Число оборотов трехфазных двигателей

Регулирование частоты вращения асинхронного электродвигателя

Подписка на рассылку

• ВКонтакте
• Facebook
• ok
• Twitter
• YouTube
• Instagram
• Яндекс.Дзен
• TikTok

Рисунок 1. Асинхронный двигатель Асинхронный двигатель (рис. 1) имеет неподвижную часть, которая называется статор, и вращающуюся часть, именуемую ротором. Магнитное поле создается в обмотке, размещенной в статоре. Такая конструкция электродвигателя позволяет регулировать частоту его вращения различными способами.

Основные технические характеристики, учитываемые при изменении частоты вращения

При регулировании частоты вращения асинхронных электродвигателей следует учитывать несколько основных технических показателей, которые в значительной мере влияют на процесс работы двигателей.

1. Диапазон регулирования Д, то есть предел, до которого возможно изменять частоту вращения. Эта характеристика вычисляется по соотношению минимальной и максимальной частоты вращения.
2. Плавность регулирования — определяется по минимальному скачку частоты вращения электродвигателя, когда осуществляется переход одной механической характеристики на другую.
3. Направление изменения частоты вращения двигателя (так называемая зона регулирования). Номинальные условия работы определяют естественную механическую характеристику двигателя. Когда осуществляется процесс регулирования частоты вращения, эти характеристики (напряжение и частота питающей сети) начнут изменяться. В результате получаются искусственные характеристики, которые обычно ниже естественных.

Есть несколько способов регулирования частоты вращения электродвигателя:

Регулирование частоты вращения изменением частоты питающей сети

Регулирование частоты вращения путем изменения частоты в питающей сети считается одним из самых экономичных способов регулирования, который позволяет добиться отличных механических характеристик электропривода. Когда происходит изменение частоты питающей сети, частота вращения магнитного поля также меняется.

Преобразование стандартной частоты сети, которая составляет 50 Гц, происходит за счет источника питания. Одновременно с изменением частоты происходит и изменение напряжения, которое необходимо для обеспечения высокой жесткости механических характеристик.

Регулирование частоты вращения позволяет добиться различных режимов работы электродвигателя:

• с постоянным вращающим моментом;
• с моментом, который пропорционален квадрату частоты;
• с постоянной мощностью на валу.

В качестве источника питания для регулирования могут использоваться электромашинные вращающиеся преобразователи, а также статические преобразователи частоты, которые работают на полупроводниковых приборах, серийно выпускающихся промышленностью.

Несомненным преимуществом частотного регулирования является наличие возможности плавно регулировать частоту вращения в обе стороны от естественной характеристики. При регулировании достигается высокая жесткость характеристик и отличная перегрузочная способность.

Регулирование частоты вращения изменением числа полюсов

Регулирование частоты вращения путем изменения числа полюсов происходит за счет изменения частоты вращения магнитного поля статора. Частота питающей сети остается неизменной, в то время как происходит изменение частоты вращения магнитного поля и частоты вращения ротора. Они меняются обратно пропорционально числу полюсов. Например, число полюсов равно 2, 4, 6, 8, тогда обороты двигателя при изменении их количества будут составлять 3000, 1500, 1000, 750 оборотов в минуту.

Двигатели, которые обеспечивают переключение числа пар полюсов, имеют обычно короткозамкнутый ротор с обмоткой. Благодаря этому ротору обеспечивается возможность работы двигателя без дополнительных пересоединений в цепи.

Изменение частоты вращения включением в цепь ротора с реостатом

Еще одним способом изменения частоты вращения двигателя является включение в цепь ротора с реостатом. Такой метод имеет существенное ограничение, так как может быть применен только для двигателей с фазным ротором. Он обеспечивает плавное изменение частоты вращения в очень широких пределах. Минусом же являются большие потери энергии в регулировочном реостате.

Изменение направления вращения

Изменение направления вращения двигателя может быть осуществлено за счет изменения направления вращения магнитного поля, которое создается обмотками статора. Изменение направления вращения можно достичь, изменив порядок чередования тока в фазах обмотки статора.

Способы регулировки оборотов вращения асинхронных двигателей

Достаточно часто режим работы вспомогательного механизированного оборудования требует понижения штатных частот вращения. Добиться такого эффекта позволяет регулировка оборотов асинхронного двигателя. Как это сделать своими руками (расчет и сборку), используя стандартные схемы управления или самодельные устройства, попробуем разобраться далее.

Что такое асинхронный двигатель?

Электродвигатели переменного тока нашли довольно широкое применение в различных сферах нашей жизнедеятельности, в подъемно транспортном, обрабатывающем, измерительном оборудовании. Они используются для превращения электрической энергии, которая поступает от сети, в механическую энергию вращающегося вала. Чаще всего используются именно асинхронные преобразователи переменного тока. В них частота вращения ротора и статора отличаются. Между этими активными элементами обеспечивается конструктивный воздушный зазор.

И статор, и ротор имеют жесткий сердечник из электротехнической стали (наборного типа, из пластин), выступающий в роли магнитопровода, а также обмотку, которая укладывается в конструктивные пазы сердечника. Именно способ организации или укладки обмотки ротора является ключевым критерием классификации этих машин.

Двигатели с короткозамкнутым ротором (АДКР)

Здесь используется обмотка в виде алюминиевых, медных или латунных стержней, которые вставляются в пазы сердечника и с обеих сторон замыкаются дисками (кольцами). Тип соединения этих элементов зависит от мощности двигателя: для малых значений используют метод совместной отливки дисков и стержней, а для больших – раздельное изготовление с последующей сваркой между собой. Обмотка статора подключается с использованием схем «треугольника» или «звезды».

Двигатели с фазным ротором

К сети подключается трехфазная обмотка ротора, посредством контактных колец на основном валу и щеток. За основу принимается схема «звезда». На рисунке внизу представлена типичная конструкция такого двигателя.

Принцип работы и число оборотов асинхронных двигателей

Данный вопрос рассмотрим на примере АДКР, как наиболее распространенного типа электродвигателей подъемно-транспортном и обрабатывающем оборудовании. Напряжение от сети подается на обмотку статора, каждая из трех фаз которой смещена геометрически на 120°. После подачи напряжения возникает магнитное поле, создающее путем индукции ЭДС и ток в обмотках ротора. Последнее вызывает электромагнитные силы, заставляющие ротор вращаться. Еще одна причина, по которой все это происходит, а именно, возникает ЭДС, является разность оборотов статора и ротора.

Одной из ключевых характеристик любого АДКР является частота вращения, расчет которой можно вести по следующей зависимости:

n = 60f / p, об/мин

где f – частота сетевого напряжения, Гц, р – число полюсных пар статора.

Все технические характеристики указываются на металлической табличке, закрепленной на корпусе. Но если она отсутствует по какой-то причине, то определить число оборотов нужно вручную по косвенным показателям. Как правило, используется три основных метода:

• Расчет количества катушек. Полученное значение сопоставляется с действующими нормами для напряжения 220 и 380В (см. табл. ниже),

• Расчет оборотов с учетом диаметрального шага обмотки. Для определения используется формула вида:

где 2p – число полюсов, Z1 – количество пазов в сердечнике статора, y – собственно, шаг укладки обмотки.

Стандартные значения оборотов:

• Расчет числа полюсов по сердечнику статора. Используются математические формулы, где учитываются геометрические параметры изделия:

2p = 0,35Z1b / h или 2p = 0,5Di / h,

где 2p – число полюсов, Z1 – количество пазов в статоре, b – ширина зубца, см, h – высота спинки, см, Di – внутренний диаметр, образованный зубцами сердечника, см.

После этого по полученным данным и магнитной индукции нужно определить количество витков, которое сверяется с паспортными данными двигателей.

