Регулирование скорости асинхронного двигателя. Регулирование скорости АД изменением числа пар полюсов

Почти все станки в качестве электропривода оснащаются асинхронными двигателями. У них простая конструкция и не высокая стоимость. В связи с этим важным оказывается регулирование скорости асинхронного двигателя. Однако в стандартной схеме включения управлять его оборотами можно только с помощью механических передаточных систем (редукторы, шкивы), что не всегда удобно. Электрическое управление оборотами ротора имеет больше преимуществ, хотя оно и усложняет схему подключения асинхронного двигателя.

Для некоторых узлов автоматического оборудования подходит именно электрическое регулирование скорости вращения вала асинхронного электродвигателя. Только так можно добиться плавной и точной настройки рабочих режимов. Существует несколько способов управления частотой вращения путём манипуляций с частотой, напряжением и формой тока. Все они показаны на схеме.

Из представленных на рисунке способов, самыми распространёнными для регулирования скорости вращения ротора являются изменение следующих параметров:

· напряжения подаваемого на статор,

· вспомогательного сопротивления цепи ротора,

· числа пар полюсов,

· частоты рабочего тока.

Последние два способа позволяют изменять скорость вращения без значительного снижения КПД и потери мощности, остальные способы регулировки способствуют снижению КПД пропорционально величине скольжения. Но и у тех и других есть свои преимущества и недостатки. Поскольку чаще всего на производстве применяются асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором, то все дальнейшие обсуждения будут касаться именно этого типа электродвигателей.

Для частотного регулирования применяют в основном полупроводниковые преобразователи. Их принцип действия основан на особенности работы асинхронного двигателя, где частота вращения магнитного поля статора зависит от частоты напряжения питающей сети. Скорость вращения поля статора определяется по следующей формуле:

n1 = 60f/p, где n1 - частота вращения поля (об/мин), f-частота питающей сети (Гц), p-число пар полюсов статора, 60 - коэффициент пересчета мерности.

Для эффективной работы асинхронного электродвигателя без потерь нужно вместе с частотой изменять и подаваемое напряжение. Напряжение должно меняться в зависимости от момента нагрузки. Если нагрузка постоянная, то напряжение изменяется пропорционально частоте.

Современные частотные регуляторы позволяют уменьшать и увеличивать обороты в широком диапазоне. Это обеспечило их широкое применение в оборудовании с управляемой протяжкой, например, в многоконтактных станках сварной сетки. В них скорость вращения асинхронного двигателя, приводящего в движение намоточный вал, регулируется полупроводниковым преобразователем. Такая регулировка позволяет оператору, следящему за правильностью выполнения технологических операций, ступенчато ускоряться или замедляться по мере настройки станка.

Остановимся на принципе работы преобразователя частоты более подробно. В его основе лежит принцип двойного преобразования. Состоит регулятор из выпрямителя, импульсного инвертора и системы управления. В выпрямителе синусоидальное напряжение преобразуется в постоянное и подаётся на инвертор. В составе силового трёхфазного импульсного инвертора есть шесть транзисторных переключателей. Через эти автоматические ключи постоянное напряжение подаётся на обмотки статора так, что в нужный момент на соответствующие обмотки поступает то прямой, то обратный ток со сдвигом фаз 120°. Таким образом, постоянное напряжение трансформируется в переменное трёхфазное напряжение нужной амплитуды и частоты.

Необходимые параметры задаются через модуль управления. Автоматическая регулировка работы ключей осуществляется по принципу широтно-импульсной модуляции. В качестве силовых переключателей используются мощные IGBT-транзисторы. Они, по сравнению с тиристорами, имеют высокую частоту переключения и выдают почти синусоидальный ток с минимальными искажениями. Не смотря на практичность таких устройств, их стоимость для двигателей средней и высокой мощности остаётся очень высокой.

