Меню

Что дает изменение частоты переменного тока при подключении асинхронного двигателя

§81. Регулирование частоты вращения асинхронных двигателей

Частота вращения асинхронного двигателя

Из этого выражения видно, что ее можно регулировать, изменяя частоту f1 питающего напряжения, число пар полюсов р и

Рис. 266. Схема переключения катушек обмотки статора (одной фазы) для изменения числа полюсов: а — при четырех полюсах; б — при двух полюсах

Рис. 266. Схема переключения катушек обмотки статора (одной фазы) для изменения числа полюсов: а — при четырех полюсах; б — при двух полюсах

скольжение s. Последнее при заданных значениях момента на валу Мвн и частоты f1 можно изменять путем включения в цепь обмотки ротора реостата.

Регулирование путем изменения частоты питающего напряжения. Этот способ требует наличия преобразователя частоты, к которому должен быть подключен асинхронный двигатель. На основе управляемых полупроводниковых вентилей (тиристоров) созданы статические преобразователи частоты и построен ряд опытных электровозов и тепловозов с асинхронными двигателями, частота вращения которых регулируется путем изменения частоты питающего напряжения. Такой способ регулирования частоты вращения ротора асинхронного двигателя является весьма перспективным.

Регулирование путем изменения числа пар полюсов. Этот способ позволяет получить ступенчатое изменение частоты вращения. Для этой цели отдельные катушки 1, 2 и 3, 4, составляющие одну фазу (рис. 266), переключаются так, чтобы изменялось соответствующим образом направление тока в них (например, с последовательного согласного соединения на встречное). При согласном включении катушек (рис. 266, а) число полюсов равно четырем, при встречном включении (рис. 266, б) — двум. Катушки двух других фаз, сдвинутые в пространстве на 120°, соединяются таким же образом. Такое же уменьшение числа полюсов можно осуществить при переключении катушек с последовательного на параллельное соединение. При изменении числа полюсов изменяется частота вращения n1 магнитного поля двигателя, а следовательно, и частота вращения n его ротора. Если нужно иметь три или четыре частоты вращения n1, то на статоре располагают еще одну обмотку, при переключении которой можно получить еще две частоты. Существуют двигатели, которые обеспечивают изменение частоты вращения n1 при постоянном наибольшем моменте или при приблизительно постоянной мощности (рис. 267).

В асинхронном двигателе число полюсов ротора должно быть равно числу полюсов статора. В короткозамкнутом роторе это условие выполняется автоматически и при переключении обмотки статора никаких изменений в обмотке ротора выполнять не требуется.

Рис. 267. Механические характеристики двухскоростных асинхронных двигателей с постоянным наибольшим моментом (а) и постоянной мощностью (б)

Рис. 267. Механические характеристики двухскоростных асинхронных двигателей с постоянным наибольшим моментом (а) и постоянной мощностью (б)

Рис. 268. Механические характеристики асинхронного двигателя при регулировании частоты вращения путем включения реостата в цепь обмотки ротора

Рис. 268. Механические характеристики асинхронного двигателя при регулировании частоты вращения путем включения реостата в цепь обмотки ротора

Рис. 269. Схемы подключения асинхронного двигателя к сети при изменении направления его вращения

Рис. 269. Схемы подключения асинхронного двигателя к сети при изменении направления его вращения

В двигателе же с фазным ротором в этом случае надо было бы изменять число полюсов обмотки ротора, что сильно усложнило бы его конструкцию, поэтому такой способ регулирования частоты вращения используется только в двигателях с коротко-замкнутым ротором. Такие двигатели имеют большие габаритные размеры и массу по сравнению с двигателями общего применения, а следовательно, и большую стоимость. Кроме того, регулирование осуществляется большими ступенями; при частоте f1 = 50 Гц частота вращения поля n1 при переключениях изменяется в отношении 3000:1500:1000:750.

Регулирование путем включения в цепь ротора реостата. При включении в цепь обмотки ротора реостата с различным сопротивлением (Rп4, RпЗ, Rп2 и т. д.) получаем ряд реостатных механических характеристик 4, 3 и 2 двигателя. При этом некоторому нагрузочному моменту Мном (рис. 268) будут соответствовать меньшие частоты вращения n4, n3, n2 и т. д., чем частота nе при работе двигателя на естественной характеристике 1 (при Rп = 0). Это способ регулирования может быть использован только для двигателей с фазным ротором. Он позволяет плавно изменять частоту вращения в широких пределах. Недостатками его являются большие потери энергии в регулировочном реостате, поэтому его используют только при кратковременных режимах работы двигателя (при пуске и пр.).

