АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ДЛЯ РЕГУЛИРУЕМОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА

Предлагаемое техническое решение относится к области электротехники, а именно к асинхронным двигателям, питаемым от преобразователей частоты. Оно может использоваться в регулируемых электроприводах, нагруженных не зависящим от скорости моментом сопротивления, например, в лифтовых, крановых, станочных электроприводах.
c
c
Известен регулируемый асинхронный электропривод [Онищенко Г.Б. Электрический привод - М.: РАСХН. 2003, с.151-153.], содержащий асинхронный двигатель и преобразователь частоты с непосредственной связью, подключенный к сети переменного тока. Недостатком данного электропривода являются ограниченные пределы регулирования частоты: от 0 до (0,4-0,5) f, где f - номинальная частота сети [Электротехнический справочник / Под общей ред. В.Г. Герасимова и др.- 8-е изд., том 2. - Изд-во МЭИ, 2001. С.458]. Из-за ограниченных пределов регулирования частоты соответственно снижается и диапазон регулирования скорости электроприводов, что сужает область их применения.
В предлагаемом техническом решении ставится задача расширить диапазон регулирования скорости асинхронных электроприводов с непосредственными преобразователями частоты.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в асинхронном двигателе для регулируемого электропривода, содержащем подключенный между сетью переменного тока и статором двигателя преобразователь частоты с возможностью регулирования скорости двигателя вниз от заданной скорости путем формирования напряжения с пониженной по отношению к частоте сети частотой, обмотка статора выполнена двухполюсной с числом витков, зависящим от напряжения для заданной скорости согласно следующему соотношению
з
ф
где ω и U - заданная угловая скорость двигателя и соответствующее ей действующее значение фазного напряжения на выходе преобразователя частоты;
1p
w - число витков обмотки статора асинхронного двигателя для регулируемого электропривода;
1
w - расчетное число витков обмотки статора, определяемое по номинальному напряжению и номинальной частоте сети;
c
ф
f и U - частота и действующее значение фазного номинального напряжения сети.
1p
1
На чертеже показана схема электропривода, содержащего асинхронный двигатель 1, подключенный к выходу преобразователя 2 частоты, вход которого соединен с сетью 3 переменного тока. Обмотки статора двигателя 1 выполнены двухполюсными с повышенным w по сравнению с расчетным w значением числом витков согласно указанному соотношению, а преобразователь 2 частоты снабжен блоком 4 управления, с помощью которого задают на выходе преобразователя требуемые напряжения для пониженных частот.
з
1p
з
3
c
мех
c
3
1
Принцип действия предлагаемого технического решения заключается в следующем. Поскольку обмотки статора асинхронного двигателя 1 выполнены двухполюсными, то заданная угловая скорость ω его ротора может быть достигнута при частоте, близкой к значению f=ω/2π. Вместе с тем благодаря повышенному числу витков обмотки статора, указанному в формуле полезной модели, ток в этой обмотке будет относительно небольшим. Действительно, при работе двигателя 1 в установившемся режиме с заданной угловой скоростью ω механическая мощность на валу при моменте сопротивления M составляет Р=Мω. Сумма механической мощности и электрических потерь в обмотках статора и ротора определяет потребляемую мощность асинхронного двигателя P, которая согласно известному выражению
1
ф
1
1
P=3UIcosφ
ф
1
1
мех
1
1
1p
пропорциональна действующим значениям напряжения U на фазе и тока I фазы, а также косинусу угла φ между их векторами. При частотном регулировании потери в асинхронном двигателе не превышают номинальных, поэтому значения механической Р и потребляемой Р мощностей относительно близки друг к другу. Поскольку действующее значение ЭДС статора пропорционально числу витков и близко к фазному напряжению, то при заданном значении мощности P и повышенном значении числа витков w в предлагаемом двигателе ЭДС статора и, следовательно, фазное напряжение возрастает, а фазные токи двигателя и преобразователя частоты снижаются.
Предлагаемый двухполюсный асинхронный двигатель целесообразно использовать с преобразователями частоты не только с непосредственной связью, но и с промежуточным звеном постоянного тока, поскольку при одинаковых значениях заданной скорости и момента сопротивления ток статора в этом двигателе меньше, чем в многополюсном (т.е. с числом пар полюсов р большим единицы) асинхронном двигателе с обмоткой статора обычного исполнения.
з
c
c
1
В самом деле, если многополюсный двигатель с обмоткой статора обычного исполнения подключен к преобразователю частоты, причем при номинальном фазном напряжении статора и выходной частоте преобразователя, равной частоте сети, заданная скорость ω близка к синхронной ω=2πf/р, то согласно выражению для P можно записать
p>1
1
c
p>1
I≈P/3Ucosφ,
p>1
p>1
где I и φ - соответственно ток статора и угол между напряжением и током статора при заданной скорости и номинальной частоте.
1p
з
1p
Если же к преобразователю частоты подключен предлагаемый двухполюсный асинхронный двигатель с повышенным числом витков, то заданная угловая скорость может быть реализована при пониженной частоте на выходе преобразователя f=ω/2π. При этом в соответствии с соотношением, входящим в формулу полезной модели, число витков обмотки статора w связано с фазным напряжением предлагаемого асинхронного двигателя согласно следующему неравенству
1p
1
c
1p
1
p=1
из которого видно, что при числе витков w=w(f/f) фазное напряжение достигает наибольшего значения, равного фазному напряжению сети. Подставляя это равенство в формулу для P, получаем выражение для тока I статора предлагаемого двухполюсного двигателя при заданной скорости в виде
p=1
1
c
p=1
I≈P/3U cos φ,
p=1
где φ - угoл между фазным напряжением и фазным током предлагаемого двигателя при заданной скорости.
Из выражений для токов статора предлагаемого двухполюсного и традиционного многополюсного двигателей следует соотношение между этими токами
p=1
p>1
p>1
p=1
I≈I(cosφ/cosφ).
p>1
c
p=1
1p
p=1
p>1
p=1
p>1
p=1
p>1
Поскольку угол φ соответствует схеме замещения АД при номинальной частоте f, а угол φ - при пониженной частоте f, то угол φ меньше угла φ, a cos φ больше cos φ и, следовательно, ток I меньше тока I.
Таким образом, при одинаковых значениях заданной скорости и момента сопротивления ток статора в предлагаемом двухполюсном асинхронном двигателе меньше, чем в многополюсном асинхронном двигателе с обмоткой статора обычного исполнения, причем со снижением заданной скорости уменьшение тока в предлагаемом двигателе становится более существенным. В частности, при заданной частоте вращения 750 об/мин уменьшение тока статора предлагаемого двигателя более значительно, чем при 1000 об/мин. Если заданная скорость относительно небольшая, то ток статора в предлагаемом двигателе может быть на (20-30) % меньше, чем в двигателе обычного исполнения, что позволяет выбрать преобразователь частоты на меньший ток и тем самым снизить его стоимость.