Регулирование частоты вращения двигателя

Частота вращения асинхронного двигателя

.

Из этого равенства следует, что изменять частоту вращения можно изменением частоты числа пар полюсов и скольжения .

Регулирование изменением частоты тока статора (частотное регулирова­ние) требует применения источников питания с регулируемой часто­той. В качестве такого источника может быть использован синхронный генератор с переменной скоро­стью вращения или полупроводниковый преобразователь частоты. В этом случае частота вращения и частота враще­ния ротора изменяются пропорцио­нально частоте сети. Частотное регулирование обычно совмещают с изменением напряжения по закону .

К недостаткам частотного регулирования относятся громоздкость и высо­кая скорость питающей установки.

Для регулирования частоты вращения изменением числа пар полюсов применяют двигате­ли с короткозамкнутым ротором, у которых на статоре нескольких обмоток, размещенных в общих пазах и разное число пар полюсов или обмотки, которые позволяют получить различные числа пар полюсов путем из­менения (переключения) их схемы соединения.

Такое регулирование возможно, так как у короткозамкнутого двигателя число полюсов ротора всегда равно числу полюсов вра­щающегося магнитного поля. Регулирование изменением числа пар полюсов является ступенчатым и применяется для уменьшения числа ступеней в ко­робках скоростей, вентиляторах, насосах и др.

Двигатели с изменяемым числом пар полюсов называют многоскорост­ными. Их выпускают на две, три или четыре скорости вращения, причем двухскоростные изготавливают с одной обмоткой на статоре с переключе­нием числа пар полюсов в отношении , трехскоростные – с двумя обмот­ками на статоре, из которых одну выполняют двухскоростной с и четырехскоростные – с двумя обмотками, каждая из которых выпол­няется с переключением числа полюсов в отношении 2/1.

Масса и стоимость многоскоростных двигателей больше, чем односкоро­стных двигателей. Но их часто применяют в установках дискретного изменения частоты вращения.

Рис. 11.13

Регулирование скорости уменьшением напря­жения на статоре. При уменьшении напряжения момент двигателя изменяется пропорционально , что изменяет его механические характеристики, сле­довательно, и скольжение. Как видно из рисунка 11.13, пределы регулирования скорости соответст­вуют изменению скольжения в интервале . Схемы автоматического регулирования позволяют расширить зону регулирования в области и обеспечить при этом жесткие механические характе­ристики.

11.14. Однофазный асинхронный двига­тель

Принцип действия. Однофазный асинхронный двигатель – двигатель, на ста­торе которого однофазная обмотка, а на роторе – короткозамкнутая обмотка. Однофаз­ный ток статора создает пульсирующий магнитный поток, изменяющий свое направление с частотой напряжения сети. Этот поток все время направлен по осевой линии полюсов и изменяется во времени по синусоидаль­ному закону. Пульсирующий магнитный поток можно представить в виде двух вращающихся с одинаковой частотой в противоположном направлении пото­ков, амплитуды которых равны половине амплитуды пульсирующего потока. На рис. 11.14 а показаны векторы вращающихся потоков и в момент времен = 0, соответствующий амплитуде тока и магнитного потока однофазной обмотки.

а) б) в)

Рис. 11.14

Через время векторы и перемести­лись в противоположном направлении на угол (рис. 11.14 б) и результирую­щий поток , а его направление по-прежнему совпадает с осевой линией полюсов. На рис. 11.14 в показаны магнитные по­токи при , когда вращающиеся векторы и повернулись на угол и результирующий магнитный поток = 0. Дальнейшее изменение тока ведет к изменению направления потока и т. д.

Вращающиеся потоки создают вращающие моменты

и ,

где – скольжения ротора по отношению к прямому потоку (направления вращения ротора и потока совпадают) и обратному потоку

и .

На рис. 11.15 а приведены зависимости , и суммарного момента , а на рис. 11.15 б – соответствующие им механические характери­

а) б)

Рис. 11.15

стики. Анализ зависимостей и показывает, что при неподвижном роторе ( =0), =0, т.е. пусковой момент равен нулю. Если ротор приве­ден во вращение в ту или иную сторону, то один из моментов или бу­дет большим. Если при этом результирующий момент больше момента сопротивления , то двигатель достигнет определенной установившейся скоро­сти вращения.