Способы изменения оборотов двигателя

Регулировка оборотов любого трехфазного электродвигателя, используемого в подъемно-транспортной технике и оборудовании, позволяет добиться требуемых режимов работы точно и плавно, что далеко не всегда возможно, например, за счет механических редукторов. На практике используется семь основных методов коррекции скорости вращения, которые делятся на два ключевых направления:

1. Изменение скорости магнитного поля в статоре. Достигается за счет частотного регулирования, переключения числа полюсных пар или коррекции напряжения. Следует добавить, что эти методы применимы для электродвигателей с короткозамкнутым ротором,
2. Изменение величины скольжения. Этот параметр можно откорректировать за счет питающего напряжения, подключения дополнительного сопротивления в электрическую цепь ротора, применения вентильного каскада или двойного питания. Используется для моделей с фазным ротором.

Наиболее востребованными методами являются регулирование напряжения и частоты (за счет применения преобразователей), а также изменение количества полюсных пар (реализуется путем организации дополнительной обмотки с возможностью переключения).

Типичные схемы регуляторов оборотов

На рынке сегодня есть широкий выбор регуляторов и частотных преобразователей для асинхронных двигателей. Тем не менее, для бытовых нужд подъемного или обрабатывающего оборудования вполне можно сделать расчет и сборку на микросхеме самодельного прибора на базе тиристоров или мощных транзисторов.

Ниже представлен пример схемы достаточно мощного регулятора для асинхронного двигателя. За счет чего можно добиться плавного контроля параметров его работы, снижения энергопотребления до 50%, расходов на техническое обслуживание.

Данная схема является сложной. Для бытовых нужд ее можно значительно упростить, используя в качестве рабочего элемента симистор, например, ВТ138-600. В этом случае схема будет выглядеть следующим образом:

Обороты электродвигателя будут регулироваться за счет потенциометра, который определяет фазу входного импульса, открывающего симистор.

Как можно судить из информации, представленной выше, от оборотов асинхронного двигателя зависят не только параметры его работы, но и эффективность функционирования питаемого подъемного или обрабатывающего оборудования. В торговой сети сегодня можно приобрести самые разнообразные регуляторы, но также можно совершить расчет и собрать эффективное устройство своими руками.

Устройство для регулирования числа оборотов асинхронного двигателя

В настоящее время известны схемы каскадного соединения асинхронного двигателя с коллекторным двигателем, при которых обмотка возбуждения коллекторного двигателя получает двойное питание: .от ротора главного асинхронного двигателя через посредство трансформатора с регулируемым передаточным числом и от преобразователя частоты, сидящего на одном валу с главным двигателем (General Electric Company). Недостатком этой схемы, однако, является выщеупомянутый трансформатор, который усложняет ее и допускает регулировку главного двигателя только скачками. Предлагаемое изобретение, также касающееся регулирования скорости асинхронного двигателя по Л1етоду каскадного соединения его-с многофазным коллекторным двигателем, имеет целью, исключив вышеупомянутый регулирующий трансформатор, упростить эту схему и дать устройство для регулирования числа оборотов асинхронного двигателя.

На чертеже фиг. 1 изображает схему соединений устройства для регулирования числа оборотов асинхронного двигателя, фиг. 2 — то же в другой форме выполнения.

Устройство для регулирования скорости асинхронного двигателя состоит в том, что в цепь ротора i, регулируемого асинхронного двигателя /Si — RI (фиг. 1, 2) включается коллекторная компенсированная мащина К, механически соединенная с вспомогательной асинхронной машиной 8 — -Й2. статор который приключен к трехфазной сети .L. Главный асинхронный двигатель Si — li.i сидит на одном валу с преобразователем частоты RO и статор 8 его питается от той же сети L. Питание же обмоток возбуждения F-F-F коллекторной мащины К происходит от преобразователя частоты RU, через посредство двух групп щеток 1, 2, 3 и 1, 2, 3, скользящих по коллектору преобразователя и изменяющих , при их относительном перемещении , величину напряжения РО. Преобразователь частоты, -йо через контактные кольца 0 соединяется с сетью L или непосредственно (фиг. 1), или через посредство статора 8 главной мащины 8 — Л, (фиг. 2).

