Регулирование асинхронных двигателей (запуск, торможение, изменение скорости вращения)

При пуске двигателя в ход должны по возможности удовлетворяться следующие основные требования: процесс пуска должен быть простым и осуществляться без сложных пусковых устройств, пусковой момент должен быть достаточно большим, а пусковые токи — по возможности малыми. Иногда к этим требованиям добавляются и другие, обусловленные особенностями конкретных приводов, в которых используются двигатели: необходимость плавного пуска, наибольшего пускового момента и пр. Практически используются следующие способы пуска: непосредственное подключение обмотки статора к сети (прямой пуск); понижение напряжения, подводимого к обмотке статора при пуске; подключение к обмотке ротора пускового реостата.

Прямой пуск применяется для пуска асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором. Двигатели этого типа малой и средней мощности обычно проектируют так, чтобы при непосредственном подключении обмотки статора к сети возникающие пусковые токи не создавали чрезмерных электродинамических усилий и превышений температуры, опасных с точки зрения механической и термической прочности основных элементов машины. Однако при прямом пуске двигателей большой мощности, особенно при подключении их к недостаточно мощным электрическим сетям, могут возникать чрезмерно большие падения напряжения (свыше 10—15%). В этом случае прямой пуск для двигателей с короткозамкнутым ротором не применяют и пускают их при пониженном напряжении.
Недостатками прямого пуска являются большой пусковой ток и сравнительно небольшой пусковой момент.

Пуск при пониженном напряжении применяется для пуска асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором большой мощности, а также для двигателей средней мощности при недостаточно мощных электрических сетях. Понижение напряжения осуществляется следующими способами: переключением обмотки статора при пуске с рабочей схемы «треугольник» на пусковую схему «звезда», включением в цепь обмотки статора на период пуска добавочных резисторов или реакторов и подключением двигателя к сети через понижающий автотрансформатор. Недостатком всех указанных способов является значительное уменьшение пускового и наибольшего моментов двигателя, которые пропорциональны квадрату приложенного напряжения.

Пуск с помощью пускового реостата применяется для двигателей 1 с фазным ротором. Пусковой реостат 2 обычно имеет четыре — шесть ступеней, что позволяет в процессе пуска постепенно уменьшать пусковое сопротивление Rп, поддерживая высокое значение пускового момента на все время, разгона двигателя. Недостатком этого способа является относительная сложность пуска, возникновение потерь энергии в пусковом реостате и необходимость применения более сложных и дорогих двигателей с фазным ротором. Кроме того, эти двигатели имеют несколько худшие рабочие характеристики, чем двигатели с короткозамкнутым ротором такой же мощности.

Скорость вращения ротора асинхронного двигателя определяется выражением
n = n_o (1 — S) = (f₁∙60)(1 — S)/p.
Отсюда следует, что скорость асинхронного двигателя можно регулировать изменением какой-либо из трех величин: числа пар полюсов р; частоты f₁ тока питающей сети; скольжения S.

Изменение числа полюсов электродвигателя. Для возможности изменения числа пар полюсов электродвигателя статор его выполняют либо с двумя самостоятельными трехфазными обмотками, либо с одной трехфазной обмоткой, которую можно пересоединять на различные числа полюсов.

На рисунке схематически показаны две катушки одной фазы, соединенные последовательно. Катушки создают четыре магнитных полюса. Те же катушки, соединенные параллельно между собой, создадут только два полюса (рис. б). Пересоединение обмоток статора производится при помощи специального аппарата – контроллера. При этом способе регулировка скорости вращения двигателя совершается скачками.

На практике встречаются двигатели, синхронные скорости вращения n_o которых могут быть равны 3000, 1500, 1000 и 750 оборотов в минуту.

Регулировку скорости вращения двигателя путем изменения числа полюсов можно производить только у асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором. Ротор с короткозамкнутой обмоткой может работать при разных числах полюсов магнитного поля. Наоборот, ротор двигателя с фазной обмоткой может работать нормально лишь при определенном числе полюсов поля статора. Иначе обмотку ротора также пришлось бы переключать, что внесло бы большие усложнения в схему двигателя.

Изменение частоты переменного тока. При этом способе частоту переменного тока, подводимого к обмотке статора двигателя, изменяют при помощи специального преобразователя частоты. Регулировку изменения частоты тока выгодно производить, когда имеется большая группа двигателей, требующих совместного плавного регулирования скорости вращения (рольганги, текстильные станки и т. п.). Этот способ регулирования скорости мало распространен ввиду сложности его осуществления.

Введение сопротивления в цепь ротора. Первые два способа регулировки скорости вращения асинхронного двигателя требуют или специального исполнения двигателя, или наличия специального преобразователя частоты и поэтому широкого распространения не получили. Третий способ регулировки скорости вращения асинхронных двигателей состоит в том, что во время работы двигателя в цепь обмотки ротора вводят сопротивление регулировочного реостата.

С увеличением активного сопротивления цепи ротора возрастает величина скольжения S, соответствующая заданному значению вращающего момента М (величина вращающего момента, развиваемого двигателем, равна моменту сопротивления на валу двигателя). Таким образом, вводя дополнительно активное сопротивление в цепь фазного ротора, мы увеличиваем скольжение S и, следовательно, снижаем скорость вращения ротора n. Такой способ регулирования применим только для асинхронных двигателей с фазным ротором. Регулировочный реостат включают в цепь ротора так же, как и пусковой реостат. Разница между пусковым и регулировочным реостатом состоит в том, что регулировочный реостат рассчитан на длительное прохождение тока. Для двигателей, у которых производится регулировка скорости вращения путем изменения сопротивления в цепи ротора, пусковой и регулировочный реостаты объединяются в один пускорегулировочный реостат. Недостатком этого способа регулирования является то, что в регулировочном реостате происходит значительная потеря мощности, тем большая, чем шире регулировка скорости вращения двигателя.

Реверсирование асинхронных электродвигателей. Для изменения направления вращения (реверсирование) асинхронного двигателя следует поменять местами два любых провода из трех, идущих к обмоткам статора двигателя. При этом меняется направление вращения магнитного поля статора и двигатель станет вращаться в другую сторону. Реверсирование двигателя может быть произведено при помощи переключателя (перекидного рубильника), магнитного пускателя и других устройств.

Торможение асинхронных двигателей. В условиях эксплуатации нередко возникает необходимость торможения двигателя с целью ускорить его остановку.

Торможение электродвигателей может быть механическим, электрическим и электромеханическим. Электромеханическое торможение производится при помощи ленточного или колодочного тормоза, действующего на тормозной шкив, закрепленный на валу двигателя. Ослабление ленты или колодок осуществляется тормозным электромагнитом, обмотка которого соединена параллельно с обмоткой статора двигателя.

Если при работе двигателя переключить две любые фазы, то при этом двигатель начнет развивать вращающий момент, направленный в обратную сторону. Вращение ротора замедляется. Когда скорость вращения приближается к нулю, следует отключить двигатель от сети, в противном случае под действием развиваемого момента он начнет вращаться в противоположном направлении. Применяются и другие способы электрического торможения асинхронных электродвигателей.