Изменение частоты. При питании асинхронного двигателя от автономного источника электроэнергии небольшой мощности (транспортные установки, передвижные электростанции) частота и напряжение сети, к которой подключают двигатель, могут отличаться от номинальных. Рассмотрим влияние изменения частоты на работу двигателя при условии, чтонапряжение U 1 = U ном = const.
Если принять U 1 ≈ Е l, то согласно (4.2)
(4.105)
Фm = U1 /(4,44f1 w1 ko61).
Из (4.29) имеем, что
(4.106)
I2 = М/(см Фт cos ψ2).
Следовательно, изменение частоты f1 приводит к изменению потока Фт и соответствующему изменению тока ротора I 2 и нагрузочной составляющей I' 2 тока статора. При уменьшении частоты магнитный поток и ток холостого хода I 0 увеличиваются, причем ток I 0 из-за насыщения стали магнитопровода возрастает быстрее, чем магнитный поток. Обычно уменьшение частоты f 1 на 10 % вызывает увеличение тока I 0 на 20—30%. Поскольку ток I 0 является практически реактивным, это приводит к снижению коэффициента мощности двигателя.
При увеличении частоты f 1 пропорционально возрастает частота вращения п 2. Если нагрузка двигателя имеет «вентиляторную» характеристику, то нагрузочный момент возрастает пропорционально квадрату или кубу частоты вращения, т. е. частоты f 1. Кроме того, магнитный поток Ф т уменьшается обратно пропорционально изменению частоты. Все это, согласно (4.106), приводит к резкому увеличению тока I 2. При возрастании частоты на 10% ток ротора двигателя, вращающего вентилятор, увеличивается примерно в 1,5 раза, что может привести к перегреву двигателя.
При неизменном нагрузочном моменте увеличение частоты повышает опасность нарушения устойчивости двигателя, так как снижается максимальный момент двигателя пропорционально f 12. Таким образом, отклонение частоты f 1 от номинального значения приводит к ухудшению условий работы двигателей и поэтому частота не должна отличаться (согласно ГОСТу) от номинальной более чем на 5%.
Изменение напряжения. Обычно асинхронные двигатели рассчитывают так, чтобы при номинальном режиме они имели КПД и cos φ1, близкие к максимальным. Кроме того, максимум КПД достигается, когда постоянные потери — механические и в стали равны переменным потерям в обмотках (см. § 4.9). Поэтому влияние изменения напряжения является неоднозначным и зависит от нагрузки на валу двигателя.
При увеличении напряжения возрастает магнитный поток и, следовательно, увеличиваются ток холостого хода и магнитные потери в стали магнитопровода. Вследствие этого КПД и cos φ1двигателя уменьшаются. Уменьшение напряжения опасно тем, что пропорционально квадрату напряжения изменяется максимальный вращающий момент двигателя и при большом моменте нагрузки может произойти нарушение устойчивости двигателя.
Однако при частичной нагрузке, когда нет угрозы нарушения устойчивости, уменьшение напряжения может оказаться благоприятным, так как пропорционально напряжению уменьшаются магнитный поток Фm, ток холостого хода и магнитные потери в стали магнитопровода, вследствие чего КПД и cos φ1 могут возрасти.
| Рис. 4.72. Зависимости КПД и cos φ1 асинхронного двигателя от питающего напряжения |
На рис. 4.72, а показаны кривые зависимости КПД от напряжения сети для двух значений мощности двигателя Р = Р ном и 0,6 Р ном. Каждой нагрузке соответствует оптимальное напряжение, при котором постоянные потери равны переменным. Чем меньше нагрузка, тем меньше оптимальное значение напряжения. Коэффициент мощности двигателя при нагрузках, меньших номинальной, также может возрастать с уменьшением напряжения и для каждой нагрузки существует напряжение, при котором коэффициент мощности имеет максимум (рис. 4.72, б). Таким образом, желательно при частичных нагрузках снижать напряжение питания, для того чтобы КПД и cos φ1 поддерживались на высоком уровне.
Рис. 4.73. Круговые диаграммы асинхронного двигателя при номинальном и пониженном напряжении 
|
На рис. 4.73 показаны круговые диаграммы двигателя при номинальных напряжении и нагрузке (а) и при пониженном напряжении и частичной нагрузке (б). При понижении напряжения уменьшается ток холостого хода и диаметр окружности токов. В обоих случаях значение cos φ1 близко к максимальному, так как вектор тока Í 1 расположен по касательной к окружности токов. Если двигатель длительное время работает с нагрузками менее 0,5 Р ном, то обычно бывает выгодным иметь устройство, регулирующее напряжение (например, трансформатор с регулированием под нагрузкой). В простейшем случае можно изменять фазное напряжение двигателя, переключая его обмотки с соединения Δ (при номинальной нагрузке) на Y (при малой нагрузке).
|
| Рис. 4.74. Рабочие характеристики асинхронного двигателя при соединении обмотки статора по схемам Y и Δ |
На рис. 4.74показаны кривые относительных значений I 1, η и cos φ1 для двигателя мощностью 28 кВт при таком переключении. Недостатком такого метода является ступенчатое изменение напряжения. Следует иметь в виду, что при включении обмоток двигателя по схеме Y его максимальный момент, пропорциональный квадрату напряжения, уменьшается в три раза. Следовательно, такое переключение можно производить, если нагрузка двигателя равна или меньше 30% от номинальной.