Как изменить нагрузку на валу асинхронного двигателя

О частотном регулировании асинхронного привода.

О частотном регулировании асинхронного привода.

Сообщение #1 T-Duke » 10 фев 2021, 16:37

Чтобы понять поведение двигателя при изменении частоты протекающего через него тока, для начала проведем эксперимент. Вытащим из двигателя ротор, оставим только статор и будем подавать в двигатель переменный ток различной частоты. Зачем убираем ротор? Когда поговорим об асинхроннике как о трансформаторе станет понятно. Убрав же ротор из асинхронника, мы превращием его в банальный дроссель.

Об асинхронном двигателе, как о вращающемся трансформаторе.

Об управлении асинхронным приводом.

Если мы подаем на ненагруженный транс номинальную частоту 50Гц, то через первичку течет номинальный ток ХХ. Если уменьшаем частоту до 25Гц, то через транс начинает течь ток ХХ в два раза выше. То есть на ровном месте ток становится выше в два раза. Нагрев обмотки от холостого тока растет уже в четыре раза, по закону Джоуля-Ленца. То есть мы ничего не меняли кроме частоты. Нагрузку не подключали, а ток уже вырос. Если еще уменьшим частоту, например до 12.5Гц, то ток ХХ вырастет в 4 раза по сравнению с номинальным при 50Гц. Нагрев обмотки током ХХ вырастет уже в 16 раз. То есть видим, что тут что-то нужно делать.

А как же на счет крутящего момента ротора? А ему наплевать на напряжение, которым питают статор двигателя. Ротору нужно скольжение и номинальная индукция поля. Если нужное скольжение обеспечено, и хватает тока через обмотки для создания номинальной индукции поля, то обеспечен и номинальный крутящий момент. То есть, если мы питаем асинхронник током частоты 25Гц и напряжением 110В, то это никак не сказывается на крутящем моменте, если скольжение не изменилось.

Этот факт и говорит о том, что векторный частотник может давать хороший момент на низах, вплоть до нескольких Гц, так как он выдерживает заданное скольжение. Ограничением крутящего момента на низах, служит сопростивление провода обмоток статора, а если точнее то потери на обмотках при попытке достичь той же индукции поля, при пониженном напряжении питания. Когда частота вращения поля низкая, то на двигатель подается напряжение сильно ниже номинального и больше сказывается влияние оммического сопротивления обмоток. Это равноценно тому, что сам закон V/f=const начинает меняться. Вместо константы в правой части уравнения появляется переменная величина, которая может быть к тому же нелинейной. Хороший векторный частотник знает как управляться с этой перменной, поэтому возможен высокий крутящий момент, даже на частоте порядка 1Гц. Хотя все это ценой повышенных потерь, то есть пониженного КПД двигателя. Тут ничего не поделать это недостатки асинхронного привода.

Вот блин, затронул только самое главное в общих чертах, даже не трогал двигатели с переключением полюсов, а сколько текста уже. Если же вдаваться в детали, то можно целую книгу написать. Так что всяких педантов, прошу понять, что всех деталей нельзя упомянуть в одном посте и выясняя их можно на сотни страниц разойтись.

Если публике будет интересно, то мое темнейшество может осветить вопрос торможения асинхронника, когда он переходит в режим генератора.

Источник

Пусковой процесс поэтапно

Для лучшего понимания процесса, пуск асинхронного двигателя с фазным ротором можно разделить на несколько ключевых этапов:

• работа асинхронного мотора начинается с постепенного и равномерного раскручивания вала, при котором происходит уравновешивание момента сил сопротивления;
• во время преодоления приложенного к ротору тормозного момента, компенсации потерь и передачи подвижным элементам конструкции кинетической энергии потребление ресурсов источника питания сильно возрастает;
• на данном этапе начальная величина пускового момента и характеристики скольжения напрямую связаны с активным сопротивлением, создаваемым резисторами методом последовательного включения их в роторную цепь;
• сопротивление пусковых резисторов снижает токовые показатели электроустановки, но пропорционально увеличивает до максимального значения пусковой момент;
• для уменьшения пускового момента на старте в обязательном порядке применяется методика увеличения резистивного сопротивления, что также способствует ограничению области скольжения и снижению риска достижения ею недопустимых величин, плохо влияющих на разгон электромотора;
• далее для поддержки полученного при разгоне ротора крутящего момента, сокращения времени старта и защиты агрегата от перегрева необходимо постепенно понижать сопротивление пусковых резисторов;
• разные по своим характеристикам резисторы переключаются с помощью контакторов ускорения, последовательно включенных в схему;
• чтобы обмотка фазного ротора не получила избыточное напряжение, отключать электроустановку от питающей сети можно только при замыкании накоротко роторной электроцепи.

Если при выключении рассматриваемого силового агрегата роторную цепь не замкнуть, то может возникнуть трехкратное, а то и четырехкратное напряжение по сравнению с номиналом.

Частотное регулирование скорости вращения асинхронных электродвигателей

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Механические характеристики асинхронных двигателей. Двигательный режим

Асинхронные двигатели (АД) – самый распространенный вид двигателей, т.к. они более просты и надежны в эксплуатации, при равной мощности имеют меньшую массу, габариты и стоимость в сравнении с ДПТ. Схемы включения АД приведены на рис. 2.14.

До недавнего времени АД с короткозамкнутым ротором применялись в нерегулируемых электроприводах. Однако с появлением тиристорных преобразователей частоты (ТПЧ) напряжения, питающего статорные обмотки АД, двигатели с короткозамкнутым ротором начали использоваться в регулируемых электроприводах. В настоящее время в преобразователях частоты применяются силовые транзисторы и программируемые контроллеры. Способ регулирования скорости получил название импульсного и его совершенствование является важнейшим направлением в развитии электропривода.

Рис. 2.14. а) схема включения АД с короткозамкнутым ротором;

б) схема включения АД с фазным ротором.

Уравнение для механической характеристики АД может быть получено на основании схемы замещения АД. Если в этой схеме пренебречь активным сопротивлением статора, то выражение для механической характеристики будет иметь вид:

,

где ; .

Здесь Мк –

критический момент;
Sк
— соответствующее ему критическое скольжение;
Uф
– действующее значение фазного напряжения сети;
ω0=2πf/p
– угловая скорость вращающегося магнитного поля АД (синхронная скорость);
f
– частота питающего напряжения;
p
– число пар полюсов АД;
хк
– индуктивное фазное сопротивление короткого замыкания (определяется из схемы замещения);
S=(ω0-ω)/ω0
– скольжение (скорость ротора относительно скорости вращающегося поля);
R21
– суммарное активное сопротивление фазы ротора.

Механическая характеристика АД с короткозамкнутым ротором приведена на рис. 2.15.

Рис. 2.15. Механическая характеристика АД с короткозамкнутым ротором.

На ней можно выделить три характерные точки. Координаты первой точки (S=0; ω=ω0; М=0

). Она соответствует режиму идеального холостого хода, когда скорость ротора равна скорости вращающегося магнитного поля. Координаты второй точки (
S=Sк; М=Мк
). Двигатель работает с максимальным моментом. При
Мс>Мк
ротор двигателя будет принудительно остановлен, что для двигателя является режимом короткого замыкания. Поэтому вращающий момент двигателя в этой точке и называется критическим
Мк
. Координаты третьей точки (
S=1; ω=0; М=Мп
). В этой точке двигатель работает в режиме пуска: скорость ротора ω=0 и на неподвижный ротор действует пусковой момент
Мп
. Участок механической характеристики, расположенный между первой и второй характерными точками, называется рабочим участком. На нем двигатель работает в установившемся режиме. У АД с короткозамкнутым ротором при выполнении условий
U=Uн
и
f=fн
механическая характеристика называется естественной. В этом случае на рабочем участке характеристики расположена точка, соответствующая номинальному режиму работы двигателя и имеющая координаты (
Sн; ωн; Мн
).

Электромеханическая характеристика АД ω=f(Iф)

, которая на рис.2.15 изображена штриховой линией, в отличие от электромеханической характеристики ДПТ, совпадает с механической характеристикой только на ее рабочем участке. Это объясняется тем, во время пуска из-за изменяющейся частоты э.д.с. в обмотке ротора
Е2
изменяется частота тока и соотношение индуктивного и активного сопротивлений обмотки: в начале пуска частота тока большая и индуктивное сопротивление больше активного; с увеличением скорости вращения ротора
ω
частота тока ротора, а значит и индуктивное сопротивление его обмотки, уменьшается. Поэтому пусковой ток АД в режиме прямого пуска в 5÷7 раз превышает номинальное значение
Iфн
, а пусковой момент
Мп
равен номинальному
Мн
. В отличии от ДПТ, где при пуске необходимо ограничивать пусковой ток и пусковой момент, при пуске АД пусковой ток необходимо ограничивать, а пусковой момент увеличивать. Последнее обстоятельство наиболее важно, поскольку ДПТ с независимым возбуждением запускается при
Мс<2,5Мн
, ДПТ с последовательным возбуждением при
Мс<5Мн
, а АД при работе на естественной характеристике при
Мс<�Мн
.

