Регулирование частоты вращения асинхронного двигателя

Из формулы n = n₁(1 – s) = 60f₁(1 – s)/p следует, что изменение частоты вращения n возможно тремя способами: 1) изменением частоты f₁ питающей сети; 2) изменением числа полюсов 2p; 3) изменением скольжения s. Первые два изменяют частоту вращения поля статора, а третий осуществляется изменением уровня питающего напряжения или изменением сопротивления R_д в цепи ротора.

Частотное регулирование. При изменении частоты f₁ сети, питающей АД, необходимо одновременно изменять напряжение U₁ статора, поскольку изменение f₁ при U₁ = const вызывает изменение магнитного потока Ф_m: а) при увеличении f₁ поток Ф_m, а следовательно, и момент М уменьшаются; б) при уменьшении f₁ поток будет возрастать, что ведет к насыщению магнитной системы, увеличению потерь на вихревые токи и снижению КПД. Параметры U₁ и f₁ обычно изменяют так, чтобы сохранить перегрузочную способность λ_M = М_max/М_С = const:

.

Для механизмов: а) с постоянным моментом М_С; б) постоянной мощности Р_С; в) вентиляторного типа;

а) ; б) ; в) .

Рис. 28.5. Механические характеристики при изменении частоты f1: а – МС = const; б – PC = const; в – вентиляторного типа

Семейства механических характеристик для законов регулирования показаны на рис.28.5, где росту частоты f₁ соответствует смещение характеристик вверх (n » kf₁). На практике не всегда возможно точное следование законам. Например, при f₁ > f_1ном для серийных АД возможно небольшое и кратковременное превышение U₁ сверх номинального U_1ном. На низких частотах f₁ < f_1ном растет влияние сопротивления R₁ статора на магнитный поток и момент. Поэтому при f₁ < 20 Гц U₁ устанавливают больше значений.

Для управления АД применяют тиристорные и транзисторные преобразователи частоты (ПЧ). ПЧ с непосредственной связью с сетью содержат в каждой фазе анодно-катодную группу из шести тиристоров (или транзисторов) и позволяют регулировать как напряжение, так и частоту (только вниз от номинального значения). ПЧ с промежуточным звеном постоянного тока состоит из управляемого (блок УВ на рис. 28.6, а) или неуправляемого (блок В на рис. 28.6, б) выпрямителя, LС – фильтра (Φ) и автономного инвертора напряжения (АИН). В выпрямителе происходит выпрямление переменного напряжения сети.

Рис.28.6. Блок-схемы ПЧ с управляемым (а) и неуправляе- мым выпрямителем (б)

Инвертор преобразовывает постоянное напряжение в переменное заданной частоты.

На рис. 28.6, а регулирование напряжения и частоты выполняется раздельно с помощью блока управления напряжением (БУН) и блока управления частотой (БУЧ). В инверторе на рис.28.6, б с помощью блока управления (БУ) осуществляется изменение частоты выходного напряжения и регулирование его амплитуды с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ) напряжения. Это позволяет заменить управляемый тиристорный выпрямитель УВ более простым неуправляемым выпрямителем В.

На рис. 28.7 приведена схема трехфазного АИН на запираемых тиристорах VS1–VS6. Пусть f_1Т = = 1/Т_1Т – требуемая частота напряжения статора. Форма линейного напряжения на статоре может быть различной в зависимости от алгоритма коммутации тиристоров. Пусть в каждой фазе тиристоры открываются и закрываются попеременно через ∆t = Т_1Т/2 с фазным запаздыванием Т_1Т/3.

Рис. 28.7. Схема трехфазного инвертора напряжения

На рис. 28.8, а, б, в приведены временные диаграммы потенциалов точек А, В, С (потенциал нижней шины принят нулевым).

Рис. 28.8. Временные диаграммы работы АИН

Линейное напряжение U_АВ = φ_А – φ_В (рис. 28.8, г) является последовательностью разнополярных прямоугольных импульсов, первая гармоника которой изображена пунктиром. Данный инвертор допускает регулирование частоты f как вверх, так и вниз от номинального значения. Выходное напряжение инвертора с учетом ШИМ (рис. 28.8, д) состоит из импульсов повышенной частоты, имеющих различную ширину, которая устанавливается так, чтобы получить на выходе максимум первой гармоники. При использовании ШИМ возрастают требования к быстродействию ключей, которые выполняют на транзисторах или тиристорах. Обратновключенные диоды VD1–VD6 совместно с емкостью С₀ фильтра Ф образуют пути замыкания спадающих токов статорных обмоток.

