Коэффициент мощности двигателя асинхронного: определение, способы увеличения «косинуса фи»

Содержание

Как рассчитать потребляемую мощность двигателя

В этой статье мы разберем, что такое мощность трехфазного асинхронного двигателя и как ее рассчитать.

Понятие мощности электродвигателя

Мощность – пожалуй, самый важный параметр при выборе электродвигателя. Традиционно она указывается в киловаттах (кВт), у импортных моделей – в киловаттах и лошадиных силах (л.с., HP, Horse Power). Для справки: 1 л.с. приблизительно равна 0,75 кВт.

На шильдике двигателя указана номинальная полезная (отдаваемая механическая) мощность. Это та мощность, которую двигатель может отдавать механической нагрузке с заявленными параметрами без перегрева. В формулах номинальная механическая мощность обозначается через Р2.

Электрическая (потребляемая) мощность двигателя Р1 всегда больше отдаваемой Р2, поскольку в любом устройстве преобразования энергии существуют потери. Основные потери в электродвигателе – механические, обусловленные трением. Как известно из курса физики, потери в любом устройстве определяются через КПД (ƞ), который всегда менее 100%. В данном случае справедлива формула:

Р2 = Р1 · ƞ

КПД в двигателях зависит от номинальной мощности – у маломощных моделей он может быть менее 0,75, у мощных превышает 0,95. Приведенная формула справедлива для активной потребляемой мощности. Но, поскольку электродвигатель является активно-реактивной нагрузкой, для расчета полной потребляемой мощности S (с учетом реактивной составляющей) нужно учитывать реактивные потери. Реактивная составляющая выражается через коэффициент мощности (cosϕ). С её учетом формула номинальной мощности двигателя выглядит так:

Р2 = Р1 · ƞ = S · ƞ · cosϕ

Мощность и нагрев двигателя

Номинальная мощность обычно указывается для температуры окружающей среды 40°С и ограничена предельной температурой нагрева. Поскольку самым слабым местом в двигателе с точки зрения перегрева является изоляция, мощность ограничивается классом изоляции обмотки статора. Например, для наиболее распространенного класса изоляции F допустимый нагрев составляет 155°С при температуре окружающей среды 40°С.

В документации на электродвигатели приводятся данные, из которых видно, что номинальная мощность двигателя падает при повышении температуры окружающей среды. С другой стороны, при должном охлаждении двигатели могут длительное время работать на мощности выше номинала.

Мы рассмотрели потребляемую и отдаваемую мощности, но следует сказать, что реальная рабочая потребляемая мощность P (мощность на валу двигателя в данный момент) всегда должна быть меньше номинальной:

Р 2 1

Это необходимо для предотвращения перегрева двигателя и наличия запаса по перегрузке. Кратковременные перегрузки допустимы, но они ограничены прежде всего нагревом двигателя. Защиту двигателя по перегрузке также желательно устанавливать не по номинальному току (который прямо пропорционален мощности), а исходя из реального рабочего тока.

Современные производители в основном выпускают двигатели из ряда номиналов: 1,5, 2,2, 5,5, 7,5, 11, 15, 18,5, 22 кВт и т.д.

Расчет мощности двигателя на основе измерений

На практике мощность двигателя можно рассчитать, прежде всего, исходя из рабочего тока. Ток измеряется токовыми клещами в максимальном рабочем режиме, когда рабочая мощность приближается к номинальной. При этом температура корпуса двигателя может превышать 100 °С, в зависимости от класса нагревостойкости изоляции.

Измеренный ток подставляем в формулу для расчета реальной механической мощности на валу:

Р = 1,73 · U · I · cosϕ · ƞ, где

  • U – напряжение питания (380 или 220 В, в зависимости от схемы подключения – «звезда» или «треугольник»),
  • I – измеренный ток,
  • cosϕ и ƞ – коэффициент мощности и КПД, значения которых можно принять равными 0,8 для маломощных двигателей (менее 5,5 кВт) или 0,9 для двигателей мощностью более 15 кВт.

Если нужно найти

номинальную мощность двигателя, то полученный результат округляем в бОльшую сторону до ближайшего значения из ряда номиналов.

Р2 > Р

Если необходимо рассчитать потребляемую активную мощность, используем следующую формулу:

Р1 = 1,73 · U · I · ƞ

Именно активную мощность измеряют счетчики электроэнергии. В промышленности для измерения реактивной (и полной мощности S) применяют дополнительное оборудование. При данном способе можно не использовать приведенную формулу, а поступить проще – если двигатель подключен в «звезду», измеренное значение тока умножаем на 2 и получаем приблизительную мощность в кВт.

Расчет мощности при помощи счетчика электроэнергии

Этот способ прост и не требует дополнительных инструментов и знаний. Достаточно подключить двигатель через счетчик (трехфазный узел учета) и узнать разницу показаний за строго определенное время. Например, при работе двигателя в течении часа разница показаний счетчика будет численно равна активной мощности двигателя (Р

1). Но чтобы получить номинальную мощность Р2, нужно воспользоваться приведенной выше формулой.

Другие полезные материалы:
Степени защиты IP
Трехфазный двигатель в однофазной сети
Типичные неисправности электродвигателей

Расчет мощности двигателя | Полезные статьи

Как правило, мощность электродвигателя указывается на шильдике, который закреплен на корпусе или в техническом паспорте устройства. Однако в случае, когда данные на шильдике прочитать невозможно, а документация утеряна, определить мощность можно несколькими способами. Сегодня мы расскажем о двух наиболее надежных них.

Мощность электродвигателя по установочным и габаритным размерам

Понравилось видео? Подписывайтесь на наш канал!

Для первого способа необходимо знать установочные размеры электродвигателя и синхронную частоту вращения. Последняя измеряется с помощью мультиметра, установленного в режим миллиамперметра. Для этого указатель колеса выбора устанавливаем на значение 100µA. Щуп черного цвета подключаем в общее гнездо «COM», а щуп красного цвета — к гнезду для измерения напряжения, сопротивления и силы тока до 10 А.

 

После этого обесточиваем электродвигатель и снимаем крышку с клеммной коробки. Щупы мультиметра подключаем к началу и концу любой из обмоток (например, V1 и V2). После этого рукой медленно проворачиваем вал двигателя так, чтобы он совершил один оборот, и считаем количество отклонений стрелки из состояния покоя, которые она сделает за это время. Число отклонений стрелки за один оборот вала равно количеству полюсов и соответствует такой синхронной частоте вращения: 

 

• 2 полюса – 3000 об/мин;

• 4 полюса – 1500 об/мин;

• 6 полюсов – 1000 об/мин;

• 8 полюсов – 750 об/мин.

 

Теперь необходимо выяснить установочные размеры двигателя. Для замеров используем штангенциркуль, механический или электронный, а также измерительную рулетку. Записываем результаты измерений в миллиметрах: диаметр и длину вылета вала, высоту оси вращения, расстояние между центрами отверстий в «лапах», а если двигатель фланцевый, то диаметр фланца и диаметр крепежных отверстий.

Полученные данные сравниваем с параметрами из таблиц 1-3.

Таблица 1. Определение мощности двигателя по диаметру вала и его вылету

Таблица 2. Определение мощности по расстоянию между отверстиями в лапах

Таблица 3. Определение мощности по диаметру фланца и крепежных отверстий

 

 

 

 

 

 

 

Определение мощности по потребляемому току

Мощность двигателя можно определить по потребляемому им току. Для измерения силы тока будем использовать токоизмерительные клещи. 

 

Перед началом измерений предварительно отключаем подачу напряжения на электродвигатель. После этого снимаем крышку с клеммной коробки и расправляем токопроводящие жилы, чтобы обеспечить удобный доступ к ним. 

 

Затем подаем напряжение на двигатель и даем поработать в режиме номинальной нагрузки в течение нескольких минут. Устанавливаем предел измерений на значение «200 А» и токовыми клещами выполняем измерение потребляемого тока на одной из фаз. Далее замеряем напряжение на обмотках с помощью щупов, входящих в комплект токоизмерительных клещей.

 

Колесо выбора режимов и пределов измерений устанавливаем в позицию для измерения переменного напряжения с пределом в 750 В. Щуп красного цвета присоединяем к гнезду для измерения напряжения, сопротивления и силы тока до десяти Ампер, а черного – к гнезду «COM». Замеры выполняем между клеммами «U1-V1» или «V1-W1» или «U1-W1». 

 

Расчет мощности электродвигателя выполняем по формуле:

 

S=1.73×I×U,

 

где S – полная мощность (кВА), I – сила тока (А), U – значение линейного напряжения (кВ).

 

Замеряем ток на одной из фаз, а также напряжение и подставляем полученные значения в формулу (например, при замере мы получили ток равный 15,2А, а напряжение – 220В):

 

S=1.73×15.2×0.22=5.78 кВА

 

Важно отметить, что мощность эл. двигателя не зависит от схемы соединения обмоток статора. В этом можно убедиться, выполнив измерения на этом же двигателе, но с обмотками статора, соединенными по схеме «звезда»: измеренный ток будет равен 8,8А, напряжение – 380В. Также подставляем значения в формулу:

 

S=1.73×8,8×0.38=5.78 кВА

 

По этой формуле мы определили мощность электродвигателя, потребляемую из электрической сети. 

 

Чтобы узнать мощность двигателя на валу, нужно полученное значение умножить на коэффициент мощности двигателя и на коэффициент его полезного действия. Таким образом, формула мощности двигателя

выглядит так:

 

P=S×сosφ×(η÷100),

 

где P – мощность двигателя на валу; S – полная мощность двигателя; сosφ – коэффициент мощности асинхронного электродвигателя; η – КПД двигателя.

 

Поскольку мы не располагаем точными данными, подставим в формулу средние значения cosφ и КПД двигателя:

 

P=5,78×0,8×0,85=3,93≈4кВт

 

Таким образом, мы определили мощность электродвигателя, которая равна 4 кВт.

 

Мы рассказали о самых надежных методах определения мощности электродвигателя. Вы также можете посмотреть наше видео, в котором подробно показано, как определить мощность электродвигателя.

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

Рабочие характеристики асинхронного двигателя — Инструкции по эксплуатации (разное).





Рабочие характеристики асинхронного двигателя представляют собой графически выраженные зависимости частоты вращения n2, КПД η, полезного момента (момента на валу) М2, коэффициента мощности cos φ, и тока статора I1 от полезной мощности Р2 при U1 = const f1 = const. 

Скоростная характеристика n2 = f(P2). Частота вращения ротора асинхронного двигателя n2 = n1(1 — s). 

Скольжение s = Pэ2/Pэм, т. е. скольжение асинхронного двигателя, а следовательно, и его частота вращения определяются отношением электрических потерь в роторе к электромагнитной мощности. Пренебрегая электрическими потерями в роторе в режиме холостого хода, можно принять Рэ2 = 0, а поэтому s ≈ 0 и n20 ≈ n1. 

По мере увеличения нагрузки на валу асинхронного двигателя отношение s = Pэ2/Pэм растет, достигая значений 0,01 — 0,08 при номинальной нагрузке. В соответствии с этим зависимость n2 = f(P2) представляет собой кривую, слабо наклоненную к оси абсцисс. Однако при увеличении активного сопротивления ротора двигателя r2′ угол наклона этой кривой увеличивается. В этом случае изменения частоты асинхронного двигателя n2 при колебаниях нагрузки Р2 возрастают. Объясняется это тем, что с увеличением r2′ возрастают электрические потери в роторе.


Рис. 1. Рабочие характеристики асинхронного двигателя двигателя

Зависимость М2 =f(P2). Зависимость полезного момента на валу асинхронного двигателя М2 от полезной мощности Р2 определяется выражением M2 = Р2/ ω2 = 60 P2/ (2πn2) = 9,55Р2/ n2,

где Р2 — полезная мощность, Вт; ω2 = 2πf 2/ 60 — угловая частота вращения ротора. 

Из этого выражения следует, что если n2 = const, то график М2 =f2(Р2) представляет собой прямую линию. Но в асинхронном двигателе с увеличением нагрузки Р2 частота вращения ротора уменьшается, а поэтому полезный момент на валу М2 с увеличением нагрузки возрастает не сколько быстрее нагрузки, а следовательно, график М2 =f (P2) имеет криволинейный вид.


Рис. 2. Векторная диаграмма асинхронного двигателя при небольшой нагрузке 

Зависимость cos φ1 = f (P2). В связи с тем что ток статора асинхронного двигателя I1 имеет реактивную (индуктивную) составляющую, необходимую для создания магнитного поля в статоре, коэффициент мощности асинхронных двигателей меньше единицы. Наименьшее значение коэффициента мощности соответствует режиму холостого хода. Объясняется это тем, что ток холостого хода электродвигателя I0 при любой нагрузке остается практически неизменным. Поэтому при малых нагрузках двигателя ток статора невелик и в значительной части является реактивным (I1 ≈ I0). В результате сдвиг по фазе тока статора относительно напряжения получается значительным (φ1 ≈ φ0), лишь немногим меньше 90° (рис. 2). 

Коэффициент мощности асинхронных двигателей в режиме холостого хода обычно не превышает 0,2. При увеличении нагрузки на валу двигателя растет активная составляющая тока I1 и коэффициент мощности возрастает, достигая наибольшего значения (0,80 — 0,90) при нагрузке, близкой к номинальной. Дальнейшее увеличение нагрузки на валу двигателя сопровождается уменьшением cos φ1 что объясняется возрастанием индуктивного сопротивления ротора (x2s) за счет увеличения скольжения, а следовательно, и частоты тока в роторе. 

В целях повышения коэффициента мощности асинхронных двигателей чрезвычайно важно, чтобы двигатель работал всегда или по крайней мере значительную часть времени с нагрузкой, близкой к номинальной. Это можно обеспечить лишь при правильном выборе мощности двигателя. Если же двигатель работает значительную часть времени недогруженным, то для повышения cos φ1, целесообразно подводимое к двигателю напряжение U1 уменьшить. Например, в двигателях, работающих при соединении обмотки статора треугольником, это можно сделать пересоединив обмотки статора в звезду, что вызовет уменьшение фазного напряжения в раз. При этом магнитный поток статора, а следовательно, и намагничивающий ток уменьшаются примерно в раз. Кроме того, активная составляющая тока статора несколько увеличивается. Все это способствует повышению коэффициента мощности двигателя. 

На рис. 3 представлены графики зависимости cos φ1, асинхронного двигателя от нагрузки при соединении обмоток статора звездой (кривая 1) и треугольником (кривая 2).


Рис. 3. Зависимость cos φ1,от нагрузки при соединении обмотки статора двигателя звездой (1) и треугольником (2)




асинхронный двигатель

Всего комментариев: 0


Холостой ход электродвигателя

При наименьшем значении коэффициента мощности электродвигатель работает в режиме холостого хода. Исходя из соответствующих значений работы электродвигателя на холостом ходу определяют важные значения: намагничивающего тока, мощности и коэффициента потерь в магнитном проводе, в подшипниках или вентиляторе.

Коэффициент мощности при холостом ходе электродвигателя

  • Режим холостого хода в асинхронном электродвигателе возникает в момент отсутствия нагрузки в форме редуктора или рабочего момента. При этом режим s=0 недостижим даже при условии, что трение в подшипниках не создаст момент нагрузки. Но если поле статора не пересекает непосредственно поле обмотки ротора и не индуцирует в нем ток, значит, не создается электромагнитное поле ротора.
  • Как правило, коэффициент мощности асинхронного электродвигателя в режиме холостого хода не превышает предельно допустимых параметров, равных 0,2. Если увеличить нагрузку на вал электродвигателя, коэффициент мощности возрастет и достигнет наибольшего значения. Такой коэффициент создается при номинальной нагрузке.
  • Дальнейшее же увеличение нагрузки приводит к индуктивному сопротивлению ротора, так как увеличивается скольжение и как следствие – частота тока в роторе. Чтобы увеличить коэффициент мощности, следует обеспечить электродвигателю нагрузку, параметры которой наиболее близки к номинальным значениям. Следовательно – необходимо правильно выбрать мощность самого электродвигателя.
  • При систематической работе недогруженного электродвигателя подводимое к мотору напряжение пропорционально уменьшают. Сделать это вполне реально, переключив обмотку статора с треугольника на звезду. Такой способ подключения поможет уменьшить фазное напряжение в один раз. Активная же составляющая тока статора пропорционально увеличится. Коэффициент мощности также будет увеличен.

Почему так важно при покупке электродвигателя получить профессиональную рекомендацию специалиста 

Неправильно выбранная мощность электродвигателя не позволит решить все поставленные задачи. При неполной загруженности электромотора вы будете иметь дополнительные расходы на его техническое обслуживание и ремонт. При недостатке мощности электродвигатель быстро выйдет из строя.

При покупке электродвигателя в нашей компании Вы получите профессиональную рекомендацию специалиста по подбору электродвигателя нужной модели и нужной мощности.

Просмотров: 14303

Дата: Воскресенье, 15 Декабрь 2013

Реактивная мощность асинхронного двигателя. Компенсация реактивной мощности асинхронных двигателей. Влияние на уставки защиты

Из-за малого потребления активной мощности коэффициент мощности двигателя крайне низкий при холостом ходе или при малой нагрузке. Реактивный ток двигателя остается практически постоянным при всех нагрузках, так что на ряд ненагруженных двигателей приходится потребление реактивной мощности, которое лишь негативно сказывается на установке по причинам, описанным в предыдущих разделах.

Которые могут быть записаны в двухфазных стационарных переменных кадра. В этом разделе анализируется взаимосвязь между мощностью статора и током ротора. Соотношения между токами ротора и статора. Как ни странно, это единственный модуль, который зависит от значений параметров. Благодаря прямому соединению с крутящим моментом, ссылка на активную мощность — это самый простой способ узнать требуемое значение крутящего момента.

С другой стороны, есть некоторые трудности, связанные с ссылкой на активную мощность. Обычно для вычисления значения активной мощности достаточно следующего уравнения. Как видно из литературы, в то время как некоторые исследователи могут предположить, что мощность сопротивления статора и потери на железо могут быть проигнорированы, мощность в сопротивлении ротора нельзя игнорировать, особенно в условиях тяжелой нагрузки, когда скольжение машины может быть большим.

Поэтому два хороших правила состоят в том, что ненагруженные двигатели следует отключать, а номинальные мощности двигателей не должны завышаться (поскольку это снизит их загрузку).

Соединение

КБ должна подключаться непосредственно к зажимам двигателя.