Однофазный асинхронный двигатель с пусковой обмоткой (рис. 11.16) имеет дополнительную обмотку П, смещенную относительно рабочей обмотки Р на ноль электрических градусов. В цепь пусковой обмотки включен фазосмещающий элемент . Таким элементом может быть активное , емкостное и индуктивное сопротивления. На рис. 11.16 показаны векторные диаграммы токов с учетом активного и индуктивного сопротивлений самих обмоток. Из них видно, что при и ток в пусковой обмотке по фазе опережает ток в рабочей об­мотке на угол а при – отстает. Результирующая МДС обмоток создает вращающееся магнитное поле и пусковой момент. Лучшие условия пуска обеспечиваются при включении конденсатора в пусковую фазу. Так как требуемая емкость конденсатора значительна, этот метод пуска применяют при большом пусковом моменте. Чаще применяют пуск с помощью активного сопротивления. При этом пусковая обмотка должна быть выполнена с увеличенным активным сопротивлением.

Рис. 11.16

Трехфазный асинхронный двигатель в однофазном режиме. Возможны различные варианты использования трехфазных двигателей в однофазном ре­жиме. схемы включения показаны на рис. 11.17.

Рекомендуемые параметры:

емкости конденсаторов, мкФ и их рабочие напряжения:

для схемы рис. 11.17 а = 2800 , напряжение ;

для схемы рис. 11.17 б = 4800 ; напряжение ;

для схемы рис. 11.17 в = 1600 ; напряжение ;

для схемы рис. 11.17 г = 2740 . напряжение .

Нагрузка двигателя с конденсатором

.

При пуске с номинальным моментом общая емкость конденсатора должна составлять

С_п = С_р + С_о =(2,5…3,0)С_р,

а отключаемая после пуска С_о =(1,5…2,0)С_р,.

Для пуска без нагрузки отключаемый конденсатор не требу­ется.

а) б)

в) г)

Рис. 11.17

Пример 11.3. Определить параметры схемы (рис. 11.17 а) для пуска двига­теля 4А71АЧУ3, мощностью 0,55 кВт, напряжением 220/380 B и током 2,9/1,7 А при номинальной нагрузке.

Решение. Емкость конденсатора
= 12,5 мкФ. Емкость отключаемого конденсатора С_о =(1,5…2,0)С_р. Принимаем = мкФ.

Напряжение на конденсаторах = 1,15· = 1,15·380=437 В.

Выбираем пять конденсаторов типа БГТ по 6 мкФ с напряжением 600 В.

Синхронные машины

Общие сведения

Синхронными машинами называют электрические машины перемен­ного тока, у которых частота вращения ротора находится в строго постоянном соотношении с частотой тока электрической сети.

Трехфазные синхронные генераторы являются основными источниками электрической энергии. Первичными двигателями для них являются паровые или гидравлические турбины. По этому признаку генераторы называют турбо­генераторами и гидрогенераторами. На автономных электростанциях синхрон­ные генераторы имеют небольшую мощность и приводятся во вращение ди­зельными двигателями, газовыми турбинами или от ветроколеса.

К преимуществам синхронных генераторов следует отнести:

– способность вырабатывать как активную, так и реактивную мощность (с возможностью ее регулирования);

– возможность регулирования выходного напряжения;

– возможность работы как с сетью, так и в автономном режимах без при­менения каких-либо сложных дополнительных устройств;

– высокий КПД.

Синхронные двигатели имеют постоянную частоту вращения и поэтому применяются там, где не требуется регулирование частоты или она должна быть постоянной. Мощность синхронных двигателей составляет десятки, сотни и тысячи киловатт на крупных металлургических заводах, в шахтах и других предприятиях. Имеются также синхронные микродвигатели мощностью от до­лей ватта до десятков ватт, используемых в схемах автоматики. Синхронная машина, работающая в режиме генератора или двигателя, может служить ис­точником реактивной мощности. Специально предназначенный для этих целей ненагруженный активной мощностью двигатель называется синхронным ком­пенсатором.