Работа трехфазного асинхронного двигателя в условиях, отличных от номинальных
Асинхронные двигатели, согласно ГОСТу 183—66, должны отдавать номинальную мощность при отклонениях напряжения сети от номинального значения в пределах от —5 до +10%. В том случае, когда от номинальных значений одновременно отклоняются напряжение и частота, асинхронные двигатели должны отдавать номинальную мощность, если сумма процентных значений этих отклонений (без учета знака этих отклонений) не превосходит 10%.
В условиях эксплуатации сельских электроустановок часты случаи отклонения напряжения сети от номинального значения; частота сети отличается от номинальной прежде всего при питании от автономных энергетических установок (дизельные электростанции совхозов, отдельных хозяйств, резервные электростанции небольшой мощности).
Рассмотрим влияние на работу трехфазного асинхронного двигателя отклонений напряжения и частоты от их номинальных значений.
Работа двигателя при напряжении, по величине отличном от номинального
Напряжение ниже номинального.
Согласно уравнению (141), без учета падения напряжения U1=E1 = cf1Ф. При понижении напряжения понижается магнитный поток, а следовательно, и ток холостого хода /о. Если двигатель должен развить тот же момент, что и при номинальном напряжении, причем Имеется в виду момент номинальный или близкий к нему, то, согласно уравнению (182), М=смФ12COSф2, возрастает ток ротора и составляющая тока статора. Поэтому в зависимости от насыщения двигателя может остаться тем же, уменьшиться (при преобладании влияния) или, как чаще всего бывает, возрасти. При уменьшении напряжения свыше 5% ток, как правило, растет.
Коэффициент мощности при уменьшении напряжения (в оговоренных вначале пределах) обычно увеличивается в соответствии с увеличением активной и уменьшением реактивной составляющих тока статора, скольжение возрастает, коэффициент полезного действия несколько падает, перегрузочная способность двигателя уменьшается.
Напряжение выше номинального.
При повышении напряжения выше номинального все происходит противоположно сказанному выше. В двигателях с большим насыщением стали намагничивающий ток вместе с увеличением напряжения может возрасти непропорционально напряжению и ток статора может увеличиться. В этом случае двигатель будет перегреваться как из-за нагрева стали, так и вследствие увеличения тока в обмотке статора.
Между напряжением на зажимах статора и рабочими характеристиками двигателя (кривыми момента, тока статора) нет простой аналитической зависимости из-за нелинейности кривой намагничивания двигателя и влияния насыщения на параметры машины. Эти вопросы требуют специального рассмотрения.
Переключение обмоток статора слабо нагруженного двигателя с треугольника на звезду. Как показано выше, при нагрузке двигателя, близкой к номинальной, снижение напряжения на его зажимах обычно приводит к перегрузке обмоток по току и влечет за собой уменьшение коэффициента полезного действия и перегрев обмоток.
Но при малых нагрузках двигателя (до 30—35% номинальной) снижение подводимого к двигателю напряжения может улучшить его энергетические показатели. В этом случае, несмотря на увеличение тока ротора, а следовательно, и составляющей тока статора, из-за малой нагрузки ток ротора может не превысить номинального значения. Между тем уменьшение намагничивающего тока и потерь в стали статора вследствие уменьшения магнитного потока благоприятно скажется на значении энергетических показателей — коэффициенте мощности cos ф1 и коэффициенте полезного действия.
В отдельных случаях асинхронные двигатели в условиях эксплуатации могут оказаться временно недогруженными в оговоренных выше пределах. Если обмотка статора таких двигателей нормально соединена в треугольник, то для улучшения энергетических показателей при работе двигателя обмотку статора целесообразно переключить на звезду, понижая таким образом фазное напряжение в 3 раз. Перегрузочная способность при малой нагрузке остается обычно достаточной.
Работа двигателя при частоте, отличной от номинальной
Поскольку при уменьшении частоты U1=E1 — cflФ, магнитный поток, а следовательно, и намагничивающий ток двигателя увеличиваются. Если двигатель должен развить тот же момент, что и при номинальной частоте, то активные составляющие тока ротора и тока статора уменьшаются, Снижается и коэффициент мощности cosф1. Ток статора обычно возрастает из-за преобладающего влияния увеличения намагничивающего тока. Увеличиваются в статоре потери электрические и в стали, охлаждение несколько ухудшается, так как скорость вращения ротора понижается, нагрев двигателя возрастает.
Увеличение частоты и соответствующее ему уменьшение магнитного потока приводят к уменьшению намагничивающего тока. Однако при постоянном моменте растет ток ротора; при определенных условиях ток статора может также возрасти. Изменение таких показателей, как коэффициент мощности cosф, потери в стали статора, скорость вращения двигателя, будет противоположным тому, как об этом говорилось выше при анализе работы двигателя на пониженной частоте.
Отклонения частоты от номинального значения в Электрических сетях обычно бывают небольшими, не превосходя ±1%. Такие колебания частоты не оказывают сколь-либо заметного влияния на работу асинхронного двигателя. По ГОСТу 183—66 двигатели должны отдавать номинальную мощность при отклонениях частоты от номинального значения до ±5%.
Работа двигателя при несимметричном напряжении сети
Возможная несимметрия напряжения в трехфазной сети предусматривается действующими электротехническими нормами, допускающими асимметрию напряжения до 5% (асимметрия напряжений оценивается отношением напряжения обратной последовательности к напряжению прямой последовательности
.
