Наиболее распространенными электрическими двигателями в промышленности, сельском хозяйстве и во всех других сферах применения являются асинхронные двигатели. Можно сказать, что асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором являются основным средством преобразования электрической энергии в механическую. Принцип работы асинхронного двигателя был рассмотрен в § 1.2 и 6.1.

Электромагнитное поле статора вращается в воздушном зазоре машины со скоростью со = 2nf { /р п . При стандартной частоте 50 Гц номинальная скорость ротора зависит от числа пар полюсов р п (табл. 6.1).

Таблица 6.1

Зависимость скорости вращения асинхронных двигателей от числа пар

полюсов

В зависимости от конструкции ротора асинхронного двигателя различают асинхронные двигатели с фазным и короткозамкнутым ротором. В двигателях с фазным ротором на роторе располагается трехфазная распределенная обмотка, соединенная обычно в звезду, концы обмоток соединены с контактными кольцами, через которые электрические цепи ротора выводятся из машины для подключения к пусковым сопротивлениям с последующим закорачиванием обмоток. В короткозамкнутых двигателях обмотка выполнена в виде беличьей клетки - стержней, замкнутых накоротко с двух сторон кольцами. Несмотря на специфическое конструктивное устройство, беличью клетку также можно рассматривать как трехфазную обмотку, замкнутую накоротко.

Электромагнитный момент М в асинхронном двигателе создается благодаря взаимодействию вращающегося магнитного поля статора Ф с активной составляющей тока ротора:

где к - конструктивная постоянная.

Ток ротора возникает благодаря ЭДС Е 2 , которая индуктируется в обмотках ротора вращающимся магнитным полем. Когда ротор неподвижен, асинхронный двигатель представляет собой трехфазный трансформатор с обмотками замкнутыми накоротко или нагруженными на пусковое сопротивление. Возникающую при неподвижном роторе в его обмотках ЭДС называют номинальной фазной ЭДС ротора Е 2н. Эта ЭДС приблизительно равна фазному напряжению статора, деленному на коэффициент трансформации к т:

При вращающемся двигателе ЭДС ротора Е 2 и частота этой ЭДС (а значит, и частота тока в обмотках ротора)^ зависят от частоты пересечения вращающимся полем проводников обмотки ротора (в короткозамкнутом двигателе - стержней). Эту частоту определяет разность скоростей поля статора со и ротора со, которую называют абсолютным скольжением :

При анализе режимов работы асинхронного двигателя с постоянной частотой питающего напряжения (50 Гц) обычно используют относительную величину скольжения

Когда ротор двигателя неподвижен, s = 1. Наибольшая ЭДС ротора при работе в двигательном режиме будет при неподвижном роторе (Е 2н), по мере увеличения скорости (уменьшении скольжения) ЭДС Е 2 будет уменьшаться:

Аналогично частота ЭДС и тока ротора/ 2 при неподвижном роторе будет равна частоте тока статора/, и по мере увеличения скорости будет уменьшаться пропорционально скольжению:

В номинальном режиме скорость ротора незначительно отличается от скорости поля, и номинальное скольжение составляет для двигателей общего применения мощностью 1,5...200,0 кВт всего 2...3%, а для двигателей большей мощности порядка 1%. Соответственно в номинальном режиме ЭДС ротора составляет 1...3% от номинального значения этой ЭДС при 5 = 1. Частота тока ротора в номинальном режиме будет составлять всего 0,5... 1,5 Гц. При 5 = 0, когда скорость ротора равна скорости поля, ЭДС ротора Е 2 и ток ротора / 2 будут равны нулю, момент двигателя также будет равен нулю. Этот режим является режимом идеального холостого хода.

Зависимость частоты ЭДС и тока ротора от скольжения определяет своеобразие механических характеристик асинхронного двигателя.

Работа асинхронного двигателя с фазным ротором, обмотки которого замкнуты накоротко. Как показано в (6.16), момент двигателя пропорционален потоку Ф и активной составляющей тока ротора / 2 " а, приведенного к статору. Поток, создаваемый обмотками, зависит от значения и частоты питающего напряжения

Ток ротора равен

где Z 2 - полное сопротивление фазы обмотки ротора.

Следует учитывать, что индуктивное сопротивление обмотки ротора х 2 является величиной переменной, зависящей от частоты тока ротора, а, следовательно, от скольжения: х 2 = 2п 2 2 = 2к t 2 .

При неподвижном роторе при s = 1 индуктивное сопротивление обмотки ротора максимальное. По мере роста скорости (уменьшении скольжения) индуктивное сопротивление ротора х 2 уменьшается и при достижении номинальной скорости составляет всего 1...3% от сопротивления при 5 = 1. Обозначив x 2s=l = х 2н, получим

Приведем параметры цепи ротора к обмотке статора с учетом коэффициента трансформации и на основе сохранения

равенства мощности:

И активная составляющая тока ротора имеет вид:

Разделив числитель и знаменатель формулы (6.26) на s, получим

Проведенная математическая операция - деление числителя и знаменателя на s , конечно, не изменяет справедливость равенства (6.29), но носит формальный характер, что нужно учитывать при рассмотрении этого соотношения. В действительности, как это следует из исходной формулы (6.26), от скольжения зависит индуктивное сопротивление ротора х 2 , а активное сопротивление г 2 остается постоянным. Использование выражения (6.29) позволяет по аналогии с трансформатором составить схему замещения асинхронного двигателя, которая представлена на рис. 6.4,а.

Рис. 6.4. Схемы замещения асинхронного двигателя: а - полная схема; б- схема с вынесенным намагничивающим контуром

Для анализа нерегулируемого электропривода эту схему можно упростить, перенеся контур намагничивания на зажимы двигателя. Упрощенная П-образная схема замещения представлена на рис. 6.4Д исходя из которой, ток ротора будет равен:

где х к =х + х" 2и - индуктивное сопротивление короткого замыкания. Активная составляющая тока ротора с учетом (6.28) будет:

Подставляя (6.22) и (6.31) в (6.16), получим выражение для момента асинхронного двигателя

Естественная механическая характеристика асинхронного двигателя оз = f(M) с фазным ротором, обмотки которого замкнуты накоротко, представлена на рис. 6.5. Здесь же показана электромеханическая характеристика двигателя ю = /(/j), определяемая из векторной диаграммы асинхронного двигателя на рис. 6.6, I x = I + / 2 ".

