Prędkość silnika może być zmieniona przez:

          • zmianę liczby par biegunów,

          • zmianę poślizgu,

          • zmianę częstotliwości napięcia zasilania.

Prędkość n silnika jest zależna od prędkości wirowania pola magnetycznego maszyny i może być wyrażona jako:

Rys. 1  Przedstawienie możliwości zmian regulowania prędkości silnika asynchronicznego

1.  Regulacja prędkości przez zmianę liczby par biegunów

Szybkość rotacji pola jest określona przez liczbę par biegunów w stojanie. W przypadku dwubiegunowego silnika, szybkość obracającego się pola wynosi 3,000 rpm dla częstotliwości 50Hz w sieci zasilania.

Rys. 2 Charakterystyki mechaniczne silnika w odniesieniu do zmiany liczby par biegunów

Przy częstotliwości 50Hz, szybkość obracającego się pola w czterobiegunowym silniku wynosi 1,500 rpm.

Silniki mogą być budowane dla dwu różnych liczb par biegunów – silniki dwubiegowe. Spowodowane jest to specjalnym rozmieszczeniem uzwojenia stojana w żłobkach w formie uzwojenia Dahlander’a bądź jako dwóch oddzielnych uzwojeń. W silniku wielobiegunowym występują połączenia różnych typów uzwojeń.

Szybkość jest zmieniana przez przełączanie uzwojeń statora, zmienia się wtedy liczba par biegunów w stojanie. Na skutek przełączania z małej liczby par biegunów - praca przy dużej prędkości obrotowej wału silnika, do większej liczby par biegunów, faktyczna szybkość silnika jest drastycznie zmniejszana, np. od 1,500 do 750 rpm. Na w skutek szybkiego przełączania par biegunów, silnik przechodząc przez zakres pracy generatorowej może być znacznie przeciążony, gdyż energia hamowania jest zależna od rodzaju obciążenia dołączonego wału silnika. Na udary narażone są także mechanizmy sprzęgające silnik z obciążeniem.

2.  Sterowanie poślizgiem silnika

Prędkość silnika może być sterowana przez poślizg na dwa różne sposoby:

• przez zmianę napięcia dostarczanego do stojana,

• przez ingerowanie w pracę wirnika.

Zmiana napięcia stojana

Prędkość silnika asynchronicznego może być kontrolowana przez dostosowanie napięcia wejściowego silnika bez zmiany częstotliwości (na przykład używając softstarter’a). Jest to możliwe, ponieważ moment obrotowy silnika zmienia proporcjonalnie do kwadratu napięcia.

Rys. 3  Charakterystyki mechaniczne silnika przy zmianie napięcia na stojanie

Wskazywane na charakterystyce mechanicznej, stałe punkty pracy mogą być otrzymywane w zakresie pracy normalnej (nk0). Stałe punkty pracy silnika z pierścieniami ślizgowymi mogą być otrzymywane w zakresie pracy rozruchowej (0k) przez wstawienie oporników w uzwojenia wirnika.

Regulacja wirnika

Istnieją dwa możliwe sposoby oddziaływania na wirnik. Poprzez dodawanie rezystancji do obwodu wirnika lub dołączanie obwodu wirnika do innych maszyn elektrycznych, albo do obwodu prostownika połączonego kaskadowo.

Silniki pierścieniowe mogą być tak regulowane, ponieważ mają konstrukcję umożliwiającą dostęp do uzwojeń wirnika na pierścieniach ślizgowych.

Zmiana rezystancji wirnika

Prędkość silnika może być regulowana przez dołączenie oporników do pierścieni ślizgowych i kosztem powiększenia strat mocy w wirniku. Prowadzi do przyrostu wartości poślizgu i zmniejszenia prędkości silnika. Jeżeli rezystory dołączone są do obwodu wirnika, zmienia się charakterystyka mechaniczna. Jak pokazano na rys. 4, zwiększenie rezystancji spowoduje zmniejszenie prędkości obrotowej wirnika przy zachowaniu stałego momentu obrotowego. Poprzez zmianę rezystancji uzyskujemy zmianę prędkości przy tym samym obciążeniu. Tak wstępnie określona prędkość jest zależna od obciążenia. Jeżeli zmniejszamy obciążenie silnika, prędkość wzrasta prawie do prędkości synchronicznej.

Rys. 4  Charakterystyki mechaniczne silnika przy zmianie rezystancji wirnika

Rezystancja zależna jest od temperatury i dlatego ważne jest, aby temperatura podczas pracy była stała.

Łączenie kaskadowe

Zamiast oporników, obwód wirnika może być połączony przez pierścienie ślizgowe do obwodów napięciowych maszyny lub wejściowych obwodów prostownika. Obwód napięciowy maszyny dostarcza obwodowi wirnikowemu silnika dodatkowe odpowiednie napięcie, umożliwiając wpływanie na prędkość i magnetyzm wirnika. Technika ta jest używana głównie w elektrycznych systemach kolejowych. Wejścia mocy prostownika mogą być używane zamiast obwodów napięciowych maszyny, w tym przypadku obszar aplikacji jest zredukowany do systemów z pompami, wentylatorami, itp.

Rys. 5  Przykładowa typowa realizacja połączenia kaskadowego

3.  Regulacja prędkości przez zmianę częstotliwości napięcia zasilania

Przy zmianie częstotliwości możliwe jest kontrolowanie prędkości silnika bez dodatkowych strat. Prędkość obrotowa pola magnetycznego zmienia się wraz ze zmianą częstotliwości.

Prędkość silnika zmienia się proporcjonalnie do prędkości rotacji pola magnetycznego. Aby utrzymać moment obrotowy silnika, napięcie silnika musi być zmieniane wraz z częstotliwością.

Przy znanym obciążeniu można wyznaczyć moment i pomijając poślizg silnika otrzymujemy:

Dla danego obciążenia, słuszna jest następująca zależność: dla stałego stosunku między napięciem podawanym na silnik a częstotliwością, namagnesowanie w założonym zakresie prędkości silnika jest także stałe.

Rys. 6  Charakterystyki mechaniczne przy regulacji prędkości przez proporcjonalną zmianę napięcia i częstotliwości zasilania

Namagnesowanie nie jest idealne w dwóch przypadkach: w początkowej fazie rozruchu silnika oraz przy bardzo niskich częstotliwościach pracy silnika, gdzie wymagane jest dodatkowe magnesowanie. Także, gdy silnik w tym zakresie pracuje ze zmiennym obciążeniem, powinno być możliwe namagnesowanie odpowiadające obciążeniu, rys. 7.

Rys. 7  Schemat zastępczy silnika dla pracy przy małych prędkościach wirnika

Dodatkowe namagnesowanie w początkowej fazie rozruchu

Ważne jest kontrolowanie spadku napięcia Us w związku z indukowanym napięciem Uq.

Napięcie wejściowe: U1=Us+ Uq=UR1 + UX1 + Uq

Reaktancja stojana : X1=2 * π * f * L

Silnik został zaprojektowany dla swoich wartości nominalnych. Na przykład: napięcie magnesujące Uq , może wynosić 370 V dla silnika, przy U1=400V i f=50Hz. Wówczas silnik ma optymalne namagnesowanie.

Współczynnik określający stosunek napięcia do częstotliwości wynosi:

Jeżeli częstotliwość jest zmniejszona do 2.5Hz, napięcie będzie wynosić 20V. Z powodu obniżania częstotliwości reaktancja stojana X1 również maleje. Ten spadek napięcia zależy jedynie od rezystancji R1 i nie ma żadnego wpływu na ogólny spadek napięcia w stojanie. Napięcie na rezystancji R1 odpowiada w przybliżeniu wartości około 20 V dla nominalnych warunków zasilania silnika, wobec czego prąd silnika zależy od obciążenia. Cała wartość napięcia wejściowego U1 odkłada się teraz tylko na rezystancji stojana R1, powodując brak tego napięcia na magnesowanie silnika.

Przy niskich częstotliwościach, kiedy stosunek napięcia do częstotliwości pozostaje stały w pełnym zakresie, brak jest napięcia dla namagnesowania silnika i silnik nie jest w stanie wytworzyć momentu obrotowego. W konsekwencji ważne jest, aby zwiększyć odpowiednio napięcie U1 podczas startu silnika i przy niskich częstotliwościach pracy.

Zależność namagnesowania od obciążenia

Po dostosowaniu silnika do dodatkowego namagnesowania przy niskich częstotliwościach i podczas początkowej fazy rozruchu, wystąpi przemagnesowanie w czasie pracy z małym obciążeniem. W tej sytuacji, prąd stojana I1 będzie opadać a wzrośnie indukowane napięcie Uq.

Silnik zwiększy pobór prądu reaktywnego, co spowoduje jego nadmierne nagrzewanie. Magnetyzacja silnika zależy więc od napięcia, które powinno zmieniać się automatycznie w zależności od obciążenia.

Dla optymalnego namagnesowania silnika częstotliwość i zmienne obciążenie musi być uwzględniane przy sterowaniu częstotliwościowym silnika.

źródło: Dr inż. Jerzy Szymański, ELPOL Centrum Elektroniki i Automatyki Sp. z o.o. (www.elpol.biz)