Механические характеристики асинхронного двигателя

Лекция 3

Асинхронные двигатели получили в промышленности весьма широкое применение благодаря ряду существенных преимуществ по сравнению с другими типами двигателей. Асинхронный двигатель прост и надежен в эксплуатации, так как не имеет коллектора; асинхронные двигатели дешевле и значительно легче двигателей постоянного тока.

Для вывода уравнения механической характеристики асинхронного двигателя можно воспользоваться упрощенной схемой замещения, приведенной на рис. 3.1, где приняты следующие обозначения:

Uф — первичное фазное напряжение; I₁ — фазный ток статора; I^/₂ — приведенный ток ротора; X₁ и Х'₂ — первич­ное и вторичное приведенные реактивные сопротивления рассеяния; Rо и Х₀ — активное и реактивное сопротивления контура намагничивания; s == (w₀ - w)/w₀ — скольжение двигателя; w₀ = 2pn₀/60 — синхронная угловая скорость двигателя; w₀ = 2pf₁/p; R₁ и R^/₂ — первичное и вторичное приведенные активные сопротивления; f₁ — частота сети; р — число пар полюсов.

Рис. 3.1 Упрощенная схема замещения асинхронного двигателя.

В соответствии с приведенной схемой замещения можно получить выражение для вторичного тока

(2.1)

Момент асинхронного двигателя может быть определен из выражения потерь Mw₀s = 3 (I^/₂)²R^/₂, откуда

(2.2)

Подставляя значение тока I^/₂ в (2.1), получаем:

(2.3)

Кривая момента М = f (s) имеет два максимума: один — в генераторном режиме, другой — в двигательном ¹.

Приравнивая dM/ds = 0, определяем значение критиче­ского скольжения Sg, при котором двигатель развивает максимальный (критический) момент

(2.4)

При значительных сопротивлениях роторной цепи максимум момента может оказаться в режиме торможения противовключением.

Подставляя значение Sк в (3.3), находим выражение для максимального момента

(2.5)

Знак «+» в равенствах (2.4) и (2.5) относится к дви­гательному режиму (или торможению противовключением), знак «—» — к генераторному режиму работы параллельно с сетью (при w>w₀)

Если выражение (2.3) разделить на (2.5) и произвести соответствующие преобразования,

Рис. 3.2 Механические характеристики асинхронного двигателя.

то можно получить:

(2.6)

где Мк — максимальный момент двигателя; S_К — критическое скольжение, соответствующее макси­мальному моменту; а = R₁/R^/₂.

Здесь следует подчерк­нуть весьма важное для практики обстоятельство— влияние изменения напря­жения сети на механичес­кие характеристики асинхронного двигателя. Как видно из (3.3), при данном скольжении момент двигателя пропорционален квадрату напряжения, поэтому двигатель этого типа чувствителен к колебаниям напряжения сети.

Критическое скольжение и угловая скорость идеального холостого хода не зависят от напряжения.

На рис. 3.2 приведена механическая характеристика асинхронного двигателя. Ее характерные точки:

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

2) s = s_НОМ; М = М_ном что соответствует номинальной скорости и номинальному моменту;

3) s == sk; M == М_макс— максимальный момент в двига­тельном режиме;

4) s = 1,0;

— начальный пуско­вой момент;

5) s = - s_K; M=M_К.Г. — максимальный момент в ге­нераторном режиме работы параллельно с сетью.

При s> 1,0 двигатель работает в режиме торможения противовключением, при s < 0 имеет место генераторный режим работы параллельно с сетью.

Необходимо подчеркнуть, что абсолютные значения S_k в двигательном и генераторном параллельно с сетью режимах одинаковы

Однако из (2.6) следует, что максимальные моменты в двигательном и генераторном режимах различны. В генераторном режиме работы параллельно с сетью максимальный момент по абсолютному значению больше, что следует из соотношения

Если в уравнении (2.6) пренебречь активным сопротив­лением статора, то получится формула, более удобная для расчетов:

(2.7)

здесь

Подставив в выражение (2.7) вместо текущих значе­ний М и s их номинальные значения и обозначив кратность максимального момента М_К/М_НОМ, через l, получим:

В последнем выражении перед корнем следует брать знак «+».

Анализ формулы (2.6) показывает, что при s>s_к (нерабочая часть характеристики) получится уравнение гиперболы, если вэтом случае пренебречь вторым членам знаменателя в уравнений (3.6), т. е.

Эта часть характеристики практически соответствует лишь пусковым и тормозным режимам.

При малых значениях скольжения (s < s_k) для М =f (s) получится уравнение прямой, если пренебречь пер­вым членом в знаменателе (3.6):

Эта линейная часть характеристики является ее рабочей частью, на которой двигатель обычно работает в установив­шемся режиме. На этой же части характеристики находятся точки, соответствующие номинальным данным двигателя: М_НОМ, I_НОМ, n_НОМ, s_НОМ.

Статическое падение (перепад) скорости в относитель­ных единицах на естественной механической характеристике асинхронного двигателя при номинальном моменте опреде­ляется его номинальным скольжением.

Номинальное скольжение зависит от сопротивления ротора. Наименьшим номинальным скольжением при оди­наковой мощности и числе полюсов обладают обычно дви­гатели с короткозамкнутым ротором нормального исполне­ния. У этих двигателей в силу конструктивных особенно­стей сопротивление ротора имеет относительно небольшое значение, что ведет к уменьшению значений критического скольжения s_k (3.4) и номинального скольжения s_НОМ. По тем же причинам при увеличении мощности двигателя уменьшается его номинальное скольжение и растет жест­кость естественной характеристики. Последнее иллюстри­руется кривой рис. 11, построенной по средним данным для двигателей разной мощности.

Максимальный момент, как это видно из (3.5), не зави­сит от активного сопротивления ротора R₂, критическое же скольжение согласно (3.4) увеличивается по мере увели­чения сопротивления ротора. Вследствие этого у двигателей с фазным ротором при введении резисторов в цепь ротора максимум кривой момента смещается в сторону больших скольжении.

Значение сопротивления R₂, необходимое для построе­ния естественной и реостатных характеристик двигателя с фазным ротором, определяется из выражения

где Е_2к, I_2НОМ — линейное напряжение при неподвижном роторе и номинальный ток ротора.

На рис. 12 приведено семейство реостатных характе­ристик в двигательном режиме в координатных осях М и со для различных значений сопротивлений роторной цепи. С известным приближением реостатные характеристики в ра­бочей их части могут быть приняты линейными. Это дает возможность при расчете сопротивлений резисторов, вклю­чаемых в роторную цепь асинхронного двигателя, поль­зоваться методами, аналогичными методам, применяемым

Рис. 11. Кривая номинального Рис. 12 Естественная и реостатные механические

скольжения для асинхронных характеристики асинхронного двигателя с фаз-

двигателей разной мощности. ным ротором

для расчета сопротивления цепи якоря двигателя постоян­ного тока независимого возбуждения. Некоторая неточность в определение сопротивления резистора вносится при этом за счет того, что характеристика асинхронного двигателя на участке графика от М = 0 до максимального момента при пуске считается линейной.

Более точным является метод, когда спрямление харак­теристик производится на меньшем участке. Кратность максимального момента l=М_К.Д./М_ном должна быть у дви­гателей нормального исполнения с фазным ротором не ниже 1,8, а у двигателей с короткозамкнутым ротором не ниже 1,7. Крановые двигатели отличаются более высокой кратностью максимального момента. Например, для дви­гателей с короткозамкнутым ротором серии МТК l=2,3¸3,4.

Двигатели с фазным ротором упомянутых серий имеют приблизительно те же величины l.

Для двигателей с короткозамкнутым ротором сущест­венное значение с точки зрения электропривода имеют крат­ности начального пускового момента и начального пуско­вого тока.

На рис. 13 представлены примерные естественные ха­рактеристики двигателя с нормальным короткозамкнутым ротором, имеющим круглые пазы. Эти характеристики по­казывают, что двигатель с короткозамкнутым ротором, потребляя из сети весьма большой ток, имеет сравнительно

Рис. 13. Характеристики со = = f(M) и и == Д (/) для асин­хронного двигателя с короткозамкнутым ротором с круглыми пазами.

низкий начальный пусковой момент. Кратность началь­ного пускового момента двигателей

а для крановых двигателей

Кратность пускового тока

Отсутствие пропорциональности между моментом дви­гателя и током статора во время пуска (рис. 13) объяс­няется значительным снижением магнитного потока двига­теля, а также уменьшением коэффициента мощности вторич­ной цепи при пуске.

Момент асинхронного двигателя, как и любой электри­ческой машины, пропорционален магнитному потоку Ф и активной составляющей вторичного тока

(2.7)

где k' — конструктивная постоянная асинхронного двига­теля; y — угол сдвига между ЭДС и током ротора;

(2.8)

При увеличении скольжения растет ЭДС ротора Е₂=Е_2Кs, возрастает ток ротора I^/₂ в соответствии с (3.1), асимптотически стремясь к некоторому предельному зна­чению, a cos y₂ с ростом s уменьшается (на рабочем участке характеристики очень мало), асимптотически стремясь к ну­лю при s ®¥. Поток двигателя также не остается неизмен­ным, уменьшаясь при возрастании тока из-за падения на­пряжения на сопротивлениях обмотки статора. Все это и обусловливает отсутствие пропорциональности между то­ком и моментом двигателя.

Для повышения начального пускового момента и сниже­ния пускового тока применяются двигатели с короткозамкнутым ротором специальных конструкций. Роторы элек­тродвигателей имеют две клетки, расположенные концен­трически, или глубокие павы с высокими и узкими стерж­нями. Сопротивление ротора этих двигателей в пусковой

Рис. 14. Механические характерис­тики асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором с провалом при малых угловых скоростях.