Несимметричное напряжение в трехфазной сети наблюдается при присоединении ее к тяговым железнодорожным подстанциям. К потребителям, вызывающим появление заметной асимметрии напряжений в питающих линиях и сетях, обусловленной асимметрией токов в проводах, относятся однофазные электронагревательные установки и установки с однофазными контактно-сварочными аппаратами, сельские районы, электрифицированные по трехфазно-однофазной системе.
Не принимая во внимание насыщение двигателя, во время рассмотрения работы трехфазного двигателя при несимметричной системе напряжений, подводимой к его зажимам, используем метод симметричных составляющих. Поскольку нулевая точка соединенных в звезду обмоток асинхронного двигателя обычно изолирована, составляющая нулевой последовательности в токах q6motok не возникает, и на зажимах двигателя действуют (согласно теории симметричных составляющих) независимо друг от друга системы напряжений прямой и обратной последовательностей. В отдельных случаях, когда в системе первичных напряжений действует также система нулевой последовательности, по обмоткам статора двигателя могут проходить однофазные токи нулевой последовательности. Токи нулевой последовательности могут появиться в обмотках двигателя, соединенных в треугольник, при питании его от несимметричной системы напряжения вследствие неравенства сопротивления обмоток, как из-за неодинакового насыщения путей потоков рассеяния в разных фазах (приводит к изменению х1 и х2), так и из-за неодинакового нагрева обмоток (приводит к изменению). Но, поскольку токи нулевой последовательности не создают вращающегося магнитного поля и вращающего момента, при анализе работы двигателя их можно не принимать во внимание. Другими словами, и в этих случаях можно считать, что в системе первичных напряжений, подведенных к двигателю, нулевая последовательность как бы отсутствует.
Систему напряжений прямой последовательности можно рассматривать как ту, которая предполагалась приложенной к двигателю в условиях его питания от сети с симметричным напряжением. Теория рабочего процесса двигателя в этом случае достаточно подробно рассмотрена в предыдущих главах. Перенося положения этой теории на рассматриваемый случай, можно сказать, что система напряжений прямой последовательности вызывает в обмотках статора и ротора токи прямой последовательности, в свою очередь, образующие намагничивающие силы соответственно статора F11 и ротора F21 (дополнительный индекс, стоящий вторым, — это номер последовательности) и вращающееся поле Ф, в направлении которого движется ротор.
По аналогии система напряжений обратной последовательности, приложенная к обмоткам статора, вызывает в них токи статора обратной последовательности, создающие намагничивающую силу обратной последовательности, вращающуюся с той же скоростью, что и н. с. прямой последовательности F11, но в обратную сторону, так как токи имеют обратное чередование фаз. Поле, вызванное н. с. обратной последовательности, индуктирует в роторе токи обратной последовательности, создающие намагничивающую силу обратной последовательности ротора F22. В результате совместного действия н. с. F12 и F22 образуется общее магнитное поле обратной последовательности Ф2, идущее в сторону, противоположную движению ротора с синхронной скоростью.
Ухудшение работы двигателя при несимметричном напряжении сети связано с тем, что значение развиваемого двигателем момента, а следовательно, и мощности, по существу определяется только составляющей тока прямой последовательности, а нагрев двигателя зависит от значения тока, включая также составляющую обратной последовательности. Поэтому при несимметричном напряжении нагрев двигателя окажется выше, чем при той же нагрузке и питании его от сети с симметричным напряжением.
Результирующие токи в фазах статора, равные геометрической сумме токов прямой и обратной последовательностей, не одинаковы по значению, увеличиваясь в одних и уменьшаясь в других фазах по сравнению с симметричным режимом при той же нагрузке. При таком токораспределении длительную допустимую мощность можно установить на основе следующих рассуждений. При номинальном токе в наиболее нагруженной фазе статора, слагающемся из токов обеих последовательностей, значение электрических потерь в обмотке статора будет в целом меньше, чем при работе двигателя в номинальных условиях, когда номинальный ток проходит во всех трех фазах. При меньшем значении электрических потерь уменьшится отдача тепла, идущего от всех фаз статора на сталь, и, предполагая достаточную степень тепловыравнивания, можно считать, что температура стали статора будет меньше той, которая наблюдается при работе двигателя в номинальном режиме.
Следовательно, для наиболее нагруженной фазы можно увеличить перепад температуры между медью (проводом) и сталью по сравнению с симметричным режимом. Это позволяет установить значение тока наиболее нагруженной фазы выше номинального, чтобы температура обмотки (меди) наиболее нагруженной фазы при несимметрии оказалась равной температуре обмотки (меди) в симметричных условиях при номинальной нагрузке.
Как показали расчеты, проведенные для двигателей серии А, длительная допустимая мощность для двигателей до 7 квт (обмотка однослойная) типа А при а=5% снижается по сравнению с номинальной на 10—15%, при а=10%—на 25—45%, а для двигателей типа АО соответственно на 10—20 и 30—50%. Для двигателей мощностью от 10 кет и выше с двухслойными обмотками допустимая мощность выше, чем для двигателей с однослойными обмотками, соответственно на 5% при а = 5% и на 10% при а=10%.
При коэффициенте несимметрии напряжений а=1—2% длительная допустимая мощность ниже номинальной на 3—4%; в эксплуатации за счет теплового запаса в двигателях серии А этого снижения можно не делать.
Асинхронный двигатель, работающий в сети с несимметричным напряжением, как вхолостую, так и под нагрузкой создает уравновешивающий эффект, то есть стремится уменьшить несимметрию напряжений. Это объясняется тем, что токи обратной последовательности двигателя частично компенсируют в линии токи обратной последовательности нагрузки. Уравновешивающий эффект тем сильнее, чем меньше результирующее сопротивление обратной последовательности двигателя.
