Как изменяется частота тока ротора асинхронного двигателя при увеличении нагрузки на валу

Основные нагрузочные свойства асинхронных электродвигателей

Асинхронные двигатели в процессе эксплуатации работают с нагрузками на валу от холостого хода до номинальной. Напряжение и частота сети могут сохранять номинальные значения или длительно изменяться в зависимости от режима работы энергосистемы. Под нагрузочными свойствами асинхронного двигателя при отклонениях напряжения и частоты подразумеваются изменения основных параметров, характеризующих его установившийся режим, -ЭДС магнитного потока, вращающего момента, скольжения и частоты ротора, модуля и фазы тока ротора, намагничивающего тока, модуля и фазы тока статора.

Встречается необходимость использования двигателя для работы в сети с напряжением и частотой, отличающимися от его номинальных значений, в случаях:
а) применения двигателей, рассчитанных на частоту 60 Гц, в сети с частотой 50 Гц;
б) работы двигателя с нормальным соединением обмотки статора в звезду, в сети другого номинального напряжения — при соединении обмотки статора в треугольник;
в) переключения обмотки статора на звезду вместо нормального соединения треугольником для уменьшения потерь активной мощности и потребления реактивной мощности незагруженных двигателей.

Рассмотрим сначала в общих чертax явления, происходящие в двигателе при отклонении от номинальных значений нагрузки на валу (момента сопротивления приводимого двигателем механизма), напряжения и частоты питающей сети. По основным параметрам режима определяются такие важные факторы, как нагрев активных частей двигателя, изменение потерь и КПД, потребление из сети активной и реактивной мощностей, изменение начального вращающего момента при неподвижном роторе (для оценки возможности пуска двигателя при отклонениях напряжения и частоты).

Определим общий характер изменения перечисленных выше величин, исходя из основных соотношений, принимая для упрощения момент сопротивления механизма не зависящим от угловой скорости ротора. Изменение нагрузки на валу двигателя при номинальных напряжении и частоте питающей сети. Рассмотрим влияние увеличения нагрузки на валу на основные параметры установившегося режима. Вследствие увеличения нагрузки угловая скорость ротора несколько снижается, а следовательно, скольжение увеличивается до такого значения, при котором вращающий момент двигателя уравновешивает повышенный момент сопротивления. Поскольку при скольжениях меньше критического сопротивление статора составляет незначительную долю общего сопротивления двигателя, то ЭДС, магнитный поток и намагничивающий ток практически не изменяются при изменении нагрузки.

Увеличение вращающего момента двигателя сопровождается соответствующим увеличением тока ротора. С увеличением скольжения возрастает фазный угол приведенного тока ротора, что приводит к увеличению реактивного тока двигателя, практически равного сумме индуктивного намагничивающего тока и реактивной составляющей приведенного тока ротора. В связи с ростом активной и реактивной составляющих тока статора последний также возрастает при увеличении нагрузки на валу. Увеличение токов ротора и статора обусловливает возрастание потерь в меди обмоток.

У двигателей нормального исполнения с короткозамкиутым и с фазным роторами при нормальной работе с закороченным реостатом угловая скорость ротора при изменении нагрузки в пределах номинальной изменяется незначительно и поэтому мощность на валу увеличивается практически пропорционально моменту сопротивления. В связи с увеличением реактивного тока двигателя при увеличении нагрузки увеличивается реактивная мощность, потребляемая из сети. При уменьшении нагрузки на валу скольжение, ток ротора и его фаза, а также ток статора уменьшаются, что приводит к снижению потребления двигателем из сети активной и реактивной мощностей.

При определении полезной мощности на валу двигателей с повышенным скольжением, а также двигателей с фазным ротором, работающих нормально с регулировочным реостатом, следует учитывать изменение угловой скорости ротора. Изменение напряжения при номинальной частоте. Предположим, что напряжение, подводимое к обмотке статора двигателя, работающего с постоянным моментом сопротивления, уменьшилось. Вследствие уменьшения напряжения уменьшаются ЭДС двигателя и магнитный поток. Вращающий момент двигателя, пропорциональный квадрату напряжения, окажется при прежнем скольжении меньше, чем момент сопротивления, и скольжение двигателя увеличится до такого значения, при котором вновь наступит равенство между указанными моментами.

