Онищенко Г.Б. Электрический привод

Подождите немного. Документ загружается.

На этой характеристике двигатель разгоняется до скорости (скольжения), соот-

ветствующей точке пересечения первой-пусковой характеристики с линией пе-

реключающего момента M

После чего часть пускового сопротивления зако-

рачивается контактором К

(см. рис.3.8), и двигатель переходит на работку на

второй пусковой характеристике. Соединяя найденную точку на линии пико-

вых моментов M

с точкой холостого хода, построим вторую пусковую характе-

ристику. Аналогично найдем третью пусковую характеристику.

Выше было показано, как определить пусковые сопротивления графи-

ческим путем. Можно величины ступеней пускового сопротивления определять

аналитически, что было использовано при решении данной задачи.

Для расчета ступеней пускового сопротивления найдем номинальное

сопротивление ротора

Ом

линн

44,1

1083

270

⋅

Сопротивление третьей ступени

ОмSRR

нндоб

072,0)12(05,044,1)1(

=−⋅=−=

Сопротивление второй ступени

ОмRRR

добдобдоб

144,02072,0

332

=⋅==−

Сопротивление первой ступени

ОмRRRR

добдобдобдоб

288,02144,0)(

3221

=⋅=−=−

Полное добавочное сопротивление

ОмR

доб

504,0072,0144,0288,0

3.2.4. Особенности характеристик асинхронных двигателей с корот-

козамкнутым ротором

Формирование пусковых характеристик двигателей с фазным ротором

производится путем введения в цепь ротора дополнительного активного сопро-

тивления и уменьшения величины этого сопротивления по мере разгона двига-

теля (уменьшения скольжения).

В короткозамкнутых асинхронных двигателях введение дополнительно-

го сопротивления в цепь ротора невозможно. Однако тот же результат может

быть получен, если воспользоваться эффектом вытеснения тока на поверхность

проводника. Сущность этого явления состоит в следующем. Согласно закону

электромагнитной индукции при протекании по проводнику переменного тока в

нем индуктируется э.д.с. самоиндукции, направленная против тока

tIL

tId

dФ

ωω

cos

)sin(

−=

⋅

−=−= (3.33)

или tfLIe

cos2−= .

Величина этой э.д.с. зависит от величины тока I

его частоты и индук-

тивности, определяемой характеристикой среды, окружающей проводник. Если

проводник находится в воздухе, то магнитная проницаемость среды очень мала,

следовательно, мала индуктивность L. В этом случае при частоте 50Гц (ω = 314

1/с) влияние э.д.с. самоиндукции незначительно. Другое дело, когда проводник

помещен в тело магнитопровода. Тогда индуктивность многократно увеличива-

ется и э.д.с. самоиндукции, направленная против тока, играет роль индуктивно-

го сопротивления, препятствующего протеканию тока.

Рассмотрим проявление действия

э.д.с. самоиндукции для случая проводни-

ка (стержня обмотки ротора), помещенно-

го в глубокий паз магнитопровода ротора

двигателя (рис.3.10,а). Условно разделим

сечение стержня на три части, которые со-

единены параллельно. Ток, протекающий

по нижней части стержня образует поток

, магнитные силовые линии которого

замыкаются по магнитопроводу. В этой

части проводника возникает э.д.с. само-

индукции е

большой величины, направ-

ленная против тока i

Ток i

, протекающий по верхней части стержня роторной обмотки об-

разует поток Ф

, но, так как силовые линии этого потока в значительной части

своей длины замыкаются по воздуху, то величина потока Ф

будет гораздо

меньше, чем потока Ф

. Отсюда и э.д.с. е

будет во много раз меньше, чем е

L1.

Указанное распределение э.д.с. самоиндукции по высоте стержня харак-

терно для того режима, когда частота тока ротора велика - близка к 50Гц

(см.3.33). В этом случае, поскольку все три части стержня ротора соединены па-

раллельно (рис. 3.10,в), то ток ротора I

пойдет по верхней части стержня. Это

явление называют вытеснением тока на поверхность паза. При этом эффектив-

ное сечение стержня, по которому идет ток, будет в несколько раз меньше, чем

общее сечение стержня обмотки ротора. Таким образом, увеличивается актив-

ное сопротивление ротора r

. Отметим, что поскольку э.д.с. самоиндукции зави-

сит от частоты тока (т.е. от скольжения), то и сопротивления r

и х

являются

функциями скольжения.

