Скорость вращения ротора

Частота вращения ротора асинхронного двигателя

Регулирование частоты вращения асинхронных двигателей

n2 =n1(1 — s) = (f160/ p)(l — s). (15.2)

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 sвозможно 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 U1двигатель 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 Мобр, направленный встречно вращающему момен­ту Мпр. В итоге результирующий электромагнитный момент двига­теля уменьшается (М = Мпр — Мобр).

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/22 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 (Рэ2 = sPэм), 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 ΔМст = 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 ( rд’ = 0 ) составит Δn2I, а при введенном реостате — Δn2II. 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 . 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 ( Рэм = Мω1 = const), то подводимое напряжение следует изменять в соответствии с законом

U’1 = U1 . (15.6)

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.

Определяем обороты

Существует несколько способов измерения оборотов электродвигателя. Самый надежный заключается в использовании тахометра – устройства, предназначенного именно для этих целей. Однако такой прибор есть не у каждого человека, тем более, если он не занимается электрическими моторами профессионально. Поэтому существует несколько иных вариантов, позволяющих справиться с задачей «на глаз».

Первый подразумевает снятие одной из крышек двигателя с целью обнаружения катушки обмотки. Последних может быть несколько. Выбирается та, которая более доступна и расположена в зоне видимости. Главное, во время работы не допустить нарушения целостности устройства.

Когда катушка открылась взору, необходимо ее внимательно осмотреть и постараться сравнить размер с кольцом статора. Последний является неподвижным элементом электродвигателя, а ротор, находясь внутри него, осуществляет вращение.

Когда кольцо наполовину закрыто катушкой, число оборотов за минуту достигает 3000. Если закрывается третья часть кольца – число оборотов составляет примерно 1500. При четверти – число оборотов равно 1000.

Второй способ связан с обмотками внутри статора. Считается количество пазов, которые занимает одна секция какой-либо катушки. Пазы расположены на сердечнике, их число свидетельствует о количестве пар полюсов. 3000 оборотов в минуту будет при наличии двух пар полюсов, при четырех – 1500 оборотов, при шести – 1000.

Ответом на вопрос о том, от чего зависит количество оборотов электродвигателя, будет утверждение: от числа пар полюсов, причем это обратно пропорциональная зависимость.

На корпусе любого заводского двигателя имеется металлическая бирка, на которой указаны все характеристики. На практике такая бирка может отсутствовать или стереться, что немного усложняет задачу определения числа оборотов.

Корректируем обороты

Работа с разнообразным электрическим инструментом и оборудованием в быту или на производстве непременно ставит вопрос о том, как регулировать обороты электродвигателя. Например, становится необходимым изменить скорость передвижения деталей в станке или по конвейеру, скорректировать производительность насосов, уменьшить или увеличить расход воздуха в вентиляционных системах.

Осуществлять указанные процедуры за счет понижения напряжения практически бессмысленно, обороты будут резко падать, существенно снизится мощность устройства. Поэтому используются специальные устройства, позволяющие корректировать обороты двигателя. Рассмотрим их более подробно.

Частотные преобразователи выступают в качестве надежных устройств, способных кардинальным образом менять частоту тока и форму сигнала. Их основу составляют полупроводниковые триоды (транзисторы) высокой мощности и модулятор импульсов.

Микроконтроллер управляет всем процессом работы преобразователя. Благодаря такому подходу появляется возможность добиться плавного повышения оборотов двигателя, что крайне важно в механизмах с большой нагрузкой. Медленный разгон снижает нагрузки, положительно сказываясь на сроке службы производственного и бытового оборудования.

Все преобразователи оснащаются защитой, имеющей несколько степеней. Часть моделей работает за счет однофазного напряжения в 220 В. Возникает вопрос, можно ли сделать так, чтобы трехфазный мотор вращался благодаря одной фазе? Ответ окажется положительным при соблюдении одного условия.

При подаче однофазного напряжения на обмотку требуется осуществить «толчок» ротора, поскольку сам он не сдвинется с места. Для этого нужен пусковой конденсатор. После начала вращения двигателя оставшиеся обмотки будут давать недостающее напряжение.

Существенным минусом такой схемы считается сильный перекос фаз. Однако он легко компенсируется включением в схему автотрансформатора. В целом, это довольно сложная схема. Преимущество же частотного преобразователя заключается в возможности подключения моторов асинхронного типа без применения сложных схем.

Что дает преобразователь?

Необходимость использования регулятора оборотов электродвигателя в случае асинхронных моделей состоит в следующем:

Достигается значительная экономия электрической энергии. Поскольку не всякое оборудование требует высоких скоростей вращения моторного вала, ее имеет смысл снизить на четверть.

Обеспечивается надежная защита всех механизмов. Преобразователь частоты позволяет контролировать не только температуру, но и давление и прочие параметры системы. Этот факт особенно важен, если при помощи двигателя приводится в действие насос.

Датчик давления устанавливается в емкости, посылает сигнал при достижении должного уровня, благодаря чему мотор останавливается.

Совершается плавный пуск. Благодаря регулятору снимается необходимость использования дополнительных электронных устройств. Частотный преобразователь легко настроить и получить желаемый эффект.

Снижаются расходы на техническое обслуживание, поскольку регулятор сводит к минимуму риски поломки привода и других механизмов.

Таким образом электродвигатели с регулятором оборотов оказываются надежными устройствами с широкой сферой применения.

Важно помнить, что эксплуатация любого оборудования на основе электрического мотора только тогда окажется правильной и безопасной, когда параметр частоты вращения будет адекватен условиям использования.

Обороты электродвигателя

Все электродвигатели имеют основные характеристики:

  • Потребляемая мощность
  • Максимальный КПД
  • Номинальная частота вращения вала
  • Номинальный момент

Также они имеют механическую характеристику – зависимость момента от оборотов. Определить количество оборотов электродвигателя можно по катушкам обмотки статора. Для этого в статоре надо найти катушку, которая лучше всего просматривается. Если вычислить расстояние, занимаемое катушкой по кольцу железа статора, можно точно определить, сколько оборотов имеет данная асинхронная модель.

Асинхронные устройства разделяются по количеству оборотов мотора на: 1000 об/мин, 1500 об/мин и 3000 об/мин.

Если расстояние составляет половину кольца железа статора, то это агрегат с 3000 об/мин. Если это составляет 1/3 кольца железа, то он имеет 1500 об/мин. Если же расстояние, занимаемое катушкой, составляет 1/4 кольца железа, то данный прибор имеет 1000 об/мин.

Модели с количеством 1000 об/мин применяют на таком оборудовании, где нет необходимости в высокой скорости вращения вала ротора. Например, на лебедках, кранах, транспортерах и т.д.

Электродвигатели с оборотами 1500 и 3000 об/мин применяют на металлообрабатывающих и деревообрабатывающих станках, компрессорах, холодильниках и т.д.

Мощность их может колебаться в пределах от 0,12 до 200 кВт, что напрямую зависит от размера и назначения оборудования.

Электронные регуляторы в зависимости от типа двигателя, классифицируются:

  1. Для коллекторных моделей
  2. Для безколлекторных бездатчиковых
  3. Для безколлекторных с датчиками Холла.

Также все регуляторы оборотов электродвигателя различаются в зависимости от максимального рабочего тока, напряжения батареи, работы с аккумуляторами различного типа.

Регуляторы, предназначенные для безколлекторных устройств, не только управляют мощностью, но и определяют положение ротора в каждый момент времени для того, чтобы правильно задать фазы трех питающих напряжений, необходимых для работы мотора.

Регуляторы для коллекторных моторов могут быть подсоединены к нескольким моторам, параллельно или последовательно с условием, что суммарный ток не превышает максимальный ток, рассчитанный на данный регулятор.

Регуляторы, предназначенные для электрических двигателей водоплавных судов, оснащены дополнительной защитой от влаги и имеют жидкостное охлаждение.

Регуляторы, применяемые в автомобилях, оборудованы радиатором воздушного охлаждения и реверсом направления вращения.

Некоторые модели регуляторов имеют на корпусе кнопки для изменения параметров, другие настаиваются с помощью аппаратуры.

Основные настраиваемые функции регуляторов:

  • Гувернер – режим регулирования не мощности, а оборотов. При изменении нагрузок, контроллер добавляет или уменьшает мощность.
  • Режим старта – быстрый, плавный, жесткий.
  • Для устройства с редукторами или тяжелыми лопастями – режим, замедляющий набор оборотов при его старте.
  • Настройка времени набора оборотов от ноля до максимума – т.е. ускорение или задержание.
  • Настройка режима газа – зависимость оборотов мотора от ручки газа. Может быть оснащена автокалибровкой.
  • Функция тормоз – включение/выключение режима торможения. В некоторых контроллерах есть функция регулировки усилия торможения от 0 до 100%.
  • Функция реверс – включение и выключение режима реверса.
  • Настройка ограничения тока — устанавливает максимальную силу тока, при превышении которой, агрегат отключается автоматически.
  • Функция напряжение выключение мотора – устанавливает минимальное напряжение аккумуляторной батареи. В целях защиты батареи от глубокого разряда, отключает ее от двигателя.
  • Функция тип выключения мотора – мягкое или жесткое выключение при срабатывании защиты.
  • Настройка частоты импульсов позволяет улучшить линейность регулирования частоты вращения. Применяется в основном для 3-4-витковых низкоиндуктивных моторов.
  • Функция опережение – устанавливает угол опережения коммутации обмоток.

Как уменьшить обороты или как увеличить обороты электродвигателя? Для этого нужно произвести изменение напряжения на обмотках статора. Зависимость напряжения от частоты вращения близка к линейной.

Для изменения числа оборотов коллекторного устройства с независимым возбуждением нужно поменять напряжение на обмотках ротора, при этом не меняя напряжение на обмотке статора.

Для регулирования частоты вращения с последовательным возбуждением, питающегося от сети переменного тока, применяют тиристорный регулятор.

Принцип работы асинхронного двигателя

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:

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *