Способы регулирования напряжения двигателя
Асинхронный двигатель является наиболее массовым электрическим двигателем. Эти двигатели выпускаются мощностью от 0,1 кВт до нескольких тысяч киловатт и находят применение во всех отраслях хозяйства. Основным достоинством асинхронного двигателя является простота его конструкции и невысокая стоимость. Однако по принципу своего действия асинхронный двигатель в обычной схеме включения не допускает регулирования скорости его вращения. Особое внимание следует обратить на то, что во избежание значительных потерь энергии, а, следовательно, для короткозамкнутых асинхронных двигателей во избежание перегрева его ротора, двигатель должен работать в длительном режиме с минимальными значениями скольжения.
Асинхронный двигатель является наиболее массовым электрическим двигателем. Эти двигатели выпускаются мощностью от 0,1 кВт до нескольких тысяч киловатт и находят применение во всех отраслях хозяйства. Основным достоинством асинхронного двигателя является простота его конструкции и невысокая стоимость. Однако по принципу своего действия асинхронный двигатель в обычной схеме включения не допускает регулирования скорости его вращения. Особое внимание следует обратить на то, что во избежание значительных потерь энергии, а, следовательно, для короткозамкнутых асинхронных двигателей во избежание перегрева его ротора, двигатель должен работать в длительном режиме с минимальными значениями скольжения.
Рассмотрим возможные способы регулирования скорости асинхронных двигателей (см. рис.1). Скорость двигателя определяется двумя параметрами: скоростью вращения электромагнитного поля статора ω0 и скольжением s:
Рис.1. Классификация способов регулирования асинхронных двигателей Исходя из (1) принципиально возможны два способа регулирования скорости: регулирование скорости вращения поля статора и регулирование скольжения при постоянной величине ω0:
Скорость вращения поля статора определяется двумя параметрами (см.3.3): частотой напряжения, подводимого к обмоткам статора f1, и числом пар полюсов двигателя рп. В соответствии с этим возможны два способа регулирования скорости: изменение частоты питающего напряжения посредством преобразователей частоты, включаемых в цепь статора двигателя (частотное регулирование), и путем изменения числа пар полюсов двигателя. Регулирование скольжения двигателя при постоянной скорости вращения поля статора для короткозамкнутых асинхронных двигателей возможно путем изменения величины напряжения статора при постоянной частоте этого напряжения. Для асинхронных двигателей с фазным ротором, кроме того, возможны еще два способа: введение в цепь ротора добавочных сопротивлений (реостатное регулирование) и введение в цепь ротора добавочной регулируемой э.д.с. посредством преобразователей частоты, включаемых в цепь ротора (асинхронный вентильный каскад и двигатель двойного питания).
В настоящее время благодаря развитию силовой преобразовательной техники созданы и серийно выпускаются различные виды полупроводниковых преобразователей частоты, что определило опережающее развитие и широкое применение частотно-регулируемого асинхронного электропривода. Основными достоинствами этой системы регулируемого электропривода являются:
плавность регулирования и высокая жесткость механических характеристик, что позволяет регулировать скорость в широком диапазоне;
— экономичность регулирования, определяемая тем, что двигатель работает с малыми величинами абсолютного скольжения, и потери в двигателе не превышают номинальных;
Недостатками частотного регулирования являются сложность и высокая стоимость (особенно для приводов большой мощности) преобразователей частоты и сложность реализации в большинстве схем режима рекуперативного торможения.
Подробно принципы и схемы частотного регулирования скорости асинхронного двигателя рассмотрены ниже.
Изменение скорости переключением числа пар полюсов асинхронного двигателя позволяет получать несколько (от 2 до 4) значений рабочих скоростей, т.е. плавное регулирование скорости и формирование переходных процессов при этом способе невозможно.
Поэтому данный способ имеет определенные области применения, но не может рассматриваться, как основа для построения систем регулируемого электропривода.
2. Частотное регулирование асинхронных электроприводов:
Принципиальная возможность регулирования угловой скорости асинхронного двигателя изменением частоты питающего напряжения вытекает из формулы ω = 2π f1 (1 — s)/p. При регулировании частоты также возникает необходимость регулирования амплитуды напряжения источника, что следует из выражения U1 ≈ Е1 = kФf1. Если при неизменном напряжении изменять частоту, то поток будет изменяться обратно пропорционально частоте. Так, при уменьшении частоты поток возрастет, и это приведет к насыщению стали машины и как следствие к резкому увеличению тока и превышению температуры двигателя; при увеличении частоты поток будет уменьшаться и как следствие будет уменьшаться допустимый момент.
Для наилучшего использования асинхронного двигателя при регулировании угловой скорости изменением частоты необходимо регулировать напряжение одновременно в функции частоты и нагрузки, что реализуемо только в замкнутых системах электропривода. В разомкнутых системах напряжение регулируется лишь в функции частоты по некоторому закону, зависящему от вида нагрузки. Частотное регулирование угловой скорости электроприводов переменного тока с двигателями с короткозамкнутым ротором находит все большее применение в различных отраслях техники. Например, в установках текстильной промышленности, где с помощью одного преобразователя частоты, питающего группу асинхронных двигателей, находящихся в одинаковых условиях, плавно и одновременно регулируются их угловые скорости. Примером другой установки с частотно-регулируемыми асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором могут служить транспортные рольганги в металлургической промышленности, некоторые конвейеры и др.
Частотное регулирование угловой скорости асинхронных двигателей широко применяется в индивидуальных установках, когда требуется получение весьма высоких угловых скоростей (для привода электрошпинделей в металлорежущих станках с частотой вращения до 20 000 об/мин).
Экономические выгоды частотного регулирования особенно существенны для приводов, работающих в повторно-кратковременном режиме, где имеет место частое изменение направления вращения с интенсивным торможением.
Для осуществления частотного регулирования угловой скорости находят применение преобразователи, на выходе которых по требуемому соотношению или независимо меняется как частота, так и амплитуда напряжения. Преобразователи частоты можно разделить на электромашинные и вентильные. В свою очередь электромашинные преобразователи могут быть выполнены с промежуточным звеном постоянного тока и непосредственной связью. В последних используют коллекторную машину переменного тока, на вход которой подают переменное напряжение с постоянной частотой и амплитудой, а на выходе ее получают напряжение с регулируемой частотой и амплитудой. Электромашинные преобразователи с непосредственной связью практического применения не получили.
Источник
Способы регулирования напряжения для АД
Для регулирования напряжения на статоре могут быть использованы различные электромеханические устройства, а также тиристорного регулятора напряжения (далее ТРН) .
Рассмотрим способ регулирования скорости асинхронного двигателя изменением величины напряжения питания посредством применения ТРН, предназначенных для регулирования среднего значения напряжения в цепи статора асинхронного двигателя.
Различают ТРН с естественной, принудительной и искусственной коммутацией. При естественной коммутации тиристоры, включены в фазные обмотки статора или ротора встречно-параллельно. На рис.4 представлены схемы, которые могут применяться для двигателей с обмоткой статора, соединенной в звезду без нулевого провода.
Для всех схем естественной коммутации частота коммутации 
жестко связана с частотой сети и кратна ей, причем кратность определяется числом тиристоров в фазах. Число тиристоров в схемах ТРН может быть равным 6, 4, 3 и 2 . Это число одновременно характеризует их название: 6ТРН, 4ТРН, 3ТРН и 2ТРН.
Рис.4. Варианты исполнения ТРН с естественной коммутацией
тиристоров, а- по схеме 6ТРН в нулевой точке, по схеме 6ТРН в
фазах, б- по схеме 6ТРН в нулевой точке, в- по схеме 3ТРН в
фазах, г- по схеме 3ТРН в нулевой точке, д- по схеме 4ТРН в
фазах, е — по схеме 2ТРН,
При естественной коммутации изменение среднего значения напряжения осуществляется системой фазного управления, которая регулирует угол 
, соответствующий моменту времени, когда открываются тиристоры. При этом начало коммутации отдельных фаз строго синхронизировано с соответствующими напряжениями сети со стандартной частотой ( 
Гц) с учетом сдвига по фазе 0,0067 (для 3ТРН) или 0,0035 (для 6ТРН).
Время включенного состояния тиристора 
связано с углом проводимости
 | (17) |
Относительное время включенного состояния тиристора
 | (18) |
Углы и 
связаны сложной трансцендентной зависимостью, определяемой схемой тиристорного регулятора.
ТРН с искусственной коммутацией тиристоров применяются при импульсном управлении асинхронным двигателем.
Сущность такого управления заключается в том, что нулевые точки фазных обмоток статора замыкаются в звезду на заданный период через трехфазный выпрямительный мост тиристорным коммутатором. Величина этого периода зависит от времени открытого состояния тиристоров коммутатора. Хотя силовая часть схемы в этом случае усложняется по сравнению со схемой, когда используется естественная коммутация, однако она позволяет изменять в широких пределах частоту коммутации. Периоды включения двигателя и тиристора совпадают и определяются принятой частотой коммутации , которую практически выбирают такой, чтобы снизить по возможности электрические потери и уменьшить пульсации электромагнитного момента асинхронного двигателя. Для этого тиристор коммутируется с частотой, превышающей частоту сети.
Рис.5 Схема ТРН с импульсным управлением двигателем
Одна из возможных схем импульсного управления асинхронным двигателем показана на рис. 5.
По этой схеме режим коммутации обеспечивается с помощью импульсов от внешних источников постоянного тока СУ1 и СУ2. В этой схеме фазные обмотки статора АД замыкаются в звезду через силовой выпрямительный мост Д1 на время открытого состояния тиристора Т1. После подачи сигнала управления на Т1 двигатель подключается к сети, а конденсаторы С1 и С2 заряжаются от выпрямительного моста Д2 по цепи Д2R2C1T1C2. При последующей подаче управляющего сигнала на тиристор Т2 он так же открывается в результате чего происходит разряд конденсаторов С1 и С2 по контуру С1Т2С2Т1, а вследствие этого к тиристору Т1 прикладывается гасящее напряжение с последовательно включенных конденсаторов С1 и С2 и он закрывается.
После закрытия тиристора Т1 происходит разрыв звезды в фазных обмотках статора двигателя и он отключается от сети, а от моста Д1 эти конденсаторы С1 и С2 перезаряжаются. И как только произойдет очередное импульсное включение тиристора Т1, происходит следующий разряд конденсаторов С1 и С2 по вышеописанной схеме, вследствие чего уже к тиристору Т2 прикладывается гасящее напряжение. Таким образом, работа одного из тиристоров гасит работу другого.
Время открытого состояния тиристора Т1 является и временем работы двигателя, с увеличением относительного времени q (скважности) включения этого тиристора растут среднее значение напряжения на статоре и развиваемый двигателем момент. Если тиристор Т1 включен весь период коммутации ( 
), то к двигателю приложено все напряжение сети. Наоборот, когда 
, напряжение на статоре, а следовательно, и момент двигателя равны нулю. Так, регулируя время включенного состояния тиристора, меняют среднее значение напряжения, прикладываемого к двигателю.
Регуляторы статорного напряжения асинхронного двигателя не обеспечивают глубокого регулирования скорости на линейном участке его механической характеристики 
без добавочных резисторов в роторе. Поэтому целесообразно регулировать статорное напряжение при включении в цепь ротора нагрузочных резисторов (для АД с фазовым ротором).
Как упоминалось выше (12), момент асинхронного двигателя пропорционален квадрату напряжения на статоре, поэтому механические характеристики электропривода по системе ТРН-АД практически отличаются лишь в той мере, в какой отличаются зависимости квадратов скольжения при заданном относительном времени включения тиристоров.
Источник
Регулирование скорости асинхронного двигателя
Наиболее распространены следующие способы регулирования скорости асинхронного двигателя : изменение дополнительного сопротивления цепи ротора, изменение напряжения, подводимого к обмотке статора, двигателя изменение частоты питающего напряжения, а также переключение числа пар полюсов.
Регулирование частоты вращения асинхронного двигателя путем введения резисторов в цепь ротора
Введение резисторов в цепь ротора приводит к увеличению потерь мощности и снижению частоты вращения ротора двигателя за счет увеличения скольжения, поскольку n = n о (1 — s).
Из рис. 1 следует, что при увеличении сопротивления в цепи ротора при том же моменте частота вращения вала двигателя уменьшается.
Жесткость механических характеристик значительно снижается с уменьшением частоты вращения, что ограничивает диапазон регулирования до (2 — 3) : 1. Недостатком этого способа являются значительные потери энергии, которые пропорциональны скольжению. Такое регулирование возможно только для двигателя с фазным ротором.
Регулирование частоты вращения асинхронного двигателя изменением напряжения на статоре
Изменение напряжения, подводимого к обмотке статора асинхронного двигателя , позволяет регулировать скорость с помощью относительно простых технических средств и схем управления. Для этого между сетью переменного тока со стандартным напряжением U 1ном и статором электродвигателя включается регулятор напряжения .
При регулировании частоты вращения асинхронного двигателя изменением напряжения, подводимого к обмотке статора, критический момент М кр асинхронного двигателя изменяется пропорционально квадрату подводимого к двигателю напряжения U рет (рис. 3 ), а скольжение от U рег не зависит.
Рис. 1. Механические характеристики асинхронного двигателя с фазным ротором при различных сопротивлениях резисторов, включенных в цепь ротора
Рис. 2. Схема регулирования скорости асинхронного двигателя путем изменения напряжения на статоре
Рис. 3. Механические характеристики асинхронного двигателя при изменении напряжения подводимого к обмоткам статора
Если момент сопротивления рабочей машины больше пускового момента электродвигателя (Мс > Мпуск), то двигатель не будет вращаться, поэтому необходимо запустить его при номинальном напряжении Uном или на холостом ходу.
Регулировать частоту вращения короткозамкнутых асинхронных двигателей таким способом можно только при вентиляторном характере нагрузки. Кроме того, должны использоваться специальные электродвигатели с повышенным скольжением. Диапазон регулирования небольшой, до n кр.
Для изменения напряжения применяют трехфазные автотрансформаторы и тиристорные регуляторы напряжения.
Рис. 4. Схема замкнутой системы регулирования скорости тиристорный регулятор напряжения — асинхронный двигатель (ТРН — АД)
Замкнутая схема управления асинхронным двигателем , выполненным по схеме тиристорный регулятор напряжения — электродвигатель позволяет регулировать скорость асинхронного двигателя с повышенным скольжением (такие двигатели применяются в вентиляционных установках).
Регулирование частоты вращения асинхронного двигателя изменением частоты питающего напряжения
Так как частота вращения магнитного поля статора n о = 60 f /р, то регулирование частоты вращения асинхронного двигателя можно производить изменением частоты питающего напряжения.
Принцип частотного метода регулирования скорости асинхронного двигателя заключается в том, что, изменяя частоту питающего напряжения, можно в соответствии с выражением при неизменном числе пар полюсов р изменять угловую скорость n о магнитного поля статора.
Этот способ обеспечивает плавное регулирование скорости в широком диапазоне, а механические характеристики обладают высокой жесткостью.
Для получения высоких энергетических показателей асинхронных двигателей (коэффициентов мощности, полезного действия, перегрузочной способности) необходимо одновременно с частотой изменять и подводимое напряжение. Закон изменения напряжения зависит от характера момента нагрузки Мс. При постоянном моменте нагрузки напряжение на статоре должно регулироваться пропорционально частоте.
Схема частотного электропривода приведена на рис. 5, а механические характеристики АД при частотном регулировании — на рис. 6.
Рис. 5. Схема частотного электропривода
Рис. 6. Механические характеристики асинхронного двигателя при частотном регулировании
С уменьшением частоты f критический момент несколько уменьшается в области малых частот вращения. Это объясняется возрастанием влияния активного сопротивления обмотки статора при одновременном снижении частоты и напряжения.
Частотное регулирование скорости асинхронного двигателя позволяет изменять частоту вращения в диапазоне (20 — 30) : 1. Частотный способ является наиболее перспективным для регулирования асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Потери мощности при таком регулировании невелики, поскольку минимальны потери скольжения.
Большинство современных преобразователей частоты построено по схеме двойного преобразования. Они состоят из следующих основных частей: звена постоянного тока (неуправляемого выпрямителя), силового импульсного инвертора и системы управления.
Звено постоянного тока состоит из неуправляемого выпрямителя и фильтра. Переменное напряжение питающей сети преобразуется в нем в напряжение постоянного тока.
Силовой трехфазный импульсный инвертор содержит шесть транзисторных ключей. Каждая обмотка электродвигателя подключается через соответствующий ключ к положительному и отрицательному выводам выпрямителя. Инвертор осуществляет преобразование выпрямленного напряжения в трехфазное переменное напряжение нужной частоты и амплитуды, которое прикладывается к обмоткам статора электродвигателя.
В выходных каскадах инвертора в качестве ключей используются силовые IGBT-транзисторы. По сравнению с тиристорами они имеют более высокую частоту переключения, что позволяет вырабатывать выходной сигнал синусоидальной формы с минимальными искажениями. Регулирование выходной частоты I вых и выходного напряжения осуществляется за счет высокочастотной широтно-импульсной модуляции.
Регулирование частоты вращения асинхронного двигателя переключение числа пар полюсов
Ступенчатое регулирование скорости можно осуществить, используя специальные многоскоростные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором.
Из выражения n о = 60 f /р следует, что при изменении числа пар полюсов р получаются механические характеристики с разной частотой вращения n о магнитного поля статора. Так как значение р определяется целыми числами, то переход от одной характеристики к другой в процессе регулирования носит ступенчатый характер.
Существует два способа изменения числа пар полюсов. В первом случае в пазы статора укладывают две обмотки с разным числом полюсов. При изменении скорости к сети подключается одна из обмоток. Во втором случае обмотку каждой фазы составляют из двух частей, которые соединяют параллельно или последовательно. При этом число пар полюсов изменяется в два раза.
Рис. 7. Схемы переключения обмоток асинхронного двигателя: а — с одинарной звезды на двойную; б — с треугольника на двойную звезду
Регулирование скорости путем изменения числа пар полюсов экономично, а механические характеристики сохраняют жесткость. Недостатком этого способа является ступенчатый характер изменения частоты вращения асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Выпускаются двухскоростные двигатели с числом полюсов 4/2, 8/4, 12/6. Четырехскоростной электродвигатель с полюсами 12/8/6/4 имеет две переключаемые обмотки.
Использованы материалы книги Дайнеко В.А., Ковалинский А.И. Электрооборудование сельскохозяйственных предприятий.
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Подписывайтесь на наш канал в Telegram!
Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
Источник
