УДК 62-83:621.313

ЧАСТОТНОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ СКОРОСТИ ВРАЩЕНИЯ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

 

Оноприч Владимир Петрович

 

Достаточно глубокое и надежное регулирование скорости вращения асинхронных двигателей (АД) с короткозамкнутым ротором возможно только при наличии источника напряжения с регулируемой частотой. В частотно-регулируемых электроприводах грузоподъемных механизмов, металлорежущих станков, вентиляторов, компрессоров и т.д. могут использоваться серийные АД, хотя это приводит к снижению их технико-экономических показателей.
    Проведено расчетно-теоретическое исследование характеристик АД при изменении по определенному закону напряжения и частоты питающей сети. Исследование проводилось с использованием методики и программы поверочных и оптимизационных расчетов АД малой и средней мощностей, разработанных в Институте электродинамики НАН Украины [2].
    Амплитуда магнитного потока в зазоре АД определяется соотношением U₁ / f₁. Момент двигателя пропорционален активной составляющей тока ротора I₂cosφ₂ и магнитному потоку Ф в зазоре: M₂ = cФI₂cosφ₂, где c - постоянный коэффициент.
    Характеристики АД в системе с частотным управлением зависят от закона изменения напряжения U₁ и частоты f₁ на выходе статического преобразователя частоты (СПЧ) с предполагаемым синусоидальным выходным напряжением. Одним из основных критериев при выборе закона управления является вид механической характеристики (нагрузки) производственного механизма. Чаще всего используются следующие законы управления [3]:

а) U₁ / f₁=const при M₂=const (крановая нагрузка);

б) M₂ ≡ 1/f₁ при U₁=const и P₂=const (тяговая нагрузка);

в) M₂ ≡ f₁² при U₁ ≡ f₁² (вентиляторная нагрузка).
   

    АД общепромышленного назначения обычно проектируются на заданное превышение температуры обмотки статора при длительном режиме эксплуатации, поэтому для обеспечения нормальной работы при изменении частоты питающей сети необходимо сохранить превышение температуры в пределах допустимого для принятого класса изоляции.
           При регулировании частоты вращения АД с постоянным моментом на валу (крановая нагрузка) основные характеристики мало изменяются в достаточно большом диапазоне (например, от 100 до 20 Гц), мощность же двигателя (P_эм) падает с уменьшением частоты:

M_эм = P_эм • p/2πf₁

    При изменении частоты вверх от номинальной (50 Гц) АД будет работать с большим КПД и меньшим cosφ, а при изменении частоты вниз от номинальной - с меньшим КПД и большим cosφ. Превышение температуры обмотки статора изменяется в допустимых пределах.
    При регулировании частоты вращения АД с постоянной полезной мощностью (тяговая нагрузка) допускается изменение частоты только вверх от 50 Гц, исходя из температурного режима обмоток. При повышении частоты сети потери в меди статора и ротора увеличиваются на 10…12% (для АД серии АИР), механические потери увеличиваются значительно, а потери в стали снижаются. При увеличении диапазона регулирования увеличивается сумма потерь, поэтому ухудшаются КПД и другие технические характеристики АД.
    При регулировании частоты вращения АД, пропорционально квадрату частоты питающей сети (вентиляторная нагрузка), диапазон регулирования небольшой - от 55 Гц вниз, насколько позволяет механическая нагрузка электропривода. При снижении частоты сети ухудшаются основные технические характеристики (КПД, I₁, M₂, K_м, K_п).
    Проведенное исследование показало, что работа АД в составе различных приводов характеризуется изменяющимися по определенным законам значениями частоты вращения. Использование в частотно-регулируемых электроприводах АД общего применения приводит к снижению их технико-экономических показателей: КПД двигателя снижается в среднем на 2…4 %, cosφ - на 5 % [1]. Однако при необходимости такие двигатели используются в асинхронных электроприводах с регулированием частоты вращения.
    Форма механической характеристики АД существенно зависит от активного сопротивления в цепи ротора, при выборе которого для обычной схемы питания двигателя от сети с постоянной частотой приходится идти на компромисс. Потери в цепи ротора пропорциональны скольжению (p_мк = P_эм • s ), и при малом сопротивлении ротора двигатель имеет небольшое номинальное скольжение и высокий КПД, однако он развивает малый пусковой момент, при значительном пусковом токе. В то же время ротор с большим сопротивлением обмотки улучшает условия пуска, хотя номинальное скольжение двигателя увеличивается, а КПД падает. Если АД питается от источника с переменной частотой, то при его пуске частоту питания и напряжение пропорционально снижают, что исключает неблагоприятные условия разгона, характерные для обычной схемы включения. Поэтому для частотного управления выбирают или специально проектируют двигатели с малым сопротивлением ротора с целью повышения их КПД. Малое сопротивление ротора желательно также с точки зрения уменьшения потерь от высших гармоник при несинусоидальном питании, значительная часть которых выделяется в обмотке ротора.

    1. Войтех А.А., Оноприч В.П., Оноприч Л.В. Асинхронные двигатели общепромышленной серии при частотном регулировании скорости вращения // Техн. електродинаміка. - 2004. -№4.-С.41-45.
    2. Кисленко В.И., Оноприч В.П., Ракицкий Л.Б. Задачи расчета и проектирования асинхронных двигателей малой мощности // Техн. електродинаміка. - 1997. - №2. - С. 38-41.
    3. Костенко М.П., Пиотровский Л.М. Электрические машины. - М.-Л.: Энергия, 1965. - Ч.2. - 704 с.