Как меняют скорость вращения электродвигателя
Перейти к содержимому

Как меняют скорость вращения электродвигателя

  • автор:

Все о частотных преобразователях

Частотные преобразователи — это устройства для плавного изменения частоты вращения синхронных и асинхронных двигателей посредством изменения частоты питающего тока.

В современной технике благодаря простоте конструкции и обслуживания, небольшим габаритам, высокой надёжности, и низкой стоимости огромное распространение получили именно асинхронные электродвигатели.

При работе различных устройств, в качестве привода которых применяются асинхронные электродвигатели, часто возникает необходимость в регулировании их скорости вращения.

Исходя из формулы n = (1 — S)60f/p где n — скорость вращения ротора, S — скольжение, f — частота питающей сети, p — количество пар полюсов.

Существует три способа регулирования скорости вращения асинхронного двигателя:

  • — изменение скольжения. Этот способ используется в двигателях с фазным ротором. В цепь фазного ротора вводится регулировочный реостат. При использовании этого способа можно получить большой диапазон регулирования частоты вращения в сторону понижения. Однако этот способ имеет, и ряд недостатков, основным из которых является большие потери на регулировочном реостате (нагрев) т.е. снижение КПД. Как следствие этот способ применяют для кратковременного снижения частоты вращения.
  • — изменение числа пар полюсов. Этот способ предполагает использование специальных двигателей (многоскоростных) имеющих более сложную обмотку статора, позволяющую изменять число пар полюсов, и короткозамкнутый ротор. Недостатком этого метода является ступенчатое регулирование (3000, 1500, 1000, 750, 600 об/мин – 1,2,3,4,5 обмотки с 1,2,3,4,5 парами полюсов соответственно), большая стоимость и громоздкость двигателя.
  • — изменение частоты питающего тока (напряжения). На практике этот метод, в общем случае (самый простой), предполагает вместе с частотой изменять и действующее значение подведенного напряжения таким образом, что бы отношение U/f было постоянно. Это (изменение входного напряжения) делается для сохранения перегрузочной способности двигателя с изменением частоты сети.

В приводах центробежных насосов и вентиляторов, которые являются типичными представителями переменной механической нагрузки (момент нагрузки возрастает с увеличением скорости вращения) используется функция напряжения к квадрату частоты U/f 2 = сonst.

В более совершенных частотных регуляторах для управления скоростью вращения и электромагнитным моментом двигателя независимо, используется так называемое векторное управление. При этом виде управления необходимо управлять амплитудой и фазой статорного тока (т.е. вектором) в зависимости от положения ротора относительно обмотки статора в каждый момент времени.

Применение частотных регуляторов. Зачем нужен частотный регулятор?
Асинхронные двигатели имеют ряд недостатков (сложность регулирования скорости вращения, большие пусковые токи, относительно малый пусковой момент). Однако благодаря своей простоте, надежности и дешевизне получили огромное распространение в промышленности и быту. Применение же частотных регуляторов «устраняет» недостатки асинхронных двигателей и кроме этого позволяет избежать установки различного дополнительного оборудования, уменьшить потери в технологическом процессе, увеличить КПД самого двигателя, уменьшить износ, как самого двигателя, так и оборудования использующегося в данном технологическом процессе.

Рассмотрим более детально применение частотных регуляторов на примере насосного оборудования. Потери в технологической системе зависят от нагрузки создаваемой потребителями (на неё мы влиять не можем) и гидравлическим сопротивлением элементов этой системы. Так поддержание давления у потребителей на постоянном уровне при изменяющейся нагрузке, возможно только при использовании дополнительного оборудования (различных регуляторов давления, мембранных баков, дроссельных задвижек). Использование этого оборудования создает дополнительное гидравлическое сопротивление и как следствие снижает КПД системы в целом. При использовании частотного регулятора двигатель сам регулирует давление в сети посредством изменения частоты вращения. Кроме того при снижении технологической нагрузки уменьшая частоту вращения насоса, КПД самого насоса тоже возрастает. Таким образом достигается как бы двойной эффект увеличивается КПД системы в целом, за счёт исключения из системы лишнего гидравлического сопротивления и увеличение КПД самого насоса как агрегата.

