Регулирование скорости асинхронных электродвигателей

Асинхронные двигатели (АД) являются в настоящее время са­мыми распространенными в промышленности. До недавнего времени АД применяли главным образом в нерегулируемых при­водах. Поэтому одной из важных проблем, стоящих перед элек­тротехнической промышленностью, является создание надеж­ных, экономичных, высокоэффективных систем регулируемых электроприводов переменного тока. По мере разработки необхо­димых электротехнических средств (преобразователей, систем управления и т. п.) регулируемые электроприводы переменного тока находят все более широкое применение в металлургиче­ских цехах.

Способы регулирования скорости асинхронного электропри­вода можно определить на основании анализа уравнения меха­нической характеристики двигателя

и формулы угловой скорости вращающегося поля статора

где U_ф — фазное напряжение сети; R_2∑ —приведенное к ста­тору сопротивление роторной цепи; (сопротив­ления обмотки ротора R'₂ и реостата R'_2p; R₁ — сопротивление обмотки статора; f_x — частота сети; р — число пар полюсов; S= (ω_о—ω)/ω_о — скольжение (ω — угловая скорость ротора); х_к — реактивное сопротивление короткого замыкания.

Из формул (40), (41) следует, что регулировать скорость асинхронного электропривода электрическим путем можно из­менением числа пар полюсов p, введением реостата в цепь ро­тора (R_Р2), изменением напряжения Uф, приложенного к статорной обмотке, изменением частоты переменного тока f₁

Изменением числа пар полюсов обеспечивается ступенчатое регулирование синхронной угловой скорости двигателя ω. Спо­соб этот весьма экономичен; недостатком его является ступен­чатость. Перегрузочная способность двигателя пропорциональна числу полюсов при заданной величине индукции. Для получе­ния заданной перегрузочной способности необходимо подбирать соотношения обмоток, что достигается изменением фазного на­пряжения (соединение обмоток звездой или треугольником) или числа витков (путем соединения отдельных частей обмо­ток последовательно или параллельно). С целью получения одинаковой перегрузочной способности при разном числе р применяются либо отдельные обмотки, либо полюсно переклю чаемые обмотки статора с двойной звезды на треугольник или с двойной звезды на звезду

Рис. 30. Механические характеристики асинхронного элек­тродвигателя при разных способах регулирования скорости.

Механические характеристики асинхронного электродвига­теля при данном способе регулирования приведены на рис. 30 а. Максимальный диапазон регулирования, обеспечи­ваемый переключением числа пар полюсов, составляет 6: 1 при использовании независимых обмоток. Серийно выпускаются двух- и трехскоростные крановые асинхронные электродвигатели серий МТКН, MTKF, например MTKF611-4/8/24 на 1415/690/165 об/мин мощностью соответ­ственно 30/15/3,7 кВт. Как видно из характеристики, номиналь­ная мощность электродвигателя уменьшается почти пропорцио­нально уменьшению частоты вращения. В металлургических це­хах этот метод регулирования нашел применение в приводах элеваторов, методических печей, барабанных смесителей, су­шильных барабанов, некоторых волочильных станов и т. п.

При регулировании скорости введением реостата в цепь ро­тора вся энергия скольжения выделяется в виде потерь в цепи электродвигателя. Потери мощности в реостате при этом со­ставят ΔР_Р = Р_Э S, где Р_э — электромагнитная мощность. Отсюда видно, что потери мощности в двигателе пропорциональны от­носительному перепаду угловой скорости.

Механические характеристики двигателя при данном спо­собе регулирования приведены на рис. 30, б. Недостатком этого способа является также уменьшение стабильности скорости при ее снижении, относительно малый диапазон регулирования (2: 1), ступенчатость. Однако благодаря простоте и малой стои­мости применяемой аппаратуры этот метод регулирования на­шел применение в асинхронном электроприводе металлургиче­ских кранов.

Частотное управление асинхронными электроприводами стало широко применяться благодаря разработке и внедрению надежных преобразователей частоты (ТПЧ). Достоинствами этого метода является то, что регулирование производится при малых потерях скольжения; возможно плавное изменение ско­рости и формирование необходимых механических характеристик; возможно применение в регулируемых электроприводах короткозамкнутых асинхронных двигателей, что очень важно для металлургического производства, учитывая надежность и простоту. Диапазон мощностей применяемых приводов пере­менного тока с частотным управлением составляет от несколь­ких киловатт до нескольких тысяч киловатт; диапазон регули­рования скоростей до 20:1, а в ряде случаев до 100:1. Для обеспечения высокой точности поддерживания скорости при­вода используют замкнутые системы регулирования.

Промышленностью освоены серии тиристорных преобразо­вателей частоты мощностью 10—500 кВА на выходное напря­жение 220, 380, 660 В и номинальную частоту 60, 70,200,400 Гц; диапазон регулирования частоты тока 5—60; 15—200 Гц и т. п. Преобразователи предназначены для питания двигателей серий НА, ВАО и др. Диапазон регулирования скорости 1: 10 и 1:30. Серийно изготовляются также тиристорные преобразователи частоты для крановых электродвигателей на весь диапазон их номинальных мощностей. Жесткость механических характери­стик и высокие значения критического момента двигателя обес­печиваются лишь в том случае, когда двигатель работает при постоянном магнитном потоке. А это требует, чтобы при дан­ном способе управления одновременно регулировались частота и величина питающего напряжения. Закон изменения напряже­ния и частоты определяется характером нагрузочного момента (42)

На рис. 30, в приведены механические характеристики асин­хронного электродвигателя, скорость которого регулируется из­менением частоты по закону (42). Характеристики обладают большой жесткостью, а само регулирование — плавностью и широким диапазоном. В промышленности используются два типа преобразователей частоты: с непосредственной связью (ПЧН) и с промежуточным звеном постоянного тока, инвертор-ного типа (ПЧИ). В ПЧН напряжение выходной частоты фор­мируется из отрезков синусоид питающего напряжения. Каж­дая фаза ПЧН состоит из двух встречно включенных групп вентилей, формирующих полуволны напряжения на нагрузке. Частота выходного напряжения определяется длительностью промежутков времени пропускания тока обеими группами, а га­шение вентилей происходит в момент смены полярности тока. Частота тока ПЧН всегда ниже частоты питающего напряже­ния. Регулирование напряжения осуществляется изменением угла открывания вентилей.

Преобразователи с промежуточным звеном постоянного тока ПЧН проще, чем преобразователи с непосредственной связью; проще и схема управления ими. Они позволяют плавно и в широких пределах регулировать выходную частоту незави­симо от частоты сети; выходное напряжение их сравнительно мало искажено. В соответствии с требованиями, предъявлен­ными к электроприводам, эти преобразователи должны обеспе­чивать глубокое двухзонное регулирование скорости, режим рекуперативного торможения с отдачей энергии в сеть, форми­рование требуемых механических характеристик.