Рис. В.5. Естественная механическая и электромеханическая характеристики асинхронного двигателя

Рис. В.В. Упрощенная векторная диаграмма асинхронного двигателя

Полагая ток намагничивания реактивным, получим где

Приравняв производную dM/ds = , найдем максимальное значение момента асинхронного двигателя М к = М н и соответствующее ему значение критического скольжения s K:

где s K - критическое скольжение; знак «+» означает, что эта величина относится к двигательному режиму, знак «-» - к генераторному режиму рекуперативного торможения.

С учетом (6.34) и (6.35) формулу механической характеристики (6.32) можно преобразовать к более удобному для пользования выражению - формуле Клосса:

Для двигателей мощностью более 15 кВт сопротивление обмотки статора г, невелико и при частоте 50 Гц значительно меньше х к. Поэтому в приведенных ранее выражениях величиной г, можно пренебречь:

По полученным формулам можно рассчитать механическую характеристику асинхронного двигателя, пользуясь его паспортными данными, зная номинальный момент М н, номинальное скольжение s h и перегрузочную способность двигателя X.

Заметим, что анализируя электромагнитные процессы в асинхронном двигателе для установившегося режима, пришли к тем же соотношениям (6.9) и (6.10), которые были получены в § 6.1 на основе дифференциальных уравнений обобщенной двухфазной машины.

Анализ особенностей механической характеристики асинхронного двигателя (см. рис. 6.5). Она носит нелинейный характер и состоит из двух частей. Первая - рабочая часть - в пределах скольжения от 0 до s K . Эта часть характеристики близка к линейной и имеет отрицательную жесткость. Здесь момент, развиваемый двигателем, примерно пропорционален току статора 1 Х и ротора / 2 . Так как на этой части характеристики s то второе слагаемое знаменателя в формуле (6.39) существенно меньше первого, и им можно пренебречь. Тогда рабочую часть механической характеристики можно приближенно представить в линейной форме, где момент пропорционален скольжению:

Вторая часть механической характеристики асинхронного двигателя при скольжениях, больших s K (s>s K) криволинейная, с положительным значением жесткости (3 . Несмотря на то, что ток двигателя по мере роста скольжения увеличивается, момент, напротив, уменьшается. Если обмотки ротора асинхронного двигателя с фазным ротором во внешней цепи замкнуты накоротко, то пусковой ток такого двигателя (при со = 0 и 5 =1) будет очень большим и превысит номинальный в 10-12 раз. В то же время пусковой момент составит порядка 0,4...0,5 номинального. Как будет показано далее, для короткозамкнутых двигателей пусковой ток будет (5...6)/ н, а пусковой момент (1,1...1,3)А/ н.

Для объяснения такого несоответствия между пусковым током и моментом рассмотрим векторные диаграммы цепи ротора (рис. 6.7) для двух случаев: когда скольжение велико (пусковая часть характеристики); когда скольжение мало (рабочая часть характеристики). При пуске, когда 5=1, частота тока ротора равна частоте питающей сети (f 2 = 50 Гц). Индуктивное сопротивление обмотки ротора [см. (6.24)] велико и существенно превосходит активное сопротивление ротора /* 2 , ток отстает от ЭДС ротора на большой угол ф, т.е. ток ротора, в основном, реактивный. Поскольку ЭДС ротора в этом случае будет велика 2 = 2н, то и пусковой ток будет очень большим, однако из-за малого значения ср 2 активная составляющая тока ротора 1 2а будет невелика, следовательно, и момент, развиваемый двигателем, будет также невелик.

При разгоне двигателя скольжение уменьшается, ЭДС ротора, частота тока ротора, индуктивное сопротивление ротора пропорционально уменьшаются. Соответственно уменьшается значение полного тока ротора и статора, однако, вследствие повышения ф 2 активная составляющая тока ротора растет и растет момент двигателя.

Когда скольжение двигателя станет меньше s K , частота тока ротора уменьшится настолько, что индуктивное сопротивление станет уже меньше активного, и ток ротора будет практически активным (рис. 6.7,6), момент двигателя будет пропорционален току ротора. Так, если номинальное скольжение двигателя 5 н = 2%, то по сравнению с пусковыми параметрами частота тока ротора уменьшится в 50 раз, соответственно уменьшится индуктивное сопротивление ротора. Поэтому, несмотря на то, что ЭДС ротора также уменьшится в 50 раз, она будет достаточна для создания номинального тока ротора, обеспечивающего номинальный момент двигателя. Таким образом, своеобразие механической характеристики асинхронного двигателя определяется зависимостью индуктивного сопротивления ротора от скольжения.

Рис. В.7. Векторная диаграмма цепи ротора асинхронного двигателя: а - при большом скольжении: б - при и малом скольжении

Исходя из изложенного, для пуска асинхронного двигателя с фазным ротором нужно принять меры для увеличения пускового момента и снижения пусковых токов. С этой целью в цепь ротора включают добавочное активное сопротивление. Как следует из формул (6.34), (6.35), введение добавочного активного сопротивления не изменяет максимального момента двигателя, а лишь изменяет значение

критического скольжения: , где /?" доб - приведенное к

статору добавочное сопротивление в цепи ротора.

Введение добавочного активного сопротивления увеличивает полное сопротивление роторной цепи, в результате уменьшается пусковой ток и увеличивается ср роторной цепи, что ведет к увеличению активной составляющей тока ротора и, следовательно, пускового момента двигателя.