Применение частотного регулятора также значительно снижает эксплуатационные затраты связанные с износом оборудования. Плавное регулирование вращения (и плавный пуск) практически полностью позволяют избежать как гидравлических ударов, так и скачков напряжения в электросети (особенно актуально в системах, где предусмотрен частый пуск/остановка насоса).

Общие сведения об электрических машинах — Изменение скорости вращения путем изменения первичного напряжения и другие

Скорость вращения двигателя можно регулировать путем изменения (уменьшения) напряжения на его зажимах. Это основано на зависимости M = f(s) (185), которую, предполагая постоянными параметры двигателя и неизменной частоту приложенного напряжения в пределах по s
На рисунке 176 даны кривые вращающих моментов двигателя при различных значениях первичного напряжения; если скольжение s1 соответствует работе двигателя при напряжении.

Рис. 176. Механические характеристики асинхронного двигателя при различных величинах напряжения.

Как видно, диапазон регулирования скорости вращения, равной (1—s), весьма невелик. Расширение диапазона регулирования получается при более пологих механических характеристиках, то есть в двигателях с большим значением sK. Но следует помнить, что потери, возникающие во вторичной цепи, равны мощности скольжения [см. формулу (159)]. К недостаткам относится также и то, что при
снижении напряжения пропорционально его квадрату падает перегрузочная способность двигателя. К достоинствам этого способа относятся возможность применения его к короткозамкнутым двигателям, плавное регулирование скорости вращения, простота и надежность в работе. Напряжение на зажимах двигателя при неизменном напряжении сети изменяют при помощи установленных между сетью и статором двигателя регулируемого автотрансформатора или управляемых дросселей насыщения. При изменении значения постоянного тока подмагничивания индуктивное сопротивление дросселей изменяется, что вызывает изменение напряжения на зажимах двигателя.
Ухудшение охлаждения самовентилируемых двигателей при снижении скорости вращения приводит к необходимости повышать номинальную мощность двигателя (увеличивать габарит регулируемого двигателя по сравнению с нерегулируемым). Степень завышения мощности зависит от формы механической характеристики двигателя (ее пологости в области рабочих режимов), вида статической нагрузки и диапазона регулирования.
Выбор электродвигателя по мощности, дросселей насыщения или автотрансформатора для регулируемого привода представляет собой самостоятельный вопрос, рассматриваемый в курсах электропривода и в периодической литературе.
Способы регулирования скорости вращения изменением напряжения перспективны прежде всего для приводов с вентиляторной характеристикой момента, механизма или постоянным моментом, но при малом диапазоне регулирования. Такие приводы достаточно распространены в сельскохозяйственном производстве.
Метод регулирования скорости вращения изменением напряжения применяется также для двигателей с фазным ротором, причем в этом случае для получения более пологих механических характеристик двигателя в цепь ротора включают добавочные сопротивления.

Другие способы регулирования скорости вращения

Рассмотренные способы регулирования скорости вращения можно отнести к наиболее распространенным. Из возможных других можно назвать способ регулирования скорости вращения двигателя с фазным ротором при включении в цепь ротора индуктивных сопротивлений, наглухо присоединенных к цепи ротора и размещенных на одном валу с ним (двигатель Розова, рис. 178), а также способ импульсного регулирования. При импульсном регулировании непрерывно включают двигатель в сеть и отключают его от сети или при помощи контактора К шунтируют сопротивления, включенные между сетью и статором двигателя (рис. 179).
Двигатель с индуктивными сопротивлениями в роторе
Рис. 178. Двигатель с индуктивными сопротивлениями в роторе:
а — электрическая схема; б — внешний вид; в — конструкция индуктивного сопротивления; 1 — катушка; 2 — корпус диска; 3 — крышка.

Рис. 179. Схема импульсного регулирования скорости вращения асинхронного двигателя.

В зависимости от частоты и продолжительности импульсов двигатель работает с некоторой приблизительно постоянной скоростью вращения. Регулирование сопряжено с ухудшением энергетических показателей, сопровождается толчками токов и применяется только для двигателей весьма малой мощности.

Эксплуатация электрических машин и аппаратуры — Изменение скорости вращения ротора асинхронного двигателя

В условиях эксплуатации электроустановок иногда возникает необходимость изменить поминальную скорость вращения ротора короткозамкнутых двигателей. В ряде случаев переключение данной обмотки статора двигателя на другое число полюсов предпочтительнее, чем перемотка двигателя на другую скорость, так как переключить обмотку можно сравнительно быстро без затраты обмоточного провода. Можно переключать на большую и меньшую скорость вращения обмотки двигателей присоединением в лобовых частях.
Переключать асинхронные двигатели на большую скорость вращения можно при однослойной и двухслойной обмотке на статоре.
При наличии на статоре однослойной обмотки (двухплоскостной или цепной не «вразвалку») увеличить скорость вращения ротора двигателя можно лишь вдвое. Число пар полюсов исходной обмотки должно быть четным, то есть скорость вращения до его переключения должна быть примерно 1500 и 750 об/мин. Увеличение скорости вращения ротора двигателя с однослойной обмоткой на статоре достигается изменением направления тока в получастях фаз на каждых четырех соседних полюсах исходной обмотки. При переключении двигателя с 1500 на 3000 об/мин (синхронных) достаточно изменить направление токов в полуфазах обмотки. На рисунке 101 показана принципиальная схема переключения одной фазы двигателя с однослойной обмоткой на вдвое большую скорость вращения.
При переключении статорной обмотки на меньшее число полюсов изменяется градусное выражение зубцового деления.

Поэтому начало средней фазы переносится в другую катушечную группу, чтобы и при большей скорости вращения получить пространственное смещение фазных обмоток в 120 эл. градусов.

Рис. 101. Принципиальная схема переключения фазы двигателя с меньшей (а) на большую (б) скорость вращения.
Переключение асинхронных двигателей с однослойной обмоткой на большую скорость вращения приводит к значительному искажению магнитного поля. По этой причине переключенный двигатель при пуске застревает примерно на 1/7, новой номинальной скорости вращения. Для устранения явления задержки ротора при разбеге двигатель нужно пускать на меньшей скорости, а затем переключать на большую. В этом случае получается двухскоростной двигатель с девятью свободными концами обмотки статора. Принципиальная схема двухскоростного двигателя показана на рисунке 102. Для управления двигателем можно использовать многоконтактный пакетный переключатель или два трехполюсных переключателя, как показано на рисунке 102. Для пуска оба переключателя замыкают в верхнее положение, и двигатель разворачивается на меньшей скорости. Затем переключатели одновременно переводят в нижнее положение, двигатель переходит на большую скорость вращения.

Рис. 102. Принципиальная схема двухскоростного двигателя, полученного из односкоростного с однослойной обмоткой статора.
Переключение двигателя на большую скорость вращения сопровождается изменением индукции и магнитного потока машины. В результате немного увеличивается нагрев статора. Мощность К. п. д. и cosφ двигателя после переключения на большую скорость при номинальном напряжении не изменяются.
При двухслойной обмотке статора скорость вращения двигателя можно увеличить вдвое (при четном числе полюсов) и на ближайшую большую синхронную скорость.
Для увеличения скорости вращения двигателя вдвое необходимо увеличить число катушек в катушечной группе, что достигается последовательным соединением двух соседних катушечных групп в исходной обмотке.

