Электропривод на базе асинхронных двигателей, страница 7

3.13.2.3. Область применения

Анализ особенностей данного способа регулирования показывает, что он неэффективен для использования в продолжительном режиме [40].

Даже для самой благоприятной нагрузке – вентиляторной (М≡Ω²) необходимо двух-трехкратное завышение установленной мощности двигателя с повышенным скольжением и интенсивный внешний обдув [40].

Данный метод широко применяется для решения следующих задач [30]:

- облегчения плавного пуска и торможения АД c ограничением пускового момента и токов;

- изменение направления вращения;

- для экономии энергии при недогрузках [40];

- для регулирования скоростью в насосных и вентиляторных установках, то есть в механизмах, у которых момент сопротивления при снижении угловой скорости резко снижается. Тем самым становится возможным регулировать скорость АД в области допустимых потерь энергии. Это позволяет создать простую и относительно недорогую систему регулируемого электропривода насосов и вентиляторов [30].

Данный способ применяется для двигателей малой мощности, которые имеют значительные активные сопротивления роторной обмотки и соответственно большие значения критического скольжения (sк=0,25-0,35). Снижение КПД двигателя, связанное с увеличением потерь мощности в роторе для двигателей малой мощности не имеет существенного значения [32].

3.13.3. Регулирование скорости вращения АД изменением числа пар полюсов.

Двигатели, допускающие регулирование скорости этим способом, получили название многоскоростных [36].

Принцип этого способа заложен в формуле для синхронной скорости вращения

₀=2f₁/p

То есть при постоянной частоте питающего напряжения f₁=const можно путем переключения числа пар полюсов осуществлять ступенчатое регулирование скорости вращения.

Если двигатель имеет фазный ротор, то переключение числа пар полюсов нужно производить одновременно как на статоре, так и на роторе, что усложняет конструкцию ротора (приводит к увеличению контактных колец). Поэтому этот способ регулирования скорости вращения используется на практике только в АД с короткозамкнутым ротором [18].

Изменение числа пар полюсов может достигаться следующими способами.

3.13.3.1. Двухобмоточные многоскоростные двигатели

а) На статоре укладываются две не связанные между собой обмотки с разным числом полюсов – двухобмоточные многоскоростные двигатели (двигатель 4А132М6/4У3 и др [9]).

Достоинство: Возможность реализации практически любого соотношения чисел пар полюсов обмоток. Как правило, такие двигатели выполняются с двумя обмотками с соотношением чисел пар полюсов от 1:3 до 1:12.

Недостаток: Экономичность такого способа невелика, поскольку при работе только одной обмотки, вторая не позволяет максимально эффективно использовать пазы статора АД. Из-за этого увеличиваются масса и габариты двигателя.

По стоимости и массе двухскоростной АД с короткозамкнутым ротором примерно на 40% дороже и тяжелее односкоростного АД [26].

3.13.3.2. Однообмоточные двухскоростные двигатели

б) Обмотка статора одна, но имеется возможность пересоединить ее отдельные части, то есть переключить схему соединения катушечных групп обмотки – однообмоточные двухскоростные двигатели (двигатель 4А100S8/4У3 и др. [9]).

Этот метод применяется для изменения числа полюсов двигателей в отношении 1:2 [14].

Рис.17. Схема переключения обмоток с последовательного согласного включения на последовательное встречное (б) и на параллельное встречное (в) [36]

Достоинство

Обмотка работает постоянно

Недостаток:

Усложнение коммутационной аппаратуры, в особенности, если с помощью одной обмотки желают получить более двух скоростей вращения [14].

3.13.3.3. Комбинированный способ.

Четырехскоростные двигатели. Устанавливают две не связанные между собой полюснопереключаемые обмотки (например, двигатель 4А180М12/8/6/4/2У3: одна обмотка переключается с 12 на 6 полюсов, вторая – с 8 на 4 полюса [9]).

Трехскоростные двигатели. Устанавливают две независимые обмотки, из которых только одна выполняется полюснопереключаемой (например, двигатель 4А112М6/4/2У3: одна обмотка рассчитана на 6 полюсов, вторая может переключаться с 2 на 4 полюса [9]).

3.13.3.4. Общие достоинства

... способа регулирования скорости АД изменением числа пар полюсов:

- простота реализации;

- высокая жесткость механических характеристик и отсутствие больших потерь скольжения;

При высокой жесткости механической характеристики изменение момента нагрузки не приводит к существенному изменению угловой скорости, что важно для ряда механизмов.

3.13.3.5. Общие недостатки:

- регулирование скорости ступенчатое, так как число пар полюсов может быть только целым числом. То есть в заданном диапазоне регулирования реализуется ограниченное число скоростей: для однообмоточных двигателей – обычно две; для двухобмоточных двигателей, как правило, четыре.

