напряжения на зажимах  -двигателя. Путем автоматического регулирования тока подмагничивания можно расширить зону регулирования скорости в область s >■ s_m и получить при этом жесткие механические характеристики.

Рис. 28-11. Схема  регулирования асинхронного двигателя  с помощью реактора с под¹-магничиванием постоянным током

Рис. 28-12. Схема  импульсного регулирования скорости вращения асинхронного двигателя

 

Импульсное  регулирование скорости (рис. 28-12) производится путем периодического включения двигателя в сеть и отключения его от сети или путем периодического шунтирования с помощью контактора К сопротивлений, включенных последовательно в цепь статора, или полупроводниковых вентилей. При этом двигатель беспрерывно находится в переходном режиме ускорения или замедления скорости вращения ротора и в зависимости от частоты и продолжительности импульсов работает с некоторой, приблизительно постоянной скоростью вращения. Подобное регулирование скорости применяется только для двигателей весьма малой мощности (Р_н < 30 -т- 50 в/п).