Статор Sg преобразователя частоты лишен обмотки и служит лишь как магнитопровод и защитная часть.

Действие устройства для регулирования числа оборотов асинхронного двигателя 8 — R (фиг. 1) заключается в следующем. Неиспользованная в роторе RI главного двигателя электрическая энергия „скольжения подводится к компенсированному трехфазному коллекторному двигателю К, который вращает ротор И асинхронной машины, работающей при скоростях главного двигателя ниже синхронной, как генератор, т. е. неиспользованная энергия скольжения в роторе главного двигателя возвращается при посредстве коллекторной мащины и асинхронного генератора Ss — -Kg обратно в сеть L. Смещая подвижные щетки 1, 2, 3 на коллекторе преобразователя частоты И(,, тем самым изменяют величину напряжения РО, подводимого к каждой обмотке возбуждения F, F, F трехфазной коллектс рной машины , а следовательно, изменяют и величину крутящего момента, создаваемого ею. Таким образом, смещая подвижные щетки 1, 2, 3 преобразователя частоты, мы будем изменять величину скорости асинхронного генератора 82 — -Sg з следовательно, можем изменять, как величину мощ ности, возвращаемой ротором R главного двигателя в сеть, так и скорость его вращения.

Ни фиг. 2 показано видоизменение устройства (фиг. 1), заключающееся в том, что обмотка преобразователя частоты HQ присоединяется к сети L трехфазного тока не прямо, а через посредство статора 8 главного асинхронного двигателя; для этой цели концы всех трех фаз статора Si соединяются не в нулевую точку, как на предыдущей схеме (фиг. 1), .а соединяются с контактными кольцами KQ преобразователя. При такой схеме получается некоторый компаундирующий эффект. Действительно,

при возрастании, например, нагрузки на валу главного двигателя происходит следующее. Ток в роторе возрастает и напряжение на контактных кольцах JSTg увеличивается; благодаря этому возрастает магнитный поток коллекторного двигателя К vi в соответствии с этим увеличивается мощность, возвращаемая асинхронным генератором обратно в сеть, и число оборотов главного двигателя Si — KI падает.

Обмотка статора коллекторного двигателя К (фиг. 1,2) должна быть расчитана таким образом, чтобы магнитное поле, создаваемое рабочим током в якоре коллекторного двигателя было бы целиком укомпенсировано компенсирующей обмоткой S, S, S.

1.Устройство для регулирования числа оборотов асинхронного двигателя при помощи включенной в цепь его ротора компенсированной коллекторной машины, механически соединенной с вспомогательной асинхронной машиной, характеризующееся тем, что ток возбуждения к обмоткам F-F-F коллекторной машины К подводится от двух групп щеток 1, 2, 3 и 1, 2, 3, скользящих по коллектору преобразователя частоты В, насаженного на вал главного асинхронного двигателя и, через контактные кольца К(, электрически соединенного с питающей последний сетью, при чем одна группа щеток 1, 2, 3 неподвижна, а другая группа щеток 1, 2, 3, с целью регулирования тока возбуждения, может быть перемещаема по коллектору (фиг. 1).

2.Видоизменение охарактеризованного в п. 1 устройства, отличающееся тем, что преобразователь частоты RO через контактные кольца Кц электрически соединен последовательно со статором главного асинхронного двигателя (фиг. 2).

Общие сведения об электрических машинах — Регулирование скорости вращения трехфазных асинхронных двигателей

Содержание материала

• Общие сведения об электрических машинах
• Нагрев вращающихся машин переменного тока
• Номинальные режимы работы
• Конструктивные исполнения электрических машин
• Регулирование скорости вращения трехфазных асинхронных двигателей
• Изменение скорости вращения путем изменения первичного напряжения и другие
• Работа трехфазного асинхронного двигателя в неноминальных условиях
• Синхронные машины
• Неявнополюсные синхронные генераторы
• Системы возбуждения синхронных генераторов
• Машины постоянного тока
• Коллекторные машины постоянного тока
• Устройство и конструкция коллекторной машины постоянного тока
• Обмотки барабанных якорей
• Петлевые обмотки барабанных якорей
• Волновые обмотки барабанных якорей
• Комбинированная обмотка машин постоянного тока и выбор
• Характеристики генераторов постоянного тока
• Генератор смешанного возбуждения
• Сельсины
• Работа однофазных сельсинов в индикаторном режиме
• Поворотные трансформаторы
• Синхронные реактивные двигатели
• Однофазные реактивные двигатели
• Синхронный гистерезисный двигатель

