Влияние изменения напряжения на характеристик асинхронных двигателей

Влияние напряжения на вид механической характеристики асинхронного двигателя

Колебания напряжения сети U1 относительно его номинального значения U1ном, сопровождаются не только изменениями максимального и пускового моментов, но и изменениями частоты вращении ротора. С уменьшением напряжения сети частота вращения ротора снижается (скольжение увеличивается). Напряжение U1 влияет на значение максимального момента М1mах, а также на перегрузочную способность двигателя λ = Мmax /Mном . Так, если напряжение U1, понизилось на 30%, т. е. U1 = 0,7 U1ном, то максимальный момент асинхронного двигателя уменьшится более чем вдвое:

M/max = 0,72 Мmax = 0,49 Mmах.

Влияние активного сопротивленияобмотки ротора на механическуюхарактеристику асинхронного двигателя

Изменение активного сопр. обмотки ротора. Значение максимального момента двигателя не зависит от активного сопротивления ротора r/2 . Что же касается критического скольжения sкр, то оно пропорционально сопротивлению r2'. Таким образом, если в асинхронном двигателе постепенно увеличивать активное сопротивление цепи ротора, то значение максимального момента будет оставаться неизменным, а критическое скольжение будет увеличиваться. При этом пусковой момент двигателя Мп возрастает с увеличением сопротивления r2' до некоторого значении. На рисунке это соответствует сопротивлению г2'ш, при котором пусковой момент равен максимальному. При дальнейшем увеличении сопротивления r2' пусковой момент уменьшается.

Анализ графиков М = f(s) приведенных на рисунке, также показывает, что изменения сопротивления ротора r2' сопровождаются изменениями частоты вращения: с увеличением r2' при не­изменном нагрузочном моменте Мст скольжение увеличивается, т.е. частота вращения уменьшается (точки 1, 2, 3 и 4).

Влияние активного сопротивления обмотки ротора на форму механических

характеристик асинхронных двигателей используется при проектировании двигателей.

Вопрос 45. Рабочие характеристика АД. Скоростная характеристика. Зависимость M2 = f (P2). Зависимость cosф = f (P2). Вид и анализ характеристик.

Рабочие характеристики – это зависимости частоты вращения n2, момента на валу M2, тока статора I1, коэффициента мощности cosф, подведенной к двигателю мощности Р1, КПД от полезной мощности на валу двигателя P2 при постоянном напряжении и частоте тока. При этом указанные зависимости определяются только на рабочем участке механической характеристике, т.е. скольжение не должно превышать критическое.

Сила тока I1 потребляемого двигателем из сети, неравномерно изменяется с увеличением нагрузки на валу двигателя. При холостом ходе соs j мал и ток имеет большую реактивную составляющую и очень малую активную составляющую.

При малых нагрузках на валу двигателя активная составляющая тока статора меньше реактивной составляющей, а потому изменение нагрузки, т. е. изменение активной составляющей тока, вызывает незначительное изменение силы тока I1 (определяющейся в основном реактивной составляющей).

При больших нагрузках активная составляющая тока статора становится больше реактивной и изменение нагрузки вызывает значительное изменение силы тока I1.

Потребляемая двигателем мощность Р1 при графическом изображении имеет вид почти прямой линии, незначительно отклоняющейся вверх при больших нагрузках, что объясняется увеличением потерь в обмотках статора и ротора с увеличением нагрузки.

Изменение коэффициента мощности при изменении нагрузки на валу двигателя происходит следующим образом. При холостом ходе соsj мал (порядка 0,2), так как активная составляющая тока статора, обусловленная потерями мощности в машине, мала по сравнению с реактивной составляющей этого тока, создающей магнитный поток.

При увеличении нагрузки на валу соsj возрастает (достигая наибольшего значения 0,8—0,9) в результате увеличения активной составляющей тока статора.

При очень больших нагрузках происходит некоторое уменьшение соsj, так как вследствие значительного увеличения скольжения и частоты тока в роторе возрастает реактивное сопротивление обмотки ротора.

Кривая к. п. д. имеет такой же вид, как в любой машине или трансформаторе. При холостом ходе к. п. д. равен нулю. С увеличением нагрузки на валу двигателя к. п. д. резко увеличивается, а затем уменьшается.

Наибольшего значения к. п. д.

