Регулирование скорости вращения асинхронных двигателей

Более подробно некоторые вопросы регулирования  скорости вращения асинхронных двигателей рассматриваются в курсах электропривода.

§ 28-3. Регулирование скорости вращения асинхронных  двигателей с фазным ротором

Для двигателей с фазным ротором можно в принципе использовать все те же способы регулирования  скорости вращения, как и для двигателей с короткозамкнутым ротором (см. § 28-2). Однако на практике из числа этих способов для двигателей с фазным ротором применяется только способ регулирования скорости вращения с помощью реакторов насыщения. Ниже рассмотрим способы регулирования скорости вращения, которые специфичны для двигателей с фазным ротором и в которых используется возможность включения регулирующих устройств во вторичную цепь.

Регулирование скорости вращения с  помощью реостата в цепи ротора производится по той же схеме рис. 28-3, что и реостатный пуск двигателя, но реостат при этом должен быть рассчитан на длительную работу. При увеличении активного сопротивления вторичной цепи вид механической характеристики двигателя изменяется (см. рис. 28-4, а): характеристика становится более мягкой и скольжение двигателя при том же моменте нагрузки М_ст увеличивается.

При М„ =? const рабочее скольжение s с большой точностью пропорционально s_m и, следовательно, активному сопротивлению цепи ротора. Поэтому скольжения s и s', соответствующие случаям г_Д = 0 и г_д =f= 0, находятся в соотношении

 

Рассматриваемый способ регулирования скорости связан со значительными потерями энергии  в сопротивлении г_д и поэтому малоэкономичен. Он применяется главным образом при кратковременной или повторно-кратковременной работе (например, пуско-наладочные режимы некоторых машин, крановые устройства и пр.), а также в приводах с вентиляторным моментом. В последнем случае мощность на валу с уменьшением скорости быстро снижается, и поэтому мощность скольжения и потери в цепи ротора по величине ограничены.

К недостаткам  реостатного регулирования скорости относятся также мягкость механических характеристик и зависимость  диапазона регулирования от величины нагрузки. В частности, регулирование  скорости на холостом ходу практически  невозможно.

Регулирование скорости вращения посредством  введения добавочной э. д. с. во вторичную цепь двигателя.

Регулирование скорости вращения асинхронного двигателя  путем увеличения его скольжения всегда связано с выделением во вторичной  цепи двигателя значительной электрической  мощности скольжения

большая часть которой при реостатном регулировании теряется в реостате. Поэтому, естественно, возникает мысль о полезном использовании этой мощности и о повышении таким образом к. п. д. установки.

Полезное использование  мощности скольжения возможно, если вместо реостата присоединить к контактным кольцам фазного двигателя приемник электрической энергии в виде подходящей для этой цели вспомогательной  электрической машины.

Эта машина будет  работать в режиме двигателя и  оказывать воздействие на регулируемый асинхронный двигатель, развивая напряжение на его вторичных зажимах, так  как при вращении вспомогательной  машины в ее якоре индуктируется  э. д. с. Можно также сказать, что  задачей вспомогательной машины, как и реостата при реостатном регулировании, является создание «подпора» напряжения на контактных кольцах регулируемого асинхронного двигателя, ибо наличие определенного напряжения на кольцах U_2K — непременное условие выдачи с этих колец определенной мощности

Р_SK = m₂U_2KI₂ cos ф₂

во внешнюю  цепь двигателя. Вместе с тем, вспомогательная  машина

в отличие от реостата позволяет полезно использовать эту мощность.

Прежде всего рассмотрим вопрос о влиянии на работу фазного

асинхронного  двигателя внешней добавочной э. д. с. £_д, вводимой

 

во вторичную  цепь двигателя с помощью его  контактных колец, при условии, что  частота этой добавочной э. д. с. всегда равна частоте вторичного тока и  э. д. с. /₂ = s/i самого двигателя.

На рис. 28-13, а изображена векторная диаграмма вторичной цепи асинхронного двигателя при Е_А — 0. Вторичный ток двигателя

имеет величину, необходимую для создания нужного  электромагнитного момента М в соответствии с величиной момента нагрузки М„ на валу.

Рис, 28-13. Векторные  диаграммы вторичной цепи асинхронного двигателя при отсутствии добавочной э. д. с. (а) и при введший этой э. д. с, для уменьшения (б) и увеличения (в) скорости вращения

Если теперь so вторичную цепь ввести э. д. с. Е_ж встречно э. д. с. скольжения £«« в этой же цепи, то вторичный ток

в первый момент времени уменьшится. Поэтому развиваемый  двигателем момент М также уменьшится, двигатель начнет тормозиться, а скольжение s — увеличиваться. При этом, согласно равенству (28-Ш), ток 1_г, а вместе с ним и момент М будут увеличиваться. Это будет происхбдить до тех пор, пока опять не наступит равновесие моментов М = М„ на валу. Двигатель при этом будет работать с увеличенным скольжением s, а векторная диаграмма вторичной цепи приобретет вид, изображенный на рис. 28-13, б. Очевидно, что посредством регулирования величины Е_А можно регулировать величину s и, следовательно, скорость вращения двигателя.

Предположим теперь, что э. д с. £_д имеет по сравнению с рассмотренным случаем противоположное направление и совпадает

 

В первый момент после введения э, д. с. Е_я ток /₂ и момент ЛЯ возрастут, двигатель будет ускоряться и s будет уменьшаться. При достаточной величине £_д величина s уменьшится до нуля, и если ток /₂, создаваемый в этом случае только за счет действия Е_ж, все еще будет велик по сравнению с током, необходимым для создания момента М — М_Ст, то ускорение двигателя будет продолжаться и скорость превысит синхронную. Скольжение s и э. д. с. Ёц при этом изменят знаки и будут расти по абсолютной величине до тех пор, пока в соответствии с выражением (28-11) ток не упадет до

необходимой величины. При s < О угол чр₂ = aretjg отрицали тельный й векторная диаграмма вторичной цепи двигателя имеет

вид, показанный на рис. 28-13, в. Ток \_% при этом будет иметь составляющую, совпадающую с Ф. Поэтому намагничивающий ток, потребляемый из первичной цепи, уменьшится и cos <p двигателя повысится.

