Меню

Частота вращения асинхронного двигателя при пониженном напряжении

Общие сведения об электрических машинах — Работа трехфазного асинхронного двигателя в неноминальных условиях

Содержание материала

  • Общие сведения об электрических машинах
  • Нагрев вращающихся машин переменного тока
  • Номинальные режимы работы
  • Конструктивные исполнения электрических машин
  • Регулирование скорости вращения трехфазных асинхронных двигателей
  • Изменение скорости вращения путем изменения первичного напряжения и другие
  • Работа трехфазного асинхронного двигателя в неноминальных условиях
  • Синхронные машины
  • Неявнополюсные синхронные генераторы
  • Системы возбуждения синхронных генераторов
  • Машины постоянного тока
  • Коллекторные машины постоянного тока
  • Устройство и конструкция коллекторной машины постоянного тока
  • Обмотки барабанных якорей
  • Петлевые обмотки барабанных якорей
  • Волновые обмотки барабанных якорей
  • Комбинированная обмотка машин постоянного тока и выбор
  • Характеристики генераторов постоянного тока
  • Генератор смешанного возбуждения
  • Сельсины
  • Работа однофазных сельсинов в индикаторном режиме
  • Поворотные трансформаторы
  • Синхронные реактивные двигатели
  • Однофазные реактивные двигатели
  • Синхронный гистерезисный двигатель

Работа трехфазного асинхронного двигателя в условиях, отличных от номинальных

Асинхронные двигатели, согласно ГОСТу 183—66, должны отдавать номинальную мощность при отклонениях напряжения сети от номинального значения в пределах от —5 до +10%. В том случае, когда от номинальных значений одновременно отклоняются напряжение и частота, асинхронные двигатели должны отдавать номинальную мощность, если сумма процентных значений этих отклонений (без учета знака этих отклонений) не превосходит 10%.
В условиях эксплуатации сельских электроустановок часты случаи отклонения напряжения сети от номинального значения; частота сети отличается от номинальной прежде всего при питании от автономных энергетических установок (дизельные электростанции совхозов, отдельных хозяйств, резервные электростанции небольшой мощности).
Рассмотрим влияние на работу трехфазного асинхронного двигателя отклонений напряжения и частоты от их номинальных значений.

Работа двигателя при напряжении, по величине отличном от номинального

Напряжение ниже номинального.

Согласно уравнению (141), без учета падения напряжения U1=E1 = cf1Ф. При понижении напряжения понижается магнитный поток, а следовательно, и ток холостого хода /о. Если двигатель должен развить тот же момент, что и при номинальном напряжении, причем Имеется в виду момент номинальный или близкий к нему, то, согласно уравнению (182), М=смФ12COSф2, возрастает ток ротора и составляющая тока статора. Поэтому в зависимости от насыщения двигателя может остаться тем же, уменьшиться (при преобладании влияния) или, как чаще всего бывает, возрасти. При уменьшении напряжения свыше 5% ток, как правило, растет.
Коэффициент мощности при уменьшении напряжения (в оговоренных вначале пределах) обычно увеличивается в соответствии с увеличением активной и уменьшением реактивной составляющих тока статора, скольжение возрастает, коэффициент полезного действия несколько падает, перегрузочная способность двигателя уменьшается.

Напряжение выше номинального.

При повышении напряжения выше номинального все происходит противоположно сказанному выше. В двигателях с большим насыщением стали намагничивающий ток вместе с увеличением напряжения может возрасти непропорционально напряжению и ток статора может увеличиться. В этом случае двигатель будет перегреваться как из-за нагрева стали, так и вследствие увеличения тока в обмотке статора.
Между напряжением на зажимах статора и рабочими характеристиками двигателя (кривыми момента, тока статора) нет простой аналитической зависимости из-за нелинейности кривой намагничивания двигателя и влияния насыщения на параметры машины. Эти вопросы требуют специального рассмотрения.
Переключение обмоток статора слабо нагруженного двигателя с треугольника на звезду. Как показано выше, при нагрузке двигателя, близкой к номинальной, снижение напряжения на его зажимах обычно приводит к перегрузке обмоток по току и влечет за собой уменьшение коэффициента полезного действия и перегрев обмоток.
Но при малых нагрузках двигателя (до 30—35% номинальной) снижение подводимого к двигателю напряжения может улучшить его энергетические показатели. В этом случае, несмотря на увеличение тока ротора, а следовательно, и составляющей тока статора, из-за малой нагрузки ток ротора может не превысить номинального значения. Между тем уменьшение намагничивающего тока и потерь в стали статора вследствие уменьшения магнитного потока благоприятно скажется на значении энергетических показателей — коэффициенте мощности cos ф1 и коэффициенте полезного действия.
В отдельных случаях асинхронные двигатели в условиях эксплуатации могут оказаться временно недогруженными в оговоренных выше пределах. Если обмотка статора таких двигателей нормально соединена в треугольник, то для улучшения энергетических показателей при работе двигателя обмотку статора целесообразно переключить на звезду, понижая таким образом фазное напряжение в 3 раз. Перегрузочная способность при малой нагрузке остается обычно достаточной.