При пуске, когда скольжение велико, сопротивление r

увеличивается (в

цепь ротора как бы вводится добавочное сопротивление). По мере разгона дви-

гателя скольжение двигателя уменьшается, эффект вытеснения тока ослабевает,

ток начинает распространяться вниз по сечению проводника, сопротивление гг

уменьшается. При достижении рабочей скорости частота тока ротора настолько

мала, что явление вытеснения тока уже не сказывается, ток протекает по всему

сечению проводника, и сопротивление r

минимально. Благодаря такому автома-

тическому изменению сопротивления r

, пуск асинхронных короткозамкнутых

двигателей протекает благоприятно: пусковой ток составляет 5,0-6,0 номиналь-

ного, а пусковой момент 1,1-1,3 номинального.

Варьировать параметрами пусковой характеристики асинхронного

двигателя при конструировании можно меняя форму паза, а также сопротив-

ление материала стержней (состав сплава). Наряду с глубокими пазами

применяются двойные пазы, образующие двойную «беличью клетку» (рис.

3. 10,6); используются пазы грушевидной формы и другие.

На рис.3.11 представлены типовые механические характеристики для

серий асинхронный короткозамкнутых двигателей. Различают:

а) двигатели нормального исполнения;

б) двигатели с повышенным скольжением;

в) двигатели с повышенным пусковым моментом;

г) двигатели краново-металлургических серий.

Короткозамкнутые двигатели нормального исполнения используются

для привода широкого класса рабочих машин и механизмов, прежде всего для

приводов, работающих в длительном режиме. Для этого исполнения характерно

высокое значение кпд и минимальная величина номинального скольжения. Ме-

ханическая характеристика в области больших скольжений имеет обычно не-

большой провал, характеризуемый величиной минимального момента М

мин

Двигатели с повышенным

скольжением имеют более мягкую

механическую характеристику и

используются в следующих случаях:

когда два или более двигателя работают

на общий вал, для механизмов (например,

кривошипно-шатунных) с циклически

изменяющейся нагрузкой, когда для

преодоления сопротивления движению

целесообразно использовать кинетическую энергию, запасаемую в движущихся

частях электропривода, и для механизмов, работающих в повторно-

кратковременным режиме.

Двигатели с повышенным пусковым моментом предназначены для меха-

низмов с тяжелыми условиями пуска, например, для скребковых конвейеров.

Двигатели краново-металлургических серий предназначены для меха-

низмов, работающих в повторно-кратковременном режиме с частыми пусками.

Эти двигатели имеют большую перегрузочную способность, высокий пусковой

момент, повышенную механическую прочность, но худшие энергетические по-

казатели. Аналитический расчет механических характеристик коротко-

замкнутых асинхронных двигателей достаточно сложен, поэтому приближенно

характеристику можно построить по четырем точкам: при холостом ходе (s=0),

при максимальном (M

), пусковом (М

) я минимальном (М

мин

) моменте в начале

пуска. Данные этих характерных точек приводятся в каталогах и справочниках

на асинхронные двигатели. Расчет рабочей части механической характеристики

короткозамкнутого асинхронного двигателя (при скольжениях от 0 до S

,) мож-

но производить по формуле Клосса (3.27, 3,30), поскольку эффект вытеснения

тока в рабочем режиме почти не проявляется.

3.2.5. Энергетическая диаграмма асинхронного двигателя при рабо-

те в двигательном режиме

Работе в двигательном режиме соответствует скольжение S в пределах

от 1 до 0, причем рабочим режимом является диапазон скоростей, при которых

скольжение не превышает S

. В диапазоне скольжений от S

, до 1 потери в рото-

ре двигателя существенно возрастают, поэтому этот участок механической ха-

рактеристики двигатель проходит только во время пуска. Проведем анализ рас-

пределения потоков электрической энергии при различных значениях скольже-

ния асинхронного двигателя.

На рис.3.12 представлена энергетическая диаграмма асинхронного дви-

гателя.