Таким образом, с помощью добавочной э. д. с. £_д, путем изменения ее величины и направления, можно осуществить плавной двухзонное регулирование скорости двигателя: ниже и выще синхронной.

Если пренебречь потерями, то мощность источника добавочной э. д. с. равна мощности скольжения sP_m, причем при s > 0 этот источник является приемником и потребляет энергию из вторичной цепи двигателя, а при s < 0 — генератором и отдает мощность во вторичную цепь двигателя. Механическая мощность, развиваемая магнитным полем двигателя,

при s > 0 будет меньше Р_ш, а при s < 0 в соответствии с изменением знака мощности скольжения Р_ш > Р_эя.

Каскад асинхронного двигатели с машиной постоянного  тока.

Реализация рассмотренного способа регулирования скорости вращения асинхронного двигателя посредством добавочной э. д. с. осуществляется в каскадных соединениях двигателя со вспомогательными электрическими машинами. Рассмотрим здесь каскадные соединения асинхронного двигателя с машиной постоянного тока. На рис. 28-14, а показана схема каскада фазного асинхронного двигателя АД, приводящего в движение некоторую рабочую машину РМ, с машиной постоянного тока независимого возбуждения

 

МПТ. Цепь якоря МПТ приключена к контактным кольцам асинхронного двигателя через ионный или полупроводниковый выпрямитель В, соединенный по трехфазной мостовой схеме. Выпрямитель преобразовывает переменный ток частоты скольжения /₂ = sf_x во вторичной цепи АД в постоянный ток в цепи якоря МПТ. Э. д. с. якоря МПТ в данном случае и является той рассмотренной выше добавочной э. д. с. Е_л, которая (в данном случае с помощью выпрямителя В) вводится во вторичную цепь двигателя АД. Регулирование величины этой э. д. с. и скорости вращения АД производится путем регулирования тока возбуждения МПТ.

На схеме рис. 28-14, а машина постоянного тока МПТ расположена на валу асинхронного двигателя АД. Она преобразовывает

Рис. 28-14. Схемы  электромеханического (а) и электрического (б) каскадов асинхронного двигателя  АД с машиной постоянного тока МПТ

мощность скольжения P_s, потребляемую из вторичной цепи АД, в механическую мощность, которая через вал двигателя АД вместе с механической мощностью Р_мх двигателя передается рабочей машине РМ. Такой каскад называется электромеханическим. Если при регулировании скорости вращения обеспечить полное использование мощности АД (Р_х = Р_н = const) и пренебречь потерями, то в этом каскаде мощность, передаваемая рабочей машине РМ,

также остается при всех скоростях постоянной и  равной номинальной мощности. В связи  с этим электромеханический каскад иногда условно называют также каскадом постоянной мощности. Необходимая номинальная  мощность вспомогательной машины каскада (в данном случае МПТ) зависит от пределов регулирования скорости:

 

Каскад с выпрямителями  допускает регулирование скорости только вниз от синхронной (s > 0). Если заменить выпрямитель управляемым ионным или полупроводниковым преобразователем, способным производить также обратное преобразование — постоянного тока в переменный, то можно осуществить также регулирование скорости вверх от синхронной (s < 0). Указанные на рис. 28-14 направления передачи мощности скольжения при s < 0 изменятся на обратные. Ввиду сложности системы управления таким преобразователем и других причин эти каскады до сих пор применения не получили. Ранее применялись также каскады, выполненные по схеме рис. 28-14, а, в которой вместо выпрямителя использовался одноякорный преобразователь переменного тока в постоянный (см. § 41-1).

На рис. 28-14, б изображена схема каскада, которая отличается от схемы рис. 28-14, а тем, что МПТ соединена механически со вспомогательной асинхронной или синхронной машиной ВМ. В этом каскаде мощность скольжения Р„ при s > 0 передается с помощью ВМ, работающей в режиме генератора, обратно в сеть переменного тока. При s < 0 ВМ работает в режиме двигателя. Такой каскад называется электрическим. В этом каскаде машине РМ передается только механическая мощность двигателя АД

которая при P\ — Pn — const уменьшается пропорционально скорости вращения. Момент на валу РМ при этом остается постоянным, вследствие чего такой каскад иногда условно называют также каскадом с постоянным моментом. Машины ВМ и МПТ на схеме рис. 28-14, б можно заменить трансформатором и полупроводниковым преобразователем постоянного тока в переменный и обратно.

Каскады позволяют  осуществить экономичное и плавное  регулирование скорости вращения асинхронного двигателя, однако вспомогательные  машины и преобразователи удорожают  установку. Поэтому каскады целесообразно  применять только для привода  мощных производственных механизмов, требующих регулирования скорости в достаточно широких пределах (например, прокатные станы, весьма мощные вентиляторы  и др.). Рассмотренные выше каскадные  соединения в связи с использованием в них ионных или полупроводниковых  вентилей называют также вентильными  каскадами.

Существуют также  другие системы каскадов, в частности  с использованием коллекторных машин  переменного тока (см- § 42-3). Каскадные установки выполняются на мощности в сотни и тысячи киловатт с регулированием скорости вращения в пределах до 3 : 1 и больше.