При изменении скорости двигателя на ближайшую большую, например с 1000 на 1500 об/мин, нужно перегруппировать катушки в соответствии с новым числом полюсов обмотки. Для этого следует разъединить некоторые в определенных местах расположенные катушечные группы, чтобы образовать новые с требуемым числом катушек в них. Если обмотка при 1000 об/мин имела в группе по две катушки, то после переключения на 1500 об/мин катушечные группы должны содержать по три катушки. Для получения таких групп шесть групп исходной обмотки, равномерно расположенные по расточке статора, надо разъединить на две катушки и последовательно присоединить по одной к группам, расположенным справа и слева от расчлененной группы.
После образования групп с определенным числом катушек в них соединяют фазы обычным образом для двухслойных обмоток. В результате переключения получается обычная двухслойная обмотка с очень сильным укорочением шага. Это укорочение тем больше, чем на более высокую скорость переключен двигатель.
При неизменном напряжении на фазе двигателя после его переключения значительно возрастает индукция в статоре к ток холостого хода, что в ряде случаев вызывает нагрев к снижает cosφ двигателя. Для устранения этого требуется снижать напряжение на виток, что может быть достигнуто за счет переключения фаз с треугольника на звезду или уменьшения числа параллельных ветвей. При этом мощность двигателя уменьшается. За счет возможного увеличения тока при большей скорости вращения можно несколько повысить допустимую мощность двигателя после переключения при удовлетворительных значениях к. п. д. и соsφ.
Разбег двигателя после переключения на большую скорость удовлетворительный, так как характер магнитного поля не изменяется.
Асинхронный двигатель переключают на меньшую скорость вращения только при двухслойной обмотке на статоре при укороченном шаге. Если шаг обмотки такой Величины, что степень укорочения его при большей скорости вращения не меньше степени удлинения при меньшей скорости, то после переключения обмотки получаются удовлетворительные результаты работы двигателя.
Уменьшить скорость вращения двигателя с двухслойной обмоткой можно вдвое и на ближайшую меньшую синхронную скорость, например, можно переключать с 1500 на 1000 об/мин или с 1000 на 750 об/мин. Для переключения на меньшую скорость вращения необходимо расчленить в лобовых частях катушечные группы исходной обмотки, образовать новые группы с числом катушек в них, соответствующим уменьшенной скорости (большему числу полюсов). Если обмотка при 1500 об/мин имела группы из трех катушек, то при переключении на 1000 об/мин нужно образовать группы по две катушки. Вновь полученные группы для двухслойных обмоток соединяют в фазы.
Уменьшение скорости вращения переключением данной обмотки сопровождается ростом индукции, тока холостого хода, нагрева двигателя при низких к. п. д. и cos φ.

Длительная работа двигателя в этих условиях невозможна. Условия тем тяжелее, чем больше снижается скорость вращения двигателя Для устранения этого нужно уменьшить витковое напряжение фазы двигателя. Этого можно достичь, перейдя на ближайшее меньшее стандартное напряжение, переходом от схемы соединения фаз треугольником к звезде и уменьшением параллельных ветвей в фазах.
При переключении двухслойной обмотки на меньшую скорость можно получить двухскоростной двигатель. Наиболее просто это сделать, если переключить скорости с отношением 2:1. Для этого исходная обмотка должна быть со значительно укороченным шагом и иметь по две параллельные ветви в фазах. Меньшая скорость вращения достигается изменением направления тока в соответствующих полуфазах обмотки. Для этого используют удобную схему двойная звезда — одинарная звезда с шестью свободными выводами обмотки. На высшей скорости двигатель работает по схеме двойная звезда, на меньшей — по схеме одинарная звезда.
Двигатель с обычной двухслойной обмоткой можно переделать в двухскоростной и с другим соотношением скорости, например 3:2. Такой двигатель для изменения скорости вращения требует сложного переключающего устройства

Частота вращения электродвигателя

Подавляющее большинство дерево- и металлообрабатывающих станков, насосов, конвейерных лент, тельферов, кран-балок, а также другое подъемное и производственное оборудование приводится в движение электродвигателями переменного тока.

Для безаварийной работы каждого из механизмов необходима правильно подобранная мощность привода и оптимальная скорость вращения вала двигателя.

Синхронная и асинхронная частота вращения электродвигателя

Трехфазное напряжение, подаваемое на обмотки статора, генерирует в нем подвижное магнитное поле, вращающееся с постоянной скоростью. Эта величина получила название «синхронная частота вращения», так как зависит от частоты тока питающего напряжения, а также количества пар полюсов. Она рассчитывается по формуле:

Nс=f*60/p, где:
Nс-количество оборотов магнитного поля статора в минуту (об/мин)
f- частота тока в питающей сети (Гц)
60-количество секунд в минуте
p- число пар полюсовэлектродвигателя

В питающих сетях с частотой тока 50 Гц максимальная синхронная скорость вращения магнитного поля статора асинхронных двигателей не может превышать значения 3000 об/мин. Такие характеристики присущи электродвигателям с одной парой полюсов, то есть таким, у которых каждая из трех обмоток имеет только по одной паре полюсов: «N» — северному и «S» — южному. Например, АИМУР 90 L2 IM1081; АИР 112 М2 IM2001; 5АИ 71 В2 IM3001 и другие.