достигает при такой нагрузке, когда потери мощности в стали и механические потери, не зависящие от нагрузки, равны потерям мощности в обмотках статора и ротора, зависящим от нагрузки.

Опыт холостого хода.

Опыт начинают с повышенного на­пряжения питания U1 = 1,15 Uном, затем постепенно понижают напряжение до 0,4 Uном так, чтобы снять показания при­боров в 5—7 точках. При этом один из замеров должен соответствовать номи­нальному напряжению U1ном. Измеряют линейные значения напряжений и токов и вычисляют их средние значения:

Uср = (UАВ + UВС + UСА)/ 3

I0ср = (IОА + IОВ + IOC)/ 3

а затем в зависимости от схемы соедине­ния обмотки статора определяют фазные значения напряжения и тока х.х.: при соединении в звезду

• U1 = Uср/ ; I0 = Iср
• при соединении в треугольник
• U1 = Ucp; U0 = I0cp/ .

По результатам измерений и вычислений строят характери­стики х.х.

I0, P0, P/0и соs φ0 = f(U1), на которых отмечают значе­ния величин I0ном, Р0ном, Р/0ном и соs φ0 соответствующих номи­нальному напряжению U1номЕсли график Р/0 =f(U1) продолжить до пересечения с осью ординат (U1 = 0), то получим величину потерь Рмех. Определив величину механических потерь Рмех, можно вычис­лить магнитные потери :

Рм = Р/0 – Рмех

§79. Характеристики асинхронных двигателей

• Характеристики асинхронных двигателей.
• Для правильной эксплуатации асинхронного двигателя необходимо знать его характеристики: механическую и рабочие.
• Механическая характеристика.

Зависимость частоты вращения ротора от нагрузки (вращающегося момента на валу) называется механической характеристикой асинхронного двигателя (рис. 262, а). При номинальной нагрузке частота вращения для различных двигателей обычно составляет 98—92,5 % частоты вращения n1 (скольжение sном = 2 – 7,5 %).

Чем больше нагрузка, т. е. вращающий момент, который должен развивать двигатель, тем меньше частота вращения ротора.

Как показывает кривая на рис. 262, а, частота вращения асинхронного двигателя лишь незначительно снижается при увеличении нагрузки в диапазоне от нуля до наибольшего ее значения. Поэтому говорят, что такой двигатель обладает жесткой механической характеристикой.

Наибольший вращающий момент Mmax двигатель развивает при некотором скольжении skp, составляющем 10—20%. Отношение Mmax/Mном определяет перегрузочную способность двигателя, а отношение Мп/Мном — его пусковые свойства.

Рис. 262. Механические характеристики асинхронного двигателя: а — естественная; б — при включении пускового реостата

Двигатель может устойчиво работать только при обеспечении саморегулирования, т. е. автоматическом установлении равновесия между приложенным к валу моментом нагрузки Мвн и моментом М, развиваемым двигателем. Этому условию соответствует верхняя часть характеристики до достижения Mmax (до точки В).

Если нагрузочный момент Мвн превысит момент Mmax, то двигатель теряет устойчивость и останавливается, при этом по обмоткам машины будет длительно проходить ток в 5—7 раз больше номинального, и они могут сгореть.

При включении в цепь обмоток ротора пускового реостата получаем семейство механических характеристик (рис. 262,б). Характеристика 1 при работе двигателя без пускового реостата называется естественной.

Характеристики 2, 3 и 4, получаемые при подключении к обмотке ротора двигателя реостата с сопротивлениями R1п (кривая 2), R2п (кривая 3) и R3п (кривая 4), называют реостатными механическими характеристиками.

При включении пускового реостата механическая характеристика становится более мягкой (более крутопадающей), так как увеличивается активное сопротивление цепи ротора R2 и возрастает sкp. При этом уменьшается пусковой ток. Пусковой момент Мп также зависит от R2. Можно так подобрать сопротивление реостата, чтобы пусковой момент Мп был равен наибольшему Мmax.

В двигателе с повышенным пусковым моментом естественная механическая характеристика приближается по своей форме к характеристике двигателя с включенным пусковым реостатом. Вращающий момент двигателя с двойной беличьей клеткой равен сумме двух моментов, создаваемых рабочей и пусковой клетками.

Поэтому характеристику 1 (рис. 263) можно получить путем суммирования характеристик 2 и 3, создаваемых этими клетками. Пусковой момент Мп такого двигателя значительно больше, чем момент М’п обычного короткозамкнутого двигателя. Механическая характеристика двигателя с глубокими пазами такая же, как и у двигателя с двойной беличьей клеткой.

Рис. 263. Механическая характеристика асинхронного двигателя с повышенным пусковым моментом (с двойной беличьей клеткой)

Рабочие характеристики.

Рабочими характеристиками асинхронного двигателя называются зависимости частоты вращения n (или скольжения s), момента на валу М2, тока статора I1 коэффициента полезного действия η и cosφ1, от полезной мощности Р2 = Рmx при номинальных значениях напряжения U1 и частоты f1 (рис. 264).

Рис. 264. Рабочие характеристики асинхронного двигателя

Они строятся только для зоны практической устойчивой работы двигателя, т. е. от скольжения, равного нулю, до скольжения, превышающего номинальное на 10—20%.

Частота вращения n с ростом отдаваемой мощности Р2 изменяется мало, так же как и в механической характеристике; вращающий момент на валу М2 пропорционален мощности Р2, он меньше электромагнитного момента М на значение тормозящего момента Мтр, создаваемого силами трения.

Ток статора I1, возрастает с увеличением отдаваемой мощности, но при Р2 = 0 имеется некоторый ток холостого хода I0. К. п. д. изменяется примерно так же, как и в трансформаторе, сохраняя достаточно большое значение в сравнительно широком диапазоне нагрузки.

Наибольшее значение к. п. д. для асинхронных двигателей средней и большой мощности составляет 0,75—0,95 (машины большой мощности имеют соответственно больший к. п. д.). Коэффициент мощности cosφ1 асинхронных двигателей средней и большой мощности при полной нагрузке равен 0,7—0,9.

1. Следовательно, они загружают электрические станции и сети значительными реактивными токами (от 70 до 40% номинального тока), что является существенным недостатком этих двигателей.
2. При нагрузках 25—50 % номинальной, которые часто встречаются при эксплуатации различных механизмов, коэффициент мощности уменьшается до неудовлетворительных с энергетической точки зрения значений (0,5—0,75).
3. При снятии нагрузки с двигателя коэффициент мощности уменьшается до значений 0,25—0,3, поэтому нельзя допускать работу асинхронных двигателей при холостом ходе и значительных недогрузках.
4. Работа при пониженном напряжении и обрыве одной из фаз.

Понижение напряжения сети не оказывает существенного влияния на частоту вращения ротора асинхронного двигателя.

Однако в этом случае сильно уменьшается наибольший вращающий момент, который может развить асинхронный двигатель (при понижении напряжения на 30% он уменьшается примерно в 2 раза).

Поэтому при значительном падении напряжения двигатель может остановиться, а при низком напряжении — не включиться в работу.

На э. п. с. переменного тока при уменьшении напряжения в контактной сети соответственно уменьшается и напряжение в трехфазной сети, от которой питаются асинхронные двигатели, приводящие во вращение вспомогательные машины (вентиляторы, компрессоры, насосы).

Для того чтобы обеспечить нормальную работу асинхронных двигателей при пониженном напряжении (они должны нормально работать при уменьшении напряжения до 0,75Uном), мощность всех двигателей вспомогательных машин на э. п. с. берется примерно в 1,5—1,6 раза большей, чем это необходимо для привода их при номинальном напряжении.

Такой запас по мощности необходим также из-за некоторой несимметрии фазных напряжений, так как на э. п. с. асинхронные двигатели питаются не от трехфазного генератора, а от расщепителя фаз.

При несимметрии напряжений фазные токи двигателя будут неодинаковы и сдвиг между ними по фазе не будет равен 120°. В результате по одной из фаз будет протекать больший ток, вызывающий увеличенный нагрев обмоток данной фазы. Это заставляет ограничивать нагрузку двигателя по сравнению с работой его при симметричном напряжении.

Кроме того, при несимметрии напряжений возникает не круговое, а эллиптическое вращающееся магнитное поле и несколько изменяется форма механической характеристики двигателя. При этом уменьшаются его наибольший и пусковой моменты.