Общие положения

Из выражения для скорости вращения трехфазного асинхронного двигателя, представленного в виде,

видны следующие принципиально возможные способы регулирования его скорости вращения:

1. путем изменения числа оборотов вращающегося магнитного поля пи что, в свою очередь, возможно осуществить двумя путями: а) изменением частоты напряжения подводимого к статору двигателя, б) изменением числа полюсов обмотки статора;
2. изменением скольжения двигателя s при данном числе оборотов вращающегося магнитного поля щ.

Следует иметь в виду, что у самовентилируемых двигателей при снижении скорости вращения ухудшаются условия охлаждения, и это необходимо учитывать при их нагрузке.
Рассмотрим, как практически может быть реализован каждый из этих способов.

Регулирование скорости вращения изменением частоты первичного напряжения (частотное регулирование)

Для этого способа регулирования скорости вращения необходим источник питания с регулируемой частотой. В установках малой и средней мощности им может быть синхронный генератор, работающий при
переменной скорости вращения, статический преобразователь частоты — ионный или полупроводниковый (транзисторный или тиристорный). Развитие полупроводниковых преобразователей делает этот источник переменной частоты все более перспективным. Необходимость в самостоятельном источнике питания двигателя, усложняя установку и повышая ее стоимость, ограничивает применение этого способа регулирования скорости вращения асинхронных двигателей.
При регулировании частоты необходимо стремиться к тому, чтобы избежать ухудшения характеристик двигателя. В большинстве случаев это достигается сохранением постоянства потока Ф, так как увеличение потока увеличивает насыщение магнитной цепи и намагничивающий ток, а уменьшение потока приводит к недоиспользованию машины, уменьшению перегрузочной способности и увеличению тока ротора /2 при требуемом значении момента М (182).
Пренебрегая относительно небольшим падением напряжения в обмотке статора, имеем
Отсюда видно, что для сохранения значения потока неизменным одновременно с регулированием частоты необходимо изменять напряжение по закону U1=f 1. Это, вообще говоря, означает дальнейшее усложнение источника питания.
В случае, когда статический момент сопротивления рабочей машины заметно уменьшается с уменьшением скорости вращения (прежде всего это относится к центробежным машинам с так называемой вентиляторной характеристикой момента Мст=п2), энергетические показатели привода (cos ф1 и г|) улучшаются при более быстром уменьшении напряжения сравнительно с уменьшением частоты; наблюдаемое уменьшение максимального момента Мтах с учетом характера изменения статического момента сопротивления с позиций перегрузочной способности в этом случае можно считать вполне приемлемым.

Регулирование скорости вращения изменением числа полюсов обмотки статора

Рис. 174. Схемы одной фазы трехфазной обмотки с переключением числа полюсов: а — 2 р = 4; б — 2 р =2.