Специальные двигатели

Влияние на уставки защиты

После применения компенсации для двигателя ток блока «двигатель-конденсатор» станет меньше, чем до компенсации при том же режиме нагрузки двигателя. Это вызвано тем, что значительная часть реактивной составляющей тока двигателя подается от конденсатора, как показано на рис. L23 .

Как видно из диаграммы, в условиях движения входная мощность разделяется на две части: одна часть предназначена для потерь, а другая часть связана с мощностью вращающегося поля. Кроме того, при генерации мощности входного вала разделяется на две части: потери и механическую мощность. Все эти части должны быть сбалансированы для достижения целевого значения мощности.

Генерации реактивной мощности опорной связаны с скольжением. Итак, сначала мы должны с этим справиться. дает приближенную векторную диаграмму напряжений, токов и потоков индукционной машины. Реактивную мощность можно рассчитать как умножение ЭДС напряжения на одной оси машины на ток на другой оси.

Если максимальная токовая защита двигателя расположена до соединения двигателя и конденсатора (это всегда так в случае подсоединения конденсаторов к зажимам), уставки реле защиты должны уменьшаться на отношение:

cos φ до компенсации/cos φ после компенсации

Для двигателей с компенсацией в соответствии со значениями квар, показанными на рис. L24 (максимальные значения, рекомендуемые для предотвращения самовозбуждения стандартных асинхронных двигателей, как обсуждается в подразделе Методы предотвращения самовозбуждения асинхронного двигателя), величины указанного выше отношения приведены для различных скоростей на рис. L25 .

Потребители реактивной мощности

Реорганизацию можно написать. Ω = угловая скорость скольжения, связанная со скоростью скольжения. Экспериментально исследована экспериментальная установка с использованием системы управления, показанная в работе Ямамото и Мотойоши, и характеристики системы управления вдоль рамы М-Т. Экспериментальные данные взяты из их исследования. На рисунке показана схема экспериментальной системы.

Затем ряд может быть выражен как. Альтернативно, серия может быть выражена как. Условия анализа заключаются в следующем. Используя эти условия, трехфазный ток ротора можно определить следующим образом. Характеристики передачи от обмотки ротора к обмотке статора анализируются путем подстановки в основное уравнение машины индукции роторного ротора. В анализе используется метод симметричной координаты для упрощения. В этом случае значение компонента положительной фазовой последовательности и значение компонента отрицательной фазовой последовательности имеют сопряженное соотношение.

Рис. L23: До компенсации трансформатор пропускает всю реактивную мощность, после компенсации конденсатор подает большую часть реактивной мощности

Трехфазные двигатели, 230/400 В
Номинальная мощность Устанавливаемая мощность (квар)
Скорость вращения (об/мин)
кВт л.с. 3000 1500 1000 750
22 30 6 8 9 10
30 40 7,5 10 11 12,5
37 50 9 11 12,5 16
45 60 11 13 14 17
55 75 13 17 18 21
75 100 17 22 25 28
90 125 20 25 27 30
110 150 24 29 33 37
132 180 31 36 38 43
160 218 35 41 44 52
200 274 43 47 53 61
250 340 52 57 63 71
280 380 57 63 70 79
355 482 67 76 86 98
400 544 78 82 97 106
450 610 87 93 107 117

Рис. L24: Максимальное значение квар индивидуальной компенсации реактивной мощности без риска самовозбуждения двигателя

Применяя преобразование Лапласа, рассчитывается ток статора. Ток статора фазы А получается следующим образом. Результаты этого анализа показывают, что гармонические токи, подаваемые на обмотку роторов, передаются на обмотки статора путем изменения его частоты. Это эффект скорости вращения генератора индукции раневого ротора. Более того, соотношение между амплитудой гармонических токов в роторе и статоре составляет почти 1. Приводится пример экспериментальных результатов. Видно, что экспериментальные значения хорошо совпадают с теоретическими.

Двигатель с высокоинерционной нагрузкой будет продолжать вращаться (если специально не затормаживается) после отключения его питания.

«Магнитная инерция» цепи ротора означает создание ЭДС в обмотке статора на короткий период времени после отключения, которая уменьшиться до нуля через 1 или 2 периода в случае двигателя без компенсации.

Таким образом, эксперименты подтвердили, что анализ дает надежные результаты. Технологический университет Тшвана, Претория, Южная Африка. Асинхронные двигатели на сегодняшний день являются наиболее используемым электромеханическим устройством в промышленности. Асинхронные двигатели обладают многими преимуществами по сравнению с другими типами двигателей. Они дешевые, прочные, легко ремонтируемые и могут использоваться во взрывоопасных зонах. Несмотря на свои преимущества, у него есть один главный недостаток.

При запуске мощность, потребляемая двигателем, в основном реактивна и может достигать 8-кратного номинального тока при коэффициенте мощности около 2, пока он не достигнет номинальной скорости, после чего коэффициент мощности увеличится до более чем 6, если двигатель правильно и в зависимости от размера двигателя.

Однако, подключенные конденсаторы создают трехфазную реактивную нагрузку для такой затухающей ЭДС, которая вызывает емкостные токи в обмотке статора. Такие токи в статоре создают вращающееся магнитное поле, которое действует точно по той же оси и в том же направлении, что и затухающее электромагнитное поле.

Как следствие, поток ротора увеличивается, токи статора увеличиваются, и напряжение на зажимах двигателя повышается иногда до опасно высокого уровня. Это явление известно как самовозбуждение и является одной из причин того, почему генераторы переменного тока, как правило, не работают при опережающих коэффициентах мощности, т.е. имеется тенденция к спонтанному (и неконтролируемому) самовозбуждению.

Для повышения коэффициента мощности требуется компенсация реактивной мощности, когда реактивная мощность вводится. Было предложено несколько методов, включая синхронную компенсацию, которая является сложной и дорогостоящей. В этой главе исследуется другой подход для коррекции коэффициента мощности, когда статор асинхронного двигателя имеет два набора трехфазных обмоток, которые электрически изолированы, но с магнитной связью. Основная обмотка подключена к трехфазному питанию, а вспомогательная обмотка подключена к фиксированным конденсаторам для впрыска реактивной мощности.

Примечания:

1. Характеристики двигателя, приводимого в движение инерцией нагрузки, не являются строго идентичными его характеристикам холостого хода. Однако, данное предположение является достаточно точным с практической точки зрения.

2. В двигателе, действующем в качестве генератора, циркулирующие токи являются в основном реактивными, так что эффект торможения (замедления) двигателя вызван главным образом только нагрузкой, представленной его охлаждающим вентилятором.

Произвольная система координат

Произвольная система координат в основном используется в динамическом анализе электрических машин. Из-за сильно связанной природы машины, особенно индуктивности в обмотке, сделать невозможным динамическое моделирование и анализ электрических машин довольно сложно.

Используя этот метод, полифазная машина преобразуется в двухфазную машину с магнитной осью в квадратуре, как показано на рисунке. Это преобразование устраняет взаимную магнитную связь между фазами и, следовательно, делает связь магнитного потока одной обмотки независимой от тока другой обмотки.

3. Ток (угол отставания почти 90°), потребляемый от источника питания ненагруженным двигателем в нормальных условиях, и ток (угол опережения почти 90°), подаваемый на конденсаторы двигателем, выступающим в качестве генератора, имеют одинаковое фазовое соотношение с напряжением на зажимах. Именно поэтому две характеристики могут налагаться на один график.

Моделирование трехфазного асинхронного двигателя

Показана схема намотки симметричной индукционной машины. Трехфазная схема намотки. При разработке уравнений, описывающих поведение индукционной машины, сделаны следующие предположения.

  • Вихревыми токами, потерями трения и потерь и насыщенностью пренебрегают.
  • Обмотки распределены синусоидально вокруг воздушного зазора.
Используя Закон напряжения Киршоффа, можно определить уравнения напряжения для каждой обмотки на статоре и роторе.

После получения уравнений напряжения в естественной системе отсчета может быть выполнено преобразование в произвольную систему отсчета. Очень удобно сначала перенести все переменные ротора на статор, применив соответствующий коэффициент поворотов. — представляет все переменные ротора и выражается в упрощенном виде, включая переменные всех фаз ротора в одном уравнении.

Для предотвращения самовозбуждения, как описывается выше, номинальная мощность (квар) блока конденсаторов должна ограничиваться следующим максимальным значением:

Где Io — ток холостого хода двигателя и Un — межфазное номинальное напряжение двигателя (кВ). На рис. L24 приводятся значения Qc, соответствующие данному критерию.

Пример:

Преобразование уравнений напряжения в произвольную систему отсчета рассматривается в разделе. Важно определить различные индуктивности, которые будут влиять на флюсовую связь, а также преобразовать ее в произвольную систему отсчета. Флюксовые связи, как видно из уравнений напряжения, являются функциями индуктивности и, следовательно, должны быть определены индуктивности в двигателе.

Индукции в двигателе состоят из собственной индуктивности, индуктивности рассеяния, индуктивности намагничивания и взаимной индуктивности. Самоиндукция в обмотках статора состоит из индуктивности намагничивания и утечки. Обмотки идентичны, и поэтому сама индуктивность всех обмоток статора будет одинаковой.

