Для чего используют реостат в фазном роторе

Реостатное регулирование

В трехфазных асинхронных двигателях с фазным ротором применяется реостатный способ регулирования частоты вращения ротора. Это достигается введением в цепь фазных обмоток ротора регулируемого трехфазного реостата, как при пуске двигателя. Но этот реостат должен быть рассчитан на длительную нагрузку током ротора, а не на кратковременную, как пусковой реостат. Увеличение активного сопротивления цепи ротора изменяет характеристику М_вр (s) — делает ее более мягкой. Если при постоянном моменте на валу двигателя увеличивать активное сопротивление цепи ротора путем постепенного увеличения сопротивления реостата (r_p1<r_p2<r_p3), то рабочая точка будет с одной кривой М_вр (s) на следующую, соответствующую возросшему сопротивлению цепи ротора, соответственно чему растет скольжение, а, следовательно, уменьшается частота вращения двигателя. Этим путем можно изменять частоту вращения ротора в пределах от номинальной до полной остановки. Недостатком такого способа регулирования являются относительно большие потери энергии.

Основные неисправности асинхронного двигателя с фазным ротором

Не развивает номинальную скорость вращения и гудит

Одностороннее притяжение ротора вследствие:

а) износа подшипников; б) перекоса подшипниковых щитов; в) изгиба вала

Плохо развивает скорость и гудит, ток во всех трех фазах различен и даже на холостом ходу превышает номинальный

1. Неправильно соединены обмотки и одна из фаз оказалась «перевернутой»

2. Оборван стержень обмотки ротора

Ротор не вращается или вращается медленно, двигатель гудит

Оборвана фаза обмотки статора

Вибрирует вся машина

1. Нарушено центрирование соединительных полумуфт или соосность валов

2. Неуравновешены ротор, шкив и полумуфты

Вибрация исчезает после отключения от сети, ток в фазах статора становится неодинаков, один из участков обмотки статора быстро нагревается

Короткое замыкание в обмотке статора

Перегревается при номинальных перегрузках

1. Витковое замыкание в обмотке статора

2. Загрязнение обмоток или вентиляционных каналов

1. Увлажнение или загрязнение обмоток

2. Старение изоляции

Заключение

Асинхронные электрические двигатели трехфазного типа с короткозамкнутым ротором широко используют в народном хозяйстве, однако такие двигатели обладают рядом недостатков: отсутствует плавное регулирование частоты вращения, большой пусковой ток и др. Но все это можно обойти, если же вместо ротора воспользоваться фазным ротором.

Подобающим образом устроен фазный ротор: трехфазная обмотка размещена в пазах ротора, (обмотка подобная обмотке статора); звездой соединены фазы обмотки ротора; начала фаз соединены с изготовленными из латуни или меди тремя контактными кольцами, которые в свою очередь укреплены на одном валу с ротором. Соответственно контактные кольца изолированы друг от друга и от вала. К контактным кольцам хорошо прижаты металло-графитные или угольные щётки, установленные на щёткодержателе, укрепленном на подшипниковом щите.

Для запуска двигателя с фазным ротором щётки соединяют с регулировочными или пусковыми реостатами. Эти самые реостаты дают возможность понизить пусковой ток, так как из-за них усиливается всеобщее сопротивление обмотки ротора.

Реостаты применяют для плавного регулирования частоты вращения двигателя, а также в изменении других рабочих характеристик.

Лекции Эл.привод / Lecture_10

При управлении напряжением изменяются действующие значения фазных напряжений обмотки статора. Согласно формуле (9.7) электромагнитный момент пропорционален квадрату напряжения. Семейство механических характеристик показано на рис. 10.1. Достоинством этого метода является простота схемы управления. К недостаткам относится то, что характеристики расположены неравномерно из-за квадратичной зависимости. Далее, при малом напряжении жесткость механической характеристики мала. Наконец, диапазон регулирования скорости вращения узкий – от номинальной до критической скорости.

Рис. 10.1. Механические характеристики асинхронного

двигателя при управлении напряжением.

