Онищенко Г.Б. и др. Автоматизированный электропривод промышленных установок

Подождите немного. Документ загружается.

-P»

M-cq

)

-Mco

a6c

-s. (4.37)

гсюда следует, что мощность, выделяемая в обмотках ро-

Ps, пропорциональна моменту на валу двигателя и его

ьжению.

Эта мощность выделяется в виде потерь в обмотках ротора

Тгателя (для фазных двигателей во время пуска - в пусковых

«лениях).

При проектировании и использовании асинхронных дви-

~ей стремятся уменьшить мощность скольжения, чтобы

Цьшить потери электроэнергии, снизить нагрев двигателя и

ысить его кпд. Асинхронные двигатели конструируются та-

образом, чтобы номинальное скольжение составляло всего

Только процентов. Для экономичной эксплуатации асинхрон-

электроприводов важным условием является работа с мини-

ным скольжением. Это правило должно выдерживаться и

^регулируемых асинхронных электроприводов. Исключения

1яют каскадные схемы включения асинхронного двигателя

ным ротором, которые рассмотрены в главе 11.

'2. Изменение напряжения питания асинхронного двигателя

(Величина потока асинхронного двигателя пропорциональна

яжению питания U\, величина э.д.с. ротора, а, следовательно,

1с ротора 1

также пропорциональны напряжению статора. По-

момент асинхронного двигателя, в том числе критический

ент, пропорциональны квадрату напряжения U\ (см.4.21,

Это обстоятельство определяет недопустимость значитель-

снижения напряжения питания при пуске и работе асин-

ного двигателя. Так, при снижении питающего напряжения

|0%

его максимальный момент уменьшится примерно в д*>а

и при значительном статическом моменте двигатель может

экинуться», т.е. остановиться, и оказаться под пусковым то-

|Этот режим является для двигателя аварийным. Такая же си-

ня может сложиться, если напряжение питания снижено при

'1С двигателя под нагрузкой. Указанные случаи имеют место в

.ых электрических сетях, что обуславливает большую ава-

Мость асинхронных короткозамкнутых двигателей. Во избе-

JIC этого должны предусматриваться необходимые защитные

детва, предотвращающие длительное нахождение асинхрон-

t> двигателя под пусковым током.

В то же время преднамеренное снижение (регулирование)

Ьряжения, подаваемого на статорные обмотки, иногда исполь-

зуется для регулирования скорости асинхронного двигателя и для

обеспечения плавности пуска.

Регулирование скорости асинхронного двигателя путем из-

менения питающего напряжения сопряжено с возможностью пе-

регрева его ротора и может производиться лишь при определен-

ных условиях:

- при малом диапазоне снижения скорости относительно

номинальной;

- при сниженном относительно номинального моменте со-

противления на валу двигателя;

- использовании двигателя с повышенным скольжением.

Рассмотрим механические характеристики асинхронного ко-

роткозамкнутого двигателя с повышенным скольжением при ре-

гулировании напряжения статора (рис.4.12). При снижении на-

пряжения U] критическое скольжение двигателя и скорость иде-

ального холостого хода со

остаются постоянными, а максималь-

ный момент М

двигателя уменьшается примерно пропорцио-

нально квадрату снижения напряжения, соответственно снижает-

ся жесткость рабочей части механической характеристики двига-

теля. Регулирование скорости возможно в диапазо-

не <у

<У„(1

- s„).

Рис.4.12. Механические характеристики асинхронного двигатёЛ

при регулировании напряжения питания

а) при постоянном моменте

б) при вентиляторном моменте нагрузки

Предположим, что момент сопротивления на валу двигателя

йется постоянным и равным номинальному M

= М

. При

ЭКении напряжения до величины U\

двигатель будет работать

скоростью, равной <У

(1 ~s) со скольжением s

. Как следует

энергетической диаграммы асинхронного двигателя (4.36),

шость скольжения Р$, выделяемая в виде потерь в роторе

гзтеля будет равна P

= Л/„

• <у

•

s и пропорциональна за-

ихованной площади прямоугольника Oaes

. Электромагнит-

мощность Р.

