Что такое перегрузочная способность реактивного двигателя

Выбор двигателя для электропривода заслонки трубопровода

Пример. Требуется выбрать трехфазный асинхронный двигатель для электропривода заслонки трубопровода.
Частота вращения n₂ = 930 ± 20 об/мин.
Режим работы кратковременный t_p = 15 мин.
Статический момент сопротивления на валу двигателя реактивный M_c = 60 Н•м.
Способ монтажа IM1001.
Двигатель должен быть закрытого исполнения.
Климатические условия и место размещения УЗ.
Нагрузочная диаграмма кратковременного режима работы и график для определения коэффициента механической перегрузки:

Решение.

Асинхронный двигатель — это ➠

Определяем требуемую мощность двигателя по формуле:
кВт.

Выбираем двигатель серии 4А (основное исполнение), степень защиты IP44; постоянная нагревания Т_н = 30 мин, относительное значение времени рабочего цикла
t*=

По графику определяем коэффициент механической перегрузки p_М — 2,2.

Вычисляем мощность двигателя продолжительного режима, используемого в кратковременном режиме, по формуле:

где — мощность кратковременного режима;
— коэффициент механической перегрузки.
Тогда
кВт.

По каталогу двигателей серии 4А (основное исполнение) принимаем двигатель типа 4А112МВ6УЗ номинальной мощностью P_ном = 3,0 кВт, номинальным скольжением 5,5 %, перегрузочной способностью 2,2; кратность пускового момента 2.

Учитывая перегрузку двигателя, определяем частоту вращения при кратковременной нагрузке P_кр = 5,86 кВт
об/мин,
где — частота вращения двигателя в продолжительном номинальном режиме: об/мин.

Рассчитаем момент на валу двигателя, соответствующий кратковременной нагрузке P_кр = 5,86 кВт и частоте вращения n_кр = 893 об/мин:
Н•м,
т.е. момент на валу двигателя при кратковременной нагрузке P_кр = 5,86 кВт превышает заданное значение статического нагрузочного момента, M_кр > M_c → 62,34 > 60.

Вычисляем номинальный вращающий момент двигателя в продолжительном режиме:
Н•м.

Определяем максимальный момент двигателя:
Н•м.

Находим действительную перегрузочную способность двигателя:
.

При возможном уменьшении напряжения сети на 5 % перегрузочная способность составит 1,03 • 0,952² = 0,93.

Вычисляем пусковой момент двигателя: M_п = 30,3 • 2 = 60,6 Н•м, что превышает статический момент M_с = 60 Н•м. Значит, выбранный двигатель удовлетворяет требованиям электропривода по пусковому моменту и перегрузочной способности.

Выполняем проверку двигателя по минимальному моменту: для выбранного двигателя кратность минимального момента , значит, Н•м, а это меньше статистического момента нагрузки M_с = 60 Н•м.

Двигатель мощностью 3 кВт не прошел проверку по минимальному моменту, выбираем двигатель типа 4А112МВ6УЗ номинальной мощностью P_ном = 4,0 кВт, номинальным скольжением 5,1 %, перегрузочной способностью 2,2; кратность пускового момента 2.

Частота вращения при кратковременной нагрузке P_кр = 5,86 кВт:
об/мин,
где — частота вращения двигателя в продолжительном номинальном режиме: об/мин.

Момент на валу двигателя, соответствующий кратковременной нагрузке P_кр = 5,86 кВт и частоте вращения n_кр = 925 об/мин:
Н•м,
т.е. момент на валу двигателя при кратковременной нагрузке P_кр = 5,86 кВт превышает заданное значение статического нагрузочного момента, M_кр > M_c → 60,5 > 60.

Номинальный вращающий момент двигателя в продолжительном режиме:
Н•м.

Максимальный момент двигателя:
Н•м.

Находим действительную перегрузочную способность двигателя:
.