Обычно в роторную цепь двигателя с фазным ротором вводят секционированное сопротивление, ступени которого перемыкаются пусковыми контакторами. Расчет реостатных пусковых характеристик можно производить по формуле (6.39), используя значение s K , соответствующее R 2 б для каждой ступени пускового сопротивления. Схема включения дополнительных сопротивлений и соответствующие реостатные механические характеристики двигателя показаны на рис. 6.8. Механические характеристики имеют общую точку идеального холостого хода, равную скорости вращения электромагнитного поля статора со, а жесткость рабочей части характеристик уменьшается по мере возрастания суммарного активного сопротивления роторной цепи (2 + /? доб).

При пуске двигателя сначала вводится полное добавочное сопротивление /? 1доб. По достижении скорости, при которой момент двигателя Л/, становится близким к моменту сопротивления М с, часть пускового сопротивления шунтируется контактором К1, и двигатель переходит на характеристику, соответствующую значению добавочного сопротивления /? 2доб. При этом момент двигателя увеличивается до значения М 2 . По мере дальнейшего разгона двигателя контактором К2 закорачивается вторая ступень пускового сопротивления. После замыкания контактов контактора КЗ двигатель переходит на естественную характеристику и будет работать со скоростью, соответствующей точке 1.

Для расчета пусковых характеристик нужно задать значение момента М { при котором происходит переключение ступеней пусковых резисторов М х = 1,2М с. Пусковые значения момента М 2 (рис. 6.8) находят по формуле, = А/ , где т - число ступеней.

Для расчета ступеней пускового сопротивления найдем номинальное сопротивление ротора R 2h = 2н.лин/>/3 2н

Сопротивления ступеней:

Б короткозамкнутых асинхронных двигателях введение дополнительного 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 ЭДС самоиндукции, направленная против тока:

Значение этой ЭДС зависит от тока I , его частоты и индуктивности, 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 50 Гц со= /с влияние ЭДС самоиндукции незначительно. Другое дело, когда проводник помещен в тело магнитопровода. Тогда индуктивность многократно увеличивается и ЭДС самоиндукции, направленная против тока, играет роль индуктивного сопротивления, препятствующего протеканию тока.

Рис. В.9. Конструкция ротора асинхронного короткозамкнутого двигателя: а - с глубоким пазом; б - с двойной клеткой; в - схема, поясняющая эффект вытеснения тока

Рассмотрим проявление действия ЭДС самоиндукции для случая проводника (стержня обмотки ротора), помещенного в глубокий паз магнитопровода ротора двигателя (рис. 6.9,а). Условно разделим сечение стержня на три части, которые соединены параллельно. Ток, протекающий по нижней части стержня образует поток Ф, магнитные силовые линии которого замыкаются по магнитопроводу. В этой части проводника возникает большая ЭДС самоиндукции e LV направленная против тока 1 2у

Ток / 23 (рис. 6.9, в), протекающий по верхней части стержня роторной обмотки образует поток Ф 3 , но, так как силовые линии этого потока в значительной части своей длины замыкаются по воздуху, то поток Ф 3 будет гораздо меньше, чем поток Ф,. Отсюда и ЭДС е 1Ъ будет во много раз меньше, чем e LV

Указанное распределение ЭДС самоиндукции по высоте стержня характерно для того режима, когда частота тока ротора велика - близка к 50 Гц. В этом случае, поскольку все три части стержня ротора соединены параллельно (см. рис. 6.9,в), то ток ротора / 2 пойдет по верхней части стержня, где меньше противоЭДС e L . Это явление называют вытеснением тока на поверхность паза. При этом эффективное сечение стержня, по которому идет ток, будет в несколько раз меньше, чем общее сечение стержня обмотки ротора. Таким образом, увеличивается активное сопротивление ротора г 2 . Отметим, что поскольку ЭДС самоиндукции зависит от частоты тока (т.е. от скольжения), то и сопротивления г 2 и х 2 являются функциями скольжения.

При пуске, когда скольжение велико, сопротивление г 2 увеличивается (в цепь ротора как бы вводится добавочное сопротивление). По мере разгона двигателя скольжение двигателя уменьшается, эффект вытеснения тока ослабевает, ток начинает распространяться вниз по сечению проводника, сопротивление г 2 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 г 2 минимально. Благодаря такому автоматическому изменению сопротивления г 2 , пуск асинхронных короткозамкнутых двигателей протекает благоприятно: пусковой ток составляет

5,0...6,0 номинального, а пусковой момент 1,1...1,3 номинального.

Варьировать параметрами пусковой характеристики асинхронного двигателя при конструировании можно меняя форму паза, а также сопротивление материала стержней (состав сплава). Наряду с глубокими пазами применяют двойные пазы, образующие двойную беличью клетку (рис. 6.9,6), а также используют пазы грушевидной формы и др.

На рис. 6.10 представлены типовые механические характеристики различных модификаций асинхронных короткозамкнутых двигателей.

Рис. В.10. Примерные механические характеристики асинхронных короткозамкнутых двигателей: а - нормального исполнения; 6 - с повышенным скольжением; в - с повышенным пусковым моментом; г- краново-металлургических серий

Короткозамкнутые двигатели нормального исполнения используют для привода широкого класса рабочих машин и механизмов, прежде всего для приводов, работающих в длительном режиме. Для этого исполнения характерно высокое значение КПД и минимальное номинальное скольжение. Механическая характеристика в области больших скольжений имеет обычно небольшой провал, характеризуемый минимальным моментом М т{п.

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-кратковременном режиме.

Двигатели с повышенным пусковым моментом предназначены для механизмов с тяжелыми условиями пуска, например, для скребковых конвейеров.

Двигатели краново-металлургических серий предназначены для механизмов, работающих в повторно-кратковременном режиме с частыми пусками. Эти двигатели имеют большую перегрузочную способность, высокий пусковой момент, повышенную механическую прочность, но худшие энергетические показатели.

Аналитический расчет механических характеристик короткозамкнутых асинхронных двигателей достаточно сложен, поэтому приближенно характеристику можно построить по четырем точкам: при холостом ходе (5 = 0), при максимальном М к, пусковом М п и минимальном М т[п моменте в начале пуска. Данные этих характерных точек приведены в каталогах и справочниках на асинхронные двигатели. Расчет рабочей части механической характеристики коротко- замкнутого асинхронного двигателя (при скольжениях от 0 до 5 к) можно производить по формуле Клосса (6.36), (6.39), поскольку эффект вытеснения тока в рабочем режиме почти не проявляется.

Полная механическая характеристика асинхронного двигателя во всех квадрантах поля M-s, представлена на рис. 6.11.

Асинхронный двигатель может работать в трех тормозных режимах: рекуперативного и динамического торможения и торможения противовключением. Специфическим тормозным режимом является также конденсаторное торможение.

Рекуперативное генераторное торможение возможно, когда скорость ротора выше скорости вращения электромагнитного поля статора, чему соответствует отрицательное значение скольжения: оо>со 0 5

Несколько большее значение максимального момента в генераторном режиме объясняется тем, что потери в статоре (на сопротивлении г {) в двигательном режиме уменьшают момент на валу, а в генераторном режиме момент на валу должен быть больше, чтобы покрыть потери в статоре.

Отметим, что в режиме рекуперативного торможения асинхронный двигатель генерирует и отдает в сеть активную мощность, а для создания электромагнитного поля асинхронный двигатель и в режиме генератора должен обмениваться с сетью реактивной мощностью. Поэтому асинхронная машина не может работать автономным генератором при отключении от сети. Возможно, однако, подключение асинхронной машины к конденсаторным батареям, как к источнику реактивной мощности.

Способ динамического торможения : статорные обмотки отключают от сети переменного тока и подключают к источнику постоянного напряжения (рис. 6.12). При питании обмоток статора постоянным током создается неподвижное в пространстве электромагнитное поле, т.е. скорость вращения поля статора со дт = . Скольжение будет равно 5 ДТ = -со/со н, где со н - номинальная угловая скорость вращения поля статора.

Рис. 6 .12 а - включения динамического торможения; б - при соединении обмоток в звезду; в - при соединении обмоток в треугольник

Вид механических характеристик (рис. 6.13) подобен характеристикам в режиме рекуперативного торможения. Исходной точкой характеристик является начало координат. Регулировать интенсивность динамического торможения можно изменяя ток возбуждения / дт в обмотках статора. Чем выше ток, тем больший тормозной момент развивает двигатель. При этом, однако, нужно учитывать, что при токах / дт > / 1н начинает сказываться насыщение магнитной цепи двигателя.

Для асинхронных двигателей с фазным ротором регулирование тормозного момента можно производить также введением дополнительного сопротивления в цепь ротора. Эффект от введения добавочного сопротивления аналогичен тому, которое имеет место при пуске асинхронного двигателя: благодаря улучшению ф повышается критическое скольжение двигателя и увеличивается тормозной момент при больших скоростях вращения.

В режиме динамического торможения обмотки статора питаются от источника постоянного тока. Следует также иметь в виду, что в схеме динамического торможения ток / д т протекает (при соединении обмоток в звезду) не по трем, а по двум фазным обмоткам.

Для расчета характеристик нужно заменить реальный / эквивалентным током / , который, протекая по трем фазным обмоткам,

создает ту же намагничивающую силу, что и ток I . Для схемы на рис. 6.12,6 1 =0,816/ , а для схемы на рис. 6.12,в I =0,472/ .

Упрощенная формула для приближенного расчета механических характеристик (не учитывающая насыщение двигателя) подобна формуле Клосса для двигательного режима:

где - критический момент в режиме динамического торможения;

Следует подчеркнуть, что критическое скольжение в режиме динамического торможения существенно меньше критического скольжения в двигательном режиме, так как » к. Для получения максимального тормозного момента, равного максимальному моменту в двигательном режиме ток / экв должен в 2-4 раза превышать номинальный ток намагничивания / 0 . Напряжение источника питания постоянного тока будет значительно меньше номинального напряжения и примерно равно дт =(2, ...4)/ экв,.

Энергетически в режиме динамического торможения асинхронный двигатель работает как синхронный генератор, нагруженный на сопротивление роторной цепи двигателя. Вся механическая мощность, поступающая на вал двигателя при торможении, преобразуется в электрическую и идет на нагрев сопротивлений роторной цепи. Торможение противовключением может быть в двух случаях:

• когда при работе двигателя необходимо его экстренно остановить, и для этого меняют порядок чередования фаз питания обмоток статора двигателя;
• когда электромеханическая система движется в отрицательном направлении под действием спускаемого груза, а двигатель включается в направлении подъема, чтобы ограничить скорость спуска (режим протягивающего груза).

В обоих случаях электромагнитное поле статора и ротор двигателя вращаются в разные стороны. Скольжение двигателя в режиме про-

тивовключения всегда больше единицы:

В первом случае (рис. 6.14) двигатель, работавший в точке 1, после изменения порядка чередования фаз двигателя переходит в тормозной режим в точке Г, и скорость привода быстро снижается под действием тормозного момента М Т и статического М с. При замедлении до скорости, близкой к нулю, двигатель необходимо отключить, иначе он будет разгоняться в противоположном направлении вращения.

Рис. 6.14.

Во втором случае после снятия механического тормоза двигатель, включенный в направлении вверх, под действием силы тяжести спускаемого груза будет вращаться в противоположном направлении со скоростью, соответствующей точке 2. Работа в режиме противовключения под действием протягивающего груза возможна при использовании двигателей с фазным ротором. При этом в цепь ротора вводят значительное добавочное сопротивление, которому соответствует характеристика 2 на рис. 6.14.

Энергетически режим противовключения крайне неблагоприятен. Ток в этом режиме для асинхронных короткозамкнутых двигателей превосходит пусковой, достигая 10-кратного значения. Потери в роторной цепи двигателя складываются из потерь короткого замыкания двигателя и мощности, которая передается на вал двигателя при торможении: АР п = Л/ Т со 0 + М т (о.

Для короткозамкнутых двигателей режим противовключения возможен только в течение нескольких секунд. При использовании двигателей с фазным ротором в режиме противовключения обязательно включение в цепь ротора добавочного сопротивления. В этом случае потери энергии остаются такими же значительными, но они выносятся из объема двигателя в роторные сопротивления.

Асинхронный короткозамкнутый электродвигатель (рисунок 5.1) и АД с фазным ротором (рисунок 5.2) широко распространены в электроприводе благодаря большому ресурсу безотказной работы, высоким показателям в работе, хорошим регулировочным свойствам.

На рисунке 5.3 представлена схема замещения одной фазы электродвигателя с учетом параметров намагничивающего контура с активным r m и индуктивным x m сопротивлениями.

В схеме замещения:

r 1 - активное сопротивление фазы статорной обмотки;

r 2 ′ - приведенное к статору активное сопротивление фазы роторной обмотки;

x 1 - индуктивное сопротивление фазы статорной обмотки;

x 2 ′ - приведенное к статору индуктивное сопротивление фазы роторной обмотки;

x m - индуктивное сопротивление контура намагничивания.

В соответствии со схемой замещения, роторный ток I 2 ’ имеет значение

Из (5.1) следует, что роторный ток I 2 ’ зависит от скольжения s , т.е. от частоты вращения ротора машины, поскольку

Заметим, что при пуске скольжение s = 1 (текущее значение частоты вращения w = 0) , а при частоте вращения w=w 0 идеального холостого хода скольжение равно s = 0 . Из соотношения следует также, что при пуске роторный ток достигает максимального значения I 2к ’ @ (8¸10)I ном , и его следует ограничивать.

Частота тока ротора f p при значении частоты f c сетевого напряжения f p = f c ×s, следовательно, при пуске s=1 и асинхронная машина может быть представлена трансформатором напряжения, поскольку f p =f c =50Гц . По мере разгона двигателя и его работе с номинальным скольжением s н , которое не превышает s н 0,1 ; падает и частота роторного тока f p = 1..5Гц.

Мощность Р 1 , потребляемая АД из сети, расходуется на покрытие потерь в контуре намагничивания ∆Р m и в обмотке статора ∆Р 1 , остаток ее преобразуется в электромагнитную мощность Р Э , которая равна

В свою очередь, , и, решая совместно и находим значение электромагнитного момента

.

Зависимость (5.4) является описанием механической характеристики АД и представляет сложную зависимость момента АД от скольжения. Исследуем ее на экстремум, взяв производную и приравняв ее нулю:

Зависимость имеет максимум при критическом значении скольжения, равном

и критическом (максимальном) моменте

Заметим, знак (+) относится к двигательному режиму, а знак (-) к генераторному режиму машины.

Для практических расчетов, удобнее использовать формулу Клосса, полученную из выражений

, где .

В крупных асинхронных машинах r 1 << r 2 ’ , и ε ≈0. Механическая характеристика АД имеет вид, изображенный на рисунке 2.4. Характерные точки характеристики:

1- s=0; М=0 , при этом скорость двигателя равна синхронной;

2- s=s ном , М=М ном - номинальный

режим работы двигателя;

3- s = s к , М = М кр.Д - максимальный момент в двигательном режиме;

4- s = 1, М = М п - начальный пусковой момент;

5- s = -s к , М = М кр.Г - максимальный момент в генераторном режиме.

Анализируя влияние напряжения питания U на механические характеристики электродвигателя, имеем на основании соотношений (5.6) и (5.7), что критическое скольжениеs к остается постоянным при понижении напряжения, а критический момент M кр.д уменьшается пропорционально квадрату питающего напряжения (рисунок 5.5).

При понижении сетевого напряжения до значения 0,9×U ном , т.е. на 10% от U ном , критический момент M кр.д уменьшается на 19%. При снижении питающего напряжения для развития прежнего значения момента двигатель должен работать с большими роторными токами.

При проектировании электродвигателя следует убедиться, что значение пускового (s = 1 ) и критического моментов (s = s к ) при минимально возможном напряжении удовлетворяют требованиям рабочей машины.

Анализируя влияние активного сопротивления , вводимого в роторную цепь, на основании соотношений (5.5)-(5.6), что с увеличением роторного

сопротивления, которое становится равным (r 2 ’ + R доб ), увеличивается критическое скольжение S к , но величина критического момента двигателя M кр.д остается без изменения.

Механические характеристики приведены на рисунке 12. Метод используется для запуска машины, когда на время пуска в роторную цепь включается значительное по величине R доб . Диаграмма запуска аналогична диаграмме запуска двигателя постоянного тока независимого возбуждения. Для расчета искусственных механических характеристик при введении сопротивления R доб в роторную цепь используется соотношение

где s и и s e – скольжения соответственно на искусственной и естественной характеристиках.

Зная величину R доб , вводимого в роторную цепь, для тех же значений момента по соотношению (5.8) производится расчет скольжений s и на искусственной характеристике.

Введение активно – индуктивных сопротивлений в роторную цепь машины (рисунок 14) используется для поддержания большего постоянства пускового момента машины по сравнению с естественной характеристикой машины – механическая характеристика машины в области скольжений 1 к представляется более плавной кривой.

Критический момент машины M кр.д и критическое скольжение s к машины изменяются в соответствии с соотношениями. Введение активных и индуктивных сопротивлений в статорную цепь машины (рисунок) используется для уменьшения броска пускового тока машины, поскольку напряжение непосредственно на зажимах статора становится функцией тока и по мере уменьшения пускового тока (разгон) указанное напряжение растет и восстанавливается до значения, близкого к U ном . Вывод активных и индуктивных сопротивлений из статорной цепи машины осуществляется релейно - контакторной или бесконтактной схемой.

Механические характеристики асинхронных двигателей

Асинхронные двигатели являются основными двигателями, которые наиболее широко используются как в промышленности, так и в агропромышленном производстве. Они обладают существенными преимуществами перед другими типами двигателей: просты в эксплуатации, надежны и имеют низкую стоимость.

