Регулювання швидкості асинхронного двигуна

Найбільш поширені такі способи регулювання швидкості асинхронного двигуна: зміна додаткового опору ланцюга ротора, зміна напруги, що підводиться до обмотки статора, зміна частоти напруги живлення, а також перемикання числа пар полюсів.

Регулює частоту обертання асинхронного двигуна шляхом введення резисторів у ланцюг ротора.

Введення резисторів у ланцюг ротора призводить до збільшення втрат потужності та зниження частоти обертання ротора двигуна за рахунок збільшення ковзання, оскільки n = n про (1 - s).

З рис. 1 випливає, що при збільшенні опору ланцюга ротора при тому ж моменті частота обертання валу двигуна зменшується.

Жорсткість механічних характеристик значно знижується із зменшенням частоти обертання, що обмежує діапазон регулювання до (2 - 3): 1. Недоліком цього способу є значні втрати енергії, які пропорційні ковзанню. Таке регулювання можливе лише для двигуна із фазним ротором.

Регулювання частоти обертання асинхронного двигуна зміною напруги на статорі

Зміна напруги, що підводиться до обмотки статора асинхронного двигуна дозволяє регулювати швидкість за допомогою відносно простих технічних засобів і схем управління. Для цього між мережею змінного струму зі стандартною напругою U 1ном і статором електродвигуна включається регулятор напруги.

При регулюванні частоти обертання асинхронного двигуна зміною напруги, що підводиться до обмотки статора, критичний момент М красинхронного двигуна змінюється пропорційно квадрату підводиться до двигуна напруги U рет (рис. 3), а ковзання від U рег не залежить.

Мал. 1. Механічні характеристики асинхронного двигуна з фазним ротором при різних опорах резисторів, включених до ланцюга ротора

Мал. 2. Схема регулювання швидкості асинхронного двигуна шляхом зміни напруги на статорі

Мал. 3. Механічні характеристики асинхронного двигуна при зміні напруги статора, що підводиться до обмоток

Якщо момент опору робочої машини більший за пусковий момент електродвигуна (Мс > Мпуск), то двигун не буде обертатися, тому необхідно запустити його при номінальній напрузі Uном або на холостому ході.

Регулювати частоту обертання короткозамкнених асинхронних двигунів у такий спосіб можна лише за вентиляторного характеру навантаження. Крім того, повинні використовуватись спеціальні електродвигуни з підвищеним ковзанням. Діапазон регулювання невеликий до n кр.

Для зміни напруги застосовують трифазні автотрансформатори та тиристорні регулятори напруги.

Мал. 4. Схема замкнутої системи регулювання швидкості тиристорний регулятор напруги – асинхронний двигун (ТРН – АТ)

Замкнена схема управління асинхронним двигуном, виконаним за схемою тиристорний регулятор напруги - електродвигун дозволяє регулювати швидкість асинхронного двигуна з підвищеним ковзанням (такі двигуни застосовуються у вентиляційних установках).

Регулювання частоти обертання асинхронного двигуна зміною частоти напруги живлення

Так як частота обертання магнітного поля статора n про = 60 f / р, то регулювання частоти обертання асинхронного двигуна можна проводити зміною частоти напруги живлення.

Принцип частотного методу регулювання швидкості асинхронного двигуна полягає в тому, що, змінюючи частоту напруги живлення, можна відповідно до виразу при незмінному числі пар полюсів р змінювати кутову швидкість n про магнітного поля статора.

Цей спосіб забезпечує плавне регулювання швидкості в широкому діапазоні, а механічні характеристики мають високу жорсткість.

Для отримання високих енергетичних показників асинхронних двигунів (коефіцієнтів потужності, корисної дії, перевантажувальної здатності) необхідно одночасно з частотою змінювати і напругу, що підводиться. Закон зміни напруги залежить від характеру моменту навантаження Мс. При постійному моменті навантаження напруга на статорі має регулюватися пропорційно до частоти.

Схема частотного електроприводу наведено на рис. 5, а механічні характеристики АТ при частотному регулюванні на рис. 6.