Изменение направления вращения. Для изменения направления вращения двигателя нужно изменить направление вращения магнитного поля, создаваемого обмотками статора. Это достигается изменением порядка чередования тока в фазах обмотки статора. Например, если максимумы токов поступают в фазы обмотки статора 1 (рис. 269, а) в следующем порядке: фаза А — фаза В — фаза С, то ротор 2 двигателя будет вращаться по часовой стрелке. Если же подавать их в такой последовательности: фаза В — фаза А — фаза С, то ротор начнет вращаться против часовой стрелки. Для этой цели необходимо изменить схему соединения обмоток статора с сетью, переключив две любые фазы (провода). Например, зажим А обмотки статора, который ранее был соединен с линейным проводом Л1, нужно переключить на провод Л2, а зажим В этой обмотки, соединенный ранее с Л2, переключить на провод Л1 (рис. 269,б). Такое переключение можно осуществить обычным переключателем.

Источник

Влияние изменения частоты напряжения источники питания на механические характеристики асинхронной машины

date image2015-04-17
views image3214

facebook icon vkontakte icon twitter icon odnoklasniki icon

Для изменения частоты напряжения, подводимого к обмотке ста­тора асинхронной машины, применяются электромашинные и тиристорные преобразователи частоты.

Как влияет частота напряжения источника питания на механи­ческие характеристики асинхронной машины?

Известно, что угловая скорость вращения магнитного поля асинхронной машины пропорциональна частоте источника питания f1

В таком случае и скорость идеального холостого хода асинхронной машины, которой соответствует точка пересечения механической ха­рактеристики с осью ординат, пропорциональна частоте ω=ω1. Пропорционально частоте изменяются индуктивные сопротивления об­моток статора и ротора x=2πf1L.

Пусть напряжение источника питания, подводимое к обмотке статора асинхронной машины, остается величиной постоянной, равной номинальному значению U1=U1НОМ. С целью уменьшения весогабаритных показателей асинхронные машины проектируются насыщенными. В этом случае в соответствии с выражением U1≈E1=4,44f1w1 Фm=const возможно только увеличение частоты, что вызывает соответствующее уменьшение магнитного потока. Так как угловая скорость и индуктивные сопротивления входят в знаменатель выражения для электромагнитного момента (56), то момент асинхронного двигателя с увеличением частоты будет уменьшаться. Увеличение индуктивных сопротивлений обмоток статора и ротора xK=x1+x2’ при увеличении частоты приводит к уменьшению то­ков в обмотках и уменьшению критического скольжения (52), (53), (57). Как влияет изменение частоты на энергетические показатели асинхронной машины? Коэффициент мощности заметно уменьшается с уменьшением частоты и возрастает при ее увеличении от номинального значения. На потери в стали с одной стороны влияет увеличе­ние частоты, а с другой стороны уменьшение магнитного потока. Электрические потери в обмотке ротора растут пропорционально квадрату частоты, а потери в обмотке статора зависят от соотношения между токами I10 и I2’, из которых I10 уменьшается с возрас­танием частоты, a I2’ возрастает. В целом потери в двигателе растут, но растет и полезная мощность

Читайте также:  Сила тока при котором чел

Таким образом КПД двигателя мало изменяется при изменении частоты.

На ряс.12 представлено семейство механических характеристик асинхронной машины при изменении частоты источника питания. Ис­следование характеристик показывает, что увеличение частоты, с одной стороны, приводит к пропорциональному увеличению скорости, что может быть использовано в регулируемых электроприводах, но с другой стороны, приводит к значительному уменьшению критического момента т.е. перегузочной способности. Поэтому на практике исполь­зуют одновременное изменение и частоты и напряжения источника пи­тания, например, по закону U1 / f=const.

