ЕЛЕКТРОТЕХНІКА У БУДІВНИЦТВІ

Регулювання кутової швидкості асинхронних двигунів

Електроприводи з АД широко застосовують в різних технологічних уста­новках. Це пояснюється тим, що вони мають просту конструкцію, надійні в експлуатації, дешевші, значно легші і менші за розмірами ніж двигуни постій­ного струму тієї ж потужності. Крім того, деякі способи регулювання кутової швидкості не вимагають спеціальних перетворювальних пристроїв.

Найбільш часто трифазні АД регулюють: зміною додаткового опору в ко­лі ротора (реостатне регулювання); зміною напруги статора; спільною зміною частоти і напруги живлення (частотний спосіб); перемиканням числа полюсів обмотки статора двигуна. Для регулювання кутової швидкості, крім згаданих,
можуть бути використані і деякі інші способи: імпульсне регулювання, регулю­вання за допомогою електромагнітної муфти ковзання та ін.

15.3.1. Реостатне регулювання кутової швидкості АД. Механічні хара­ктеристики двигуна при регулюванні включенням опору до кола ротора (реос­татному регулюванні) показані на рис. 15.9. З рисунка видно, що чим більший опір (R1 < R2 < R3 < R4) підключають до роторного кола, тим меншу частоту обертання розвиває двигун при тому ж моменті Мст.

В роторному колі проходять великі струми, для яких складно створити резистори з безступеневою зміною опору. Тому конструктивно резистори, що забезпечують реостатне регулювання, виконують східчастими, отже і частоту обертання регулюють східчасто. Цей спосіб має ті ж недоліки і позитивні якос­ті, що й для двигунів постійного струму.

Діапазон регулювання непостійний і залежить від навантаження. Жорст­кість характеристик значно знижується в міру зменшення частоти обертан­ня, що обмежує діапазон регулювання до D = (2^3) : 1.

Істотними недоліками цього способу є значні втрати енергії, які пропорційні ковзанню: ЛР2 = P1s. Таке регулювання можливе тільки для АД з фазним ротором.

15.3.2. Регулювання АД зміною напруги на статорі двигуна. Критич­ний момент МК змінюється прямо пропорційно квадрату напруги U1, що підво­дять до двигуна, а sк від нього не залежить. Це визначає вигляд механічних ха­рактеристик, що відповідають різним значенням U1 (рис. 15.10).

Як правило, регулювання здійснюють зменшенням напруги. При цьому, як видно з рис. 15.10 (U11 > U21 > U31 > U41), частота обертання (критичне ков­зання) залишається постійною, а максимальний момент знижується пропорцій­но квадрату напруги.

Якщо Мст > Мк з, двигун не рушить з місця, тому необхідно запускати дви­гун при номінальній напрузі живлення або попередньо знімати з його вала на­вантаження. Діапазон регулювання невеликий (до шк).

Для збільшення діапазону регулювання до кола ротора вводять нерегульова - ний резистор, опір якого є достатнім, щоб одержати критичне ковзання ^ = 3 ^4. Та­ке регулювання (рис. 15.11) на відміну від реостатного дозволяє забезпечити плавну зміну частоти обертання й виключити контактну апаратуру в роторному колі.

Для зміни напруги при регулюванні використовують автотрансформато­ри, напівпровідникові підсилювачі, тиристорні регулятори напруги.

15.3.3. Регулювання асинхронного двигуна спільною зміною частоти і напруги (частотне регулювання). Найбільший практичний інтерес представ­ляє частотний спосіб плавного регулювання частоти обертання. Для найкращо­го використання АД при частотному регулюванні необхідно, щоб із зміною ча­стоти змінювалася напруга, що подається на статорні обмотки. Закон зміни на­пруги залежить від зміни частоти живлення і характеру навантаження.

Т ак, якщо статичний момент опору навантаження Мст не залежить від ча­стоти обертання, тобто Мст(ю) = const, необхідно при регулюванні зміною час­тоти f так змінювати напругу U1, щоб

U1 / f1 = const. (15.14)

Якщо ж статичний момент опору зворотно пропорційний частоті обер­тання, так що потужність навантаження Рст = Мс^а> залишається постійною, то співвідношення U1 і f1 повинне мати такий вигляд:

U / д/f — const.

На рис. 15.12 приведене сімейство механічних характеристик при зміні частоти напруги відповідно до виразу (15.12). Із зменшенням частоти (f11 >f21 >f31) критична частота обертання зменшується, при цьому в області високих і середніх частот крити­чний момент залишається незмінним, а в області малих частот трохи зменшується.

