Регулирование частоты вращения асинхронных двигателей

 

Частота вращения ротора асинхронного двигателя

n₂ =n₁(1 - s) = (f₁60/ p)(l - s). (15.2)

Из этого выражения следует, что частоту вращения ротора асинхронного двигателя можно регулировать изменением какой - либо из трех величин: скольжения s, частоты тока в обмотке ста­тора f₁ или числа полюсов в обмотке статора 2р.

Регулирование частоты вращения изменением скольжения sвозможно тремя способами: изменением подводимого к обмотке статора напряжения, нарушением симметрии этого напряжения и изменением активного сопротивления обмотки ротора.

Регулировка частоты вращения изменением скольжения про­исходит только в нагруженном двигателе. В режиме холостого хода скольжение, а следовательно, и частота вращения остаются практически неизменными.

Регулирование частоты вращения изменением подводи­мого напряжения. Возможность этого способа регулирования подтверждается графиками М = f(s), построенными для разных значений U₁ (см. рис. 13.5). При неизменной нагрузке на валу дви­гателя увеличение подводимого к двигателю напряжения вызыва­ет рост частоты вращения. Однако диапазон регулирования часто­ты вращения получается небольшим, что объясняется узкой зоной устойчивой работы двигателя, ограниченным значением критиче­ского скольжения и недопустимостью значительного превышения номинального значения напряжения. Последнее объясняется тем, что с превышением номинального напряжения возникает опас­ность чрезмерного перегрева двигателя, вызванного резким увели­чением электрических и магнитных потерь. В то же время с уменьшением напряжения U₁двигатель утрачивает перегрузочную способность, которая, как известно, пропорциональна квадрату напряжения сети (см. § 13.2).

Подводимое к двигателю напряжение изменяют либо регули­ровочным автотрансформатором, либо реакторами, включаемыми в разрыв линейных проводов.

Узкий диапазон регулирования и неэкономичность (необхо­димость в дополнительных устройствах) ограничивают область применения этого способа регулирования частоты вращения.

Регулирование частоты вращения нарушением симметрии подводимого напряжения. При нарушении симметрии подводи­мой к двигателю трехфазной системы напряжения вращающееся поле статора становится эллиптическим (см. § 9.4). При этом поле приобретает обратную составляющую (встречное поле), которая создает момент М_обр, направленный встречно вращающему момен­ту М_пр. В итоге результирующий электромагнитный момент двига­теля уменьшается (М = М_пр - М_обр).

Механические характеристики двигателя при этом способе регу­лирования располагаются в зоне между характеристикой при симмет­ричном напряжении (рис. 15.10, а, кривая 1) и характеристикой при однофазном питании дви­гателя (кривая 2) — пределом несимметрии трехфазного напряжения.

Для регулировки не­симметрии подводимого напряжения можно в цепь одной из фаз включить однофазный регулировоч­ный автотрансформатор (AT) (рис. 15.10, б). При уменьшении напряжения па выходе AT несиммет­рия увеличивается и частота вращения ротора уменьшается. Недостатками этого способа регулирования являются узкая зона

 

 

Рис. 15.10. Механические характеристики (а) и схема включения (б) асинхронного двигателя при регулировании частоты вращения изменением симметрии трехфаз­ной системы

 

регулирова­ния и уменьшение КПД двигателя по мере увеличения несимметрии напряжения. Обычно этот способ регулирования частоты вращения применяют лишь в двигателях малой мощности.

Регулирование частоты вращения изменением активного сопротивления в цепи ротора. Этот способ регулирования частоты вращения возможен лишь в двигателях с фазным ротором. Ме­ханические характеристики асинхронного двигателя, построенные для различных значений активного сопротивления цепи ротора (см. рис. 13.6), показывают, что с увеличением активного сопро­тивления ротора возрастает скольжение, соответствующее задан­ному нагрузочному моменту. Частота вращения двигателя при этом уменьшается. Зависимость скольжения (частоты вращения) от активного сопротивления цепи ротора выражается формулой, полученной преобразованием (13.13):

s = m₁I^/2₂ r'₂/ (ω ₁ М). (15.3)

Практически изменение активного сопротивления цепи ротора достигается включением в цепь ротора регулировочного реостата (РР), подобного пусковому реостату (ПР) (см. рис. 15.2), но рассчитанного на длительный режим работы. Электрические потери в роторе пропорциональны скольжению (Р_э2 = sP_эм), поэтому умень­шение частоты вращения (увеличение скольжения) сопровождается ростом электрических потерь в цепи ротора и снижением КПД двигателя. Так, если при неизменном нагрузочном моменте на валу двигателя увеличить скольжение от 0, 02 до 0, 5, что соответствует уменьшению частоты вращения примерно вдвое, то потери в цепи ротора составят почти половину электромагнитной мощно­сти двигателя. Это свидетельствует о неэкономичности рассмат­риваемого способа регулирования. К тому же необходимо иметь в виду, что рост потерь в роторе сопровождается ухудшением усло­вий вентиляции из-за снижения частоты вращения, что приводит к перегреву двигателя (см. § 31.1).