Этот способ позволяет изменять скорость вращения только ступенями. Статор должен иметь одну специальную обмотку, допускающую переключение ее на две схемы по числу полюсов, или две. Для первого случая наиболее выполнимое соотношение полюсов равно двум, его обычно и выбирают.
Каждая фаза обмотки с переключением числа пар полюсов в отношении 2:1 состоит из двух частей (полуобмоток фаз) с одинаковым количеством катушечных групп в каждой части. Используется обычно двухслойная обмотка. Для переключения изменяют направление тока в половине катушек (рис. 174). Переключаемые части обмоток (полуобмотки фаз) можно соединять параллельно и последовательно. Переключения выполняют одинаково во всех фазах и одновременно.
Сопоставляя однообмоточный двигатель с переключением числа полюсов с двигателем, на статоре которого уложены две обмотки, каждая на свое число полюсов, можно отметить, что во втором случае ухудшено использование машины, так как на каждой ступени к сети подключена только одна из обмоток, размещенных на статоре. В то же время у двигателя с двумя обмотками на статоре схема переключателя полюсов проще, чем у однообмоточного двухскоростного двигателя, особенно если отношение двух скоростей не равно 2.
Применяя две обмотки, каждая с переключением полюсов в отношении 1 :2, можно получить 4 ступени скорости. Если лишь одна обмотка выполнена допускающей переключение, будет получено 3 ступени скорости.
С числом ступеней больше 4 двигатели не выполняют. Практически регулирование переключением числа полюсов применяется в двигателях с короткозамкнутым ротором, так как в обмотке типа беличьего колеса число полюсов автоматически устанавливается равным числу полюсов вращающегося поля, и не требуется каких-либо переключений. В двигателе же с фазным ротором одновременно с изменением числа полюсов на статоре должно быть изменено и число полюсов фазной обмотки ротора. Усложнение обмотки наряду с необходимостью устройства дополнительных контактных колец на роторе значительно усложняет его конструкцию, такие двигатели применяются редко.
В качестве основных вариантов двигателя с переключением полюсов можно принять два, при которых двигатель на всех ступенях скорости вращения имеет или постоянный момент, или постоянную мощность.
Сложность проектирования многоскоростных двигателей состоит в том, что на всех ступенях насыщение магнитной системы, с одной стороны, не должно превышать допустимых пределов, с другой — не быть столь малым, чтобы заметно ухудшалось использование машины. Достаточно высокими должны быть обмоточные коэффициенты, коэффициент мощности, коэффициент полезного действия, перегрузочная способность, и, если необходимо, начальный пусковой момент, наконец, на каждой ступени скорости вращения должна быть установлена номинальная мощность по условиям нагрева машины с учетом того, что на разных ступенях меняются условия охлаждения. В таблице 7 указан ряд схем, наиболее полно удовлетворяющих требованиям этой многогранной задачи проектирования.
ТАБЛИЦА 7

Среди указанных схема 1 (рис. 175, а) — единственная, в которой изменение момента согласуется с изменением скорости вращения в том смысле, что меньшей скорости соответствует меньший момент и наоборот. Эта схема рациональна для приводов вентиляторного типа.
В многоскоростных двигателях, спроектированных на базе серий А и А2, номинальная мощность на каждой ступени скорости вращения установлена по условиям допустимого превышения температуры обмотки статора и применена схема 4 таблицы 7 (рис. 175,б). При переключении скорости вращения условие постоянства момента или мощности не выдерживается, но на разных ступенях моменты отличаются друг от друга меньше, чем мощности. Поэтому двигатель с определенной степенью допущения можно рассматривать как двигатель с постоянным моментом.

Рис. 175. Схемы обмоток при переключении числа полюсов:
а — при двойном числе полюсов Y, при одинарном числе полюсов А; б —при двойном числе полюсов Д, при одинарном числе полюсов YY (двойная звезда).

Способ регулирования скорости вращения переключением числа полюсов широко применяется для короткозамкнутых двигателей. Достоинство его заключается в отсутствии потерь при регулировании, недостаток способа состоит в том, что регулирование ступенчатое при ограниченном числе ступеней.

Многоскоростные двигатели применяют в следующих случаях:

1. если рабочий процесс рационально проводить на большей скорости, пуск и остановку механизма — на меньшей (например, подъемники). Здесь основная цель — останавливать без резких толчков массы, обладающие значительной инерцией;
2. на установках с различными скоростями рабочего режима и холостого хода (например, лесопильные рамы);
3. в установках, скорость которых желательно менять в зависимости от технологических факторов (металлорежущие и деревообрабатывающие станки, центробежные сепараторы, вентиляторы для животноводческих и птицеводческих помещений, землечерпалки).