Регулирование частоты вращения

Современный электропривод развивается в направлении расширения применения регулируемых и автоматизированных приводов, с помощью которых решаются новые технологические задачи, повышается точность обработки изделий, увеличивается производительность оборудования. Асинхронные двигатели составляют более 50% по мощности и более 80% по количеству используемых двигателей в мире и их доля в новых разработках постоянно увеличивается.

Наиболее совершенным способом управления асинхронными двигателями является частотное управление. Оно осуществляется с помощью электронных преобразователей частоты (ПЧ). Вход ПЧ подключается к однофазной или трехфазной сети переменного тока, а на его выходе формируется система трехфазных переменных напряжений или токов, амплитуда и частота которых задается соответствующими сигналами управления. Коэффициент полезного действия современных ПЧ составляет0,8-0,9. Они изготавливаются на мощности двигателей от десятков ватт до сотен киловатт. Регулирование выходной частоты происходит плавно в диапазоне до 1:100, а при установке соответствующих датчиков и до нескольких тысяч. Механические характеристики при частотном управлении при снижении частоты смещаются параллельно, заполняя непрерывно всю область между номинальной и минимальной частотой (рис. а)).

Такое же смещение, но дискретно можно получить путем применения специальных много скоростных двигателей, у которых можно переключать обмотки статора, изменяя число пар полюсов p. При этом синхронная скорость вращения изменяется обратно пропорционально p (рис. б)). Этот способ является наиболее простым и доступным, но обладает очень ораниченными возможностями.

Управлять частотой вращения можно также изменяя напряжение питания. При этом максимальный момент уменьшается пропорционально , а критическое скольжение остается постоянным. Этот способ имеет очень низкий КПД. Кроме того, при снижении напряжения питания резко снижается перегрузочная способность двигателя. Поэтому его можно использовать только в замкнутых системах управления для машин малой мощности. Однако с широким распространением электронных преобразователей частоты этот способ утратил свое значение и в настоящее время практически не применяется.

Последним способом управления асинхронными двигателями является способ изменения сопротивления цепи ротора. Этот способ может использоваться только в двигателях с фазным ротором, но для машин этого типа он является основным. Достоинством способа является простота и возможность регулирования скорости в пределах. 1:10 с сохранением перегрузочной способности двигателя. При изменении добавочного сопротивления максимальный момент остается постоянным, а изменяется критическое скольжение вплоть до 1,0. Недостатками его являются большие потери в добавочном сопротивлении, мягкие искусственные механические характеристики и относительно небольшой диапазон регулирования.

Потери энергии и КПД

Потребляемая двигателем из сети активная электрическая мощность преобразуется в механическую. При этом мощность потребляемая из сети всегда отличается от мощности на валу двигателя на величину потерь , происходящих в двигателе в процессе преобразования энергии, т.е. . Мощность потерь складывается из электрических, магнитных и механических потерь.

Электрические потери возникают при протекании токов в обмотках статора и ротора и зависят от нагрузки двигателя. Электрические потери в статоре и роторе равны соответственно и

Магнитные потери , т.е. потери вызванные наличием магнитного потока в магнитопроводе связаны с возникновением вихревых токов и с перемагничиванием стали, зависят только от величины магнитного потока и при постоянном напряжении питания также постоянны. Здесь следует оговориться, что в отличие от трансформатора постоянными будут только потери в магнитопроводе статора. В роторе они будут изменяться с нагрузкой, т.к. будет изменяться частота скольжения. Однако эта частота в номинальном режиме составляет величину порядка 2-3 Гц и при такой частоте потери в магнитопроводе ротора настолько малы, что их просто не учитывают. Магнитные потери в статоре пропорциональны приблизительно частоте питания .

Кроме этих потерь в двигателе существуют также механические потери , вызванные трением в подшипниках вала, трением ротора о воздух, а в двигателях с фазным ротором еще и трением щеток о контактные кольца. Механические потери пропорциональны приблизительно второй степени скорости вращения.

Таким образом, энергетический баланс машины с учетом сказанного можно представить в виде уравнения или энергетической диаграммы (см. рисунок).

Мощность передаваемая магнитным полем через рабочий зазор машины d называют электромагнитной мощностью. Она представляет собой активную мощность потребляемую из сети за вычетом электрических и магнитных потерь в статоре . Она может быть также представлена произведением момента на синхронную угловую скорость .

Механическая мощность ротора вращающегося с угловой скоростью W равна и составляет за вычетом механических потерь мощность на валу двигателя .

Из энергетической диаграммы следует, что электрические потери ротора , т.е. эти потери пропорциональны скольжению.

КПД двигателя можно определить в общем виде как . Пользуясь понятием коэффициента нагрузки , можно определить КПД двигателя как

Обычно КПД асинхронных двигателей составляет 0,75-0,95, причем большие значения относятся к двигателям большей мощности