Асинхронні двигуни (АТ) – найпоширеніший вид двигунів, т.к. вони більш прості та надійні в експлуатації, при рівній потужності мають меншу масу, габарити та вартість порівняно з ДПТ. Схеми включення АТ наведено на рис. 2.14.

Донедавна АТ з короткозамкненим ротором застосовувалися в нерегульованих електроприводах. Однак з появою тиристорних перетворювачів частоти (ТПЧ) напруги, що живить статорні обмотки АТ, двигуни з короткозамкненим ротором почали використовуватися в електроприводах, що регулюються. В даний час в перетворювачах частоти застосовуються силові транзистори та програмовані контролери. Спосіб регулювання швидкості отримав назву імпульсного та його вдосконалення є найважливішим напрямом у розвитку електроприводу.

Мал. 2.14. а) схема включення АТ із короткозамкненим ротором;

б) схема включення АТ із фазним ротором.

Рівняння для механічної характеристики АТ може бути отримано виходячи з схеми заміщення АТ. Якщо в цій схемі знехтувати активним опором статора, то вираз для механічної характеристики матиме вигляд:

,

Тут М до -критичний момент; S до- відповідне йому критичне ковзання; U ф- Чинне значення фазної напруги мережі; ω 0 =2πf/p- Кутова швидкість обертового магнітного поля АТ (синхронна швидкість); f- Частота напруги живлення; p- Число пар полюсів АТ; х до– індуктивний фазний опір короткого замикання (визначається із схеми заміщення); S=(ω 0 -ω)/ω 0- ковзання (швидкість ротора щодо швидкості обертового поля); R 2 1- Сумарний активний опір фази ротора.

Механічна характеристика АТ із короткозамкненим ротором наведена на рис. 2.15.

Мал. 2.15. Механічна характеристика АТ із короткозамкненим ротором.

На ній можна виділити три характерні точки. Координати першої точки ( S=0; ω=ω 0; М = 0). Вона відповідає режиму ідеального холостого ходу, коли швидкість ротора дорівнює швидкості магнітного поля, що обертається. Координати другої точки ( S=S до; М = М до). Двигун працює з максимальним моментом. При М з >М доротор двигуна буде примусово зупинено, що двигун є режимом короткого замикання. Тому крутний момент двигуна в цій точці і називається критичним М до. Координати третьої точки ( S=1; ω=0; М = М п). У цій точці двигун працює в режимі пуску: швидкість ротора ω=0 і на нерухомий ротор діє пусковий момент М п. Ділянка механічної характеристики, розташована між першою та другою характерними точками, називається робочою ділянкою. На ньому двигун працює в режимі, що встановився. У АТ з короткозамкненим ротором під час виконання умов U=U ні f=f нМеханічна характеристика називається природною. У цьому випадку на робочій ділянці характеристики розташована точка, що відповідає номінальному режиму роботи двигуна та має координати ( S н; ω н; М н).

Електромеханічна характеристика АТ ω=f(I ф), Яка на рис.2.15 зображена штриховою лінією, на відміну від електромеханічної характеристики ДПТ, збігається з механічною характеристикою лише на її робочій ділянці. Це пояснюється тим, під час пуску через частоту е.д.с, що змінюється. в обмотці ротора Е 2змінюється частота струму та співвідношення індуктивного та активного опорів обмотки: на початку пуску частота струму більша та індуктивний опір більше активного; зі збільшенням швидкості обертання ротора ω частота струму ротора, отже, і індуктивний опір його обмотки, зменшується. Тому пусковий струм АТ у режимі прямого пуску в 5÷7 разів перевищує номінальне значення I фн, а пусковий момент М пдорівнює номінальному М н. На відміну від ДПТ, де при пуску необхідно обмежувати пусковий струм та пусковий момент, при пуску АТ пусковий струм необхідно обмежувати, а пусковий момент збільшувати. Остання обставина найважливіша, оскільки ДПТ із незалежним збудженням запускається при М з<2,5М н , ДПТ з послідовним збудженням при М з<5М н , а АТ при роботі на природній характеристиці при М з<М н .

У АТ з короткозамкненим ротором збільшення М пзабезпечується спеціальною конструкцією обмотки ротора. Паз для обмотки ротора роблять глибоким, а саму обмотку розташовують у два шари. При пуску двигуна частота Е 2і струми ротора великі, що призводить до появи ефекту витіснення струму - струм протікає лише у верхньому шарі обмотки. Тому збільшується опір обмотки та пусковий момент двигуна. М П. Його величина може досягати 1,5М н.

У АТ з фазним ротором збільшення М Пзабезпечується з допомогою зміни його механічної характеристики. Якщо опір R П, включене в ланцюг протікання струму ротора, дорівнює нулю - двигун працює на природній характеристиці М П = М Н. При R П >0збільшується сумарний активний опір фази ротора R 2 1. Критичне ж ковзання S доу міру збільшення R 2 1теж збільшується. Внаслідок цього у АТ з фазним ротором введення R Пу ланцюг протікання струму ротора призводить до зміщення М Ку бік великих ковзань. При S К = 1 М П = М К.Механічні характеристики АТ з фазним ротором при R П >0називаються штучними чи реостатними. Вони наведені на рис. 2.16.

Найбільш поширеними електричними двигунами у промисловості, сільському господарстві та у всіх інших сферах застосування є асинхронні двигуни. Можна сказати, що асинхронні двигуни з короткозамкненим ротором є основним засобом перетворення електричної енергії на механічну. Принцип роботи асинхронного двигуна було розглянуто у § 1.2 та 6.1.

Електромагнітне поле статора обертається в повітряному зазорі машини зі швидкістю = 2 nf ( /р п. При стандартній частоті 50 Гц номінальна швидкість ротора залежить від кількості пар полюсів р п(Табл. 6.1).

Таблиця 6.1

Залежність швидкості обертання асинхронних двигунів від числа пар

полюсів

Залежно від конструкції ротора асинхронного двигуна розрізняють асинхронні двигуни фазнимі короткозамкненим ротором.У двигунах з фазним ротором на роторі розташовується трифазна розподілена обмотка, з'єднана зазвичай у зірку, кінці обмоток з'єднані з контактними кільцями, через які електричні ланцюги ротора виводяться з машини для підключення до пускових опорів з подальшим закорочення обмоток. У короткозамкнених двигунах обмотка виконана у вигляді біличної клітини -стрижнів, замкнутих коротко з двох сторін кільцями. Незважаючи на специфічний конструктивний пристрій, біличну клітину також можна розглядати як трифазну обмотку, замкнуту коротко.

Електромагнітний момент Мв асинхронному двигуні створюється завдяки взаємодії магнітного поля статора Ф, що обертається, з активною складовою струму ротора:

де до -конструктивна постійна.

Струм ротора виникає завдяки ЕРС Е 2 ,яка індуктується в обмотках ротора магнітним полем, що обертається. Коли ротор нерухомий, асинхронний двигун являє собою трифазний трансформатор з замкнутими обмотками накоротко або навантаженими на пусковий опір. Виникає при нерухомому роторі в його обмотках ЕРС називають номінальної фазної ЕРСротора Е 2н.Ця ЕРС приблизно дорівнює фазному напрузі статора, поділеному на коефіцієнт трансформації до т:

При двигуні, що обертається, ЕРС ротора Е 2і частота цієї ЕРС (а отже, і частота струму в обмотках ротора) залежать від частоти перетину обертовим полем провідників обмотки ротора (у короткозамкненому двигуні - стрижнів). Цю частоту визначає різницю швидкостей поля статора с і ротора с, яку називають абсолютним ковзанням:

При аналізі режимів роботи асинхронного двигуна з постійною частотою напруги живлення (50 Гц) зазвичай використовують відносну величину ковзання

Коли ротор двигуна нерухомий, s = 1. Найбільша ЕРС ротора при роботі в руховому режимі буде при нерухомому роторі ( Е 2н), у міру збільшення швидкості (зменшення ковзання) ЕРС Е 2зменшуватиметься:

Аналогічно частота ЕРС і струму ротора/2 при нерухомому роторі дорівнюватиме частоті струму статора/, і в міру збільшення швидкості буде зменшуватися пропорційно ковзанню:

У номінальному режимі швидкість ротора незначно відрізняється від швидкості поля, і номінальне ковзання становить двигунів загального застосування потужністю 1,5...200,0 кВт всього 2...3%, а двигунів більшої потужності близько 1%. Відповідно в номінальному режимі ЕРС ротора становить 1...3% від номінального значення цієї ЕРС при 5 = 1. Частота струму ротора в номінальному режимі складатиме всього 0,5...1,5 Гц. При 5 = 0, коли швидкість ротора дорівнює швидкості поля, ЕРС ротора Е 2і струм ротора / 2 дорівнюватимуть нулю, момент двигуна також дорівнюватиме нулю. Цей режим є режимом ідеального холостого ходу

Залежність частоти ЕРС та струму ротора від ковзання визначає своєрідність механічних характеристик асинхронного двигуна.

Робота асинхронного двигуна з фазним ротором, обмотки якого замкнуті коротко.Як показано в (6.16), момент двигуна пропорційний потоку Ф і активної складової струму ротора / 2 "а, наведеного до статора. Потік, створюваний обмотками, залежить від значення і частоти напруги живлення

Струм ротора дорівнює

де Z 2 - повний опір фази обмотки ротора.

Слід враховувати, що індуктивний опір обмотки ротора х 2 є змінною величиною, що залежить від частоти струму ротора, а, отже, від ковзання: х 2 = 2п 2 2 = 2к t2.

При нерухомому роторі при s = 1 індуктивний опір обмотки ротора максимальний. У міру зростання швидкості (зменшення ковзання) індуктивний опір ротора х 2зменшується і при досягненні номінальної швидкості становить лише 1...3% від опору при 5 = 1. Позначивши x 2s = l = х 2н,отримаємо

Наведемо параметри ланцюга ротора до обмотки статора з урахуванням коефіцієнта трансформації та на основі збереження

рівності потужності:

І активна складова струму ротора має вигляд:

Розділивши чисельник та знаменник формули (6.26) на s,отримаємо

Проведена математична операція - розподіл чисельника та знаменника на s, звичайно, не змінює справедливість рівності (6.29), але має формальний характер, що потрібно враховувати при розгляді цього співвідношення. Насправді, як це випливає з вихідної формули (6.26), від ковзання залежить індуктивний опір ротора х 2 ,а активний опір г 2залишається незмінним. Використання виразу (6.29) дозволяє за аналогією із трансформатором скласти схему заміщення асинхронного двигуна, яка представлена ​​на рис. 6.4 ,а.

Мал. 6.4.Схеми заміщення асинхронного двигуна: а – повна схема; б-схема з винесеним намагнічуючим контуром

Для аналізу нерегульованого електроприводу цю схему можна спростити, перенісши контур намагнічування на затискачі двигуна. Спрощена П-подібна схема заміщення представлена ​​на рис. 6.4Д виходячи з якої, струм ротора дорівнюватиме:

де х до =х + х" 2і- Індуктивний опір короткого замикання. Активна складова струму ротора з урахуванням (6.28):

Підставляючи (6.22) і (6.31) (6.16), отримаємо вираз для моменту асинхронного двигуна

Природна механічна характеристика асинхронного двигуна оз = f(M)з фазним ротором, обмотки якого замкнуті коротко, представлена ​​на рис. 6.5. Тут же показано електромеханічну характеристику двигуна ю = /(/j), що визначається з векторної діаграми асинхронного двигуна на рис. 6.6, I x = I + / 2 ".

Мал. В 5.Природна механічна та електромеханічна характеристики асинхронного двигуна

Мал. В.В.Спрощена векторна діаграма асинхронного двигуна

Вважаючи струм намагнічування реактивним, отримаємо де

Прирівнявши похідну dM/ds= , знайдемо максимальне значення моменту асинхронного двигуна М к = М нта відповідне йому значення критичного ковзання s K:

де s K- критичне ковзання; знак "+" означає, що ця величина відноситься до рухового режиму, знак "-" - до генераторного режиму рекуперативного гальмування.

З урахуванням (6.34) та (6.35) формулу механічної характеристики (6.32) можна перетворити до зручнішого для користування виразу - формулі Клосса:

Для двигунів потужністю більше 15 кВт опір статора г обмотки, невеликий і при частоті 50 Гц значно менше х до.Тому в наведених раніше виразах величиною г можна знехтувати:

За отриманими формулами можна розрахувати механічну характеристику асинхронного двигуна, користуючись його паспортними даними, знаючи номінальний момент М н,номінальне ковзання s h та перевантажувальну здатність двигуна X.

Зауважимо, що аналізуючи електромагнітні процеси в асинхронному двигуні для режиму, що встановився, прийшли до тих же співвідношень (6.9) і (6.10), які були отримані в § 6.1 на основі диференціальних рівнянь узагальненої двофазної машини.

