Зависимость тока асинхронного двигателя от частоты вращения: Рабочие характеристики асинхронного двигателя | мтомд.инфо

Рабочие характеристики асинхронного двигателя | мтомд.инфо

Рабочие характеристики асинхронного двигателя представляют собой графически выраженные зависимости частоты вращения n₂, КПД асинхронного двигателя η, полезного момента (момента на валу) М₂, коэффициента мощности cos φ, и тока статора I₁ от полезной мощности Р₂ при U₁ = const f₁ = const.

Расчет рабочих характеристик асинхронного двигателя

Скоростная характеристика n₂ = f(P₂). Частота вращения ротора асинхронного двигателя n₂ = n₁(1 — s).

Скольжение s = P_э2/P_эм, то есть скольжение асинхронного двигателя, а следовательно, и его частота вращения определяются отношением электрических потерь в роторе к электромагнитной мощности. Пренебрегая электрическими потерями в роторе в режиме холостого хода, можно принять Р_э2 = 0, а поэтому s ≈ 0 и n₂ ≈ n1.

По мере увеличения нагрузки на валу асинхронного двигателя отношение s = P

э2/P_эм растет, достигая значений 0,01 — 0,08 при номинальной нагрузке. В соответствии с этим зависимость n₂ = f(P₂) представляет собой кривую, слабо наклоненную к оси абсцисс. Однако при увеличении активного сопротивления ротора двигателя r_2′ угол наклона этой кривой увеличивается. В этом случае изменения частоты асинхронного двигателя n₂ при колебаниях нагрузки Р₂ возрастают. Объясняется это тем, что с увеличением r_2′ возрастают электрические потери в роторе.

Рабочие характеристики асинхронного двигателя

Зависимость М₂ = f(P₂). Зависимость полезного момента на валу асинхронного двигателя М₂ от полезной мощности Р₂ определяется выражением M₂ = Р₂/ω₂ = 60 P₂/(2πn₂) = 9,55Р₂/n₂, где Р₂ — полезная мощность, Вт; ω₂ = 2πf₂/60 — угловая частота вращения ротора.

Из этого выражения следует, что если n

2 = const, то график М₂ = f₂(Р₂) представляет собой прямую линию. Но в асинхронном двигателе с увеличением нагрузки Р₂ частота вращения ротора уменьшается, а поэтому полезный момент на валу М₂ с увеличением нагрузки возрастает не сколько быстрее нагрузки, а следовательно, график М₂ = f (P₂) имеет криволинейный вид.

Зависимость cos φ₁ = f (P₂). В связи с тем что ток статора асинхронного двигателя I₁ имеет реактивную (индуктивную) составляющую, необходимую для создания магнитного поля в статоре, коэффициент мощности асинхронных двигателей меньше единицы. Наименьшее значение коэффициента мощности соответствует режиму холостого хода. Объясняется это тем, что ток холостого хода электродвигателя I₀ при любой нагрузке остается практически неизменным. Поэтому при малых нагрузках двигателя ток статора невелик и в значительной части является реактивным (I

1 ≈ I₀). В результате сдвиг по фазе тока статора относительно напряжения получается значительным (φ₁ ≈ φ₀), лишь немногим меньше 90°.

Коэффициент мощности асинхронных двигателей в режиме холостого хода обычно не превышает 0,2. При увеличении нагрузки на валу двигателя растет активная составляющая тока I₁ и коэффициент мощности возрастает, достигая наибольшего значения (0,80 — 0,90) при нагрузке, близкой к номинальной. Дальнейшее увеличение нагрузки на валу двигателя сопровождается уменьшением cos φ₁ что объясняется возрастанием индуктивного сопротивления ротора (x2s) за счет увеличения скольжения, а следовательно, и частоты тока в роторе.

В целях повышения коэффициента мощности асинхронных двигателей чрезвычайно важно, чтобы двигатель работал всегда или по крайней мере значительную часть времени с нагрузкой, близкой к номинальной. Это можно обеспечить лишь при правильном выборе мощности двигателя. Если же двигатель работает значительную часть времени недогруженным, то для повышения cos φ

1, целесообразно подводимое к двигателю напряжение U₁ уменьшить. Например, в двигателях, работающих при соединении обмотки статора треугольником, это можно сделать пересоединив обмотки статора в звезду, что вызовет уменьшение фазного напряжения в раз. При этом магнитный поток статора, а следовательно, и намагничивающий ток уменьшаются примерно в раз. Кроме того, активная составляющая тока статора несколько увеличивается. Все это способствует повышению коэффициента мощности двигателя.

Характеристики асинхронного двигателя ~ Электропривод

К энергетическим характеристикам асинхронного двигателя относятся КПД двигателя(η) коэффициент мощности (cosφ) и скольжение S.
коэффициент полезного действия (η) вычисляется как отношение полезной мощности на валу двигателя Р2 кВт, к активной мощности, потребляемой двигателем из сети Р1 кВт;
η = Р2/ Р1 коэффициент мощности (cos(φ)вычисляется как отношение потребляемой активной мощности Р1 кВт, к полной мощности, потребляемой из сети S1 кВА;

По ГОСТ Р. 51677-2000 асинхронные двигатели общепромышленного назначения делятся на двигатели с нормальным КПД и двигатели с повышенным КПД. У асинхронных двигателей с повышенным КПД, суммарные потери не меньше, чем на 20%, чем у двигателей с нормальным КПД такой же мощности и частоты вращения. Коэффициенты мощностей (cosφ) асинхронных двигателей определены в ГОСТ.Р 51677. Значения КПД и cosφ конкретного асинхронного двигателя можно узнать по каталогу или по шильдику.

Причем КПД и cosφ асинхронного двигателя определяются и нагрузкой машины. В справочниках по электрическим машинам можно увидеть эти зависимости.

Линейный ток двигателя можно определить исходя из номинальной полезной мощность (Р2, кВт), номинального напряжения (UH, В ), КПД (η) и cosφ.

Мощность, потребляемая из сети можно определить из формулы:

Скольжение вычисляется как разницу между номинальной n1 и синхронной nc частотой вращения двигателя, приведенной к номинальной скорости двигателя n1:

Номинальную частоту вращения ротора n1 или скольжение (S, %)можно определить по каталогу двигателя или прочесть на его шильдике.

Механические и пусковые характеристики асинхронного двигателя

Одной из основных характеристик асинхронного двигателя, является механическая характеристика. Механической характеристикой называют зависимость скорости вращения или скольжения от вращающего момента на валу двигателя. Она позволяет сравнить и согласовать механические свойства двигателя и рабочего механизма. Соответственно, зависимость скорости вращения или скольжения от тока статора называют электромеханической характеристикой.

Механическая характеристика асинхронного двигателя определяет зависимость момента на валу двигателя от скольжения, при сохранении неизменного напряжении и частоты питающей сети

Пусковые характеристики определяют величину пускового моментаMп, минимального момента Мmin, максимального или критического момента Мкр., пускового тока Iп или пусковой мощности Sп или их отношениями. Диаграмма момента, приведенного к номинальному моменту, от скольжения получила название относительной механической характеристики.

Номинальный вращающий момент можно определить по формуле:

P2н- номинальная мощность , кВт,
N1н- номинальная частота вращенияю, об/мин.

Пусковые характеристики асинхронного двигателя

Пусковые характеристики асинхронного двигателя регламентирует ГОСТ 28327 ( МЭК 60034 — 12), а их значения приводятся в каталогах. Стандартные асинхронные двигатели могут иметь два исполнения по механическим характеристикам, которые определены в ГОСТ 28327 и МЭК 60034-12:
N – двигатели с нормальный моментом;
Н –двигатели с повышенным моментом.

Двигатели , изготовленные в исполнении N, рассчитывают на два последовательных пуска с остановкой между пусками из холодного состояния или на один пуск из нагретого состояния, после работы при номинальной нагрузке.

Момент сопротивления нагрузки при запуске прямо пропорционален квадрату частоты вращения и равняется номинальному моменту при номинальной частоте вращения, а значение внешнего момента инерции, γ , кг*м2, не должно превышать рассчитанного по формуле

где Р-номинальная мощность двигателя, кВт;
р — число пар полюсов;

При построении характеристики предполагается, что момент сопротивления нагрузки остается постоянным и равен номинальному моменту. Кроме того он не зависит от частоты вращения. Значение же внешнего момента инерции не превышаетт 50% величины, полученной по приведенной выше формуле.

Механические характеристики асинхронных мшин зависят в том числе и от типа ротора, его номинальной мощности, и от числа пар полюсов.

Ввиду того, что разность в значениях момента при соответствующих скольжениях у двигателей с различным числом пар полюсов невелика, и не превышает значения поля допуска на моменты. Различные механические характеристики для разных исполнений асинхронных двигателей показаны на рис

1 — исполнение N; 2 — исполнение Н; 3 — с повышенным скольжением. Механические характеристики группы двигателей, одной серии, или ее части обычно укладываются в некоторую зону. По средней линии этой зоны можно составить групповую механическую характеристику. Величина зоны групповой характеристики меньше поля допуска двигателей на моменты.

Все о частотных преобразователях

    Частотные преобразователи — это устройства для плавного изменения частоты вращения синхронных и асинхронных двигателей посредством изменения частоты питающего тока.

    В современной технике благодаря простоте конструкции и обслуживания, небольшим габаритам, высокой надёжности, и низкой стоимости огромное распространение получили именно асинхронные электродвигатели.

    При работе различных устройств, в качестве привода которых применяются асинхронные электродвигатели, часто возникает необходимость в регулировании их скорости вращения.

    Исходя из формулы n = (1 — S)60f/p где n — скорость вращения ротора, S — скольжение, f- частота питающей сети, p — количество пар полюсов.

    Существует три способа регулирования скорости вращения асинхронного двигателя:

• — изменение скольжения. Этот способ используется в двигателях с фазным ротором. В цепь фазного ротора вводится регулировочный реостат. При использовании этого способа можно получить большой диапазон регулирования частоты вращения в сторону понижения. Однако этот способ имеет, и ряд недостатков, основным из которых является большие потери на регулировочном реостате (нагрев) т.е. снижение КПД. Как следствие этот способ применяют для кратковременного снижения частоты вращения.
• — изменение числа пар полюсов. Этот способ предполагает использование специальных двигателей (многоскоростных) имеющих более сложную обмотку статора, позволяющую изменять число пар полюсов, и короткозамкнутый ротор. Недостатком этого метода является ступенчатое регулирование (3000, 1500, 1000, 750, 600 об/мин – 1,2,3,4,5 обмотки с 1,2,3,4,5 парами полюсов соответственно), большая стоимость и громоздкость двигателя.
• — изменение частоты питающего тока (напряжения). На практике этот метод, в общем случае (самый простой), предполагает вместе с частотой изменять и действующее значение подведенного напряжения таким образом, что бы отношение U/f было постоянно. Это (изменение входного напряжения) делается для сохранения перегрузочной способности двигателя с изменением частоты сети.

    В приводах центробежных насосов и вентиляторов, которые являются типичными представителями переменной механической нагрузки (момент нагрузки возрастает с увеличением скорости вращения) используется функция напряжения к квадрату частоты U/f 2 = сonst.

    В более совершенных частотных регуляторах для управления скоростью вращения и электромагнитным моментом двигателя независимо, используется так называемое векторное управление. При этом виде управления необходимо управлять амплитудой и фазой статорного тока (т.е. вектором) в зависимости от положения ротора относительно обмотки статора в каждый момент времени.

    Применение частотных регуляторов. Зачем нужен частотный регулятор?
    Асинхронные двигатели имеют ряд недостатков (сложность регулирования скорости вращения, большие пусковые токи, относительно малый пусковой момент). Однако благодаря своей простоте, надежности и дешевизне получили огромное распространение в промышленности и быту. Применение же частотных регуляторов «устраняет» недостатки асинхронных двигателей и кроме этого позволяет избежать установки различного дополнительного оборудования, уменьшить потери в технологическом процессе, увеличить КПД самого двигателя, уменьшить износ, как самого двигателя, так и оборудования использующегося в данном технологическом процессе.

    Рассмотрим более детально применение частотных регуляторов на примере насосного оборудования. Потери в технологической системе зависят от нагрузки создаваемой потребителями (на неё мы влиять не можем) и гидравлическим сопротивлением элементов этой системы. Так поддержание давления у потребителей на постоянном уровне при изменяющейся нагрузке, возможно только при использовании дополнительного оборудования (различных регуляторов давления, мембранных баков, дроссельных задвижек). Использование этого оборудования создает дополнительное гидравлическое сопротивление и как следствие снижает КПД системы в целом. При использовании частотного регулятора двигатель сам регулирует давление в сети посредством изменения частоты вращения. Кроме того при снижении технологической нагрузки уменьшая частоту вращения насоса, КПД самого насоса тоже возрастает. Таким образом достигается как бы двойной эффект увеличивается КПД системы в целом, за счёт исключения из системы лишнего гидравлического сопротивления и увеличение КПД самого насоса как агрегата.

    Применение частотного регулятора также значительно снижает эксплуатационные затраты связанные с износом оборудования. Плавное регулирование вращения (и плавный пуск) практически полностью позволяют избежать как гидравлических ударов, так и скачков напряжения в электросети (особенно актуально в системах, где предусмотрен частый пуск/остановка насоса).

 Рабочие характеристики асинхронного двигателя — зависимости потребляемого тока I₁ и мощности Р₁, КПД, cos φ и скольжения s от полезной механической мощности P₂. Эти характеристики определяются при постоянном напряжении U₁ и частоте f₁ сети.

Рабочие характеристики асинхронного двигателя могут быть получены экспериментально (опытным путем) и рассчитаны с помощью схемы замещения.

Ниже приводится расчет рабочих характеристик асинхронного двигателя по схеме замещения.

По обмотке статора асинхронной машины протекает многофазная система токов, обычно трехфазная, которая создает в воздушном зазоре машины вращающееся магнитное поле (магнитный поток Ф).

 Вращающееся магнитное поле в свою очередь индуктирует (наводит) в проводниках обмотки ротора ЭДС, под действием которой в замкнутой накоротко обмотке ротора протекает ток I₂. Этот ток, взаимодействуя с магнитным потоком Ф, создает механическую силу, стремящуюся привести ротор во вращение в сторону вращения магнитного поля.

Определим, с какой частотой вращения магнитное поле машины пересекает проводники ротора. Эта частота равна, об/мин:

             (9)

Определим частоту ЭДС f₂, которая наводится магнитным полем асинхронной машины в проводниках ротора, Гц:

f₂=р n₂/60.            (10)

Если учесть, что n₂=n₁s [см. формулу (9)], то можно записать

       (11)

Из формулы (11) видно, что если ротор машины неподвижен (n=0, s=l), то частота ЭДС, наводимой в роторе, равна частоте сети. По мере увеличения частоты вращения ротора ЭДС понижается и при синхронной частоте будет равна нулю. На рис. 13 показаны изменения скольжения, частоты и ЭДС в роторе в зависимости от частоты вращения ротора.

Рис. 13. Зависимость скольжения s, частоты f₂ и ЭДС, наводимой в роторе, E2 от частоты вращения асинхронного двигателя n

Из закона электромагнитной индукции следует, что при гармоническом изменении магнитного поля наводимая в обмотке ЭДС равна:

E=4,44fwk_обФ_max,             (12)

где f — электрическая частота, Гц; w — число последовательно соединенных витков фазы; k_об — обмоточный коэффициент; Ф_max — максимальное значение рабочего потока, сцепленного с обмоткой, Вб.

Знание частоты f₂ в роторе дает возможность определить ЭДС ротора Е₂ при произвольной частоте вращения (скольжении), В, в виде

E₂=4,44f₂w2k_об2Ф_max,           (13)

где w₂ — число последовательно  соединенных витков обмотки ротора; k_об2 — обмоточный   коэффициент   ротора.

Подстановка f₂  из формулы (11) дает, В,

E_2s=4,44f s w₂k_об2Ф_max=sE₂,     (   14)

где Е₂ — ЭДС, наводимая в неподвижной обмотке ротора потоком Ф_max, В.

Осветим теперь важный для анализа работы асинхронных двигателей вопрос о зависимости вращающегося магнитного потока двигателя от режима работы машины. Для этого, чтобы представить себе эту зависимость, определим вначале, какую ЭДС Е₁ наводит этот поток в каждой фазе обмотки статора, В:

E₁=4,44fw₁k_об1Ф_max,     (15)

где w₁ — число витков одной фазы статора; k_об1 —обмоточный коэффициент обмотки статора.

Напряжение U₁, приложенное к статору, уравновешивается ЭДС E₁ и падением напряжения I₁z₁ на внутреннем сопротивлении z₁=r₁+jx₁ обмотки статора (х₁— индуктивное сопротивление обмотки, определяемое потоком рассеяния) . При изменении нагрузки двигателя от нуля (холостой ход) до номинальной падение напряжения составляет 5—10 % приложенного. Таким образом, с достаточной для качественного анализа точностью можно полагать, что напряжение U₁ полностью компенсируется ЭДС Е1 т. е. .

U₁≈E₁         (16)

Учитывая формулу (15), нетрудно заключить, что ЭДС и вращающийся магнитный поток двигателя зависят от приложенного к двигателю напряжения. При постоянном напряжении поток Фmах остается приблизительно постоянным независимо от изменения нагрузки двигателя.

Рассмотрим вначале явления, происходящие в машине с заторможенным ротором и замкнутой накоротко обмоткой ротора. Асинхронный двигатель в этом режиме подобен трансформатору с короткозамкнутой вторичной обмоткой. Отличие состоит в том, что вторичная магнитная цепь отделена от первичной воздушным зазором, первичная обмотка (статора) и вторичная обмотка (ротора) равномерно распределены по окружности, а магнитное поле вращающееся.

Как видно из формулы (14) и рис. 13, ЭДС, наводимая в обмотке ротора, когда он неподвижен, является максимальной. В силу этого и ток, проходящий по обмоткам статора и ротора, также будет наибольшим. Этот режим называется режимом короткого замыкания (КЗ). Ток статора в этом режиме называется током короткого замыкания и превышает его номинальный ток в 4—7 раз. Асинхронный двигатель в таких условиях нельзя длительно оставлять под полным напряжением из-за перегрева обмоток, который может привести к аварии.

Для определения тока короткого замыкания двигателя делают опыт КЗ. Этот опыт заключается в том, что к двигателю с заторможенным (неподвижным) ротором подводят пониженное напряжение, регулируя которое, устанавливают номинальный ток. Напряжение, подводимое к двигателю в опыте КЗ, оказывается малым (15— 20%) по сравнению с номинальным. На базе этого опыта можно в безопасных для двигателя условиях определить величину тока короткого замыкания /к при номинальном напряжении, А:

       (17)

где U_ном — номинальное напряжение, В; U_к — напряжение в опыте КЗ при номинальном токе, В; I_ном — номинальный ток, А.

Замеряя в этом опыте по ваттметру мощность короткого замыкания Р_к, подводимую к одной фазе двигателя,  находят также  коэффициент  мощности в режиме  КЗ

      (18)

и эквивалентное активное сопротивление статора и ротора двигателя гк в режиме КЗ на одну фазу, Ом,

r_к=P_к/I_ном2              (19) 

Это эквивалентное активное сопротивление равно сумме активного сопротивления статора и приведенного активного сопротивления ротора. Понятие о приведенном активном и реактивном сопротивлении ротора будет дано ниже.

Определив угол φк по значению cosφк из формулы (18), легко найти и эквивалентное реактивное сопротивление двигателя в режиме короткого замыкания, Ом:

х_к=r_кctgφ_к (20)

Индуктивное сопротивление хк равно сумме индуктивного сопротивления статора и приведенного индуктивного сопротивления ротора.

Поскольку частота вращения ротора двигателя в этом режиме равна нулю, его механическая мощность также равна нулю. Потери в стали во время опыта короткого замыкания очень малы, так как мал вращающийся магнитный поток. Поэтому мощность Р_к, которая подводится к машине, почти вся идет на нагрев проводников обмоток статора и ротора. То же самое можно сказать о режиме КЗ при полном напряжении.

Теперь представим себе, что обмотка ротора разомкнута, а обмотка статора включена в сеть. Ток по роторной обмотке при этом не проходит и асинхронный двигатель подобен трансформатору, но уже в режиме холостого хода (XX). Так как ток в проводниках ротора отсутствует, то механическая сила не возникает и ротор остается неподвижным.

По обмотке статора при этом проходит ток холостого хода I₀, который создает магнитодвижущую силу (МДС), необходимую для создания магнитного потока Ф_max. Поскольку в магнитной цепи асинхронного двигателя имеется зазор, то для создания магнитного потока требуется относительно больший ток, чем в трансформаторе. В двигателях большой и средней мощности ток XX составляет 25—35, а в двигателях малой мощности — 35—60% номинального тока.

Наводимая в неподвижном роторе ЭДС может быть определена по формуле (14), если учесть, что скольжение в этом режиме равно 1. Отношение ЭДС в обмотке статора к ЭДС в обмотке ротора называется коэффициентом трансформации ЭДС и может быть определено по формуле

           (21)

Мощность, потребляемая двигателем в режиме XX при неподвижном роторе, расходуется на потери в проводниках статора двигателя, потери на перемагничивание и вихревые токи в стали статора и в стали ротора.

Важно заметить, что режим XX при неподвижном роторе очень близок к режиму, который возникает, когда  асинхронный двигатель не выполняет полезной работы и вращается на холостом ходу. В этом случае частота вращения ротора двигателя почти равна синхронной, а  скольжение примерно равно нулю [см. формулы (4), (9) и рис. 13]. Электродвижущая сила в роторе будет близкой к нулю, и, следовательно, подобно режиму XX при неподвижном роторе практически равен  нулю ток в роторе. При холостом ходе вращающегося двигателя ток в обмотке статора, как и в случае холостого хода неподвижного двигателя, определяется в основном МДС, необходимой для создания магнитного потока Ф_max.

При вращении ротора в двигателе появляются потери, которых нет в случае неподвижного ротора; это механические потери на трение и вентиляционные. Однако когда частота вращения ротора примерно равна синхронной, исчезают потери в стали ротора двигателя, поскольку магнитное поле теперь очень медленно перемещается относительно ротора и его сталь почти не перемагничивается. Таким образом, потери и, следовательно, мощность в двух режимах холостого хода оказываются близкими.

Асинхронная машина в режиме холостого хода может быть представлена схемой замещения, показанной на рис. 14. Для определения параметров и характеристик двигателя помимо опыта КЗ выполняют опыт XX, во время которого замеряют ток обмотки статора I₀ (А) и потребляемую мощность Р₀ (Вт). Это позволяет определить сопротивления в схеме замещения двигателя на холостом ходу, а также коэффициент мощности XX:

cosφ₀=P₀/(UI₀).            (22)

Рис. 14. Схема замещения первичной цепи (статора)   асинхронного  двигателя,  работающего  в режиме холостого хода

Перейдем теперь к рассмотрению общего случая режима нагрузки, когда ротор вращается с частотой, меньшей частоты XX. Определим, какой ток будет проходить по обмотке ротора во всем диапазоне рабочих режимов. Наводимая вращающимся магнитным потоком ЭДС в обмотке ротора зависит при постоянном напряжении только от скольжения и может быть найдена по (14). Ток ротора будет, очевидно, зависеть от ЭДС, наводимой в роторе, и сопротивления обмотки ротора, при этом полное сопротивление цепи в случае переменного тока определяется не только активным сопротивлением проводников обмотки, но и ее индуктивным сопротивлением. Индуктивное сопротивление обмотки ротора изменяется так же, как и ЭДС ротора E_2s, Ом:

x_2s=2πf₂L₂=s2πf₁L₂ =sx₂,      (23)

где L₂ — индуктивность обмотки ротора, Гн; х₂— индуктивное сопротивление рассеяния обмотки неподвижного ротора при s=l, Ом.

Теперь, используя закон Ома для цепей переменного тока, найдем ток ротора, А:

      (24)

Учитывая (14) и (23), формулу (24) можно записать иначе:

           (25)

Таким образом, можно видеть, что при скольжении, равном нулю или близком к нему (это соответствует синхронной или близкой к синхронной частоте вращения ротора), ток ротора равен нулю или очень мал. Это совпадает с тем, что было сказано выше относительно режима XX при вращающемся роторе. По мере уменьшения частоты вращения двигателя, т. е. при увеличении скольжения, ток возрастает за счет увеличения ЭДС ротора, однако рост тока ограничивается увеличением индуктивного сопротивления ротора.

Если разделить числитель и знаменатель выражения (25) для тока ротора I₂ на s, то получим следующую формулу:

           (26)

Из этого следует, что если мы примем, что ротор неподвижен, а его активное сопротивление меняется обратно пропорционально скольжению, то по его обмотке будет проходить точно такой же ток, как и при вращающемся роторе. Удобство такого преобразования состоит в том, что оно позволяет вместо вращающегося ротора (вращающаяся вторичная электрическая цепь) рассматривать неподвижный ротор (неподвижная вторичная цепь).

Однако изучение процессов, происходящих в асинхронной машине, и расчет ее характеристик можно сделать более удобными, если заменить реальную обмотку ротора эквивалентной с числом витков в фазе и числом фаз, равным им у первичной обмотки (обмотки статора), т. е. вместо обмотки ротора с числом фаз m₂, числом витков в фазе w₂ и обмоточным коэффициентом k_об2 будем полагать, что обмотка ротора имеет число фаз ти число витков в фазе w₁ и обмоточный коэффициент k_об1. Эта замена называется приведением обмотки ротора к обмотке статора. Нетрудно видеть, что магнитный поток Ф в этом случае будет наводить в эквивалентной (приведенной) обмотке ротора ЭДС, равную ЭДС обмотки статора E₂‘=E₁ (штрихом будем обозначать приведенные величины).

Замена обмотки ротора не должна привести к изменению потребляемой мощности, потерь, магнитодвижущей силы и фазы тока обмотки. Из этого условия определяются приведенные величины тока, активного и индуктивного сопротивлений обмотки ротора .

В соответствии с (13) имеем, В

           (27)

Из формул (27) вытекает отношение между ЭДС приведенной и реальной обмоток заторможенного ротора, которое называется коэффициентом трансформации ЭДС или напряжений. Он равен:

          (28)

Из условия неизменности магнитодвижущих сил F₂‘ =F₂ следует, что

   

откуда вытекает отношение между токами, которое называется коэффициентом трансформации токов. Он равен:

          (29)

Из условия неизменности потерь в обмотке ротора при приведении следует, что

   

откуда

           (30)

или r₂‘=k_rr₂,

где k_r=k_Ik_U — коэффициент приведения сопротивлений.

Из условия неизменности фазы тока обмотки ротора следует

           (31)

Процесс приведения цепи ротора показан на рис. 15. От схемы замещения обмотки вращающегося ротора (рис. 15,а) переходим к схеме замещения неподвижного ротора (рис. 15,б), а затем приводим обмотку ротора к обмотке статора (рис. 15, в).

Рис. 15. Схемы замещения: а — обмотки вращающегося ротора; б — неподвижного ротора; в — обмотки ротора, приведенной к обмотке статора

Поскольку теперь ЭДС Е₁ первичной обмотки равна ЭДС Е₂‘ вторичной обмотки, мы можем соединить электрически соответствующие точки схемы замещения обмотки статора и ротора. В результате получим схему замещения асинхронного двигателя, показанную на рис. 16. Здесь активное сопротивление r_m отражает наличие потерь в стали двигателя. Для двигателей средней и большой мощности удобнее пользоваться упрощенной схемой замещения, приведенной на рис. 17.

Рис. 16. Т-образная схема замещения  асинхронного двигателя

Рис. 17. Упрощенная Г-образная схема замещения  асинхронного двигателя

Используя последнюю схему, легко найти токи и ЭДС в обмотках, подводимую и полезную мощность, а также мощность потерь при любой частоте вращения двигателя. Для этого следует лишь найти скольжение, соответствующее заданной частоте n, по формуле (4) и вычислить сопротивление r₂‘/s в схеме по рис. 17. После этого нетрудно найти ток намагничивания I₀ и приведенный ток I₂‘ в роторной цепи, А:

              (32)

Это дает возможность вычислить электрические потери в обмотке статора трехфазного двигателя (m₁=3), Вт:

               (33)

Электрические потери в обмотке ротора (Вт) можно найти, предварительно рассчитав по (30) приведенное сопротивление ротора r₂‘  (Ом):

              (34)

Суммарная активная мощность, передаваемая со статора на ротор, как видно из схемы (рис. 17), будет равна, Вт:

               (35)

Эта мощность передается на ротор электромагнитным путем и поэтому называется электромагнитной мощностью.

Если из электромагнитной мощности вычесть мощность электрических потерь в обмотке ротора, то получим полную механическую мощность двигателя, Вт:

               (36)

Полная механическая мощность расходуется на вращение приводного механизма (полезная механическая мощность) и на покрытие механических Р_мх.п и добавочных Р_д.п потерь самого двигателя. Поэтому полезная механическая мощность Р₂ будет равна, Вт:

               (37)

Коэффициент полезного действия двигателя по определению равен отношению отдаваемой (полезной механической) мощности к потребляемой (активной электрической) мощности. Разность между этими мощностями составляют потери в двигателе, равные, Вт:

 

где P_м.п=m₁I₀2r_m — магнитные потери или потери в стали. Таким образом, КПД двигателя равен:

              (38)

Использование первого или второго выражения для КПД определяется тем, какая из мощностей — P₁ или Р₂— известна. На практике наиболее часто применяется первое выражение (38).

Используя схему замещения, можно определить также ток, потребляемый двигателем из сети, т. е. ток статора, который равен сумме двух токов. Первый из них — это ток XX, который протекает по цепи 1 (рис. 17) и не изменяется при изменении частоты вращения ротора, второй — ток ротора I₂‘, который определяется по (32). Складывая геометрически эти два тока, можно получить ток статорной обмотки. Такое геометрическое сложение показано на рис. 18. Углы φ₂‘, φ₀, необходимые для построения, можно найти с помощью схемы замещения (см. рис. 17):

Таким образом, знание параметров схемы замещения (r₁, x₁, r₂‘, х₂‘, rm, хm) и приложенного напряжения U₁ (напряжение сети) позволяет с помощью приведенных выше формул определить полезную мощность, токи, потери, КПД, коэффициент мощности двигателя при различных скольжениях (частоте вращения).

Рис. 18. Диаграмма токов асинхронного двигателя  

Зависимости потребляемого тока I₁ и мощности Р₁, КПД, cosφ и скольжения s от полезной механической мощности P₂ носят название рабочих характеристик двигателя. Эти характеристики определяются при постоянном напряжении U₁ и частоте f₁ сети. Пример рабочих характеристик приведен на рис. 19.

Рис. 19. Рабочие характеристики асинхронного двигателя 

Рассмотрим рабочие характеристики асинхронного двигателя. При холостом ходе (полезная мощность Р₂—0) скольжение s также равно нулю (частота вращения ротора n практически равна синхронной), сопротивление r₂/’s равно бесконечности (см. рис. 17) и ток I₂‘==0. По обмотке статора протекает ток холостого хода I₀. Коэффициент полезного действия η равен нулю, так как равна нулю полезная мощность Р₂, а коэффициент мощности равен коэффициенту мощности для тока холостого хода (cosφ₁=cosφ₀).

При увеличении нагрузки частота вращения ротора уменьшается и увеличивается скольжение s. За счет увеличения s уменьшается сопротивление цепи 2 (см. рис. 17) и увеличивается ток ротора, а следовательно, и ток статоpa. Поскольку увеличивается полезная мощность, растет, КПД двигателя, а также коэффициент мощности.

Обычно номинальная мощность на валу двигателя достигается уже при небольшом понижении частоты вращения ротора и вся область рабочих режимов находится в диапазоне скольжений от 0 до 2—5%.

Поэтому скоростная характеристика n=f(P₂) у асинхронного двигателя имеет небольшой наклон к оси абсцисс. Характеристики такого вида принято называть жесткими. Соответственно характеристика s=f(P₂) имеет слабый подъем при возрастании нагрузки. В асинхронном двигателе частота вращения ротора меньше частоты вращения поля, за счет чего обеспечивается наведение ЭДС, а также создание тока 1% в обмотке ротора и вращающего электромагнитного момента, под действием которого ротор приходит во вращение.

Характеристика cosφ=f(P₂) лежит в области значений, меньших 1, так как асинхронный двигатель всегда потребляет ток I₀, почти не зависящий от нагрузки в диапазоне мощностей от Р₀ до Р₂≈Р_ном. При XX обычно  φ₀<0,2, т. е. он содержит большую реактивную составляющую. При увеличении нагрузки cosφ быстро возрастает и достигает максимального значения при мощности Р₂≈Р_2ном. При увеличении нагрузки выше номинальной cosφ  несколько снижается.

Коэффициент полезного действия достигает своего максимального значения при Р₂≈ (0,6÷0,8)Р_2ном и снижается при дальнейшем росте нагрузки. Поскольку двигатель обычно работает при переменной нагрузке, изменяющейся в пределах (0,6—1)Р_2ном, то КПД в этом диапазоне изменения нагрузки должен быть достаточно высок.

§79. Характеристики асинхронных двигателей | Электротехника

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 s_ном = 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 M_max двигатель развивает при некотором скольжении s_kp, составляющем 10—20%. Отношение M_max/M_ном определяет перегрузочную способность двигателя, а отношение М_п/М_ном — 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 М_вн и моментом М, развиваемым двигателем. Этому условию соответствует верхняя часть характеристики до достижения M_max (до точки В).