В трехфазном асинхронном двигателе при подключении обмотки статора к сети трехфазного переменного напряжения создается вращающееся магнитное поле, которое, пересекая проводники обмотки ротора, наводит в них ЭДС, под воздействием которой в роторе появляются ток и магнитный поток. Взаимодействие магнитных потоков статора и ротора создает вращающий момент двигателя. Появление в обмотке ротора ЭДС, следовательно, и вращающего момента возможно только при наличии разности между скоростями вращения магнитного поля статора и ротора. Это различие в скоростях называют скольжением.

Скольжение асинхронного двигателя - это мера того, насколько ротор отстает в своем вращении от вращения магнитного поля статора. Оно обозначается буквой S и определяется по формуле

, (2.17)

где w 0 - угловая скорость вращения магнитного поля статора (синхронная угловая скорость двигателя); w - угловая скорость ротора; ν – частота вращения двигателя в относительных единицах.

Скорость вращения магнитного поля статора зависит от частоты тока питающей сети f и числа пар полюсов р двигателя: . (2.18)

Уравнение механической характеристики асинхронного двигателя можно вывести на основе упрощенной схемы замещения, приведенной на рис.2.11. В схеме замещения приняты следующие обозначения: U ф - первичное фазное напряжение; I 1 - фазный ток в обмотках статора; I 2 ́ - приведенный ток в обмотках ротора; X 1 – реактивное сопротивление обмотки статора; R 1 , R 1 2 – активные сопротивления в обмотках соответственно статора и приведенного ротора; X 2 ΄- приведенное реактивное сопротивление в обмотках ротора; R 0 , X 0 - активное и реактивное сопротивления контура намагничивания; S – скольжение.

В соответствии со схемой замещения на рис.2.11 выражение для тока ротора имеет вид

Рис. 2.11. Схема замещения асинхронного двигателя

Вращающий момент асинхронного двигателя может быть определен из выражения Мw 0 S=3(I 2 ΄) 2 R 2 ΄ по формуле

Подставив значение тока I 2 ΄ из формулы (2.19) в формулу (2.20), определяем вращающий момент двигателя в зависимости от скольжения, т.е. аналитическое выражение механической характеристики асинхронного двигателя имеет вид

График зависимости M= f(S) для двигательного режима представлен на рис.2.12. В процессе разгона момент двигателя изменяется от пускового M n до максимального момента, который называется критическим моментом M к . Скольжение и скорость двигателя, соответствующие наибольшему (максимальному) моменту, называют критическими и обозначают соответственно S к, w к . Приравняв производную нулю в выражении (2.21), получим значение критического скольжения S k , при котором двигатель развивает максимальный момент:

где Х к =(Х 1 +Х 2 ΄) – реактивное сопротивление двигателя.

Рис.2.12. Естественная механическая характеристика асинхронного электродвигателя Рис.2.13. Механические характеристики асинхронного электродвигателя при изменении напряжения сети

Для двигательного режима S к берется со знаком “плюс”, для сверхсинхронного - со знаком “минус”.

Подставив значение S к (2.22) в выражение (2.21), получим формулы максимального момента:

а) для двигательного режима

б) для сверхсинхронного торможения

(2.24)

Знак “плюс” в равенствах (2.22) и (2.23) относится к двигательному режиму и к торможению противовключением; знак “минус” в формулах (2.21), (2.22) и (2.24) - к сверхсинхронному режиму двигателя, работающего параллельно с сетью (при w>w 0 ).

Как видно из (2.23) и (2.24), максимальный момент двигателя, работающего в режиме сверхсинхронного торможения, будет больше по сравнению с двигательным режимом из-за падения напряжения на R 1 (рис. 2.11).

Если выражение (2.21) разделить на (2.23) и произвести ряд преобразований с учетом уравнения (2.22), можно получить более простое выражение для зависимости M= f(S) :

где – коэффициент.

Пренебрегая активным сопротивлением обмотки статора R 1 , т.к. у асинхронных двигателей мощностью более 10 кВт сопротивление R 1 значительно меньше Х к , можно приравнять а ≈ 0 , получаем более удобную и простую для расчетов формулу определения момента двигателя по его скольжению (формула Клосса):

. (2.26) Если в выражение (2.25) вместо текущих значений M и S подставить номинальные значения и обозначить кратность моментов M к /M н через k max , получим упрощенную формулу для определения критического скольжения:

В (2.27) любой результат решения под корнем брать со знаком “+”, ибо при знаке “-” решение данного уравнения не имеет смысла. Уравнения (2.21), (2.23), (2.24), (2.25) и (2.26) являются выражениями, описывающими механическую характеристику асинхронного двигателя (рис. 2.12).

Искусственные механические характеристики асинхронного двигателя можно получить за счет изменения напряжения или частоты тока в питающей сети либо введения добавочных сопротивлений в цепь статора или ротора.

Рассмотрим влияние каждого из названных параметров (U, f, R д) на механические характеристики асинхронного двигателя.

Влияние напряжения питающей сети. Анализ уравнений (2.21) и (2.23) показывает, что изменение напряжения сети влияет на момент двигателя и не влияет на его критическое скольжение. При этом момент, развиваемый двигателем, изменяется пропорционально квадрату напряжения:

М≡ kU 2 , (2.28)

где k – коэффициент, зависящий от параметров двигателя и скольжения.

Механические характеристики асинхронного двигателя при изменении напряжения сети представлены на рис 2.13. В данном случае U н = U 1 >U 2 >U 3 .

Влияние добавочного внешнего активного сопротивления, включенного в цепь статора. Добавочные сопротивления вводят в цепь статора для уменьшения пусковых значений тока и момента (рис.2.14а). Падение напряжения на внешнем сопротивлении является в данном случае функцией тока двигателя. При пуске двигателя, когда величина тока большая, напряжение на обмотках статора снижается.

Рис.2.14. Схема включения (а) и механические характеристики (б) асинхронного двигателя при включении активного сопротивления в цепь статора

При этом согласно уравнениям (2.21), (2.22) и (2.23) изменяются пусковой момент М п , критический момент М к и угловая скорость ω к . Механические характеристики при различных добавочных сопротивлениях в цепи статора представлены на рис.2.14б, где R д2 >R д1 .

Влияние добавочного внешнего сопротивления, включенного в цепь ротора . При включении добавочного сопротивления в цепь ротора двигателя с фазным ротором (рис.2.15а) его критическое скольжение повышается, что объясняется выражением .

Рис.2.15. Схема включения (а) и механические характеристики (б) асинхронного двигателя с фазным ротором при включении добавочного сопротивления в цепь ротора

В выражение (2.23) величина R / 2 не входит, так как эта величина не влияет на М К, поэтому критический момент остается неизменным при любом R / 2 . Механические характеристики асинхронного двигателя с фазным ротором при различных добавочных сопротивлениях в цепи ротора представлены на рис.2.15б.

Влияние частоты тока питающей сети . Изменение частоты тока влияет на величину индуктивного сопротивления X к асинхронного двигателя и, как видно из уравнений (2.18), (2.22), (2.23) и (2.24), оказывает влияние на синхронную угловую скорость w 0 , критическое скольжение S к и критический момент M к . Причем ; ; w 0 ºf , где C 1 , C 2 - коэффициенты, определяемые параметрами двигателя, не зависящими от частоты тока f .

Механические характеристики двигателя при изменении частоты тока f представлены на рис.2.16.

0 ω К1 ω К2 ω К3 ω f H > f 1
Рис.2.16. Механические характеристики асинхронного двигателя при изменении частоты тока питающей сети

Электропривод переменного тока

Классификация электроприводов переменного тока

На базе синхронных двигателей.

а) СД с электромагнитным возбуждением,

б) СД с возбуждением от постоянных магнитов.

Синхронные машины могут работать в трёх режимах: генераторном, двигательном и в режиме синхронного компенсатора.

Наиболее распространённым режимом работы синхронных машин является генераторный режим. На тепловых электростанциях установлены турбогенераторы мощностью 1200 МВт на 3000 об/мин и 1600 МВт на 1500 об/мин. В отличие от быстроходных турбогенераторов, гидрогенераторы - это тихоходные машины, как правило, с вертикальной осью вращения. Для повышения динамической устойчивости энергосистем и повышения качества электроэнергии используются синхронные компенсаторы, выполненные на базе явно- и неявнополюсных синхронных машин.

В режиме двигателя синхронные машины используются в качестве приводных двигателей мощных насосов, вентиляторов, воздуходувок. Предельная мощность синхронных двигателей достигает нескольких сотен мегаватт. Также в различных электроприводах широко используются синхронные микродвигатели, в которых для создания поля возбуждения используются постоянные магниты.

Как правило, синхронные генераторы и двигатели эксплуатируются с cos φ = 0,8 ÷ 0,9.

На базе асинхронных двигателей с КЗ ротором.

а) трёхфазный АД,

б) двухфазный АД.

На базе асинхронных двигателей с фазным ротором.

Асинхронные машины наибольшее распространение получили как двигатели. Предельная мощность асинхронных двигателей - несколько десятков мегаватт. Для насосов и аэродинамических труб выпускаются асинхронные двигатели мощностью до 20 МВт. В индикаторных системах применяются асинхронные двигатели от долей ватт до сотен ватт.

В настоящее время асинхронные двигатели выпускаются едиными сериями. Основная серия асинхронных машин 4А включает в себя двигатели от 0,4 до 400 кВт. Разработана единая серия асинхронных машин АИ, АИР, 5А и RА. Двигатели серии АТД выполняются с короткозамкнутым массивным ротором и водяным охлаждением обмотки статора.

Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором серии 4А можно разделить на две разновидности по степени защиты и по способу охлаждения. Машины закрытые, защищённые от попадания внутрь неё брызг любого направления и предметов диаметр более 1 мм, имеют внешний обдув вентилятором. По ГОСТ это исполнение имеет обозначение IP44. Второй разновидностью конструкции являются машины с исполнением по степени защиты IP23. В этих машинах обеспечивается защита от возможности соприкосновения предметов диаметром более 12,5 мм с токоведущими вращающимися частями машины. Исполнение IP23 предусматривает защиту от попадания внутрь машины капель, падающих под углом 60° к вертикали (каплезащищённое исполнение).

Отличительной особенностью машин с фазным ротором является наличие на роторе обмотки из проводников круглого или прямоугольного сечения, начала которой выведены на контактные кольца. Узел контактных колец выведен из станины, а контактные кольца закрыты кожухом. Токосъёмный аппарат состоит из щёток и щёткодержателей. Система вентиляции и степень защиты двигателей с фазным ротором - IP23 и IP44.

Уравнение механической характеристики асинхронного двигателя. схема замещения одной фазы.

В отличие от двигателей постоянного тока магнитный поток возбуждения трёхфазного двигателя создаётся переменным током обмоток и является вращающимся. Появление в обмотке ротора ЭДС и тока, а следовательно, и вращающего момента на валу возможно, как известно, только при наличии разности между скоростью вращения поля и скоростью вращения ротора, называемой скольжением

где ω – скорость вращения ротора.

Механические характеристики асинхронного электродвигателя строят в виде зависимости скольжения от развиваемого двигателем момента s=f(M) при постоянной величине напряжения и частоты питающей сети.

Для получения аналитического выражения механической характеристики трёхфазного двигателя используется эквивалентная схема одной фазы двигателя при соединении обмоток статора и ротора в «звезду». На эквивалентной схеме (рисунок 5.2) магнитная связь между обмотками статора и ротора заменена электрической, а ток намагничивания и соответствующие ему индуктивное и активное сопротивления представлены в виде независимого контура, включенного на напряжение сети.

X 0

Рис. 5.1. Эквивалентная схема одной фазы двигателя.

Для данного рисунка

Uф – первичное фазное напряжение;

I 1 – фазный ток статора;

I 2 / – приведённый ток ротора;

Х 1 и Х 2 / – первичное и вторичное приведённое реактивные сопротивления рассеяния;

R 0 и Х 0 – активное и реактивное сопротивления контура намагничивания;

s – скольжение двигателя;

– синхронная угловая скорость двигателя, ;

R 1 и R 2 / – первичное и приведённое вторичное активные сопротивления;

f 1 – частота сети,

р – число пар полюсов.

Параметры обмотки ротора (индуктивное, активное сопротивления и ток ротора I 2 ) приведены к виткам обмотки статора и к режиму при неподвижном роторе. Кроме того, эквивалентная схема рассматривается при условии, что параметры всех цепей являются постоянными, а магнитная цепь ненасыщенной.

В соответствии с приведённой схемой замещения можно получить выражение для вторичного тока:

(5.2)

Вращающий момент асинхронного двигателя может быть определён из выражения потерь

, откуда

(5.3)

Подставляя значение тока I 2 / в это выражение, получим:

(5.4)

Выражение для максимального момента:

(5.5)

Знак «+» относится к двигательному режиму (или торможению противовключением), знак «-» - к генераторному торможению.

Обозначив получим:

(5.6)

M к - максимальный момент (критический момент) двигателя,

s к - критическое скольжение, соответствующее максимальному моменту.

Из формулы 5.5 видно, что при данном скольжении момент двигателя пропорционален квадрату напряжения, поэтому двигатель чувствителен к колебаниям напряжения сети.

На рисунке 5.2 изображены механическая характеристика асинхронного двигателя в различных режимах работы. Характерными точками характеристики являются:

1) - скорость вращения двигателя равна синхронной скорости;

2) - номинальный режим работы двигателя;

3) - критический момент в двигательном режиме;

4) - начальный пусковой момент.

Обозначив кратность максимального момента , получим:

.

При двигатель работает лишь в пусковых и тормозных режимах, это нерабочая часть характеристики (гипербола).

При функция линейна, её графиком является прямая, которая называется рабочей частью механической характеристики асинхронного двигателя. На этом отрезке механической характеристики двигатель работает в установившемся режиме. На этой же части находятся точки, соответствующие номинальным данным двигателя: .

Рис. 5-2. Механическая характеристика асинхронного двигателя.

Устройство и применение АД с к.з. ротором.

1) Неподвижный статор: сердечник из шихтованной электротехнической стали с (как правило) тремя фазными обмотками, образующими полюса, и сдвинутыми в пространстве на 120 град.

Обмотка статора обычно выполняется с изоляцией лаком.

2) Подвижный короткозамкнутый ротор: сердечник по типу статорного. Обмотка в пазах – медные или алюминиевые стержни, закороченные кольцами по торцам сердечника.

Обмотка ротора в некоторых маломощных двигателях выполняется путем отливки под давлением из алюминия.

В маломощных АД воздушный зазор между статором и ротором составляет 0,2 – 0,3 мм, в двигателях большой мощности – несколько миллиметров.

13. Работа АД в режиме торможения противовключением .

Необходимо перевести схему в реверс и отключить ее при скорости равной нулю. Контроль скорости осуществляется реле скорости.

Способы регулирования частоты вращения асинхронного двигателя.

Для асинхронных двигателей с к.з. ротором

Для двигателя с фазным ротором : с помощью переключения числа ступеней в реостате в цепи ротора.

Пуск АД с фазным ротором.

Включение в ротор пуско-регулировочных реостатов позволяет ступенчато разогнать двигатель без превышения пускового тока больше 2-3 номинальных.

График –три ступени

Механическая характеристика асинхронного двигателя, её анализ.

1-х.х 2- номинальный режим 3- перегрузочная способность 4 – пуск

1.Механические характеристики строятся по 4 точкам:

где: – синхронная скорость;

– номинальная скорость;

– скольжение критическое

ƛ - перегрузочная способность двигателя;

Момент номинальный;

Частота вращения номинальная;

17. Принцип действия асинхронного двигателя .

На три фазы статорной (первичной) обмотки АД подается переменное напряжение u a =U m sin(wt ), u b =U m sin(wt -p/3); u c =U m sin(wt -2p/3), где w=2πf 1 .

В обмотках начинают протекать фазные токи, также сдвинутыми относительно друг друга на 120 эл.градусов.

Возникает магнитное поле статора, вращающееся с угловой скоростью Ω 0 =2πf 1 /p .

Магнитное поле статора пересекает проводники обмотки ротора (вторичной обмотки) и индуцирует в ней ЭДС:

Направление E 2 определяется по правилу правой руки. Наведенная ЭДС создает в замкнутой обмотке токи.

Индуктивное сопротивление (индуктивность) стержней ротора мало, ток практически совпадает по фазе с ЭДС.

В результате взаимодействия токов ротора с магнитным потоком возникают действующие на проводники ротора механические силы, направление которых определяется по правилу левой руки, и вращающий электромагнитный момент.

При этом для создания момента необходимо, чтобы поток статора пересекал бы проводники ротора, т. е, чтобы статорное поле вращалось со скоростью выше частоты вращения ротора. Эта разница в скорости вращения называется скольжением.

Таким образом, отличительной особенностью АД, давшей ему название, является то, что поле статора и ротор вращаются с разными скоростями, т.е. не синхронно или асинхронно.

Если поменять направление вращения поля статора, то ротор то же начнет вращаться в другую сторону – это реверсирование. Схемно для этого достаточно поменять местами две фазы любые.

18.Способы пуска асинхронных двигателей с к.з. ротором и их характеристика

Во всех способах достигается уменьшение пускового тока..Допускается прямой пуск, если мощность двигателя небольшая или двигатель запускается без нагрузки.

1.Изменением сопротивления в цепи статора, применяется в лифтах, недостатки: падает перегрузочная способность и пусковой момент

2. Изменением напряжения и частоты одновременно: с помощью частотного преобразователя напряжения, способ лучший по регулируемости, требует дорогостоящее оборудование

3 Изменением только величины напряжения: результат такой же, как в первом случае.

4. Переключением с треугольника на звезду (изменением числа пар полюсов)