§2.6. Регулирование угловой скорости трехфазных асинхронных двигателей

Трехфазные асинхронные двигатели используют в основном в приводах, не требующих широкого регулирования угловой скорости ротора. Однако в последнее время расширяется применение этих дешевых и надежных двигателей и в регулируемом электроприводе, в том числе в станках с числовым программным управлением. Основные способы регулирования угловой скорости ротора основаны на изменении скорости поля за счет изменения частоты напряжения питания или числа полюсов, т.к.

ω₂(1-s)ω₁ = (1-s)(2πf₁ /p_м)   (2.32)

Регулирование возможно также за счет изменения амплитуды напряжения питания, а у двигателей с контактными кольцами – изменения добавочного сопротивления в цепи ротора.

Регулирование переключением числа полюсов.
    Изменение числа пар полюсов p_м позволяет дискретно регулировать ω₂. Для реализации этого способа требуется либо укладывать на статоре несколько обмоток с различным p_м, либо выполнять одну обмотку из секций, выведенных на коммутатор. Переключая секции, можно получать различное число полюсов обмотки. В обоих случаях возрастают габариты, масса и стоимость, усложняется конструкция многоскоростных двигателей по сравнению с нормальными. Основным недостатком способа регулирования является ступенчатый характер изменения угловой скорости, число ступеней скорости не превышает 3/4. Диапазон регулирования не превышает D=4:1. Способ применяется только у двигателей с коротко замкнутым ротором, у которых число полюсов ротора автоматически становится равным числу полюсов обмотки статора.

Регулирование изменением частоты напряжения питания (частотное управление).
    У трехфазных асинхронных двигателей наиболее перспективным способом плавного регулирования является изменение частоты напряжения питания f₁ (cм. 2.32).При этом следует иметь ввиду, что для наилучшего использования двигателя изменение частоты должно сопровождаться изменением амплитуды напряжения питания. Объясняется это тем, что в соответствии с (1.5) при неизменной амплитуде напряжения и регулировании частоты изменяется магнитный поток машины Ф_m=U₁ /(4,44f₁w_1эф). Уменьшение f₁ вызовет увеличение Ф_m, что может привести к насыщению магнитопровода, резкому возрастанию намагничивающего тока и перегреву как стали, так и обмоток статора. Увеличение f₁ приводит к уменьшению Ф_m, что при М_ст=const в соответствии с (2.24) вызовет рост тока в роторе и, соответственно, перегрев ротора при недоиспользовании стали.
   Закон изменения напряжения зависит от изменения частоты питания и характера нагрузки. Если статический момент нагрузки Мст не зависит от скорости, то необходимо при регулировании частоты f1 так изменять напряжение U₁, чтобы

U₁ /f₁= const   (2.33)

Если же статический момент нагрузки обратно пропорционален скорости и мощность нагрузки М_стω₂ = const, то соотношение U₁ и f₁ должно иметь следующий вид: U₁ /(f₁)^1/2=const.
   На рис. 2.16 приведено семейство механических характеристик при изменении частоты и амплитуды напряжения в соответствии с выражением (2.33).

Рис.2.16

Как видно, с изменением частоты напряжения питания (f_1a>f_1b>f_1c) при неизменном моменте М_ном угловая скорость ротора ( ω_2a > ω_2b > ω_2c ) изменяется в широком диапазоне практически пропорционально частоте.
   С уменьшением частоты критическая угловая скорость уменьшается, максимальный момент в области высоких и средних частот остается неизменным, а в области малых частот несколько уменьшается. При этом в широком диапазоне сохраняется перегрузочная способность двигателя М_max /М_ном.
   Частотный способ позволяет устанавливать угловую скорость выше и ниже номинальной. Увеличение угловой скорости допускается (в основном из условий механической прочности) в I,5-2 раза больше номинальной. Нижний предел скорости ограничен тем, что технически сложно получить источники питания с низкой частотой, а также добиться достаточно равномерного вращения ротора двигателя. В разомкнутом приводе частотный способ управления позволяет изменять угловую скорость в диапазоне D = (20 - 30):1; в замкнутом приводе диапазон может быть существенно расширен с помощью обратных связей по скорости, току и напряжению.
   Препятствием для широкого внедрения частотного способа является сложность и весьма высокая стоимость полупроводниковых преобразователей частоты. Схема и алгоритмы управления таким приводом получаются более сложными, чем приводом постоянного тока, так как управлять приходится сразу двумя взаимосвязанными величинами: частотой напряжения и магнитным потоком - при существенно нелинейных характеристиках.
   Однако асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором благодаря отсутствию скользящего контакта являются более надежными и требуют меньше ухода в эксплуатации, чем коллекторные двигатели постоянного тока. При одинаковой мощности их стоимость в несколько раз меньше. Поэтому создание регулируемых асинхронных приводов с частотным управлением в целом ряде случаев является перспективным.

Регулирование изменением напряжения питания.
   В принципе такое регулирование возможно, однако используется очень редко. Объясняется это тем, что при малом S_кp, характерном для двигателей обычного исполнения, диапазон регулирования ω₁-ω_2кp очень узок.

Регулирование изменением сопротивления в цепи ротора.
    Реостатный и импульсный способы регулирования, основанные на изменении добавочного активного сопротивления реостата Rд, включаемого в цепь ротора двигателя с контактными кольцами, реализуются практически по тем же схемам, что и соответствующие способы пуска (см. § 2.5, рис. 2.13 и 2.14 ). Снижение жесткости механических характеристик при увеличении активного сопротивления в цепи ротора ограничивает диапазон регулирования до D =(2-3):1. Существенным недостатком являются также значительные потери мощности в цепи ротора, т.к. в процессе регулирования сильно растет скольжение.