Регулирование изменением числа пар полюсов осуществляется переключением обмоток статора с одинарной звезды на двойную (рис. 28.9, а, в) или с треугольника на двойную звезду (рис. 28.9, б, в).

Рис. 28.9. Схемы переключение обмоток с на (a), (в); с на (б), (в)

Пунктиром показаны образуемые при переключении соединения. Оба переключения уменьшают в два раза число пар полюсов, т. е. увеличивают в два раза угловую скорость. При переключении →

Р » 2Р_Y, М » М ;

при переключении →

Р » Р_∆, М » М_∆/2.

При наличии на статоре двух обмоток, одна из которых переключаемая, возможно получение трех разных частот вращения, например 3000/1500/1000 об/мин. Если обе обмотки переключаемые, то двигатель четырехскоростной, например 3000/1500/1000/500 об/мин.

Основной недостаток регулирования частоты изменением числа полюсов – ступенчатость регулирования с большим шагом частоты, а также увеличенные габариты, масса и стоимость двигателей.

Регулирование изменением скольжения выполняют изменением сопротивления R_р регулировочного реостата в цепи ротора (для двигателей с фазным ротором) либо изменением напряжения статора. Способы введения сопротивления R_д = R_р в цепь ротора такие же, как и в разделе «Пуск», с той разницей, что регулировочный реостат R_р в отличие от пускового R_п находится в работе продолжительное время и рассчитывается на большие тепловые перегрузки. Недостатки данного способа: 1) низкая экономичность из-за потерь в реостате R_р; 2) снижение жесткости механических характеристик; 3) частоту вращения можно регулировать только в сторону понижения.

Для изменения напряжения статора наибольшее распространение получили тиристорные регуляторы напряжения (ТРН). Трехфазный ТРН (рис. 28.10, а) содержит в каждой фазе два тиристора, включенных встречно-параллельно, что обеспечивает использование обоих полупериодов питающей сети.

Рис. 28.10. Система ТРН – АД: а – схема; б – кривые напряжения Uα; в – механические характеристики

Работа тиристоров управляется системой импульсно-фазового управления (СИФУ), формирующей импульсы управления U_α на управляющие электроды тиристоров. Угол управления α (рис. 28.10, б) зависит от внешнего сигнала U_у и может изменяться от 0 до 180°.

Напряжение, подаваемое на статор, несинусоидально, но наибольшее влияние оказывает его первая гармоника, амплитуда которой тем больше, чем меньше угол α. Изменение напряжения на статоре не изменяет скорости холостого хода и критического скольжения s_К, но изменяет величину критического момента М_max (рис.29.10, в), пропорционального U²_α.

Из рис. 28.10, в видно, что уменьшение U_α дает небольшой диапазон регулирования скорости и резкое снижение перегрузочной способности АД. Поэтому разомкнутая система на рис. 28.10, а используется в основном для управления ускорением АД и ограничения тока в переходных режимах, а также при пуске и торможении.

Замкнутая система ТРН – АД содержит тахогенератор BR постоянного тока и потенциометр R (рис. 28.11, а). Напряжение U_BR тахогенератора пропорционально частоте вращения U_BR = kn, т. е. BR – датчик частоты вращения n. Задающее напряжение U_з изменяется движком R. На вход СИФУ подается разностное напряжение U_С = U_з – U_BR = U_з –
– kn.

Пунктиром на рис. 28.11, б показаны характеристики разомкнутой системы для некоторых углов управления α₁, α₂. Пусть при U_з = U_з2 АД работал в точке 1, соответствующей α = α₂, и момент нагрузки на валу увеличился. Тогда начнется снижение угловой скорости АД и увеличение напряжения U_С. Рост U_С вызывает уменьшение угла α, т. е. рост напряжения на статоре. При некотором α = α₁ достигается равновесие моментов М = М_С (точке 2), но частота вращения n снизится незначительно (рис. 28.11, б).

Таким образом, механические характеристики замкнутой системы стали жесткими (сплошные линии на рис. 28.11, б). В замкнутой системе выходная величина (частота n) влияет на входную (напряжение статора), т. е. существует отрицательная обратная связь по скорости. Замкнутая система позволяет автоматически поддерживать заданную частоту вращения, причем частота n может регулироваться напряжением U_з.