Если нагрузочный момент М_вн превысит момент M_max, 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 R_1п (кривая 2), R_2п (кривая 3) и R_3п (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 s_кp. При этом уменьшается пусковой ток. Пусковой момент М_п также зависит от R₂. Можно так подобрать сопротивление реостата, чтобы пусковой момент М_п был равен наибольшему М_max.

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 М_п 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 = Р_mx 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 М_тр, 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.

Следовательно, они загружают электрические станции и сети значительными реактивными токами (от 70 до 40% номинального тока), что является существенным недостатком этих двигателей.

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).

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.

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 0,75U_ном), 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.

17 часто задаваемых вопросов о преобразователе частоты и электродвигателе — Статьи

Дата публикации: 21.08.2019

В данной статье мы подобрали для вас ответы на наиболее часто задаваемые вопросы по работе электродвигателей и частотных преобразователей.

1. Что такое электромеханический привод?

Ответ: Электромеханический привод – это система, состоящая из электродвигателя, механического передаточного устройства, электрического силового преобразователя и электронного устройства управления, осуществляющая управляемое преобразование электрической энергии в энергию движения механического объекта.

2. Что такое преобразователь частоты?

Ответ: Преобразователь частоты – это устройство для управляемого питания электродвигателя.

3. В чем заключается назначение преобразователя частоты?

Ответ: Назначение преобразователя частоты – это управление моментом/скоростью вращения электродвигателя за счет изменения частоты и напряжения питания.

4. Что такое ШИМ?

Ответ: ШИМ (Широтно импульсная модуляция) – это метод получения регулируемого выходного напряжения путем изменения длительности коммутации.

5. Как согласуется выходное напряжение ПЧ с входным?

Ответ: Выходное напряжение может меняться от 0 до уровня входного напряжения ПЧ (возможна перегрузка в несколько процентов). Соответственно при питании ПЧ от сети 220В не возможно развить номинальный момент на двигателе подключенным по схеме питания 380В.

6. Как согласуется выходная частота ПЧ с номинальной входной?

Ответ:  Выходная частота формируется посредством ШИМ и может меняться в диапазоне от 0 до 400 -590 Гц (в зависимости от модели ПЧ). В зависимости от выходной частоты ПЧ меняется скорость вращения вала двигателя.

7. Возможно ли управлять ПЧ однофазными двигателями?

Ответ: Нет.

8. Возможно ли управлять ПЧ с однофазным питанием, трехфазными двигателями?

Ответ: Да, до 2,2 кВт.

9. Основные плюсы использования преобразователей частоты?

Ответ: Их 2. Во-первых, экономия электроэнергии при работе электродвигателя. Во-вторых, реализация сложных технологических процессов за счет изменения частоты вращения приводов.

10. Какой принцип работы асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором?

Ответ: ПЧ создает вращающееся магнитное поле в статоре, а оно создает электрическое поле в короткозамкнутом роторе (принцип магнитной индукции). Происходит взаимодействие между полями ротора и статора. Поле ротора стремится вращаться также как поле статора, тем самым ротор приходит во вращение.

11. От чего зависит номинальная скорость вращения ротора асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором?

Ответ: Она зависит от частоты питающего напряжения и количества пар полюсов и скольжения. Преобразователь частоты позволяет регулировать частоту питающего напряжения и тем самым скорость вращения вала ЭД.

12. Какое значение имеет скорость вращения вала электродвигателя при его работе от сети?

Ответ: Скорость равна номинальной частоте двигателя.

13. Какова скорость вращения вала электродвигателя при его работе от ПЧ?

Ответ: Скорость регулируется от ПЧ .

14. Как связан момент с током электродвигателя?

Ответ: Для двигателя с постоянными магнитами момент пропорционален току статора. Для асинхронных двигателей зависимость между током и моментом нелинейная, но в рабочей зоне рост тока приводит к росту момента.

15: Какие существуют способы подключения обмоток двигателя?

Ответ: Треугольник, Звезда (изменяется номинальное напряжение и ток двигателя).

16: При подключении в звезду или треугольник будет больше номинальное линейное напряжение двигателя?

Ответ: Линейное напряжение будет больше для звезды (соответственно ток наоборот меньше).

17: Что такое скольжение?

Ответ: Скольжение – это разница между скоростью поля  статора и частотой вращения ротора в процентах.

 

Смотрите так же:

Функция «Спящий режим» преобразователя частоты Danfoss FC-051 (Реализация на встроенном контроллере)

Управление частотным преобразователем Danfoss серии FC51 с панели оператора Weintek MT8121XE1WK

 

Для заказа преобразователя частоты перейдите в каталог по ссылке — VLT Micro Drive

 

 

Асинхронный двигатель

Если поместить во вращающееся магнитное поле короткозамкнутую медную или алюминиевую рамку на валу электродвигателя, то она вместе с валом придет во вращение по направлению вращения поля. Явление это объясняется следующим образом. Пусть угловая скорость вращения рамки n несколько меньше угловой скорости вращения поля no (асинхронное вращение). В этом случае рамка «проскальзывает» относительно поля. Величину s = (n₀—n)/n₀ называют скольжением. Относительно магнитного поля рамка вращается с угловой скоростью, пропорциональной скольжению. Поэтому в ней возникает индукционный ток, пропорциональный относительной скорости вращения рамки, т. е. скольжению. По закону Ленца, индуцированный ток взаимодействует с полем так, что рамка увлекается полем.
А так как магнитное поле вращается, то это приводит к вращению рамки. Вращающий момент, действующий на рамку, пропорционален индуцированному току и тем самым скольжению. Этот вращающий момент уравновешивается внешней нагрузкой. Таким образом, в установке данного типа рамка всегда вращается несколько медленнее вращения поля. Такое вращение называют асинхронным (т. е. неодновременным, несогласованным). Сам двигатель получил название асинхронного.

Асинхронный двигатель наиболее распространен в качестве электропривода различных механизмов благодаря своей простоте и надежности. Их применяют для привода машин и механизмов, не требующих строго постоянной частоты вращения и ее регулировки. Важнейшими достоинствами данного двигателя являются простота его устройства и большая надежность, вызванная отсутствием скользящих контактов. Двигатель имеет достаточный пусковой момент, легко реверсируется (т. е. в нем легко меняется направление вращения ротора). В результате этого асинхронные двигатели являются самыми распространенными в технике электрическими машинами. Более 60 % всей вырабатываемой в мире энергии преобразуется в механическую, в основном, с помощью асинхронных двигателей. Мощность двигателей колеблется от десятков ватт до сотен киловатт.
Асинхронный двигатель изготавливается в однофазном, двухфазном и трехфазном исполнении.

Принцип работы

Рассмотрим вращающееся поле переменного тока трехфазной цепи короткозамкнутого асинхронного двигателя с тремя обмотками, сдвинутыми по окружности на 120° и соединенными звездой .

Обмотки статора питаются симметричным трехфазным напряжением. Начальную фазу тока в обмотке А-х принимаем равной нулю. Тогда:

Конструкция

Асинхронный двигатель состоит из статора и ротора. Статор представляет собой литой корпус (стальной или чугунный) цилиндрической формы. Внутри статора располагается магнитопровод с вырубленными пазами, в которые укладывается статорная обмотка. Концы обмоток выводятся в клеммную коробку и могут быть соединены как треугольником, так и звездой. Корпус статора с торцов закрыт подшипниковыми щитами, в которые запрессовываются подшипники вала ротора. Ротор состоит из стального вала с напрессованным на него магнитопроводом.
По конструкции роторов двигатели делятся на две группы. Первая — с короткозамкнутым ротором и вторая — с фазным. У двигателя с короткозамкнутым ротором в пазы заливаются алюминиевые стержни и накоротко замыкаются по торцам. У фазового ротора имеются три обмотки, соединенные в звезду. Выводы обмоток присоединены к кольцам, закрепленным на валу. К кольцам при пуске прижимаются неподвижные щетки, к которым подключаются сопротивления. В начальный момент пуска ротор находится в заторможенном состоянии, затем сопротивление уменьшается и двигатель плавно запускается, что позволяет снизить пусковой ток.
К обмоткам статора подводится трехфазное напряжение, а ротор вращается посредством вращающегося магнитного поля, создаваемого системой трехфазного тока.

В момент времени t1: . Если ток фазы А положителен, т.е. течет от начала к концу, то, пользуясь правилом правоходового винта, можно найти картину распределения магнитного поля для времени t₁.
В момент времени t₂ вектор результирующей магнитной индукции Вm развернется на угол α₁ и далее по часовой стрелке с периодом обращения 360°. Для данного примера угол α₁ = 60°.
Таким образом, магнитная индукция представляет собой вращающееся поле с амплитудой

За период поле делает один оборот, , (где f = 50 Гц), и является промышленной частотой питающего переменного напряжения и тока.
При синусоидальном характере вращающегося поля его скорость no равна отношению αf/p (где р — число пар полюсов). В рассматриваемом примере р = 1 и частота вращения равна соответственно 3000 оборотам в минуту. Если число катушек в каждой фазе увеличить в два раза, а сдвиг фаз между токами сохранить 120°, то частота вращения уменьшится в два раза за счет увеличения числа пар полюсов. Особенностью короткозамкнутого асинхронного двигателя является наличие постоянной частоты вращения поля статора, определяемой числом пар полюсов.
Если поменять местами любые две фазы, то возникнет поле обратной последовательности и ротор начнет вращаться в другую сторону. Еще одной особенностью асинхронных двигателей является разность частоты вращения полей статора no и ротора n, что делает возможным их электромагнитное взаимодействие. При этом поле ротора будет как бы скользить относительно поля статора

где s — скольжение, при номинальной мощности двигателя скольжение составляет 0,01-0,03.
Основное вращающееся магнитное поле индуцирует в обмотках статора и ротора ЭДС, аналогично трансформатору, так как при разомкнутом роторе асинхронный двигатель представляет собой трансформатор в режиме холостого хода:

где индекс 1 относится к параметрам статора, а 2 — к параметрам ротора; K_обм — обмоточные коэффициенты, определяемые способом укладки обмоток (петлевая или волновая). K_обм=0,92-0,98; E_2s=E_2s; E₂ — действующее значение ЭДС неподвижного ротора при s = 1; f₂=f_1s.
В асинхронном двигателе кроме основного магнитного потока создаются потоки рассеяния. Один охватывает проводники статора, другой — ротора. Потоки рассеяния характеризуются соответствующими индуктивными сопротивлениями X₁ и X_2s.
Уравнения электрического состояния фаз обмоток статора и ротора:

Момент асинхронного двигателя

Вращающий электромагнитный момент двигателя в соответствии с законом электромагнитных сил

где
C_м — конструктивная постоянная;
φ_2s — фазовый сдвиг между током и магнитным потоком.
Отношение максимального момента M_max к номинальному M_н определяет перегрузочную способность двигателя и составляет 2,0-2,2 (дается в каталожных данных). Максимальный момент соответствует критическому скольжению s_к, определяемому активными и индуктивными сопротивлениями двигателя, и пропорционален активному сопротивлению цепи ротора.

Потери в асинхронном двигателе

Потери делятся на потери в статоре и в роторе. Потери в статоре состоят из электрических потерь в обмотке Р_э1 и потерь в стали Р_ст, а потери в роторе — из электрических Р_э2 и механических Р_мех плюс добавочные потери на трение и вентиляцию Р_доб.

где К = 2,9-3,6 определяется диаметром статора D₁.
Потери в стали в рабочем режиме во много раз меньше электрических потерь в роторе и ими обычно пренебрегают.
КПД асинхронного двигателя составляет от 0,75 до 0,95.

Рабочий момент двигателя пропорционален квадрату напряжения, что необходимо учитывать при включении двигателя в протяженных распределительных сетях. Номинальному моменту соответствует номинальное скольжение, а пусковому — s_п.
Зависимость момента двигателя от скольжения М=f(s) приведена на рисунке.
На участке от 0 до M_max двигатель работает в устойчивом режиме, а участок от Sk называется режимом опрокидывания двигателя, при котором двигатель в результате перегрузки останавливается и не может вернуться в рабочий режим без очередного запуска. Пусковые свойства двигателя определяются соотношением пускового момента M_п и номинального. В соответствии с каталожными данными оно составляет 1,6-1,7. При пуске асинхронного двигателя cosj очень мал и пусковой ток в обмотке статора может возрастать в 5-7 раз по сравнению с номинальным. Ограничение его осуществляется изменением частоты питающего напряжения для двигателя с короткозамкнутым ротором и увеличением активного сопротивления в цепи ротора для двигателя с фазовым ротором. Для механизмов, имеющих тяжелые условия пуска, где желательно использовать асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, применяются двигатели с улучшенными пусковыми свойствами: с большим пусковым моментом и меньшим пусковым током, чем у двигателей общего назначения.

Механическая характеристика асинхронного двигателя

Зависимость скорости вращения от нагрузки на валу двигателя называется механической характеристикой асинхронного двигателя.
Участок АВ механической характеристики соответствует устойчивому режиму работы асинхронного двигателя. Увеличение нагрузки (тормозного момента) ведет к некоторому снижению частоты вращения ротора, что вызывает увеличение вращающего момента. При превышении тормозным моментом критического, двигатель останавливается. Точка В на графике соответствует точке критического или опрокидывающего момента.

Регулирование частоты вращения

Регулирование частоты вращения может быть осуществлено тремя способами: изменением частоты питающего напряжения, переключением числа пар полюсов и изменением скольжения.
Для регулирования частоты вращения двигателей с короткозамкнутым ротором в настоящее время широко используются частотные преобразователи с микропроцессорным управлением.

Тормозные режимы

Тормозные режимы возникают в машине при определенных условиях или создаются искусственно с целью ускорения процесса остановки двигателя. Торможение может быть:

• генераторное с отдачей энергии в сеть;
• противовключением;
• динамическое.

Генераторным тормозным режимом называется режим работы двигателя, когда под действием внешнего момента ротор двигателя вращается в том же направлении, что и магнитное поле, но с большей скоростью.
Тормозной режим противовключения возникает в том случае, когда под действием внешнего момента, приложенного к валу двигателя, ротор вращается в противоположную сторону относительно вращающегося магнитного поля.
Динамический тормозной режим получается при отключении обмотки статора от сети трехфазного тока и подключении ее на время торможения к источнику энергии постоянного тока.

Выбор двигателя

Расчетные формулы для выбора двигателя имеют вид:

Выбор двигателя по каталогу осуществляется следующим образом. По заданному моменту рабочего механизма и частоте вращения определяется необходимая мощность. После этого определяются условия окружающей среды, выбирается исполнение по типу монтажа и высоте оси рабочего вала двигателя. Зная эти параметры, по каталогу проверяют необходимую перегрузочную способность, КПД, массу и момент инерции.
Для шахтных условий используются двигатели взрывозащищенного исполнения; для крановых механизмов — двигатели с повышенным скольжением и т.д.
В бытовых приборах используются однофазные двигатели. Однофазный двигатель отличается от трехфазного тем, что его статорная обмотка подключается к однофазному источнику питания. Ротор выполняется короткозамкнутым. На статоре размещаются две обмотки, оси которых смещены друг относительно друга на 90 электрических градусов. Одна называется рабочей, а другая -пусковой.

Рабочие характеристики асинхронного двигателя

Рабочими характеристиками асинхронного двигателя являются зависимости от мощности на валу Р₂ таких параметров, как момент, частота вращения, ток статора, КПД и cosφ. Анализ характеристик показывает, что частота вращения ротора падает с увеличением нагрузки, а момент пропорционален ей. Ток статора изменяется по нелинейному закону, что связано с магнитной системой двигателя и при Р₂=0 определяется током холостого хода, составляющего до 40% его номинального значения.

В системах управления используются двигатели, в которых одна из обмоток статора постоянно подключена к сети переменного тока (обмотка возбуждения), а ко второй (обмотка управления) подводится напряжение управления. Такие двигатели относятся к классу микромашин.
Микромашины используются в информационных системах, где они выполняют функции первичных преобразователей для вычислительных операций в системах автоматики и телемеханики.
Одним из примеров является сельсин, предназначенный для передачи на расстояние угловых перемещений валов, механически не связанных друг с другом. По конструкции сельсины делятся на контактные и бесконтактные. Контактные сельсины выполняются в двух вариантах. В одном обмотка возбуждения располагается на роторе, а трехфазная обмотка, называемая обмоткой синхронизации, в пазах статора. В другом варианте наоборот. При включении обмотки возбуждения сельсина на однофазное напряжение ток создает пульсирующее магнитное поле, которое индуцирует в каждой фазе обмотки синхронизации переменную ЭДС. Действующее значение ЭДС каждой фазы зависит от расположения осей этих фаз относительно оси потока возбуждения.
В простейшем случае схема дистанционной передачи угловых перемещений состоит из двух одинаковых сельсинов, у которых одноименные зажимы обмоток синхронизации соединены проводами линии связи, а на обмотки возбуждения подается напряжение сети. Один из сельсинов называют сельсин-датчиком, другой — сельсин-приемником.

Асинхронный двигатель

— обзор

29.5.2.1 Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором

Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором имеют более простую конструкцию, чем двигатели постоянного тока, и чаще всего используются в промышленности VSD. Они прочные и надежные. Они не требуют особого обслуживания и доступны по очень конкурентоспособным ценам. Они могут быть спроектированы с полностью закрытыми двигателями для работы в грязных и взрывоопасных средах. Их первоначальная стоимость существенно меньше, чем у коллекторных двигателей, а их эффективность сопоставима.Все эти особенности делают их привлекательными для использования в промышленных приводах.

Обмотки трех статоров создают вращающийся магнитный поток, вращающийся с синхронной скоростью. Эта скорость зависит от числа полюсов двигателя и частоты питания: вращающийся поток пересекает обмотки ротора и индуцирует ЭДС в обмотке ротора, что, в свою очередь, приводит к возникновению циркулирующего тока. Токи ротора создают второй магнитный поток, который взаимодействует с потоком статора, создавая крутящий момент для ускорения машины.По мере ускорения ротора индуцированное напряжение ротора падает по величине и частоте до тех пор, пока не будет достигнута равновесная скорость. В этот момент индуцированный ток ротора достаточен для создания крутящего момента, требуемого нагрузкой. Скорость ротора немного ниже синхронной скорости на частоту скольжения, обычно 3%.

Чтобы обеспечить постоянное возбуждение машины и максимизировать производство крутящего момента до базовой скорости, отношение напряжения статора к частоте необходимо поддерживать приблизительно постоянным.

Привод с асинхронным двигателем имеет три различных рабочих региона:

(a)

Постоянный крутящий момент : Напряжение инвертора регулируется до максимального значения, ограниченного напряжением питания. Поскольку скорость двигателя и напряжение увеличиваются пропорционально, постоянная В, / F ​​, номинальная потокосцепление сохраняется до базовой скорости. Значения крутящего момента до максимального значения могут быть получены при скоростях примерно до этого базового значения. Максимально доступный крутящий момент пропорционален квадрату потокосцепления.Обычно асинхронный двигатель рассчитан на непрерывный номинальный крутящий момент примерно 40% –50% от его максимального крутящего момента.

(b)

Постоянная мощность : Для более высокой скорости частота инвертора может быть увеличена, но напряжение питания должно поддерживаться постоянным на максимальном значении, доступном в источнике питания. Это заставляет потокосцепление статора уменьшаться обратно пропорционально частоте. Постоянная мощность может быть достигнута до скорости, при которой максимальный крутящий момент, доступный от двигателя, достаточен для достижения кривой постоянной мощности.Обычно достигается постоянный диапазон скоростей мощности 2–2,5. В этом диапазоне частота двигателя увеличивается до максимальной скорости.

(c)

Предел машины (момент отрыва) : После достижения предела машины крутящий момент падает пропорционально квадрату частоты двигателя. Работа на более высоком конце этого диапазона скоростей может быть невозможна, поскольку коэффициент мощности двигателя ухудшается. Это, в свою очередь, приводит к более высокому току статора, чем номинальное значение.Нагрев двигателя может быть чрезмерным, если коэффициент заполнения не низкий.

Асинхронные двигатели используются в приложениях, требующих быстрого и точного управления крутящим моментом, скоростью и положением вала.

Метод управления, широко используемый в этом типе приложений, известен как векторное управление, можно получить переходную характеристику, по крайней мере, эквивалентную характеристике коллекторного двигателя.

Переменные напряжения, тока и потокосцепления в этой схеме представляют собой пространственные векторы, из которых можно получить мгновенные значения фазовых величин путем проецирования пространственного вектора на три радиальные оси, смещенные на 120 градусов друг от друга.Действительная и мнимая составляющие пространственных векторов разделены, в результате чего образуются отдельные эквивалентные схемы прямой и квадратурной оси, но с равными параметрами по двум осям.

Изменения в потокосцеплении ротора могут происходить только относительно медленно из-за большого значения намагничивающей индуктивности асинхронного двигателя. Векторное управление основано на поддержании постоянной величины пространственного вектора мгновенного тока намагничивания, чтобы потокосцепление ротора оставалось постоянным.Электродвигатель питается от инвертора, который обеспечивает мгновенно управляемый набор фазных токов, которые объединяются, чтобы сформировать пространственный вектор, который контролируется, чтобы иметь постоянную величину, чтобы поддерживать постоянную потокосцепление ротора. Второй компонент — пространственный вектор, который находится в пространственной квадратуре с пространственным вектором мгновенного тока намагничивания. Этот компонент мгновенно управляется пропорционально требуемому крутящему моменту.

В той степени, в которой инвертор может подавать мгновенные токи статора, удовлетворяющие этим двум требованиям, двигатель способен без задержки реагировать на запрос крутящего момента.Эта особенность в сочетании с относительно низкой инерцией ротора асинхронного двигателя делает этот привод привлекательным для высокопроизводительных систем управления.

Для векторного управления требуются средства измерения или оценки мгновенной величины и угла пространственного вектора потокосцепления ротора. Прямое измерение, как правило, невозможно. Быстрые успехи делаются в разработке конфигураций управления, которые используют измеренные значения электрических клемм для оценки.

