Как можно изменить частоту вращения асинхронного двигателя

Асинхронные двигатели переменного тока являются самыми применяемыми электродвигателями абсолютно во всех хозяйственных сферах. В их преимуществах отмечается конструктивная простота и небольшая цена. При этом немаловажное значение имеет регулирование скорости асинхронного двигателя. Существующие способы показаны ниже.

Согласно структурной схеме скоростью электродвигателя можно управлять в двух направлениях, то есть изменением величин:

1. скорость электромагнитного поля статора;
2. скольжение двигателя.

Первый вариант коррекции, используемый для моделей с короткозамкнутым ротором, осуществляется за счет изменения:

• частоты,
• количества полюсных пар,
• напряжения.

В основе второго варианта, применяемого для модификации с фазным ротором, лежат:

• изменение напряжения питания;
• присоединение элемента сопротивления в цепь ротора;
• использование вентильного каскада;
• применение двойного питания.

Вследствие развития силовой преобразовательной техники на текущий момент в широком масштабе изготовляются всевозможные виды частотников, что определило активное применение частотно-регулируемого привода. Рассмотрим наиболее распространённые методы.

Частотное регулирование

Всего десять лет назад в торговой сети регуляторов частоты вращения скорости ЭД было небольшое количество. Причиной тому служило то, что тогда ещё не производились дешёвые силовые высоковольтные транзисторы и модули.

На сегодня частотное преобразование – самый распространённый способ регулирования скорости двигателей. Трёхфазные преобразователи частоты создаются для управления 3-фазными электродвигателями.

Однофазные же двигатели управляются:

• специальными однофазными преобразователями частоты;
• 3-фазными преобразователями частоты с устранением конденсатора.

Схемы регуляторов оборотов асинхронного двигателя

Для двигателей повседневного предназначения легко можно выполнить необходимые расчеты, и своими руками произвести сборку устройства на полупроводниковой микросхеме. Пример схемы регулятора электродвигателя приведён ниже. Такая схема позволяет добиться контроля параметров приводной системы, затрат на техническое обслуживание, снижения потребления электричества наполовину.

Принципиальная схема регулятора оборотов вращения ЭД для повседневных нужд значительно упрощается, если применить так называемый симистор.

Обороты вращения ЭД регулируются с помощью потенциометра, определяющего фазу входного импульсного сигнала, открывающего симистор. На изображении видно, что в качестве ключей применяются два тиристора, подключённых встречно-параллельно. Тиристорный регулятор оборотов ЭД 220 В достаточно часто применяется для регулирования такой нагрузки, как диммеры, вентиляторы и нагревательная техника. От оборотов вращения асинхронного ЭД зависят технические показатели и эффективность работы двигательного оборудования.

Заключение

На технорынке сегодня предлагаются в большом ассортименте регуляторы и частотные преобразователи для асинхронных электродвигателей переменного тока.

Управление способом варьирования частоты на данный момент – самый оптимальный способ, т. к. он позволяет плавно регулировать скорость асинхронного ЭД в широчайшем диапазоне, без значительных потерь и снижения перегрузочных способностей.

Тем не менее, на основе расчёта, можно самостоятельно собрать простое и эффективное устройство с регулированием оборотов вращения однофазных электродвигателей с помощью тиристоров.

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
s
возможно
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 U₁
двигатель
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/
(ω₁
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 ΔМ_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 Δn_2I,
а при введенном реостате — Δn_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
= ω₁p/
(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
= Мω₁
= 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?