Несимметрию напряжений характеризуют коэффициентом несимметрии, который равен среднему относительному (в процентах) отклонению напряжений в отдельных фазах от среднего (симметричного) напряжения. Систему трехфазных напряжений принято считать практически симметричной, если этот коэффициент меньше 5 %.

При обрыве одной из фаз двигатель продолжает работать, но по неповрежденным фазам будут протекать повышенные токи, вызывающие увеличенный нагрев обмоток; такой режим не должен допускаться. Пуск двигателя с оборванной фазой невозможен, так как при этом не создается вращающееся магнитное поле, вследствие чего ротор двигателя не будет вращаться.

Использование асинхронных двигателей для привода вспомогательных машин э. п. с. обеспечивает значительные преимущества по сравнению с двигателями постоянного тока.

При уменьшении напряжения в контактной сети частота вращения асинхронных двигателей, а следовательно, и подача компрессоров, вентиляторов, насосов практически не изменяются.

В двигателях же постоянного тока частота вращения пропорциональна питающему напряжению, поэтому подача этих машин существенно уменьшается.

Влияние изменения напряжения источника питания на механические характеристики асинхронной машины

Для изменения напряжения, подводимого к статорной обмотке асинхронной машины, применяются регулируемые источники напряжения, например, автотрансформатор, индукционный регулятор, тиристорный регулятор напряжения и др.

Пусть частота напряжения, подводимого к обмотке статора, ос­тается неизменной f1=const. Как влияет изменение напряже­ния источника питания на механические характеристики асинхронной машины?

В пределах рабочего участка механической характеристики (-SKu13

Рис.11. Механические характеристики асинхронного двигателя при изменении напряжения источника питания

1. Из приведенного на рис.11 семейства механических характеристик асинхронной машины при изменении напряжения видно, что критичес­кое скольжение для всех характеристик остается неизменным, не­зависящим от приложенного напряжения (57)
3. Крутизна характеристик при понижении напряжения возрастает, но так как Sк остается неизменным, то регулирование скорости дви­гателя возможно лишь в узких пределах.
4. Коэффициент мощности при понижении напряжения имеет тенден­цию к увеличению, особенно заметному при небольших нагрузках, так как уменьшается намагничивающий ток двигателя.

Чтобы определить, как влияет изменение напряжения на КПД двигателя, примем момент статического сопротивления МС, созда­ваемый рабочей машиной, постоянным, не зависящим от угловой ско­рости вращения.

Тогда при уменьшении напряжения механические по­тери остаются практически без изменения, потери в стали уменьша­ются приблизительно пропорционально квадрату напряжения источни­ка питания, потери в обмотке ротора увеличиваются пропорциональ­но I22 (ΔРЭ2=m2I22r2, MC=M=CMI2’Фm, при уменьшении магнитного потока Фm возрастает ток ротора I2’ с тем, чтобы момент оставался постоянным), потери в обмотке ста­тора зависят от соотношения между токами I10 и I2, из которых ток намагничивания I10 уменьшается, а ток ротора возрастает. В целом КПД асинхронного двигателя при малых нагрузках с уменьшением напряжения возрастает, а при увеличении нагрузки падает.

Приведенный выше анализ влияния изменение напряжения источ­ника питания на механические характеристики асинхронной машины выполнен без учета влияния насыщения стали и вытеснения токов в стержнях обмотки ротора короткозамкнутого асинхронного двигателя. Эти явления приводят к еще большему уменьшению значений мо­мента и тока асинхронного двигателя при уменьшении напряжения, подводимого к обмотке статора, по сравнению с теми значениями, которые определяются по формулам (52) и (56).

Влияние изменения напряжения сети на механическую характеристику асинхронного двигателя

23.Рабочие характеристики асинхронного двигателя.

Рабочими характеристиками называют зависимости мощности, потребляемой двигателем , потребляемого тока I, коэффициента мощности , скорости вращения двигателя , к.п.д.

и вращающего момента М от полезной мощности двигателя, отдаваемой на валу . Рабочие характеристики определяют основные эксплуатационные свойства асинхронного двигателя.

24.Пусковые свойства 3-х фазного асинхронного двигателя, пуск асинхронного двигателя с фазным ротором. 1.Двигатель должен развивать большой пусковой момент, .2.Пусковой ток не должен производить повреждения изоляции обмотки двигателя и нарушать нормальный режим работы сети.3.