Трехфазный двигатель, 75 кВт, 3000 об./мин, 400 В, может иметь блок конденсаторов не выше 17 квар согласно рис. L24. Табличные значения, как правило, слишком малы для соответствующей компенсации двигателя до нормально требуемого уровня cos φ. Однако, дополнительная компенсация может осуществляться, например, с помощью КБ централизованной компенсации, установленной на шинах ТП.

Сама индуктивность в обмотках ротора аналогична обмотке статора. Между всеми обмотками как статора, так и ротора существует взаимная индуктивность. Существует четыре разных типа взаимной индуктивности: статор-статор, ротор-ротор, ротор-статор и ротор-статор.

Взаимная индуктивность ротора-ротора аналогична взаимной индуктивности статора-статора и может быть выражена как. Взаимодействующие индукторы статора-ротора зависят от положения ротора в соответствии со следующим соотношением. Матрица индуктивности делится на четыре подматрицы.

Высокоинерционные двигатели и/или нагрузки

В любой установке с высокоинерционными нагрузками, приводимыми в действие двигателями, выключатели или контакторы, управляющие такими двигателями, должны быстро отключаться в случае полной потери электропитания.

Если не принять такой меры предосторожности, велика вероятность возникновения крайне высоких напряжений (из-за самовозбуждения), поскольку все другие КБ работают в сети параллельно с конденсаторами высокоинерционных двигателей.

Где ξ — фиктивная переменная для интегрирования. Теперь добавление уравнений напряжения для резистивной и индуктивной частей дает полное уравнение напряжения статора в произвольной системе отсчета. Используя тот же метод, можно определить уравнение напряжения ротора.

Там, где ω представляет скорость вращения опорного кадра и ω г скорость вращения ротора. Модель, разработанная до сих пор является общей моделью в произвольной системе отсчета, что означает, что эта модель может принимать форму любого опорного кадра в зависимости значение замещенного для со, поэтому называется произвольным.

Поэтому схема защиты таких двигателей должна содержать реле отключения по максимальному напряжению вместе с реле контроля обратной мощности (двигатель подает питание на остальное оборудование до рассеяния полученной инерциальной энергии).

Если мощность конденсаторов индивидуальной компенсации высокоинерционного двигателя, больше, чем рекомендованная на рис. L24, они должны управляться отдельно с помощью выключателя или контактора, который осуществляет отключение вместе с главным выключателем или контактором двигателя, как показано на рис. L26.

Различные опорные кадры получают путем подстановки соответствующего значения скорости в системе отсчета со. Обычно используются три различные опорные кадры, стационарная система отсчета, где ω = 0, синхронный опорный кадр, где ω устанавливается на угловую скорость напряжения питания и опорную рамку ротора, где ω задано угловой скоростью ротора. Использование опорных кадров зависит от характера решаемой задачи.

Пуск и регулирование скорости вращения

Уравнение крутящего момента для трехфазной индукционной машины хорошо известно и не выводится в этом разделе. Уравнение крутящего момента трехфазной машины со вспомогательной обмоткой выводится в разделе. Электродвигатель является электромеханическим устройством и нуждается в уравнении, которое соединяет электрические и механические системы.

Включение главного контактора осуществляется после включения конденсаторов.

Рис. L26: Подсоединение блока конденсаторов к двигателю

Рабочие характеристики асинхронного двигателя представляют собой графически выраженные зависимости частоты вращения n 2 , η, полезного момента (момента на валу) М 2 , коэффициента мощности cos φ, и тока статора I 1 от полезной мощности Р 2 при U 1 = const f 1 = const.

Моделирование трехфазных с вспомогательной обмоткой

Эта машина состоит из двух трехфазных обмоток, расположенных друг над другом в одних и тех же слотах. Это означает, что между двумя обмотками нет смещения. Эти две обмотки электрически изолированы, но магнитно связаны. Одна из этих обмоток рассматривается как основная обмотка и будет снабжена трехфазным напряжением. Оставшаяся обмотка рассматривается как вспомогательная обмотка. Вспомогательная обмотка подключается к статическим конденсаторам для впрыска реактивной мощности. Впрыск реактивной мощности улучшит коэффициент мощности машины.

Расчет рабочих характеристик асинхронного двигателя

Скоростная характеристика n 2 = f(P 2). Частота вращения ротора асинхронного двигателя n 2 = n 1 (1 — s).

Скольжение s = P э2 /P эм, то есть , а следовательно, и его частота вращения определяются отношением электрических потерь в роторе к электромагнитной мощности. Пренебрегая электрическими потерями в роторе в режиме холостого хода, можно принять Р э2 = 0, а поэтому s ≈ 0 и n 2 ≈ n1.

Схема обмотки показана на рисунке. Обмотка основной и вспомогательной обмоток. Предположения при разработке уравнений, описывающих поведение этой машины, совпадают с предположениями, упомянутыми в разделе 3, с одним добавлением. Предполагается, что основная и вспомогательная обмотка идентичны. Он имеет такое же сечение проводника и такое же количество оборотов.

Уравнения напряжения для этой машины разработаны так же, как описано в разделе. Существуют три дополнительных уравнения напряжения из-за дополнительного набора трехфазных обмоток. Для простоты уравнения напряжения представлены в матричном формате. Предполагается, что основная и вспомогательная обмотки идентичны и, следовательно, будут иметь такое же сопротивление.

По мере увеличения нагрузки на валу асинхронного двигателя отношение s = P э2 /P эм растет, достигая значений 0,01 — 0,08 при номинальной нагрузке. В соответствии с этим зависимость n 2 = f(P 2) представляет собой кривую, слабо наклоненную к оси абсцисс. Однако при увеличении активного сопротивления ротора двигателя r 2′ угол наклона этой кривой увеличивается. В этом случае изменения частоты асинхронного двигателя n 2 при колебаниях нагрузки Р 2 возрастают. Объясняется это тем, что с увеличением r 2′ возрастают электрические потери в роторе.

Рабочие характеристики асинхронного двигателя

Зависимость М 2 = f(P 2). Зависимость полезного момента на валу асинхронного двигателя М 2 от полезной мощности Р 2 определяется выражением M 2 = Р 2 /ω 2 = 60 P 2 /(2πn 2) = 9,55Р 2 /n 2 , где Р 2 — полезная мощность, Вт; ω 2 = 2πf 2 /60 — угловая частота вращения ротора.

Из этого выражения следует, что если n 2 = const, то график М 2 = f 2 (Р 2) представляет собой прямую линию. Но в асинхронном двигателе с увеличением нагрузки Р 2 частота вращения ротора уменьшается, а поэтому полезный момент на валу М 2 с увеличением нагрузки возрастает не сколько быстрее нагрузки, а следовательно, график М 2 = f (P 2) имеет криволинейный вид.

Зависимость cos φ 1 = f (P 2). В связи с тем что ток статора I 1 имеет реактивную (индуктивную) составляющую, необходимую для создания магнитного поля в статоре, коэффициент мощности асинхронных двигателей меньше единицы. Наименьшее значение коэффициента мощности соответствует режиму холостого хода. Объясняется это тем, что ток холостого хода электродвигателя I 0 при любой нагрузке остается практически неизменным. Поэтому при малых нагрузках двигателя ток статора невелик и в значительной части является реактивным (I 1 ≈ I 0). В результате сдвиг по фазе тока статора относительно напряжения получается значительным (φ 1 ≈ φ 0), лишь немногим меньше 90°.

Коэффициент мощности асинхронных двигателей в режиме холостого хода обычно не превышает 0,2. При увеличении нагрузки на валу двигателя растет активная составляющая тока I 1 и коэффициент мощности возрастает, достигая наибольшего значения (0,80 — 0,90) при нагрузке, близкой к номинальной. Дальнейшее увеличение нагрузки на валу двигателя сопровождается уменьшением cos φ 1 что объясняется возрастанием ротора (x2s) за счет увеличения скольжения, а следовательно, и частоты тока в роторе.

В целях повышения коэффициента мощности асинхронных двигателей чрезвычайно важно, чтобы двигатель работал всегда или по крайней мере значительную часть времени с нагрузкой, близкой к номинальной. Это можно обеспечить лишь при правильном . Если же двигатель работает значительную часть времени недогруженным, то для повышения cos φ 1 , целесообразно подводимое к двигателю напряжение U 1 уменьшить. Например, в двигателях, работающих при соединении обмотки статора , это можно сделать пересоединив обмотки статора в , что вызовет уменьшение фазного напряжения в раз. При этом магнитный поток статора, а следовательно, и намагничивающий ток уменьшаются примерно в раз. Кроме того, активная составляющая тока статора несколько увеличивается. Все это способствует повышению коэффициента мощности двигателя.

Рабочие характеристики асинхронных двигателей — Студопедия

Так как асинхронные двигатели на промышленных предприятиях являются основными потребителями реактивной мощности, то в первую очередь, необходимо упорядочить режим их работы.

Рисунок 3.2 – Статические характеристики АД

 
 

Рисунок 3.3 – Механические характеристики АД

Величина потребления реактивной мощности асинхронными двигателями зависит от коэффициента загрузки и номинального коэффициента мощности двигателей.

Реактивная мощность двигателя при номинальной нагрузке равна

, квар

где hн – номинальный к.п.д. двигателя;

tg jн – тангенс угла сдвига фаз, соответствующий номинальному коэффициенту мощности (cos jн).

Реактивная мощность двигателя при данной его нагрузке равна

где Q0 – реактивная мощность эл. двигателя на холостом ходу, квар;

– прирост потребления реактивной мощности при номинальной нагрузке двигателя, квар;

– коэффициент загрузки двигателя;

Р – мощность нагрузки на валу двигателя, кВт;

Рн – номинальная мощность двигателя, кВт.

Основную роль в балансе реактивной мощности асинхронного двигателя играет реактивная мощность холостого хода, зависящая от объема магнитной цепи, т.е. от конструкции двигателя.

Чем выше номинальный коэффициент мощности, тем относительно меньше реактивная мощность холостого хода двигателя.

У асинхронных двигателей с номинальным коэффициентом мощности cos jн = 0,91¸0,93 реактивная мощность холостого хода составляет около 60% всей реактивной мощности при номинальной загрузке двигателя. Для двигателей с cos jн = 0,77¸0,79 она достигает 70 %.

Для повышения коэффициента мощности необходимо правильно выбрать мощность асинхронных двигателей с оптимальной их загрузкой Кз = 0,6¸0,8, максимально ограничить работу на холостом ходу, т.е. провести мероприятия, снижающие потребление из сети реактивной мощности. Графики зависимостей активной, реактивной мощностей и cos j асинхронных двигателей от величин коэффициента их загрузки называют рабочими характеристиками (рисунок 3.4).

Рисунок 3.4 – Рабочие характеристики АД

Снижение потребления реактивной мощности асинхронными двигателями.

Для достижения экономичной работы системы электроснабжения необходимо выполнение мероприятий, снижающих потребление реактивной мощности предприятиями от энергосистемы. Эти мероприятия разбиваются на мероприятия, не требующие специальных компенсирующих устройств и целесообразные во всех случаях, и на мероприятия, требующие специальных компенсирующих устройств для выработки реактивной мощности.

Так как АД являются основными потребителями реактивной мощности (60-65 % от общего потребления реактивной мощности), рассмотрим мероприятия, снижающие потребление реактивной мощности асинхронными двигателями:


1. Замена систематически недогруженных асинхронных двигателей со средним коэффициентом загрузки менее 45 % на двигатели меньшей мощности, если это выполнимо по конструктивным условиям.

2. Установка ограничителей холостого хода асинхронных двигателей.

3. Снижение напряжения питания асинхронных двигателей, загруженных не выше чем на 45 % путем переключения схемы обмоток с треугольника на звезду. При этом вращающий момент и активная мощность электродвигателя уменьшаются в 3 раза (), загрузка двигателя и его коэффициент мощности повышаются, а потребление реактивной мощности снижается.

4. Повышение качества ремонта асинхронных двигателей, т.е. при ремонте необходимо точно соблюдать номинальные данные двигателей.

Компенсация реактивной мощности в питающей сети.

К мероприятиям, связанным с применением компенсирующих устройств и улучшающим режим в питающей сети, относится установка батарей статических конденсаторов. При этом может быть применена групповая на шинах или индивидуальная компенсация реактивной мощности.

Установка БК позволяет разгрузить питающую сеть, включая генераторы электростанций, от передачи и выработки значительной величины реактивной мощности, что приводит большому экономическому эффекту.

3.4.2 Подготовка стенда к работе

Включить автомат QF и подать напряжение на потенциал-регулятор АТ. Ключом SA4 установить напряжение сети U=380-400 В, ключом SA5 соединить обмотку статора АД в звезду. С генератора снять возбуждение (ручку статора RR в цепи обмотки возбуждения повернуть влево до упора) и разомкнуть цепь нагрузки ключом SA6, т.е. подготовить включение двигателя на холостой ход.


3.4.3 Снять рабочие характеристики АД

Кнопкой ПУСК магнитного пускателя КМ включить асинхронный двигатель (без подключения конденсаторов) и нагрузить его от холостого хода до 1,1-1,2 РН. Снять показания приборов и результаты занести в таблицу 3.1.

Таблица 3.1 – Рабочая характеристика АД

  U, B I, A P, кВт Q, квар КЗ=Р/РН cos j Примечания
             
             
             

Построить графически зависимость потребления активной и реактивной мощностей и коэффициента мощности (cos j) от загрузки асинхронного двигателя.

3.4.4 Провести анализ эффективности компенсации реактивной мощности в питающей сети

В настоящей лабораторной работе исследуется режим индивидуальной компенсации реактивной мощности АД (рисунок 3.1). Установить на двигатель постоянную нагрузку близкую к РН, определить коэффициент мощности в сети, питающей АД. Включая конденсаторные батареи снять показания измерительных приборов, подсчитать коэффициенты мощности в трех режимах и результаты занести в таблицу 3.2.

Таблица 3.2 – Компенсация реактивной мощности в питающей сети АД

  Р, кВт Q, квар S, кВА cos j I, А
АД          
АД + СВ1          
АД + СВ1 + СВ2          
АД + СВ1 + СВ2 + СВ3          

Провести анализ результатов замеров и сделать вывод об эффективности компенсации реактивной мощности в сети, питающей АД.

3.4.5 Провести опыт переключения обмоток АД с треугольника на звезду

Отключив двигатель, установить напряжение питающей сети UЛ=220-230 В, соединить обмотку двигателя в треугольник и включить напряжение, установив на двигателе нагрузку в пределах 0,25-0,4 РН (по заданию преподавателя). Отключить двигатель, переключить обмотку статора с треугольника на звезду и вновь включить двигатель в сеть UЛ =230 В при той же активной нагрузке. Снять показания приборов и результаты занести в таблицу 3.3, сравнить коэффициенты мощности cos j, результаты объяснить.

Таблица 3.3 – Переключение обмотки АД с треугольника на звезду

U, В I, A P, кВт Q, квар S, кВА соs j
D          
Y          

3.4.6 Снять статические характеристики АД

Статические характеристики — это зависимость потребляемой активной и реактивной мощностей АД от напряжения питающей сети.

Для выполнения этого пункта работы обмотку двигателя включить в звезду, установить нагрузку на двигатель в пределах 0,5-0,7 РН при напряжении сети UЛ = 380-400 В, затем, уменьшая напряжение 5-6 ступенями до 0,5-0,6 UН при неизменной нагрузке на двигатель, снимают показания приборов и заносят в таблицу 3.4.

Примечание. Если обмотка статора двигателя включается в треугольник, то напряжение сети изменяется в пределах UЛ = 250-120 В. Если при снижении напряжения двигатель опрокинется, т.е. вращающий момент двигателя станет меньше момента сопротивления механизма Мдв< Мс мех, его необходимо быстро отключить (рисунок 2.3, т.3).

Таблица 3.4 – Статическая характеристика АД

  U, В I, А P, кВт Q, квар U*=U/Uн I* =I/Iн P* = Р/Рн Q* = Q/Qн
               
               
               

Построить графически статические характеристики асинхронного двигателя, дать пояснения к ним.

Низкий коэффициент мощности Работа асинхронного двигателя

Асинхронные двигатели находят различные применения в промышленности и бытовом оборудовании. Такая машина требует магнитных полей для своего функционирования, следовательно, она получает намагничивающий ток от источника. Ток намагничивания — это ток, который создает поток в воздушном зазоре асинхронного двигателя и не зависит от нагрузки на двигатель. Обычно он составляет от 20% до 60% от тока полной нагрузки двигателя. Ток намагничивания не влияет на выходную мощность двигателя, так как его роль заключается в обеспечении среды (магнитного поля), необходимой для обмена энергией между статором и ротором по принципу индукции.Как правило, асинхронные двигатели работают с низким коэффициентом мощности (примерно pf от 0,2 до 0,4) в условиях малой нагрузки или без нагрузки и при полной нагрузке (приблизительно pf от 0,8 до 0,9). В условиях низкой нагрузки или без нагрузки из-за наличия только тока намагничивания в обмотках статора приводит к работе энергосистемы с низким коэффициентом мощности, поскольку ток намагничивания носит сильно индуктивный характер.

Работа с низким коэффициентом мощности приводит к избыточной нагрузке на генераторы (увеличение потребности в кВА) и при той же выходной мощности при постоянном напряжении значение тока увеличивается, что приводит к увеличению размера проводника, следовательно, дополнительно увеличивает стоимость линий электропередачи из-за чрезмерно высокой ток в проводниках передачи увеличивает потери в меди, что приводит к низкой эффективности передачи и плохому регулированию напряжения из-за большого падения напряжения, поэтому рекомендуется эксплуатировать асинхронные двигатели при полной нагрузке.
Чтобы уменьшить потери из-за работы асинхронных двигателей с низким коэффициентом мощности , особенно в трансформаторах и распределительном оборудовании, требуются коррекции коэффициента мощности, такие как конденсаторная батарея, синхронные фазовые модификаторы и т. д., их роль заключается в компенсации потребности в реактивной мощности асинхронных двигателей и восстановить коэффициент мощности настолько близко к единице, насколько это экономически целесообразно.

Коррекция коэффициента мощности достигается подключением конденсатора (скажем) либо параллельно двигателю, либо может применяться на распределительном щите оборудования или на стороне источника.Как правило, поправки размещаются в цепях контактора «Сеть» или «Треугольник». Необходимо соблюдать осторожность при подключении статического компенсатора (скажем, конденсатора), так как реактивная реактивная мощность, требуемая двигателем, постоянно изменяется из-за изменения нагрузки, существует вероятность чрезмерной или недостаточной компенсации, обеспечиваемой компенсаторами, поскольку это источник постоянного реактивной мощности, что может привести к аварийному срабатыванию двигателей. Для защиты двигателей от таких срабатываний им оснащены микроконтроллеры, которые постоянно контролируют потребность двигателей в реактивной мощности и, таким образом, регулируют компенсацию, обеспечиваемую компенсаторами.Таким образом, с помощью эффективных контроллеров и компенсаторов работа асинхронного двигателя с низким коэффициентом мощности во время работы с малой нагрузкой или во время работы без нагрузки может эффективно управляться и, таким образом, с улучшением коэффициента мощности, эффективность и эффективность передачи могут быть повышены.

Почему асинхронный двигатель имеет низкий коэффициент мощности при холостом ходе

Коэффициент мощности асинхронного двигателя очень низок в диапазоне от 0,1 до 0,3, когда двигатель работает без нагрузки. Есть две составляющие тока холостого хода: ток намагничивания (Im) и рабочий ток (Iw) или отсутствие потери нагрузки. компонентный ток.Двигатель потребляет ток намагничивания для создания магнитного поля в воздушном зазоре. Ток намагничивания остается постоянным, если напряжение и частота постоянны. Ток намагничивания отстает от напряжения статора (V1) на 90 °. Ток намагничивания – это безваттный ток.

Ток намагничивания (Im) не зависит от нагрузки на двигатель и, практически, ток намагничивания имеет постоянное значение в асинхронном двигателе. Двигатель также потребляет ток потери холостого хода (Iw) из-за вихревых токов и потерь на гистерезис. Потери холостого хода в асинхронном двигателе являются фиксированным типом потерь, поэтому составляющая тока потерь холостого хода (Iw) остается постоянной.Ток потери холостого хода (Iw) не зависит от нагрузки на двигатель. Таким образом, ток холостого хода (Io) равен векторной сумме тока намагничивания (Im) и рабочего тока (Iw). Векторная диаграмма тока холостого хода показана ниже.

Ток нагрузки асинхронного двигателя зависит от нагрузки на двигатель и изменяется в зависимости от процентной нагрузки на асинхронный двигатель. Ток нагрузки изменяется в зависимости от нагрузки на двигатель.

Когда двигатель работает без нагрузки, двигатель потребляет очень меньший ток нагрузки.Ток нагрузки потребляется для удовлетворения требований к крутящему моменту для привода ротора. Магнитодвижущая сила (МДС=NI), создаваемая в роторе, противофазна МДС, создаваемой в статоре. Векторная диаграмма двигателя без нагрузки приведена ниже.

На холостом ходу ток ротора равен I 2 . Фазовый угол между I 2 и индуктивным напряжением ротора E 2 больше, поэтому коэффициент мощности цепи ротора низкий. Эквивалентная величина тока ротора отражается на стороне статора.Ток, отраженный со стороны статора, известен как ток, приведенный к ротору. Полный ток статора двигателя равен векторной сумме тока, приведенного к ротору, плюс ток холостого хода.

На холостом ходу косинус фазового угла между током статора (I 1 ) и приложенным к статору напряжением (V 1 ) является коэффициентом мощности асинхронного двигателя. Угол между напряжением V 1 и током I 1 велик, когда асинхронный двигатель работает без нагрузки, поэтому коэффициент мощности двигателя составляет около 0.от 1 до 0,3.

Коэффициент мощности двигателя улучшается при увеличении нагрузки на двигатель. При увеличении нагрузки полное сопротивление цепи ротора снижается, и ротор потребляет меньше реактивного тока, и, таким образом, коэффициент мощности двигателя улучшается.

Рассмотрим пример улучшения коэффициента мощности ротора при увеличении нагрузки на асинхронный двигатель. Пусть сопротивление ротора равно 0,1 Ом, реактивное сопротивление ротора равно 0,672 генери, а скольжение двигателя при полной нагрузке равно 4%.Расчет коэффициента мощности ротора при различной нагрузке на двигатель производится в приведенной ниже таблице.

Из приведенной выше таблицы ясно видно, что коэффициент мощности асинхронного двигателя ниже , когда двигатель равен на холостом ходу или при небольшой нагрузке. Причиной низкого коэффициента мощности является высокое реактивное сопротивление ротора при меньшей нагрузке. Значение реактивного сопротивления ротора уменьшается с увеличением нагрузки на асинхронный двигатель.

Коэффициент мощности цепи ротора улучшается с увеличением нагрузки и, таким образом, улучшается коэффициент мощности двигателя.Векторная диаграмма индукции под нагрузкой приведена ниже.

Подпишитесь на нас и поставьте лайк:

Похожие сообщения

КПД двигателя, коэффициент мощности и нагрузка

Развив более глубокое понимание эффективности и рабочих характеристик электродвигателя, вы сможете добиться серьезной экономии затрат на электроэнергию. Часто упускаемой из виду и широко неправильно понимаемой характеристикой электродвигателей является коэффициент мощности (PF).Правильное применение электродвигателя и его эффективность являются важными вещами, которые необходимо знать при установке или замене двигателя, хотя PF может быть не менее важным при учете эксплуатационных расходов.

Недавние исследования показывают, что уровень знаний и внедрения мер по повышению энергоэффективности двигательной системы низок. Огромное количество информации о проектировании моторных систем, передовом опыте, закупках и управлении широко доступно, но лишь немногие компании воспользовались ею. Возможности обучения и инструменты для углубления базы знаний конечных пользователей необходимы для применения мер по повышению эффективности двигателя и системы двигателя на уровне завода.

Большинство решений о покупке и техническом обслуживании электродвигателей принимаются на уровне завода.

Большинство решений о покупке и техническом обслуживании электродвигателей, влияющих на эффективность, принимаются на уровне завода. Кроме того, на этом уровне проводится ограниченное обучение в отношении двигательной эффективности и оптимизации двигательной системы. Исследования также показали, что небольшой процент руководителей предприятий внедрил спецификации по закупке и техническому обслуживанию двигателей. Эти факторы могут быть связаны с повышением эффективности двигательной системы на уровне растений.

КПД двигателя

Закон об энергетической политике (EPAct) вступил в силу в 1997 году. EPAct требует, чтобы двигатели общего назначения мощностью от 1 до 200 л.с., продаваемые в США, соответствовали минимальным уровням эффективности, называемым уровнями EPAct. Закон США об энергетической независимости и безопасности (EISA), вступивший в силу в декабре 2010 г., обновил уровни эффективности EPAct для двигателей мощностью от 1 до 200 л.с. и установил минимальные уровни эффективности для большинства двигателей мощностью от 201 до 500 л.с.

Мониторинг энергопотребления двигателей может определить эксплуатационные расходы и повысить эффективность.

КПД двигателя — это отношение между объемом механической работы, которую выполняет двигатель, и потребляемой им для выполнения работы электрической мощностью, выраженное в процентах. Более высокий процент представляет собой более эффективный двигатель. КПД электродвигателя зависит (но не ограничивается) от конструкции, материалов, конструкции, номинальных характеристик, нагрузки, качества электроэнергии и условий эксплуатации.

Основы коэффициента мощности

PF, часто обсуждаемый как мера снижения затрат на энергию, не является реальной мерой энергосбережения.Улучшение коэффициента мощности может снизить затраты на энергию, если с конечного пользователя взимается плата за коэффициент коэффициента мощности. Пользователи с тарифами на электроэнергию, основанными только на потреблении энергии, без платы за спрос (например, жилые и мелкие коммерческие потребители), как правило, не получат выгоды от мер по коррекции PF. Корректировка коэффициента мощности конечного пользователя в основном применяется для того, чтобы избежать платы за электроэнергию при низком коэффициенте мощности и для снижения спроса на трансформаторы и генераторы конечного пользователя для высвобождения мощности. Электроэнергетические компании, чтобы снизить потери в своих системах, поощряют потребителей энергии к эффективному потреблению энергии, определяя свои платежи на основе определенных параметров.Обычная плата за электроэнергию предназначена для низкого коэффициента мощности.

Лучше всего описать и понять, рассмотрев компоненты электрической системы, PF — это соотношение между киловаттами (кВт) и киловольт-амперами (кВА). Полная электрическая мощность кВА состоит из двух компонентов: активной мощности кВт и реактивной мощности киловольт-ампер реактивной (кВАр) — математически описывается как:

кВА2 = кВт2 + кВАр2

и

Коэффициент мощности = кВт ÷ кВА

Многие нагрузки коммерческих и промышленных объектов представляют собой двигатели, а индуктивные нагрузки требуют индуктивной реактивной мощности.Конденсаторы обеспечивают реактивную мощность электрически в направлении, противоположном индуктивной реактивной мощности. Индуктивную квар можно уменьшить или отменить, добавив емкостную квар. Единичный коэффициент мощности или 100% коэффициент мощности — это когда кВА = кВт. Запаздывающий коэффициент мощности — это любой коэффициент мощности менее 100 %, индуктивная кВАр, типичный для коммерческих и промышленных объектов. Опережающий коэффициент мощности, емкостная кВАр, — это любой коэффициент мощности, превышающий 100 %. Опережающий коэффициент мощности обычно является нежелательным электрическим состоянием по целому ряду причин. Изменение реактивной составляющей мощности не влияет на реальную мощность, потребляемую нагрузкой.Реактивная мощность влияет на кВА, питающую нагрузку, и может сделать нагрузку на генератор больше, чем необходимо. Конденсаторы постоянной емкости на главной электросети являются распространенным методом коррекции отставания коэффициента мощности. Установки с большими двигателями также могут располагать конденсаторы на двигателях, что помогает снизить токовую нагрузку на проводник и трансформатор до двигателя.

Закон США об энергетической независимости и безопасности (EISA) обновил уровни эффективности для двигателей мощностью от 1 до 200 л.с.

Коэффициент мощности и КПД двигателя

Поскольку реактивная мощность не выполняет никакой работы, PF указывает процент полезной энергии от общей энергии — и лучше всего, когда он максимально близок к единице.Низкий коэффициент мощности может способствовать низкой эффективности, более высоким потерям и ненужным платежам за электроэнергию.

Для работы асинхронных двигателей требуется как активная, так и реактивная мощность. Реальная мощность (кВт) производит работу и тепло. Реактивная мощность (кВАр) создает магнитное поле в двигателе, которое позволяет ему работать.

PF двигателя ниже, когда двигатель недогружен, и значительно снижается, когда нагрузка двигателя составляет менее 70%. Точное согласование двигателя с нагрузкой — лучший способ поддерживать коэффициент мощности близким к номинальному значению двигателя, который обычно составляет от 80% до 85% коэффициента мощности.

Проект улучшения коэффициента мощности моторной системы

Недавно я реализовал проект по усовершенствованию моторной системы и коэффициента мощности на небольшом промышленном предприятии со значительной нагрузкой на двигатель. На момент проведения исследования совокупная пиковая потребность станции составляла 480 кВт при коэффициенте мощности 85%, в результате чего среднемесячная плата за электроэнергию коммунального предприятия составляла 276 долларов США.

Измеренные данные показывают, что коэффициент мощности (PF) ниже, когда двигатель недогружен.

Цель проекта состояла в том, чтобы определить двигатели, вносящие вклад в менее чем желательный коэффициент мощности, и улучшить заводской коэффициент мощности, чтобы избежать будущих расходов на коэффициент мощности.Технологическая линия, состоящая из пяти асинхронных двигателей (75 л.с., 150 л.с., 200 л.с. и два по 125 л.с.), была определена для контроля энергопотребления и КМ каждого двигателя в процессе в течение нормального производственного цикла. Монитор мощности собирал данные, и связанный с ним программный пакет использовался для анализа данных. Таблица показывает сводку результатов мониторинга.

Измерения монитора мощности показали, что все двигатели были недогружены, что привело к тому, что коэффициент мощности двигателя на M1 и M2 был значительно ниже номинального значения, указанного на паспортной табличке.Выводы также показали, что вся технологическая линия имеет слишком большие размеры, исходя из нормального производства. Недогруженные двигатели работают ниже номинала PF, как показано на рис. .

Недогруженные двигатели могут работать ниже паспортного коэффициента мощности (PF).

Меры по улучшению системы

Чтобы избежать платы за коэффициент мощности электроэнергетики, завод должен был иметь коэффициент мощности 90% или выше. После тщательного анализа, обсуждения и размышлений было решено перенастроить процесс так, чтобы можно было убрать 75-сильный мотор М1.M1 был загружен только на 41% и использовал индуктивный кВАр при коэффициенте мощности 63%. Также будет некоторое диверсифицированное снижение спроса на кВт и возможная экономия энергии за счет удаления M1. Хотя спрос и экономию энергии было трудно рассчитать, поскольку работа, которую выполнял M1, в процессе передавалась двигателю M4, у M4 была возможность поглотить нагрузку от M1. Также имелся потенциал для повышения КПД и коэффициента мощности M4 с добавлением нагрузки, что эффективно уменьшало вклад M4 в индуктивную кВАр.

Еще одно усовершенствование двигательной системы было проанализировано и определено как рентабельная мера для реализации.Было решено добавить 50 кВАр емкости на 200-сильный двигатель М2. Основываясь на измерениях нагрузки и коэффициента мощности M2, добавление емкостной кВАр не скорректирует коэффициент мощности M2 выше 90 %, но обеспечит достаточную емкостную кВАр вместе с улучшениями M1 и M4, чтобы довести коэффициент мощности всей установки до 90 %.

Результаты

Принятые меры по улучшению привели к тому, что PF завода составил 93%, что позволило исключить ежемесячные платежи PF в размере 276 долларов. Эти меры также привели к снижению среднего ежемесячного пикового потребления электростанции на 10 кВт, что составляет ежемесячную экономию в размере 90 долларов США.Окупаемость проекта составила менее 18 месяцев. Примечание. До начала реализации этого проекта на заводе имелся действующий конденсатор постоянной емкости на 200 кВАр, установленный на главном вводе электроснабжения для поддержки PF. Этот конденсатор остается на месте.

Соображения

Существует широкий спектр барьеров, влияющих на реализацию мер по повышению эффективности двигательной системы, включая операционные проблемы, влияющие на решения о распределении ресурсов. Результаты улучшения двигательной системы подтверждают необходимость создания знаний и инструментов на уровне предприятия, необходимых для улучшения двигательной системы.Лидеры, принимающие решения, анализирующие методы управления моторикой, должны решить, насколько они соответствуют целям повышения эффективности и экономии средств, с которыми сталкивается большинство руководителей. Улучшения в управлении двигательной системой, закупках и обучении могут привести к значительной и устойчивой экономии. Учитывая, что первоначальная цена двигателя составляет всего около 2% от стоимости его эксплуатации в течение всего срока службы, существует огромный потенциал экономии.

Брандсер, CPE (сертифицированный заводской инженер), менеджер по работе с клиентами в Xcel Energy, О-Клэр, Висконсин.С ним можно связаться по адресу [email protected]

Действительно ли частотно-регулируемые приводы улучшают коэффициент мощности двигателей переменного тока?

Коэффициент мощности, по существу, является мерой того, насколько эффективно часть оборудования (или весь объект) использует электричество для выполнения полезной работы, такой как обогрев, освещение или движение. Электроэнергетические компании следят за коэффициентом мощности и часто взимают с клиентов штраф, если их коэффициент мощности падает ниже определенного порога — обычно 0,90 или выше.


К счастью, большинство электрических нагрузок в жилых зданиях являются резистивными (например, отопление и освещение) и имеют высокий коэффициент мощности, поэтому потребители обычно не учитывают этот показатель.С другой стороны, промышленные предприятия обычно имеют высокие индуктивные нагрузки, которые значительно снижают их коэффициент мощности. Например, асинхронные двигатели переменного тока, которые используются для привода насосов, вентиляторов, компрессоров и конвейеров, имеют относительно низкий коэффициент мощности, даже когда их мощность используется на полную мощность. А когда эти моторы мало нагружены, их коэффициент мощности падает еще ниже — иногда приближаясь к нулю.

Когда асинхронный двигатель сильно нагружен (вверху), формы сигналов напряжения и тока почти совпадают по фазе (небольшое смещение), а коэффициент мощности высок.Когда двигатель слегка нагружен (внизу), формы волны не совпадают по фазе (большой рабочий объем) и коэффициент мощности низкий.
Изображение предоставлено: Yaskawa America

Существует несколько методов улучшения коэффициента мощности на промышленном объекте, но когда основными виновниками являются асинхронные двигатели, особенно асинхронные двигатели, не работающие на полную нагрузку, применение частотно-регулируемых приводов (ЧРП) часто лучшее решение.


Напомним, что в асинхронном двигателе переменного тока мощность подается непосредственно на статор, а в роторе индуцируется магнитное поле.Мощность, подаваемая на статор, называется «действительной» или «активной» мощностью, поскольку она создает крутящий момент. Мощность, используемая для создания магнитного поля в роторе, называется «реактивной» мощностью, поскольку она не производит активной работы. Комбинация активной мощности и реактивной мощности называется «полной» мощностью. Реальная, реактивная и полная мощность часто изображаются на треугольнике мощности.

В идеальной системе коэффициент мощности (PF D ) представляет собой косинус θ, который равен реальной мощности (P), деленной на полную мощность (S).

Обратите внимание на нижний индекс D в обозначении коэффициента мощности. В треугольнике мощности θ представляет смещение  (разность фаз) между напряжением и током. Таким образом, это выражение коэффициента мощности часто называют именно коэффициентом мощности смещения , PF D .


Для резистивных нагрузок вся (или почти вся) используемая мощность представляет собой реальную мощность, которая производит полезную работу, например тепло или свет.Следовательно, ток и напряжение остаются в фазе (θ = 0), а коэффициент мощности близок к единице (т. Е. 1). Но реактивная мощность, необходимая для индуктивных нагрузок — например, для создания магнитного поля в роторе — имеет тенденцию смещать ток в противофазе с напряжением (следовательно, больший угол θ), вызывая меньший коэффициент мощности.

Количество реальной мощности, необходимой асинхронному двигателю, зависит от нагрузки, но количество реактивной мощности (мощности, необходимой для создания магнитного поля ротора) остается постоянным независимо от нагрузки.Таким образом, когда асинхронный двигатель слегка нагружен, отношение активной мощности к полной мощности уменьшается, что приводит к более низкому коэффициенту мощности.


Использование частотно-регулируемых приводов для управления асинхронными двигателями может улучшить коэффициент мощности, но это не панацея, как предлагают некоторые производители.


Преобразователи частоты обычно имеют очень высокие значения PF D . Это связано с тем, что конденсаторы шины постоянного тока подают необходимый реактивный ток в двигатель для создания магнитного поля ротора, а линия питания переменного тока должна подавать только реальную мощность.Это означает, что напряжение и ток почти идеально совпадают по фазе с очень небольшим смещением, а коэффициент мощности может быть равен или близок к единице.

Но частотно-регулируемые приводы также вносят гармонические искажения тока. А поскольку гармонические токи не производят полезной работы, они являются реактивными, что сводит на нет некоторые преимущества частотно-регулируемого привода в отношении коэффициента мощности.

Для определения истинного коэффициента мощности, PF T , учитывающего влияние гармонических искажений, мы используем уравнение:

THD = полное гармоническое искажение тока

К счастью, есть способы уменьшить это гармоническое искажение, вызванное частотно-регулируемым приводом, и минимизировать его влияние на коэффициент мощности.Для частотно-регулируемых приводов, в которых используется стандартный диодный выпрямитель, добавление импеданса через сетевой дроссель или дроссель звена постоянного тока уменьшит THD.

Другим вариантом является использование привода с активным интерфейсом (AFE), который представляет собой частотно-регулируемый привод, в котором используются IGBT, а не диоды, для преобразования поступающего переменного тока в постоянный. Активные передние приводы имеют значительно более низкий THD, чем стандартные конструкции выпрямителей на основе диодов. Например, привод AFE обычно имеет коэффициент нелинейных искажений около 5 процентов, в то время как стандартный частотно-регулируемый привод с диодным выпрямителем может иметь коэффициент нелинейных искажений в диапазоне 45 процентов.


В: Почему коммунальное предприятие заботится о том, насколько эффективно установка или оборудование использует поставляемую им электроэнергию?

A: Поскольку низкий коэффициент мощности вызывает более высокие линейные токи, которые создают большую нагрузку (в основном в виде тепла) на кабели, трансформаторы и другое оборудование. Кроме того, чем ниже коэффициент мощности, тем больше кажущаяся мощность (кВА) должна предоставить коммунальная служба, чтобы удовлетворить требования к реальной мощности (кВт).

Что такое коэффициент мощности, его причины и как его улучшить?

Таким образом, для данного КВА:

  1. Чем больше у вас пены (чем выше процент KVAR), тем ниже отношение KW (пиво) к KVA (пиво плюс пена).Таким образом, чем ниже ваш коэффициент мощности.
  2. Чем меньше у вас пены (чем ниже процент KVAR), тем выше отношение KW (пиво) к KVA (пиво плюс пена). Фактически, когда ваша пена (или KVAR) приближается к нулю, ваш коэффициент мощности приближается к 1,0.

Силовой треугольник

«Треугольник мощности » иллюстрирует взаимосвязь между кВт, кВА, кВАр и коэффициентом мощности:

 

PF = кВт/квар = Cos Φ

кВАр/кВА = Sin Φ

Треугольник силы

Обратите внимание, что… в идеальном мире… глядя на аналогию с пивной кружкой:

  • KVAR будет очень маленьким (пена будет приближаться к нулю)
  • кВт и кВА почти равны (больше пива, меньше пены)

Итак, чтобы иметь «эффективную» систему, мы хотим, чтобы коэффициент мощности был как можно ближе к 1.0 насколько это возможно.

Коэффициент мощности, равный единице или «единичный коэффициент мощности», является целью любой электроэнергетической компании.

Это связано с тем, что если коэффициент мощности меньше единицы, они должны подавать пользователю больший ток для заданного количества потребляемой мощности. При этом они несут больше потерь в линии.

Что вызывает низкий коэффициент мощности?

Отлично, теперь мы поняли, что такое коэффициент мощности.

Недавно я обнаружил, что коэффициент мощности на моем заводе очень низкий.Я думал, что плохого я сделал, чтобы вызвать это?

Поскольку коэффициент мощности определяется как отношение кВт к кВА, мы видим, что низкий коэффициент мощности получается, когда кВт мал по отношению к кВА.

Вспоминая нашу аналогию с пивной кружкой, это происходит, когда KVAR (пена) велика.

Что вызывает большой KVAR в системе? Ответ: Индуктивные нагрузки .

Индуктивные нагрузки (которые являются источниками реактивной мощности) включают:

  • Трансформаторы
  • Асинхронные двигатели
  • Асинхронные генераторы (ветряные генераторы)
  • Освещение разрядом высокой интенсивности (HID)

Эти индуктивные нагрузки составляют большую часть электроэнергии, потребляемой в промышленных комплексах.

Реактивная мощность (квар), необходимая для индуктивных нагрузок, увеличивает количество полной мощности (кВА) в вашей распределительной системе.

Использование индуктивной нагрузки изменяет угол между KW и KVA.

Это увеличение реактивной и полной мощности приводит к большему углу θ (измеряемому между кВт и кВА). Напомним, что по мере увеличения θ косинус θ (или коэффициент мощности) уменьшается.

Таким образом, индуктивные нагрузки (с большим KVAR) приводят к низкому коэффициенту мощности.

Зачем мне улучшать коэффициент мощности?

Хорошо.Итак, у меня на объекте есть индуктивные нагрузки, из-за которых коэффициент мощности у меня низкий. Почему я должен хотеть улучшить его?

Вы хотите улучшить коэффициент мощности по нескольким причинам. Некоторые преимущества улучшения коэффициента мощности включают:

1. Снижение платы за коммунальные услуги

Улучшение коэффициента мощности может снизить счет за коммунальные услуги на

  1. Уменьшение пиковой потребности в выставлении счетов за кВт
  2. Устранение штрафа за коэффициент мощности

Коммунальные предприятия обычно взимают с клиентов дополнительную плату, если их коэффициент мощности меньше 0.95 (некоторые ниже 0,85). Вы можете избежать этой дополнительной платы, увеличив коэффициент мощности.

2. Увеличение производительности системы и снижение потерь в системе

Добавление в систему конденсаторов (генераторов KVAR) улучшает коэффициент мощности и увеличивает мощность системы в кВт.

Нескорректированный коэффициент мощности приводит к потерям мощности в вашей распределительной системе. Улучшив коэффициент мощности, эти потери можно уменьшить.

В связи с нынешним ростом стоимости энергии очень желательно повысить эффективность объекта.А с более низкими системными потерями вы также можете добавить дополнительную нагрузку на свою систему.

3. Повышенный уровень напряжения и КПД

Улучшенный коэффициент мощности может привести к повышенному уровню напряжения в вашей электрической системе и более эффективным двигателям.

Как упоминалось выше, нескорректированный коэффициент мощности приводит к потерям мощности в вашей распределительной системе.

Таким образом, повысив коэффициент мощности, вы сведете к минимуму эти падения напряжения вместе с фидерными кабелями и избежите связанных с этим проблем.Ваши двигатели будут работать теплее и эффективнее, с небольшим увеличением мощности и пускового крутящего момента.

Как исправить (улучшить) коэффициент мощности?

Как мне улучшить (т. е. увеличить) коэффициент мощности?

Мы видели, что источников реактивной мощности (индуктивные нагрузки) уменьшают коэффициент мощности :

  • Трансформаторы
  • Асинхронные двигатели
  • Асинхронные генераторы (ветряные генераторы)
  • Освещение разрядом высокой интенсивности (HID)

Аналогично, потребители реактивной мощности увеличивают коэффициент мощности :

  • Конденсаторы
  • Синхронные генераторы (бытовые и аварийные)
  • Синхронные двигатели

Таким образом, неудивительно, что одним из способов увеличения коэффициента мощности является добавление в систему конденсаторов.Этот и другие способы увеличения коэффициента мощности перечислены ниже:

1. Установка конденсаторов (КВАР-генераторы)

Установка конденсаторов снижает величину реактивной мощности (кВАр или пенопласт), тем самым повышая коэффициент мощности.

Вот как это работает,

Реактивная мощность (квар), вызванная индуктивными нагрузками, всегда действует под углом 90 градусов к рабочей мощности (кВт).

Индуктивность и емкость реагируют друг на друга на 180 градусов. Конденсаторы хранят KVAR и выделяют энергию, противодействующую реактивной энергии, вызванной катушкой индуктивности.

Наличие конденсатора и катушки индуктивности в одной и той же цепи приводит к непрерывной попеременной передаче энергии между ними.

Таким образом, когда цепь уравновешена, вся энергия, выделяемая катушкой индуктивности, поглощается конденсатором.

2. Сведение к минимуму работы двигателей на холостом ходу или с малой нагрузкой.

Мы уже говорили о том, что низкий коэффициент мощности обусловлен наличием асинхронных двигателей.

Но, более конкретно, низкий коэффициент мощности возникает из-за работы асинхронных двигателей с небольшой нагрузкой.

3. Не допускать эксплуатации оборудования выше номинального напряжения.

Другой метод улучшения коэффициента мощности заключается в том, чтобы избегать эксплуатации оборудования с напряжением, превышающим его номинальное значение.

4. Замена штатных двигателей по мере их выгорания на энергоэффективные.

Даже у энергоэффективных двигателей на коэффициент мощности существенно влияют колебания нагрузки.

Двигатель должен работать при нагрузке, близкой к номинальной, чтобы реализовать преимущества конструкции с высоким коэффициентом мощности.

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.