Это обусловлено тем, что один полный оборот магнитного потока статора в каждой из обмоток совершается в течение одного периода изменения направления движения тока, то есть за 1/50 с. А значит, в минуту мы получаем те самые 3000 об/мин. С увеличением полюсов синхронная скорость уменьшается.Так, синхронная частота двигателей 5АИ 80 А4 IM1081 и 1MA6183-4BC равна 1500 об/мин, а двигателей 5АИ 355 L10 или АИР 250 S10 IM2001- всего 600 об/мин.

Фактическая (асинхронная) частота вращения вала двигателя всегда меньше ее синхронного значения. Это объясняется не только потерями на сопротивление воздуха и трением в подшипниках, но самим принципом работы асинхронных электрических машин.

Разница между этими величинами называется скольжением, выражается в процентах и рассчитывается по формуле:

s=((Nс-Nф)/Nc)*100), где
s — скольжение
Nс – синхронная скорость вращения магнитного потока статора
Nф – фактическая (асинхронная) частота

Для чего нужно знать частоту вращения вала электродвигателя

В процессе подбора привода следует следить не только за соответствием выбранной модели специфике использования и условиям эксплуатации, но и за тем, чтобы частота вращения асинхронного двигателя соответствовала мощности, необходимой для нормальной работы механизма.

Так, для подъемных механизмов (кран-балки, тельферы, лебедки, краны различных типов) высокая частота вращения ротора двигателяне нужна. На таких устройствах используются модели с синхронной скоростью от 600 до 1000 об/мин.

В тоже время особенности работы вентиляционных систем требуют, чтобы частота вращения ротора асинхронного двигателя была более высокой. Поэтому для их комплектации используются высокоскоростные электрические машины.

В зависимости от требуемых напорных характеристик и необходимой объемной подачи, насосное оборудование комплектуется двигателями с синхронной частотой вращения 1500 или 3000 об/мин.

Как определить частоту вращения двигателя

Данный параметр должен быть указан на шильдике электрической машины, также как и его мощность, КПД, схема соединения обмоток, потребляемый ток, коэффициент мощности ( cos φ ). Однако встречаются ситуации, когда информационная табличка отсутствует или ее состояние не позволяет прочитать требуемые данные.

Идеальным вариантом для определения асинхронной частоты вращения является проведение измерений с помощью механического или лазерного тахометра. Однако такие приборы редко можно найти даже на предприятиях. Определить,какая частота вращения удвигателя об/мин, можно и без дорогостоящего оборудования. Для этого достаточно вспомнить, что такое синхронная скоростьи от чего она зависит.

Чтобы найти искомый параметр, нужно узнать,сколько полюсов в двигателе. Это можно сделать простым аналоговым миллиамперметром в режиме измерения силы тока. На обесточенном двигателе, отсоединенном от приводимого механизма, снимаем крышку клеммной коробки. Находим начало и конец одной из обмотокстатора и подключаем к ним щупы прибора.

Делаем отметку на валу и начинаем его вращать в любую сторону, наблюдая за стрелкой миллиамперметра и считая количество ее отклонений от начального положения. Полученная величина укажет, сколько полюсов в испытуемом двигателе. Далее рассчитываем синхронную частоту Nс по приведенной выше формуле.

Регулирование частоты вращения двигателя

Иногда требуется изменить скорость вращения вала электрической машины. Это может понадобиться, если двигатель запускается под нагрузкой или в процессе эксплуатации необходимо кратковременно увеличить частоту вращения. Самым оптимальным вариантом можно считать включение в питающую сеть электродвигателя частотного преобразователя.

Более простым решением является установка двух или трехскоростных моделей и регулировка скорости вращения подключением разных групп обмоток. Но такой способ имеет два недостатка. Изменение скорости происходит не плавно, а ступенчато, и не может быть выполнено без остановки электродвигателя.

Если у вас не получается самостоятельно подобрать электродвигатель или вы сомневаетесь в правильности уже сделанного выбора, можно обратиться к техническим специалистам компании Кабель.РФ ® . После уточнения условий эксплуатации и назначения двигателя, они подберут оптимально подходящую марку и ее типоразмер.

Для оформления заказа позвоните менеджерам компании Кабель.РФ ® по телефону +7 (495) 646-08-58 или пришлите заявку на электронную почту zakaz@cable.ru с указанием требуемой модели электродвигателя, целей и условий эксплуатации. Менеджер поможет Вам подобрать нужную марку с учетом Ваших пожеланий и потребностей

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *