Зависимость тока асинхронного двигателя от частоты вращения: Регулирование скорости асинхронного электродвигателя путем изменения частоты питающей сети – Асинхронная машина — Википедия

Содержание

Регулирование скорости асинхронного электродвигателя путем изменения частоты питающей сети

Наиболее экономичным способом регулирования скорости вращения асинхронных электрических машин с короткозамкнутым ротором является изменение частоты питающего напряжения последних. При изменении частоты также будут меняться и параметры асинхронной машины. Для обеспечения необходимых значений пускового и критического моментов, а также коэффициента мощности и коэффициента полезного действия КПД, необходимо с изменением частоты соответствующим образом изменять и напряжение, подводимое к зажимам электродвигателя.

Общие закономерности регулирования скорости асинхронных машин путем изменения частоты питающей сети были исследованы академиком М.П. Костенко еще в 1925 году.

Основное соотношение, связывающее изменение частоты и напряжения, в зависимости от характера статического момента механизма может быть выведено из общих соотношений, представляемых эквивалентной схемой замещения. При постоянной частоте питающей сети критический момент асинхронного электродвигателя будет равен:

Критический момент АД при частотном регулировании

Где: m1 – количество фаз в обмотке статора; r1 и x1 – активное и индуктивное сопротивление статорной обмотки; х2/ — индуктивное сопротивление роторной обмотки, приведенной к первичной обмотке; f – частота питающей сети.

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

Критический момент АД при пренебрежении активным сопротивлением

Индуктивные сопротивления x1  и х2/ зависят от частоты питающей сети. Поэтому при переменной частоте предыдущее выражение должно  быть записано как:

Критический момент АД с учетом изменения частоты питающей сети

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

Соотношения для постоянной перегрузочной способности АД при частотном регулировании

Где Мс1 и Мс2 – статические моменты, соответствующие скорости электрической машины при частотах f1 и f2; U1 и U2 – напряжения, подводимые к двигателю при тех же частотах.

Полученная формула (4) показывает, что оптимальный закон изменения напряжения при частотном регулировании определяется характером изменения статического момента в зависимости от частоты. В таблице ниже сопоставлены значения моментов, мощностей и напряжений при различных характерах зависимости статического момента от скорости.

Изменение эквивалентного момента при частотном регулировании

Анализ, проведенный академиком М.П. Костенко на базе упрощенной круговой диаграммы, показал, что при соблюдении  условия (4) будет иметь место постоянство cosφ,  а КПД электрической машины будет функцией частоты и не зависит от нагрузки. Для всех видов зависимости момента от скорости: Мс ≡ 1/f, Мс = const, Mc ≡ f и Mc ≡ f2. КПД двигателя при каждой заданной скорости будет примерно одинаков.

Для выявления поведения асинхронного электродвигателя при регулировании частоты питающего напряжения в случаях различной зависимости статического момента от скорости необходимо установить характер изменения пускового и критического моментов.

В основу рассмотрения легла эквивалентная схема асинхронной машины с намагничивающим контуром, вынесенным на зажимы машины. Влияние насыщения не учитывается. За исходные данные принимаем параметры машины при номинальном напряжении и частоте fном = 50 Гц. В качестве независимой переменной (определяющего параметра) удобно принять частоту, выраженную в относительных единицах:

Частота асинхронного электродвигателя выраженная в относительных единицах

Напряжение, приложенное к зажимам электрической машины, будет функцией частоты и одновременно, будет зависеть от характера изменения статического момента, и в общем случае будет иметь вид:

Зависимость напряжения от частоты и статического момента

Показатель степени α зависит от желаемого характера Мдв и функции скорости. При построении механической характеристики асинхронной машины при любой f можно использовать общее выражение:

Общее выражение момента асинхронного электродвигателя

Индуктивное сопротивление обмоток можно выразить при f = 50 Гц, а именно:

Индуктивное сопротивление обмоток приведенное к частоте 50 Гц

Где х и х/ — индуктивные сопротивления статора и ротора, приведенные к обмотке статора, при f = 50 Гц.

После введения относительных единиц выражение примет вид:

Момент асинхронного двигателя в относительных единицах

Где φ – частота в относительных единицах; α – коэффициент, определяемый характером зависимости момента от скорости электрической машины.

В (8) при переходе к относительным единицам U2 превращается в U2нφ, однако за счет f, входящей в выражение синхронной скорости  ω0 = 2πfнφ, показатель степени у

φ становится 2α — 1.

Величина критического момента станет равна:

Момент критический в относительных единицах

В случае пренебрежения активным сопротивлением статорной обмотки:

Момент асинхронного двигателя в относительных единицах при пренебрежении активным сопротивлением статора

Выражение  (10) может быть представлено как:

Упрощенное выражение Мк для частотного регулирования

Где Мкн – критический момент электрической машины при номинальном напряжении и f.

Критическое скольжение при переменной частоте:

Критическое скольжение при переменной частоте

В ряде случаев удобно воспользоваться выражением механической характеристики, содержащим значение критического момента:

Использование механической характеристики АД

Если пренебречь сопротивлением активным обмотки статора уравнение механической характеристики примет вид:

Момент при пренебрежении активным сопротивлением статора

Подставляя в упрощенное выражение механической характеристики значения М

к и sк без учета r1 получим расчетную формулу:

Упрощенная формула момента

На рисунке ниже приведены механические характеристики асинхронного электродвигателя для трех различных частот в относительных единицах для случая изменения f по закону (U/f) = const или α = 1.

Механическая характеристика асинхронной машины при частотном регулировании

Сравнение характеристик показывает, что критическое скольжение возрастает с понижением частоты. Это связано с изменением соотношения активного и индуктивного сопротивления. При уменьшении f критический момент в двигательном режиме уменьшается. Выражение для пускового момента равно:

Пусковой момент асинхронной машины при частотном регулировании

Пусковой момент при небольших изменениях частоты несколько увеличивается, а затем, при дальнейшем уменьшении f, достигает максимума, а дальше падает. Понижение М, наблюдаемое при низких f, вызывается относительным увеличением активного сопротивления, а также уменьшением магнитного потока, влияние которого не учитывают приведенные выше формулы. Уменьшение потока обуславливается падением напряжения в обмотке статора и является функцией нагрузки электродвигателя. Уменьшение магнитного потока может быть устранено с помощью увеличения отношения U/f при малых значениях частоты. Увеличение отношения U/f в размере, необходимом для поддержания номинального значения магнитного потока при нагрузке, приведет к тому, что при малых нагрузках машина окажется перевозбужденной и, следовательно, возрастет намагничивающий ток.

Механическая характеристика асинхронного двигателя для случая α = 1/2 , то есть при изменении напряжения по закону Закон регулирования напряжения при частотном управлении показаны ниже:

Механические характеристики асинхронной машины при частотном регулировании

Регулирование скорости асинхронных короткозамкнутых машин в настоящее время применяется для самого широкого спектра рабочих механизмов. В высоко оборотистых электроприводах, где скорость вращения вала равна или превышает 3000 об/мин, применение коллекторных электромашин крайне нежелательно. Здесь больше подходит частотно-регулируемый асинхронный электропривод. Часто данный способ регулирования применяется при необходимости одновременного изменения скорости по одному закону нескольких рабочих органов машины, приводимых в движение отдельными электродвигателями. Примерами таких установок могут послужить электроприводы центрифуг вискозной промышленности, применяемые для получения вискозного волокна,  рогулечных прядильных машин текстильной промышленности, роликовых транспортеров прокатных цехов металлургических заводов, служащих для транспортировки как горячего, так и холодного металла в процессе прокатки. Во всех перечисленных случаях каждый отдельный элемент рабочей машины (отдельная центрифуга, рогулька прядильной машины, ролик транспортера и так далее) приводятся в движение отдельным асинхронным двигателем мощностью от нескольких десятков ватт, до киловатт, и целая группа подобных двигателей может питаться от одного преобразователя с регулируемой частотой.

В качестве источника регулируемых асинхронных электродвигателей могут быть использованы следующие типы преобразователей частоты:

  1. Синхронный генератор, вращающийся с переменной частотой.
  2. Асинхронный преобразователь частоты.
  3. Преобразователь типа Леблана.
  4. Коллекторные генераторы переменного тока с возбуждением со статора.
  5. Полупроводниковые преобразователи частоты.

В таблице ниже представлены сопоставления технических показателей каждого типа перечисленных преобразователей:

Таблица сопоставления характеристик различных типов преобразователей частоты

Таблица сопоставления характеристик различных типов преобразователей частоты 2

Таблица выше показывает, что все системы машинных преобразователей, за исключением преобразователя Леблана, состоят из значительного количества электрических машин и обладают невысоким общим коэффициентом полезного действия и высокой первоначальной стоимостью. Преобразователь частоты Леблана свободен от указанных недостатков, однако, несовершенство коммутации ограничило возможности его широкого использования в недалеком прошлом. Современная электроника вывела на первое место полупроводниковые преобразователи частоты равных которым пока нет, и которые используются практически во всех частотно-регулируемых электроприводах.

От чего зависит частота вращения электродвигателя. Регулирование скорости вращения асинхронных электродвигателей

Большинство насосов приводятся в действие с помощью асинхронных электродвигателей, это означает, что двигатели вносят вклад в общую эффективность насосной системы.

Данная статья посвящена исследованию ключевых аспектов эффективности электродвигателя, которые находятся под контролем пользователя. 2/3 всей вырабатываемой электроэнергии, потребляются электродвигателями, которые используются в различном оборудовании на промышленных площадках всего мира.

Электродвигатели развиваются на протяжении последних 150 лет. Не смотря на то, что существует большой выбор из различных конструкций двигателей (например синхронные, асинхронные или постоянного тока), наиболее используемым в промышленности на сегодняшний день является асинхронный электродвигатель переменного тока, т.к. является более надежным. Также асинхронный электродвигатель предпочтительнее при использовании частотного преобразователя. Достаточно высокая эффективность в сочетании с простотой изготовления, высокой надежностью и низкой ценой делает его самым широко-применяемым типом двигателя по всему миру.

Рисунок 1: Асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором

На рисунке 1 показана обычная компоновка асинхронного электродвигателя с тремя обмотками статора, которые расположены вокруг сердечника. Обмотка ротора состоит из медных или алюминиевых стержней, торцы которых накоротко замкнуты кольцами. Кольца изолированы от ротора. В подшипниковом узле, как правило, используются шарикоподшипники с консистентной смазкой, за исключением очень больших двигателей. Смазка масляным туманом может значительно увеличить срок службы подшипников. Во всех асинхронных электродвигателях используется трехфазный ток, за исключением самых маленьких промышленных процессов (ниже 2 л.с.). Для запуска фазных двигателей необходимы другие средства, такие как щетки или конденсаторный пуск (использование конденсатора во время пуска).

Проблема эффективности двигателя

При использовании электродвигателя в качестве привода насоса потери энергии и падение давления в результате неэффективности насоса обычно гораздо больше, чем потери энергии связанные с неэффективностью электродвигателя, но они не являются незначительными. Оптимизация эффективности электродвигателя насоса может обеспечить реальную экономию стоимости рабочего цикла на протяжении всего срока службы насоса/электродвигателя. Ключевыми факторами, которые влияют на эффективность асинхронного двигателя являются:

  • относительная нагрузка двигателя (негабаритные двигатели находящиеся под нагрузкой)
  • скорость вращения (число полюсов)
  • размер двигателя (номинальная мощность)
  • класс двигателя: обычный КПД в сравнении с энергоэффективностью в с равнении с высоким КПД
Эффективность электродвигателя при частичной загрузке

Как показано на рисунке 2, эффективность асинхронного электродвигателя изменяется вместе с
относительной нагрузкой на электродвигатель по сравнению с номинальной характеристикой. Вплоть до нагрузки в 50% эффективность большинства электродвигателей остается линейной и для некоторых электродвигателей достигает пика у отметки 75%. Электродвигатели могут работать при нагрузке меньше 50% только в течение короткого промежутка времени и не могут эксплуатироваться при нагрузках меньше 20% от номинальных. Таким образом, когда отрегулированные рабочие колеса или насосы возвращаются к своим кривым «напор-подача», необходимо оценить воздействие относительной нагрузки на электродвигатель.


Рисунок 2: Эффективность электродвигателя для 100-сильных моторов — Обычные кривые характеристик при нормальном диапазоне нагрузок электродвигателя

Скорость вращения

На рисунке 2 также показано влияние скорости вращения на максимально-достижимую эффективность. 4-х полюсный электродвигатель при номинальных 1800 об/мин выходит на самый высокий КДП, а 2-х полюсный при номинальных 3600 об/мин дает низкую эффективность. Таким образом, хотя насосы с номинальной частотой вращения 3600 об/мин могут быть более эффективными (и иметь низкую закупочную стоимость), чем насосы со скоростью вращения 1800 об/мин, электродвигатели последних могут быть более эффективными, плюс эти насосы, как правило, имеют более низкий NPSHR и энергию всасывания, не говоря уже о более длительном сроке службы. Также следует отметить, что номинальная мощность электродвигателя влияет на его эффективность, большие электродвигатели имеют большую эффективность, чем малые.

Скорость вращения асинхронного электродвигател я

Синхронная скорость вращения асинхронного электродвигателя рассчитывается по следующей формуле:
n = 120*f/p
где:
n = скорость вращения в об/мин
f = частота питающей сети (Гц)
p = количество полюсов (min = 2)

Для регулирования частоты вращения электродвигателя без использования внешних механических устройств необходимо регулировать напряжение и частоту подаваемого тока. Некоторые электродвигатели могут быть изготовлены с несколькими обмотками (количество полюсов) для достижения двух или более различных скоростей вращения.

Асинхронные электродвигатели вращаются со скоростью, которая меньше скорости вращения магнитного поля (на 1-3% при полной нагрузке). Разница между фактической и синхронной частотой вращения называется скольжением. Для новых более энергоэффективных электродвигателей скольжение имеет тенденцию уменьшаться в отличие от старых электродвигателей с обычным КПД. Это означает, что при заданной нагрузке энергоэффективные электродвигатели работают немного быстрее.


Рисунок 3. Эффективность при полной и частичной загрузке двигателя с низким и высоким КПД

Электродвигатели с высоким КПД

На рисунке 3 изображен пример возможного повышения эффективности, когда старый электродвигатель с обычной эффективностью заменяется новым, имеющим более высокий КПД. Как упоминалось ранее, электродвигатели с высоким КПД работают с меньшим скольжением, что дает некоторое увеличение скорости вращения, а следовательно напор насоса и производительность становятся несколько больше.

Однако, использование электродвигателей с высоким КПД в некоторых (с изменением подачи) процессах будет не оправданно, из-за большей скорости вращения (и напора насоса), до тех пор пока существующие электродвигатели по-прежнему слабо загружены (работающие с низким КПД). Т.к. входная мощность на валу насоса пропорциональна скорости в кубе, простая замена старого электродвигателя новым с высоким КПД не обязательно приведет к снижению потребления энергии.

С другой стороны, если немного большая подача и напор для насоса — это хорошо, замена старого
электродвигателя с обычным КПД на новый с высоким КПД может быть оправдана.

Коэффициент мощности электродвигателя

Другая проблема, которая входит в игру с характеристиками асинхронного электродвигателя (которая имеет косвенное влияние на энергопотребление) называется «Коэффициент Мощности «. Некоторые
коммунальные предприятия обязывают клиентов платить дополнительные сборы за низкие значения
коэффициентов мощности. Потери в сети происходят за счет того, что при меньшем коэффициенте
мощности требуется большее количество тока, что приводит к серьезным потерям энергии. Как и КПД,
коэффициент мощности электродвигателя также снижается с уменьшением нагрузки на него практически по линейному закону приблизительно до 50% нагрузки.

Определение коэффициента мощности:

Фазовый сдвиг (задержка) синусоидальной волны тока от синусои

Формула расчета частоты вращений

При проектировании оборудования необходимо знать число оборотов электродвигателя. Для расчёта частоты вращения есть специальные формулы, различные для двигателей переменного и постоянного напряжения.

Тахометр

Синхронные и асинхронные электромашины

Двигатели переменного напряжения есть трёх типов: синхронные, угловая скорость ротора которых совпадает с угловой частотой магнитного поля статора; асинхронные – в них вращение ротора отстаёт от вращения поля; коллекторные, конструкция и принцип действия которых аналогичны двигателям постоянного напряжения.

Синхронная скорость

Скорость вращения электромашины переменного тока зависит от угловой частоты магнитного поля статора. Эта скорость называется синхронной. В синхронных двигателях вал вращается с той же быстротой, что является преимуществом этих электромашин.

Для этого в роторе машин большой мощности есть обмотка, на которую подаётся постоянное напряжение, создающее магнитное поле. В устройствах малой мощности в ротор вставлены постоянные магниты, или есть явно выраженные полюса.

Скольжение

В асинхронных машинах число оборотов вала меньше синхронной угловой частоты. Эта разница называется скольжение «S». Благодаря скольжению в роторе наводится электрический ток, и вал вращается. Чем больше S, тем выше вращающий момент и меньше скорость. Однако при превышении скольжения выше определённой величины электродвигатель останавливается, начинает перегреваться и может выйти из строя. Частота вращения таких устройств рассчитывается по формуле на рисунке ниже, где:

  • n – число оборотов в минуту,
  • f – частота сети,
  • p – число пар полюсов,
  • s – скольжение.

Формула расчёта скорости асинхронного двигателя

Такие устройства есть двух типов:

  • С короткозамкнутым ротором. Обмотка в нём отливается из алюминия в процессе изготовления;
  • С фазным ротором. Обмотки выполнены из провода и подключаются к дополнительным сопротивлениям.

Регулировка частоты вращения

В процессе работы появляется необходимость регулировки числа оборотов электрических машин. Она осуществляется тремя способами:

  • Увеличение добавочного сопротивления в цепи ротора электродвигателей с фазным ротором. При необходимости сильно понизить обороты допускается подключение не трёх, а двух сопротивлений;
  • Подключение дополнительных сопротивлений в цепи статора. Применяется для запуска электрических машин большой мощности и для регулировки скорости маленьких электродвигателей. Например, число оборотов настольного вентилятора можно уменьшить, включив последовательно с ним лампу накаливания или конденсатор. Такой же результат даёт уменьшение питающего напряжения;
  • Изменение частоты сети. Подходит для синхронных и асинхронных двигателей.

Внимание! Скорость вращения коллекторных электродвигателей, работающих от сети переменного тока, не зависит от частоты сети.

Двигатели постоянного тока

Кроме машин переменного напряжения есть электродвигатели, подключающиеся к сети постоянного тока. Число оборотов таких устройств рассчитывается по совершенно другим формулам.

Номинальная скорость вращения

Число оборотов аппарата постоянного тока рассчитывается по формуле на рисунке ниже, где:

  • n – число оборотов в минуту,
  • U – напряжение сети,
  • Rя и Iя – сопротивление и ток якоря,
  • Ce – константа двигателя (зависит от типа электромашины),
  • Ф – магнитное поле статора.

Эти данные соответствуют номинальным значениям параметров электромашины, напряжению на обмотке возбуждения и якоре или вращательному моменту на валу двигателя. Их изменение позволяет регулировать частоту вращения. Определить магнитный поток в реальном двигателе очень сложно, поэтому для расчетов пользуются силой тока, протекающего через обмотку возбуждения или напряжения на якоре.

Формула расчёта числа оборотов двигателя постоянного тока

Число оборотов коллекторных электродвигателей переменного тока можно найти по той же формуле.

Регулировка скорости

Регулировка скорости электродвигателя, работающего от сети постоянного тока, возможна в широких пределах. Она возможна в двух диапазонах:

  1. Вверх от номинальной. Для этого уменьшается магнитный поток при помощи добавочных сопротивлений или регулятора напряжения;
  2. Вниз от номинальной. Для этого необходимо уменьшить напряжение на якоре электромотора или включить последовательно с ним сопротивление. Кроме снижения числа оборотов это делается при запуске электродвигателя.

Знание того, по каким формулам вычисляется скорость вращения электродвигателя, необходимо при проектировании и наладке оборудования.

Видео

Оцените статью:

Принцип работы асинхронного двигателя | Заметки электрика

Здравствуйте, уважаемые посетители сайта http://zametkielectrika.ru.

Электрические машины переменного тока нашли широкое распространение, как в сфере промышленности (шаровые мельницы, дробилки, вентиляторы, компрессоры), так и в домашних условиях (сверлильный и наждачный станки, циркулярная пила).

Основная их часть является бесколлекторными машинами, которые в свою очередь разделяются на асинхронные и синхронные.

Асинхронные и синхронные электрические машины обладают одним замечательным свойством под названием обратимость, т.е. они могут работать как в двигательном режиме, так и в генераторном.

Но чтобы дальше перейти к более подробному их рассмотрению и изучению, необходимо знать принцип их работы. Поэтому в сегодняшней статье я расскажу Вам про принцип работы асинхронного двигателя. После прочтения данного материала Вы узнаете про электромагнитные процессы, протекающие в электродвигателях.

Итак, поехали.

Принцип работы трехфазного асинхронного двигателя

С устройством асинхронного двигателя мы уже знакомились, поэтому повторяться второй раз не будем. Кому интересно, то переходите по ссылочке и читайте.

При подключении асинхронного двигателя в сеть необходимо его обмотки соединить звездой или треугольником. Если вдруг на выводах в клеммнике отсутствует маркировка, то необходимо самостоятельно определить начала и концы обмоток электродвигателя.

При включении обмоток статора асинхронного двигателя в сеть трехфазного переменного напряжения образуется вращающееся магнитное поле статора, которое имеет частоту вращения n1. Частота его вращения определяется по следующей формуле:

  • f — частота питающей сети, Гц
  • р — число пар полюсов

Это вращающееся магнитное поле статора пронизывает, как обмотку статора, так и обмотку ротора, и индуцирует (наводит) в них ЭДС (Е1 и Е2). В обмотке статора наводится ЭДС самоиндукции (Е1), которая направлена навстречу приложенному напряжению сети и ограничивает величину тока в обмотке статора.

Как Вы уже знаете, обмотка ротора замкнута накоротко, у электродвигателей с короткозамкнутым ротором, или через сопротивление, у электродвигателей с фазным ротором, поэтому под действием ЭДС ротора (Е2) в ней появляется ток. Так вот взаимодействие индуцируемого тока в обмотке ротора с вращающимся магнитным полем статора создает электромагнитную силу Fэм.

Направление электромагнитной силы Fэм можно легко найти по правилу левой руки.

Правило левой руки для определения направления электромагнитной силы

На рисунке ниже показан принцип работы асинхронного двигателя. Полюса вращающегося магнитного поля статора в определенный период обозначены N1 и S1. Эти полюса в нашем случае вращаются против часовой стрелки. И в другой момент времени они будут находится в другом пространственном положении. Т.е. мы как бы зафиксировали (остановили) время и видим следующую картину.

Токи в обмотках статора и ротора изображены в виде крестиков и точек. Поясню. Если стоит крестик, то значит ток в этой обмотке направлен от нас. И наоборот, если точка, то ток в этой обмотке направлен к нам. Пунктирными линиями показаны силовые магнитные линии вращающегося магнитного поля статора.

Устанавливаем ладонь руки так, чтобы силовые магнитные линии входили в нашу ладонь. Вытянутые 4 пальца нужно направить вдоль направления тока в обмотке. Отведенный большой палец покажет нам направление электромагнитной силы Fэм для конкретного проводника с током.

На рисунке показаны только две силы Fэм, которые создаются от проводников ротора с током, направленным от нас (крестик) и к нам (точка). И как мы видим, электромагнитные силы Fэм пытаются повернуть ротор в сторону вращения вращающегося магнитного поля статора.