Схема пуска должна быть простой, надежной, а стоимость пусковых устройств минимальной. Из этих положений следует, что двигатель должен развивать значительный пусковой момент при сравнительно не большом токе. Но получение такого сочетания пусковых параметров в асинхронном двигателе сопряжено с определенными трудностями, а иногда оказывается невозможным. ……….

1) когда двигатели с короткозамкнутым ротором не могут быть использованы по условиям регулирования частоты вращения; 2) когда статический момент сопротивления на валу больше пускового момента короткозамкнутого двигателя; из уравнения движения следует, что ротор в этом случае не раскрутится.

Пуск двигателей с фазным ротором производится с помощью пускового реостата в цепи ротора, рис. 10.4, а…….Когда ползунки трехфазного реостата ПР поставлены в положение I, то в цепь ротора вводится наибольшее активное сопротивление. Его подбирают такой величины, чтобы механическая характеристика двигателя имела вид кривой I (рис. 10.4, б).

Таким образом, пусковой момент будет равен максимальному и . Начнется разгон……..По мере разгона двигателя, например, при ползунки реостата переводят в положение II, тем самым выводят часть сопротивления из цепи обмотки ротора.

Двигатель переходит на новую механическую характеристику II, по которой разгоняется до какого-то скольжения , после чего ползунки перемещают в положение III. Все сопротивление выводится из цепи обмотки ротора, он становится короткозамкнутым и работает на своей естественной характеристике III, разгоняясь до установившегося скольжения , когда .

25.Способы пуска Асинхронного двигателя с к.з. ротором.Пуск асинхронных двигателей с фазным ротором производится при помощи пускового реаостата, подключаемого к обмотке ротора через кольца и щетки.

Перед пуском двигателя нужно убедиться в том, что сопротивление пускового реаостата полностью введено. В конце пуска реостат плавно выводится и закорачивается.

Наличие активного сопротивления в цепи ротора при пуске приводит к уменьшению пускового тока и увеличению пускового момента.

26.Регулирование частоты вращения 3-х фазного асинхронного двигателя изменением подводимого напряжения и изменением частоты питающей сети.Регулирование частоты вращения изменением частоты питающей сети является наиболее экономичным способом регулирования и позволяет получить хорошие механические характеристики электропривода.

При изменении частоты питающей сети обеспечивается изменение частоты вращения магнитного поля асинхронного двигателя. Источник питания двигателя должен осуществлять преобразование напряжения стандартной частоты сети 50 Гц в напряжение с требуемой частотой.

Одновременно с изменением частоты должна регулироваться по определенному закону и величина подводимого к двигателю напряжения, чтобы обеспечить высокую жесткость механической характеристики и требуемую перегрузочную способность двигателя.

При регулировании частоты вращения асинхронных двигателей изменением частоты питающей сети можно обеспечить различные режимы работы: с постоянным вращающим моментом; с постоянной мощностью на валу; с моментом, пропорциональным квадрату частоты.

27.Влияние изменения активного сопротивления в цепи ротора на механическую характеристику асинхронного двигателя.Активное сопротивление цепи ротора оказывает весьма значительное влияние на асинхронный двигатель, предопределяя его устойчивую работу. [1]………..

Активное сопротивление цепей ротора имеет обычно значительно меньшую величину, в особенности в турбогенераторах, вследствие того, что поперечные сечения путей токов в меди и в стали велики. Поэтому система свободных токов, связанных с ротором, затухает значительно медленнее. [2]…………Активное сопротивление цепи ротора асинхронного двигателя увеличено. [3]…………..

…При увеличении активного сопротивления цепи ротора значение критического скольжения ротора двигателя sK в соответствии с приведенной ранее формулой увеличивается. [4]………….При увеличении активного сопротивления цепи ротора значение критического скольжения ротора двигателя увеличивается.

При постоянном моменте нагрузки на валу электродвигателя с увеличением активного сопротивления в цепи ротора рабочая точка смещается с одной механической характеристики на другую, соответствующую новому, возросшему сопротивлению цепи ротора. [5]………..

При изменении активного сопротивления цепи ротора двигателя получается семейство механических характеристик с общим для всех значением критического момента.

