Работа асинхронных двигателей при пониженном напряжении

Влияние режима напряжения на работу асинхронных электродвигателей

Анализ зависимостей изменения величины дополнительных потей для различных типов двигателей от напряжения на их зажимах показывает что наиболее существенное влияние имеет значение коэффициента загрузки двигателя.

Установлено, что общим для рассмотренных двигателей является увеличение потребляемой реактивной мощности при увеличении подведенного напряжения.

Кроме того, удельное потребление реактивной мощности растет уменьшением коэффициента загрузки.

Для приближенных расчетов можно принимать, что для наибо распространенных трехфазных двигателей серии 4А мощностью 20 — 100 кВт повышение напряжения на 1% приводит к росту реактивной мощности приблизительно на 3%. Для двигателей меньшей номинальной мощности cоответствующее увеличение потреблямой реактивной мощности достигает 5 — 7%

При изменении напряжения на зажимах двигателя изменяется скольжение, а следовательно, и скорость вращения.

При снижении напряжения скорость вращения двигателей заметно снижается, особенно для двигателей меньшей мощности. Наоборот, повышение напряжения приводит к увеличению скорости двигателелей.

При работе двигателей с малыми коэффициентами загрузки влият изменения напряжения на скорость двигателей практически очень мало.

При оценке влияния изменения напряжения на экономичность работы асинхронных двигателей следует учитывать стоимость дополнтельных потерь электроэнергии, вызванных отклонением напряжения увеличение реактивной мощности, потребляемой двигателем, а также изменение экономических показателей, связанных с влиянием изменения скорости вращения на производительность соответствующих механизмов.

В настоящее время отсутствует единая методика оценки экономичности работы асинхронных двигателей. Некоторые специалисты вообще отрицают целесообразность и возможсть практического выполнения подобных расчетов, мотивируя это что изменение активной и реактивной мощности, потребляемой двигателем при относительно небольших отклонениях от номинального напряжения, мало, а влияние изменений скорости двигателей на (производительность механизмов в этих условиях практически вообще отсутствует и не может быть даже замечено.

В то же время имеются данные о том, что правильная оценка влияния изменений напряжения на экономичность работы асинхронных электродвигателей в ряде случаев позволяет получить существенный эффект.

Если влияние скорости вращения двигателя на производительность механизмов имеет место, то напряжение на зажимах двигателей должно поддерживаться не ниже номинального при малых коэффициентах грузки, и в пределах наибольшего допустимого значения при больших коэффициентах загрузки (близких к номинальной).

При отсутствии влияния скорости вращения двигателя на производительность механизмов целесообразно поддерживать напряжение на зажимах двигателей не выше номинального при больших коэффициентах загрузки и ниже номинального при малых коэффициентах загрузки.

Экономические характеристики могут быть построены как для отдельных электроприемников, так и для узлов распределительной сети или для узлов нагрузки электрических систем.

Размещено компанией ООО «ЭЛТЕХКОМ-ЕК» [03.12.2009]

Источник

Работа асинхронных двигателей при пониженном напряжении

§ 4.22. РАБОТА АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ ПРИ НЕНОМИНАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ

Изменение частоты. При питании асинхронного двигателя от автономного источника электроэнергии небольшой мощности (транспортные установки, передвижные электростанции) частота и напряжение сети, к которой подключают двигатель, могут отличаться от номинальных. Рассмотрим влияние изменения частоты на работу двигателя при условии, чтонапряжение U 1 = U ном = const.

Если принять U 1 ≈ Е l , то согласно (4.2)

Ф m = U 1 /(4,44f 1 w 1 k o61 ).

Из (4.29) имеем, что

I 2 = М/(с м Ф т cos ψ2).

Следовательно, изменение частоты f 1 приводит к изменению потока Ф т и соответствующему изменению тока ротора I 2 и нагрузочной составляющей I’ 2 тока статора. При уменьшении частоты магнитный поток и ток холостого хода I 0 увеличиваются, причем ток I 0 из-за насыщения стали магнитопровода возрастает быстрее, чем магнитный поток. Обычно уменьшение частоты f 1 на 10 % вызывает увеличение тока I 0 на 20—30%. Поскольку ток I 0 является практически реактивным, это приводит к снижению коэффициента мощности двигателя.

При увеличении частоты f 1 пропорционально возрастает частота вращения п 2 . Если нагрузка двигателя имеет «вентиляторную» характеристику, то нагрузочный момент возрастает пропорционально квадрату или кубу частоты вращения, т. е. частоты f 1 . Кроме того, магнитный поток Ф т уменьшается обратно пропорционально изменению частоты. Все это, согласно (4.106), приводит к резкому увеличению тока I 2 . При возрастании частоты на 10% ток ротора двигателя, вращающего вентилятор, увеличивается примерно в 1,5 раза, что может привести к перегреву двигателя.

При неизменном нагрузочном моменте увеличение частоты повышает опасность нарушения устойчивости двигателя, так как снижается максимальный момент двигателя пропорционально f 1 2 . Таким образом, отклонение частоты f 1 от номинального значения приводит к ухудшению условий работы двигателей и поэтому частота не должна отличаться (согласно ГОСТу) от номинальной более чем на 5%.

Изменение напряжения. Обычно асинхронные двигатели рассчитывают так, чтобы при номинальном режиме они имели КПД и cos φ 1 , близкие к максимальным. Кроме того, максимум КПД достигается, когда постоянные потери — механические и в стали равны переменным потерям в обмотках (см. § 4.9). Поэтому влияние изменения напряжения является неоднозначным и зависит от нагрузки на валу двигателя.

При увеличении напряжения возрастает магнитный поток и, следовательно, увеличиваются ток холостого хода и магнитные потери в стали магнитопровода. Вследствие этого КПД и cos φ 1 двигателя уменьшаются. Уменьшение напряжения опасно тем, что пропорционально квадрату напряжения изменяется максимальный вращающий момент двигателя и при большом моменте нагрузки может произойти нарушение устойчивости двигателя.

Читайте также:  Двигатель на малых оборотах работает рывками

Однако при частичной нагрузке, когда нет угрозы нарушения устойчивости, уменьшение напряжения может оказаться благоприятным, так как пропорционально напряжению уменьшаются магнитный поток Ф m , ток холостого хода и магнитные потери в стали магнитопровода, вследствие чего КПД и cos φ 1 могут возрасти.

Рис. 4.72. Зависимости КПД и cos φ 1 асинхронного двигателя от питающего напряжения

На рис. 4.72, а показаны кривые зависимости КПД от напряжения сети для двух значений мощности двигателя Р = Р ном и 0,6Р ном . Каждой нагрузке соответствует оптимальное напряжение, при котором постоянные потери равны переменным. Чем меньше нагрузка, тем меньше оптимальное значение напряжения. Коэффициент мощности двигателя при нагрузках, меньших номинальной, также может возрастать с уменьшением напряжения и для каждой нагрузки существует напряжение, при котором коэффициент мощности имеет максимум (рис. 4.72,б). Таким образом, желательно при частичных нагрузках снижать напряжение питания, для того чтобы КПД и cos φ 1 поддерживались на высоком уровне.

Рис. 4.73. Круговые диаграммы асинхронного двигателя при номинальном и пониженном напряжении

На рис. 4.73 показаны круговые диаграммы двигателя при номинальных напряжении и нагрузке (а) и при пониженном напряжении и частичной нагрузке (б). При понижении напряжения уменьшается ток холостого хода и диаметр окружности токов. В обоих случаях значение cos φ 1 близко к максимальному, так как вектор тока Í 1 расположен по касательной к окружности токов. Если двигатель длительное время работает с нагрузками менее 0,5Р ном , то обычно бывает выгодным иметь устройство, регулирующее напряжение (например, трансформатор с регулированием под нагрузкой). В простейшем случае можно изменять фазное напряжение двигателя, переключая его обмотки с соединения Δ (при номинальной нагрузке) на Y (при малой нагрузке).