У АД с короткозамкнутым ротором увеличение Мп

обеспечивается специальной конструкцией обмотки ротора. Паз для обмотки ротора делают глубоким, а саму обмотку располагают в два слоя. При пуске двигателя частота
Е2
и токи ротора большие, что приводит к появлению эффекта вытеснения тока – ток протекает только в верхнем слое обмотки. Поэтому увеличивается сопротивление обмотки и пусковой момент двигателя
МП
. Его величина может достигать
1,5Мн
.

У АД с фазным ротором увеличение МП

обеспечивается за счет изменения его механической характеристики. Если сопротивление
RП
, включенное в цепь протекания тока ротора, равно нулю – двигатель работает на естественной характеристике и
МП=МН
. При
RП>0
увеличивается суммарное активное сопротивление фазы ротора
R21
. Критическое же скольжение
Sк
по мере увеличения
R21
тоже увеличивается. Вследствие этого у АД с фазным ротором введение
RП
в цепь протекания тока ротора приводит к смещению
МК
в сторону больших скольжений. При
SК=1 МП=МК.
Механические характеристики АД с фазным ротором при
RП>0
называются искусственными или реостатными. Они приведены на рис. 2.16.

Рис. 2.16. Механические характеристики АД с фазным ротором.

Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором запустится при Мп>Мс

и будет работать в точке А (см. рис. 2.15). После этого момент сопротивления
Мс
можно увеличивать до
МК
. АД, как и двигатели постоянного тока, при увеличении
Мс
будет автоматически, без вмешательства извне, снижать скорость
ω
и увеличивать вращающий момент
М
до тех пор, пока
М
и
Мс
не сравняются по величине, т.е. из установившегося режима с большей скоростью переходить в установившийся режим с меньшей скоростью. При уменьшении
Мс
будет наблюдаться обратное – двигатель из установившегося режима с меньшей скоростью будет автоматически переходить в установившийся режим с большей скоростью. Рабочий участок механической характеристики АД аналогичен механической характеристике ДПТ с независимым возбуждением – прямая линия, наклоненная к оси абсцисс.

Такими свойствами АД обладает благодаря э.д.с. Е2

, которая наводится вращающимся магнитным полем статора в обмотке ротора. При
Мс>М
динамический момент
Мд<0
и скорость ротора
ω
уменьшается. Магнитное поле статора, вращающееся с постоянной скоростью
ω0
(синхронной скоростью) будет пересекать обмотку ротора с большой частотой. Поэтому будет увеличиваться
Е2
, ток в обмотке ротора, сила Ампера, действующая на ее витки, а значит и вращающий момент
М
.

Перегрузочная способность АД по моменту определяется отношением критического момента МК

к моменту номинальному
МН
. Для обычных АД с короткозамкнутым ротором
МК/МН=1,7
, с фазным ротором
МК/МН=1,8
. Для специальных крановых АД с короткозамкнутым ротором типа МТК и фазным ротором типа МТКФ отношение
МК/МН=2,3÷3,4
.

Подписка на рассылку

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

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

Есть несколько способов регулирования частоты вращения электродвигателя:

Регулирование частоты вращения изменением частоты питающей сети

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

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

Регулирование частоты вращения позволяет добиться различных режимов работы электродвигателя:

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

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

Регулирование частоты вращения изменением числа полюсов

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

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

Изменение частоты вращения включением в цепь ротора с реостатом

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

Изменение направления вращения

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

Особенности пуска электромотора с фазным ротором

Во время включения установки фазный ротор асинхронного двигателя начинает медленно и равномерно вращаться. При этом сила сопротивления на ее валу уравновешивается. Чтобы преодолеть тормозной момент и компенсировать внутренние потери, мотор начинает активно потреблять энергоресурсы. Характеристики стартового пускового момента часто сильно отличаются от рекомендуемого значения, поэтому асинхронный электродвигатель с фазным ротором не может сразу переключится на режим полноценного функционирования. Данная особенность влечет за собой потерю ускорения и даже может вызвать критический перегрев внутренних частей конструкции.

Для решения этой проблемы частоту пусков электромотора ограничивают несколькими включениями. Если асинхронный двигатель с фазным ротором подключается от электросети малой мощности, то возможны потери общего напряжения и негативное воздействие на подсоединенные к той же линии электрические приборы. Включение в цепь фазного ротора асинхронного силового агрегата пусковых резисторов позволяет снизить токовые показатели, но одновременно повышает пусковой момент на старте вплоть до достижения им максимально допустимого порога.

Возможны следующие варианты запуска:

• легкий;
• нормальный;
• тяжелый.

Здесь важно правильно подобрать резисторы с оптимальными параметрами. Если запуск асинхронного мотора прошел успешно, то далее необходимо обеспечить поддержку стабильного крутящего момента на всем этапе его разгона с целью снижения нагрева и уменьшения длительности переходного периода из спокойного до рабочего состояния. Это делается за счет уменьшения сопротивления резисторов, переключение между которыми происходит через подсоединенные последовательно контакторы. В таком случае отключать агрегат от электросети можно, только если роторную цепь замкнуть накоротко. В противном случае велика вероятность возникновения значительного перенапряжения в фазных обмотках статора.

Мощность и вращающий момент электродвигателя

Данная глава посвящена вращающему моменту: что это такое, для чего он нужен и др. Мы также разберём типы нагрузок в зависимости от моделей насосов и соответствие между электродвигателем и нагрузкой насоса.

Вы когда-нибудь пробовали провернуть вал пустого насоса руками? Теперь представьте, что вы поворачиваете его, когда насос заполнен водой. Вы почувствуете, что в этом случае, чтобы создать вращающий момент, требуется гораздо большее усилие.

А теперь представьте, что вам надо крутить вал насоса несколько часов подряд. Вы бы устали быстрее, если бы насос был заполнен водой, и почувствовали бы, что потратили намного больше сил за тот же период времени, чем при выполнении тех же манипуляций с пустым насосом. Ваши наблюдения абсолютно верны: требуется большая мощность, которая является мерой работы (потраченной энергии) в единицу времени. Как правило, мощность стандартного электродвигателя выражается в кВт.

Работа и мощность

Если мы говорим о вращении, мощность выражается как вращающий момент (T), умноженный на частоту вращения (w).

Частота вращения объекта определяется измерением времени, за которое определённая точка вращающегося объекта совершит полный оборот. Обычно эта величина выражается в оборотах в минуту, т.е. мин-1 или об/мин. Например, если объект совершает 10 полных оборотов в минуту, это означает, что его частота вращения: 10 мин-1 или 10 об/мин.

Итак, частота вращения измеряется в оборотах в минуту, т.е. мин-1.

Приведем единицы измерения к общему виду.

Для наглядности возьмём разные электродвигатели, чтобы более подробно проанализировать соотношение между мощностью, вращающим моментом и частотой вращения. Несмотря на то, что вращающий момент и частота вращения электродвигателей сильно различаются, они могут иметь одинаковую мощность.

Например, предположим, что у нас 2-полюсный электродвигатель (с частотой вращения 3000 мин-1) и 4-полюсной электродвигатель (с частотой вращения 1500 мин-1). Мощность обоих электродвигателей 3,0 кВт, но их вращающие моменты отличаются.

Таким образом, вращающий момент 4-полюсного электродвигателя в два раза больше вращающего момента двухполюсного электродвигателя с той же мощностью.

Как образуется вращающий момент и частота вращения?

Теперь, после того, как мы изучили основы вращающего момента и скорости вращения, следует остановиться на том, как они создаются.

В электродвигателях переменного тока вращающий момент и частота вращения создаются в результате взаимодействия между ротором и вращающимся магнитным полем. Магнитное поле вокруг обмоток ротора будет стремиться к магнитному полю статора. В реальных рабочих условиях частота вращения ротора всегда отстаёт от магнитного поля. Таким образом, магнитное поле ротора пересекает магнитное поле статора и отстает от него и создаёт вращающий момент. Разницу в частоте вращения ротора и статора, которая измеряется в %, называют скоростью скольжения.

Скольжение является основным параметром электродвигателя, характеризующий его режим работы и нагрузку. Чем больше нагрузка, с которой должен работать электродвигатель, тем больше скольжение.