При возможном уменьшении напряжения сети на 5 % перегрузочная способность составит 1,514 • 0,952² = 1,37.

Пусковой момент двигателя: M_п = 41,3 • 2 = 82,6 Н•м, что превышает статический момент M_с = 60 Н•м. Значит, выбранный двигатель удовлетворяет требованиям электропривода по пусковому моменту и перегрузочной способности.

Проверяем двигатель по минимальному моменту: для выбранного двигателя кратность минимального момента , значит, Н•м, что превышает статистический момент нагрузки M_с = 60 Н•м.

Окончательно выбираем электродвигатель типа 4А112МВ6УЗ номинальной мощностью P_ном = 4,0 кВт.

Подобные расчеты

Рациональные зависимости регулирования напряжения и частоты синхронно-реактивного двигателя, работающего в системе электропривода с длительным режимом

Одним из важных вопросов теории частотного управления дви­гателем переменного тока, работающим в системе электропривода длительного режима, является определение зависимостей изменения величины напряжения и частоты на зажимах электродвигателя для получения устойчивой работы и обеспечения наилучших с точки зрения экономичности режимов в широком диапазоне регулирова­ния частоты (оптимальное регулирование).

Экономичность работы двигателя может быть достигнута, если при регулировании частоты напряжения питания двигателя потери в электродвигателе имеют минимальное значение, а устойчивость работы двигателя во всем диапазоне регулирования может быть обеспечена, если соответствующим образом изменять значение пере­грузочной способности путем регулирования величины напряжения на зажимах обмотки статора в зависимости от частоты.

Рассмотрим рабочие характеристики СРД при регулировании величины напряжения и частоты по указанной зависимости при условии, что момент, развиваемый двигателем, остается постоянным во всем диапазоне изменения скорости вращения и равным макси­мальному. На рис. 4 и 5 приведены изменения величин tg0MaKc и

Как ‘известно [Л. 13], зависимость оптимального регулирования напряжения и частоты для СРД, если пренебречь влиянием актив­ного сопротивления обмотки статора, может быть выражена сле­дующим соотношением:
tg (Знаке, соответствующих максимальному моменту, в функции от­носительной частоты при различных отношениях параметров xqjxd и г[ха.

О 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2

Рис. 5. Зависимости тангенса угла соответствующего мак­симальному электромагнитному моменту, от относительной ча­стоты « при различных отноше­ниях параметров х„ /х^ и rjx^

Рис. 4. Зависимости тангенса угла 6, соответствующего макси­мальному электромагнитному мо­менту синхронно-реактивного элек­тродвигателя, от относительной ча­стоты а при различных отноше­ниях параметров х /х^ и /7*^’

Из сравнения кривых рис. 4 и 5 видно, что для частотно-уп — равляемых СРД характерно уменьшение временного и пространст­венного углов ((Змакс, 6макс), соответствующих максимальным

электромагнитным моментам, при снижении частоты, причем это уменьшение углов более интенсивно при увеличении отношения г/хd И снижении Xq/Xd-

Уменьшение углов Рмакс И бмакс ПРИВОДИТ К Деформации формы угловой характеристики СРД [M=f(0)], повышению кру­тизны наклона кривой электромагнитного момента двигателя, улуч­шению условий самосинхронизации и устойчивости в работе.

Рис. 7. Зависимости коэффициента полезного действия от относитель­ной частоты при различных соот­ношениях х/хj и г/х^.

