Использование асинхронных двигателей с фазным ротором в составе частотнорегулируемого электропривода

Обновлено: 28.04.2024

Рассмотрены возможности и условия использования при модернизации ранее установленных исправных электродвигателей и их работы в составе частотнорегулируемого привода, в частности, при обрыве фазы ротора.

При модернизации крановых электроприводов для снижения ее стоимости рационально использовать установленные на кране и исправные асинхронные двигатели. На большинстве отечественных кранов применяются, как правило, двигатели с фазным ротором серий МТ и 4МТ.
Имеется положительный опыт эксплуатации в составе частотнорегулируемого электропривода асинхронных двигателей мощностью до 55 кВт с закороченным фазным ротором при питании их от преобразователей частоты, накопленный после модернизации кранов, оборудованных ранее традиционными системами электропривода. Для снижения стоимости модернизации наряду с электродвигателями сохранялись в ряде случаев пускорегулирующие резисторы, которые после проверочного расчета и изменения схемы соединения применялись в качестве тормозных.
С энергетической точки зрения электродвигатели указанных серий с фазным ротором даже предпочтительней короткозамкнутых электродвигателей, так как они имеют меньшее активное сопротивление обмотки ротора, и, следовательно, меньшие потери в ней.
Электродвигатель с фазным ротором, выбранный для работы в традиционной системе кранового электропривода с реостатным регулированием, при переводе его на питание от преобразователя частоты (если режим работы механизма не превышается) всегда имеет меньший уровень пусковых потерь. В большинстве случаев модернизация крана проводится с целью расширения диапазона регулирования скорости для обеспечения точности монтажных операций или при переводе на управление с пола. При этом режим работы крана, как правило, ниже установленного при его изготовлении. При векторном управлении, снижаются потери и в установившемся режиме, так как при частичной нагрузке в электроприводе оптимизируется энергопотребление.
Особенностью конструкции двигателей с фазным ротором является наличие контактных колец и щеток. Поэтому весьма вероятен обрыв цепи одной из фаз ротора из-за износа щеток или поломки щеткодержателя. Для оценки работоспособности электропривода при обрыве фазы ротора проведен эксперимент для механизма подъема с преобразователем частоты типа Альтивар 71 и двигателем мощностью 55 кВт. Закон управления электродвигателем -векторный. Перед подъемом номинально груза "с веса" у двигателя отключалась одна из фаз закороченного ротора. После этого электропривод включался с частотой 25 Гц в направлении подъема. Он разгонялся, однако были отмечены колебания скорости.
На рисунке представлены экспериментальные осциллограммы скорости электропривода с закороченным ротором и при отключении одной из фаз в роторе. Видно, что разгон в направлении подъема с оборванной фазой в роторе длится примерно в 1,5 раза дольше, чем при полностью закороченных кольцах. Однако, с точки зрения защиты от падения груза такой режим является приемлемым.
Следует отметить также, что ток статора, измеряемый преобразователем при обрыве фазы, не отличался от тока в симметричном режиме, хотя теоретически его значение должно быть больше. Тепловая защита электродвигателя построена на вычислении Ft, поэтому ее срабатывания в этом режиме не произойдет, обрыв фазы может быть не замечен обслуживающим персоналом, а двигатель в этом случае - выйти из строя от перегрева. В качестве защиты от такой аварии можно предложить включение в цепь статора или ротора теплового реле, однако это требует экспериментальной проверки.

При модернизации крановых электроприводов для снижения стоимости рационально использовать существующие на кране и исправные асинхронные двигатели. На большинстве отечественных кранов установлены, как правило, двигатели с фазным ротором серий МТ и 4МТ.

Представляет интерес возможность использования крановых асинхронных двигателей с фазным закороченным ротором в составе частотно-регулируемого электропривода. В настоящее время ООО «Кранприборсервис» имеет положительный опыт эксплуатации асинхронных двигателей мощностью до 55 кВт с закороченным фазным ротором при питании от преобразователей частоты.

