Управление частотой вращения вала и реверсирование асинхронного двигателя.

Из формулы для определения частоты вращения ротора асинхронного двигателя: хронного двигателя:

n2 = n1(l - s) = 60f / p (1- s) (13.1)

следует, что изменить частоту вращения ротора можно путем изменения одной из трех величин: частоты напряжения питания, скольжения ротора или числа пар полюсов.
Регулирование скорости изменением частоты напряжения питания. Регулирование основано на изменении частоты вращения поля статора и в этом случае получается плавным и в широких пределах. Однако для изменения частоты f необходимо иметь преобразователь частоты, так как частота питающей сети постоянна. В результате установка становится сложной и дорогостоящей. Тем не менее, этот способ является основным при регулировании скорости объектов подвижного состава, имеющих тяговый привод с асинхронными тяговыми электродвигателями. Частотное управление асинхронным двигателем осуществляется одновременным изменением ряда параметров питающей сети. Для обеспечения экономичного регулирования текущие значения напряжения U1 частоты тока f и вращающего момента М1 должны находиться в следующем соотношении с номинальными значениями Uном, fном, Mном:

U1/Uном = (f/fном)√M1/ Mном (13.2)

При этом обеспечиваются заданные значения перегрузочной способности асинхронного тягового двигателя, КПД и коэффициента мощности. При М1 = Мном регулирование напряжения осуществляется в соответствии с зависимостью U1 = k1f, так как:

U1/Uном = f/fном = const (13.3)
U1/ = Uном/fном = const (13.4)

При постоянной мощности асинхронного тягового двигателя регулирование осуществляется в соответствии с зависимостью U1 = k2√f, где k1 и k2 – конструктивные коэффициенты. Поскольку

Р = M1f = Mномfном = const,

то:

Mном/M1 = f/fном и U1/Uном = √f/fном (13.5)

При частотном управлении можно придать тяговым характеристикам тепловоза FT = f(v) любую желаемую форму (рис. 13.6) и обеспечить заданную скорость движения. Необходимые соотношения параметров регулирования приведены в табл. 13.3. Таким образом, при изменении частоты вращения в широком диапазоне необходимо изменять магнитный поток машины. В случаях поддержания постоянной мощности асинхронного тягового двигателя магнитный поток его должен уменьшаться с увеличением питающего напряжения. На тепловозах с передачами переменно-постоянно-переменного тока с целью наиболее полного использования установленной мощности электрооборудования принято трехзонное управление асинхронными тяговыми двигателями.
В зоне I (см. рис. 13.6) поддерживается постоянная сила тяги FT электродвигателя, работающего при максимальном магнитном потоке. Линейное напряжение U1 и частота f тока статора по мере увеличения частоты вращения ротора n2 возрастают. Зона управления заканчивается при достижении ограничения по мощности дизеля.
В зоне II асинхронный тяговый двигатель работает с постоянной мощностью Р2 ограниченной мощностью дизель-генератора. В этой зоне ток статора и магнитный поток уменьшаются с увеличением скорости движения тепловоза, частота тока ротора f2 уменьшается только в начале зоны II, а потом остается постоянной.
напряжение U1 остается постоянным. Для поддержания постоянной мощности электродвигателя, работающего в этой зоне с ослабленным магнитным потоком, частота тока ротора f2 увеличивается по мере увеличения f.

Рис. 13.6. Зависимости напряжения питания (U1), мощности (Р2), частоты (f), Р2), частоты (f),
силы тяги (T) от частоты вращения ротора (ωр) асинхронного тягового двигателя

В зоне I (см. рис. 13.6) поддерживается постоянная сила тяги F_T электродвигателя, работающего при максимальном магнитном потоке. Линейное напряжение U₁ и частота f тока статора по мере увеличения частоты вращения ротора n₂ возрастают. Зона управления заканчивается при достижении ограничения по мощности дизеля.
В зоне II асинхронный тяговый двигатель работает с постоянной мощностью Р₂ ограниченной мощностью дизель-генератора. В этой зоне ток статора и магнитный поток уменьшаются с увеличением скорости движения тепловоза, частота тока ротора f₂ уменьшается только в начале зоны II, а потом остается постоянной.
В зоне III напряжение U₁ остается постоянным. Для поддержания постоянной мощности электродвигателя, работающего в этой зоне с ослабленным магнитным потоком, частота тока ротора f₂ увеличивается по мере увеличения f.

Таблица 13.2. Зависимость режимов двигателя от параметров питающей сети.

Регулирование скорости изменением скольжения. Существуют два способа такого регулирования: изменением подводимого к обмотке статора напряжения и изменением активного сопротивления цепи ротора. Возможность регулирования частоты вращения асинхронных двигателей изменением напряжения питания U₁ подтверждается графиками M = f(s) (см. рис. 4.8). При неизменной нагрузке на валу двигателя увеличение напряжения питания вызывает увеличение частоты вращения ротора. Однако диапазон регулирования скорости получается небольшой, что объясняется следующим:
• узкой зоной устойчивой работы двигателя, ограниченной величиной критического скольжения;
• недопустимостью значительного отклонения напряжения от номинального значения: с повышением U₁ сверх номинального значения возникает опасность чрезмерного перегрева двигателя в результате увеличения электрических и магнитных потерь, а при значительном уменьшении U₁ сильно уменьшается перегрузочная способность двигателя.

Изменение подводимого к двигателю напряжения питания осуществляется либо регулировочным автотрансформатором, либо с помощью реакторов, включаемых в разрыв цепи статора. Из-за узкого диапазона регулирования и неэкономичности (необходимость дополнительных устройств) рассматриваемый способ регулирования скорости не получил широкого распространения. Увеличение скольжения двигателя сопровождается ростом электрических потерь в цепи ротора, а следовательно, и снижением КПД двигателя. Так, например, если при М₂ = const увеличить скольжение двигателя от 0,02 до 0,5, что соответствует уменьшению частоты вращения ротора приблизительно вдвое, то потери в цепи ротора составят половину всей электромагнитной мощности двигателя. Это свидетельствует о неэкономичности данного способа регулирования. Рассматриваемый способ регулирования имеет еще и тот недостаток, что участок механической характеристики, соответствующий устойчивой работе двигателя, при введении в цепь ротора сопротивления становится более пологим.

Регулирование скорости изменением числа полюсов обмотки статора. Этот способ обеспечивает ступенчатое регулирование, например при f = 50 Гц и значениях р от 1 до 6 можно получить следующие значения частоты вращения поля n1: 3000, 1500, 1000, 750, 600, 500 об/мин и т. д. Изменять число пар полюсов в обмотке статора двигателя можно либо укладкой на статоре двух обмоток с разным числом пар полюсов, либо укладкой на статоре одной обмотки с отводами, конструкция которой позволяет получить в двигателе различное число пар полюсов. Комбинация этих способов дает возможность получить двигатели с большим числом ступеней регулирования. Наиболее простой получается обмотка при переключении полюсов в отношении 1:2.

Регулирование частоты вращения двигателя изменением числа пар полюсов статорной обмотки применяется главным образом в двигателях с короткозамкнутым ротором. Это объясняется тем, что число полюсов короткозамкнутого ротора всегда равно числу полюсов обмотки статора. Поэтому для изменения скорости двигателя достаточно ограничиться переключением статорной обмотки. Если же двигатель имеет фазный ротор, то наряду с переключением обмотки статора необходимо соответствующим образом переключить и обмотку ротора. Многоскоростной асинхронный двигатель в зависимости от вида нагрузки на валу может работать в одном из двух режимов:
• при переключении двигателя с одной частоты вращения на другую вращающий момент М₂ остается неизменным, а мощность изменяется пропорционально частоте вращения ротора n₂ (двигатель постоянного момента);
• при переключении двигателя с одной частоты вращения ротора на другую мощность Р₂ остается неизменной, а момент М₂ изменяется соответственно изменению частоты вращения (двигатель постоянной мощности). Тот или иной режим работы двигателя обеспечивается применением различных схем соединения статорных обмоток Многоскоростные двигатели с переключением полюсов обмотки статора по сравнению с обычными двигателями имеют недостатки, которые в основном сводятся к следующим: большие габариты, высокая стоимость, наличие громоздкого многоконтактного переключающего устройства. Из изложенного следует, что все применяемые способы регулирования частоты вращения асинхронных двигателей обладают существенными недостатками. Направление вращения асинхронного двигателя определяется направлением вращения магнитного поля, а последнее зависит от порядка чередования фаз в обмотке статора. Изменение направления вращения происходит при взаимном переключении любых двух фаз.

Глава 14.
ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА.