Výpočet mechanických charakteristik asynchronního motoru, Konstrukce přirozené mechanické charakteristiky motoru – Návrh elektromotoru pro ventilátor

Mechanická charakteristika motoru je závislost otáček rotoru na momentu na hřídeli n = f (M2). Protože moment volnoběhu je při zatížení malý, pak M2 ? M a mechanická charakteristika je reprezentována závislostí n = f (M). Pokud vezmeme v úvahu vztah s = (n1 – n) / n1, pak lze mechanickou charakteristiku získat znázorněním její grafické závislosti v souřadnicích n a M (obr. 1).

Obr. Mechanické vlastnosti asynchronního motoru

Přirozená mechanická charakteristika asynchronního motoru odpovídá základnímu (certifikačnímu) schématu jeho zapojení a jmenovitým parametrům napájecího napětí. Umělé charakteristiky se získají, pokud jsou zahrnuty jakékoli další prvky: rezistory, tlumivky, kondenzátory. Pokud je motor napájen nejmenovitým napětím, charakteristiky se také liší od přirozené mechanické charakteristiky.

Mechanické charakteristiky jsou velmi pohodlným a užitečným nástrojem při analýze statických a dynamických režimů elektrického pohonu.

Data pro výpočet mechanických charakteristik daného pohonu a motoru:

Trojfázový asynchronní motor s rotorem veverkové klece je napájen ze sítě s napětím = 380 V při = 50 Hz.

Parametry motoru 4AM160S4:

cosсн= 0,86, сн= 0,89, kн= 2,2

Určete: jmenovitý proud ve fázi statorového vinutí, počet pólových párů, jmenovitý skluz, jmenovitý moment na hřídeli, kritický moment, kritický skluz a sestrojte mechanickou charakteristiku motoru. Řešení.

(3.1) Jmenovitý výkon odebíraný ze sítě:

(3.2) Jmenovitý proud odebíraný ze sítě:

(3.3) Počet pólových párů

kde n1 = 1500 je synchronní frekvence otáčení nejblíže jmenovité frekvenci nн = 1460 ot/min.

(3.4) Jmenovitý skluz:

(3.5) Jmenovitý točivý moment na hřídeli motoru:

(3.6) Kritický okamžik

Mk = km x Mn = 1,5 x 249,5 = 374,25 Nm.

(3.7) Kritický skluz zjistíme dosazením M = Mn, s = sn a Mk / Mn = km.

Pro konstrukci mechanických charakteristik motoru pomocí n = (n1 – s) definujeme charakteristické body: bod volnoběhu s = 0, n = 1500 ot/min, M = 0, bod jmenovitého režimu sн = 0,03, nн = 1500 ot/min, Mн = 249.5 Nm a bod kritického režimu sk = 0,078, Mк = 374.25 Nm.

Pro počáteční bod módu sп = 1, n = 0 nacházíme

Na základě získaných dat jsou konstruovány mechanické charakteristiky motoru. Pro přesnější konstrukci mechanických charakteristik je třeba zvýšit počet výpočtových bodů a pro dané skluzy určit momenty a frekvenci otáčení.

Mechanická charakteristika motoru je závislost otáček n na momentu zatížení M na hřídeli.

Rozlišuje se mezi přirozenými a umělými vlastnostmi elektromotorů.

Přirozená mechanická charakteristika je závislost otáček motoru na točivém momentu na hřídeli za nominálních provozních podmínek motoru ve vztahu k jeho parametrům (jmenovité napětí, frekvence, odpor atd.). Změna jednoho nebo více parametrů způsobí odpovídající změnu mechanické charakteristiky motoru. Taková mechanická charakteristika se nazývá umělá.

Pro konstrukci rovnice pro mechanické charakteristiky asynchronního motoru použijeme Closův vzorec (4.1):

kde M_{k —} kritický moment motoru (4.1.1):;

S_{k —} kritický prokluz motoru (4.1.2);

— přetížitelnost motoru ( = 3);

S_н — jmenovitý prokluz motoru (4.1.3):

kde n_н — otáčky rotoru;

n₁ — synchronní rychlost statorového pole (4.1.4);

kde f je průmyslová frekvence proudu napájecí sítě, (f = 50 Hz) (4.1.5);

P — počet pólových párů (pro motor 4AM132S4 P=2)

Jmenovitý skluz motoru 4AM132S4

Kritický prokluz motoru

Kritický moment motoru

Pro vykreslení charakteristiky v souřadnicích přejdeme od posuvu k počtu otáček na základě rovnice

Posuv je nastaven v rozsahu od 0 do 1

S = 0 n = 1500 . (1 – 0) = 1500 ot/min;

S = 0.1 n = 1500. (1 – 0.1) = 1350 ot/min;

S = 0.2 n = 1500. (1 – 0.2) = 1200 ot/min;

S = 0.3 n = 1500. (1 – 0.3) = 1050 ot/min;

S = 0.4 n = 1500. (1 – 0.4) = 900 ot/min;

S = 0.5 n = 1500. (1 – 0.5) = 750 ot/min;

S = 0.6 n = 1500. (1 – 0.6) = 600 ot/min;

S = 0.7 n = 1500. (1 – 0.7) = 450 ot/min;

S = 0.8 n = 1500. (1 – 0.8) = 300 ot/min;

S = 0.9 n = 1500. (1 – 0.9) = 150 ot/min;

S = 1 n = 1500. (1 – 1) = 0 ot/min.

Pro stejné skluzy najdeme odpovídající momenty pomocí Closova vzorce:

Pomocí těchto hodnot přistoupíme ke konstrukci přirozených mechanických charakteristik motoru.

Obrázek 1: Přirozená mechanická charakteristika motoru

Provozní charakteristiky asynchronního motoru jsou závislosti znázorněné na obr. 3.14. Získávají se výpočtem nebo experimentálně při jmenovitých hodnotách napětí a napájecí frekvence, tj. při Ц_н Obr. 3.14. Výkonové charakteristiky asynchronního motoru A /• V experimentu se změna mechanického výkonu na hřídeli Р₂ se provádí změnou momentu zatížení na hřídeli pomocí zatěžovacího (brzdícího) zařízení. V tomto případě se moment měří M, otáčky rotoru Щ proud ve vinutí statoru a výkon spotřebovaný motorem ze sítě

• — regulace frekvence napájecího napětí;
• — změna počtu pólů;
• – dopad na klouzání.

Regulace frekvence. K jeho realizaci je zapotřebí autonomní zdroj energie s proměnnou frekvencí. Může se jednat o synchronní generátor rotující s proměnnou rychlostí nebo statický (tj. nerotující) polovodičový měnič kmitočtu. Ty mohou napájet jeden nebo skupinu asynchronních motorů.

V technice se používají různé typy frekvenčních měničů, jejich společným rysem je však nesinusové výstupní napětí. Vyšší dočasné harmonické složky napětí a proudu způsobují dodatečné ztráty a poněkud snižují energetické ukazatele regulovaného asynchronního motoru.

Pokud zanedbáme relativně malý úbytek napětí na celkovém odporu statorového vinutí, bude platit vzorec (3.28). Ten ukazuje, že pro udržení konstantního toku ve stroji při regulaci frekvence je nutné současně proporcionálně měnit napětí. Tuto dvojí funkci plní frekvenční měnič, který realizuje vztah Ujf = konst. V praxi frekvenčně řízených elektrických pohonů se používají i jiné, složitější regulační zákony.

Mechanické vlastnosti asynchronních motorů s frekvenční regulací jsou znázorněny na obr. 3.15.

Pro regulaci frekvence se často používají konvenční sériové asynchronní motory určené pro provoz s konstantní frekvencí. Takový pohon však nelze považovat za optimální, proto domácí i zahraniční řady poskytují speciální modifikaci strojů pro regulaci frekvence.

Během jeho vývoje se v různé míře zohledňují následující charakteristické rysy motorů s proměnnou frekvencí.

Obr. 3.15. Mechanické vlastnosti asynchronního motoru s frekvenční regulací

• 1. Nevyžadují hluboké drážky rotoru s klecí nakrátko pro zvýšení rozběhového momentu (viz odstavec 3.2.8), protože měnič kmitočtu realizuje tzv. měkký rozběh s postupným zvyšováním frekvence. Řídicí algoritmus měniče zajišťuje takový poměr frekvence a napětí při rozběhu, při kterém motor vyvine maximální možný rozběhový moment a má přijatelnou hodnotu rozběhového proudu.
• 2. Počet pólů frekvenčně řízeného motoru musí být sladěn s rozsahem frekvenční regulace a převodovým poměrem reduktoru. Nalezení optimálního poměru těchto hodnot je složitý technický a ekonomický úkol.
• 3. Měnič kmitočtu je připojen k síti se standardním napětím a jeho nejjednodušší obvody mají na výstupu hodnotu napětí, která se liší od hodnoty uvedené v GOST. Proto lze optimální asynchronní motor pro kompletní frekvenčně řízený pohon při návrhu navrhnout i pro nestandardní jmenovité napětí.
• 4. U pesimoidního napájecího napětí (proudu) není třeba usilovat o harmonické rozložení magnetického pole ve vzduchové mezeře asynchronního motoru. Existují dočasné harmonické řádů Do, prostorové – řády V, jejich kombinace, rotující rychlostmi n_vk = 60k- f/vp. na k = vn_vk=n_i a kombinovaná harmonická se může otáčet ve směru základní složky a přidávat svou složku v užitečném okamžiku.

Z toho vyplývá, že při návrhu vinutí frekvenčně řízených motorů je nutné kriticky přistupovat k metodám boje proti vyšším harmonickým používaným u standardních neřízených strojů.