Поясняющий рисунок для определения электромагнитной силы Fэм для проводника с током, который направлен от нас (крестик).

Поясняющий рисунок для определения электромагнитной силы Fэм для проводника с током, который направлен к нам (точка).

Совокупность этих электромагнитных сил от каждого проводника с током создает общий электромагнитный момент М, который приводит во вращение вал электродвигателя с частотой n.

Эта частота называется, асинхронной.

Отсюда и произошло название асинхронный двигатель. Частота вращения ротора n всегда меньше частоты вращающегося магнитного поля статора n1, т.е. отстает от нее. Для определения величины отставания введен термин «скольжение», который определяется по следующей формуле:

Выразим из этой формулы частоту вращения ротора:

Пример расчета частоты вращения двигателя

Например, у меня есть двигатель типа АИР71А4У2 мощностью 0,55 (кВт):

  • число пар полюсов у него равно 4 (2р=4, р=2)
  • частота вращения ротора составляет 1360 (об/мин)

Вот его бирка.

Определим частоту вращения поля статора этого двигателя при частоте питающей сети 50 (Гц):

Найдем величину скольжения для этого двигателя:

Кстати, направление движения вращающегося магнитного поля статора, а следовательно, и направление вращения вала электродвигателя, можно изменить. Для этого необходимо поменять местами любые два вывода источника питающего трехфазного напряжения. Об этом я упоминал Вам в статьях про реверс электродвигателя и чередование фаз.

Принцип работы асинхронного двигателя. Выводы

Зная принцип работы асинхронного двигателя, можно сделать вывод, что электрическая энергия преобразуется в механическую энергию вращения вала электродвигателя.

Частота вращения магнитного поля статора, а следовательно и ротора, напрямую зависит от числа пар полюсов и частоты питающей сети. Если число пар полюсов ограничивается типом двигателя (р = 1, 2, 3 и 4), то частоту питающей сети можно изменить в большем диапазоне, например, с помощью частотного преобразователя.

Если в нашем примере частоту питающей сети увеличить всего на 10 (Гц), то частота вращения магнитного поля статора увеличится на 300 (об/мин).

Опыт по установке и монтажу частотных преобразователей у меня есть, но не большой. Несколько лет назад на городском водоканале мы проводили замену двух высоковольтных двигателей насосов холодной воды на низковольтные двигатели с частотными преобразователями. Но это уже отдельная тема для разговора. Сейчас покажу Вам несколько фотографий.

Вот фотография старого высоковольтного двигателя напряжением 6 (кВ).

А это новые двигатели напряжением 400 (В), установленные вместо старых высоковольтных.

Вот шкафы частотных преобразователей. На каждый двигатель свой шкаф. К сожалению, изнутри сфотографировать не успел.

Подписывайтесь на рассылку новостей с моего сайта, чтобы не пропустить самое интересное. В ближайшее время я расскажу Вам про пуск и способы регулирования частоты вращения трехфазных асинхронных двигателей двигателей, схемы их подключения и многое другое.

P.S. На этом статью про принцип работы асинхронного двигателя я завершаю. Спасибо за внимание.

Если статья была Вам полезна, то поделитесь ей со своими друзьями:


Расчеты преобразователя частоты для асинхронных двигателей

Зачастую приходится понижать скорость вращения двигателя, выполняющего определенные задачи в механизме. Уменьшение числа оборотов элеткродвигателя можно добиться с помощью самодельных приборов, управляющих схем стандартного изготовления.

Электродвигатели переменного тока часто используются в деятельности человека, на металлообрабатывающих станках, транспорта, крановых механизмов и другого оборудования. Двигатели превращают энергию переменного тока питания во вращение вала и агрегатов. Используются в основном асинхронные двигатели переменного тока.

Ротор, а также и статор двигателя состоят из катушек провода, уложенного в сердечник, изготовленный из специальной стали. Классификация электродвигателей следует от способа закладки обмотки.

Обмотка из латунных и медных стержней вставляется в сердечник, по краям устанавливаются кольца. Такая катушка провода называется короткозамкнутым (КР) ротором. Электродвигатели небольшой мощности имеют стержни, а также диски, которые были отлиты вместе. Для электродвигателей с мощным моментом детали отливаются отдельно, затем свариваются. Обмотка статора может быть подключена двумя методами: треугольником, звездой.

Фазный ротор состоит из 3-фазной роторной обмотки, подключенной контактными кольцами и щетками к питанию. Обмотка соединена «звездой».

Расчет количества оборотов асинхронного двигателя

Распространенным двигателем на станках и подъемных устройствах является двигатель с короткозамкнутым ротором, поэтому пример для расчета следует брать для него. Сетевое напряжение поступает на статорную обмотку. Обмотки смещены друг от друга на 120 градусов. Возникшее поле электромагнитной индукции возбуждает электрический ток в обмотке. Ротор начинает работать под действием ЭМС.

Основной характеристикой работы двигателя является число оборотов в минуту. Рассчитываем это значение:

n = 60 f / p, обор / мин;

где f – частота сети, герц, р – количество полюсов статора (в парах).

На корпусе электродвигателя имеется табличка с техническими данными. Если ее нет, то можно самому рассчитать число оборотов вала оборудования по другим имеющимся данным. Расчет производится тремя способами.

  1. Расчет числа катушек, которое сравнивается с нормами для разного напряжения, следует по таблице:

  1. Расчет скорости работы по шагу диаметра обмотки по формуле:

2 p = Z1 / y, где 2р – количество полюсов, Z1 – число пазов в статоре, у – шаг обмотки.

Выбираем из таблицы подходящие обороты двигателя:

  1. Высчитываем количество полюсов по параметрам сердечника по формуле:

2p = 0,35 Z1 b / h или 2 p = 0,5 Di / h,

где 2р – количество полюсов, Z1 – число пазов, b – размер зуба, см, h – высота спинки, см, Di – диаметр по зубцам, см.

По результатам расчета и индукции следует число витков обмотки, сравнивается со значениями мотора по паспорту.

Как изменить скорость работы двигателя?