Работа двигателя при частоте, отличной от номинальной

Поскольку при уменьшении частоты U1=E1 — cflФ, магнитный поток, а следовательно, и намагничивающий ток двигателя увеличиваются. Если двигатель должен развить тот же момент, что и при номинальной частоте, то активные составляющие тока ротора и тока статора уменьшаются, Снижается и коэффициент мощности cosф1. Ток статора обычно возрастает из-за преобладающего влияния увеличения намагничивающего тока. Увеличиваются в статоре потери электрические и в стали, охлаждение несколько ухудшается, так как скорость вращения ротора понижается, нагрев двигателя возрастает.
Увеличение частоты и соответствующее ему уменьшение магнитного потока приводят к уменьшению намагничивающего тока. Однако при постоянном моменте растет ток ротора; при определенных условиях ток статора может также возрасти. Изменение таких показателей, как коэффициент мощности cosф, потери в стали статора, скорость вращения двигателя, будет противоположным тому, как об этом говорилось выше при анализе работы двигателя на пониженной частоте.
Отклонения частоты от номинального значения в Электрических сетях обычно бывают небольшими, не превосходя ±1%. Такие колебания частоты не оказывают сколь-либо заметного влияния на работу асинхронного двигателя. По ГОСТу 183—66 двигатели должны отдавать номинальную мощность при отклонениях частоты от номинального значения до ±5%.

Читайте также:  Что такое напряжение переменного тока что такое напряжение постоянного тока

Работа двигателя при несимметричном напряжении сети

Возможная несимметрия напряжения в трехфазной сети предусматривается действующими электротехническими нормами, допускающими асимметрию напряжения до 5% (асимметрия напряжений оценивается отношением напряжения обратной последовательности к напряжению прямой последовательности.
Несимметричное напряжение в трехфазной сети наблюдается при присоединении ее к тяговым железнодорожным подстанциям. К потребителям, вызывающим появление заметной асимметрии напряжений в питающих линиях и сетях, обусловленной асимметрией токов в проводах, относятся однофазные электронагревательные установки и установки с однофазными контактно-сварочными аппаратами, сельские районы, электрифицированные по трехфазно-однофазной системе.
Не принимая во внимание насыщение двигателя, во время рассмотрения работы трехфазного двигателя при несимметричной системе напряжений, подводимой к его зажимам, используем метод симметричных составляющих. Поскольку нулевая точка соединенных в звезду обмоток асинхронного двигателя обычно изолирована, составляющая нулевой последовательности в токах q6motok не возникает, и на зажимах двигателя действуют (согласно теории симметричных составляющих) независимо друг от друга системы напряжений прямой и обратной последовательностей. В отдельных случаях, когда в системе первичных напряжений действует также система нулевой последовательности, по обмоткам статора двигателя могут проходить однофазные токи нулевой последовательности. Токи нулевой последовательности могут появиться в обмотках двигателя, соединенных в треугольник, при питании его от несимметричной системы напряжения вследствие неравенства сопротивления обмоток, как из-за неодинакового насыщения путей потоков рассеяния в разных фазах (приводит к изменению х1 и х2), так и из-за неодинакового нагрева обмоток (приводит к изменению). Но, поскольку токи нулевой последовательности не создают вращающегося магнитного поля и вращающего момента, при анализе работы двигателя их можно не принимать во внимание. Другими словами, и в этих случаях можно считать, что в системе первичных напряжений, подведенных к двигателю, нулевая последовательность как бы отсутствует.
Систему напряжений прямой последовательности можно рассматривать как ту, которая предполагалась приложенной к двигателю в условиях его питания от сети с симметричным напряжением. Теория рабочего процесса двигателя в этом случае достаточно подробно рассмотрена в предыдущих главах. Перенося положения этой теории на рассматриваемый случай, можно сказать, что система напряжений прямой последовательности вызывает в обмотках статора и ротора токи прямой последовательности, в свою очередь, образующие намагничивающие силы соответственно статора F11 и ротора F21 (дополнительный индекс, стоящий вторым, — это номер последовательности) и вращающееся поле Ф, в направлении которого движется ротор.
По аналогии система напряжений обратной последовательности, приложенная к обмоткам статора, вызывает в них токи статора обратной последовательности, создающие намагничивающую силу обратной последовательности, вращающуюся с той же скоростью, что и н. с. прямой последовательности F11, но в обратную сторону, так как токи имеют обратное чередование фаз. Поле, вызванное н. с. обратной последовательности, индуктирует в роторе токи обратной последовательности, создающие намагничивающую силу обратной последовательности ротора F22. В результате совместного действия н. с. F12 и F22 образуется общее магнитное поле обратной последовательности Ф2, идущее в сторону, противоположную движению ротора с синхронной скоростью.
Ухудшение работы двигателя при несимметричном напряжении сети связано с тем, что значение развиваемого двигателем момента, а следовательно, и мощности, по существу определяется только составляющей тока прямой последовательности, а нагрев двигателя зависит от значения тока, включая также составляющую обратной последовательности. Поэтому при несимметричном напряжении нагрев двигателя окажется выше, чем при той же нагрузке и питании его от сети с симметричным напряжением.
Результирующие токи в фазах статора, равные геометрической сумме токов прямой и обратной последовательностей, не одинаковы по значению, увеличиваясь в одних и уменьшаясь в других фазах по сравнению с симметричным режимом при той же нагрузке. При таком токораспределении длительную допустимую мощность можно установить на основе следующих рассуждений. При номинальном токе в наиболее нагруженной фазе статора, слагающемся из токов обеих последовательностей, значение электрических потерь в обмотке статора будет в целом меньше, чем при работе двигателя в номинальных условиях, когда номинальный ток проходит во всех трех фазах. При меньшем значении электрических потерь уменьшится отдача тепла, идущего от всех фаз статора на сталь, и, предполагая достаточную степень тепловыравнивания, можно считать, что температура стали статора будет меньше той, которая наблюдается при работе двигателя в номинальном режиме.
Следовательно, для наиболее нагруженной фазы можно увеличить перепад температуры между медью (проводом) и сталью по сравнению с симметричным режимом. Это позволяет установить значение тока наиболее нагруженной фазы выше номинального, чтобы температура обмотки (меди) наиболее нагруженной фазы при несимметрии оказалась равной температуре обмотки (меди) в симметричных условиях при номинальной нагрузке.

Как показали расчеты, проведенные для двигателей серии А, длительная допустимая мощность для двигателей до 7 квт (обмотка однослойная) типа А при а=5% снижается по сравнению с номинальной на 10—15%, при а=10%—на 25—45%, а для двигателей типа АО соответственно на 10—20 и 30—50%. Для двигателей мощностью от 10 кет и выше с двухслойными обмотками допустимая мощность выше, чем для двигателей с однослойными обмотками, соответственно на 5% при а = 5% и на 10% при а=10%.
При коэффициенте несимметрии напряжений а=1—2% длительная допустимая мощность ниже номинальной на 3—4%; в эксплуатации за счет теплового запаса в двигателях серии А этого снижения можно не делать.
Асинхронный двигатель, работающий в сети с несимметричным напряжением, как вхолостую, так и под нагрузкой создает уравновешивающий эффект, то есть стремится уменьшить несимметрию напряжений. Это объясняется тем, что токи обратной последовательности двигателя частично компенсируют в линии токи обратной последовательности нагрузки. Уравновешивающий эффект тем сильнее, чем меньше результирующее сопротивление обратной последовательности двигателя.

Читайте также:  При смешанном соединении напряжение распределяется

Источник



Регулирование частоты вращения асинхронного электродвигателя

Рисунок 1. Асинхронный двигатель Асинхронный двигатель (рис. 1) имеет неподвижную часть, которая называется статор, и вращающуюся часть, именуемую ротором. Магнитное поле создается в обмотке, размещенной в статоре. Такая конструкция электродвигателя позволяет регулировать частоту его вращения различными способами.

Основные технические характеристики, учитываемые при изменении частоты вращения

При регулировании частоты вращения асинхронных электродвигателей следует учитывать несколько основных технических показателей, которые в значительной мере влияют на процесс работы двигателей.