Аналіз особливостей механічної характеристики асинхронного двигуна (рис. 6.5). Вона має нелінійний характер і складається з двох частин. Перша - робоча частина - у межах ковзання від 0 до s K .Ця частина характеристики близька до лінійної та має негативну жорсткість. Тут момент, що розвивається двигуном, приблизно пропорційний току статора 1 Хта ротора / 2 . Так як на цій частині характеристики s то другий доданок знаменника у формулі (6.39) істотно менше першого, і його можна знехтувати. Тоді робочу частину механічної характеристики можна приблизно у лінійній формі, де момент пропорційний ковзанню:

Друга частина механічної характеристики асинхронного двигуна при ковзаннях, великих s K (s>s K)криволінійна, з позитивним значенням жорсткості (3 . Незважаючи на те, що струм двигуна в міру зростання ковзання збільшується, момент, навпаки, зменшується. Якщо обмотки ротора асинхронного двигуна з фазним ротором у зовнішньому ланцюзі замкнуті накоротко, то пусковий струм такого двигуна = 0 і 5 = 1) буде дуже великим і перевищить номінальний в 10-12 разів.У той же час пусковий момент становитиме близько 0,4...0,5 номінального. 5...6)/н, а пусковий момент (1,1...1,3)А/н.

Для пояснення такої невідповідності між пусковим струмом та моментом розглянемо векторні діаграми ланцюга ротора (рис. 6.7) для двох випадків: коли ковзання велике (пускова частина характеристики); коли ковзання мало (робоча частина характеристики). При пуску, коли 5=1, частота струму ротора дорівнює частоті мережі живлення (f 2 = 50 Гц). Індуктивний опір обмотки ротора [див. (6.24)] велике і значно перевищує активний опір ротора /* 2 , струм відстає від ЭРС ротора великий кут ф, тобто. Струм ротора, в основному, реактивний. Оскільки ЕРС ротора в цьому випадку буде велика 2 = 2н, то і пусковий струм буде дуже великим, проте через малого значення ср 2 активна складова струму ротора 1 2абуде невелика, отже, і момент, який розвивається двигуном, буде також невеликий.

При розгоні двигуна ковзання зменшується, ЕРС ротора, частота струму ротора, індуктивний опір ротора зменшуються пропорційно. Відповідно зменшується значення повного струму ротора і статора, однак, внаслідок підвищення ф 2 активна складова струму ротора зростає і зростає момент двигуна.

Коли ковзання двигуна поменшає s K ,частота струму ротора зменшиться настільки, що індуктивний опір стане вже меншим за активний, і струм ротора буде практично активним (рис. 6.7,6), момент двигуна буде пропорційний струму ротора. Так, якщо номінальне ковзання двигуна 5 н = 2%, то, порівняно з пусковими параметрами, частота струму ротора зменшиться в 50 разів, відповідно зменшиться індуктивний опір ротора. Тому, незважаючи на те, що ЕРС ротора також зменшиться в 50 разів, вона буде достатньою для створення номінального струму ротора, що забезпечує номінальний момент двигуна. Отже, своєрідність механічної характеристики асинхронного двигуна визначається залежністю індуктивного опору ротора від ковзання.

Мал. О 7. Векторна діаграма ланцюга ротора асинхронного двигуна: а - при великому ковзанні: б - при і малому ковзанні

Виходячи з викладеного, для пуску асинхронного двигуна з фазним ротором потрібно вжити заходів для збільшення пускового моменту та зниження пускових струмів. З цією метою ланцюг ротора включають додатковий активний опір. Як випливає з формул (6.34), (6.35), введення додаткового активного опору не змінює максимального моменту двигуна, а лише змінює значення

критичного ковзання: , де /?" доб - наведене до

статору додатковий опір у ланцюзі ротора.

Введення додаткового активного опору збільшує повний опір роторного ланцюга, в результаті зменшується пусковий струм і збільшується ср роторного ланцюга, що веде до збільшення активної складової струму ротора і, отже, пускового моменту двигуна.

Зазвичай у роторний ланцюг двигуна з фазним ротором вводять секційований опір, щаблі якого перемикаються пусковими контакторами. Розрахунок реостатних пускових характеристик можна проводити за формулою (6.39), використовуючи значення s K ,відповідне R 2б для кожного ступеня пускового опору. Схема включення додаткових опорів та відповідні реостатні механічні характеристики двигуна показано на рис. 6.8. Механічні характеристики мають загальну точку ідеального холостого ходу, що дорівнює швидкості обертання електромагнітного поля статора с, а жорсткість робочої частини характеристик зменшується в міру зростання сумарного активного опору роторного ланцюга (2 + /? доб).