Изменять скорость вращающего момента механизма оборудования можно различными способами, например, механическими редукторами с переключением передач, муфтами и другими устройствами. Но это не всегда возможно. Практически используется 7 способов коррекции частоты вращения регулируемых приводов. Все способы разделены на два основных направления.

  1. Коррекция магнитного поля путем воздействия на частоту тока, уменьшение или увеличение числа пар полюсов, коррекция напряжения. Направление характерно моторам с короткозамкнутым (КР) ротором.
  2. Скольжение корректируется напряжением питания, добавлением еще одного резистора в цепь схемы ротора, установкой двойного питания, использованием каскада вентилей. Такое направление используется для роторов с фазами.

Регулировка частоты и напряжения с помощью частотного преобразователя, путем создания дополнительной катушки с переключением полюсов пар, являются самыми востребованными способами.

Распространенные схемы регуляторов

Существует множество частотных преобразователей для асинхронных двигателей, а также различных регуляторов для них. Самостоятельно возможно изготовить прибор для регулировки частоты, применяя транзисторы или тиристоры. Прибор работает как в быту, так и для станочного оборудования, крановых механизмов, различных регулируемых приводов агрегатов.

Мощный регулятор частоты и напряжения показан на схеме. Прибор плавно изменяет параметры привода, экономит энергию, снижает расходы на обслуживание.

Для применения этой схемы в быту, она сложная. Если использовать симистор рабочим элементом, то схема упрощается, и выглядит иначе.

Регулировка будет происходить работой потенциометра, определяюцим фазу импульса входа, и открывающего симистор.

Эффект эксплуатации станков, обрабатывающих металл, подъемных устройств также следует из вращения двигателя, как и сами его эксплуатационные параметры. В продаже имеется множество приборов для регулировки частоты, однако можно вполне собрать такой прибор собственными силами.

Как выбрать частотный преобразователь?

Если проанализировать цены и функции преобразователей частоты, то можно понять, что по цене определяется количество встроенных функции частотного преобразователя. Дорогие модели обладают большой функциональностью. Но для выбора прибора лучше руководствоваться требуемыми условиями применения.

  • Частотники бывают с двумя видами управления: скалярное, векторное. При скалярном управлении прибор действует при определенных значениях выходной разности потенциалов и частотой, работают в примитивных домашних приборах, например, вентиляторах. При векторном управлении сила тока устанавливается достаточно точно.
  • При выборе прибора параметры мощности играют определяющую роль. Величина мощности расширяет сферу использования, упрощает обслуживание.
  • При выборе устройства учитывается интервал рабочего напряжения сети, что снижает опасность выхода его из строя из-за резких перепадов разности потенциалов. При чрезмерном повышении напряжения конденсаторы сети могут взорваться.
  • Частота – немаловажный фактор. Его величина определяется требованиями производства. Наименьшее значение говорит о возможности использования скорости в оптимальном режиме работы. Для получения большего интервала частоты применяют частотники с векторным управлением. В реальности часто используются инверторы с интервалом частот от 10 до 10 Гц.
  • Частотный преобразователь, имеющий много разных выходов и входов удобен в пользовании, но стоимость его выше, настройка сложнее. Разъемы частотников бывают трех типов: аналоговые, дискретные, цифровые. Связь обратного вида вводных команд производится через аналоговые разъемы. Цифровые клеммы производят ввод сигналов от датчиков цифрового типа.
  • Выбирая модель частотного преобразователя, нужно дать оценку управляющей шине. Ее характеристика подбирается под схему инвертора, что обуславливает число колодок. Наилучшим выбором работает частотник с запасом количества разъемов для дальнейшей модернизации прибора.
  • Частотники, выдерживающие большие перегрузки (на 15% выше мощности мотора), при выборе имеют предпочтения. Чтобы не ошибиться при покупке преобразователя частоты, ознакомьтесь с инструкцией. В ней имеются главные параметры эксплуатации оборудования. Если нужен прибор для максимальных нагрузок, то необходимо выбирать частотник, сохраняющий ток на пике работы выше, чем на 10% от номинала.

Как подключить частотный преобразователь

Если кабель для подключения на 220 В с 1-й фазой, применяется схема «треугольника». Нельзя подключать частотник, если выходной ток выше 50% от номинального значения.

Если кабель питания на три фазы 380 В, то делается схема «звезды». Чтобы проще было подключать питание, предусмотрены контакты и клеммы с буквенными обозначениями.

  • Контакты R, S, T предназначены для подключения сети питания по фазам.
  • Клеммы U , V , W служат соединением электродвигателя. Для реверса достаточно изменить подключение двух проводов между собой.

В приборе должна быть колодка с клеммой подключения к земле. Подробней, как подключить, здесь.

Как обслуживать частотные преобразователи?

Для долгосрочной эксплуатации инвертора требуется контроль за его состоянием и выполнение предписаний по обслуживанию:

  1. Очищать от пыли внутренние элементы. Можно использовать компрессор для удаления пыли сжатым воздухом. Пылесос для этих целей не подходит.
  2. Периодически контролировать состояние узлов, производить замену. Срок службы электролитических конденсаторов составляет пять лет, предохранительных вставок – десять лет. Охлаждающие вентиляторы работают до замены 3 года. Шлейфы проводов используются шесть лет.
  3. Контроль напряжения шины постоянного тока и температура механизмов является необходимым мероприятием. При повышенной температуре термопроводящая паста засыхает и выводит из строя конденсаторы. Каждые 3 года на силовые клеммы наносят слой токопроводящей пасты.
  4. Условия и режим работы необходимо соблюдать в строгом соответствии. Температура окружающей среды не должна превышать 40 градусов. Пыль и влажность отрицательно влияют на состояние рабочих элементов прибора.

Окупаемость преобразователя частоты

Электроэнергия постоянно дорожает, руководители организаций вынуждены экономить разными путями. В условиях промышленного производства большая часть энергии расходуется механизмами, имеющими электродвигатели.

Изготовители устройств для электротехнических машин и агрегатов предлагают специальные устройства и приборы для управления электромоторами. Такие устройства экономят энергию электрического тока. Они называются инверторами или частотными преобразователями.

Финансовые затраты на покупку частотника не всегда оправдывают экономию средств, так как стоимость их сопоставима со стоимостью сэкономленной энергии. Не всегда привод механизма можно быстро оснастить инвертором. Какие сложности при этом возникают? Разберем способы запуска асинхронных двигателей для пониманию достоинств инверторов.

Методы запуска двигателей

Можно определить 4 метода пуска двигателей.

  1. Прямое включение, для моторов до 10 кВт. Способ неэффективен для ускорения, увеличения момента, перегрузок. Токи выше номинала в 7 раз.
  2. Включение с возможностью выбора схем «треугольника» и «звезды».
  3. Интегрирование устройства плавного пуска.
  4. Применение инвертора. Способ особенно эффективен для защиты мотора, ускорения, момента, экономии энергии.

Экономическое обоснование эффекта от инвертора

Время окупаемости инвертора рассчитывается отношением затрат на покупку к экономии энергии. Экономия обычно равна от 20 до 40% от номинальной мощности мотора.

Затраты снижают факторы, повышающие производительность частотных преобразователей:

  1. Уменьшение затрат на обслуживание.
  2. Повышение ресурса двигателя.

Экономия рассчитывается:

где Э – экономия денег в рублях;

Рпч – мощность инвертора;

Ч – часов эксплуатации в день;

Д – число дней;

К – коэффициент ожидаемого процента экономии;

Т – тариф энергии в рублях.

Время окупаемости равно отношению затрат на покупку инвертора к экономии денег. Расчеты показывают, что период окупаемости получается от 3 месяцев до 3 лет. Это зависит от мощности мотора.

Модуль №4. Частотное регулирование скорости асинхронного двигателя


Watch this video on YouTube

Расчетные формулы основных параметров асинхронных двигателей

В таблице 1 представлены расчетные формулы для определения основных параметров асинхронных двигателей.

В данной таблице собраны все формулы, которые касаются расчета параметров асинхронных двигателей.

Используя формулы из данной таблицы, вам больше не придется искать нужную формулу в различных справочниках.

Таблица 1 — Расчетные формулы для определения основных параметров асинхронных двигателей

Наименование величин Формулы Принятые обозначения
Потребляемая активная мощность из сети, кВт

Потребляемая  активная мощность из сети

U1, I1 – линейные значения напряжения, В и тока двигателя, А;
cosϕ – коэффициент мощности;
Потребляемая реактивная мощность, квар

Потребляемая реактивная мощность, квар

Полезная мощность на валу, кВт

Полезная мощность на валу, кВт

Ƞ — КПД двигателя;
Потребляемый двигателем ток, А

Потребляемый двигателем ток, А

Вращающий момент двигателя, кГм

Вращающий момент двигателя, кГм

nном. – номинальная скорость вращения ротора, об/мин;
Синхронная скорость вращения магнитного поля, об/мин

Синхронная скорость вращения магнитного поля, об/мин

f1 – частота питающего тока, Гц;
р – число пар полюсов машины;
Скольжение двигателя

Скольжение двигателя

Скорость вращения ротора при нагрузке, об/мин

Скорость вращения ротора при нагрузке, об/мин

ЭДС обмоток статора и ротора, В

ЭДС обмоток статора и ротора, В

kоб.1, kоб.2 – обмоточные коэффициенты статора и ротора, равные произведению коэффициентов укорочения kу шага и распределения обмотки kw;
kоб. = kу* kw;
Коэффициенты трансформации по напряжению и по току

Коэффициенты трансформации по напряжению и по току

w1, w2 – числа витков обмоток статора и ротора;
m1, m2 – числа фаз в обмотках статора и ротора. У двигателей с фазным ротором.
m2 = 3 у двигателей с короткозамкнутым ротором;
m2 = z2, т.е. числу пазов в роторе.
Параметры схемы замещения

Параметры схемы замещения

zк, rк, хк – полное, активное и индуктивное сопротивления при КЗ двигателя, Ом;
Iп – пусковой ток двигателя, А;
∆Рк – суммарные потери в меди статора и ротора двигателя, Вт;
r1, x1 – активное и индуктивное сопротивления обмотки статора, Ом;
r2’, x2’ – активные и индуктивные сопротивления ротора, приведенные к обмотке статора, Ом;
Ток холостого хода, А

Ток холостого хода

Iном. – номинальный ток двигателя, А
Критическое скольжение

Критическое скольжение

sinϕ – коэффициент реактивной мощности;
kм – коэффициент перегрузочной способности;
Уравнение вращающего момента

Уравнение вращающего момента

Sном. – скольжение при номинальной нагрузке
Скольжение двигателя s2 при введении добавочного сопротивления в ротор

Скольжение двигателя s2 при введении добавочного сопротивления в ротор

КПД двигателя при введении добавочного сопротивления в ротор

КПД двигателя при введении добавочного сопротивления в ротор

Критический максимальный момент, развиваемый в двигательном (+) и генераторном (-) режимах, кГм

Критический максимальный момент, развиваемый в двигательном (+) и генераторном (-) режимах, кГм

U1ф – фазное напряжение, В
Уравнение вращающего момента при добавочном сопротивлении в цепи ротора

Уравнение вращающего момента при добавочном сопротивлении в цепи ротора

Критическое скольжение

Литература:

1. Справочная книга электрика. В.И. Григорьева, 2004 г.

активное сопротивление двигателя, полное сопротивление двигателя, реактивное сопротивление двигателя, ток двигателя

Поделиться в социальных сетях

Благодарность:

Если вы нашли ответ на свой вопрос и у вас есть желание отблагодарить автора статьи за его труд, можете воспользоваться платформой для перевода средств «WebMoney Funding».

Данный проект поддерживается и развивается исключительно на средства от добровольных пожертвований.

Проявив лояльность к сайту, Вы можете перечислить любую сумму денег, тем самым вы поможете улучшить данный сайт, повысить регулярность появления новых интересных статей и оплатить регулярные расходы, такие как: оплата хостинга, доменного имени, SSL-сертификата, зарплата нашим авторам.