29.5.2.2 Привод асинхронного двигателя с фазным ротором

Асинхронные двигатели с фазным ротором и тремя контактными кольцами ротора уже много лет используются в приводах с регулируемой скоростью.В асинхронном двигателе крутящий момент равен мощности, пересекающей воздушный зазор, деленной на синхронную механическую скорость. В первых приводах асинхронных двигателей с контактным кольцом мощность передавалась через двигатель и рассеивалась на внешних сопротивлениях, подключенных к клеммам контактного кольца ротора. Это привело к неэффективному движению в большинстве диапазонов скоростей. Более современные приводы с контактным кольцом используют инвертор для восстановления мощности от цепи ротора, возвращая ее в систему питания.

Скорость асинхронного двигателя с контактным кольцом можно регулировать следующими способами:

•

Регулировка частоты статора, как в машине с ротором с сепаратором.

•

Регулировка частоты ротора.

•

Контроль сопротивления ротора.

•

Рекуперация энергии скольжения (система Крамера). По причинам капитальных затрат обычно используются два последних.

Добавление сопротивления ротора, особенно для запуска больших асинхронных двигателей, хорошо известно. Основной эффект, производимый добавлением сопротивления ротора, заключается в изменении скорости, при которой развивается максимальный крутящий момент двигателя.К сожалению, происходит рассеяние мощности в виде тепла в банке сопротивления ротора; ранее средства преодоления этого недостатка заключались в преобразовании мощности ротора в постоянный ток и питании двигателя постоянного тока на том же валу. Таким образом, энергия скольжения ротора при работе на пониженной скорости преобразуется в механическую энергию. Это система «Крамер». Недостатками такого подхода были дополнительные затраты на обслуживание и капитальные затраты.

Статическая система Kramer преодолевает эти недостатки путем замены машины постоянного тока инвертором с линейной коммутацией, который возвращает энергию скольжения непосредственно в линию переменного тока либо напрямую (в системах с более низким энергопотреблением), либо через трансформатор.Ключевым преимуществом приводной системы Kramer является то, что оборудование для рекуперации энергии скольжения (машины постоянного тока или статический инвертор) должно быть рассчитано только на часть максимальной мощности двигателя. Это верно, когда требуется небольшой диапазон скоростей и при условии, что предусмотрено отдельное средство запуска двигателя. Это связано с тем, что ток ротора двигателя пропорционален крутящему моменту, а напряжение ротора обратно пропорционально скорости.

Естественно, если сеть рекуперации энергии скольжения может быть рассчитана на выдерживание полного напряжения ротора (возникающего в состоянии покоя), может быть достигнут регулируемый диапазон скорости от нуля до максимума.Однако, как правило, это возможно только для двигателей меньшего размера (менее 2000 кВт), где напряжение на роторе достаточно низкое для экономичного инвертора. Во-вторых, если требуется полный диапазон скоростей, сеть рекуперации энергии скольжения должна быть рассчитана на полную мощность двигателя, поэтому статические приводы Крамера становятся неэкономичными для широкого диапазона скоростей. Общий коэффициент мощности системы будет очень низким для системы с широким диапазоном скоростей.

По указанным выше причинам приводы Kramer очень подходят для приводов большой мощности (> 200 кВт), где требуется небольшой диапазон скоростей.Таким образом, приводы насосов и вентиляторов представляют собой хорошее экономичное применение. Приводы Kramer также использовались для динамометрических стендов с низким диапазоном скоростей, использующих систему восстановления для управления крутящим моментом асинхронного генератора. Как и во всех преобразователях и инверторах с линейной коммутацией, возникают гармоники тока, которые можно уменьшить до приемлемых значений. Однако, поскольку сеть рекуперации энергии скольжения имеет номинальную мощность только в прямой зависимости от требуемого снижения скорости (при условии постоянного момента нагрузки), величины генерируемых гармонических токов пропорционально меньше, чем у приводов, где твердотельные преобразователи должны справиться со всей мощностью привода.Гармоники роторных выпрямителей передаются через ротор и проявляются как нецелые гармоники в основном питании.

Основными недостатками привода асинхронного электродвигателя с контактным кольцом являются (а) повышенная стоимость двигателя по сравнению с короткозамкнутым ротором, (б) необходимость технического обслуживания контактных колец, (в) сложность работы в опасных средах. , (г) необходимость в переключаемых пусковых резисторах и (д) низкий коэффициент мощности по сравнению с другими типами приводов.

Связь между скоростью, частотой и напряжением в асинхронном двигателе?

Наша компания планирует запрограммировать частотно-регулируемый привод для управления скоростью трехфазного асинхронного двигателя.Если мы изменим амплитуду (напряжение), что произойдет с частотой? Какая частота для какой амплитуды подходит?

Асинхронный двигатель работает с частотой питающего его источника. Можно изменять скорость, изменяя применяемую частоту.

Для работы двигателю необходим магнитный поток в железе, точнее говоря, в зазоре между ротором и статором. Ротор обычно вращается со скоростью, немного меньшей, чем скорость вращения поля статора (которая зависит от частоты).Эта разница в скорости называется скольжением и зависит от нагрузки (примечание: двигатели переменного тока с постоянными магнитами ротора работают без проскальзывания (синхронно)). Скольжение заставляет магнитный поток прорезать обмотки ротора, заставляя ток течь в роторе. Частота протекания тока равна частоте скольжения и никогда не может быть нулевой.

Асинхронный двигатель разработан как компромисс между потерями в стали и в меди. Если вы уменьшите количество витков на статоре, потери в меди уменьшатся из-за более низкого сопротивления, но поток в железе увеличится, что приведет к увеличению потерь в стали.Если поток в железе слишком велик, потери резко возрастают, и железо считается насыщенным. Цель состоит в том, чтобы работать близко к насыщению, чтобы минимизировать потери меди, но не в режиме насыщения, чтобы минимизировать потери в железе. Номинальное напряжение отражает оптимальный магнитный поток при номинальной частоте. По мере того, как вы уменьшаете частоту, подаваемую на двигатель, вам необходимо уменьшать напряжение, чтобы сохранить ту же плотность магнитного потока. Если вы этого не сделаете, плотность магнитного потока увеличится, и железо станет насыщенным.

Преобразователь частоты обычно демонстрирует постоянное соотношение напряжение / частота от номинальной частоты до низкой частоты.Проще говоря, вы можете провести прямую линию от нуля вольт при нулевой Гц до номинального напряжения при номинальной частоте.

На низких частотах с постоянным соотношением напряжение / частота магнитный поток будет уменьшаться из-за соотношения между реактивной составляющей и резистивной составляющей статора; поэтому для увеличения низкочастотного крутящего момента нормальным является обеспечение некоторого повышения напряжения (амплитуды) на очень низких частотах. Это необходимо только при тяжелых нагрузках.

По сути, если вы посмотрите на эквивалентную схему асинхронного двигателя, вы хотите, чтобы ток, протекающий через намагничивающую катушку, оставался постоянным на всех частотах.Это обеспечит постоянный поток.

Объяснение скорости двигателя: погружение в двигатели переменного и постоянного тока

Скорость, крутящий момент, мощность и напряжение — все это важные факторы при выборе двигателя. В этом блоге, состоящем из двух частей, мы углубимся в особенности скорости двигателя. В части 1 мы обсудим, как скорость различается между типами двигателей, а в части 2 мы рассмотрим, когда следует рассмотреть возможность добавления коробки передач в приложение.

Скорость асинхронного двигателя переменного тока

Электродвигатели переменного тока

уникальны тем, что созданы для работы на определенных скоростях независимо от их конструкции или производителя.Скорость двигателя переменного тока зависит от количества полюсов и частоты сети источника питания, а не от его напряжения. Обычные двигатели переменного тока состоят из двух или четырех полюсов. В полюсах статора создается магнитное поле, которое индуцирует результирующие магнитные поля в роторе, которые соответствуют частоте изменяющегося магнитного поля в статоре. Двухполюсные двигатели переменного тока, работающие с частотой 60 Гц, всегда будут работать со скоростью приблизительно 3600 об / мин, а четырехполюсные двигатели переменного тока будут иметь скорость около 1800 об / мин.

Скорость = 120 x частота (Гц) / число полюсов двигателя

Пример 120 x 60 Гц / 4 полюса = 1800 об / мин.

Имейте в виду, что скорость двигателя переменного тока не будет достигать этих точных значений — и будет немного ниже — потому что существует определенная величина скольжения, которая должна присутствовать для двигателя для создания крутящего момента. Ротор всегда будет вращаться медленнее, чем магнитное поле статора, и постоянно играет в догонялки. Это создает крутящий момент для запуска двигателя переменного тока.Разница между синхронными скоростями статора (3600 и 1800 об / мин) и фактической рабочей скоростью называется скольжением. (Дополнительную информацию о скольжении можно найти в нашем блоге «Синхронные и асинхронные двигатели: обнаруживая разницу».)

Элемент управления может использоваться для изменения скорости трехфазного двигателя переменного тока путем увеличения или уменьшения частоты, передаваемой на двигатель, в результате чего он ускоряется или замедляется. Кроме того, многие элементы управления переменного тока имеют однофазный вход, поэтому это позволяет запускать трехфазные двигатели на объектах, где отсутствует трехфазное питание.

Однако такая возможность изменять скорость не характерна для однофазных двигателей переменного тока. Эти двигатели подключаются непосредственно к стандартной розетке и работают с установленной доступной частотой. Исключением из этого практического правила может быть потолочный вентилятор, который работает от однофазного двигателя переменного тока, но имеет три различных настройки скорости.

Скорость двигателя постоянного тока

Хотя двигатели постоянного тока с постоянными магнитами также построены с полюсами, эти полюса не влияют на скорость, как двигатели переменного тока, потому что есть несколько других факторов, влияющих на двигатели постоянного тока.Количество витков проволоки в якоре, рабочее напряжение двигателя и сила магнитов влияют на скорость двигателя. Если двигатель постоянного тока работает от батареи 12 В, это максимальное напряжение, доступное для устройства, и двигатель сможет работать только на скорости, рассчитанной на 12 В. Если батарея разряжена и подает меньшее напряжение, скорость соответственно уменьшится.

Теперь, если вы подключите тот же двигатель 12 В постоянного тока к источнику питания 24 В постоянного тока, ваша скорость обычно удваивается. Имейте в виду, что работа двигателя с удвоенной скоростью при одной и той же точке нагрузки / крутящего момента приведет к тому, что двигатель будет работать более интенсивно, создавая дополнительный нагрев, который со временем может вызвать преждевременный отказ двигателя.

Как и в случае трехфазных двигателей переменного тока и бесщеточных двигателей постоянного тока, средства управления могут использоваться с двигателями постоянного тока. Регуляторы постоянного тока регулируют скорость, изменяя напряжение, подаваемое на двигатель (это отличается от средств управления двигателем переменного тока, которые регулируют частоту сети на двигатель).

Типичные скорости холостого хода или синхронные скорости для двигателя переменного тока с дробной мощностью 1800 или 3600 об / мин и от 1000 до 5000 об / мин для двигателей постоянного тока с дробной мощностью. Если приложение требует более низкой скорости и / или более высокого крутящего момента, следует рассмотреть вариант редукторного двигателя.Чтобы узнать больше о добавлении редуктора, ознакомьтесь с частью 2, «Объяснение скорости двигателя: когда использовать редуктор».

Электрические асинхронные двигатели

— синхронная скорость

Синхронная скорость для электрического асинхронного двигателя определяется

• частотой источника питания и
• числом полюсов в обмотке двигателя.

Синхронная скорость может быть рассчитана как:

n = f (2 / p) 60 (1)

где

n = скорость вращения вала (об / мин, об / мин)

f = частота электропитания (Гц, циклы / с, 1 / с)

p = количество полюсов

Примечание — an асинхронный двигатель никогда не достигнет своей синхронной скорости.Если бы это было так — ротор казался бы неподвижным по отношению к вращающемуся полю статора, поскольку он вращался бы с той же скоростью. При отсутствии относительного движения между статором и полем ротора в двигателе не будет индуцироваться напряжение. Поэтому скорость асинхронного двигателя ограничена скоростью ниже синхронной, а разница между синхронной скоростью и фактической скоростью называется скольжением.

Пример — синхронная скорость двухполюсного электродвигателя

На двухполюсный двигатель подается мощность с частотой 50 Гц (1 / с) .Скорость вращения может быть рассчитана как

n = (50 1 / с) (2/2) (60 с / мин)

= 3000 об / мин (1 / мин)

Синхронный скорость вращения при разных частотах и ​​количестве полюсов

90 260450

Скорость вращения вала — n — (об / мин, об / мин)
Частота — f — (Гц)	Количество полюса — p —
	2	4	6	8	10	12
10	600	300		300	100
20	1200	600	400	300	240	200
30	1800	900	600	360	300
40	2400	1200	800	600	480	400
50 1) 300060		750	600	500
60 2)	3600	1800	1200	900	720	600
70262
60 7026		1050	840	700
80	4800	2400	1600	1200	960	800

5460

800

5460	2
5460	2 9026 1080	900
100	6000	3000	2000	1500	1200	1000

1. Двигатели, рассчитанные на 50 Гц, чаще всего встречаются за пределами U.S
2. Двигатели, рассчитанные на 60 Гц, наиболее распространены в США.

Частотно-регулируемый привод

Частотно-регулируемый привод модулирует скорость электродвигателя путем изменения частоты источника питания.

Как работает трехфазный асинхронный двигатель переменного тока

Эта статья и видео будут посвящены основам трехфазного асинхронного двигателя переменного тока, одного из наиболее распространенных на сегодняшний день типов промышленных электродвигателей.Этот обзор объяснит, что такое трехфазная мощность, как работает закон Фарадея, поймет основные компоненты асинхронного двигателя и влияние количества полюсов статора на номинальную скорость и крутящий момент двигателя.

---

Вы также можете посмотреть видео ниже с обзором трехфазных асинхронных двигателей переменного тока.

Что такое трехфазное питание?

Первое, что нам нужно понять о трехфазном асинхронном двигателе, — это первая часть его названия — трехфазная мощность.Однофазный источник питания использует два провода для подачи синусоидального напряжения. В трехфазной системе используются три провода для обеспечения одинакового синусоидального напряжения, но каждая фаза сдвинута на 120 °. В любой момент времени, если вы сложите напряжение каждой фазы, сумма будет постоянной. Однофазное питание подходит для жилых домов или других приложений с низким энергопотреблением, но трехфазное питание [JS2] обычно требуется для промышленных приложений или приложений с более высокой мощностью. Это потому, что он может передавать в три раза больше мощности, используя только 1.В 5 раз больше провода. Это делает энергоснабжение более эффективным и экономичным.

---

Что такое закон Фарадея?

Другой принцип, лежащий в основе асинхронных двигателей переменного тока, исходит из закона Фарадея. Британский ученый Майкл Фарадей обнаружил, что изменяющееся магнитное поле может индуцировать ток и, наоборот, ток может индуцировать магнитное поле. Используя правило правой руки, вы можете предсказать направление магнитного поля. Для этого представьте, что вы хватаете прямой провод большим пальцем, направленным в направлении тока.Ваши пальцы будут сгибаться в направлении линий магнитного потока.

---

Майк сжимает маркер, чтобы продемонстрировать правило правой руки

Компоненты асинхронного двигателя

Асинхронный двигатель состоит из двух основных компонентов: статора и ротора. Статор состоит из внешних обмоток или магнитов и неподвижен. Статор неподвижен. Ротор — это внутреннее ядро, которое фактически вращается в двигателе.Ротор вращается.

Трехфазный асинхронный двигатель — ротор внутри статора

Беличья конструкция является наиболее распространенным типом асинхронных двигателей, поскольку они самозапускаются, надежны и экономичны. В этой конструкции ротор похож на колесо для хомяка или «беличью клетку», отсюда и название. Ротор состоит из внешнего цилиндра из металлических стержней, закороченных на концах. Внутренняя часть состоит из шахты и прочного сердечника, сделанного из стальных пластин.

Как это работает

Для достижения крутящего момента на валу двигателя через статор подается ток.Это создает вращающееся магнитное поле, которое, в свою очередь, индуцирует ток в роторе. Из-за этого индуцированного тока ротор также создает магнитное поле и начинает следовать за статором из-за магнитного притяжения. Ротор будет вращаться медленнее, чем поле статора, и это называется «проскальзыванием». Если бы ротор вращался с той же скоростью, что и статор, ток не индуцировался бы, следовательно, не было бы крутящего момента. Разница в скорости колеблется в пределах 0,5-5% в зависимости от обмотки двигателя.

---

Обмотки и полюса

Трехфазные двигатели доступны в конфигурациях с 2, 4, 6, 8 и более полюсами.Количество полюсов в обмотках определяет идеальную скорость двигателя. Двигатель с большим числом полюсов будет иметь меньшую номинальную скорость, но более высокий номинальный крутящий момент. Из-за этого двигатели с высоким полюсом иногда называют моментными двигателями и могут использоваться для замены двигателя с редуктором. Идеальное соотношение между числом полюсов, частотой и скоростью определяется следующим:

Взаимосвязь между количеством полюсов и частотой вращения асинхронного двигателя.

Заключение 3-фазные асинхронные двигатели переменного тока

состоят из статора и ротора.Во время работы через статор пропускается ток, который индуцирует магнитное поле и приводит к вращению ротора. Скорость вращения вала и приложенный крутящий момент зависят от рабочей частоты и количества пар полюсов в обмотках двигателя. Если вас интересует наша линейка асинхронных двигателей, мотор-редукторов или даже серводвигателей, свяжитесь с инженером KEB, заполнив контактную форму ниже.

---

Скольжение асинхронных двигателей переменного тока и как его минимизировать

Автор: Маури Пелтола, ABB Oy, приводы

Асинхронный двигатель переменного тока часто называют рабочей лошадкой в ​​отрасли.Это потому, что он предлагает пользователям простую, прочную конструкцию, легкое обслуживание и экономичную цену. Эти факторы способствовали стандартизации и развитию производственной инфраструктуры, что привело к созданию обширной базы установленных двигателей; более 90 процентов всех двигателей, используемых в промышленности во всем мире, являются асинхронными двигателями переменного тока.

Несмотря на такую ​​популярность, асинхронный двигатель переменного тока имеет два основных ограничения:

1. стандартный двигатель не является настоящей машиной с постоянной скоростью; и
   
2. по своей природе не может обеспечивать работу с регулируемой скоростью.

Оба эти ограничения требуют рассмотрения, поскольку требования к качеству и точности двигателей / приводов продолжают расти.

В этой статье объясняется причина первого ограничения — промаха — и способы его минимизировать. Подробно описаны лучшие методы управления скоростью двигателя с помощью доступной сейчас силовой электроники, в том числе технологии, позволяющие минимизировать негативные эффекты скольжения.

Скольжение двигателя необходимо для создания крутящего момента
Асинхронный двигатель переменного тока состоит из двух основных узлов — статора и ротора.Конструкция статора состоит из стальных пластин, имеющих форму полюсов. На эти полюса намотаны катушки из медной проволоки. Эти первичные обмотки подключены к источнику напряжения для создания вращающегося магнитного поля. Трехфазные двигатели с разнесением обмоток на 120 электрических градусов являются стандартными для промышленного, коммерческого и бытового использования.

Ротор — это еще один узел, сделанный из пластин поверх стального сердечника вала. В радиальных пазах по периферии пластин размещаются стержни ротора — литые алюминиевые или медные проводники, закороченные на концах и расположенные параллельно валу.Расположение стержней ротора похоже на беличью клетку; отсюда и широко известный термин асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором. Название «асинхронный двигатель» происходит от переменного тока, «индуцируемого» в ротор вращающимся магнитным потоком, создаваемым в статоре.

Крутящий момент двигателя создается за счет взаимодействия токов, протекающих в стержнях ротора, и вращающегося магнитного поля статоров. В реальной работе скорость ротора всегда отстает от скорости магнитного поля, что позволяет стержням ротора разрезать магнитные силовые линии и создавать полезный крутящий момент.Эта разница скоростей называется скоростью скольжения. Скольжение также увеличивается с нагрузкой, что необходимо для создания крутящего момента.

Рис. 1. Асинхронный двигатель переменного тока с короткозамкнутым ротором, открытый, чтобы показать конструкцию статора и ротора, вал с подшипниками и охлаждающий вентилятор.

Скольжение зависит от параметров двигателя
Согласно формальному определению скольжение (я) асинхронного двигателя составляет:

При малых значениях скольжения двигателя скольжение (я) пропорционально сопротивлению ротора, частоте напряжения статора и крутящему моменту нагрузки — и обратно пропорционально второй мощности напряжения питания.Традиционный способ управления скоростью асинхронного двигателя с фазным ротором состоит в увеличении скольжения путем добавления сопротивления в цепь ротора. Скольжение двигателей малой мощности выше, чем у двигателей большой мощности, из-за более высокого сопротивления обмотки ротора в двигателях меньшей мощности.

Как видно из таблицы 1, меньшие двигатели и низкоскоростные двигатели обычно имеют более высокое относительное скольжение. Однако также доступны большие двигатели с высоким скольжением и малые двигатели с низким скольжением.

Вы можете видеть, что скольжение при полной нагрузке варьируется от менее одного процента (в двигателях с высокой мощностью) до более чем пяти процентов (в двигателях с дробной мощностью).Эти изменения могут вызвать проблемы с распределением нагрузки при механическом соединении двигателей разных размеров. При низкой нагрузке распределение примерно правильное, но при полной нагрузке двигатель с меньшим скольжением принимает на себя большую долю нагрузки, чем двигатель с более высоким скольжением.

Таблица 1. Скольжение некоторых двигателей NEMA из алюминия и чугуна с синхронной скоростью в диапазоне от 3600 до 900 об / мин.

Как показано на рисунке 2, скорость ротора уменьшается пропорционально крутящему моменту нагрузки.Это означает, что скольжение ротора увеличивается в той же пропорции.

Рис. 2. Кривая скорости асинхронного двигателя. Скольжение — это разница в скорости ротора относительно синхронной скорости. CD = AD — BD = AB.

Относительно высокий импеданс ротора требуется для хороших пусковых характеристик по сети (при полном напряжении) (что означает высокий крутящий момент по сравнению с низким током), а низкий импеданс ротора необходим для низкого скольжения при полной нагрузке и высокой эффективности работы.Кривые на рисунке 3 показывают, как более высокое полное сопротивление ротора в двигателе B снижает пусковой ток и увеличивает пусковой крутящий момент, но вызывает более высокое скольжение, чем в стандартном двигателе A.

Рис. 3. Кривые крутящий момент / скорость и ток / скорость для стандартного двигателя A (сплошные линии) и двигателя с высоким крутящим моментом B (пунктирные линии).

Методы уменьшения скольжения — выбор двигателя, завышение размеров
Использование синхронных двигателей, реактивных двигателей или двигателей с постоянными магнитами может решить проблему скольжения, поскольку в этих трех типах двигателей нет измеряемого скольжения.Синхронные двигатели используются для приложений очень большой и очень малой мощности, но в меньшей степени в диапазоне средних лошадиных сил, где находятся многие типичные промышленные применения. Также используются реактивные двигатели, но их отношение мощности к массе не очень хорошее, и, следовательно, они менее конкурентоспособны, чем асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором.

Потенциальный рынок роста — двигатели с постоянными магнитами (PM), используемые с электронными регулируемыми приводами (ASD). Основные преимущества: точное управление скоростью без пробуксовки; высокий КПД при низких потерях в роторе; и гибкость выбора очень низкой базовой скорости (устранение необходимости в коробках передач).Использование двигателей с постоянными магнитами по-прежнему ограничено некоторыми специальными приложениями, в основном из-за высокой стоимости и отсутствия стандартизации.

Выбор асинхронного двигателя переменного тока увеличенного размера — второй способ уменьшить скольжение. Почему? — более крупные двигатели обычно имеют меньшее скольжение, а скольжение уменьшается при частичной (а не полной) нагрузке двигателя.

Пример: См. Таблицу 1. Требуемая мощность составляет 10 л.с. при 1800 об / мин, требуется точность скорости 1,5%.Мы знаем, что у двигателя мощностью 10 л.с. скольжение составляет 4,4 процента. Можем ли мы достичь точности в 1,5 процента с двигателем мощностью 15 л.с.? Ответ: скольжение двигателя мощностью 15 л.с. при полной нагрузке составляет 2,2 процента, а нагрузка составляет всего 10/15 = 0,67. Проскальзывание составит 67 процентов от 2,2 и составит 1,47 процента, что соответствует установленным требованиям. Недостатки завышенного размера: более крупные двигатели потребляют больше энергии, увеличивая инвестиционные и эксплуатационные расходы.

Привод переменного тока с регулируемой скоростью — часто лучшее решение
Неотъемлемые ограничения асинхронного двигателя переменного тока, упомянутые в начале этой статьи — отсутствие постоянной скорости и отсутствие контроля скорости — могут быть решены с помощью регулируемого регулирования скорости (ASD).Наиболее распространенные сегодня приводы переменного тока основаны на широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Постоянное сетевое напряжение переменного тока с 60 или 50 циклами в секунду от питающей сети выпрямляется, фильтруется, а затем преобразуется в переменное напряжение и переменную частоту. Когда этот выход преобразователя частоты подключен к двигателю переменного тока, можно регулировать скорость двигателя.

Рис. 4. Простая система управления с приводом переменного тока: регулировка скорости насоса позволяет контролировать уровень воды в водонапорной башне.

При использовании привода переменного тока для регулировки скорости двигателя во многих случаях проскальзывание двигателя больше не является проблемой. Скорость двигателя не является основным параметром управления; скорее, это может быть уровень жидкости (как на рис. 4), давление воздуха, температура газа или что-то еще. По-прежнему существует множество применений приводов, где требуется высокая точность статической скорости и / или точность динамической скорости. К таким приложениям относятся печатные машины, экструдеры, бумагоделательные машины, краны, лифты и т. Д.

Также существует множество машин и конвейеров, где необходимо синхронизировать управление скоростью между секциями, приводимыми в движение отдельными двигателями. Вместо завышения размеров двигателей для устранения ошибки скорости, вызванной скольжением, может быть лучше использовать ряды секционных приводов с отдельными инверторами для каждого отдельного двигателя. Инверторы подключаются к шине постоянного напряжения, питаемой от общего выпрямителя. Это очень энергоэффективное решение, поскольку приводные части механизма могут использовать энергию торможения от замедляющих частей (регенерация).

В приводы переменного тока можно добавить компенсацию скольжения, чтобы уменьшить влияние скольжения двигателя. К регулятору скорости добавляется сигнал крутящего момента нагрузки, чтобы увеличить выходную частоту пропорционально нагрузке. Компенсация скольжения не может составлять 100% скольжения из-за колебаний температуры ротора, которые могут вызвать чрезмерную компенсацию и нестабильное управление. Но компенсация может достигать точности до 80 процентов, что означает, что скольжение может быть уменьшено с 2,4 до примерно 0,5 процента.

Рисунок 5.Эффект компенсации скольжения.

Векторное и прямое управление крутящим моментом для улучшения управления скоростью
Новейшими высокопроизводительными технологиями в области приводов с регулируемой скоростью являются векторное управление и прямое управление крутящим моментом, DTC ™. Оба они используют какую-то модель двигателя и подходящие алгоритмы управления для управления крутящим моментом и магнитным потоком двигателя вместо параметров напряжения и частоты, используемых в приводах с ШИМ. Разница между традиционным векторным управлением и DTC заключается в том, что DTC не имеет фиксированной схемы переключения для каждого цикла напряжения.Технология DTC, разработанная компанией ABB, вместо этого переключает инвертор в соответствии с потребностями нагрузки, рассчитанными / регулируемыми 40 000 раз в секунду. Это делает диагностический код неисправности особенно быстрым при мгновенных изменениях нагрузки и сводит к минимуму необходимость / эффект резких изменений скорости после того, как нагрузка / процесс находятся в работе.

Что такое DTC, прямое управление крутящим моментом?
DTC — это оптимизированный принцип управления приводами переменного тока, в котором переключение инвертора напрямую регулирует магнитный поток и переменные крутящего момента двигателя / нагрузки.

Рисунок 6. Блок-схема прямого управления крутящим моментом, DTC.

Измеряемые входные значения для контроля кода неисправности: : ток двигателя, промежуточный контур и напряжение. Напряжение определяется по напряжению шины постоянного тока и положениям переключателя инвертора. Сигналы напряжения и тока являются входными данными для точной модели двигателя, которая выдает точное фактическое значение магнитного потока и крутящего момента статора каждые 25 микросекунд.

Двухуровневые компараторы крутящего момента двигателя и магнитного потока сравнивают фактические значения с эталонными значениями, создаваемыми контроллерами задания крутящего момента и магнитного потока.Выходы этих двухуровневых контроллеров обновляются каждые 25 микросекунд и показывают, нужно ли изменять крутящий момент или магнитный поток.

В зависимости от выходов двухуровневых контроллеров логика переключения напрямую определяет оптимальные положения переключателей инвертора. Это означает, что каждый импульс напряжения определяется отдельно на «атомарном уровне». Положения переключателя инвертора снова определяют напряжение и ток двигателя, которые, в свою очередь, влияют на крутящий момент и магнитный поток двигателя (поскольку этот контур управления замкнут, необходимость в энкодерах устраняется в большинстве приложений).

Рис. 7. Сравнение между модуляцией ШИМ и управлением приводом DTC во время воздействия нагрузки: от A до B с управлением PWM и от A до C с управлением DTC.

Причина, по которой управление DTC реагирует быстрее, чем управление PWM, показана на рис. 7. Двигатель работает с низкой нагрузкой в ​​точке A, и нагрузка постепенно увеличивается до высокой. Более высокий крутящий момент с ШИМ-управлением достигается за счет снижения скорости от A до B. Это довольно медленная процедура.Более высокий крутящий момент при управлении DTC достигается за счет прямого увеличения крутящего момента от A до C, и эта процедура примерно в десять раз (10 раз) быстрее, чем при управлении PWM.

Компенсация скольжения с помощью DTC происходит мгновенно и обеспечивает точность, которая обычно составляет 10% от номинального скольжения двигателя. Это означает точность скорости от 0,1 до 0,5 процента. Это позволяет использовать приводы DTC во многих приложениях, где ранее требовалось векторное управление на основе тахометра. Для приложений, требующих еще более высокой точности, к приводу DTC можно добавить импульсный энкодер.

Свяжитесь с автором по адресу: [email protected]

За дополнительной информацией об ABB Drives & Power Electronics обращайтесь: Бекки Нетери, менеджер по маркетинговым коммуникациям, ABB Inc., подразделение продуктов автоматизации, приводы и силовая электроника, 16250 West Glendale Drive New Berlin, WI 53151-2840, тел .: (262 ) 785-8363, факс: (262) 780-5120, электронная почта: [email protected], http://www.abb-drives.com

% PDF-1.4 % 835 0 объект > эндобдж xref 835 135 0000000016 00000 н. 0000003070 00000 н. 0000003302 00000 н. 0000003456 00000 н. 0000003495 00000 н. 0000003552 00000 н. 0000003617 00000 н. 0000004489 00000 н. 0000004760 00000 н. 0000004827 00000 н. 0000004925 00000 н. 0000005031 00000 н. 0000005149 00000 п. 0000005209 00000 н. 0000005371 00000 п. 0000005544 00000 н. 0000005644 00000 п. 0000005799 00000 н. 0000005914 00000 н. 0000006013 00000 н. 0000006146 00000 н. 0000006256 00000 н. 0000006403 00000 п. 0000006525 00000 н. 0000006664 00000 н. 0000006830 00000 н. 0000006942 00000 н. 0000007128 00000 н. 0000007286 00000 н. 0000007404 00000 н. 0000007536 00000 н. 0000007699 00000 н. 0000007789 00000 н. 0000007920 00000 п. 0000008073 00000 н. 0000008213 00000 н. 0000008337 00000 н. 0000008494 00000 п. 0000008683 00000 н. 0000008863 00000 н. 0000009009 00000 н. 0000009172 00000 н. 0000009293 00000 н. 0000009474 00000 н. 0000009577 00000 н. 0000009758 00000 н. 0000009878 00000 н. 0000009997 00000 н. 0000010123 00000 п. 0000010307 00000 п. 0000010480 00000 п. 0000010577 00000 п. 0000010731 00000 п. 0000010843 00000 п. 0000011016 00000 п. 0000011121 00000 п. 0000011266 00000 п. 0000011384 00000 п. 0000011571 00000 п. 0000011728 00000 п. 0000011887 00000 п. 0000012079 00000 п. 0000012211 00000 п. 0000012384 00000 п. 0000012588 00000 п. 0000012712 00000 п. 0000012890 00000 н. 0000012990 00000 п. 0000013164 00000 п. 0000013287 00000 п. 0000013407 00000 п. 0000013558 00000 п. 0000013692 00000 п. 0000013848 00000 п. 0000013956 00000 п. 0000014053 00000 п. 0000014179 00000 п. 0000014291 00000 п. 0000014389 00000 п. 0000014509 00000 п. 0000014604 00000 п. 0000014698 00000 п. 0000014791 00000 п. 0000014884 00000 п. 0000014977 00000 п. 0000015071 00000 п. 0000015165 00000 п. 0000015259 00000 п. 0000015353 00000 п. 0000015447 00000 п. 0000015541 00000 п. 0000015635 00000 п. 0000015729 00000 п. 0000015823 00000 п. 0000015917 00000 п. 0000016011 00000 п. 0000016105 00000 п.