Регулировка скорости вращения асинхронного двигателя методом изменения числа пар полюсов также относится к наиболее распространённым методам управления электродвигателей с короткозамкнутым ротором. Такие моторы называются многоскоростными. Есть два способа осуществления этого метода:

· укладывание сразу нескольких обмоток с разными числами пар полюсов в общие пазы статора,

· применение специальной намотки с возможностью переключения существующих обмоток под нужное число пар полюсов.

В первом случае чтобы уложить в пазы дополнительные обмотки нужно уменьшить сечение провода, а это приводит к уменьшению номинальной мощности электродвигателя. Во втором случае имеет место усложнение коммутационной аппаратуры, особенно для трёх и более скоростей, а также ухудшаются энергетические характеристики. Более подробно этот и другие способы регулирования скорости асинхронного двигателя описаны в архивном файле, который можно скачать внизу страницы.

Обычно многоскоростные двигатели выпускаются на 2, 3 или 4 скорости вращения, причем 2-х скоростные двигатели выпускаются с одной обмоткой на статоре и с переключением числа пар полюсов в отношении 2: 1 = р2: pt , 3-х скоростные двигатели - с двумя обмотками на статоре, из которых одна выполняется с переключением 2: 1 = Рг: Pi , 4-х скоростные двигатели - с двумя обмотками на статоре, каждая из которых выполняется с переключением числа пар полюсов в отношении 2:1. Многоскоростными электродвигателями оснащаются различные станки, грузовые и пассажирских лифты, они используются для приводов вентиляторов, насосов и т.д.

3.Схема нереверсивного управления пуском трехфазного асинхронного двигателя с фазным ротором.

http://www.ngpedia.ru/pngs/016/0166rYE3L7C0J713C9B4.png\

3) три реле времени /РВ, 2PS и ЗРВ маятникового типа, механически сочлененные соответственно с контакторами К, /У и 2У;
4) кнопки «стоп» и «пуск».
В исходном положении, когда двигатель отключен, все контакторы выключены и в цепь каждой фазы ротора включено суммарное сопротивление гр\ + rp2 + грз всех трех ступеней пускового реостата. При нажатии кнопки «пуск» замыкается цепь катушки контактора К, контактор срабатывает и начинается первый этап пуска двигателя при полном сопротивлении в цепи ротора. Контактор К, срабатывая, приводит в действие механически сочлененное с ним реле времени IP В. Спустя /) секунд это реле замкнет свой контакт в цепи включающей катушки контактора /У.
Контактор 1У срабатывает, и в цепи ротора двигателя останутся включенными сопротивления гр2 + г„3 двух ступеней реостата. Этим начинается второй этап пуска двигателя. Контактор /У приведет в действие сочлененное с ним реле 2РВ, которое через 12 секунд замкнет свой контакт в цепи катушки контактора 2У. Контактор 2У сработает и выключит вторую ступень реостата. В цепи ротора останется включенным только сопротивление грз- Контактор 2У приведет в действие реле ЗРВ и спустя ta секунд замкнется цепь катушки контактора ЗУ. Последний сработает и замкнет обмотки ротора двигателя накоротко, чем и будет завершен процесс пуска двигателя.
При отключении двигателя надо нажать кнопку «стоп». При этом потеряют питание катушки контакторов К, /У, 2У и ЗУ. Контакторы отключатся и вся схема возвратится в исходное положение.
Выше были рассмотрены относительно простые схемы управления асинхронными двигателями. На практике применяются также более сложные схемы, позволяющие управлять процессом пуска, торможения, регулирования и стабилизации скорости электроприводов с двигателями постоянного и переменного тока.
Рис. 18 8. Схема управления пуском нереверсивного асинхронного двигателя с фазным ротором

4. Внутренние РУ

Распределительное устройство (РУ) - электроустановка, служащая для приёма и распределения электрической энергии одного класса напряжения.

Распределительное устройство содержит набор коммутационных аппаратов, вспомогательные устройства РЗиА и средства учёта и измерения

Кроме реостатного и прямого способов пуска асинхронных двигателей существует другой распространенный способ – переключением со звезды на треугольник .

Способ переключения со звезды на треугольник используется в двигателях, которые рассчитаны на работу при соединении обмоток треугольником. Этот способ осуществляется в три этапа. В начале, двигатель запускают при соединении обмоток звездой, на этом этапе двигатель разгоняется. Затем переключают на рабочую схему соединения треугольник, причем при при переключении нужно учитывать пару нюансов. Во-первых, нужно правильно рассчитать время переключения, потому что если слишком рано замкнуть контакты, то не успеет погаснуть электрическая дуга, а также может возникнуть короткое замыкание. Если переключение будет слишком долгим, то это может привести к потери скорости двигателя, а в следствии к увеличению броска тока. В общем, нужно четко скорректировать время переключения. На третьем этапе, когда обмотка статора уже соединена треугольником, двигатель переходит в установившийся режим работы.

Смысл этого способа в том что, при соединении обмоток статора звездой, фазное напряжение в них понижается в 1,73 раз. В такое же количество раз уменьшается и фазный ток, который протекает в обмотках статора. При соединении обмоток статора треугольником фазное напряжение равно линейному, а фазный ток в 1,73 раза меньше линейного. Получается, что соединяя обмотки звездой, мы уменьшаем линейный ток в 3 раза.

Чтобы не запутаться в цифрах, давайте рассмотрим пример.

Допустим, рабочей схемой обмотки асинхронного двигателя является треугольник, а линейное напряжение питающей сети 380 В. Сопротивление обмотки статора Z=20 Ом. Подключив обмотки в момент пуска звездой, уменьшим напряжение и ток в фазах.

Ток в фазах равен линейному току и равен

После разгона двигателя, переключаем со звезды на треугольник и получаем уже другие значения напряжений и токов.

Как видите линейный ток при соединении треугольником больше в 3 раза линейного тока при соединении звездой.

Данный способ запуска асинхронного двигателя применяется в тех случаях, когда присутствует небольшая нагрузка, либо когда двигатель работает на холостом ходу. Это связано с тем, что при уменьшении фазного напряжения в 1,73 раза, согласно формуле для пускового момента которая предоставлена ниже, момент уменьшается в три раза, а этого недостаточно, чтобы совершить пуск с нагрузкой на валу.

Где m – количество фаз, U – фазное напряжение обмотки статора,f – частота тока питающей сети, r1,r2,x1,x2-параметры схемы замещения асинхронного двигателя,p – число пар полюсов.

Долгое время в промышленности использовались нерегулируемые электроприводы на базе АД, но, в последнее время возникла надобность в регулировании скорости асинхронных двигателей .

Частота вращения ротора равна

При этом, синхронная частота вращения зависит от частоты напряжения и числа пар полюсов

Исходя из этого, можно сделать вывод, что регулировать скорость АД можно с помощью изменения скольжения, частоты и числа пар полюсов.

Рассмотрим основные способы регулировки.

Регулирование скорости с помощью изменения активного сопротивления в цепи ротора

Этот способ регулирования скорости применим в двигателях с фазным ротором . При этом в цепь обмотки ротора включается реостат, которым можно плавно увеличивать сопротивление. С увеличением сопротивления, скольжение двигателя растёт, а скорость падает. Таким образом, обеспечивается регулировка скорости вниз от естественной характеристики.

Недостатком данного способа является его неэкономичность, так как при увеличении скольжения, потери в цепи ротора растут, следовательно, КПД двигателя падает. Плюс к этому, механическая характеристика двигателя становится более пологой и мягкой, из-за чего небольшое изменение момента нагрузки на валу, вызывает большое изменение частоты вращения.

Регулирование скорости данным способом не эффективно, но, несмотря на это применяется в двигателях с фазным ротором.

Регулирование скорости двигателя с помощью изменения напряжения питания

Данный способ регулирования можно осуществить, если включить в цепь автотрансформатор, перед статором, после питающих проводов. При этом, если снижать напряжение на выходе автотрансформатора, то двигатель будет работать на пониженном напряжении. Это приведёт к снижению частоты вращения двигателя, при постоянном моменте нагрузки, а также к снижению перегрузочной способности двигателя. Это связано с тем, что при уменьшении напряжения питания, максимальный момент двигателя уменьшается в квадрат раз. Кроме того, этот момент уменьшается быстрее, чем ток в цепи ротора, а значит, растут и потери, с последующим нагревом двигателя.

Способ регулирования изменением напряжения, возможен только вниз от естественной характеристики, так как увеличивать напряжение выше номинального нельзя, потому что это может привести к большим потерям в двигателе, перегреву и выходу его из строя.

Кроме автотрансформатора, можно использовать тиристорный регулятор напряжения.

Регулирование скорости с помощью изменения частоты питания

При данном способе регулирования, к двигателю подключается преобразователь частоты (ПЧ). Чаще всего это тиристорный преобразователь частоты. Регулирование скорости осуществляется изменением частоты напряжения f, так как она в данном случае влияет на синхронную скорость вращения двигателя.

При снижении частоты напряжения, перегрузочная способность двигателя будет падать, чтобы этого не допустить, требуется повысить величину напряжения U 1 . Значение на которое нужно повысить, зависит от того какой привод. Если регулирование производится с постоянным моментом нагрузки на валу, то напряжение нужно изменять пропорционально изменению частоты (при снижении скорости). При увеличении скорости этого делать не следует, напряжение должно оставаться на номинальном значении, иначе это может причинить вред двигателю.

Если регулирование скорости производится с постоянной мощностью двигателя (например, в металлорежущих станках), то изменение напряжения U 1 необходимо производить пропорционально квадратному корню изменения частоты f 1 .

При регулировании установок с вентиляторной характеристикой , необходимо изменять подводимое напряжение U 1 пропорционально квадрату изменения частоты f 1 .

Регулирование с помощью изменения частоты, является наиболее приемлемым вариантом для асинхронных двигателей, так как при нем обеспечивается регулирование скорости в широком диапазоне, без значительных потерь и снижения перегрузочных способностей двигателя.

Регулирование скорости АД изменением числа пар полюсов

Такой способ регулирования возможен только в многоскоростных асинхронных двигателях с короткозамкнутым ротором, так как число полюсов этого ротора, всегда равно количеству полюсов статора.

В соответствии с формулой, которая рассматривалась выше, скорость двигателя можно регулировать изменением числа пар полюсов. Причём, изменение скорости происходит ступенчато, так как количество полюсов принимают только определённые значения – 1,2,3,4,5.

Изменение количества полюсов достигается переключением катушечных групп статорной обмотки. При этом катушки соединяются различными схемами соединения, например “звезда - звезда” или “звезда – двойная звезда”. Первая схема соединения даёт изменение количества полюсов в соотношении 2:1. При этом обеспечивается постоянная мощность двигателя при переключении. Вторая схема изменяет количество полюсов в таком же соотношении, но при этом обеспечивает постоянный момент двигателя.

Применение данного способа регулирования оправдано сохранением КПД и коэффициента мощности при переключении. Минусом же является более сложная и увеличенная конструкция двигателя, а также увеличение его стоимости.

В различных отраслях промышленности имеется очень много различных производственных механизмов, которые выполняют ограниченное количество операций, не требующих плавного регулирования скорости вращения и способных удовлетвориться лишь ограниченным числом скоростей. К числу подобных машин относят деревообрабатывающие и металлорежущие станки, лебедки нефтяных скважин, центробежные сепараторы и другие механизмы. Ограниченное количество скоростей вращение вполне может быть обеспечено многоскоростными короткозамкнутыми асинхронными электродвигателями. При этом возможны две конструкции электродвигателей: с несколькими обмотками на статоре, уложенными в одни и те же пазы, или с одной обмоткой, допускающей переключение ее для получения различного числа пар полюсов.

Взаимодействие МДС ротора и статора возможно только при условии равного количества пар полюсов обмоток статора и ротора. Поэтому изменяя количество пар полюсов статорной обмотки необходимо не забывать изменять количество пар полюсов и на обмотке ротора. Если рассматривать асинхронную машину с фазным ротором, то для выполнения этого условия необходимо наличие дополнительных контактных колец, что сильно увеличивает габариты и стоимость электрической машины. Короткозамкнутый ротор с беличьей клеткой обладает очень ценным свойством автоматического образования числа пар полюсов, равному числу пар полюсов МДС обмотки статора. Именно это свойство и обусловило использование именно короткозамкнутых роторов в многоскоростных асинхронных электродвигателях.

Многоскоростные двигатели с несколькими независимыми обмотками на статоре по экономическим и техническим показателям уступают однообмоточным. В многообмоточных машинах плохо используется обмотка статора, нецелесообразно заполнение паза статора, значения КПД и cos φ ниже оптимальных. Поэтому в последние временя большее распространение получили многоскоростные однообмоточные электрические машины с переключением на различное число пар полюсов. Суть данного способа заключается в том, что путем переключения направления тока в части обмотки изменяют распределение магнитодвижущей силы внутри расточки статора, результатом чего становится изменение скорости вращения магнитодвижущей силы, а следовательно, и магнитного потока в пространстве. Наиболее часто осуществляют переключения в соотношении 1:2. В этом случае обмотки каждой фазы выполняются в виде двух секций. Изменение направления тока в одной из них позволяет получить изменение числа пар полюсов в 2 раза. Рассмотрим это применительно к двигателю, переключаемому на 8 и 4 полюса.

На рисунке ниже для простоты изображена обмотка одной фазы, состоящей из двух секций:

При последовательном соединении секций, то есть при соединении конца первой секции 1К с началом второй 2Н, получаем 8 полюсов или 4 пары. Если поменять направление тока во второй секции на обратное, то число полюсов, образуемое обмоткой, уменьшится в 2 раза. Изменение направления тока во второй секции может быть осуществлено путем разрыва перемычки между 1К – 2К. Количество образовавшихся при этом полюсов указано на рисунке б).

Такое же изменение числа полюсов можно получить, осуществив изменение направления тока во второй секции путем параллельного включения с первой (рисунок в)). В этом случае, точно также как и в предыдущем, обмотка образует 4 полюса, что соответствует вдвое большей скорости вращения электрической машины.

При сопоставлении схем обмоток многоскоростных электродвигателей предпочтение должно отдаваться схемам, обеспечивающим нужный характер зависимости допустимого по нагреву момента от скорости и имеющим наименьшее количество выводов и контактов.

Установим критерий, дающий возможность отнести соединение обмоток к той или иной группе. Момент, развиваемый асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором равен:

• р – число пар полюсов обмотки статора;
• N 2 – полное число стержней обмотки ротора (беличьей клетки);
• I 2 – ток стержня ротора;
• Ψ 2 – угол сдвига вектора тока относительно вектора ЭДС ротора;
• Ф – магнитный поток одной пары полюсов;

По условиям нагрева ротора (в случае пренебрежения ) ток I 2 при работе с различным числом пар полюсов должен оставаться одинаковым; cos ψ 2 в пределах от холостого хода до номинального момента остается близким к единице. При таких условиях момент электрической машины будет выражен равенством:

С другой стороны, электромагнитный момент в джоулях будет равен:

Приравняв друг к другу уравнения (2) и (3) и решая относительно Р, получим Р = 314с 1 Ф.

В полученное выражение подставим значение магнитного потока из выражения ЭДС обмотки статора и ротора:

Таким образом, электромагнитная мощность электрической машины при любом числе пар полюсов обмотки статора определяется отношением фазного напряжения статора к числу витков, последовательно соединенных в фазной обмотке. Пользуясь этим признаком, проанализируем рассмотренные выше способы переключения числа пар полюсов. Для большей наглядности воспользуемся упрощенными трехфазными изображениями для случаев переключения с большего числа пар полюсов на меньшее, в нашем случае с 8 на 4. На рисунке ниже приведена схема с сохранением для обеих скоростей последовательного соединения обмоток:

Видно, что левая схема (рисунок а)), в которой обе секции обтекаются токами одного направления, соответствует большему числу пар полюсов. В правой же схеме (рисунок б)) встречное направление токов указывает на меньшее число пар полюсов. В обоих случаях число последовательно соединенных витков в обмотке одной фазы остается одно и то же, и к ним прилагается одинаковое фазное напряжение. Отношение мощностей при обоих соединениях равно единице, что означает работу с постоянной мощностью Р = const.