Помня о том, что было сказано выше, разберём ещё несколько формул. Вращающий момент индукционного электродвигателя зависит от силы магнитных полей ротора и статора, а также от фазового соотношения между этими полями. Это соотношение показано в следующей формуле:

Сила магнитного поля, в первую очередь, зависит от конструкции статора и материалов, из которых статор изготовлен. Однако напряжение и частота тока также играют важную роль. Отношение вращающих моментов пропорционально квадрату отношения напряжений, т.е. если подаваемое напряжение падает на 2%, вращающий момент, следовательно, уменьшается на 4%.

Важные технические характеристики

Современные асинхронные двигатели с фазным ротором должны отвечать определенным параметрам, гарантирующим их качественную и безотказную работу в тех или иных условиях. Правильно подобранная механическая характеристика асинхронного двигателя с оптимальными электрическими показателями – залог успешной и эффективной работы всей электроустановки.

Среди основных технических характеристик электромотора можно выделить:

• соответствующая техническому регламенту мощность;
• габаритные размеры и конструкция;
• степень защиты от воздействия окружающей среды во время эксплуатации в определенных условиях (например, одни модели специально предназначены для работы в помещениях, а другие могут работать на открытом воздухе или одни агрегаты выдерживают сильный холод, а другие – экстремальную жару);
• толщина и качество изоляционного покрытия (устройство асинхронного двигателя с фазным подключением ротора должно предусматривать устойчивость к повышенным внутренним температурам и сильное нагревание обмоток, для чего здесь используется специальный слой защитной изоляции);
• рабочие режимы в соответствии с установленными нормами;
• система охлаждения, обеспечивающая нормальное функционирование силового агрегата в заданном рабочем режиме;
• уровень создаваемого шума при работе на холостом ходу (желательно не выше второго класса).

Это наиболее важные параметры, на которые необходимо обращать внимание при выборе и эксплуатации электрического двигателя. Но существует и другие характеристики, к примеру, определяющие специфические режимы работы и техническое обслуживание асинхронного электромотора. Как правило, все они подробно описываются в руководстве и технической документации к силовому агрегату или электроприводу.

Потребляемая мощность электродвигателя

Ток ротора индуцируется через источник питания, к которому подсоединён электродвигатель, а магнитное поле частично создаётся напряжением. Входную мощность можно вычислить, если нам известны данные источника питания электродвигателя, т.е. напряжение, коэффициент мощности, потребляемый ток и КПД.

В Европе мощность на валу обычно измеряется в киловаттах. В США мощность на валу измеряется в лошадиных силах (л.с.).

Если вам необходимо перевести лошадиные силы в киловатты, просто умножьте соответствующую величину (в лошадиных силах) на 0,746. Например, 20 л.с. равняется (20 • 0,746) = 14,92 кВт.

И наоборот, киловатты можно перевести в лошадиные силы умножением величины в киловаттах на 1,341. Это значит, что 15 кВт равняется 20,11 л.с.

Достоинства и недостатки электромоторов с фазным ротором

Сейчас асинхронные силовые агрегаты широко применяются как в быту, так и на производстве. Такая популярность обусловлена большим количеством преимуществ, расширяющих их функционал и назначение.

Среди основных достоинств асинхронных моторов с ротором фазного типа можно выделить:

• высокие показатели стартового крутящего момента;
• стойкость к механическим перегрузкам без значительного уменьшения коэффициента полезного действия, а также без снижения эффективности и стабильности функционирования электроустановки (скорость работы даже сильно нагруженного агрегата остается в пределах допустимой нормы);
• низкая величина пускового тока;
• возможность работы в полностью автоматическом режиме;
• простая и интуитивно понятная схема пуска;
• доступная стоимость;
• отсутствие дополнительного рабочего и дорогостоящего монтажного оборудования.

Несмотря на все многочисленные плюсы, нельзя не отметить и недостатки асинхронного двигателя с такой конструкцией. Главный из них – это достаточно большие габаритные размеры агрегата, что усложняет процесс монтажа, дальнейшую эксплуатацию и ремонт асинхронного двигателя с фазным ротором. Кроме того, такие электромоторы часто уступают по продуктивности и КПД аналогичным по мощности силовым агрегатам с короткозамкнутым ротором.

https://youtu.be/aFVdVju2W-Q

Момент электродвигателя

Мощность [кВт или л.с.] связывает вращающий момент с частотой вращения, чтобы определить общий объём работы, который должен быть выполнен за определённый промежуток времени.