• 5. Vzhledem k nízké účinnosti vlastních ventilátorů při provozu na nízkých frekvencích musí být frekvenčně řízené motory vybaveny nezávislými hnacími ventilátory s vlastním pohonem.
• 6. Provoz regulovaného motoru při velmi vysokých otáčkách musí být zajištěn jeho ložisky, jejich mazáním, těsněními a vyvážením rotoru.
• 7. Nejlepší moderní frekvenční měniče využívají pulzně šířkovou modulaci (PWM) spínáním výkonových elektronických zařízení. Nízkofrekvenční křivka provozního napětí (proudu) statoru motoru je tvořena prakticky obdélníkovými impulsy s frekvencí asi desítek kilohertzů. Strmé fronty impulsů způsobují vlnové přechodové jevy a přepětí v systému měnič-motor. Pro ochranu před nimi je nutné použít filtry, uzemnění a posílit izolaci závitů statorového vinutí.

Změnou frekvence je možné regulovat rychlost otáčení asynchronního motoru ve velmi širokém rozsahu a zároveň zachovat jeho vysoké energetické ukazatele. Potřeba frekvenčního měniče však zvyšuje náklady a komplikuje údržbu elektrického pohonu.

Obr. 3.16. Schéma změny počtu pólů statorového vinutí přepínáním jeho cívek

Změna počtu pólů. Tato metoda regulace otáček asynchronních motorů se realizuje třemi způsoby.

• 1. Umístěním několika vinutí s různým počtem pólů do statorových drážek. Napájecí napětí se přepíná z jednoho vinutí na druhé v závislosti na požadovaných otáčkách. Modifikace takových vícerychlostních asynchronních motorů pro dvě, tři a dokonce i čtyři otáčky jsou k dispozici v jedné sérii. Používají se například v elektrických pohonech výtahů.
• 2. Změnou vzoru vinutí statoru přepínáním jeho cívek. Například pokud na obr. 2.7 prohodíme začátek a konec jedné z cívek, výsledné magnetické pole vinutí bude mít 2p = 2 (obr. 3.16).
• 3. Pomocí tzv. pólově-amplitudové modulace se při změně vzoru vinutí a v důsledku superpozice polí cívek nebo skupin cívek mění počet pólů výsledného magnetického pole ve vzduchové mezeře. V tomto případě,

objevuje se větší počet vyšších prostorových harmonických.

Řízení otáček změnou počtu pólů má následující nevýhody:

• 1) rychlost se mění pouze diskrétně, skokově, neexistuje možnost plynulé regulace;
• 2) Vícerychlostní motory mají větší rozměry, hmotnost a cenu než jednorychlostní neregulovatelné motory.

Skluz asynchronního motoru lze ovlivnit za účelem řízení otáček rotoru (3.61) regulací napájecího napětí nebo změnou aktivního odporu fázového obvodu rotoru.

Regulace napětí. Točivý moment asynchronního motoru je úměrný druhé mocnině napětí na svorkách statorového vinutí (3.46). Pokud je napětí sníženo nějakým regulátorem, maximální točivý moment prudce klesne (3.49) a kritický skluz zůstává nezměněn (3.48). Pro danou zatěžovací křivku (například M_с(.у) = const) se také změní pracovní skluz a otáčky rotoru. Navíc u konvenčního neregulovaného asynchronního motoru je rozsah změn skluzu malý (obr. 3.17, ). Pro jeho rozšíření je nutné zvýšit , tj. zvýšit aktivní odpor vinutí rotoru. Existuje taková modifikace asynchronních motorů s rotorem veverkovitého typu – motory se zvýšeným skluzem.

Obr. 3.17. Změna skluzu úpravou napětí

v konvenčních (a) a výkonných (b) asynchronních motorech

Provoz asynchronního motoru se zvýšeným skluzem je neekonomický, protože ztráty ve vinutí rotoru jsou vysoké. Proto tato metoda reguluje rychlost otáčení v malém rozsahu a pouze u motorů s nízkým výkonem. A v automatizaci a přístrojové technice se široce používají asynchronní mikromotory s výkonem až 50 W, které mají 5_cr > 1. Mají vysoký aktivní odpor vinutí rotoru díky tomu, že je vyrobeno ze slitiny se zvýšeným odporem ve tvaru klece veverky nebo tenkostěnného kalíšku – dutého rotoru bez magnetického jádra. Další výhodou této konstrukce je nízká setrvačnost, tj. vysoká rychlost. Takové nízkoenergetické motory se nazývají výkonné (nebo servomotory), mají široký rozsah regulace otáček (obr. 3.17, b), i když účinnost je nízká – 20-40%.

Reostatové řízení fázového rotorového motoru. Reostat v obvodu rotoru musí být navržen pro nepřetržitý provoz, a nikoli pouze pro krátkodobý tok rozběhového proudu.

Myšlenku takové regulace rychlosti lze snadno pochopit z obr. 3.10, . Pokud při daném zatěžovacím momentu rovném například jmenovitému M_н, změnou odporu regulačního reostatu se v určitém rozsahu změní i pracovní skluz. Obvykle je malý, protože v reostatu dochází ke ztrátám, tj. tento způsob regulace je také neekonomický.