Электродвигатели переменного тока широко используются в промышленном производстве, бытовой технике и других областях благодаря таким преимуществам, как простота конструкции, высокая надёжность и низкая стоимость. Скорость вращения зависит от частоты сети, количества полюсов двигателя и скорости скольжения (формула: n=60f/p (1-s), где n — скорость, f — частота сети, p — количество полюсов, s — скорость скольжения). Исходя из этого принципа, распространённые методы регулирования скорости можно разделить на следующие категории:
1. Метод управления, основанный на регулировании частоты питания: регулирование скорости переменной частоты
Регулирование скорости с переменной частотой в настоящее время является наиболее распространённым и высокоточным методом управления скоростью двигателей переменного тока. Суть заключается в достижении точной регулировки скорости путём изменения частоты питания входного двигателя.
Принцип работы: использование преобразователя частоты для преобразования переменного тока (например, 220 В/50 Гц, 380 В/50 Гц) в переменный ток с регулируемой частотой, при этом напряжение подбирается в соответствии с характеристиками двигателя (обычно по принципу «постоянного отношения напряжения к частоте», чтобы избежать насыщения магнитной цепи двигателя), тем самым изменяя синхронную скорость двигателя.
Особенности: Широкий диапазон скоростей (может работать от 0 до номинальной скорости и даже выше номинальной), высокая точность (погрешность скорости может контролироваться в пределах 0,5%), низкое энергопотребление (КПД двигателя остается высоким даже при работе на низкой скорости), отсутствие бросков тока во время запуска, что обеспечивает эффективную защиту двигателя и нагрузки.
2. Метод управления, основанный на регулировке числа полюсов двигателя: регулирование переменной скорости полюсов.
Регулирование скорости с переменными полюсами — это метод ступенчатого регулирования скорости, при котором регулируется число магнитных полюсов (p) двигателя путем изменения соединения его статорной обмотки, тем самым изменяя синхронную скорость.
Принцип работы: Обмотка статора двигателя имеет специальную структуру ответвлений или коммутации, а способ соединения обмоток переключается контактором (например, преобразование звезда/треугольник, преобразование двойная звезда/треугольник), благодаря чему количество магнитных полюсов изменяется экспоненциально (например, с 2 полюсов до 4 полюсов), а синхронная скорость соответственно уменьшается вдвое (например, с 3000 об/мин до 1500 об/мин при частоте сети 50 Гц).
Особенности: простая конструкция, низкая стоимость, простота эксплуатации, практически неизменный КПД двигателя во время регулирования скорости, но ограниченные уровни регулирования скорости (обычно только 2-3 уровня регулирования скорости, например, переключение на 2/4/6 полюсов), невозможность достижения непрерывного регулирования скорости и возможность возникновения скачков скорости в момент переключения.
3. Метод управления, основанный на регулировке скольжения
Коэффициент скольжения (s) – это отношение разницы между фактической скоростью двигателя и синхронной скоростью к синхронной скорости. Изменяя коэффициент скольжения, можно регулировать скорость двигателя переменного тока. К распространённым методам относятся последовательное сопротивление, последовательное ступенчатое регулирование скорости и регулирование скорости напряжением.
Регулирование скорости последовательным сопротивлением (применимо только к асинхронным двигателям с фазным ротором)
Принцип работы: В цепь ротора асинхронного двигателя с фазным ротором последовательно включен регулируемый резистор. Увеличение сопротивления увеличивает скольжение и снижает фактическую скорость двигателя (чем выше сопротивление, тем ниже скорость).
Особенности: Простая конструкция, низкая стоимость, но высокое энергопотребление (последовательное сопротивление генерирует большое количество джоулева тепла, что приводит к значительным потерям энергии), низкая точность регулирования скорости (скорость сильно колеблется при изменении нагрузки) и существенное снижение КПД двигателя при работе на низкой скорости.