Мал. 5. Схема частотного електроприводу

Мал. 6. Механічні характеристики асинхронного двигуна при частотному регулюванні

Зі зменшенням частоти f критичний момент дещо зменшується в області малих частот обертання. Це пояснюється зростанням впливу активного опору статора обмотки при одночасному зниженні частоти і напруги.

Частотне регулювання швидкості асинхронного двигуна дозволяє змінювати частоту обертання в діапазоні (20 - 30): 1. Частотний спосіб є найбільш перспективним для регулювання асинхронного двигуна з короткозамкненим ротором.Втрати потужності за такого регулювання невеликі, оскільки мінімальні втрати ковзання.

Більшість сучасних перетворювачів частоти побудовано за схемою подвійного перетворення. Вони складаються з наступних основних частин: ланки постійного струму (некерованого випрямляча), силового імпульсного інвертора та системи керування.

Ланка постійного струму складається з некерованого випрямляча та фільтра. Змінна напруга мережі живлення перетворюється в ньому на напругу постійного струму.

Силовий трифазний імпульсний інвертор містить шість транзисторних ключів. Кожна обмотка електродвигуна підключається через відповідний ключ до позитивного та негативного висновків випрямляча. Інвертор здійснює перетворення випрямленої напруги в трифазну змінну напругу потрібної частоти та амплітуди, яка прикладається до обмотування статора електродвигуна.

У вихідних каскадах інвертора як ключі використовуються силові IGBT-транзистори. У порівнянні з тиристорами вони мають більш високу частоту перемикання, що дозволяє виробляти вихідний сигнал синусоїдальної форми з мінімальними спотвореннями. Регулювання вихідної частоти I вих та вихідної напруги здійснюється за рахунок високочастотної широтно-імпульсної модуляції.

Регулювання частоти обертання асинхронного двигуна перемикання числа пар полюсів

Ступінчасте регулювання швидкості можна здійснити, використовуючи спеціальні багатошвидкісні асинхронні двигуни з короткозамкненим ротором.

З виразу n о = 60 f /р випливає, що за зміни числа пар полюсів р виходять механічні характеристики з різною частотою обертання n про магнітного поля статора.Так як значення р визначається цілими числами, то перехід від однієї характеристики до іншої у процесі регулювання має ступінчастий характер.

Існує два способи зміни кількості пар полюсів. У першому випадку пази статора укладають дві обмотки з різним числом полюсів. При зміні швидкості до мережі підключається одна з обмоток. У другому випадку обмотку кожної фази складають із двох частин, які з'єднують паралельно або послідовно. При цьому кількість пар полюсів змінюється вдвічі.

Мал. 7. Схеми перемикання обмоток асинхронного двигуна: а – з одинарної зірки на подвійну; б - з трикутника на подвійну зірку

Регулювання швидкості шляхом зміни числа пар полюсів є економічним, а механічні характеристики зберігають жорсткість. Недоліком цього є ступінчастий характер зміни частоти обертання асинхронного двигуна з короткозамкненим ротором. Випускаються двошвидкісні двигуни з числом полюсів 4/2, 8/4, 12/6. Чотирьохшвидкісний електродвигун з полюсами 12/8/6/4 має дві обмотки, що перемикаються.

Використані матеріали книжки Дайнеко В.А., Ковалінський О.І. Електроустаткування сільськогосподарських підприємств.

Телеграм канал для тих, хто щодня хоче дізнаватися нове та цікаве: Школа для електрика

Робочі характеристики асинхронного двигуна

Робочі характеристики асинхронного двигуна є графічно виражені залежності частоти обертання n2, ККД η, корисного моменту (моменту на валу) М2, коефіцієнта потужності cos φ, і струму статора I1 від корисної потужності Р2 при U1 = const f1 = const.

Швидкісна характеристика n2 = f(P2). Частота обертання ротора асинхронного двигуна n2 = n1 (1 – s).

Ковзання s = Pэ2/Pем, тобто.ковзання асинхронного двигуна, а отже, та його частота обертання визначаються ставленням електричних втрат у роторі до електромагнітної потужності. Нехтуючи електричними втратами в роторі в режимі холостого ходу, можна прийняти Ре2 = 0, а тому s 0 і n20 n1.

У міру збільшення навантаження на валу асинхронного двигуна відношення s = Pэ2/Pем зростає, досягаючи значень 0,01 - 0,08 при номінальному навантаженні. Відповідно до цього залежність n2 = f(P2) являє собою криву, слабко нахилену до осі абсцис. Однак при збільшенні активного опору ротора двигуна r2 кут нахилу цієї кривої збільшується. І тут зміни частоти асинхронного двигуна n2 при коливаннях навантаження Р2 зростають. Пояснюється це тим, що із збільшенням r2' зростають електричні втрати у роторі.

Мал. 1. Робочі характеристики асинхронного двигуна двигуна

Залежність М2 = f (P2). Залежність корисного моменту на валу асинхронного двигуна М2 від корисної потужності Р2 визначається виразом M2 = Р2/ ω2 = 60 P2/(2πn2) = 9,55Р2/ n2,

де Р2 – корисна потужність, Вт; ω2 = 2πf 2/60 - кутова частота обертання ротора.

З цього виразу випливає, що якщо n2 = const, то графік М2 = f2(Р2) є прямою лінією. Але в асинхронному двигуні зі збільшенням навантаження Р2 частота обертання ротора зменшується, а тому корисний момент на валу М2 зі збільшенням навантаження зростає не швидше навантаження, а отже, графік М2 = f (P2) має криволінійний вигляд.

Залежність cos φ1 = f(P2). У зв'язку з тим, що струм статора асинхронного двигуна I1 має реактивну (індуктивну) складову, необхідну для створення магнітного поля в статорі, коефіцієнт потужності асинхронних двигунів менше одиниці.Найменше значення коефіцієнта потужності відповідає режиму холостого ходу. Пояснюється це тим, що струм холостого ходу електродвигуна I0 за будь-якого навантаження залишається практично незмінним. Тому при малих навантаженнях двигуна струм статора невеликий і значної частини є реактивним (I1 ≈ I0). В результаті зрушення по фазі струму статора щодо напруги виходить значним (φ1 ≈ 0), лише трохи менше 90 ° (рис. 2).

Коефіцієнт потужності асинхронних двигунів у режимі холостого ходу зазвичай не перевищує 0,2. При збільшенні навантаження на валу двигуна зростає активна складова струму I1 і коефіцієнт потужності зростає, досягаючи найбільшого значення (0,80 - 0,90) при навантаженні, близькому до номінального. Подальше збільшення навантаження на валу двигуна супроводжується зменшенням cos 1 що пояснюється зростанням індуктивного опору ротора (x2s) за рахунок збільшення ковзання, а отже, і частоти струму в роторі.

З метою підвищення коефіцієнта потужності асинхронних двигунів надзвичайно важливо, щоб двигун працював завжди або принаймні значну частину часу з навантаженням, близьким до номінального. Це можна забезпечити лише за правильного вибору потужності двигуна. Якщо двигун працює значну частину часу недовантаженим, то для підвищення cos φ1, доцільно підводиться до двигуна напруга U1 зменшити. Наприклад, в двигунах, що працюють при з'єднанні статора обмотки трикутником, це можна зробити переєднавши обмотки статора в зірку, що викличе зменшення фазної напруги в раз. При цьому магнітний потік статора, а отже, і струм, що намагнічує, зменшуються приблизно в раз.Крім того, активна складова струму статора дещо збільшується. Усе це сприяє підвищенню коефіцієнта потужності двигуна.

На рис. 3 представлені графіки залежності cos φ1, асинхронного двигуна від навантаження при з'єднанні статора обмоток зіркою (крива 1) і трикутником (крива 2).

Мал. 3. Залежність cos φ1 від навантаження при з'єднанні обмотки статора двигуна зіркою (1) і трикутником (2)

Ковзання асинхронного двигуна

В результаті взаємодії магнітного поля зі струмами в роторі асинхронного двигуна створюється електромагнітний момент, що обертає, що прагне зрівняти швидкість обертання магнітного поля статора і ротора.

Різниця швидкостей обертання магнітного поля статора та ротора асинхронного двигуна характеризується величиною ковзання s = (n 1 - n 2 ) / n 1, де n 1 - синхронна швидкість обертання поля, об/хв, n2 - швидкість обертання ротора асинхронного двигуна, об/хв . При роботі з номінальним навантаженням ковзання зазвичай мало, так для електродвигуна, наприклад, з n 1 = 1500 об/хв, n2 = 1460 об/хв, ковзання одно: s = ((1500 - 1460) / 1500) х 100 = 2 ,7%

Асинхронний двигун не може досягти синхронної швидкості обертання навіть три від'єднаному механізмі, так як при ній провідники ротора не будуть перетинатися магнітним полем, в них не наводитиметься ЕРС і не буде струму. Асинхронний момент при s = 0 дорівнюватиме нулю.

У початковий момент пуску в обмотках ротора протікає струм із частотою мережі. У міру прискорення ротора частота струму в ньому визначатиметься ковзанням асинхронного двигуна: f2 = s х f1, де f1 - частота струму, що підводиться до статора.

Опір ротора залежить від частоти струму в ньому, причому чим більша частота, тим більший його індуктивний опір. Зі збільшенням індуктивного опору ротора збільшується зсув фаз між напругою та струмом в обмотках статора.

При пуску асинхронних двигунів коефіцієнт потужності тому значно нижчий, ніж за нормальної роботи. Величина струму визначається еквівалентним значенням опору електродвигуна та прикладеною напругою.

Величина еквівалентного опору асинхронного двигуна із зміною ковзання змінюється за складним законом. При зменшенні ковзання в межах 1 - 0,15 опір збільшується, як правило, не більше ніж в 1,5 рази, в межах від 0,15 до н в 5-7 разів по відношенню до початкового значення при пуску.

Струм за величиною змінюється обернено пропорційно зміні еквівалентного опору Таким чином, при пуску до ковзання порядку 0,15 струм опадає незначно, а надалі швидко зменшується.

Момент обертання електродвигуна визначається величиною магнітного потоку, струмом та кутовим зсувом між ЕРС та струмом у роторі. Кожна з цих величин у свою чергу залежить від ковзання, тому для дослідження робочих характеристик асинхронних двигунів встановлюється залежність моменту від ковзання та впливу на нього напруги, що підводиться, і частоти.

Момент обертання може бути також визначений електромагнітною потужністю на валу як відношення цієї потужності до кутової швидкості ротора. Величина моменту пропорційна квадрату напруги і обернено пропорційна квадрату частоти.

Характерними значеннями моменту в залежності від ковзання (або швидкості) є початкове значення моменту (коли електродвигун ще нерухомий), максимальне значення моменту (і відповідне йому ковзання, зване критичним) і мінімальне значення моменту в межі швидкостей від нерухомого стану до номінальної.

З моменту для номінального напруги наводяться в каталогах для електричних машин. Знання мінімального моменту необхідно для розрахунку допустимості пуску чи самозапуску механізму з повним навантаженням механізму. Тому його значення для конкретних розрахунків має бути визначено, або отримано від заводу-постачальника.

Розмір максимального значення моменту визначається індуктивним опором розсіювання статора і ротора і залежить від величини опору ротора.

Критичне ковзання визначається ставленням опору ротора до еквівалентного опору (обумовлено активним опором статора та індуктивним опором розсіювання статора та ротора).

Збільшення активного опору ротора супроводжується збільшенням критичного ковзання і переміщенням максимуму моменту в область більш високих ковзань (меншої швидкості обертання). Таким шляхом може бути досягнуто зміни характеристик моментів.

Зміна ковзання можливе збільшенням опору ціни ротора чи потоку. Перший варіант здійснимо тільки для асинхронних двигунів з фазним ротором (від S = 1 до S = Sном), але не економічний. Другий варіант здійснимо при зміні напруги живлення, але тільки в бік зменшення. Діапазон регулювання малий, оскільки S зростає, але одночасно зменшується здатність перевантажувати асинхронного двигуна. По економічності обидва варіанти приблизно рівноцінні.

В асинхронних двигунах з фазним ротором зміна моменту при різних ковзаннях здійснюється за допомогою опору, що вводиться в ланцюг обмотки ротора. В асинхронних двигунах із короткозамкненим ротором зміна моменту може бути досягнута за рахунок застосування двигунів із змінними параметрами або за допомогою частотних перетворювачів.

Телеграм канал для тих, хто щодня хоче дізнаватися нове та цікаве: Школа для електрика