На рисунке ниже приведены механические характеристики двухскоростного электродвигателя, работающего при Р = const:

В данном случае для сохранения постоянства мощности при переходе на вдвое большую скорость момент должен измениться обратно пропорционально скорости.

Схема переключения полюсов с помощью перехода с последовательного соединения секций на низшей скорости на параллельное для большей, приведено на рисунке ниже:

Нетрудно заметить, что параллельное соединение секций обмотки обеспечивает изменение направления тока в одной из секций. Последнее соответствует переходу на меньшее число пар полюсов. При этом обмотка образует две параллельные звезды, включенные на линейное напряжение. Используя приведенный выше критерий (4) видим, что при переходе на высшую скорость мощность возрастает в два раза, а именно:

Это соответствует работе при М = const. Механические характеристики двухскоростного электродвигателя при М = const показана на рисунке ниже:

Сравнивая схемы в отношении необходимого числа выводов и контактов на аппарат управления (контроллер, переключатель и тому подобное) видим, что при соединении по схеме требует девяти выводов и двенадцати контактов. Схема позволяет уменьшить количество выводов до 6, а количество контактов до 8.

В рассмотренных схемах на обеих скоростях сопряжения обмоток были выполнены либо последовательной, либо параллельной . При необходимости изменить напряжение, приходящееся на обмотку одной фазы, пользуются сопряжением обмоток , двойным треугольником, а в отдельных случаях смешанным звезда – треугольник. В последнем случае три секции обмотки образуют треугольник, а три оставшиеся секции присоединяются к вершинам треугольника, образуя, таким образом, лучи звезды. Примером подобных соединений может служить схема, получившая широкое распространение в приводе металлорежущих станков и осуществляющая переход с последовательного соединения треугольником на две параллельные звезды.

При работе на низшей скорости две секции обмотки каждой фазы, соединенные последовательно, образуют стороны треугольника, к вершинам которого подводится питание. В этом случае обе секции обмотки фазы обтекаются одним током, что соответствует большему числу пар полюсов. Для получения большей скорости вершины треугольника, образованного обмотками фаз, замыкаются накоротко, а питающие провода переносятся в средние точки соединения секций обмотки каждой фазы, образуя, таким образом, две параллельные звезды. Ниже показаны схемы включения обмоток на двух скоростях:

В этой схеме при работе на низкой скорости линейное напряжение приложено к двум последовательно соединенным секциям с общим числом витков 2 w c .

При соединении двойной звездой фазное напряжение приложено к одной секции. Из соотношения (4) получим соотношение мощностей:

Таким образом, схеме переключения числа пар полюсов последовательный треугольник – двойная звезда при работе на большой скорости мощность на 15,5% больше, чем на низкой. Обычно пренебрегают этим увеличением мощности и схему относят к P = const. Электродвигатели с переключением полюсов на 3 и 4 скорости изготавливаются с двумя обмотками на статоре. Каждая из обмоток может быть выполнена с переключением полюсов по схеме треугольник – двойная звезда.

В данном случае каждая из переключаемых обмоток представляет разомкнутый треугольник. Это делается для устранения нагрева неработающей обмотки током, созданным ЭДС, индуктированной магнитным потоком. За этот счет число выводов трехскоростного двигателя равно 10 и контактов 12, для четырехскоростного 14 и 18 соответственно.

Стоит отметить, что трудоемкость изготовления обмоток многоскоростных однообмоточных электрических машин значительно ниже, чем двухобмоточных. Итак, приняв трудоемкость изготовления обмотки односкоростного электродвигателя за 100%, трудоемкость изготовления двухобмоточного четырехскоростного двигателя составит 180%, в то время как однообмоточном четырехскоростном она составляет всего 120%.