зм

= М

•

(о

пропорциональна площади Оаг 1, по-

ная мощность на валу двигателя М

ма

со =

<^(1-.^)

сг пропорциональна площади .у?,г

Номинальная мощность скольжения, на рассеяние которой

считана конструкция двигателя, пропорциональна площади

jfc,. Сравним эту площадь с заштрихованной (Oaes

), которая

кжает потери в роторе двигателя при работе в точке «в». Она в

мерно вЗ раза превосходит номинальные потери в роторе. Ес-

енно, что при длительной работе в указанном режиме ротор

«теля будет перегреваться и двигатель выйдет из строя. Для

Я, чтобы можно было применить данный способ регулирова-

нужно установленную мощность двигателя завысить в 3 раза

А применить специальную конструкцию интенсивного тепло-

хода.

Поэтому регулирование скорости изменением напряжения

;Гания возможно в том случае, если момент сопротивления Мс

jjl снижении скорости существенно меньше номинального. Ta-

il способ регулирования применяется иногда для привода насо-

л и вентиляторов, у которых момент сопротивления на валу

Ко снижается при уменьшении скорости. Этот случай рас-

|Отрен на рис.4.126. Поскольку со снижением скорости М

вньшается примерно в квадрате от величины снижения скоро-

к, то мощность скольжения Р$ со снижением скорости сущест-

нмо снижается. Если нагрузка на валу двигателя носит венти-

ТГорный характер, то максимальная величина мощности сколь-

ния составляет 15% от мощности на валу при номинальной

прости. Поэтому для привода вентиляторов и насосов доста-

)Мно увеличение установленной мощности двигателя с повы-

спным скольжением в 1,5-2 раза.

L Снижение напряжения на статоре асинхронного двигателя

||Огда используется для уменьшения пусковых токов двигателя,

to возможно, если момент сопротивления на валу двигателя при

пуске не превышает 0,3-0,4М

(насосы, вентиляторы или другие

рабочие машины, пуск которых производится вхолостую). В этом

случае посредством тиристорного регулятора напряжения напря-

жение, подводимое к обмотке статора, снижается, а затем по мере

разгона двигателя увеличивается до номинального значения.

Этим обеспечивается «плавный пуск» двигателя с уменьшенны-

ми пусковыми токами и сниженными динамическими нагрузками

на рабочую машину.

4.3.3. Тормозные режимы асинхронных двигателей

Полная механическая характеристика асинхронного двигате-

ля во всех квадрантах поля M-s представлена на рис.4.13.

Асинхронный двигатель

может работать в трех

тормозных режимах: реку-

перативного торможения,

динамического торможения

и торможения противо-

включением; специфичес-

ким тормозным режимом

является также конден-

саторное торможение.

Рекуперативное гене-

раторное торможение воз-

можно, когда скорость ро-

тора выше скорости вра-

щения электромагнитного

поля статора, чему соответ-

ствует отрицательное зна-

чение скольжения

сохо

\ s< 0.

Для того, чтобы ротор двигателя перешел синхронную ско-

рость и разогнался до скорости выше синхронной, к его валу

должен быть приложен внешний положительный по знаку вра-

щающий момент. Это может быть, например, в приводе подъем-

ной лебедки в режиме спуска груза.

Механическая характеристика асинхронного двигателя в ре-

жиме рекуперативного торможения идентична (с учетом угловой

симметрии) характеристике двигателя в двигательном режиме.

Расчет характеристик может производиться по формуле Клосса

(4.27). Максимальный момент в режиме рекуперативного тормо-

Рис.4.13. Полная механическая харак-

теристика асинхронного двигателя

ния несколько выше, чем максимальный момент в двигатель-

м режиме. Для рекуперативного режима

М =

3<7,

г,

Отношение М

в двигательном режиме к М

кг

в тормозном бу-

К,

Г, + X'

г} + хI

Несколько большая величина максимального момента в ге-

орном режиме объясняется тем, что потери в статоре (на

явлении Г|) в двигательном режиме уменьшают момент на

iy, а в генераторном режиме момент на валу должен быть

ьше, чтобы покрыть потери

JK>pe.

Энергетический баланс в

ме рекуперативного гене-

ного торможения опреде-

я следующим (рис.4.14).

ническая мощность, по-

пающая на вал двигателя,

разуется в электромаг-

мощность вращающе-

поля Р

лч

и электрическую

{цность, трансформируемую в

рную цепь двигателя. По

югии с (4.35) получим

ДА

Рэм

Гс

Рис.4.14. Энергетическая диа-

фамма асинхронного двигате-

ля в режиме рекуперативного

тооможения

Р....

Р.

+ P

й)

Электромагнитная мощность, за исключением потерь в ста-

е, отдается в питающую сеть. Отметим, что в режиме рекупе-

тивного торможения асинхронный двигатель генерирует и от-

в сеть активную мощность, а для создания электромагнитно-

'поля асинхронный двигатель и в режиме генератора должен

гниваться с сетью реактивной мощностью. Поэтому асин-

нная машина не может работать автономным генератором при

ючении от сети. Возможно, однако, подключение асинхрон-

й машины к конденсаторным батареям, как к источнику реак-

йной мощности. Такая схема рассмотрена ниже.

KMI

Рис.4.15. Схемы подключения асинхронного двигателя в

режиме динамического торможения

Способ динамического торможения характеризуется тем, что

статорные обмотки отключаются от сети переменного тока и

подключаются к источнику постоянного напряжения

(см.рис.4.15). При питании обмоток статора постоянным током

создается неподвижное в пространстве электромагнитное поле,

т.е. скорость вращения поля статора й)

0дт

= 0. Скольжение бу-

дет равно j = -

со

где: со

0н

- номинальная угловая скорость вращения поля ста-

тора.

Вид механических характе-

ристик (см.рис.4.16) подобен ха-

рактеристикам в режиме реку-

перативного торможения. Исход-

ной точкой характеристик явля-

ется начало координат. Регу-

лировать интенсивность динами-

ческого торможения можно из-

меняя величину тока возбуж-

дения 1

дт

в обмотках статора.

Чем выше ток, тем больший

тормозной момент развивает дви-

гатель. При этом, однако, нужно

учитывать, что при токах

Рис.4.16. Механические ха-

рактеристики асинхронного

двигателя в режиме динами-

ческого торможения

начинает сказываться насыщение магнитнои цепи дви-

•г

Веля.

Для асинхронных двигателей с фазным ротором регулирова-

ло тормозного момента может производиться также введением

^•Мнительного сопротивления в цепь ротора. Эффект от введе-

•Я добавочного сопротивления аналогичен тому, которое имеет

Вто при пуске асинхронного двигателя: благодаря улучшению

повышается критическое скольжение двигателя и увеличи-

•ггся тормозной момент при больших скоростях вращения.

Работу асинхронного двигателя в режиме динамического

^можения можно рассматривать как работу трехфазного асин-

•юго двигателя при питании его постоянным током, т.е. то-

Ь при частоте f\ =0. Второе отличие заключается в том, что об-

ей статора питаются не от источника напряжения, а от источ-

|са тока. Следует также иметь в виду, что в схеме динамическо-

Шорможения ток 1

дт

протекает (при соединении обмоток в звез-

h не по трем, а по двум фазным обмоткам.

Для расчета характеристик нужно заменить реальный 1

Лт

эк-

В^ьтентным током 1

}кв

, который, протекая по трем фазным об-

рткам создает ту же намагничивающую силу, что и ток 1

дт

Для схемы рис.4.15б-/

„=0,81 Ы

йт

Для схемы рис.4.15в- /

„=0,472/

„.

С учетом указанных осо-

бенностей векторная диаграмма

асинхронной машины в режиме

динамического торможения

(рис.4.17) будет определяться

соотношением:

^fjQ ~

зкв

при / 2=0

В|с.4.17. Векторная диаграмма

^•щхронного двигателя в ре-

жиме динамического тормо-

жения

Ток намагничивания зависит

от тока ротора при постоянном

По мере роста скольжения ток

намагничивания будет умень-

шаться под действием реактивно-

го тока ротора.

Приведенный ток ротора бу-

дет равен

1(/

-1

)х

v '

7П

v >

Х„ + 2*

где: x

- индуктивное сопротивление контура намагни-

чивания и ротора двигателя, приведенные к частоте 50Ги.

Упрощенная формула для приближенного расчета механиче-

ских характеристик (не учитывающая насыщение двигателя) по-

добна формуле Клосса для двигательного режима

2М

3x!/i

Здесь A/

o>w

= - -—

2(о

(х

+ х

)

-дт ~ • t

со

• номинальная скорость вращения электромагнитного

поля.

Следует подчеркнуть, что критическое скольжение в режиме

динамического торможения существенно меньше критического

скольжения в двигательном режиме, т.к. » х

. Для получе-

ния критического тормозного момента, равного критическому

моменту в двигательном режиме,ток должен в 2-4 раза пре-

вышать номинальный Ток намагничивания /о. Напряжение источ-

ника питания постоянного тока U

будет значительно меньше

номинального напряжения и примерно равно V^ - (2,5 - 3)r,.

Энергетически в режиме динамического торможения асин-

хронный двигатель работает как синхронный генератор, нагру-

женный на сопротивление роторной цепи двигателя. Следова-

тельно, вся механическая мощность, поступающая на вал двига-

теля при торможении, преобразуется в электрическую и идет на

нагрев сопротивлений роторной цепи.

Возбуждение асинхронной машины в режиме динамического

торможения может осуществляться не только подачей постоян-

ного тока в обмотки статора машины, но также в режиме само-

возбуждения путем подключения конденсаторов к цепям статора

асинхронной машины, как это показано на рис.4.18. Такой способ

торможения называют конденсаторным торможением асинхрон-

ных двигателей. По энергетической сущности этот вид торможе-

ния идентичен динамическому торможению, т.к. энергия, посту-

пающая с вала, преобразуется в электрическую и выделяется в

виде потерь в роторе двигателя.

Процесс самовозбуждения

асинхронного двигателя про-

исходит следующим образом.

Под действием остаточного

потока ротора в обмотках

статора наводится э.д.с., под

действием которой возникает

намагничивающий ток, проте-

кающий через конденсаторы.

При этом увеличивается поток

машины, следовательно, наво-

димая э.д.с. и ток намаг-

ничивания. Верхняя и нижняя

границы режима самовозбуж-

дения и величина тормозного

момента зависят от величины

емкости конденсаторов [1-3].

Данный способ торможения

применяется для приводов ма-

мощности (до 5 кВт), т.к. требует установки конденсаторов

•ельного объема.

(Торможение противовключенисм может быть в двух случаях:

в первом, когда при работе двигателя необходимо его

нно остановить, и с этой целью меняют порядок чередова-

фаз питания обмоток статора двигателя;

во втором, когда электромеханическая система движется

действием спускаемого груза, а двигатель включается в на-

ении подъема, чтобы ограничить скорость спуска (режим

вающего груза).

В обоих случаях электромагнитное поле статора и ротор

^гателя вращаются в разные стороны. Скольжение двигателя в

•1.18. Схема включения асин-

Йного двигателя в режиме ди-

ского торможения с само-

деиием от конденсаторов

:ме проти во включения всегда больше 1

(Or

>1.

В первом случае (см.рис.4.19) двигатель, работавший в тЛ,

1С

изменения порядка чередования фаз двигателя переходит в

!озной режим в

т.

Г и скорость привода быстро снижается

действием тормозного момента М

и статического момента

При замедлении до скорости, близкой к нулю, двигатель нс-

*димо отключить, иначе он будет разгоняться в противопо-

;ом направлении вращения.

Во втором случае после снятия механического тормоза дви-

гатель, включенный в направлении вверх, под действием силы

тяжести спускаемого груза будет вращаться в противоположном

направлении со скоростью, соответствующей точке 2. Работа в

режиме противов ключе ния под действием протягивающею груза

возможна при использовании двигателей с фазным ротором. При

этом в цепь ротора вводится значительное добавочное сопротив-

ление, которому соответствует характеристика 2 на рис 4.19

Энергетически режим про-

тивовключения крайне неб-

лагоприятен. Ток в этом режи-

ме для асинхронных корот-

козамкнутых двигателей пре-

восходит пусковой, достигая

10-кратного значения Потери

в роторной цепи двигателя

складываются из потерь корот-

кого замыкания двигателя и

мощности, которая передается

на вал двигателя при торможе-

нии

АР^ = М

щ + М

(0.

Для короткозам кнуты х

двигателей режим противовк-

лючения возможен только в те-

чение нескольких секунд При

использовании двигателей с

фазным ротором в режиме про-

тйвовкдючення обязательно

включение в цепь ротора доба-

вочного сопротивления. В этом

случае потери энергии остают-

ся такими же значительными,

но они выносятся из объема

двигателя в роторные сопротивления.

4.4.')лсктромеханнчсскис характеристики многоскорост-

ных асинхронных двигателей 9

Поскольку скорость вращения электромагнитного поля ста-

тора, как это следует из (4.3), зависит от числа пар полюсов дви-

гателя рп, то имеются специальные модификации асинхронных

Рис 4.19. Режим прОтивовклЮче-

ния асинхронного двигателя

I, Г - естественные механические

характеристики при включении

«вперед» и «назад»

2 - механическая характеристика

двигателя с фазным ротором со

включенным добавочным сопро-

тивлением в цепь ротора.