Рассматриваемый способ регулирования имеет еще и тот недостаток, что участок меха­нической характеристики, со­ответствующий устойчивой ра­боте двигателя, при введении в цепь ротора добавочного со­противления становится более пологим и колебания нагрузоч­ного момента на валу двигате­ля сопровождаются значитель­ными изменениями частоты вращения ротора. Это иллюст­рирует рис. 15.11, на котором видно, что если нагрузочный момент двигателя изменится на Δ М_ст = М^/_ст – М^//_ст, то измене­ние частоты

 

 

 

Рис. 15.11. Влияние сопротивления цепи ротора на

колебания частоты вращения при изменении нагрузки

 

вращения при выведенном регулировочном реостате ( r_д' = 0 ) составит Δ n_2I, а при введенном реостате - Δ n_2II. В послед­нем случае изменение частоты вращения значительно больше.

Но несмотря на указанные недостатки, рассмотренный способ ре­гулирования частоты вращения широко применяется в асинхронных двигателях с фазным ротором. В зависимости от конструкции регули­ровочного реостата этот способ регулирования частоты вращения может быть плавным (при плавном изменении сопротивления РР) или ступенчатым (при ступенчатом изменении сопротивления РР).

Способ обеспечивает регулирование частоты вращения в ши­роком диапазоне, но только вниз от синхронной частоты враще­ния. Вместе с тем он обеспечивает двигателю улучшенные пуско­вые свойства (см. § 15.1).

Регулирование частоты вращения изменением частоты тока в статоре. Этот способ регулирования (частотное регулирование) ос­нован на изменении синхронной частоты вращения n₁ = f₁ 60/ р.

Для осуществления этого способа регулирования необходим источник питания двигателя переменным током с регулируемой частотой. В качестве таких источников могут применяться элек­тромашинные, ионные или полупроводниковые преобразователи частоты (ПЧ). Чтобы регулировать частоту вращения, достаточно изменить частоту тока f₁. Но с изменением частоты f₁ = ω ₁p/ (2π ) будет изменяться и максимальный момент [см. (13.18)]. Поэтому для сохранения неизменными перегрузочной способности, коэффициента мощности и КПД двигателя на требуемом уровне необходимо одно­временно с изменением частоты f₁ изменять и напряжение питания U₁. Характер одновременного изменения f₁ и U₁ зависит от закона изме­нения момента нагрузки и определяется уравнением

U^/₁ /U₁ = (f₁ ^//f₁) (15.4)

 

где U₁ и М — напряжение и момент при частоте f₁; U'₁ и М' -напряжение и момент при частоте f '₁.

Если частота вращения двигателя регулируется при условии постоянства момента нагрузки ( М = М' = const), то подводимое к двигателю напряжение необходимо изменять пропорционально изменению частоты тока:

U'₁ = U₁ f '₁/f₁ (15.5)

При этом мощность двигателя увеличивается пропорциональ­но нарастанию частоты вращения. Если же регулирование произ­водится при условии постоянства мощности двигателя ( Р_эм = Мω ₁ = const), то подводимое напряжение следует изменять в соответствии с законом

U'₁ = U_{1 .} (15.6)

Частотное регулирование двигателей позволяет плавно изме­нять частоту вращения в широком диапазоне (до 12: 1). Однако источники питания с регулируемой частотой тока удорожают установку. Поэтому частотное регулирование до последнего времени применялось в основном для одновременного регулирования группы двигателей, работающих в одинаковых условиях (напри­мер, рольганговых двигателей). Но благодаря развитию силовой полупроводниковой техники в последние годы созданы устройства частотного регулирования, технико-экономические показатели которых оправдывают их индивидуальное применение для регули­рования частоты вращения одиночных двигателей.

Использование асинхронных двигателей, укомплектованных такими устройствами для частотного регулирования, наиболее целесообразно в пожаро- и взрывоопасных средах (химическая и нефтеперерабатывающая промышленность), где применение коллекторных двигателей (см. гл. 29) недопустимо.