Источник

Чипгуру

  • Форум
    • Правила форума
    • Правила для Редакторов
    • Правила конкурсов
    • Руководство барахольщика
    • Ликбез по форуму
      • Изменить цвет форума
      • Как вставлять фотографии
      • Как вставлять ссылки
      • Как вставлять видео
      • Как обозначить оффтоп
      • Как цитировать
      • Склеивание сообщений
      • Значки тем
      • Подписка на темы
      • Автоподписка на темы
    • БиБиКоды (BBCode)
    • Полигон для тренировок
  • Калькуляторы
    • Металла
    • Обороты, диаметр, скорость
    • Подбора гидроцилиндров
    • Развертки витка шнека
    • Расчёт треугольника
    • Теплотехнический
    • Усилия гибки
  • Каталоги
    • Подшипников
    • Универсально-сборные пр.
    • УСП-12
  • Справочники
    • Марки стали и сплавы
    • Открытая база ГОСТов
    • Применимость сталей
    • Справочник конструктора
    • Справочник ЧГ сталей
    • Сравнение материалов
    • Стандарты резьбы
  • Таблицы
    • Диаметров под резьбу
    • Конусов Морзе
    • Номеров модульных фрез
  • Темы без ответов
  • Активные темы
  • Поиск
  • Наша команда

О частотном регулировании асинхронного привода.

Аватара пользователя

О частотном регулировании асинхронного привода.

Сообщение #1 T-Duke » 10 фев 2016, 16:37

Так как вижу что в соседней теме возникают некоторые споры и даже заблуждения, решил создать отдельную тему, где моя темность осветит некоторые вопросы связанные с асинхронным приводом. Буду стараться говорить простыми словами на пальцах. Всяких дотошных буквоедов, которые цепляются к тому о чем не упомянул для экономии места и времени — прошу идти мимо. Я не собираюсь здесь писать монографию из многих глав, описывая каждый нюанс. Только главное, важное для понимания. Так же для тех кому нечего делать, или хочется холиварить , прошу, не нужно превращать этот форум в подобие чипа. Троллям там самое место, а здесь хочется конструктивно общаться и если кому, что непонятно — задавйте вопросы.

О роторе.
Итак самое главное что нужно сказать и с чего нужно начать. Асинхронные двигатели работают при наличии такого явления как скольжение поля. Когда вращающееся магнитное поле статора по скорости вращения, опережает ротор.
Только при наличии скольжения в беличьем колесе ротора наодится ЭДС и возникает крутящий момент. Детально углубляться не будем. Главное что нужно понимать — если скольжение равно нулю, то есть ротор верится с той же скоростью, что и поле статора, то крутящий момент тоже нулевой.
Второе, что важно понимать — для конкретного двигателя есть предельная величина скольжения. При таком скольжении крутящий момент ротора максимален. Если еще больше увеличить скольжение, то момент начинает падать. Графики момента в зависимости от скольжения (скорости ротора) можно найти в учебниках. Классический пример запуск 50Гц асинхронника от сети 50Гц при большой нагрузке на валу. В начальный момент скольжение очень велико. Ибо ротор почти неподвижен, а поле вертится с полной частотой. Скольжение значительно выше предельного и крутящий момент сильно ниже, чем в случае предельного скольжения. Это объясняется резким ростом потерь в роторе при превышении критического скольжения.

Итак, чтобы получать максимально возможный момент асинхронника во всем диапазоне скоростей, ПЧ должен строго поддерживать одну и ту же величину скольжения — то есть предельное скольжение, или его можно назвать оптимальным. С такой задачей может справиться только векторный частотник. Если двигатель управляется векторным частотником, то там даже при частоте в несколько Гц, возможен полный крутящий момент. Если частотник не векторый, а обычный, у которого нет ОС по скорости ротора, скольжение ротора будет произвольно меняться в зависимости от нагрузки на двигатель, и оптимального момента во всем диапазоне оборотов мы не получим.

Второй важный фактор — статор двигателя. Вернее то, что он электрически представляет собой для сети переменного тока, или для ПЧ. Электрически двигатель собой представляет индуктивность, последовательно включенную со сопротивлением обмоток. И параллельно ко всему этому подключена распределенная межвитковая емкость. Для этой темы емкость обмоток не играет роли, поэтому будем рассматривать статор двигателя как индуктивность и сопростивление включенное последовательно с индуктивностью. Важный момент здесь — номинальная частота, на которую изготовлен двигатель и номинальне напряжение питания в рекомендованном подключении. например частота 50Гц, напряжение 380В — звезда.

Читайте также:  Последовательное соединение источников тока в батарее

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.

Итак убрали ротор и подали на двигатель номинальное напряжение, номинальной частоты, скажем 50Гц. Через обмотки статора начнет течь ток ХХ двигателя и вокруг полюсов статора начнет вращаться магнитное поле с частотой обратной пропорциональной числу пар полюсов. В двухполюсном двигателе частота вращения поля совпадает со сетью — 50Гц. В 4-х полюсном в 2 раза меньше 25Гц, во 8-ми полюсном 12.5Гц и т.д. Но сейчас это не важно. Важно понять что статор предназначен для создания внутри своего объема, вращающегося магнитного поля заданной частоты и силы.

Так вот статор двигателя включен в сеть 50Гц, на которую он рассчитан и по обмоткам течет некий ток ХХ. Возникает вопрос — А что если мы частоту тока сети уменьшим, или увеличим? Возьмем и подадим вместо номинальных 50Гц, частоту 25Гц. Что-то изменится. А именно уменьшится сопротивление обмоток двигателя переменному току. Ровно в 2 раза. Ток ХХ вырастет в два раза. Если подадим на обмотки ток с частотой 100Гц, то сопротивление обмоток увеличится и ток ХХ упадет в 2 раза. То есть статор асинхронника без ротора, ведет себя как классический дроссель — обыная индуктивно-резистивная нагрузка в сети переменного тока.

Об асинхронном двигателе, как о вращающемся трансформаторе.

А теперь первый раз проведу аналогию между асинхронником и трансформатором. Пока на роторе нет нагрузки и ротор вращается равномерно, для сети переменного тока (или ПЧ) двигатель представляет собой аналог первичной обмотки трансформатора включенного в сеть переменного тока. При чем вторичная обмотка которого нагружена на довольно большое сопротивление, представляющее собой различные потери.
Пока на вторичной обмотке обычного транса нет нагрузки, то первичная обмотка ведет себя как дроссель большой индуктивности. Через первичку протекает небольшой ток ХХ, его еще называют током намагничивания.

То же самое и с асинхронником. Пока нагрузки на валу нет, то через обмотку статора протекает небольшой ток ХХ, создающий вращающееся магнитное поле в статоре и компенсирующий разные потери, например на трение в подшипниках.
Снова вернемся к обычному трансу, но теперь во вторичку включим нагрузку, например лампочку. Это моментально приведет к тому, что первичная обмотка почувствует эту нагрузку и отреагирует на это тем, что уменьшит свой имеданс переменногому току. Строго говоря тут нужно говорить не об импедансе, а о принципах работы трансформатора. Но чтобы короче — будем думать, что меняется импеданс, что в принципе тоже правильно, если не вдаваться в детали. То есть как только появится нагрузка на вторичке, в первичке сразу подскочит потребление тока. Аналогичная ситуация с асинхронником. Как только мы дадим нагрузку на ротор, это моментально скажется на обмотке статора и ток через обмотку увеличится, для компенсации воздействия нагрузки.

То есть асинхронный двигатель являет собой вращающийся трансформатор сразу преобразовывающий переменный ток в механическую работу на выходе. Первичкая обмотка такого транса — обмотка статора. Вторичная обмотка — беличье колесо в роторе. Выход не электрический а механический.

Об управлении асинхронным приводом.

Теперь когда мы понмаем, что асинхронник это по сути трансформатор, хоть и своеобразный, рассмотрим работу такого транса на разных частотах.

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.

Выход есть. Он называется законом управления V/f = const. Если мы изменяем частоту которой питаем трансформатор, то мы должны изменить и напряжение подаваемое на транс, чтобы не менялся ток через первичку. То есть, если мы питаем двигатель рассчитанный на 380В и 50Гц, от сети частотой 25Гц, то напряжение в этой сети должно составлять уже половину — 190В. Иначе двигатель будет работать в нерасчетном режиме, с большими потерями как в меди, так и в стали статора.

Главный вывод из этого — при уменьшении частоты тока питающего двигатель — необходимо уменьшать напряжение подаваемое на этот двигатель. Этим и занимаются частотники. Когда мы выкручиваем регулятор на 25Гц, частотник вместо положенных 220В дает уже 110В и двигатель работает в своих номинальных параметрах.

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.

Читайте также:  Расчет максимального тока через дорожку

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



Регулирование частоты вращения асинхронного электродвигателя

Подписка на рассылку

  • ВКонтакте
  • Facebook
  • ok
  • Twitter
  • YouTube
  • Instagram
  • Яндекс.Дзен
  • TikTok

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

Основные технические характеристики, учитываемые при изменении частоты вращения

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

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

Есть несколько способов регулирования частоты вращения электродвигателя:

Рисунок 2.

Регулирование частоты вращения изменением частоты питающей сети

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

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

Регулирование частоты вращения позволяет добиться различных режимов работы электродвигателя:

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

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

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

Регулирование частоты вращения изменением числа полюсов

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

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

Изменение частоты вращения включением в цепь ротора с реостатом

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

Изменение направления вращения

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

Источник