Регулювання частоти обертання фазного ротора.

Частотне регулювання.

Цей спосіб дозволяє плавно збільшувати і плавно зменшувати частоту обертання ротору двигуна відносно її номінального значення. Разом з тим частотне регулювання n₂ не зводиться тільки до зміни f₁. З результатів аналізу виразу:

,

де U_1ф та E_1ф – відповідно, фазна напруга живлення та фазна ЕРС статорних обмоток АД,

випливає, що при U_1ф= const зміна f₁ викликає зміну Ф₁ у зворотній пропорції. Збільшення магнітного потоку полюсу поля статора призводить до насичення феромагнітних елементів магнітного кола двигуна і росту намагнічуючого індуктивного струму, а зменшення – погіршує перевантажувальну здібність (М_н/М_maх) двигуна.

Основний закон частотного регулювання був виведений М.П. Костенко і може бути відображений наступною формулою:

,

де U₁, f₁, M_k – поточні значення, відповідно, напруги живлення статорних обмоток, частоти напруги живлення статорних обмоток, моменту на валу двигуна; U_1н, f_1н , M_н – номінальні значення вказаних вище величин.

З формули випливає, що закони зміни U₁ та f₁ пов’язані між собою і визначаються характером зміни моменту на валу двигуна. Так, якщо регулювання частоти обертання ротора потрібно здійснювати підтримуючи постійним корисний момент на валу двигуна М₂ = const, то джерело живлення повинно давати можливість змінювати напругу і частоту напруги статорних обмоток за законом – U₁f₁= const. Щоб залишалася незмінною корисна потужність на валу двигуна Р₂= const (при цьому момент на валу двигуна змінюється за кривою), закон зміни U₁та f₁ повинен бути таким – U₁/(f₁)^1/2 = const.

На рис. 4.20 показано, як змінюється механічна характеристика АД при реалізації частотного (f₁₃> f₁₂ > f₁₁) способу регулювання n₂ за умовою: М₂ = const (рис. 4.20, а) та Р₂= const (рис. 4.20, б). Тут же наголосимо, що при здійсненні частотного регулювання жорсткість робочої ділянки механічної характеристики двигуна практично не змінюється.

Хоча при застосуванні даного способу регулювання можна як збільшувати так і зменшувати частоту обертання ротора відносно номінальної але не нескінченно. Верхня межа частоти обертання ротора n_2maх у більшості випадків обумовлена механічною міцністю двигуна. Тому на практиці n_2maх звичайно не перебільшує 2n_2н. Оскільки значне зменшення частоти обертання ротора може призвести до нестабільної роботи машини, то n_2min, як правило, є не меншою за 0,2n_2н.

Основною причиною, яка стримує широке впровадження частотного способу регулювання, є складність перетворювачів частоти напруги. Існуючі перетворювачі частоти умовно можна поділити на дві групи: електромашинні (фактично складаються з чотирьох машин змінного струму і мають низький ККД внаслідок чотирикратного перетворення енергії) та вентильні (складні напівпровідникові пристрої).

Полюсне регулювання.

На відміну від попереднього, цей спосіб не дозволяє плавно регулювати частоту обертання ротору АД. Оскільки шляхом зміни кількості пар полюсів поля статора можна отримати лише такі синхронні швидкості: 3000, 1500, 1000, 750, 600, 500 об/хв і т. ін., то тут регулювання n₂ здійснюється ступенями. Крім того, реалізувати полюсне регулювання можна тільки у спеціальних, так званих багатошвидкісних двигунах.

Фактично, статор двошвидкісного АД відрізняється від статора двигуна загального призначення тим, що тут кожна з фаз статорної обмотки поділена на дві частини. Отже, на щитку багатошвидкісного двигуна маємо як мінімум 12 затискачів статорних обмоток. Залежно від схеми з’єднання цих частин між собою – послідовно або паралельно кількість пар полюсів поля статора змінюється удвічі.

Залежно від схеми з’єднання статорних обмоток можливі два режими роботи багатошвидкісного двигуна – режим постійного моменту і режим постійної потужності. Поширені схеми з’єднання обмоток статора для отримання кількості пар полюсів р у відношенні 2/1, які забезпечують вказані вище режими роботи АД, показані на рис. 4.21. Тут же на рис. 4.21 показано, як в результаті переходу від однієї схеми з’єднання обмоток до іншої змінюється вигляд механічної характеристики двигуна.

.

Так, у разі переключення із одинарної зірки Y на схему подвійна зірка YY (рис. 4.21, а) кількість пар полюсів p статора зменшується у 2 рази і відповідно удвічі збільшується частота обертання ротора. При цьому, співвідношення номінальних потужностей Р_1н і моментів М_н двигуна будуть:

тут cosj_Y » cosj_YY, та:

.

При переключенні із трикутника D на подвійну зірку YY(рис. 4.21, б) кількість пар полюсів статора також зменшується, а частота обертання ротора збільшується удвічі. Співвідношення номінальних потужностей Р_1н і моментів М_н двигуна тут будуть:

тут cosj_D » cosj_YY, та:

Потужність на валу двигуна залишається незмінною і у разі переключення статорних обмоток із зірки Y на “зустрічну” зірку Y_з (рис. 4.21, в).

Зауважимо, що при полюсному регулюванні (переході від однієї схеми до іншої), без зміни напрямку обертання ротору, необхідно змінювати порядок чергування фаз підключення статорних обмоток двигуна. Це призводить до ускладнення комутаційної апаратури.

Регулювання частоти обертання фазного ротора.

Окрім розглянутих вище способів, регулювати частоту обертання фазного ротора можна шляхом зміни його активного опору, тобто змінюючи струм обмотки ротора.

У розділі “Пуск двигуна з фазним ротором” було показано, що при зміні трифазним реостатом (рис. 4.18) активного опору кола ротора змінюється вигляд механічної характеристики двигуна. Але ж при цьому, разом із зміною М_п (рис. 4.19) змінюється і частота обертання ротора (рис. 4.22) двигуна.

Зазначимо, що шляхом зміни активного опору кола ротора можна тільки зменшувати n₂ у порівнянні з n_2н. До того ж, оскільки із збільшенням r₂ робоча ділянка механічної характеристики двигуна стає “м’якою” і коливання моменту з боку робочої машини викликають суттєві коливання обертів ротора, то на практиці регулювання за цим способом здійснюють у дуже обмеженому діапазоні – 0,7n_2н < n₂ £ n_2н. При цьому використовують регулювальний реостат подібний до пускового але розрахований на тривалий режим роботи.