Величины скольжений для любого Q из моментов на реостатных характеристиках во столько раз превышают п — — величины скольжений для тех же моментов на естественной характеристике, во сколько полное сопротивление цепи ротора при введении внешнего сопротивления больше внутреннего сопротивления обмотки ротора. [6]Следовательно, увеличивая активное сопротивление цепи ротора, можно увеличивать критическое скольжение, не изменяя максимальный момент. Эта возможность используется для улучив ния пусковых условий в двигателях с фазным ротором.7.

28.Регулирование частоты вращения 3-х фазного асинхронного двигателя изменением активного сопротивления в цепи ротора и изменением числа полюсов в обмотке статора..Регулирование частоты вращения изменением числа полюсов в обмотке статора обеспечивается благодаря изменению частоты вращения магнитного поля статора.

При неизменной частоте питающей сети частота вращения магнитного поля и определяемая ею частота вращения ротора изменяются обратно пропорционально числу полюсов. Так как число полюсов, фиксированное ступенями, может быть равно 2, 4, 6, 8, 10 и т. д., что при частоте питающей сети, равной 50 Гц, соответствует синхронной частоте вращения 3000, 1500, 1000, 750, 600 об/мин и т. д.

, то указанным способом может быть обеспечено только ступенчатое регулирование.

29.Принцип действия однофазного асинхронного двигателя, его конструкция.

Однофазный ток I1 этой обмотки создает пульсирующие магнитное поле, которое можно разложить на два поля Фа и Фв, имеющие равные амплитуды и вращаются в противоположные стороны с одинаковой скоростью…………..

При неподвижном роторе магнитные поля Фа и Фв создают одинаковые по величине, но противоположны по знаку крутящиеся моменты М1 и М2 . Поэтому при пуске результирующий момент ( Мn = M1 – M2 ) равен нулю, и двигатель не может прийти во вращение даже без нагрузки на волу. ……….

………В связи с этим для пуска однофазного АД и используется дополнительная пусковая обмотка, которая позволяет получить вращающееся магнитное поле, за счет которого обеспечивается начальный пусковой момент, который определяет направление вращение вала…….

30. Пуск в работу однофазного асинхронного двигателя.однофазным называется такой асинхронный двигатель, который имеет на статоре одну рабочую обмотку, которая подключается к сети однофазного тока.

Запуск осуществляется дополнительной (меньшей) пусковой обмоткой, которая подключается через ёмкость/индуктивность к основной сети на время пуска или замыкается накоротко (в двигателях малой мощности).

Преимуществом двигателя является простота конструкции (короткозамкнутый ротор). Недостатки — малый пусковой момент (или вообще его отсутствие) и низкий КПД.

Влияние режима напряжения на работу асинхронных электродвигателей

При номинальном напряжении на зажимах асинхронного двтеля он, работая с полной загрузкой, потребляет из сети активную и реактивную мощность. В случае изменения напряжения сети активная Р мощность на валу двигателя остается практически постоянной изменной изменяются лишь потери активной мощности в двигателе.

• Анализ зависимостей изменения величины дополнительных потей для различных типов двигателей от напряжения на их зажимах показывает что наиболее существенное влияние имеет значение коэффициента загрузки двигателя.
• Установлено, что общим для рассмотренных двигателей является увеличение потребляемой реактивной мощности при увеличении подведенного напряжения.
• Кроме того, удельное потребление реактивной мощности растет уменьшением коэффициента загрузки.
• Для приближенных расчетов можно принимать, что для наибо распространенных трехфазных двигателей серии 4А мощностью 20 — 100 кВт повышение напряжения на 1% приводит к росту реактивной мощности приблизительно на 3%. Для двигателей меньшей номинальной мощности cоответствующее увеличение потреблямой реактивной мощности достигает 5 — 7%
• При изменении напряжения на зажимах двигателя изменяется скольжение, а следовательно, и скорость вращения.

При снижении напряжения скорость вращения двигателей заметно снижается, особенно для двигателей меньшей мощности. Наоборот, повышение напряжения приводит к увеличению скорости двигателелей.

При работе двигателей с малыми коэффициентами загрузки влият изменения напряжения на скорость двигателей практически очень мало.

При оценке влияния изменения напряжения на экономичность работы асинхронных двигателей следует учитывать стоимость дополнтельных потерь электроэнергии, вызванных отклонением напряжения увеличение реактивной мощности, потребляемой двигателем, а также изменение экономических показателей, связанных с влиянием изменения скорости вращения на производительность соответствующих механизмов.

В настоящее время отсутствует единая методика оценки экономичности работы асинхронных двигателей.

Некоторые специалисты вообще отрицают целесообразность и возможсть практического выполнения подобных расчетов, мотивируя это что изменение активной и реактивной мощности, потребляемой двигателем при относительно небольших отклонениях от номинального напряжения, мало, а влияние изменений скорости двигателей на (производительность механизмов в этих условиях практически вообще отсутствует и не может быть даже замечено.

1. В то же время имеются данные о том, что правильная оценка влияния изменений напряжения на экономичность работы асинхронных электродвигателей в ряде случаев позволяет получить существенный эффект.
2. Если влияние скорости вращения двигателя на производительность механизмов имеет место, то напряжение на зажимах двигателей должно поддерживаться не ниже номинального при малых коэффициентах грузки, и в пределах наибольшего допустимого значения при больших коэффициентах загрузки (близких к номинальной).
3. При отсутствии влияния скорости вращения двигателя на производительность механизмов целесообразно поддерживать напряжение на зажимах двигателей не выше номинального при больших коэффициентах загрузки и ниже номинального при малых коэффициентах загрузки.
4. Экономические характеристики могут быть построены как для отдельных электроприемников, так и для узлов распределительной сети или для узлов нагрузки электрических систем.

Размещено компанией ООО «ЭЛТЕХКОМ-ЕК» [03.12.2009]

Асинхронный электропривод с частотным регулированием угловой скорости

Изменение частоты питающего напряжения асинхронного двигателя влияет как на его синхронную скорость ω0, так и на его реактивные сопротивления, которые меняются пропорционально изменению частоты:

где – номинальное значение частоты напряжения статора асинхронного двигателя; – индуктивное сопротивление рассеяния обмотки статора и индуктивное сопротивление рассеяния обмотки ротора, приведенное к обмотке статора при номинальной частоте питающей сети

Если одновременно с частотойизменять и переменное напряжение

jpg»>обмоток статора асинхронного двигателя, то появляется возможность реализовать в системах преобразователь частоты – асинхронный двигатель (ПЧ-АД) различные законы регулирования скорости.

Для сравнительной оценки этих законов регулирования воспользуемся уравнением баланса мощностей. Мощность на валу двигателя

где Р электромагнитная мощность, передаваемая от статора к ротору; – мощность потерь в роторе.

Из (5.51) следует, что при любом способе регулирования скорости асинхронного двигателя важно согласовать регулировочные механические характеристики двигателя с его нагрузкой.

• не зависящая от угловой скорости механическая характеристика

• нелинейно-спадающая механическая характеристика или работа с постоянной мощностью

• нелинейно-возрастающая механическая характеристика или вентиляторная нагрузка

Законы управления (5.55)-(5.57), связывающие напряжение, частоту и характер нагрузки, описываются формулой Μ. ∏. Костенко:

где – номинальное напряжение питающей сети, В; – напряжение на выходе преобразователя частоты; – статический момент на валу асинхронного двигателя при данной частоте

Таким образом, для того чтобы наиболее эффективно реализовать принципы частотного управления асинхронным двигателем, необходимо в соответствии с видом нагрузки на валу двигателя управлять напряжением, подводимым к статору, взаимосвязано с изменением частоты тока статора.

Перечисленные режимы управления достаточны для большинства механизмов. Однако закон управления (5.58) справедлив только в первом аналитическом приближении, когда активным сопротивлением статораможно пренебречь.

В действительности при малых значениях частоты () падение напряжения на сопротивлениисущественно снижает величину напряжения, прикладываемого к контуру намагничивания, и критический момент асинхронного двигателя уменьшается.

При более точном анализе, учитывающем падение напряжения на сопротивлении, механические характеристики принимают вид, показанный на рис. 5.35. Так, например, при законе управления

jpg»>, предполагающем постоянство критического момента, наблюдается его снижение при уменьшении частоты

Рис. 5.35. Механические характеристики производственных механизмов и электроприводов системы «преобразователь частоты-асинхронный двигатель»

Рис. 5.56. Функциональная схема скалярного частотного управления скоростью асинхронного двигателя

В этой схеме сигнал управленияопределяет модуль напряжения статора.