Регулирование частоты вращения изменением числа полюсов обмотки статора. Этот способ регулирования частоты вращения дает ступенчатую регулировку. Так, при f₁ =50 Гц и р = 1÷ 5 пар полюсов можно получить следующие синхронные частоты вращения: 3000, 1500, 1000, 750, 600 об/мин.

Изменять число полюсов в обмотке статора можно либо укладкой на статоре двух обмоток с разным числом полюсов, либо укладкой на статоре одной обмотки, конструкция которой позволяет путем переключения катушечных групп получать различное число полюсов. Последний способ получил наибольшее применение.

Принцип преобразования четырехполюсной обмотки в двух­полюсную (для одной фазы) показан на рис. 15.12: при последова­тельном согласном соединении двух катушек возбуждаемое ими магнитное поле образует четыре полюса (рис. 15.12, а); при по­следовательном встречном (рис. 15.12, б) или параллельном со­единениях (рис. 15.12, в) — два полюса. Таким образом, принцип образования полюсно переключаемой обмотки основан на том, что каждая фаза обмотки делится на части (катушечные группы), из­меняя

 

Рис 15.12. Схемы включения обмотки статора

на разное число полюсов

 

 

схему соединения которых получают разное число полюсов.

Возможны два режима работы асинхронных двигателей с по­люсно переключаемыми обмотками:

режим постоянного момента (рис. 15.13, а) — при переключении двигателя с одной частоты вращения на другую вращающий момент на валу двигателя М₂ остается неизменным, а мощность Р₂ изменяется пропорционально частоте вращения n₂:

 

 

Рис. 15.13. Схемы переключения числа полюсов и механиче­ские характеристики в режимах постоянного момента (а) и постоянной скорости (б)

 

Р₂ = 0, 105 М₂ n₂ (15.7)

режим постоянной мощности (рис. 15.13, б) — при переключении двигателя с одной частоты вращения на другую мощность P₂ остается примерно одинаковой, а момент на валу M₂ изменяется соответственно изменению частоты вращения n₂:

М₂ = 9, 55 Р₂/ n₂. (15.8)

Если на статоре расположить две полюсно переключаемые обмотки, то получим четырехскоростной двигатель. Однако воз­можно применение и одной обмотки, допускающей путем пере­ключения катушечных групп получение до четырех вариантов различных чисел полюсов. Например, асинхронный двигатель ти­па 4А180М12/8/6/4 имеет на статоре обмотку, допускающую пере­ключение на 12, 8, 6, 4 полюса.

Регулирование частоты вращения изменением числа полюсов на статоре применяют исключительно в асинхронных двигателях с короткозамкнутым ротором, так как число полюсов в обмотке этого ротора всегда равно числу полюсов статора и для изменения частоты вращения достаточно изменить число полюсов в обмотке ротора. В случае же фазного ротора пришлось бы и на роторе применить полюсно переключаемую обмотку, что привело бы к недопустимому усложнению двигателя.

Контрольные вопросы

1. Какими показателями характеризуются пусковые свойства асинхронных дви­гателей? 2. Каковы достоинства и недостатки пусковых свойств асинхронных двигателей?

3. Как лучше, с точки зрения улучшения пусковых свойств, уменьшить пуско­вой ток: снижением подводимого к двигателю напряжения или увеличением активного сопротивления в цепи обмотки ротора?

4. Каковы достоинства и недостатки пуска асинхронных двигателей непосред­ственным включением в сеть?

5. Какие существуют способы пуска асинхронных двигателей при пониженном напряжении?

6. В чем сущность эффекта вытеснения тока и почему он возникает при пуске двигателя и почти исчезает при его работе?

7. Почему бутылочная форма паза ротора способствует лучшему проявлению эффекта вытеснения тока?

8. Перечислите способы регулирования частоты вращения асинхронных двига­телей и дайте им сравнительную оценку.

9. Почему при частотном регулировании частоты вращения одновременно с частотой тока необходимо изменять напряжение?

 

 

ГЛАВА 16

• Однофазные и конденсаторные асинхронные двигатели

§16.1. Принцип действия и пуск однофазного асинхронного двигателя

По своему устройству однофазный асинхронный двигатель аналогичен трехфазному и состоит из ста­тора, в пазах которого уложена однофазная обмотка (см. рис. 8.8), и короткозамкнутого ротора. Особен­ность работы однофазного асинхронного двигателя заключается в том, что при включении однофазной обмотки статора С1—С2 в сеть (рис. 16.1) МДС ста­тора создает не вращающийся, а пульсирующий маг­нитный поток (см. § 9.4) с амплитудой Ф_mах, изме­няющейся от + Ф_mах до – Ф_mах При этом ось магнитного потока остается неподвижной в про­странстве.

Для объяснения принципа действия однофаз­ного двигателя пульсирующий поток Ф_mах разло­жим на два вращающихся в противоположные стороны потока Ф_пр и Ф_обр (рис. 16.2), каждый из которых равен 0, 5Ф_max и вращается с частотой (об/мин)

n_пр = n_обр = f₁60/ p = n₁

Условимся считать поток Ф_пр вращающийся в на­правлении вращения ротора, прямым, а поток Ф_о6р -обратным. Допустим, что ротор двигателя вращает­ся против часовой стрелки, т. е. в направлении пото­ка Ф_пр.

Частота вращения ротора n₂ меньше частоты вращения магнитного поля статора n₁, поэтому скольжение ротора относительно вращающегося по­тока Ф_пр будет

s_пр = (n₁ – n₂)/ n₁ = s (16.1)

Обратный поток Ф_обр вращается противополож­но ротору, поэтому частота вращения ротора n₂ от­носительно Ф_обр - отрицательная. В этом случае скольжение ротора относительно Ф_обр определится выражением

s_обр = (16.2)

 

Прямое поле наводит в обмотке ротора ЭДС Е_2пр, а обратное по­ле — ЭДС Е_2обр. Эти ЭДС создают в обмотке ротора токи I^/_2пр и I^/_2обр.

Известно, что частота тока в роторе пропор­циональна скольжению (f₂ = sf₁). Так как s_np < s_обр, то частота тока I^/_2обр намного больше частоты тока I^/_2пр. Так, для однофазного двигателя с n₁ = 1500 об/мин, n₂ = 1450 об/мин и f₁ = 50 Гц получим:

s_np = (1500 - 1450)/ 1500 = 0, 033;

f_2пр = 0, 033 - 50 = 1, 8 Гц;

s_обр = (1500 +1450)/ 1500 = 1, 96;

f_2о6р = 1, 96 - 50 = 98 Гц.

Рис.16.1 Схема включения однофазного

асинхронного двигателя

Индуктивное сопротивление обмотки ротора току I^/_2обр во много раз больше ее активного сопротивления (потому что f_2обр > > f_2пр). Ток I^/_2о6р являет­ся почти чисто индуктивным, оказывающим силь­ное размагничивающее действие на обратное поле Ф_обр. В результате обратное поле и обусловленный им момент М_обр оказываются зна­чительно ослабленными и ротор однофазного двигателя вращается и направлении прямого поля под действием момента

М = М_пр - М_06р, (16.3)

где М_пр — электромагнитный момент, обусловленный прямым полем.

 

 

Рис. 16.2. Разложение пульсирующего магнитного потока на два вра­щающихся

 

На рис. 16.3 представлен график зависимости вращающего момента М в функции скольжения s = s_пр. Этот график получен путем наложения графиков М_пр = f(s_np) и М_о6р = f(s_обр)- При малых значениях скольжения s, что соответствует работе двигателя в пределах номинальной нагрузки, вращающий момент Мсоздается главным образом моментом М_пр.

При s_пр = s_обр = 1 моменты М_пр и М_о6р равны, а поэтому пуско­вой момент однофазного двигателя равен нулю. Следовательно, однофазный асинхронный двигатель не может самостоятельно прийти во вращение при подключении его к сети, а нуждается в первоначальном толчке, так как лишь при s≠ 1 на ротор двигателя действует вращающий момент М = М_пр- М_обр

 

 

Рис. 16.3. Механические характе- Рис. 16.4. Схема однофазного ристики однофазного асинхронного асинхронного двигателя с пусковой двигателя обмоткой

 

Приведенные на рис. 16.3 зависимости моментов показывают, что однофазный асинхронный двигатель не создает пускового мо­мента. Чтобы этот момент появился, необходимо во время пуска двигателя создать в нем вращающееся магнитное поле. С этой целью на статоре двигателя помимо рабочей обмотки Априменяют еще одну обмотку — пусковую В. Эти обмотки располагают на статоре обычно так, чтобы их оси были смещены относительно друг друга на 90 эл. град. Кроме того, токи в обмот­ках статора и должны быть сдвинуты по фазе относительно друг друга. Для этого в цепь пусковой обмотки включают фазосмещающий элемент (ФЭ), в качестве которого могут быть применены активное сопротивление, индуктивность или ем кость (рис. 16.4). По достижении частотой вращения значения близкого к номинальному, пусковую обмотку Вотключают с по мощью реле. Таким образом, во время пуска двигатель является двухфазным, а во время работы — однофазным.