Рассмотрим взаимодействие между вращающим моментом, мощностью и частотой вращения, а также их связь с электрическим напряжением на примере электродвигателей Grundfos. Электродвигатели имеют одну и ту же номинальную мощность как при 50 Гц, так и при 60 Гц.

Это влечёт за собой резкое снижение вращающего момента при 60 Гц: частота 60 Гц вызывает 20%-ное увеличение числа оборотов, что приводит к 20%-ному уменьшению вращающего момента. Большинство производителей предпочитают указывать мощность электродвигателя при 60 Гц, таким образом, при снижении частоты тока в сети до 50 Гц электродвигатели будут обеспечивать меньшую мощность на валу и вращающий момент. Электродвигатели обеспечивают одинаковую мощность при 50 и 60 Гц.

Графическое представление вращающего момента электродвигателя изображено на рисунке.

Иллюстрация представляет типичную характеристику вращающий момент/частота вращения. Ниже приведены термины, используемые для характеристики вращающего момента электродвигателя переменного тока.

Пусковой момент (Мп): Механический вращающий момент, развиваемый электродвигателем на валу при пуске, т.е. когда через электродвигатель пропускается ток при полном напряжении, при этом вал застопорен.

Минимальный пусковой момент (Ммин): Этот термин используется для обозначения самой низкой точки на кривой вращающий момент/частота вращения электродвигателя, нагрузка которого увеличивается до полной скорости вращения. Для большинства электродвигателей Grundfos величина минимального пускового момента отдельно не указывается, так как самая низкая точка находится в точке заторможенного ротора. В результате для большинства электродвигателей Grundfos минимальный пусковой момент такой же, как пусковой момент.

Вращающий момент при полной нагрузке (Мп.н.): Вращающий момент, необходимый для создания номинальной мощности при полной нагрузке.

Режимы работы асинхронных машин

Направление вращения асинхронного электродвигателя при прямом порядке чередования фаз (а

—
b
—
с
) принимаем за положительное (первый квадрант), а при обратном порядке чередования фаз (
a
—
c
—
b
) — за отрицательное (третий квадрант). Во втором и четвертом квадрантах представлены характеристики тормозных режимов.

Двигательный режим

Двигательный режим характеризуется изменением частоты вращения электродвигателя от нуля (точка пуска) до W1 (точка идеального холостого хода) при соответствующем изменении момента (тока) от М

пуск (
I
пуск) до нуля.

Устойчивый режим работы обеспечивается частью механической характеристики АД лежащей в диапазоне изменения скольжения от нуля до s

kp.

Рабочие характеристики асинхронного электродвигателя строят в функции полезной мощности электродвигателя Р

2.

Рекуперативное торможение

Рекуперативное торможение (генераторный режим) с отдачей энергии в сеть имеет место тогда, когда под влиянием нагрузочного момента или другой причины угловая частота вращения ротора асинхронной машины превысит синхронную частоту W1. В генераторном режиме скольжение s

Динамическое торможение

Режим динамического торможения применяется для быстрой остановки вращающегося двигателя. Режим динамического торможения осуществляется следующим образом: фазы статора отключаются от сети переменного тока и одна фаза, если выведен нуль, или две фазы, соединенные последовательно, подключаются к источнику постоянного тока. Постоянный ток, создает неподвижное в пространстве магнитное поле, в котором вращается ротор. Создается тормозной момент и двигатель останавливается.

Торможение противовключением

Режим противовключения имеет место тогда, когда во вращающемся двигателе переключают две фазы статорной обмотки, что приводит к изменению направления вращения поля статора: ротор и поле статора вращаются в противоположных направлениях. В режиме противовключения скольжение s

>l. Двигатель потребляет из сети активную мощность, в то же время потребляется механическая мощность вращающегося ротора. Обе эти мощности преобразуются в потери, так как полезная мощность равна нулю. Ротор энергично тормозится. Если в момент, когда
s
=1, фазы обмотки статора не будут отключены от сети, то ротор будет разгоняться в противоположном исходному направлению вращения и произойдет реверс двигателя.

Соответствие электродвигателя нагрузке

Если нужно определить, отвечает ли вращающий момент определённого электродвигателя требованиям нагрузки, Вы можете сравнить характеристики скорости вращения/вращающего момента электродвигателя с характеристикой скорости вращения/ вращающего момента нагрузки. Вращающий момент, создаваемый электродвигателем, должен превышать потребный для нагрузки вращающий момент, включая периоды ускорения и полной скорости вращения.

