Трехфазный асинхронный двигатель с коротким ротором является наиболее распространенным типом электродвигателя в промышленности.
Преимуществом асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором является его простая конструкция и, как следствие, высокая надежность, низкие эксплуатационные расходы и выгодная цена. Это наиболее распространенный электродвигатель с возможностью питания от однофазной или трехфазной сети.
Асинхронный двигатель с коротким ротором также имеет хороший КПД.
Выбор мощности асинхронного двигателя
Мощность электродвигателя должна примерно соответствовать требуемой мощности ведомой машины. Однако мощность асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором обычно выбирается на треть выше расчетной. Таким образом, электродвигатель часто загружен только на 75% своей мощности.
Для этой меры есть причина. Глядя на изменение КПД асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором при разных нагрузках, можно увидеть, что при нагрузке 75% КПД такой же, а иногда и лучше, чем при нагрузке 100%. При этой нагрузке в три четверти электродвигатель также имеет благоприятный коэффициент мощности cos φ.
Однако основными причинами этой меры являются более длительный срок службы электродвигателя, поскольку он испытывает меньшую тепловую нагрузку, а также резервный момент включения в случае пониженного напряжения.
Крутящий момент трехфазного асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором зависит примерно от квадрата напряжения питания. При падении напряжения на 10 %, т.е. до 0,9 Uн, момент Mz снижается до значения 0,81 Mz, т.е. на 19%. Для электродвигателя с постоянной нагрузкой менее 75 % снижается КПД и ухудшается коэффициент мощности cos φ.
Характеристики асинхронного электродвигателя с КЗ ротором
Решения из недавней практики
В столярном цеху по производству деревянных окон и дверей после заготовки готовые деревянные детали шлифуют на плосколенточно-шлифовальном станке с шириной активной зоны 133 см. Отшлифованный объект протягивается через шлифовальный станок со скоростью 12 м·мин–1.
Во время шлифования шлифовальный станок приводится в движение двумя асинхронными электродвигателями с короткозамкнутым ротором. Н
ижний электродвигатль (роликовый привод) втягивает шлифуемый объект снизу, а второй электродвиагетль приводит в движение шлифовальную ленту (133 см) сверху, обеспечивая собственное шлифование. Измельчитель имеет номинальную мощность плиты P =29 кВт, ток I =56 А и напряжение U =380 В.
Станок был подключен от ГРЩ производственного цеха кабелем 4×35 мм2.
К измельчителю подсоединен вентилятор для отсоса мелких опилок, которые выбрасываются в бункер. Этот бытовой вентилятор имеет электродвигатель с номинальной мощностью P = 22 кВт, током I = 42,5/24,5 А, cos φ = 0,87, напряжением U = 400 В.
Этот электродвигатель также был подключен от производственных цехов главной подстанции кабелем 4 × 35 мм2. Оба кабеля имели длину около 40 м.
Мощности и токи этих машин
Для обеих машин были произведены измерения потребляемой мощности и силы тока, так как оказалось, что сечения питающих кабелей слишком велики для номинальной мощности.
Номинальная мощность станка 29 кВт – это сумма номинальных мощностей трех двигателей. Это двигатель привода детали мощностью 11 кВт, приводной двигатель шлифовальной ленты мощностью 15 кВт и двигатель подачи мощностью 3 кВт для регулировки зазора в соответствии с толщиной детали. Этот двигатель работает только при установке желаемого размера объекта перед шлифованием.
Другой двигатель участвует в процессе регулировки. Во время самозатачивания двигатель регулировки больше не работает.
При работающем шлифовальном станке измеренный ток холостого хода составил 23 А, при работающем вентиляторе измеренный ток составил 23,6 А, а потребляемая мощность составила 10,2 кВт.
Двигатель вентилятора мощностью 22 кВт изначально включался комбинацией пускателей для переключения схемы звезда/треугольник в соответствующем блоке управления, где имелась схема подключения с рекомендованным кабелем питания 4× 25 мм2 (реально подключенный кабель питания был сечением 4× 35 мм2).
Максимальная токовая защита электродвигателя была настроена на номинальный ток. Поскольку был измерен ток двигателя 23,6 А, как при работе двигателя на холостом ходу, так и при всасывании, можно было сделать вывод, что этот двигатель был значительно завышен по мощности при выборе - его расчетная мощность составляла около 40% от Pн (номинальной мощности), т.е. КПД η = 0,81, cos φ= 0,62.
После подключения к этому двигателю конденсаторы для компенсации реактивной мощности 8 кВАр его ток упал до 17 А.
Экспериментально к измельчителю был также подключены конденсаторы для компенсации реактивной мощности 16 кВАр, и ток питания упал с 23 А до 6,5 А на холостом ходу при эксплуатации, что примерно соответствует коэффициенту мощности cos φ = 0,28.
Токи холостого хода обеих машин
Общий ток обеих машин на холостом ходу колебался от 46 до 47 А, что также соответствует расчету: активный ток обеих машин: Ip = 0,28×23 + 0,62×23,6 = 21,1 А, реактивный ток обеих машин: Iq = 0,96 × 23 + 0,78 × 23,6 = 41 А, полный ток обеих машин: Is = √ (21,12 + 412) = 46 А, коэффициент мощности обеих машин на холостом ходу: cos φ = Ino / Is = 21,1/46 = 0,46
Ток обеих машин под нагрузкой
Готовые изделия, т.е. створки, окна и рамы, шлифуют только на небольшом участке. При размерах рамы 8 см фактическая поверхность земли составляет 16 см. Это означает, что шлифовальный станок во время шлифования нагружается лишь незначительно. Шлифовальная лента изношена неравномерно.
Чтобы износ шлифовальной ленты был одинаковым, на разных участках шлифовальной поверхности шириной 133 см шлифуются разные рамки.
При перемещении отшлифованного объекта ток обоих двигателей шлифовальной машины остается одинаковым. Имеются лишь незначительные неровности на проходящем наземном объекте. При прохождении наземного объекта ток увеличивается лишь частично.
При подключении к обеим машинам компенсирующих конденсаторов с реактивной мощностью 24 кВАр ток холостого хода упал до 23 А. Под нагрузкой, т.е. притиркой, он достиг значения 34,5 А. Это соответствует увеличению активного тока на 12,5 А и пропорционально мощности на P = 12,5 × 0,4 × √3 = 8,6 кВт.
Подключение двигателя вентилятора на схему звезды
При соединении треугольником через источник протекал ток 23,6 А, что соответствует величине тока, протекающего через обмотку Iv = 23,6/ √ 3 = 13,6 А. Поскольку этот ток меньше номинального (метка) ток двигателя при этом соединении со звездой (24,5 А), я решил подключить двигатель к звезде без возможности переключекния схемы на треугольник.
При ненагруженном двигателе потери в двигателе можно уменьшить за счет снижения напряжения питания. Отключив питание от реле времени для переключения, двигатель был постоянно подключен только для работы в режиме звезды.
Ток при пуске внезапно достиг 70 А. При подключении к звезде он стабилизировался на значении 15,4 А. Ток в обмотке при подключении к звезде больше, чем при подключении к треугольнику.
Напряжение, подключенное к звезде, составляет около 57% от напряжения, подключенного к треугольнику, что меньше, чем должно быть для данной мощности.
Подходящая величина напряжения приблизительно пропорциональна √P (от фактического отношения мощностей). Так как мощность двигателя составляет около 40%, то соответствующее напряжение для этой приведенной мощности будет √0,4, т. е. 63%Uн.
При снижении напряжения величина тока намагничивания уменьшается, что находится в прямой зависимости от напряжения сети.
При уменьшении тока намагничивания намагничивающее поле двигателя ослабевает и стабилизируется при заданной нагрузке при новом значении крутящего момента за счет увеличения активной составляющей. Однако увеличение тока с 13,6 до 15,4 А не сильно увеличит потери в обмотке. Однако потери двигателя уменьшатся за счет уменьшения потерь в железе.
Потребляемая мощность также снизится за счет снижения оборотов. Мощность вентилятора увеличивается с третьей степенью оборотов.
При увеличении частоты вращения двигателя на 1% мощность двигателя увеличивается на 1,03, т. е. на 3%.
Наоборот, при уменьшении оборотов на 1 % потребляемая мощность падает на 3%, что при КПД двигателя 81% соответствует снижению потребляемой мощности на 0,03/0,81 = 0,037, т. е. 3,7%. Незначительное снижение скорости не влияет на качество добычи.
Ток обеих машин при подключении вентилятора на схему звезды
При таком подключении ток обеих машин падал до значения 20,6 А при работе на холостом ходу и достигал значения 30 А под нагрузкой. Второй конденсатор на 8 кВАр был подключен в блоке управления непосредственно к двигателю вентилятора. Обе машины были подключены к общему питающему кабелю 5×16 мм2.
Суммарный ток
Когда оба станка работают на холостом ходу (без компенсации реактивной мощности), по питающей линии протекает ток 48 А, который во время шлифования увеличивается до 53 А.
Поскольку режим шлифования не свободен от колебаний, а имеет место в соотношении примерно 2:1 (т. е. два периода простоя на один период шлифования), суммарный ток всей некомпенсированной установки равен 48 А. Суммарный ток компенсируемой установки равен 24 А.
Суммарное значение тока оказывает такое же тепловое воздействие на кабель, как и переменное значение обеих составляющих. Затем из суммарного значения тока рассчитывается сечение питающего кабеля.
Оценка
Суммарный ток 48 и 24 А для работающей схемы показывает, насколько сложно подобрать сечение питающие кабелей по паспортным значениям.
В данном случае номинальный ток двигателя вентилятора составляет 43,5 А, а номинальный ток ленточно-шлифовальной машины составляет 56 А. Благодаря этому соображению удалось уменьшить сечение питающих кабелей указанных машин до треть обычной стоимости.
Вместо увеличенного двигателя мощностью 22 кВт было бы целесообразно использовать двигатель мощностью 11 кВт. Этот двигатель в текущей конструкции имеет КПД 89% в диапазоне нагрузок от 75 до 100%. Кроме того, при включении пусковой ток упадет примерно вдвое.
Применение индивидуальной компенсации для этих (как и других) станков предприятия дало экономию материала (меди).
При работе с трехфазными электродвигателями всегда существует риск обрыва одной из фаз, что может привести к серьезным повреждениям обмоток. Чтобы снизить этот риск и увеличить надежность работы оборудования, важно применять соответствующие меры безопасности.
Мы подробно рассмотрели мероприятия, направленные на уменьшение возможности повреждения обмоток при обрыве фазы в нашей статье. Ознакомьтесь с ними здесь: Мероприятия, уменьшающие возможность повреждения обмоток трехфазных двигателей при обрыве одной фазы
Яков Кузнецов
Смотрите также:
Механические и электрические характеристики асинхронных электродвигателей
Что такое реактивная мощность и как с ней бороться