Как зависят обороты двигателя от частоты тока. Частота вращения ротора

Из выражения видно, что частоту вращения ротора можно регулировать изменением любой из трех величин, определяющих частоту вращения ротора: изменением частоты тока сети числа пар полюсов, и скольжения .

Регулирование частоты асинхронных двигателей изменением частоты тока сети сложно, так как для этого необходим какой-либо регулируемый преобразователь частоты или генератор. Этот способ не имел широкого использования, но сейчас — достаточно широко.

Изменение числа полюсов машины возможно либо выполнением на статоре нескольких (обычно двух) обмоток с различным числом полюсов, либо выполнением одной обмотки, допускающей переключение на различное число полюсов.

На статоре может быть помещено две обмотки, каждая из которых допускает переключение на различное число полюсов. Фаза обмотки статора состоит из двух последовательно соединенных катушек и . При соединении проводника с проводником , ток при включении обмотки в сеть в какой-либо момент протекает так, как показано на рисунке 33.1, а.

На статоре получается четыре полюса (). При переключении второй катушки (рисунок 33.1,б) изменяется направление тока в этой катушке и

а) б)

Рисунок 33.1 Схема переключения на различное число полюсов одной фазы обмотки статора

число полюсов окажется равным двум (). При изменении числа полюсов статора меняются частоты вращения поля статора и ротора. Заводы выпускают двух-, трех- и четырехскоростные асинхронные двигатели.

Такой способ регулирования частоты вращения является экономичным, но имеет тот недостаток, что регулирование частоты получается ступенчатым и регулирование частоты изменением числа полюсов возможно только для двигателей с короткозамкнутым ротором.

В двигателях с фазным ротором число полюсов статора всегда должно быть равно числу полюсов ротора, и при изменении числа полюсов на статоре надо было бы в той же мере изменить число полюсов на роторе, что очень сложно в конструктивном отношении. Более сложное выполнение обмотки статора значительно повышает стоимость и габариты многоскоростных двигателей.

Включение в цепь ротора регулировочного реостата и изменение напряжения сети изменяют скольжение и момент, развиваемый двигателем, который пропорционален квадрату напряжения. Изменение вращающего момента вызовет изменение частоты.

Предположим, что при напряжении сети рабочий процесс двигателя соответствовал точке (рисунок 33.2, а), в которой развиваемый двигателем момент равен тормозному моменту на валу.

а) б)

Рисунок 33.2 – Регулирование частоты вращения измерением скольжения:

а — при изменении напряжения сети;

б – при изменении сопротивления в цепи ротора

Если уменьшить напряжение сети до величины , то кривая момента пройдет ниже, равновесие моментов нарушится и частота уменьшится, то есть новый установившийся режим будет в точке при большем значении скольжения. Этот способ регулирования экономичен но не эффективен, так как дает возможность менять частоту лишь в малых пределах до 10 — 15%. При значительном снижении напряжения врашаюший момент резко уменьшается и двигатель не может устойчиво работать.

Регулировочный реостат включают в цепь обмотки фазного ротора подобно пусковому реостату, но в отличие от пускового его рассчитывают на длительное прохождение тока.

Положим, что без регулировочного реостата двигатель работает при частоте, ссоответствующей точке (рисунок 33.2, б). При включении регулировочного реостата ток в роторе уменьшится и уменьшит вращающий момент двигателя и частоту вращения или увеличит скольжение.

При увеличении скольжения повышаются э.д.с. и ток в роторе. Изменение частоты вращения или скольжения будет происходить до восстановления равновесия моментов, то есть пока ток в роторе не примет своего начального значения. При увеличении активного сопротивления в роторе максимальный момент, не изменяясь по величине, сместится в

область больших скольжений и равновесие моментов, то есть новый установившийся режим работы машины, будет в точке , соответствующей меньшей частоте вращения. Этот способ регулирования частоты вращения может быть использован только в двигателях с фазным ротором и несмотря на то, что он неэкономичен (в регулировочном реостате происходит значительная потеря энергии), имеет широкое применение.

При рассмотрении вопроса о получении переменного тока указывают, что за один оборот ротора индуктированная в проводниках обмотки генератора э. д. с. имела один период. Если ротор генератора делает, например, 5 об/сек, то э. д. с. будет иметь 5 пер/сек или частота тока генератора будет равна 5 гц. Следовательно, число оборотов в секунду ротора генератора численно равно частоте тока.

Частота тока f выражается следующим соотношением:

где n — число оборотов ротора в минуту.

Для получения от генератора стандартной частоты тока — 50 гц ротор должен делать 3000 об/мин, т. е.

Однако наши рассуждения были справедливы только для двухполюсного генератора, т. е. для машины с одной парой полюсов р.


Если машина четырехлолюсная, т. е. число пар полюсов равно двум: р=2 (фиг. 137), то один полный период изменения тока будет иметь место за пол-оборота ротора (1-5 положения проводника на чертеже). За второй полуоборот ротора ток будет иметь еще один период. Следовательно, за один оборот ротора четырехполюсной машины ток в проводнике имеет два периода. В шестиполюсной машине (р = 3) ток в проводнике за один оборот ротора будет иметь три периода.

Таким образом, для машин, имеющих р пар полюсов, частота тока при об/сек будет в р раз больше, чем для двухполюсной машины, т. е.

Отсюда формула для определения скорости вращения ротора будет иметь следующий вид:

Пример 4. Определить скорость вращения ротора двадцатиполюсного генератора (р=10), если частотомер показал частоту тока f=25 гц. Подставляя в формулу для определения числа оборотов ротора п значения р и f, получим:

Пример 5. Ротор генератора, приводимого в движение водяной турбиной, делает 75 об/мин. Определить число полюсов генератора, если частота его тока 50 гц:

Следовательно, генератор имеет 80 полюсов.

Разница между частотой вращения магнитного поля и ротора в асинхронных генераторах определяется коэффициентом s , называемым скольжением, который выражается соотношением:

s = (n — n r)/n .

Здесь:
n — частота вращения магнитного поля.
n r — частота вращения ротора.

Связь между угловой частотой вращения магнитного поля

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о