Характеристика зависимости вращающего момента от скорости вращения стандартного электродвигателя и центробежного насоса.

Когда двигатель приближается к своему номинальному значению скорости вращения, ток снижается. Как и следовало ожидать, во время начального периода пуска потери на электродвигателе высоки, поэтому этот период не должен быть продолжительным, чтобы не допустить перегрева.

Очень важно, чтобы максимальная скорость вращения достигалась как можно точнее. Это связано с потребляемой мощностью: например, увеличение скорости вращения на 1% по сравнению со стандартным максимумом приводит к 3%-ному увеличению потребляемой мощности.

Потребляемая мощность пропорциональна диаметру рабочего колеса насоса в четвертой степени.

Уменьшение диаметра рабочего колеса насоса на 10% приводит к уменьшению потребляемой мощности на (1- (0.9 * 0.9 * 0.9 * 0.9)) * 100 = 34%, что равно 66% номинальной мощности. Эта зависимость определяется исключительно на практике, так как зависит от типа насоса, конструкции рабочего колеса и от того, насколько вы уменьшаете диаметр рабочего колеса.

Время пуска электрдвигателя

Если нам необходимо подобрать типоразмер электродвигателя для определённой нагрузки, например для центробежных насосов, основная наша задача состоит в том, чтобы обеспечить соответствующий вращающий момент и мощность в номинальной рабочей точке, потому что пусковой момент для центробежных насосов довольно низкий. Время пуска достаточно ограниченно, так как вращающий момент довольно высокий.

Нередко для сложных систем защиты и контроля электродвигателей требуется некоторое время для их пуска, чтобы они могли замерить пусковой ток электродвигателя. Время пуска электродвигателя и насоса рассчитывается с помощью следующей формулы:

tпуск = время, необходимое электродвигателю насоса, чтобы достичь частоты вращения при полной нагрузке

n = частота вращения электродвигателя при полной нагрузке

Iобщ = инерция, которая требует ускорения, т.е. инерция вала электродвигателя, ротора, вала насоса и рабочих колёс.

Момент инерции для насосов и электродвигателей можно найти в соответствующих технических данных.

Мизб = избыточный момент, ускоряющий вращение. Избыточный момент равен вращающему моменту электродвигателя минус вращающий момент насоса при различных частотах вращения.

Мизб можно рассчитать по следующим формулам:

Как видно из приведённых вычислений, выполненных для данного примера с электродвигателем мощностью 4 кВт насоса CR, время пуска составляет 0,11 секунды.

Принцип работы электромотора с фазным ротором

Теперь подробнее рассмотрим принцип действия асинхронного двигателя с ротором фазным и его подключение. Здесь можно выделить очередность из пяти важных этапов:

• первый этап – на имеющий тройную обмотку статор поступает напряжение от трехфазной электросети переменного тока с нужными параметрами;
• второй этап – формируется магнитное поле, приводящее в движение ротор;
• третий этап – ротор постепенно разгоняется, а его скорость оборотов значительно возрастает;
• четвертый этап – когда линии полей статора и ротора достигают определенного значения и пересекаются, возникает электродвижущая сила, воздействующая на обмотку ротора и создающая на ней электрический ток;
• пятый этап – статорные и роторные магнитные поля начинают активно взаимодействовать между собой, поддерживая вращательный момент вала.

Далее управление асинхронным двигателем с ротором фазного типа осуществляется в штатном режиме. Принцип работы асинхронного двигателя с фазным ротором отличается от короткозамкнутого варианта еще и наличием полноценной трехфазной обмотки с аналогичной укладкой на статорной и роторной части.

Типовая схема управления асинхронным двигателем с фазным ротором выглядит так:

Схема управления асинхронным двигателем с фазным ротором показывает, что роторные обмоточные выводы соединены с контактными кольцами, установленными на вал электромотора. Эти кольца имеют защитную изоляцию, как между собой, так и в точках соприкосновения с валом. Для каждой из фаз, каких обычно насчитывается три, на роторе предусмотрена своя отдельная обмотка. Схема пуска этих обмоток чаще всего имеет вид «Звезды».

К роторной обмотке монтируется реостат управления, сопряженный со щетками и контактными кольцами. Несмотря на кажущуюся сложность такой конструкции и более тщательный расчет асинхронного мотора, возможностей регулировки рабочего момента на валу здесь на порядок больше, чем у двигателей с ротором короткозамкнутого типа, контроль и применение которых обычно связано с необходимостью использования частотного преобразователя или специального регулятора оборотов.

Статорная обмотка создается с учетом количества катушек и полюсов, которых на статоре и роторе должно быть одинаковое количество. Сдвиг катушек статора между собой происходит на определенное число градусов. Регулировка действия асинхронного двигателя с фазным ротором выполняется путем изменения тока в роторных обмотках. Это позволяет контролировать размер скольжения и рабочий момент электромотора. Чтобы снизить износ колец и щеток во время полного выведения реостата их обычно замыкают посредством специального устройства для поднимания щеток

Число пусков электродвигателя в час

Современные сложные системы управления электродвигателями могут контролировать число пусков в час каждого конкретного насоса и электродвигателя. Необходимость контроля этого параметра состоит в том, что каждый раз, когда осуществляется пуск электродвигателя с последующим ускорением, отмечается высокое потребление пускового тока. Пусковой ток нагревает электродвигатель. Если электродвигатель не остывает, продолжительная нагрузка от пускового тока значительно нагревает обмотки статора электродвигателя, что приводит к выходу из строя электродвигателя или сокращению срока службы изоляции.

Обычно за количество пусков, которое может выполнить электродвигатель в час, отвечает поставщик электродвигателя. Например, Grundfos указывает максимальное число пусков в час в технических данных на насос, так как максимальное количество пусков зависит от момента инерции насоса.

Конструкционные особенности

Знание особенностей конструкции любого оборудования значительно облегчает покупку и последующую работу с ним, в том числе эксплуатацию и ремонт асинхронного двигателя с фазным ротором. Прежде всего, следует запомнить, что все электромоторы устроены по схожему принципу – они обязательно имеют неподвижный статор и подвижный ротор, осуществляющий вращательные движения внутри силового агрегата. Статор асинхронного двигателя с фазным ротором имеет подключаемые к электросети переменного тока обмотки, напряжение на которых взаимодействует с обмотками ротора. Данная связь объясняется принципами действия магнитного потока.

Обычная конструкция статора асинхронного двигателя представляет собой корпус электромотора с запрессованным внутрь сердечником. Обмотка сердечника разделена не несколько заключенных в катушки секторов. От этих обмоток отводятся кабеля с защитной изоляцией, предотвращающей их взаимное замыкание. Ротор устроен из вала и набранного пластинчатого сердечника. Обычно здесь применяются пластины с симметричными пазами стандартного размера, выполненные из высокотехнологичной стали. Во время работы роторного вала происходит передача крутящего момента приводу электроустановки.

Чертеж асинхронного двигателя с его основными составными частями выглядит так:

Наиболее распространенными считаются роторы двух типов:

1. Короткозамкнутый.
2. Фазный.

Первый вариант в составе своей конструкции имеет стержни из алюминия, проходящие сквозь сердечник и замкнутые торцевыми кольцами. Это так называемое «беличье колесо». Для повышения прочности пазов их также часто обрабатывают алюминиевым составом. Устройство фазного ротора несколько отличается от короткозамкнутого. Здесь количество установленных под определенным углом катушек напрямую зависит от числа парных полюсов, во многих случаях сопоставимых с парными полюсами, какие есть на статоре.

Мощность и КПД (eta) электродвигателя

Существует прямая связь между мощностью, потребляемой электродвигателем от сети, мощностью на валу электродвигателя и гидравлической мощностью, развиваемой насосом.

При производстве насосов используются следующие обозначения этих трёх различных типов мощности.

Р3 (кВт) Входная мощность насоса = P2, при условии, что соединительная муфта между валами насоса и электродвигателя не рассеивает энергию.

Источник

Оптимальный режим

Однако уже к 1500 оборотам насос успевает выйти на проектную мощность, прокачивает смазывающую жидкость, и износ падает почти до нуля. Уже при 1800 об./мин. все узлы трения «всплывают» на масляные пленки, прямой контакт между поверхностями деталей исчезает, и скорость износа устремляется к нулю. Начинается оптимальный режим работы мотора.

Выработка деталей уже настолько мала, что не фиксируется существующими приборами. Идеальный диапазон работы мотора — от 2000 до 4000 оборотов. Именно на него приходится максимум крутящего момента.