Такое техническое решение принималось при модернизации кранов оборудованных ранее традиционными системами кранового электропривода на базе асинхронного двигателя с фазным ротором. Для снижения стоимости такой модернизации сохранялись электродвигатели и в ряде случаев пускорегулирующие резисторы, которые после проверочного расчета и изменения схемы соединения применялись в качестве тормозных.

Крановые асинхронные двигатели трехфазного тока имеют повышенную перегрузочную способность и большой пусковой момент при относительно малых пусковых токах и времени разгона.

С энергетической точки зрения электродвигатели с фазным ротором серий МТ и 4МТ даже предпочтительней короткозамкнутых электродвигателей тех же серий, так как они имеют меньшее активное сопротивление обмотки ротора, и, следовательно, меньшие потери в меди ротора в установившемся режиме.

Электродвигатель с фазным ротором, выбранный для работы в традиционной системе кранового электропривода с реостатным регулированием при переводе его на питание от преобразователя частоты (если режим работы механизма не превышается) всегда имеет меньший уровень пусковых потерь.

В большинстве случаев модернизация крана проводится с целью расширения диапазона регулирования скорости для обеспечения точных монтажных операций или при переводе крана на управления с пола. При этом режим работы крана, как правило, ниже установленного при его изготовлении. При векторном управлении, снижаются потери и в установившемся режиме, так как при частичной нагрузке в электроприводе производится оптимизация энергопотребления.

Существует мнение, что импульсы напряжения при широтно-импульсной модуляции, прикладываемые к обмоткам электродвигателя приводит к ускоренному старению изоляции. При этом рекомендуется применять «специальные электродвигатели для эксплуатации в составе частотнорегулируемых электроприводов».

Правда класс изоляции таких электродвигателей не отличается от класса изоляции отечественных электродвигателей серий МТ и 4МТ. Более чем десятилетняя эксплуатация электродвигателей с фазным ротором с закороченными кольцами в составе частотнорегулируемого электропривода, показала их высокую надежность.

Особенностью конструкции двигателей с фазным ротором является наличие контактных колец и щеток. Поэтому обрыв цепи одной из фаз ротора на таких кранах из-за износа щеток или поломки щеткодержателя представляется весьма вероятным.

Для выяснения работоспособности электропривода при обрыве фазы ротора на стенде ООО «Кранприборсервис» был проделан эксперимент с электроприводом механизма подъема с преобразователем частоты типа Альтивар 71 и двигателем мощностью 55 кВт. Закон управления электродвигателем - векторный. Перед подъемом номинально груза “с веса” отключалась одна из фаз закороченного ротора у двигателя мощностью 55 кВт.

После этого электропривод включался в направлении подъема с частотой 25 Гц. При этом электропривод разгонялся в направлении подъема, однако были отмечены колебания скорости.

На рис. 1 представлены экспериментальные осциллограммы скорости электропривода с закороченным ротором и при отключении одной из фаз в роторе.

Рис. 1. Экспериментальные осциллограммы скорости электропривода при подъеме номинального груза 0-3П: 1 - кольца ротора закорочены; 2. одна из фаз ротора отключена.

Из осциллограмм видно, что разгон электропривода в направлении подъема с оборванной фазой в роторе длится примерно в 1,5 раза дольше, чем при полностью закороченных кольцах. Однако, с точки зрения защиты от падения груза такой режим является приемлемым.

Следует отметить также, что ток статора, измеряемый преобразователем при обрыве фазы не отличался от тока в симметричном режиме, хотя теоретически его значение должно быть больше. Тепловая защита электродвигателя построена на вычислении I 2 t поэтому ее срабатывание в этом режиме не произойдет.

Таким образом, обрыв фазы в роторе может быть не замечен обслуживающим персоналом, и двигатель может выйти из строя от перегрева. В качестве защиты от такого режима можно предложить включение в цепь статора или ротора теплового реле, однако данное решение требует экспериментальной проверки.

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!