Реостатное управление возможно у двигателей с фазным ротором. Трехфазная обмотка ротора такого двигателя выполняется медным изолированным проводом и подключена к трем контактным кольцам, установленным на валу. К этим кольцам прижаты три комплекта щеток, соединенных с трехфазным пусковым или регулировочным реостатом.

Из формулы для электромагнитного момента (9.7) следует, что момент М зависит от отношения r₂‘/s, а при наличии реостата в цепи ротора – от отношения (r₂‘ + r_р‘)/s. Например, если суммарное активное сопротивление в фазе ротора и скольжение увеличить в два раза, то электромагнитный момент не изменится. При увеличении скольжения s возрастает частота скольжения ω₂ = sω₁, а скорость вращения ω = ω₁ – ω₂ уменьшается.

Семейство механических характеристик при реостатном управлении показано на рис. 10.2. Видно, что все характеристики имеют одинаковый критический момент, а при увеличении сопротивления реостата характеристика смещается в сторону меньшей скорости.

Достоинством реостатного управления является снижение тока при малых скоростях вращения ротора и увеличение пускового момента. Это явление можно объяснить по формуле (9.1). При увеличении сопротивления реостата r_р величина тока I₂ уменьшается, а его активная составляющая I₂ cos φ₂ возрастает.

Вторым достоинством является широкий диапазон регулирования скорости вращения (от номинальной до нуля).

Рис. 10.2. Механические характеристики асинхронного

двигателя при реостатном управлении

Недостатки реостатного управления: наличие щеточного контакта, сложность конструкции, дороговизна; в реостате выделяется мощность в виде тепла, что снижает КПД; с увеличением сопротивления реостата снижается жесткость механической характеристики.

Недостатки реостатного управления: наличие щеточного контакта, сложность конструкции, дороговизна; в реостате выделяется мощность в виде тепла, что снижает КПД; с увеличением сопротивления реостата снижается жесткость механической характеристики.

Реостат в цепи фазного ротора асинхронного двигателя используется для уменьшения пускового тока и для увеличения пускового момента.

Рис. 10.3. Пуск асинхронного двигателя с помощью реостата

На рис. 10.3 показаны три механические характеристики. Характеристика с участком d—e—f является естественной, сопротивление пускового реостата здесь равно нулю. Механическая характеристика с участком b—c—d – искусственная с сопротивлением реостата r_р‘. Механическая характеристика с участком a—b – искусственная с сопротивлением реостата r_р» > r_р‘. Видно, что пусковой момент на этой характеристике равен критическому моменту М_к.

Рассмотрим последовательность действий для разгона двигателя до номинальной скорости за минимальное время. На обмотку статора подается номинальное напряжение питания при сопротивлении реостата r_р». В начальный момент пуска двигатель развивает максимальный момент M_к. Происходит разгон двигателя от точки a до точки b.

Теперь пусковой реостат переключается с сопротивления r_р» на сопротивление r_р‘. Ток ротора I₂ быстро нарастает, но косинус угла сдвига по фазе cos φ₂ уменьшается. В результате рабочая точка остается на месте.

Далее происходит разгон двигателя от точки b через точку с до точки d. Теперь пусковой реостат переключается с сопротивления r_р‘ на нулевое сопротивление. Далее происходит разгон двигателя по естественной характеристике из точки d через точку e в точку f. Это номинальный режим работы.

Частотно-токовое управление асинхронным двигателем

с помощью зависимого инвертора частоты

Номинальная скорость вращения трехфазного асинхронного двигателя близка к синхронной скорости, а номинальное скольжение составляет 3-5 %. Это связано с тем, что электромагнитный момент создается активной составляющей тока ротора, которая уменьшается при увеличении скольжения из-за увеличения индуктивного сопротивления обмотки ротора. Если скорость вращения нужно менять в широких пределах, то целесообразно изменять частоту питания согласно формуле

(10.1)

где оптимальная частота скольжения, а ω – скорость вращения ротора.

Электромагнитный момент определяется формулой

где в числителе имеется квадрат напряжения фазы U₁, а в знаменателе в квадратных скобках – квадрат продольного сопротивления схемы замещения фазы асинхронного двигателя. Частное от деления указанных величин дает квадрат тока фазы статора, т.е. справедливы соотношения

(10.2)

Формулы (10.1), (10.2) показывают, что при изменении скорости вращения ротора надо менять частоту питания, а при изменении требуемого электромагнитного момента – ток фазы статора. Этим и объясняется термин »частотно-токовое управление».

На рис. 10.4 показана функциональная схема асинхронного электропривода с частотно-токовым управлением. Электропривод имеет двухфазный асинхронный двигатель АД, датчик частоты вращения (тахогенератор) ДЧВ, задатчик частоты скольжения ЗЧС, идентификатор знака момента ИЗМ, устройство извлечения корня УИК, сумматор С, перемножители П1 – П3, интегратор И, функциональный преобразователь ФП, два усилителя тока УТ1, УТ2, объект управления ОУ.

Ротор двигателя механически связан с объектом управления ОУ и с ротором датчика частоты вращения ДЧВ, который вырабатывает сигнал, пропорци-

Рис. 10.4. Функциональная схема электропривода

с двухфазным асинхронным двигателем

ональный частоте вращения ротора ω. На выходе задатчика частоты скольжения ЗЧС формируется сигнал, пропорциональный модулю оптимальной частоты скольжения . Он приходит на первый вход перемножителя П3.

Входной сигнал электропривода, пропорциональный требуемому электромагнитному моменту М о , приходит на вход идентификатора знака момента ИЗМ, формирующий сигнал знака момента, равный 1 или –1. Этот сигнал перемножается на перемножителе П3 с модулем оптимальной частоты скольжения |ω₂|, и на выходе получается частота скольжения ω₂. Она суммируется на сумматоре С с частотой вращения ротора ω, поступающей от датчика частоты вращения ДЧВ. На выходе сумматора С получается частота вращения магнитного поля ω₁.

Если требуемый электромагнитный момент М о положительный, то магнитное поле должно вращаться быстрее, чем ротор, и ω₂ > 0. Если же момент М о отрицательный, то магнитное поле должно вращаться медленнее ротора, или должно вращаться относительно ротора в отрицательном направлении, т.е. должно выполняться неравенство ω₂ < 0. Этим объясняется необходимость определения знака момента.

Интегратор И выдает сигнал, пропорциональный углу α₁ поворота магнитного потока Ф. Этот сигнал приходит на вход функционального преобразователя ФП, формирующего сигналы cos ₁ и sin ₁. Они поступают на входы перемножителей П1 и П2. На выходе устройства извлечения корня УИК формируется сигнал, пропорциональный амплитуде системы токов статора:

Этот сигнал приходит на вторые входы перемножителей П1, П2, на выходах которых формируются требуемые значения токов обмотки статора:

Эти значения приходят на входы усилителей тока УТ1 и УТ2. Они представляют собой усилители напряжения, охваченные глубокой отрицательной обратной связью по току нагрузки с помощью датчиков тока. Эти усилители питают фазы обмотки статора асинхронного двигателя токами, близкими к требуемым значениям:

Асинхронный двигатель развивает требуемый момент

M ≈ M o

при рациональном токе и частоте скольжения, что обеспечивает высокий КПД и энергосбережение в широком диапазоне изменения частоты вращения и электромагнитного момента.

В случае асинхронного двигателя с трехфазной обмоткой на статоре функциональный преобразователь должен формировать три функции:

поступающие на входы трех перемножителей, а фазы обмотки статора питаются от трех усилителей тока.

Вопросы для самопроверки

1. Отметить достоинства и недостатки управления асинхронного двигателя напряжением.

2. Отметить достоинства и недостатки реостатного управления асинхронным двигателем.

3. Почему при введении реостата в цепь ротора ток уменьшается, а электромагнитный момент возрастает?