Для получения вращающегося магнитного поля посредством двух обмоток на статоре, смещенных относительно друг друга на 90 эл. град, необходимо соблюдать следующие условия (рис. 16.5):

а) МДС рабочей и пусковой обмоток и должны быть и равны и сдвинуты в пространстве относительно друг друга на 90 эл. град;

б) токи в обмотках статора и должны быть сдвинуты по фазе относительно друг друга на 90°.

При строгом соблюдении указанных условий вращающееся поле статора является круговым, что соответствует наибольшему вращающему моменту. При частичном нарушении какого-либо из условий поле статора становится эллиптическим, содержащим об­ратную составляющую (см. рис. 9.5, б). Обратная составляющая поля создает тормоз­ной момент и ухудшает пусковые свой­ства двигателя.

Из векторных диа­грамм, приведенных на рис. 16.6, видно, что активное сопротивле­ние и индуктивность в качестве ФЭ не обес­печивают получения фазового сдвига между токами в 90°. Лишь только емкость С в качестве ФЭ обеспе­чивает фазовый сдвиг ψ = 90°. Значение этой емкости выбирают та­ким, чтобы ток пусковой обмотки в мо­мент пуска (s = 1) опережал по фазе напря­жение , на угол φ _в, дополняющий угол φ _А до 90°:

Рис. 16.5. Получение вращающегося магнитного

поля двухфазной системой токов

Если при этом обе обмотки создают одинаковые по значению МДС, то в начальный период пуска вращающееся поле окажется круговым и двигатель будет развивать значительный начальный пусковой момент. Однако применение емкости в качестве ФЭ часто ограничивается значительными габаритами конденсаторов, тем более что для получения кругового поля требуются конденсаторы значительной емкости. Например, для однофазного двигателя мощностью 200 Вт необходима емкость 30 мкФ при рабочем на­пряжении 300—500 В.

Получили распространение однофазные двигатели с активным сопротивлением в качестве ФЭ. При этом повышенное активное сопротивление пусковой обмотки достигается тем, что она выполняется проводом уменьшенного сечения (по сравнению с проводом рабочей обмотки). Так как эта обмотка включена на непро­должительное время (обычно несколько секунд), то такая ее кон­струкция вполне допустима. Пусковой момент таких двигателей обычно не превышает номинального, но это вполне приемлемо при пуске двигателей при небольшой нагрузке на валу.

 

 

Рис. 16.6. Сравнение свойств фазосмещающих элементов:

а— активное сопротивление, б— индуктивность, в— емкость, г— механиче­ские характеристики двигателя при различных фазосмещающих элементах; 1 — активное сопротивление; 2— емкость

 

Применение емкости в качестве ФЭ позволяет получить пус­ковой момент М_п= (1, 6÷ 2, 0) М_ном. На рис. 16.6, г приведены меха­нические характеристики однофазного асинхронного двигателя при различных ФЭ. Для большей наглядности значения момента даны в относительных единицах.

⇐ Предыдущая34353637383940414243Следующая ⇒

Поделиться:

Популярное:

1. Cистемы зажигания двигателей внутреннего сгорания, контактная сеть электротранспорта, щеточно-контактный аппарат вращающихся электрических машин и т. п..
2. Cистемы зажигания двигателей внутреннего сгорания, контактная сеть электротранспорта, щеточно–контактный аппарат вращающихся электрических машин и т. п..
3. Автоматическое регулирование в области дуговой сварки
4. Автоматическое регулирование процесса
5. Автоматическое регулирование процесса сварки электронным лучом
6. Агрегатные состояния и превращения веществ
7. Административное регулирование в области природопользования: экологические нормативы и стандарты
8. Аналитический метод расчета рабочих характеристик асинхронных двигателей
9. АНТИКОРРУПЦИОННАЯ ЭКСПЕРТИЗА НОРМАТИВНЫХ ПРАВОВЫХ АКТОВ КАК МЕРА ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ КОРРУПЦИИ
10. Антимонопольное законодательство и антимонопольное регулирование.
11. Антимонопольное законодательство и регулирование
12. Б1.В.ОД.6 Государственное регулирование экономики