- такой способ регулирования скорости малопригоден для автоматизации [35].

- обмотка с переключением числа полюсов создает МДС с большей величиной высших гармоник поля, чем нормальная трехфазная обмотка. Это приводит к некоторому ухудшению энергетических показателей двигателей с переключением числа полюсов по сравнению с нормальными [14].

3.13.3.6. Реализация

Наиболее часто на практике встречаются две схемы переключения статорной обмотки многоскоростных АД:

а) с треугольника (Д) на двойную звезду (УУ).

Рис. 18. Схемы и обмоток и механические характеристики при переключение статорной обмотки с треугольника на двойную звезду [36].

Изначально секции каждой фазы статора включены в треугольник последовательно согласно (рис. 18а). Переключение на схему двойная звезда (рис. 18б) вызовет уменьшение в 2 раза числа пар полюсов АД (подобно переходу от рис. 17а к рис. 17в) [36].

При различном подключении фаз к источнику питания ток в обмотках статора не должен превышать допустимого (I_ном). С учетом этого, для схемы, приведенной на рис. 18а допустимая активная потребляемая мощность Р_1доп=3U₁I_1номcosφ_1. Для схемы двойная звезда (рис. 18б) Р_1доп=3U₁/sqrt(3)* 2I_1номcosφ_1уу=3,46U₁I_1номcosφ_1уу. Из полученных выражений следует, что при cosφ_1д ≈ cosφ_1уу допустимая мощность АД меняется незначительно. Поэтому при увеличении вдвое числа пар полюсов АД и уменьшении тем самым вдвое синхронной скорости допустимый момент на валу АД (Р/) увеличивается примерно в 2 раза [36].

С учетом прикладываемого напряжения к фазам вид механической характеристики изменится подобно тому, как показано на рис.11в. Полученные характеристики соответствуют регулированию скорости при постоянной мощности [36].

2) со звезды У (рис.19а) на двойную звезду УУ (рис. 18б).

Рис. 19. Схемы и обмоток и механические характеристики при переключение статорной обмотки со звезды на двойную звезду [36].

Изначально секции каждой фазы статора включены в звезду последовательно согласно (рис. 19а). Переключение на схему двойная звезда (рис. 18б) вызовет уменьшение в 2 раза числа пар полюсов АД (подобно переходу от рис. 17а к рис. 17в) [36].

В отличие от рассмотренной выше схемы переключения треугольник — двойная звезда, в которой регулирование скорости АД осуществляется при постоянной мощности нагрузки на его валу, в этой схеме изменение скорости может осуществляться при постоянном моменте нагрузки М_с. Это следует из рассмотрения выражений допустимой мощности АД [36]:

- для схемы звезда Р_1доп=3U₁/sqrt(3)* I_1номcosφ_1уу=1,73U₁I₁cosφ_1уу.

- для схемы двойная звезда Р_1доп=3,46U₁I_1номcosφ_1уу.

Из приведенных выражений видно, что допустимая мощность при переключении статорной обмотки на меньшее число пар полюсов (когда скорость АД увеличивается в 2 раза) возрастает также в 2 раза. Тем самым допустимые моменты при работе АД в обеих схемах включения примерно одинаковы и характеристики имеют показанный на рис. 19б вид [36].

Область применения:

На ЛА: Данный способ регулирования используется для изменения режима работы перекачивающих насосов топливной системы.

Кроме того: многоскоростные АД применяются в электроприводах к вентиляторам, насосам, металлорежущим и деревообрабатывающим станкам, где позволяют упростить "коробку скоростей" или совсем от нее освободиться [18], в грузовых и пассажирских лифтах [14].

3.13.4. Частотное управление АД

Регулирование скорости вращения АД путем изменения частоты напряжения f₁, подаваемого на обмотку статора.

Проанализируем возможности управления АД при изменении только частоты напряжения.

В пределах рабочего участка механической характеристики АД, когда ток статора существенно не превышает номинальное значение, ЭДС в обмотках статора E₁ незначительно отличается от напряжения сети [32]

U₁E₁= kФ_mf₁ (19)

Из этого выражения следует, что при U₁ = const изменение частоты f₁ приводит к изменению потока машины. При этом поток обратно пропорционален частоте f₁.

Для оптимального регулирования угловой скорости АД ниже номинальных значений необходимо, наряду с уменьшением частоты уменьшать также и напряжение на зажимах двигателя по определенному закону. При определенных допущениях этот закон записывается в следующем виде:

U₁/U_1ном=f₁/f_1ном*sqrt(M_н/М_{н ном}) (20).

Рис. 21. Схема (а) и механические характеристики (б) АД при частотном управлении [40].