Частотний спосіб

дозволяє встановлювати

частоту обертання вище й ни­жче номінальної. Допускається збільшення частоти обертання в 1,5 - 2 рази більш за

номінальну, а зменшення в 10 - 15 разів менш за номінальну. Нижня межа обмежена тим, що технічно складно одержати джерела живлення з низькою частотою, а також домогтися досить рівномірного обертання вала двигуна. Таким чином, частотне регулювання дозволяє Рис. 15.12 - Механічні характеристики змінювати частоту °бертання в

АД при зміні частоти напруги на ста - діапазоні до D = (20 ^ 30) :1.

торі Нижня межа частоти обертання

може бути зменшеною уведенням зворотних зв'язків за частотою обертання, струмом і напругою.

Частотне керування є одним з ефективних за техніко-економічними пока­зниками способів керування АД. Робоча частина механічної характеристики має високу жорсткість при будь-якій частоті живленняf1. Втрати потужності невеликі, тому що двигун завжди працює при малих ковзаннях; плавність регу­лювання може бути практично будь-якою. Керування можна здійснювати, ви­користовуючи найбільш простий двигун з короткозамкненим ротором.

15.3.4. Регулювання асинхронного двигуна перемиканням числа пар полюсів. З виразу

0о = 2л/1/р (15.15)

видно, що при зміні числа пар полюсів р виходять механічні характеристики з різною частотою обертання ідеального холостого ходу 0а Оскільки значення р визначається цілими числами, то перехід від однієї характеристики до іншої в процесі регулювання носить східчастий характер. Існує два способи регулюван­ня швидкості зміною числа пар полюсів.

Перший спосіб. У пази статора укладаються дві обмотки з різним числом полюсів. Залежно від необхідної частоти обертання до джерела живлення під­ключається та або інша обмотка.

Другий спосіб. Обмотку кожної фази складають з двох частин, які в про­цесі регулювання з'єднують послідовно або паралельно. При цьому число пар полюсів змінюється в 2 рази.

Промисловість випускає спеціальні багатошвидкісні двигуни, у констру­кції яких передбачено можливість зміни числа пар полюсів.

Основним недоліком регулювання зміною числа пар полюсів є східчастий характер зміни частоти обертання. В той же час регулювання є економічним,
має високу стабільність частоти обертання і використовується в основному для асинхронного короткозамкненого двигуна. У гнучких автоматизованих вироб­ництвах воно застосовується для ряду металорізальних верстатів, що дозволяє зменшити кількість механічних передач у коробках швидкостей.

15.3.5. Тиристорне регулювання асинхронних двигунів. Широке впро­вадження напівпровідникових приборів в системи керування і регулювання ча­стоти обертання електроприводів обумовлено тим, що вони мають малі втрати енергії, високий коефіцієнт посилення по струму и потужності, малі габарити і значний термін експлуатації, високу надійність, практично безінерційні.

Найбільше розповсюдження отримали тиристорні схеми, які дозволяють змінювати напругу на асинхронному двигуні. Величина напруги при цьому ре­гулюється шляхом зміни кута керування тиристорами а.

Для довгочасної роботи на швидкостях, менших номінальної, застосову­ють тиристорні схеми регулювання напруги, які забезпечують симетричне ре­гулювання у всіх фазах як позитивної так і негативної напівхвиль змінної на­пруги. На рис.15.13 показано схему тиристорного регулятора напруги, яка до­зволяє плавно і в широкому діапазоні змінювати напругу иф на фазах статора АД і отримувати різні механічні характеристики, тобто регулювати обертовий момент двигуна. Силова частина схеми складається з тиристорів, які включені зустрічно-паралельно до кожної фази напруги статора АД.

Щоб мати широкий діапазон зміни швидкості в схемі застосовано регу­лювання з негативним зворотним зв’язком за швидкістю. Для цього напруга з тагохенератора итг, пропорційна швидкості обертання вала АД, подається на блок порівняння БП, де вона порівнюється з задаючою напругою из, яка уста­новлює потрібну швидкість. Якщо є розходження між заданою і фактичною швидкостями блок порівняння видає сигнал потрібного знаку, який після під­силення підсилювачем П подається на вхід блоку управління тиристорами БУ. Останній змінює кут керування тиристорами а, забезпечуючи величину напру­ги на статорі АД яка відповідає потрібній швидкості обертання. При зміні мо­менту опору на валу АД його швидкість змінюється за кривими, що аналогічні кривим 4 і 5 на рис. 15.6,б, нахил яких задається коефіцієнтом підсилення сис­теми авторегулювання швидкості.

Тиристорне регулювання швидкості застосовують для двигунів з корот­козамкненим і фазним ротором. Позитивною якістю тиристорного регулювання є відносно невеликі втрати в двигуні і задовільний його нагрів.

Рис.15.13 - Схема тиристорного регулювання АД (а), фазна напруга на статорі (в) і механічні характеристики (б): 1 - природна характеристика; 2 і 3 - характеристики розімкнутої системи;

4 і 5 - характеристики замкнутої системи.