Преобразователь напряжение – частота (ПН-Ч) обеспечивает изменение относительной частотыв функции от напряжения управления

jpg»>по одному из установленных законов регулирования (5.55)-(5.57) класса

При частотном регулировании скорости асинхронного двигателя необходимо учитывать, что реактивные сопротивления двигателя зависят от частоты питающего напряжения. При снижении частоты

jpg»>активное сопротивление

jpg»>становится соизмеримым с реактивными сопротивлениями машины, поэтому расчет электромеханических и механических характеристик асинхронного двигателя производится в соответствии с уравнениями, приведенными в [6].

Электромеханическая характеристика, определяющая зависимость приведенного тока ротора от скольжения,

где – фазное напряжение обмоток статора асинхронного двигателя; – относительное значение частоты питающего напряжения.

Электромеханические характеристики, построенные по (5.60) для трех законов регулирования класса, приведены на рис. 5.37, где

Рис. 5.37. Электромеханические характеристики для трех законов регулирования класса

Для короткозамкнутого асинхронного двигателя одной из основных является электромеханическая характеристика , отражающая зависимость тока статора от скорости

jpg»> (скольжения). Ток статораопределяется путем сложения вектора тока намагничивания и вектора тока ротора .

Обычно это производится с помощью круговой диаграммы.

Полагая ток намагничивания асинхронного двигателяреактивным, ток статора через приведенный ток ротораможно найти по формуле [6]

где

Механическая характеристика асинхронного двигателя при переменных значениях величины и частоты напряжения питания определяется следующим выражением:

где – синхронная угловая скорость; – фазное напряжение обмоток статора асинхронного двигателя.

Критическое скольжение

Знак «+» означает, что критический момент и скольжение относятся к двигательному режиму, знак «−» – к генераторному режиму рекуперативного торможения.

Пример 5.5.

Для короткозамкнутого асинхронного двигателя типа 4А112МВ6УЗ, работающего в системе «автономный инвертор напряжения – асинхронный двигатель», рассчитать и построить статические механические и электромеханические характеристики при частотном регулировании скорости в соответствии с законом регулирования при следующих значениях частот напряжений обмотки статора: 50, 25, 10, 5 Гц.

Основные параметры асинхронного двигателя и его схемы замещения приведены в примере 5.1.

Решение. Преобразователи частоты со звеном постоянного тока или инверторы напряжения, выпускаемые промышленностью, формируют зависимостьв соответствии с графиком, приведенным на рис. 5.38.

Стандартная настройка промышленных электроприводов позволяет ввести три точки аппроксимации закона регулирования: для максимальной, среднейи минимальнойчастоты и соответствующие им координаты максимального

jpg»>, среднего и минимальногонапряжения преобразователя.

Если регулировать частотуи напряжениев соответствии с закономи графиком рис. 5.38, то приГц и В коэффициент пропорциональности

тогда, соответственно, для частот регулированияГц, Гц,

jpg»>Гц,Гц фазные напряжения будут равны В,В,

jpg»>В,В.

Рис. 5.38. Зависимость напряжения от частоты в автономных инверторах напряжения, выпускаемых промышленностью

Механическая характеристика асинхронного двигателя при переменных значениях величины и частоты напряжения питания определяется выражением (5.63):

Рис. 5.39. Механические характеристики асинхронного двигателя типа 4Л112МВ6УЗ при частотном регулировании скорости в соответствии с законом регулирования

Пересчет скольжения на скорость произведем в соответствии с выражением .

Электромеханические характеристики, рассчитанные по (5.60) в математической системе MathCAD, приведены на рис.5.40.

где

Рис. 5.40. Электромеханические характеристики асинхронного двигателя типа 4А112МВ6УЗ при частотном регулировании скорости в соответствии с законом регулирования

Пересчет скольжения s на угловую скоростьдля каждой из характеристик проведем в соответствии с выражением ω = ω0(1 -s).

Так как с изменением частотыи напряжения статораток холостого хода

jpg»>изменяется, то его значение для каждой из частот будем определять по выражению

Рис. 5.41. Электромеханические характеристикиасинхронного двигателя типа 4А112МВ6У3 при частотном регулировании скорости в соответствии с законом

Поскольку с увеличением мощности электродвигателя значение сопротивленияв относительных единицах уменьшается, то у двигателей большой мощности с уменьшением частотысокращение рабочего диапазона нагрузок происходит в меньшей степени.