Мощность Р

потр

, забираемая двигателем,

за исключением потерь в обмотках и стали ста-

тора (ΔР

,) преобразуется в мощность вра-

щающегося магнитного поля - в электромагнит-

ную мощность Р

эм

. Поскольку асинхронный

двигатель работает одновременно как двигатель

и как трансформатор, то электромагнитная мощность разделяется на два канала.

Одна часть электромагнитной мощности преобразуется в механическую мощ-

ность Р

мех

, создаваемую на валу асинхронного двигателя. Эта мощность возни-

кает как результат взаимодействия вращающегося электромагнитного поля с ак-

тивной составляющей тока ротора. Другая часть электромагнитной мощности

трансформируется в виде электрической мощности в обмотку ротора, как во

вторичную обмотку трансформатора.

Электромагнитная мощность равна произведению скорости

вращения поля статора ω

на момент М, который развивается на валу

асинхронного двигателя.

МР

эм

(3.34)

Электромагнитная мощность разделяется на две составляющие:

Sмехэм

РРР

(3.35)

механическую мощность

⋅

МР

мех

(3.36)

и электрическую мощность Р

трансформируемую в обмотки ротора, ко-

торая, как следует из (3.34) и (3.36), будет равна:

SМSМММРРР

абсмехэмS

⋅

−⋅=−=

(3.37)

Отсюда следует, что Р

, мощность скольжения, выделяемая в обмотках

ротора, пропорциональна моменту на валу двигателя и его скольжению. Эта

мощность рассеивается в виде потерь в обмотках ротора двигателя (для фазных

двигателей во время пуска - также в пусковых сопротивлениях).

При проектировании и использовании асинхронных двигателей стремят-

ся уменьшить мощность скольжения, чтобы уменьшить потери электроэнергии,

снизить нагрев двигателя и повысить его кпд. Асинхронные двигатели конст-

руируются таким образом, чтобы номинальное скольжение составляло всего не-

сколько процентов. Для экономичной эксплуатации асинхронных электропри-

водов важным условием является работа с минимальным скольжением. Это пра-

вило должно выдерживаться и для регулируемых асинхронных электроприво-

дов. Исключения составляют каскадные схемы включения асинхронного двига-

теля с фазным ротором, где мощность скольжения используется полезно.

3.2.6. Изменение напряжения питания асинхронного двигателя

Величина потока асинхронного двигателя пропорциональна напряжению

питания U

, величина э.д.с. ротора, а, следовательно, и ток ротора I

также про-

порциональны напряжению статора. Поэтому момент асинхронного двигателя, в

том числе максимальный момент, пропорциональны квадрату напряжения U

(см.3.21, 3.24). Это обстоятельство определяет недопустимость значительного

снижения напряжения питания при пуске и работе асинхронного двигателя. Так,

при снижении питающего напряжения на 30% его максимальный момент

уменьшится примерно в два раза и при значительном статическом моменте дви-

гатель может «опрокинуться», т.е. остановиться и оказаться под пусковым то-

ком. Этот режим является для двигателя аварийным. Такая же ситуация может

сложиться, если напряжение питания снижено при пуске двигателя под нагруз-

кой. Указанные случаи имеют место в слабых электрических сетях, что обу-

славливает большую аварийность асинхронных короткозамкнутых двигателей.

Во избежание этого должны предусматриваться необходимые защитные средст-

ва, предотвращающие длительное нахождение асинхронного двигателя под пус-

ковым током.

В то же время преднамеренное снижение (регулирование) напряжения,

подаваемого на статорные обмотки, иногда используется для регулирования

скорости асинхронного двигателя и для обеспечения плавности пуска.

Регулирование скорости асинхронного двигателя путем изменения пи-

тающего напряжения сопряжено с возможностью перегрева его ротора и может

производиться лишь при определенных условиях:

- при малом диапазоне снижения скорости относительно номинальной;

- при сниженном относительно номинального моменте сопротивления на

валу двигателя;

- использовании двигателя с повышенным скольжением.

Рассмотрим механические характеристики асинхронного короткозамк-

нутого двигателя с повышенным скольжением при регулировании напряжения

статора (рис.3.13). При снижении напряжения U

, критическое скольжение дви-

гателя и скорость идеального холостого хода ω

остаются постоянными, а мак-

симальный момент М

двигателя уменьшается примерно пропорционально

квадрату снижения напряжения, соответственно снижается жесткость рабочей

части механической характеристики двигателя. Регулирование скорости воз-

можно в диапазоне ω

÷ ω

(1- S

Предположим, что момент сопротивления на валу двигателя остается

постоянным и равным номинальному М

= М

. При снижении напряжения до

величины U

двигатель будет работать со скоростью, равной ω

(1 - S

) со

скольжением S

. Как следует из энергетической диаграммы асинхронного дви-

гателя (3.37), мощность скольжения P

, выделяемая в виде потерь в роторе дви-

гателя будет равна P

= М

· ω

· S

и пропорциональна заштрихованной площади

прямоугольника OaвS

. Электромагнитная мощность

⋅=

сэм

МР пропорцио-

нальна площади Оаг1, полезная мощность на валу двигателя M

мех

· ω = M

(1 - S

) будет пропорциональна площади S

в,г1.

Номинальная мощность скольжения, на рассеяние которой рассчитана

конструкция двигателя, пропорциональна площади OaвS

. Сравним эту площадь

с заштрихованной (OaбS

), которая отражает потери в роторе двигателя при ра-

боте в точке «в». Она примерно в 3 раза превосходит номинальные потери в ро-

торе. Естественно, что при длительной работе в указанном режиме ротор двига-

теля будет перегреваться и двигатель выйдет из строя. Для того, чтобы можно

было применить данный способ регулирования, нужно установленную мощ-

ность двигателя завысить в 3 раза или применить специальную конструкцию

интенсивного теплоотвода.

Поэтому регулирование скорости изменением напряжения питания воз-

можно в том случае, если момент сопротивления М

при снижении скорости

существенно меньше номинального. Такой способ регулирования применяется

иногда для привода насосов и вентиляторов, у которых момент сопротивления

на валу резко снижается при уменьшении скорости. Этот случай рассмотрен на

рис.3.13,6. Поскольку со снижением скорости М

уменьшается примерно в

квадрате от величины снижения скорости, то мощность скольжения Р

, со

снижением скорости растет не столь существенно. Если нагрузка на валу

двигателя носит вентиляторный характер, то максимальная величина мощности

скольжения составляет 15% от мощности на валу при номинальной скорости.

Поэтому для привода вентиляторов и насосов достаточно увеличение

установленной мощности двигателя с повышенным скольжением в 1,5-2 раза.

Снижение напряжения на статоре асинхронного двигателя иногда ис-

пользуется для уменьшения пусковых токов двигателя. Это возможно, если мо-

мент сопротивления на валу двигателя при пуске не превышает 0,3-0,4M

, (на-

сосы, вентиляторы или другие рабочие машины, пуск которых производится

вхолостую). В этом случае посредством тиристорного регулятора напряжение,

подводимое к обмотке статора, снижается, а затем по мере разгона двигателя

увеличивается до номинального значения. Этим обеспечивается «плавный пуск»

двигателя с уменьшенными пусковыми токами и сниженными динамическими

нагрузками на рабочую машину.

3.2.7. Тормозные режимы асинхронных двигателей

Полная механическая

характеристика асинхронного

двигателя во всех квадрантах поля M-

s, представлена на рис.3.14.

Асинхронный двигатель может

работать в трех тормозных режимах:

рекуперативного торможения, дина-

мического торможения и торможения

противовключением; специфическим

тормозным режимом является также конденсаторное торможение.

Рекуперативное генераторное торможение возможно, когда скорость ро-

тора выше скорости вращения электромагнитного поля статора, чему соответст-

вует отрицательное значение скольжения ω > ω

; s < 0 .

Для того, чтобы ротор двигателя перешел синхронную скорость и разо-

гнался до скорости выше синхронной, к его валу должен быть приложен внеш-

ний совпадающий со знаком скорости вращающий момент. Это может быть, на-

пример, в приводе подъемной лебедки в режиме спуска груза.

Механическая характеристика асинхронного двигателя в режиме реку-

перативного торможения идентична (с учетом угловой симметрии) характери-

стике двигателя в двигательном режиме. Расчет характеристик может произво-

диться по формуле Клосса (3.27). Максимальный момент к режиме рекупера-

тивного торможения несколько выше, чем максимальный момент в двигатель-

ном режиме. Для рекуперативного режима

110

кг

xrr

+−