Увеличение скольжения вызовет возрастание тока ротора и увеличение угла сдвига между приведенным током ротора и напряжением сети. При уменьшении напряжения намагничивающий ток уменьшается, а ток статора, равный геометрической сумме приведенного тока ротора и тока холостого хода, в зависимости от загрузки и соотношения между намагничивающим током и током ротора может увеличиться или уменьшиться. При увеличении напряжения увеличатся ЭДС и магнитный поток, а скольжение и ток ротора уменьшатся. Намагничивающий ток увеличится, а ток статора может увеличиться или уменьшиться в зависимости от загрузки двигателя и указанного выше.

Таким образом, понижение напряжения всегда вызывает увеличение тока ротора, а увеличение напряжения — уменьшение тока ротора. Работа с напряжением, пониженным более чем на 5 % номинального, допустима согласно ГОСТ 183-74 только при условии, что нагрузка двигателя меньше номинальной. При несоблюдении этого обстоятельства возможен перегрев обмотки ротора и, как следствие, ее преждевременный износ. Мощность, развиваемая двигателем, останется практически без изменения, так как угловая скорость ротора изменится незначительно.

Изменение частоты при номинальном напряжении

Рассмотрим случай, когда двигатель с постоянным моментом сопротивления на валу питается при номинальном напряжении от сети с частотой меньше номинальной. Уменьшение частоты вызовет увеличение магнитного потока и увеличение вращающего момента. Поскольку момент сопротивления остается постоянным, скольжение уменьшится так, чтобы сохранилось равновесие между вращающим моментом двигателя при пониженной частоте и моментом сопротивления. Вследствие увеличения потока уменьшится ток ротора, а ток холостого хода увеличится. Ток статора может увеличиться или уменьшиться, так же как для случая повышения напряжения. Таким образом, понижение частоты практически равнозначно увеличению напряжения.

Следовательно, если при понижении частоты соответственно уменьшить напряжение, то магнитный поток, а следовательно, и токи холостого хода, ротора и статора останутся такими же, как и при нормальной работе. При этом будет иметь место некоторое изменение потерь в стали, а следовательно, и активной составляющей тока холостого хода. Эти изменения практически не скажутся на токе статора. Однако существенным отличием от рассмотренных выше двух режимов будет значительное изменение угловой скорости ротора, практически пропорциональной частоте статора.

Во всех случаях, когда имеет место изменение угловой скорости ротора двигателя, происходит изменение полезной мощности на валу и производительности механизма. Полезная мощность на валу изменяется пропорционально произведению момента сопротивления на угловую скорость. Поэтому для рассмотрения режима работы двигателей при любых значениях нагрузки на валу, напряжения и частоты питающей сети необходимо знать характеристики моментов сопротивления механизмов

Статьи по теме:

Конструкция асинхронных двигателей. В зависимости от способа выполнения обмотки ротора асинхронного двигателя последние разделяются на две большие группы: двигатели с короткозамкнутой обмоткой на роторе и двигатели с фазной обмоткой на роторе или двигатели с контактными кольцами. . >>>

Основные нагрузочные свойства асинхронных электродвигателей. Асинхронные двигатели в процессе эксплуатации работают с нагрузками на валу от холостого хода до номинальной. Напряжение и частота сети могут сохранять номинальные значения или длительно изменяться в зависимости от режима работы энергосистемы. Под нагрузочными свойствами асинхронного двигателя . >>>

Энергосбережение при эксплуатации электродвигателей. Известно, что более половины всей производимой в мире электроэнергии потребляется электродвигателями в электроприводах рабочих машин, механизмов, транспортных средств. Поэтому меры по экономии электроэнергии в электроприводах наиболее актуальны . >>>

Частота вращения ротора асинхронного двигателя

Из этого выражения следует, что частоту вращения ротора асинхронного двигателя можно регулировать изменением какой — либо из трех величин: скольжения s, частоты тока в обмотке ста­тора f₁ или числа полюсов в обмотке статора 2р.

Регулирование частоты вращения изменением скольжения s возможно тремя способами: изменением подводимого к обмотке статора напряжения, нарушением симметрии этого напряжения и изменением активного сопротивления обмотки ротора.

Регулировка частоты вращения изменением скольжения про­исходит только в нагруженном двигателе. В режиме холостого хода скольжение, а следовательно, и частота вращения остаются практически неизменными.

Регулирование частоты вращения изменением подводи­мого напряжения. Возможность этого способа регулирования подтверждается графиками М = f(s), построенными для разных значений U₁ (см. рис. 13.5). При неизменной нагрузке на валу дви­гателя увеличение подводимого к двигателю напряжения вызыва­ет рост частоты вращения. Однако диапазон регулирования часто­ты вращения получается небольшим, что объясняется узкой зоной устойчивой работы двигателя, ограниченным значением критиче­ского скольжения и недопустимостью значительного превышения номинального значения напряжения. Последнее объясняется тем, что с превышением номинального напряжения возникает опас­ность чрезмерного перегрева двигателя, вызванного резким увели­чением электрических и магнитных потерь. В то же время с уменьшением напряжения U₁ двигатель утрачивает перегрузочную способность, которая, как известно, пропорциональна квадрату напряжения сети (см. § 13.2).

Подводимое к двигателю напряжение изменяют либо регули­ровочным автотрансформатором, либо реакторами, включаемыми в разрыв линейных проводов.

Узкий диапазон регулирования и неэкономичность (необхо­димость в дополнительных устройствах) ограничивают область применения этого способа регулирования частоты вращения.

Регулирование частоты вращения нарушением симметрии подводимого напряжения. При нарушении симметрии подводи­мой к двигателю трехфазной системы напряжения вращающееся поле статора становится эллиптическим (см. § 9.4). При этом поле приобретает обратную составляющую (встречное поле), которая создает момент М_обр, направленный встречно вращающему момен­ту М_пр. В итоге результирующий электромагнитный момент двига­теля уменьшается (М = М_пр — М_обр).

Механические характеристики двигателя при этом способе регу­лирования располагаются в зоне между характеристикой при симмет­ричном напряжении (рис. 15.10, а, кривая 1) и характеристикой при однофазном питании дви­гателя (кривая 2) — пределом несимметрии трехфазного напряжения.

Для регулировки не­симметрии подводимого напряжения можно в цепь одной из фаз включить однофазный регулировоч­ный автотрансформатор (AT) (рис. 15.10, б). При уменьшении напряжения па выходе AT несиммет­рия увеличивается и частота вращения ротора уменьшается. Недостатками этого способа регулирования являются узкая зона

Рис. 15.10. Механические характеристики (а) и схема включения (б) асинхронного двигателя при регулировании частоты вращения изменением симметрии трехфаз­ной системы

регулирова­ния и уменьшение КПД двигателя по мере увеличения несимметрии напряжения. Обычно этот способ регулирования частоты вращения применяют лишь в двигателях малой мощности.

Регулирование частоты вращения изменением активного сопротивления в цепи ротора. Этот способ регулирования частоты вращения возможен лишь в двигателях с фазным ротором. Ме­ханические характеристики асинхронного двигателя, построенные для различных значений активного сопротивления цепи ротора (см. рис. 13.6), показывают, что с увеличением активного сопро­тивления ротора возрастает скольжение, соответствующее задан­ному нагрузочному моменту. Частота вращения двигателя при этом уменьшается. Зависимость скольжения (частоты вращения) от активного сопротивления цепи ротора выражается формулой, полученной преобразованием (13.13):

s = m₁I /2 ₂ r‘₂/ (ω₁ М). (15.3)

Практически изменение активного сопротивления цепи ротора достигается включением в цепь ротора регулировочного реостата (РР), подобного пусковому реостату (ПР) (см. рис. 15.2), но рассчитанного на длительный режим работы. Электрические потери в роторе пропорциональны скольжению (Р_э2 = sP_эм), поэтому умень­шение частоты вращения (увеличение скольжения) сопровождается ростом электрических потерь в цепи ротора и снижением КПД двигателя. Так, если при неизменном нагрузочном моменте на валу двигателя увеличить скольжение от 0,02 до 0,5, что соответствует уменьшению частоты вращения примерно вдвое, то потери в цепи ротора составят почти половину электромагнитной мощно­сти двигателя. Это свидетельствует о неэкономичности рассмат­риваемого способа регулирования. К тому же необходимо иметь в виду, что рост потерь в роторе сопровождается ухудшением усло­вий вентиляции из-за снижения частоты вращения, что приводит к перегреву двигателя (см. § 31.1).

Рассматриваемый способ регулирования имеет еще и тот недостаток, что участок меха­нической характеристики, со­ответствующий устойчивой ра­боте двигателя, при введении в цепь ротора добавочного со­противления становится более пологим и колебания нагрузоч­ного момента на валу двигате­ля сопровождаются значитель­ными изменениями частоты вращения ротора. Это иллюст­рирует рис. 15.11, на котором видно, что если нагрузочный момент двигателя изменится на ΔМ_ст = М / _ст – М // _ст, то измене­ние частоты

Рис. 15.11. Влияние сопротивления цепи ротора на

колебания частоты вращения при изменении нагрузки

вращения при выведенном регулировочном реостате ( r_д‘ = 0 ) составит Δn_2I, а при введенном реостате — Δn_2II. В послед­нем случае изменение частоты вращения значительно больше.

Но несмотря на указанные недостатки, рассмотренный способ ре­гулирования частоты вращения широко применяется в асинхронных двигателях с фазным ротором. В зависимости от конструкции регули­ровочного реостата этот способ регулирования частоты вращения может быть плавным (при плавном изменении сопротивления РР) или ступенчатым (при ступенчатом изменении сопротивления РР).

Способ обеспечивает регулирование частоты вращения в ши­роком диапазоне, но только вниз от синхронной частоты враще­ния. Вместе с тем он обеспечивает двигателю улучшенные пуско­вые свойства (см. § 15.1).

Регулирование частоты вращения изменением частоты тока в статоре. Этот способ регулирования (частотное регулирование) ос­нован на изменении синхронной частоты вращения n₁ = f₁ 60/ р .

Для осуществления этого способа регулирования необходим источник питания двигателя переменным током с регулируемой частотой. В качестве таких источников могут применяться элек­тромашинные, ионные или полупроводниковые преобразователи частоты (ПЧ). Чтобы регулировать частоту вращения, достаточно изменить частоту тока f₁. Но с изменением частоты f₁ = ω₁p/ (2π) будет изменяться и максимальный момент [см. (13.18)]. Поэтому для сохранения неизменными перегрузочной способности, коэффициента мощности и КПД двигателя на требуемом уровне необходимо одно­временно с изменением частоты f₁ изменять и напряжение питания U₁. Характер одновременного изменения f₁ и U₁ зависит от закона изме­нения момента нагрузки и определяется уравнением

U / ₁ /U₁ = (f₁ / /f₁) (15.4)

где U₁ и М — напряжение и момент при частоте f₁ ; U’₁ и М’ -напряжение и момент при частоте f ‘₁.

Если частота вращения двигателя регулируется при условии постоянства момента нагрузки ( М = М’ = const), то подводимое к двигателю напряжение необходимо изменять пропорционально изменению частоты тока:

U‘₁ = U₁ f ‘₁/f₁ (15.5)

При этом мощность двигателя увеличивается пропорциональ­но нарастанию частоты вращения. Если же регулирование произ­водится при условии постоянства мощности двигателя ( Р_эм = Мω₁ = const), то подводимое напряжение следует изменять в соответствии с законом

Частотное регулирование двигателей позволяет плавно изме­нять частоту вращения в широком диапазоне (до 12:1). Однако источники питания с регулируемой частотой тока удорожают установку. Поэтому частотное регулирование до последнего времени применялось в основном для одновременного регулирования группы двигателей, работающих в одинаковых условиях (напри­мер, рольганговых двигателей). Но благодаря развитию силовой полупроводниковой техники в последние годы созданы устройства частотного регулирования, технико-экономические показатели которых оправдывают их индивидуальное применение для регули­рования частоты вращения одиночных двигателей.

Использование асинхронных двигателей, укомплектованных такими устройствами для частотного регулирования, наиболее целесообразно в пожаро- и взрывоопасных средах (химическая и нефтеперерабатывающая промышленность), где применение коллекторных двигателей (см. гл. 29) недопустимо.

Регулирование частоты вращения изменением числа полюсов обмотки статора. Этот способ регулирования частоты вращения дает ступенчатую регулировку. Так, при f₁ =50 Гц и р = 1÷5 пар полюсов можно получить следующие синхронные частоты вращения: 3000, 1500, 1000, 750, 600 об/мин.

Изменять число полюсов в обмотке статора можно либо укладкой на статоре двух обмоток с разным числом полюсов, либо укладкой на статоре одной обмотки, конструкция которой позволяет путем переключения катушечных групп получать различное число полюсов. Последний способ получил наибольшее применение.

Принцип преобразования четырехполюсной обмотки в двух­полюсную (для одной фазы) показан на рис. 15.12: при последова­тельном согласном соединении двух катушек возбуждаемое ими магнитное поле образует четыре полюса (рис. 15.12, а); при по­следовательном встречном (рис. 15.12, б) или параллельном со­единениях (рис. 15.12, в) — два полюса. Таким образом, принцип образования полюсно переключаемой обмотки основан на том, что каждая фаза обмотки делится на части (катушечные группы), из­меняя

Рис 15.12. Схемы включения обмотки статора

на разное число полюсов

схему соединения которых получают разное число полюсов.

Возможны два режима работы асинхронных двигателей с по­люсно переключаемыми обмотками:

режим постоянного момента (рис. 15.13, а) — при переключении двигателя с одной частоты вращения на другую вращающий момент на валу двигателя М₂ остается неизменным, а мощность Р₂ изменяется пропорционально частоте вращения n₂:

Рис. 15.13. Схемы переключения числа полюсов и механиче­ские характеристики в режимах постоянного момента (а) и постоянной скорости (б)

Р₂ = 0,105 М₂ n₂ (15.7)

режим постоянной мощности (рис. 15.13, б) — при переключении двигателя с одной частоты вращения на другую мощность P₂ остается примерно одинаковой, а момент на валу M₂ изменяется соответственно изменению частоты вращения n₂:

М₂ = 9,55 Р₂/ n₂. (15.8)

Если на статоре расположить две полюсно переключаемые обмотки, то получим четырехскоростной двигатель. Однако воз­можно применение и одной обмотки, допускающей путем пере­ключения катушечных групп получение до четырех вариантов различных чисел полюсов. Например, асинхронный двигатель ти­па 4А180М12/8/6/4 имеет на статоре обмотку, допускающую пере­ключение на 12,8,6,4 полюса.

Регулирование частоты вращения изменением числа полюсов на статоре применяют исключительно в асинхронных двигателях с короткозамкнутым ротором, так как число полюсов в обмотке этого ротора всегда равно числу полюсов статора и для изменения частоты вращения достаточно изменить число полюсов в обмотке ротора. В случае же фазного ротора пришлось бы и на роторе применить полюсно переключаемую обмотку, что привело бы к недопустимому усложнению двигателя.

1. Внешние характеристики трансформаторов при различных характерах груза.

Как изменяется частота тока ротора асинхронного двигателя при увеличении нагрузки на валу

Преобразователи частоты Теория АЭД Моменты В чем разница между моментом нагрузки и моментом сопротивления?

Момент нагрузки – момент, создаваемый вращающейся механической системой присоединенной к валу асинхронного двигателя. В качестве синонимов в литературе встречается термин момент сопротивления. Момент нагрузки зависит от геометрических и физических параметров тел входящих в кинематическую цепь, присоединенную к валу двигателя. Как правило, при расчете момент сопротивления принято приводить к валу двигателя.

При возрастании нагрузки на валу двигателя автоматически изменяется частота вращения ротора. После этого происходит рост тока в обмотках ротора и статора, что приводит к увеличению тока потребляемого двигателем из сети.
В случае если момент нагрузки превышает критический момент асинхронного двигателя, может произойти остановка последнего. Для асинхронного двигателя важно так же выполнение условия: минимальный момент нагрузки должен быть меньше чем минимальный пусковой момент двигателя. Иначе возможна ситуация при которой двигатель не сможет разогнать нагрузку присоединенную к его валу.
В случае если под действием момента нагрузки асинхронный двигатель переходит в генераторный режим, автоматически возникает момент торможения. Это свойство делает асинхронные двигатели очень привлекательными для использования в подъемных механизмах. В отличии от двигателей постоянного тока при возникновении аварийной ситуации связанной с увеличением момента асинхронный двигатель не пойдет «в разнос».

Другие публикации про моменты:

почему по мере увеличения нагрузки на валу асинхронного двигателя возрастает его вращающий момент?

Увеличивается потребляемый ток, и, как следствие, крутящий момент на валу.

Участок характеристики (рис. 2.14), на котором скольжение изменяется от 0 до Sкр, соответствует устойчивой работе двигателя. На этом участке располагается точка номинального режима (Mн, Sн) . В пределах изменения скольжения от 0 до Sкр изменение нагрузки на валу двигателя будет приводить к изменению частоты вращения ротора, изменению скольжения и вращающего момента. С увеличением момента нагрузки на валу частота вращения ротора станет меньше, что приведет к увеличению скольжения и электромагнитного (вращающего) момента. Если момент нагрузки превысит критический момент, то двигатель остановится. http://model.exponenta.ru/electro/0080.htm

Похожие вопросы