  1. Диапазон регулирования Д, то есть предел, до которого возможно изменять частоту вращения. Эта характеристика вычисляется по соотношению минимальной и максимальной частоты вращения.
  2. Плавность регулирования — определяется по минимальному скачку частоты вращения электродвигателя, когда осуществляется переход одной механической характеристики на другую.
  3. Направление изменения частоты вращения двигателя (так называемая зона регулирования). Номинальные условия работы определяют естественную механическую характеристику двигателя. Когда осуществляется процесс регулирования частоты вращения, эти характеристики (напряжение и частота питающей сети) начнут изменяться. В результате получаются искусственные характеристики, которые обычно ниже естественных.

Есть несколько способов регулирования частоты вращения электродвигателя:

Регулирование частоты вращения изменением частоты питающей сети

Регулирование частоты вращения путем изменения частоты в питающей сети считается одним из самых экономичных способов регулирования, который позволяет добиться отличных механических характеристик электропривода. Когда происходит изменение частоты питающей сети, частота вращения магнитного поля также меняется.

Преобразование стандартной частоты сети, которая составляет 50 Гц, происходит за счет источника питания. Одновременно с изменением частоты происходит и изменение напряжения, которое необходимо для обеспечения высокой жесткости механических характеристик.

Регулирование частоты вращения позволяет добиться различных режимов работы электродвигателя:

  • с постоянным вращающим моментом;
  • с моментом, который пропорционален квадрату частоты;
  • с постоянной мощностью на валу.

В качестве источника питания для регулирования могут использоваться электромашинные вращающиеся преобразователи, а также статические преобразователи частоты, которые работают на полупроводниковых приборах, серийно выпускающихся промышленностью.

Несомненным преимуществом частотного регулирования является наличие возможности плавно регулировать частоту вращения в обе стороны от естественной характеристики. При регулировании достигается высокая жесткость характеристик и отличная перегрузочная способность.

Регулирование частоты вращения изменением числа полюсов

Регулирование частоты вращения путем изменения числа полюсов происходит за счет изменения частоты вращения магнитного поля статора. Частота питающей сети остается неизменной, в то время как происходит изменение частоты вращения магнитного поля и частоты вращения ротора. Они меняются обратно пропорционально числу полюсов. Например, число полюсов равно 2, 4, 6, 8, тогда обороты двигателя при изменении их количества будут составлять 3000, 1500, 1000, 750 оборотов в минуту.

Двигатели, которые обеспечивают переключение числа пар полюсов, имеют обычно короткозамкнутый ротор с обмоткой. Благодаря этому ротору обеспечивается возможность работы двигателя без дополнительных пересоединений в цепи.

Изменение частоты вращения включением в цепь ротора с реостатом

Еще одним способом изменения частоты вращения двигателя является включение в цепь ротора с реостатом. Такой метод имеет существенное ограничение, так как может быть применен только для двигателей с фазным ротором. Он обеспечивает плавное изменение частоты вращения в очень широких пределах. Минусом же являются большие потери энергии в регулировочном реостате.

Изменение направления вращения

Изменение направления вращения двигателя может быть осуществлено за счет изменения направления вращения магнитного поля, которое создается обмотками статора. Изменение направления вращения можно достичь, изменив порядок чередования тока в фазах обмотки статора.

Источник

Частотное регулирование скорости вращения асинхронных электродвигателей

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: m 1 – количество фаз в обмотке статора; r 1 и x 1 – активное и индуктивное сопротивление статорной обмотки; х 2 / — индуктивное сопротивление роторной обмотки, приведенной к первичной обмотке; f – частота питающей сети.

Если пренебречь активным сопротивлением статорной обмотки, выражение (1) примет вид:

Индуктивные сопротивления x 1 и х 2 / зависят от частоты питающей сети. Поэтому при переменной частоте предыдущее выражение должно быть записано как:

Читайте также:  Трансформатор для регулирования напряжения линейный

Для сохранения неизменной перегрузочной способности машины отношение критических моментов при любых скоростях должно быть равно отношению соответствующих статических моментов:

Где М с1 и М с2 – статические моменты, соответствующие скорости электрической машины при частотах f 1 и f 2; U 1 и U 2 – 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: М с ≡ 1/f, М с = const, M c ≡ f и M c ≡ f 2 . 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 f ном = 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 М дв 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 х 1н и х 2н / — 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 U 2 превращается в U 2 нφ 2α , однако за счет f, входящей в выражение синхронной скорости ω 0 = 2πf нφ, 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 М кн – 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 М к и s к без учета r 1 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

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:

Источник

Adblock
detector