Наиболее экономичным способом регулирования скорости вращения асинхронных электрических машин с короткозамкнутым ротором является изменение частоты питающего напряжения последних. При изменении частоты также будут меняться и параметры асинхронной машины. Для обеспечения необходимых значений пускового и критического моментов, а также коэффициента мощности и коэффициента полезного действия КПД, необходимо с изменением частоты соответствующим образом изменять и напряжение, подводимое к зажимам электродвигателя.
Общие закономерности регулирования скорости асинхронных машин путем изменения частоты питающей сети были исследованы академиком М.П. Костенко еще в 1925 году.
Основное соотношение, связывающее изменение частоты и напряжения, в зависимости от характера статического момента механизма может быть выведено из общих соотношений, представляемых эквивалентной схемой замещения. При постоянной частоте питающей сети критический момент асинхронного электродвигателя будет равен:
Где: m1 – количество фаз в обмотке статора; r1 и x1 – активное и индуктивное сопротивление статорной обмотки; х2/ — индуктивное сопротивление роторной обмотки, приведенной к первичной обмотке; f – частота питающей сети.
Если пренебречь активным сопротивлением статорной обмотки, выражение (1) примет вид:
Индуктивные сопротивления x1 и х2/ зависят от частоты питающей сети. Поэтому при переменной частоте предыдущее выражение должно быть записано как:
Для сохранения неизменной перегрузочной способности машины отношение критических моментов при любых скоростях должно быть равно отношению соответствующих статических моментов:
Где Мс1 и Мс2 – статические моменты, соответствующие скорости электрической машины при частотах f1 и f2; U1 и U2 – напряжения, подводимые к двигателю при тех же частотах.
Полученная формула (4) показывает, что оптимальный закон изменения напряжения при частотном регулировании определяется характером изменения статического момента в зависимости от частоты. В таблице ниже сопоставлены значения моментов, мощностей и напряжений при различных характерах зависимости статического момента от скорости.
Анализ, проведенный академиком М.П. Костенко на базе упрощенной круговой диаграммы, показал, что при соблюдении условия (4) будет иметь место постоянство cosφ, а КПД электрической машины будет функцией частоты и не зависит от нагрузки. Для всех видов зависимости момента от скорости: Мс ≡ 1/f, Мс = const, Mc ≡ f и Mc ≡ f2. КПД двигателя при каждой заданной скорости будет примерно одинаков.
Для выявления поведения асинхронного электродвигателя при регулировании частоты питающего напряжения в случаях различной зависимости статического момента от скорости необходимо установить характер изменения пускового и критического моментов.
В основу рассмотрения легла эквивалентная схема асинхронной машины с намагничивающим контуром, вынесенным на зажимы машины. Влияние насыщения не учитывается. За исходные данные принимаем параметры машины при номинальном напряжении и частоте fном = 50 Гц. В качестве независимой переменной (определяющего параметра) удобно принять частоту, выраженную в относительных единицах:
Напряжение, приложенное к зажимам электрической машины, будет функцией частоты и одновременно, будет зависеть от характера изменения статического момента, и в общем случае будет иметь вид:
Показатель степени α зависит от желаемого характера Мдв и функции скорости. При построении механической характеристики асинхронной машины при любой f можно использовать общее выражение:
Индуктивное сопротивление обмоток можно выразить при f = 50 Гц, а именно:
Где х1н и х2н/ — индуктивные сопротивления статора и ротора, приведенные к обмотке статора, при f = 50 Гц.
После введения относительных единиц выражение примет вид:
Где φ – частота в относительных единицах; α – коэффициент, определяемый характером зависимости момента от скорости электрической машины.
В (8) при переходе к относительным единицам U2 превращается в U2нφ2α, однако за счет f, входящей в выражение синхронной скорости ω0 = 2πfнφ, показатель степени у
φ становится 2α — 1.
Величина критического момента станет равна:
В случае пренебрежения активным сопротивлением статорной обмотки:
Выражение (10) может быть представлено как:
Где Мкн – критический момент электрической машины при номинальном напряжении и f.
Критическое скольжение при переменной частоте:
В ряде случаев удобно воспользоваться выражением механической характеристики, содержащим значение критического момента:
Если пренебречь сопротивлением активным обмотки статора уравнение механической характеристики примет вид:
Подставляя в упрощенное выражение механической характеристики значения Мк и sк без учета r1 получим расчетную формулу:
На рисунке ниже приведены механические характеристики асинхронного электродвигателя для трех различных частот в относительных единицах для случая изменения f по закону (U/f) = const или α = 1.
Сравнение характеристик показывает, что критическое скольжение возрастает с понижением частоты. Это связано с изменением соотношения активного и индуктивного сопротивления. При уменьшении f критический момент в двигательном режиме уменьшается. Выражение для пускового момента равно:
Пусковой момент при небольших изменениях частоты несколько увеличивается, а затем, при дальнейшем уменьшении f, достигает максимума, а дальше падает. Понижение М, наблюдаемое при низких f, вызывается относительным увеличением активного сопротивления, а также уменьшением магнитного потока, влияние которого не учитывают приведенные выше формулы. Уменьшение потока обуславливается падением напряжения в обмотке статора и является функцией нагрузки электродвигателя. Уменьшение магнитного потока может быть устранено с помощью увеличения отношения U/f при малых значениях частоты. Увеличение отношения U/f в размере, необходимом для поддержания номинального значения магнитного потока при нагрузке, приведет к тому, что при малых нагрузках машина окажется перевозбужденной и, следовательно, возрастет намагничивающий ток.
Механическая характеристика асинхронного двигателя для случая α = 1/2 , то есть при изменении напряжения по закону 
показаны ниже:
Регулирование скорости асинхронных короткозамкнутых машин в настоящее время применяется для самого широкого спектра рабочих механизмов. В высоко оборотистых электроприводах, где скорость вращения вала равна или превышает 3000 об/мин, применение коллекторных электромашин крайне нежелательно. Здесь больше подходит частотно-регулируемый асинхронный электропривод. Часто данный способ регулирования применяется при необходимости одновременного изменения скорости по одному закону нескольких рабочих органов машины, приводимых в движение отдельными электродвигателями. Примерами таких установок могут послужить электроприводы центрифуг вискозной промышленности, применяемые для получения вискозного волокна, рогулечных прядильных машин текстильной промышленности, роликовых транспортеров прокатных цехов металлургических заводов, служащих для транспортировки как горячего, так и холодного металла в процессе прокатки. Во всех перечисленных случаях каждый отдельный элемент рабочей машины (отдельная центрифуга, рогулька прядильной машины, ролик транспортера и так далее) приводятся в движение отдельным асинхронным двигателем мощностью от нескольких десятков ватт, до киловатт, и целая группа подобных двигателей может питаться от одного преобразователя с регулируемой частотой.
В качестве источника регулируемых асинхронных электродвигателей могут быть использованы следующие типы преобразователей частоты:
- Синхронный генератор, вращающийся с переменной частотой.
- Асинхронный преобразователь частоты.
- Преобразователь типа Леблана.
- Коллекторные генераторы переменного тока с возбуждением со статора.
- Полупроводниковые преобразователи частоты.
В таблице ниже представлены сопоставления технических показателей каждого типа перечисленных преобразователей:
Таблица выше показывает, что все системы машинных преобразователей, за исключением преобразователя Леблана, состоят из значительного количества электрических машин и обладают невысоким общим коэффициентом полезного действия и высокой первоначальной стоимостью. Преобразователь частоты Леблана свободен от указанных недостатков, однако, несовершенство коммутации ограничило возможности его широкого использования в недалеком прошлом. Современная электроника вывела на первое место полупроводниковые преобразователи частоты равных которым пока нет, и которые используются практически во всех частотно-регулируемых электроприводах.