период значительно больше, чем при номинальной скорости, вследствие поверхностного эффекта, обусловленного повышенной частотой тока в роторе при больших скольжениях. Поэтому при переходе к двигателям с глубоким пазом или двойной обмоткой ротора существенно увеличивается кратность пускового момента (увеличивается cos y₂ поток) и снижается кратность пускового тока. Правда, в этом случае несколько уменьшаются коэффициент мощности и КПД, соответствующие номинальной нагрузке.

Необходимо отметить, что у двигателей с короткозамкнутым ротором пусковой момент практически не всегда явля­ется наименьшим значением момента в области двигатель­ного режима. Как видно из рис. 14, механическая харак­теристика двигателя с короткозамкнутым ротором иногда при малых угловых скоростях имеет провал, вызванный влиянием высших гармоник зубцовых полей. Это обстоятельство следует учитывать при пуске двигателя под на­грузкой.

У двигателей с фазным ротором начальный пусковой момент увеличивается по мере возрастания до известных пре­делов сопротивления резистора (рис. 12), а пусковой ток при увеличении сопротивления уменьшается. Начальный пусковой момент может быть доведен до максимального момента. С дальнейшим ростом сопротивления роторной цепи увеличение cos y₂ компенсирует уменьшения тока ротора и пусковой момент уменьшается.

Лекция 4

Механические характеристики

асинхронного двигателя в тормозных режимах

В § 3.7 были рассмотрены механические характеристики асинхронной машины, работающей в двигательном режиме. Однако асинхронный двигатель может работать и в тормозных режимах: при торможении с отдачей энергии в сеть, при торможении противовключением и при динамическом торможении.

1. Торможение с отдачей энергии в сеть (генераторный режим работы

Рис. 15. Механические характеристики асинхронного двигателя для различных режимов работы.

параллельно с сетью) возможно при скорости выше синхронной. Механические характеристики асинхронного двигателя в координатах М и w) представлены на рис. 15. В квадранте 1 расположены участки характеристик двигательного режима для трех различных сопротивлений роторной цепи. По мере приближения скорости двигателя к скорости идеального холостого хода, или синхронной скорости, момент двигателя приближается к нулю.

При дальнейшем увеличении угловой скорости под влиянием внешнего момента, когда w>w₀, двигатель работает в режиме генератора параллельно с сетью, которой он может отдавать электрическую энергию, потребляя при этом реактивную мощность для возбуждения. Торможению с отдачей энергии в сеть отвечают участки характеристик, расположенные в верхней части квадранта 2. В этом режиме, как видно из (3.5), максимальный момент имеет большее значение, чем в двигательном. Режим торможения с отдачей энергии в сеть применяется практически для двигателей с переключением полюсов, а также для приводов грузоподъемных машин (подъемники, экскаваторы и т. п.) и в некоторых других случаях.

2. Торможение противовключением имеет значительно большее применение на практике. Режим торможения про­тивовключением может быть получен, так же как и для дви­гателя постоянного тока, при движущем моменте нагрузки Мс > М_П (Рис. 15). Для ограничения тока и получения соответствующего момента необходимо при использовании двигателя с фазным ротором в его роторную цепь включить дополнительный резистор. Установившемуся режиму при торможении противовключением соответствует, например, точка — w_УСТ, М_С на характеристике (рис. 15).

Механическая характеристика для Rp₁ в режиме тормо­жения противоаключением и М_С == const не обеспечивает устойчивой работы. Торможение противовключением может быть получено также путем переключения на ходу двух фаз обмотки статора, что ведет к перемене направления вра­щения магнитного поля (переход из точки А в точку В на рис. 16). Ротор при этом вращается против направления движения поля и постепенно замедляется. Когда угловая скорость спадет до нуля (точка С на рис. 16), двигатель нужно отключить от сети, иначе он может вновь перейти в двигательный режим, причем ротор его будет вращаться в направлении, обратном предыдущему (точка D).

3. Динамическое торможение асинхронного двигателя осуществляется обычно включением обмотки статора на сеть постоянного тока; обмотка ротора при этом замыкается на внешние резисторы. Для перехода из двигательного режима в режим динамического торможения контактор К1 (рис. 17) отключает статор от сети переменного тока, а контактор К2 присоединяет обмотку статора к сети постоянного тока. Для ограничения тока и получения различных тормозных характеристик в цепи ротора предусмотрены внешние резисторы.

Проходя по обмотке статора, постоянный ток образует неподвижное поле, основная волна которого дает синусоидальное распределение индукции. Во вращающемся роторе возникает переменный ток, создающий свое поле, которое

также неподвижно относительно статора. В результате взаимодействия суммарного магнитного потока с током ротора возникает тормозной момент, который зависит от МДС статора, сопротивления ротора и угловой скорости двигателя. Механические характеристики для этого режима приведены в нижней части квадранта 2 (см. рис. 15). Они проходят через начало координат, так как при угловой скорости, равной нулю, тормозной момент в этом режиме также равен нулю. Максимальный момент пропорционален квадрату приложенного к статору напряжения¹ и возрастает с ростом напряжения. Критическое скольжение зависит от

Рис 16. Механические харак- Рис. 17 Схема включения

Дата добавления: 2014-01-07