Полученные значения углов |3Макс, бмакс позволяют определить влияние изменения частоты на коэффициент мощности cos

2сон [у (* + 1) (6* + С*) + rj

Разделив (41) на (58), получим зависимость параметра у, ха­рактеризующего изменение величины напряжения, от частоты, обес­печивающую постоянную перегрузочную способность при Мэл. макс = = const:

При г=0 это выражение может быть записано в общеизвест­ном виде [J1. 131:

У = а, т. е. —^ = — = const. (60)

На рис. 10 представлены зависимости величины напряже­ния от частоты, обеспечивающие постоянство перегрузочной спо­собности СРД при различных соотношениях параметров xq/xd и г/ха и моменте сопротивления М

Из приведенных кривых видно, что зависимость регулирования величины напряжения и частоты по уравнению (59) значительно отличается от зависимости регулирования напряжения и частоты при пренебрежении активным сопротивлением обмотки статора [см. выражение (60), на рисунке—пунктирные прямые), особенно в об­ласти низких частот (а=00,1) при небольших значениях xq/xd и повышенных значениях г/ха-Ё этом случае расчеты по формуле (60), т. е. без учета влия­ния активного сопротивления, приводят к недопустимым погреш­ностям, превосходящим 100%.

Для того чтобы выявить особенности работы СРД в режиме постоянства перегрузочной способности (при постоянно]^ значении

Рис. 10. Зависимости напряже­ния от частоты в относительных единицах, обеспечивающие по­стоянство перегрузочной способ­ности ■ синхронно-реактивного двигателя при постоянном мо­менте сопротивления и различ­ных соотношениях X /X^ и r/xd.

момента сопротивления на валу), целесообразно сравнить этот режим с достаточно хорошо изученным ана­логичным режимом частотно-управ — ляемого асинхронного двигателя [Л. 3].

Как известно, при работе асин­хронного двигателя в режиме, харак­теризующемся постоянством перегру­зочной способности (при постоянном моменте сопротивления на валу) по всему диапазону регулирования, при снижении частоты магнитный поток двигателя существенно увеличивается и в пределе, когда частота прибли­жается к нулю, в несколько раз превосходит номинальное значение.

Для приблизительной оценки из­менения магнитного потока Ф асин­хронного двигателя при частотном управлении можно воспользоваться уравнением для максимального элек­тромагнитного момента

где sK — скольжение, соответствую­щее максимальному электромагнит­ному моменту при номинальной ча­стоте (критическое); k—постоянный коэффициент; г2′ и х2 — параметры ротора асинхронного двигателя.

Принимая во внимание, что для асинхронных электродвигателей небольшой мощности (до 10 кет) х2

(2-г- 4)г2′, и пренебрегая вели­чиной (*2’sKa) 2 в 30не низких частот, уравнение (61) можно запи­сать в следующем виде: Мэл. макс

Из уравнения (62) видно, что при изменении частоты в диапа­зоне 1—0,01 и при неизменном моменте двигателя его магнитный поток изменяется приблизительно в 10 раз.

Значительное увеличение магнитного потока сопровождается насыщением стали, чрезмерным возрастанием намагничивающего тока, потерь в меди и приводит к тому, что реализация режима ра-

боты асинхронного двигателя, обеспечивающего постоянство пере­грузочной способности по всему диапазону регулирования, затруд­нительна.

Нетрудно показать, что поведение СРД в режиме постоянства перегрузочной способности отличается от аналогичного режима асинхронного двигателя.

На основании уравнений (41) и (44) уравнение для максималь­ного электромагнитного момента СРД при переменной частоте можно представить в виде

тэл. макс СРД 2 о о—;———- > (63)

где k2 — постоянный коэффициент.

Если учесть, что обычно СРД конструктивно выполняется со значениями отношения индуктивных параметров в пределах xq[xd = = 0,5-ь 0,25, а кратность изменения tg (Змакс, соответствующего мак­симальному электромагнитному моменту в диапазоне регулирова­ния частоты 1 : 100, составляет 3—4 (см. рис. 5), из уравнения (63) следует, что магнитный поток двигателя при неизменном макси­мальном моменте изменяется приблизительно в 1,3—1,4 раза. Та­кое изменение магнитного потока не вызывает чрезмерного увеличе­ния намагничивающего тока, и, следовательно, получение больших диапазонов регулирования для СРД с постоянной перегрузочной способностью практически не встречает серьезных затруднений.

Таким образом, магнитный поток и ток СРД, работающего в режиме постоянства перегрузочной способности, возрастают не­значительно по отношению к их номинальным значениям и не при­водят к чрезмерному увеличению потерь при снижении частоты по сравнению с аналогичным режимом работы асинхронной машины.

Учитывая, что форсировка магнитного потока все же сопро­вождается увеличением тока двигателя, потерь и его нагрева, целе­сообразно рассмотреть режим управления величиной напряжения и относительной частотой, при котором магнитный поток изменяется пропорционально корню квадратному из момента нагрузки:

В этом случае при постоянном моменте нагрузки на валу маг­нитный поток двигателя остается неизменным при любом значении частоты напряжения питания и не приводит к увеличению намагни­чивающего тока и потерь.

Приравняв выражения для электромагнитного момента (66) и (37) и решив это равенство относительно параметра у, зависимость величины напряжения от частоты его изменения, обеспечивающую режим работы с постоянным, заданным значением магнитного по­тока, можно представить в следующем виде:

При г—О уравнение (67) преобразуется в уравнение — = const.

Нетрудно показать, что при регулировании величины напряже­ния и его частоты по зависимости, согласно которой магнитный по­ток двигателя изменяется по уравнению (64), момент, развиваемый двигателем, при заданной величине потока не зависит от частоты, а величина угла р сохраняется постоянной и равной номинальной.

Связывая величину момента, развиваемого двигателем, с его магнитным потоком, получаем

Подставляя в это выражение значение магнитного потока из уравнения (64), имеем

Это соотношение справедливо при условии, если tg|3=tgpH — Перегрузочная способность СРД при регулировании магнитного потока по соотношению (64) равна

^ __ ^эл. макс ___ tg

и остается неизменной при изменении момента нагрузки и частоты.

Анализ рабочих характеристик СРД при регулировании его магнитного потока по уравнению (64) показывает, что они полно­стью соответствуют характеристикам режима регулирования СРД но зависимости (52), если сопротивление обмотки статора двигателя равно нулю. В результате двигатель на всех частотах находится в условиях, наиболее близких к его работе при номинальной ча­стоте.

Как известно, система регулируемого электропривода с приме­нением СРД позволяет обеспечить синхронное вращение нескольких электродвигателей с неизменным углом р.

Для определения зависимости изменения величины напряжения и частоты, обеспечивающей постоянство угла |3, воспользуемся урав­нениями электромагнитного момента:

Разделив выражение (72) на (71), получим уравнение для оп­ределения указанной зависимости:

Режим работы СРД с постоянным углом (3 отличается от ре­жима работы с постоянным магнитным потоком тем, что с увели­чением момента нагрузки магнитный поток двигателя также увели­чивается.

Недостатком режима постоянства угла (3 является уменьшение по мере снижения частоты величины статической перегружаемости двигателя вследствие деформации угловых характеристик и измене­ния углов, соответствующих максимальному моменту двигателя.

Из уравнений (59), (67) и (73) видно, что, если пренебречь активным сопротивлением обмотки статора, можно получить зави­симость регулирования СРД, аналогичную по виду оптимальной зависимости регулирования для асинхронного двигателя. Эта зави­симость напряжения и частоты обеспечивает наибольшую экономич­ность, постоянную перегрузочную способность и постоянное значе­ние угла [3 при изменении частоты и нагрузки.

Приведенные выше зависимости регулирования напряжения и частоты, согласно которым перегрузочная способность или угол (3 могут принимать любые заданные значения (например, постоян­ные значения по всему диапазону регулирования) с учетом влия­ния активного сопротивления обмотки статора, показывают, что

оптимальный режим работы СРД не может быть обеспечен но всем указанным признакам (X=const, Ф = const, (3=eonst) при изменении частоты из-за влияния падения напряжения на активном сопротив­лении обмотки статора, деформации угловых характеристик [М = =/'(Р)] и изменения значения углов [3, соответствующих максималь­ному моменту двигателя.

Оптимальный режим работы СРД может быть получен, если при регулировании напряжения и частоты магнитный поток дви­гателя изменяется по зависимости (64).

При разработке схем управления электроприводами с частот­ным регулированием СРД возникает задача создания взаимосвязан­ного управления тремя параметрами: величиной напряжения, ча­стотой его изменения и моментом.

Реализация этих зависимостей изменения напряжения, частоты и момента двигателя в системах регулируемого электропривода с СРД осуществляется соответствующим построением схем управ­ления. Наиболее просто это достигается при условии, что система управления позволяет изменять величину напряжения и его частоту на зажимах СРД независимо друг от друга.

Область применения синхронных электродвигателей

Синхронные электродвигатели отличаются от асинхронных гораздо большей мощностью и полезной нагрузкой. Изменения тока возбуждения позволяет регулировать в них нагрузку. В отличие от асинхронных двигателей в синхронных при ударных нагрузках сохраняется постоянство частоты вращения, что позволяет их использовать в различных механизмах в металлургической и металлообрабатывающей промышленности.

Двигатели с синхронным типом действия способны развивать мощность до 20 тысяч кВт, что очень важно для приведения в действие исполнительных механизмов мощных обрабатывающих станков в машиностроении и других отраслях производства. Например, в высокопроизводительных гильотинных ножницах, где имеются большие ударные нагрузки на ротор электродвигателя.

Синхронные электрические двигатели с успехом используются в качестве источников реактивной мощности в узлах нагрузки для поддержания стабильного уровня напряжения. Довольно часто двигатели с синхронным принципом действия используются в качестве силовых машин в компрессорных установках большой производительности.

Мощные двигатели выполняются с использованием системы встречной вентиляции, при которой лопасти вентилятора расположены на роторе. Экономичный и надежный синхронный двигатель обеспечивает производительную и экономичную работу насосного оборудования.

Важной характеристикой синхронных электрических машин является сохранение постоянной скорости вращения, что важно для вращения приводов в виде насосов, компрессоров, вентиляторов, и различных генераторов переменного тока. Ценным также является возможность регулирования реактивного тока за счет вариаций тока возбуждения обмоток якоря. Благодаря этому увеличивается показатель косинуса φ при всех диапазонах работы, что увеличивает кпд двигателей и снижает потери в электрических сетях.

Сами двигатели с синхронным принципом действия устойчивы к колебаниям напряжения в сети, и обеспечивают постоянство скорости вращения при их возникновении. Синхронные электродвигатели при понижении питающего напряжения сохраняют большую перегрузочную способность, по сравнению с асинхронными. Способность к форсированию тока возбуждения при понижениях напряжения повышает надежность их работы при аварийных снижениях питающего напряжения в электрической сети.

Синхронные электрические машины рентабельны при мощностях свыше 100 кВт и основное применение находят для вращения мощных вентиляторов, компрессоров и других силовых установок. В качестве недостатков синхронных машин можно отметить их конструктивную сложность, наличие внешнего возбуждения обмоток ротора, сложность запуска и довольно высокие стоимостные характеристики.

Принцип действия синхронного электродвигателя основывается на взаимодействии вращения магнитного поля якоря с магнитными полями полюсов индуктора. Якорь обычно располагается на статоре, а индуктор на подвижном роторе. При больших мощностях полюсами служат электромагниты, при этом постоянный ток подается на ротор через скользящие кольцевые контакты.

В маломощных двигателях используются постоянные магниты, расположенные на роторе. Существуют также синхронные машины с обращенным принципом работы, когда якорь размещен на роторе, а индуктор на статоре. Однако такая конструкция применяется в двигателях старых конструкций.

Синхронные электрические машины могут работать в генераторном режиме, когда якорь расположен на статоре для удобства отбора генерируемого электричества. На этом принципе основаны мощные генераторы, работающие на гидроэлектростанциях.