Рис. 4.74. Рабочие характеристики асинхронного двигателя при соединении обмотки статора по схемам Y и Δ

На рис. 4.74 показаны кривые относительных значений I 1 , η и cos φ 1 для двигателя мощностью 28 кВт при таком переключении. Недостатком такого метода является ступенчатое изменение напряжения. Следует иметь в виду, что при включении обмоток двигателя по схеме Y его максимальный момент, пропорциональный квадрату напряжения, уменьшается в три раза. Следовательно, такое переключение можно производить, если нагрузка двигателя равна или меньше 30% от номинальной.

Несимметрия напряжения. Несимметричную систему трехфазных напряжений можно разложить на симметричные составляющие прямой, обратной и нулевой последовательности (см. гл. 2) и проанализировать влияние каждой из них на работу двигателя. ГОСТ допускает несимметрию напряжения (отношение напряжения обратной последовательности к номинальному напряжению) до 2%.

Рис. 4.75. Зависимости моментов асинхронного двигателя от скольжения

Система напряжений обратной последовательности создает магнитное поле, вращающееся в противоположную относительно ротора сторону с частотой вращения n обр = 60f 1 р = |n 1 |.

Вследствие этого скольжение ротора относительно обратного поля s обр = (n 1 — n 2 )/n 1 = [n 1 + n 1 (1 — s)]/n 1 ≈ 2, так как скольжение асинхронного двигателя в установившемся режиме s ≈ (0,01 ÷ 0,05). Следовательно, обратное поле создает тормозящий момент М обр , а токи обратной последовательности создают дополнительные потери, увеличивающие нагревание обмоток и снижающие КПД.

На рис. 4.75 показана зависимость моментов асинхронного двигателя от скольжения. Из нее следует, что под влиянием токов обратной последовательности результирующий момент двигателя М рез снижается и скольжение при том же нагрузочном моменте М н на валу возрастает.

Рис. 4.76. Зависимость КПД двигателя от несимметрии пи­тающего напряжения

На рис. 4.76 показаны зависимости КПД от асимметрии напряжения для одного из двигателей общего применения мощностью 5,5 кВт. При несимметрии напряжения 2% КПД снижается примерно на 2%, а при 4% почти на 5,5%. Следовательно, несимметрия питающего напряжения крайне нежелательна.

Обрыв фазы обмотки статора. При пуске трехфазного асинхронного двигателя с оборванной фазой создаются такие условия, как и в однофазном двигателе (см. § 4.17), т. е. его результирующий момент М рез = М пр — М обр = 0. Если ротор двигателя в момент обрыва находится во вращении, то М пр > М о6р и при М рез > М н двигатель продолжает вращаться, однако максимальный момент М max оказывается существенно меньшим, чем при неповрежденной фазе. При переходе двигателя в однофазный режим частота вращения практически

Рис. 4.77. Зависимости моментов асинхронного двигателя от скольжения при обрыве фазы обмотки ротора

не изменяется, поэтому мощность на валу также остается приблизительно одинаковой. Но отношение токов в этих режимах I 1 /I 3 = (3η 3 cos φ 3 )/(2η 1 cos φ 1 ), где индекс 1 относится к однофазному режиму, а 3 — к трехфазному. Поэтому при условии η 1 = η 3 и cos φ 1 = cos φ 3 ток I 1 в однофазном режиме в 1,5 раза больше, чем в трехфазном. В действительности КПД и cos φ в однофазном режиме уменьшаются по сравнению с трехфазным, вследствие чего ток I 1 возрастает в еще большей степени. Если двигатель работает при нагрузке, близкой к номинальной, то при обрыве фазы его ток становится значительно больше номинального и двигатель быстро перегревается и «выходит из строя».

Обрыв фазы обмотки ротора. При несимметрии сопротивлений фаз ротора возникает эффект одноосного демпфирования, подробно рассмотренный в § 6.14. В результате этого кривая момента двигателя в области s = 0,5 имеет провал. Значение этого провала может оказаться настолько большим, что двигатель при пуске под нагрузкой не достигает номинальной частоты вращения и «застревает» при n 2 ≈ 0,5п 1 . При обрыве одной из фаз ротора электромагнитный момент в области s = 0,5 отрицательный (рис. 4.77), вследствие чего двигатель не разгоняется до номинальной частоты вращения даже при пуске без нагрузки.

Источник

Общие сведения об электрических машинах — Работа трехфазного асинхронного двигателя в неноминальных условиях

Содержание материала

Работа трехфазного асинхронного двигателя в условиях, отличных от номинальных

Асинхронные двигатели, согласно ГОСТу 183—66, должны отдавать номинальную мощность при отклонениях напряжения сети от номинального значения в пределах от —5 до +10%. В том случае, когда от номинальных значений одновременно отклоняются напряжение и частота, асинхронные двигатели должны отдавать номинальную мощность, если сумма процентных значений этих отклонений (без учета знака этих отклонений) не превосходит 10%.
В условиях эксплуатации сельских электроустановок часты случаи отклонения напряжения сети от номинального значения; частота сети отличается от номинальной прежде всего при питании от автономных энергетических установок (дизельные электростанции совхозов, отдельных хозяйств, резервные электростанции небольшой мощности).
Рассмотрим влияние на работу трехфазного асинхронного двигателя отклонений напряжения и частоты от их номинальных значений.

Работа двигателя при напряжении, по величине отличном от номинального

Напряжение ниже номинального.

Согласно уравнению (141), без учета падения напряжения U1=E1 = cf1Ф. При понижении напряжения понижается магнитный поток, а следовательно, и ток холостого хода /о. Если двигатель должен развить тот же момент, что и при номинальном напряжении, причем Имеется в виду момент номинальный или близкий к нему, то, согласно уравнению (182), М=смФ12COSф2, возрастает ток ротора и составляющая тока статора. Поэтому в зависимости от насыщения двигателя может остаться тем же, уменьшиться (при преобладании влияния) или, как чаще всего бывает, возрасти. При уменьшении напряжения свыше 5% ток, как правило, растет.
Коэффициент мощности при уменьшении напряжения (в оговоренных вначале пределах) обычно увеличивается в соответствии с увеличением активной и уменьшением реактивной составляющих тока статора, скольжение возрастает, коэффициент полезного действия несколько падает, перегрузочная способность двигателя уменьшается.

Напряжение выше номинального.

При повышении напряжения выше номинального все происходит противоположно сказанному выше. В двигателях с большим насыщением стали намагничивающий ток вместе с увеличением напряжения может возрасти непропорционально напряжению и ток статора может увеличиться. В этом случае двигатель будет перегреваться как из-за нагрева стали, так и вследствие увеличения тока в обмотке статора.
Между напряжением на зажимах статора и рабочими характеристиками двигателя (кривыми момента, тока статора) нет простой аналитической зависимости из-за нелинейности кривой намагничивания двигателя и влияния насыщения на параметры машины. Эти вопросы требуют специального рассмотрения.
Переключение обмоток статора слабо нагруженного двигателя с треугольника на звезду. Как показано выше, при нагрузке двигателя, близкой к номинальной, снижение напряжения на его зажимах обычно приводит к перегрузке обмоток по току и влечет за собой уменьшение коэффициента полезного действия и перегрев обмоток.
Но при малых нагрузках двигателя (до 30—35% номинальной) снижение подводимого к двигателю напряжения может улучшить его энергетические показатели. В этом случае, несмотря на увеличение тока ротора, а следовательно, и составляющей тока статора, из-за малой нагрузки ток ротора может не превысить номинального значения. Между тем уменьшение намагничивающего тока и потерь в стали статора вследствие уменьшения магнитного потока благоприятно скажется на значении энергетических показателей — коэффициенте мощности cos ф1 и коэффициенте полезного действия.
В отдельных случаях асинхронные двигатели в условиях эксплуатации могут оказаться временно недогруженными в оговоренных выше пределах. Если обмотка статора таких двигателей нормально соединена в треугольник, то для улучшения энергетических показателей при работе двигателя обмотку статора целесообразно переключить на звезду, понижая таким образом фазное напряжение в 3 раз. Перегрузочная способность при малой нагрузке остается обычно достаточной.

Работа двигателя при частоте, отличной от номинальной

Поскольку при уменьшении частоты U1=E1 — cflФ, магнитный поток, а следовательно, и намагничивающий ток двигателя увеличиваются. Если двигатель должен развить тот же момент, что и при номинальной частоте, то активные составляющие тока ротора и тока статора уменьшаются, Снижается и коэффициент мощности cosф1. Ток статора обычно возрастает из-за преобладающего влияния увеличения намагничивающего тока. Увеличиваются в статоре потери электрические и в стали, охлаждение несколько ухудшается, так как скорость вращения ротора понижается, нагрев двигателя возрастает.
Увеличение частоты и соответствующее ему уменьшение магнитного потока приводят к уменьшению намагничивающего тока. Однако при постоянном моменте растет ток ротора; при определенных условиях ток статора может также возрасти. Изменение таких показателей, как коэффициент мощности cosф, потери в стали статора, скорость вращения двигателя, будет противоположным тому, как об этом говорилось выше при анализе работы двигателя на пониженной частоте.
Отклонения частоты от номинального значения в Электрических сетях обычно бывают небольшими, не превосходя ±1%. Такие колебания частоты не оказывают сколь-либо заметного влияния на работу асинхронного двигателя. По ГОСТу 183—66 двигатели должны отдавать номинальную мощность при отклонениях частоты от номинального значения до ±5%.

Работа двигателя при несимметричном напряжении сети

Возможная несимметрия напряжения в трехфазной сети предусматривается действующими электротехническими нормами, допускающими асимметрию напряжения до 5% (асимметрия напряжений оценивается отношением напряжения обратной последовательности к напряжению прямой последовательности.
Несимметричное напряжение в трехфазной сети наблюдается при присоединении ее к тяговым железнодорожным подстанциям. К потребителям, вызывающим появление заметной асимметрии напряжений в питающих линиях и сетях, обусловленной асимметрией токов в проводах, относятся однофазные электронагревательные установки и установки с однофазными контактно-сварочными аппаратами, сельские районы, электрифицированные по трехфазно-однофазной системе.
Не принимая во внимание насыщение двигателя, во время рассмотрения работы трехфазного двигателя при несимметричной системе напряжений, подводимой к его зажимам, используем метод симметричных составляющих. Поскольку нулевая точка соединенных в звезду обмоток асинхронного двигателя обычно изолирована, составляющая нулевой последовательности в токах q6motok не возникает, и на зажимах двигателя действуют (согласно теории симметричных составляющих) независимо друг от друга системы напряжений прямой и обратной последовательностей. В отдельных случаях, когда в системе первичных напряжений действует также система нулевой последовательности, по обмоткам статора двигателя могут проходить однофазные токи нулевой последовательности. Токи нулевой последовательности могут появиться в обмотках двигателя, соединенных в треугольник, при питании его от несимметричной системы напряжения вследствие неравенства сопротивления обмоток, как из-за неодинакового насыщения путей потоков рассеяния в разных фазах (приводит к изменению х1 и х2), так и из-за неодинакового нагрева обмоток (приводит к изменению). Но, поскольку токи нулевой последовательности не создают вращающегося магнитного поля и вращающего момента, при анализе работы двигателя их можно не принимать во внимание. Другими словами, и в этих случаях можно считать, что в системе первичных напряжений, подведенных к двигателю, нулевая последовательность как бы отсутствует.
Систему напряжений прямой последовательности можно рассматривать как ту, которая предполагалась приложенной к двигателю в условиях его питания от сети с симметричным напряжением. Теория рабочего процесса двигателя в этом случае достаточно подробно рассмотрена в предыдущих главах. Перенося положения этой теории на рассматриваемый случай, можно сказать, что система напряжений прямой последовательности вызывает в обмотках статора и ротора токи прямой последовательности, в свою очередь, образующие намагничивающие силы соответственно статора F11 и ротора F21 (дополнительный индекс, стоящий вторым, — это номер последовательности) и вращающееся поле Ф, в направлении которого движется ротор.
По аналогии система напряжений обратной последовательности, приложенная к обмоткам статора, вызывает в них токи статора обратной последовательности, создающие намагничивающую силу обратной последовательности, вращающуюся с той же скоростью, что и н. с. прямой последовательности F11, но в обратную сторону, так как токи имеют обратное чередование фаз. Поле, вызванное н. с. обратной последовательности, индуктирует в роторе токи обратной последовательности, создающие намагничивающую силу обратной последовательности ротора F22. В результате совместного действия н. с. F12 и F22 образуется общее магнитное поле обратной последовательности Ф2, идущее в сторону, противоположную движению ротора с синхронной скоростью.
Ухудшение работы двигателя при несимметричном напряжении сети связано с тем, что значение развиваемого двигателем момента, а следовательно, и мощности, по существу определяется только составляющей тока прямой последовательности, а нагрев двигателя зависит от значения тока, включая также составляющую обратной последовательности. Поэтому при несимметричном напряжении нагрев двигателя окажется выше, чем при той же нагрузке и питании его от сети с симметричным напряжением.
Результирующие токи в фазах статора, равные геометрической сумме токов прямой и обратной последовательностей, не одинаковы по значению, увеличиваясь в одних и уменьшаясь в других фазах по сравнению с симметричным режимом при той же нагрузке. При таком токораспределении длительную допустимую мощность можно установить на основе следующих рассуждений. При номинальном токе в наиболее нагруженной фазе статора, слагающемся из токов обеих последовательностей, значение электрических потерь в обмотке статора будет в целом меньше, чем при работе двигателя в номинальных условиях, когда номинальный ток проходит во всех трех фазах. При меньшем значении электрических потерь уменьшится отдача тепла, идущего от всех фаз статора на сталь, и, предполагая достаточную степень тепловыравнивания, можно считать, что температура стали статора будет меньше той, которая наблюдается при работе двигателя в номинальном режиме.
Следовательно, для наиболее нагруженной фазы можно увеличить перепад температуры между медью (проводом) и сталью по сравнению с симметричным режимом. Это позволяет установить значение тока наиболее нагруженной фазы выше номинального, чтобы температура обмотки (меди) наиболее нагруженной фазы при несимметрии оказалась равной температуре обмотки (меди) в симметричных условиях при номинальной нагрузке.

Как показали расчеты, проведенные для двигателей серии А, длительная допустимая мощность для двигателей до 7 квт (обмотка однослойная) типа А при а=5% снижается по сравнению с номинальной на 10—15%, при а=10%—на 25—45%, а для двигателей типа АО соответственно на 10—20 и 30—50%. Для двигателей мощностью от 10 кет и выше с двухслойными обмотками допустимая мощность выше, чем для двигателей с однослойными обмотками, соответственно на 5% при а = 5% и на 10% при а=10%.
При коэффициенте несимметрии напряжений а=1—2% длительная допустимая мощность ниже номинальной на 3—4%; в эксплуатации за счет теплового запаса в двигателях серии А этого снижения можно не делать.
Асинхронный двигатель, работающий в сети с несимметричным напряжением, как вхолостую, так и под нагрузкой создает уравновешивающий эффект, то есть стремится уменьшить несимметрию напряжений. Это объясняется тем, что токи обратной последовательности двигателя частично компенсируют в линии токи обратной последовательности нагрузки. Уравновешивающий эффект тем сильнее, чем меньше результирующее сопротивление обратной последовательности двигателя.

Источник

Adblock
detector