Изучив устройство АД с фазным ротором и его запуск, можно приступать к более подробному рассмотрению работы такой установки. Её можно разделить на несколько пунктов:

На статор с тройной обмоткой подается трехфазное напряжение от электрической сети с переменным током.
Затем начинается образование магнитного поля, которое приводит к вращению ротора. По мере ускорения вращательных движений скорость оборотов ротора существенно растет.
По достижении определенных показателей отдельные линии полей обоих узлов пересекаются, что вызывает появление электродвижущей силы. Она воздействует на роторную обмотку, за счет чего в ней формируется электрический ток.
В определенный момент времени между магнитным полем статора и током в роторе начинается взаимодействие, образующее крутящий момент. Именно за счет него и осуществляется работа асинхронного двигателя.

Сферы применения

В настоящее время многие промышленные двигатели являются асинхронными. Их популярность обусловлена вышеперечисленными плюсами и доступностью. Сферы применения таких агрегатов очень обширные, поэтому их активно используют для работы автоматизированных устройств из телемеханической сферы, бытового и медицинского оборудования и звукозаписывающих установок. Асинхронный двигатель — это полезное изобретение нынешнего времени, которое упрощает жизнь человека и обеспечивает хороший КПД при минимальных затратах электроэнергии.

Устройство и конструкция

Желая купить асинхронный электродвигатель с фазным ротором, необходимо хорошо разбираться в его устройстве и конструкционных особенностях. В первую очередь нужно знать, что к основным частям установки относятся статор, который является неподвижным, и ротор — вращающийся механизм внутри статора. Между обоими элементами расположен воздушный зазор, а их поверхность покрыта специальной обмоткой.

Обмотка статора подключена к электрической сети с переменным напряжением, которое передается на обмотку ротора. Взаимодействие узлов обусловлено магнитным потоком.

Что касается корпуса статора, то в качестве него используется корпус двигателя, внутри которого расположен запрессованный сердечник. В последнем находятся проводники обмотки, защищенные от замыкания изоляцией. Обмотка сердечника состоит из нескольких секций, заключенных в катушки.

В роторе установлены вал и сердечник из набранных пластин. Последний элемент создается на основе высокотехнологичной стали и обладает симметричными пазами с проводниками. При работе вал ротора передает крутящий момент к приводу установки. В зависимости от типа ротора выделяют две разновидности двигателей:

С короткозамкнутым ротором.
С фазным ротором.

В первом типе роторов присутствуют алюминиевые стержни, которые находятся внутри сердечника и замкнуты на торцах кольцами. Их также называют «беличьим колесом». Обычно пазы установки обрабатываются алюминием, что повышает их прочность.

Фазный ротор асинхронного двигателя существенно отличается от предыдущей разновидности. Число катушек, установленных под конкретным углом, в таких моделях определяется количеством парных полюсов. При этом пары полюсов в роторе такого типа всегда сопоставимы с аналогичными статорными парами.

Способ управления U/F с энкодером

Если необходимо повысить точность регулирования скорости вращения в систему управления добавляют энкодер. Введение обратной связи по скорости с помощью энкодера позволяет повысить точность регулирования до 0,03%. Выходное напряжение по-прежнему будет определятся заданным шаблоном U/F.

Данный способ управления не получил широкого применения, так как представляемые им преимущества по сравнению со стандартными функциями U/F минимальны. Пусковой момент, скорость отклика и диапазон регулирования скорости - все идентично со стандартным U/F. Кроме того, при повышении рабочих частот могут возникнуть проблемы с работой энкодера, так как он имеет ограниченное количество оборотов.

Плюсы и минусы

В последнее время асинхронные агрегаты пользуются большой популярностью. Она связана с массой преимуществ, которыми они обладают. В их числе:

Высокие значения при начальном вращающем моменте.
Способность принимать любые механические перегрузки без существенного изменения КПД или нарушения стабильной работы установки. Даже если в системе возникают разнообразные перегрузки, агрегат продолжает функционировать с заданной скоростью и практически не отклоняется от базового режима.
Сниженный пусковой ток. В отличие от других асинхронных моделей, например, с короткозамкнутым ротором, у этих двигателей сравнительно низкие показатели пускового тока.
Возможность полной автоматизации работы.
Простота конструкции.
Простая схема запуска.
Сравнительно невысокая цена.
Отсутствие необходимости сложного и дорогостоящего обслуживания.

По последнему показателю устройства с короткозамкнутым ротором более продуктивные.

Читайте также: