Регулирование скорости асинхронных двигателей переменного тока.

Асинхронные электродвигатели нашли широкое применение в электроприводе рудничных машин благодаря надежности, прочности конструкции, простоте эксплуатации, хорошим массо-габаритным показателям, сравнительно невысокой стоимости и т.п. Однако с точки зрения основных показателей регулирования скорости асинхронные двигатели, питаемые от сети, значительно уступают двигателям постоянного тока, управляемым по системе ТП— Д. Поэтому их используют обычно в приводе машин и установок, не требующих широкого и плавного регулирования скорости. Тем не менее указанные выше достоинства асинхронных двигателей за­бавляют искать совершенные и приемлемые для широкого внед­рения способы плавного регулирования скорости в широком диа­пазоне.

Основные способы регулирования скорости асинхронных двига­телей могут быть разделены на следующие группы:

а) изменение скольжения введением в цепь ротора или статора активного или индуктивного сопротивления, а также подключе­нием цепи ротора к источнику внешней э.д.с. в так называемых каскадных схемах;

б) изменение скорости вращающегося поля статора изменением числа пар полюсов р или изменением частоты питающего напря­жения;

в) импульсное регулирование скорости.

Для регулирования скорости асинхронных короткозамкнутых двигателей широко применяют электрические муфты, а также гид­ромуфты.

Регулирование скорости введением реостата в цепь ротора. Из рис. 9 видно, что введение активного со­противления в цепь ротора вызывает увеличение скольжения. При заданном статическом моменте скольжение обратно пропорцио­нально величине сопротивления в цепи ротора. Этот способ регули­рования скорости имеет целый ряд недостатков. С уменьшением жесткости механической характеристики снижается стабильность работы двигателя на данной характеристике. Скорость может регулироваться только вниз от основной. Диапазон регулирования скорости непостоянен и зависит от нагрузки.

Потери мощности в роторной цепи растут пропорционально скольжению (перепаду скорости) s:

Δ Р₂ = Р₁ s,

где P₁ — мощность, потребляемая из сети.

Таким образом, этот способ крайне неэкономичен, хотя ввиду простоты применяется в электроприводах малой и средней мощности (подъемные лебедки, экскаваторы малой мощности и т. п.).

Регулирование скорости переключением числа пар полюсов используют для асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором, так как для перехода на другую скорость требуется изменить число пар полюсов, только на обмотке статора. «Беличья клетка» всегда образует столько же полюсов, сколько и обмотка статора. В двигателе же с фазным ротором для перехода на другую скорость пришлось бы одновременно переключать обмотку статора и ротора, что представляет значительные конструктивные трудности.

Отечественной промышленностью выпускаются двух-, трех- и четырехскоростные асинхронные электродвигатели на 750/1500 500/1000, 1500/3000, 750/1000/1500, 500/750/1000/1500 об/мин и др.

Двухскоростные двигатели имеют на статоре либо две обмотки с разным числом полюсов, либо одну обмотку, допускающую переключение числа пар полюсов. Трех- и четырехскоростные двигатели имеют две обмотки с переключением числа пар полюсов.

Практически наиболее употребительными схемами переключения числа пар полюсов обмоток статора являются схемы включения со звезды на двойную звезду (рис. 24, а, б) и с треугольника на двойную звезду (рис. 24 в, г).

Механические характеристики двухскоростного асинхронного электродвигателя показаны на рис. 25, откуда видно, что переход с высшей ступени скорости на низшую (точки 1, 2, 3) во всех случаях связан с работой в режиме рекуперативного торможения. Механические характеристики отличаются большой жесткостью. Регулирование скорости переключением числа пар полюсов хотя и является ступенчатым, но в то же время весьма экономично.

Регулирование скорости изменением частоты питающего напряжения имеет весьма важное значение для электропривода рудничных машин. При данном способе сочетаются глубина и плавность регулирования с простотой конструкции, надежностью, удобство эксплуатации асинхронного короткозамкнутого электродвигателя.

Общий закон управления напряжением, обеспечивающий оптимальные условия работы двигателя, выражается уравнением

где f_ном — номинальная частота.

При таком законе регулирования коэффициент перегрузки дви­гателя остается неизменным при разных частотах.

Механические характеристики асинхронного двигателя при ре­гулировании скорости изменением частоты показаны на рис. 26. Как видно из рисунка, механические характеристики обладают большой жесткостью, а регулирование отличается большой плавностью и широким диапазоном. Двумя засечками отмечены характеристики в режиме рекуперативного торможения с отдачей энер­гии в сеть. Одной засечкой обозначен двигательный режим.

Несмотря на многие достоинства, частотное регулирование ско­рости асинхронного двигателя в электроприводе рудничных машин до последнего времени не находило широкого применения. Поло­жение может измениться в связи с разработкой надежных, высо­коэкономичных статических преобразователей частоты (инверторов) на тиристорах. В приводе рудничных подъемных машин находят применение тиристорные преобразователи частоты (ТПЧ) с промежуточным звеном постоянного тока и с непосредственной связью.

На рис. 27 представлена схема преобразователя частоты с не­посредственной связью.

К достоинствам преобразователей частоты с непосредственной связью можно отнести однократное преобразование энергии, а следовательно, и более высокий к.п.д.; возможность обмена реактивной энергией между двигателем и сетью; отсутствие коммутирую­щих конденсаторов, так как коммутация тиристоров осуществляется естественным путем. В то же время преобразователи с промежуточным звеном постоянного тока проще, чем преобразователи с непосредственной связью, проще и схема управления ими. Они позволяют плавно и в широких пределах регулировать выходную частоту независимо от частоты сети, выходное напряжение их сравнительно мало искажено.

Недостатком их является двойное преобразование энергии, возможность без усложнения схемы выпрямителя возвращения энергии в сеть. Последнее обстоятельство исключает, в частности рекуперативное торможение двигателя. Таким образом, выбор того или иного инвертора зависит от режима работы механизма. Т например, в приводе угольных и проходческих комбайнов, где отсутствуют тормозные режимы, наибольшее применение, очевидно найдут преобразователи с промежуточным звеном постоянного тока. В приводе подъемных машин, где имеют место частые реверсы и тормозные режимы, а преобразователь должен пропускать peактивную мощность нагрузки в сеть (рекуперативный режим торможения), целесообразно использовать преобразователь с непосредственной связью.

Частотно-регулируемый электропривод переменного тока имеет перед тиристорным электроприводом постоянного тока то преимущество, что здесь используется простой, надежный короткозамкну­тый асинхронный электродвигатель. Имеется возможность созда­ния полностью бесконтактного электропривода, что важно с точки зрения надежности, взрывобезопасности, простоты ухода. Однако сам преобразователь частоты уступает тиристорному выпрямите­лю в таких основных показателях, как сложность, масса, габари­ты и т. п. Несколько хуже и динамические характеристики частот­но-регулируемого привода при использовании его в механизмах. осуществляющих резание и разрушение горных пород. Наиболее перспективным следует считать применение частотно-регулируе­мого привода переменного тока в регулируемых установках водо­отлива, проветривания, конвейерного транспорта. Найдут они известное применение и в приводе забойных машин.