4. Почему для быстрого разгона переключение пускового реостата производится в точках пересечения механических характеристик?

5. Почему при переключении пускового реостата в точках b, d ток в обмотке ротора возрастает, а момент сохраняется?

6. Объясните необходимость изменения частоты питания при изменении частоты вращения ротора двигателя.

7. Зачем нужно изменять величину токов обмотки статора при изменении требуемого момента ?

8. Почему изменяется знак частоты скольжения при смене знака момента ?

9. Как определяется частота питающих напряжений?

10. Зачем нужен сдвиг по фазе между токами фаз A и B?

11. Нарисуйте функциональную схему асинхронного электропривода с частотно-токовым управлением при трехфазной обмотке двигателя.

Пуск двигателя с фазным ротором с помощью пускового реостата

Пуск двигателя с фазным ротором с помощью пускового рео­стата.

Двигатели с фазным ротором применяются значительно реже двигателей с короткозамкнутым ротором. Они используются в сле­дующих случаях:

1) когда двигатели с короткозамкнутым ротором неприемлемы по условиям регулирования их скорости вращения;

2) когда статический момент сопротивления на валу при пуске М_ст велик и поэтому асинхронный двигатель с коротко­замкнутым ротором с пуском при пониженном напряжении непри­емлем, а прямой пуск такого двигателя недопустим по условиям воздействия больших пусковых токов на сеть;

3) когда приводимые в движение массы настолько велики, что выделяемая во вторичной цепи двигателя тепловая энергия вызывает недопустимый нагрев обмотки ротора в виде беличьей клетки.

Пуск двигателей с фазным ротором производится с помощью пускового реостата в цепи ротора. Применяются прово­лочные, с литыми чугунными элементами, а также жидкостные реостаты. По условиям нагрева реостаты рассчитываются на кратко­временную работу. Сопротивления металлических- реостатов для охлаждения обычно помещают в бак с трансформаторным маслом. Металлические реостаты являются ступенчатыми, и переключение с одной ступени на другую осуществляется либо вручную с помощью рукоятки контроллера, существенным элементом которого является вал с укрепленными на нем контактами, либо же автоматически (в автоматизированных установках) с помощью контакторов или контрол­лера с электрическим при­водом. Жидкостный реостат представляет собой сосуд с электролитом (например, водный раствор соды или поваренной соли), в кото­рый опущены электроды.

Сопротивление реостата регулируется путем изменения глубины погружения электродов.

Рассмотрим пуск двигателя с фазным ротором с помощью сту­пенчатого металлического реостата, управляемого кон­такторами К.

Рекомендуемые материалы

Перед пуском щетки должны быть опущены на контактные коль­ца ротора, а все ступени реостата включены. Далее в процессе пуска поочередно включаются контакторы КЗ, К.2, К1. Характеристики вращающего момента двигателя М = f (s) и вторичного тока I₂= f (s) при работе на разных ступенях реостата изображены на рис.

Если Вам понравилась эта лекция, то понравится и эта — 4 Целочисленное программирование.

Предположим, что сопротивления ступеней пуско­вого реостата и интервалы времени переключения ступеней подо­браны так, что момент двигателя М при пуске меняется в пределах от некоторого М_макс до некоторого М_мин и при включении в сеть (кривая 3 на рис.а). В начале пуска двигатель работает по характеристике 3, ротор приходит во вра­щение, скольжение s начинает уменьшаться, и при s=s₃, когда М=M_мин, производится переключение реостата на вторую ступень. При этом двигатель будет работать по характеристике 2, и при даль­нейшем разбеге двигателя скольжение уменьшится от s=s₃,, до s=s₂, а момент — от значения М = М_макс до М = М_мин. Затем производится переключение на первую ступень и т. д. После выключения последней

ступени реостата двигатель переходит на ра­боту по естественной характеристике 0 и достигает установив­шейся скорости вращения.

При наличии у двигателя короткозамыкающего механизма после окончания пуска щетки с помощью этого механизма поднимаются с контактных колец и кольца замыкаются накоротко, а реостат возвращается в пусковое положение. Тем самым пусковая аппа­ратура приводится в готовность к следующему пуску. Необходимо отметить, что дистанционное управление короткозамыкающим ме­ханизмом контактных колец сложно осуществить; это затрудняет автоматическое управление двигателем. Поэтому в последнее время фазные асинхронные двигатели строятся без таких механизмов. При этом щетки постоянно налегают на контактные кольца, что несколько увеличивает потери двигателя и износ щеток. Количество ступеней пускового реостата с целью упрощения схемы пуска и уде­шевления аппаратуры в автоматизированных установках выбирается небольшим (обычно 2—3 ступени).

Пусковые характеристики асинхронного двигателя при реостат­ном пуске наиболее благоприятны, так как высокие значения мо­ментов достигаются при невысоких значениях пусковых токов.

Выбор пусковых реостатов для асинхронных электродвигателей

Асинхронные электродвигатели с фазовым ротором пускаются посредством реостатов, включаемых в цепь ротора электродвигателя. В качестве пусковых реостатов для указанной цепи используются:

1. нормальные пусковые реостаты ручного управления,

2. контакторные реостаты, представляющие собой наборы нормализованных ящиков сопротивлений в комплекте с магнитными станциями управления.

Для выбора пусковых реостатов для асинхронных электродвигателей с фазным ротором необходимо знать:

1. мощность, которую должен поглотить реостат при пуске,

2. отношение U2/I2, где U2 — напряжение между кольцами ротора при неподвижном роторе, когда статор включен на номинальное напряжение при номинальной частоте, a I2 — номинальный ток в фазе ротора,

3. частоту пусков в час, принимая, что пуски следуют подряд один за другим через промежутки, равные двойному времени пуска,

4. количество ступеней реостатов.

Мощность, поглощаемая реостатом при пуске, равна:

Напряжение на кольцах и номинальный ток ротора указываются в каталогах на электродвигатели. При отсутствии данных значение тока I2 может быть определено по следующим приближенным формулам:

1. трехфазный ротор

где Рном — номинальная мощность электродвигателя, квт, ηном —номинальный к. п. д. электродвигателя, cosφном — коэффициент мощности (номинальное значение),

2. двухфазный ротор, ток в двух крайних кольцах:

3. то же, но ток в среднем кольце:

Как указывалось выше, пусковые реостаты нормальной конструкции выпускаются для следующих режимов:

пуск с половинной нагрузкой (или вхолостую) — при половинном моменте,

пуск с полной нагрузкой — при полном моменте,

пуск с перегрузкой — при двойном моменте.

Пусковой (пиковый) ток реостата по отношению к номинальному составляет:

В табл. 1 приведены примерные практические данные для подбора пусковых реостатов для асинхронных электродвигателей с фазным ротором. Для приближенного определения необходимых ступеней реостата можно пользоваться табл. 2.

Таблица 1 Определение величины сопротивления реостата

Отношение U2/I2	Сопротивление реостата, ом (на фазу)	Допустимый ток, A
0,42-0,75	0,734	280—140
0,75—1,3	1,11	180—87,4
1,3—2,4	2,00	136-64
2,4—4,2	2,88	100-150
4,2-7,5	4,50	76-47

Таблица 2 Рекомендуемое число ступеней пусковых сопротивлений

Мощность, квт	Количество ступеней пусковых сопротивлений на фазу
	при ручном управлении	при контакторном управлении
		полная нагрузка	половинная нагрузка	вентиляторы или центробежные насосы
0,75—2,5	2	1	1	1
3,5—7,8	2	2	2	2
10-20	2	2	1	2
22—35	3	2	2	2
35—55	3	3	2	3
60—95	4	4	3	3
100—200	4	5	3	4
220-370	4	6	4	5

При большой частоте пусков и при необходимости дистанционного управления двигателем обычные реостаты ручного ого управления непригодны. В этом случае используются контакторные реостаты.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!