Регулирование частоты вращения АД с фазным ротором изменением скольжения

Изменять скольжение асинхронного двигателя можно разными способами: изменением подводимого к статору напряжения, введением сопротивления в цепь ротора или введением в цепь ротора дополнительной ЭДС.

При изменении напряжения статора механическая характеристика двигателя изменяется, как показано на рис. 3.9. Снижение напряжения приводит к уменьшению жесткости механической характеристики и росту скольжения. При этом частота вращения ротора снижается,

.

Регулирование частоты вращения таким способом возможно в ограниченном диапазоне изменения скольжения

.

Основным недостатком этого способа регулирования частоты вращения является низкий КПД из-за роста потерь в обмотке ротора пропорционально частоте скольжения

.

Поэтому он применяется только для двигателей малой мощности, работающих в системах автоматического управления.

В двигателях с фазным ротором изменить частоту вращения можно путем изменения сопротивления в роторе (рис. 3.10).

Преимущество данного способа регулирования частоты состоит в том, что максимальный момент остается неизменным. Важно также отметить, что часть потерь двигателя выносится в резистор, тем самым облегчается тепловой режим двигателя. В остальном способ аналогичен предыдущему и характеризуется низким КПД, малым диапазоном регулирования, зависящим от нагрузки, и «мягкой» механической характеристикой.

Чтобы повысить КПД двигателя при регулировании частоты вращения путем изменения скольжения, необходимо мощность скольжения использовать для совершения полезной работы или возвратить обратно в сеть. Схемы, реализующие эту идею, называются каскадными. Одной из распространенных схем данного типа является схема асинхронно-вентильного каскада (рис. 3.11).

Схема включает асинхронный двигатель с фазным ротором (АД), диодный выпрямитель (В), сглаживающий дроссель (Др), тиристорный инвертор (И) и сетевой согласующий трансформатор (Тр). Регулирование частоты вращения осуществляется посредством изменения напряжения инвертора. Это приводит к соответствующему изменению напряжения обмотки ротора, а следовательно, и частоты вращения ротора. Мощность частоты скольжения, извлекаемая из роторной обмотки двигателя, передается в сеть через согласующий трансформатор.

Достоинством каскадных схем, регулирования частоты вращения асинхронных двигателей, по сравнению с частотными схемами управления в статорной цепи является то, что полупроводниковый преобразователь выполняется на мощность скольжения, а не на полную мощность двигателя. Это обстоятельство особенно важно для мощных и сверхмощных приводов насосов, прессов, конвейеров, подъемных механизмов и др., где требуется ограниченный диапазон регулирования частоты вращения (2:1 и менее).

Асинхронно-вентильный каскад с неуправляемым выпрямителем допускает регулирование только вниз от синхронной частоты вращения. Если использовать управляемый выпрямитель, то можно осуществить регулирование частоты вращения вверх от синхронной. В этом случае направление передачи мощности скольжения меняется на противоположное.

Обновление старого, физически изношенного, морально устаревшего, громоздкого и имеющего завышенную установленную мощность электрооборудования. Оценка эффективности отбраковки и отказа от ремонта электродвигателей при выходе их из строя и замена новыми.

Рост тарифов на электроэнергию обуславливает пересмотреть взгляды на вопросы проектирования, производства и эксплуатации электрических машин и на их ремонт.

Асинхронные двигатели представляют собой наиболее распространенный тип электрических машин, потребляющих около 40% всей произ­водимой в стране электроэнергии. Асинхронные двигатели, в основном, работают в довольно тяже­лых условиях, при неудовлетворительном обслуживании или совершенно без какого-либо ухода. В большинстве случаев причинами отказов асинхронных двигателей явля­ются неправильное их применение (15—35% отказов), недо­статки эксплуатации (35—50% отказов) и низкое качество ремонта. Лишь 10—12% двигателей выходят из строя вслед­ствие естественных процессов старения и износа. Средний срок службы асинхронных двигателей до капитального ремонта составляет 5 лет (15—20 тыс. ч), что нельзя считать достаточным.

Распределение повреждений по отдельным узлам асинхронных двигателей изменяется в зависимости от условий их применения, однако наибольшее число повреждений приходится на обмотку статора. В среднем из-за повреждений обмоток двигателей происходит 85—95% отказов, 3—8% отказов происходит вследствие повреждений подшипников.

По характеру повреждений обмоток отказы асинхронных двигателей единой серии распределяются следующим образом: межвитковые замыкания - 93%, повреждения междуфазовой изоляции - 5%, пазо­вой изоляции - 2%. Таким образом, в подавляющем большинстве случаев причиной отказов является повреждение межвитковой изоляции, типичное для всыпных обмоток. Повреждения междуфазовой и пазовой изоляции обычно возникают как следствие межвитковых замыканий и представляют развитие последних.

На большинстве предприятий сложилась практика ремонта вышедших из строя электродвигателей. Как показало обследование АО “Уралгидромаш”, Камышловского электро-механического завода, ОАО “Пневмостроймашина” и других предприятий.

Мощность восстановленных двигателей составляет 10—20% от установленной мощности предприятий (т.е. по области примерно 10% электроэнергии потребляется отремонтированными двигателями). Имеются случаи ремонта двигателей до 10 раз. При этом не учитываются затраты на ремонт, сокращение межремонтных сроков, ущерб от простоев, увеличение электропотребления и потерь отремонтированных двигателей при их эксплуатации из-за роста потерь в стали, тока холостого хода, снижения КПД, увеличение потерь в системе электроснабжения, увеличение штата ремонтного персонала на предприятиях.

Рис. 3.12. Векторные диаграммы нового и восстановленного асинхронных двигателей.

Не ведется анализ изменения параметров двигателей после ремонта. Послеремонтные испытания ограничиваются проверкой работоспособности двигателей, измерением изоляции и тока холостого хода.

Основные минусы двигателей, вышедших из ремонта - отступление от заводских обмоточных данных, причем эти отступления чаще всего оказываются недопустимыми; неравномерность воздушного зазора двигателя, который, как правило, не контролируется; нарушение изоляции между пластинами статора, особенно в пазовом слое; низкая импульсная прочность изоляции двигателей (напряжение пробоя составляет 1,8-2 Uн).

Основное следствие перечисленных недостатков – значительное возрастание тока холостого хода асинхронного двигателя и, соответственно, снижение его коэффициента мощности и КПД. Допустимые значения отношения тока холостого хода к номинальному току для асинхронных двигателей составляют от 50% для двигателей с номинальной частотой вращения 3000 об/мин до 70% для двигателей с номинальной частотой вращения 750 об/мин. На практике ток холостого хода у восстановленных двигателей превышает значение 60 – 70%, а в ряде случаев превышает номинальный ток двигателя. В качестве иллюстрации приведен рис. 3.12, где показана векторная диаграмма нового двигателя (ОАВ) и двигателя, вышедшего из ремонта (ОА’С). Например, для асинхронного двигателя 15 кВт, 1500 об/мин при увеличении Iо в два раза, ток I₁ увеличится в 1,54 раза, КПД снизится на 33%.

Следствия применения восстановленных асинхронных двигателей – значительное увеличение энергопотребления и снижение надежности вследствие нарушения температурного режима работы, что приводит к перегреву, быстрому выходу двигателя из строя, новому ремонту и т.д. Стоимость ремонта составляет 60-70% стоимости нового двигателя. Таким образом, электродвигатели выгоднее покупать, чем ремонтировать.

Стоимость электропотерь за три года равна стоимости нового двигателя, а с учетом стоимости ремонта новый двигатель окупается за год – полтора. Повышение тарифов на электроэнергию еще в большей степени подтвердит нецелесообразность ремонта электродвигателей.

Данный вопрос касается всех предприятий области. Должны быть проведены дополнительные специальные исследования по изучению эффективности мероприятий, направленных на техническое перевооружение, на замену вышедших из строя электродвигателей и другого оборудования. Вопрос о замене устаревшего, физически изношенного электрооборудования и его утилизации должен быть рассмотрен Энергетической комиссией.

Управление энергосбережением должно осуществляться проведением соответствующей технической политики, направленной на развитие производства, на использование современных технологий, машин и оборудования при экономном, рациональном использовании электро- и других носителей энергии. Инвестиции, направленные на замену вышедших из строя электродвигателей, быстро окупятся не только сбереженной энергией, но и дадут решение таких вопросов как вывод из застоя электротехнической промышленности, социальной сферы и т.д.

Примечание. На предприятии ОАО “Уралэлектротяжмаш” организован участок производства ремонта и эксплуатации электротехнического оборудования (цех № 14), начальник участка Кравченко А.Н. Ремонт электродвигателей, измерительных трансформаторов, катушек пускателей контакторов, реле сварочных трансформаторов, МПТ, ванн лужения, магнитных муфт, паяльников на 36 В, ревизия генераторов на испытательных станциях завода, ревизия двигателей сетевых насосов котельной, ремонт магнитных плит для шлифовальных станков, ремонт освещения, отбор проб трансформаторного масла, проверка релейной защиты и т.д. – сфера деятельности участка.

На участке ремонтируется около 500 двигателей в год. Производится замена обмоток, подшипников и т.д. Некоторые двигатели ремонтируются до 10 раз. Ремонт механической части электродвигателей часто производится из-за отсутствия смазки, что видимо, объясняется качеством ППР. Есть журнал приемки и выдачи электродвигателей, но без указания их параметров и характеристик. Есть стенд по испытанию отремонтированных двигателей.

После ремонта производятся следующие замеры по всем электродвигателям:

− ток холостого хода по фазам;

− число оборотов в минуту;

− сопротивление обмотки на корпус;

− сопротивление межфазной изоляции.

Результаты замеров фиксируются в Протоколе испытаний, составляется Акт об окончании ремонта. Образец представлен в конце темы 3.

По электродвигателям указываются следующие данные: мощность, число оборотов, схема соединения обмоток, цех, месяц, в котором производился ремонт. Вид оборудования, на котором был установлен двигатель, не уточняется.

Обменного фонда двигателей на предприятии практически нет. Поэтому производственные цеха готовы взять любой отремонтированный двигатель, лишь бы вращался.

В ходе обследования электроремонтного участка (цех № 14) с целью оценки качества ремонта были проведены дополнительные испытания отремонтированных двигателей.

1. Электродвигатель 4А180М4 после перемотки и замены подшипников. Паспортные данные:

Р = 30 кВт, n₀ = 1500 об/мин, η_н =91 %, cos φ_ном = 0,89.

,

,

,

,

.

2. Электродвигатель АОЛ-21-4 после перемотки обмотки. Паспортные данные:

Р = 1,1 кВт, s = 7 %, η_н = 78 %, cos φ_ном = 0,8.

,

,

.

3. Электродвигатель 4АС132S6 (двигатель с повышенным сколжением). Паспортные данные:

U_н = 380 В, Р = 6,3 кВт, s = 6 %, n_ном = 940 об/мин, I_н = 15,1 А, η_н = 79 %, cosφ_ном = 0,8, I_п / I_н = 6,5, M_мах / М_ном = 2,1.

,

.

4. Электродвигатель АОС2-81-4 после замены подшипников. Паспортные данные:

U_н = 380 В, Р = 40 кВт, n_ном = 1400 об/мин, η_н = 86 %, cosφ_ном = 0,9.

,

.

5. Электродвигатель АО2-52-4 после перемотки обмотки.

Паспортные данные:

U_н = 380 В, Р = 10 кВт, n_ном = 1440 об/мин, η_н = 88,5 %, cosφ_ном = 0,87.

,

.

6. Электродвигатель Р-41-4 после замены подшипников и перемотки обмотки. Паспортные данные:

U_н = 380 В, Р = 4,5 кВт, n_ном = 1450 об/мин, η_н = 86 %, cosφ_ном = 0,85.

,

.

По результатам обследования, испытаний и полученной от работников предприятия информации можно отметить:

1. Организация и качество производимых работ по ремонту двигателей выше, чем на других ранее обследуемых предприятиях, что подтверждается параметрами отремонтированных асинхронных двигателей.

2. Однако необходимо и дальше продолжить работу по совершенствованию технологии ремонта электрооборудования и электродвигателей и их послеремонтных испытаний. Для этого, очевидно, необходимо улучшить снабжение ремонтного участка комплектующими (обмоточный провод, пазовая изоляция и т.д.). Испытательный стенд доукомплектовать измерительными приборами и оборудованием. Также, необходимо повысить качество проводимых в цехах планово-предупредительных работ (ППР).

3. В целях более полного использования имеющегося оборудования, высокой квалификации ремонтного персонала создать систему отбраковки непригодных для дальнейшей эксплуатации двигателей. Электродвигатели с непригодными характеристиками отбраковывать, т.е. считать, что они не подлежат ремонту в дальнейшем (например, ставить клеймо) и иметь запас для замены в случае их выхода из строя.

4. Рассмотреть вопрос о ремонте электродвигателей внезаводских заказчиков. Полученную от ремонтных работ прибыль целенаправленно использовать для совершенствования материальной базы и стимулирования работников, что позволит повысить качество ремонтных работ.

5. Внедрение указанных мероприятий позволит снизить электропотребление, которое можно ориентировочно оценить:

,

где - доля отремонтированных двигателей,

- доля электродвигательной нагрузки предприятия,

- увеличение энергопотребления отремонтированными двигателями,

кВтч - энергопотребление,

- тариф 2002 года.

Контрольные вопросы к Теме 3

1. Что такое рабочие характеристики асинхронного двигателя?

2. Из какого условия выбирается номинальная мощность большинства производственных механизмов?

3. Опишите недостаток метода регулирования напряжения ТПД-АД.

4. Приведите преимущества и недостатки применения АД двигателя с фазным ротором относительно применения в различных механических устройств.

5. Какое главное достоинство каскадных схем, регулирования частоты вращения асинхронных двигателей, по сравнению с частотными схемами управления в статорной цепи?

6. Перечислите основные причины выхода из строя электродвигателей и пути предотвращения аварийных режимов их работы.

Приложение.

Тема 4. ОСОБЕННОСТИ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ. Особенности их взаимодействия с Энергосистемами