При пуску двигуна спочатку вводиться повний додатковий опір /? 1доб. Після досягнення швидкості, при якій момент двигуна Л/, стає близьким до моменту опору М с,частина пускового опору шунтується контактором К1, і двигун переходить на характеристику, що відповідає значенню додаткового опору /? 2доб. При цьому момент двигуна збільшується до значення М2.У міру подальшого розгону двигуна контактором К2 коротшає другий ступінь пускового опору. Після замикання контактів контактора КЗ двигун переходить на природну характеристику і працюватиме зі швидкістю, що відповідає точці 1.

Для розрахунку пускових характеристик слід задати значення моменту М (при якому відбувається перемикання щаблів пускових резисторів М х = 1,2М с.Пускові значення моменту М 2(рис. 6.8) знаходять за формулою = А/ , де т -число щаблів.

Для розрахунку щаблів пускового опору знайдемо номінальний опір ротора R 2h = 2н.лін/>/3 2н

Опір сходів:

Б короткозамкнутих асинхронних двигунах введення додаткового опору в ланцюг ротора неможливе. Однак той же результат може бути отриманий, якщо скористатися ефектом витіснення струму поверхню провідника.Сутність цього явища ось у чому. Відповідно до закону електромагнітної індукції при протіканні за провідником змінного струму в ньому індуктується ЕРС самоіндукції, спрямована проти струму:

Значення цієї ЕРС залежить від струму I ,його частоти та індуктивності, що визначається характеристикою середовища, що оточує провідник. Якщо провідник перебуває у повітрі, то магнітна проникність середовища дуже мала, отже, мала індуктивність L.В цьому випадку при частоті 50 Гц зі = /з вплив ЕРС самоіндукції незначний. Інша справа, коли провідника поміщено в тіло магнітопроводу. Тоді індуктивність багаторазово збільшується і ЕРС самоіндукції, спрямована проти струму, відіграє роль індуктивного опору, що перешкоджає перебігу струму.

Мал. О 9. Конструкція ротора асинхронного короткозамкнутого двигуна: а- з глибоким пазом; б - з подвійною клітиною; в- схема, що пояснює ефект витіснення струму

Розглянемо прояв дії ЕРС самоіндукції для випадку провідника (стрижня обмотки ротора), поміщеного у глибокий паз магнітопроводу ротора двигуна (рис. 6.9 а).Умовно розділимо переріз стрижня на три частини, які з'єднані паралельно. Струм, що протікає по нижній частині стрижня утворює потік Ф, магнітні силові лінії якого замикаються по магнітопроводу. У цій частині провідника виникає велика ЕРС самоіндукції. e LVспрямована проти струму 1 2у

Струм / 23 (рис. 6.9, в),протікає по верхній частині стрижня роторної обмотки утворює потік Ф 3 але, так як силові лінії цього потоку в значній частині своєї довжини замикаються по повітрю, то потік Ф 3 буде набагато менше, ніж потік Ф,. Звідси й ЕРС е 1Ъбуде набагато менше, ніж e LV

Зазначений розподіл ЕРС самоіндукції по висоті стрижня характерний для того режиму, коли частота струму ротора велика - близька до 50 Гц. У цьому випадку, оскільки всі три частини стрижня ротора з'єднані паралельно (див. рис. 6.9, в),то струм ротора / 2 піде по верхній частині стрижня, де менше протиЕРС e L .Це явище називають витіснення струму на поверхню паза.При цьому ефективний переріз стрижня, яким йде струм, буде в кілька разів менше, ніж загальний переріз стрижня обмотки ротора. Таким чином, збільшується активний опір ротора. г 2 .Зазначимо, що оскільки ЕРС самоіндукції залежить від частоти струму (тобто від ковзання), то й опір г 2і х 2є функціями ковзання.

При пуску, коли ковзання велике, опір г 2 збільшується (у ланцюг ротора вводиться додатковий опір). У міру розгону двигуна ковзання двигуна зменшується, ефект витіснення струму слабшає, струм починає поширюватися вниз по перерізу провідника, опір г 2зменшується. При досягненні робочої швидкості частота струму ротора настільки мала, що явище витіснення струму вже не дається взнаки, струм протікає по всьому перерізу провідника, і опір г 2мінімально. Завдяки такій автоматичній зміні опору г 2 ,пуск асинхронних короткозамкнених двигунів протікає сприятливо: пусковий струм становить

5,0...6,0 номінального, а пусковий момент 1,1...1,3 номінального.

Варіювати параметрами пускової характеристики асинхронного двигуна при конструюванні можна змінюючи форму паза, а також опір матеріалу стрижнів (склад сплаву). Поряд із глибокими пазами застосовують подвійні пази, що утворюють подвійну біличну клітину (рис. 6.9,6), а також використовують пази грушоподібної форми та ін.

На рис. 6.10 представлені типові механічні характеристики різних модифікацій асинхронних короткозамкнених двигунів.

Мал. В 10. Приблизні механічні характеристики асинхронних короткозамкнених двигунів: а – нормального виконання; 6 - з підвищеним ковзанням; в- з підвищеним пусковим моментом; г-краново-металургійних серій

Короткозамкнені двигуни нормального виконаннявикористовують для приводу широкого класу робочих машин та механізмів, насамперед для приводів, що працюють у тривалому режимі. Для цього виконання характерно високе значення ККД та мінімальне номінальне ковзання. Механічна характеристика в області великих ковзань зазвичай має невеликий провал, що характеризується мінімальним моментом. М т (п.

Двигуни з підвищеним ковзанняммають більш м'яку механічну характеристику і використовуються в наступних випадках: коли два або більше двигуна працюють на загальний вал, для механізмів (наприклад, кривошипно-шатунних) з циклічно змінним навантаженням, коли для подолання опору руху доцільно використовувати кінетичну енергію, що запасається в рухомих частинах електроприводу , та для механізмів, що працюють у повторно-короткочасному режимі.

Двигуни з підвищеним пусковим моментомпризначені для механізмів із важкими умовами пуску, наприклад, для скребкових конвеєрів.

Двигуни краново-металургійних серійпризначені для механізмів, що працюють у повторно короткочасному режимі з частими пусками. Ці двигуни мають більшу перевантажувальну здатність, високий пусковий момент, підвищену механічну міцність, але найгірші енергетичні показники.

Аналітичний розрахунок механічних характеристик короткозамкнених асинхронних двигунів досить складний, тому приблизно характеристику можна побудувати за чотирма точками: при холостому ході (5 = 0), при максимальному М до,пусковому М пта мінімальному М т [пмомент на початку пуску. Дані цих характерних точок наведені у каталогах та довідниках на асинхронні двигуни. Розрахунок робочої частини механічної характеристики коротко замкнутого асинхронного двигуна (при ковзаннях від 0 до 5 до) можна проводити за формулою Клосса (6.36), (6.39), оскільки ефект витіснення струму в робочому режимі майже не виявляється.

Повна механічна характеристика асинхронного двигуна у всіх квадрантах поля M-s,представлена ​​на рис. 6.11.

Асинхронний двигун може працювати у трьох гальмівних режимах: рекуперативного та динамічного гальмування та гальмування противключенням. Специфічним гальмівним режимом є конденсаторне гальмування.

Рекуперативне генераторне гальмуванняможливо, коли швидкість ротора вища за швидкість обертання електромагнітного поля статора, чому відповідає негативне значення ковзання: оо>з 0 5

Дещо більше значення максимального моменту в генераторному режимі пояснюється тим, що втрати у статорі (на опорі г ()у руховому режимі зменшують момент на валу, а в генераторному режимі момент на валу повинен бути більшим, щоб покрити втрати в статорі.

Зазначимо, що в режимі рекуперативного гальмування асинхронний двигун генерує і віддає в мережу активну потужність, а для створення електромагнітного поля асинхронний двигун і в режимі генератора повинен обмінюватися з реактивною мережею потужністю. Тому асинхронна машина не може працювати автономним генератором при відключенні від мережі. Однак, можливо, підключення асинхронної машини до конденсаторних батарей, як до джерела реактивної потужності.

Спосіб динамічного гальмування: статорні обмотки відключають від мережі змінного струму та підключають до джерела постійної напруги (рис. 6.12). При живленні обмоток статора постійним струмом створюється нерухоме просторі електромагнітне поле, тобто. швидкість обертання поля статора з дт = . Ковзання дорівнюватиме 5 ДТ = -з/з н, де з н - номінальна кутова швидкість обертання поля статора.

Мал. 6 .12 а- Включення динамічного гальмування; б - при з'єднанні обмоток у зірку; в- при з'єднанні обмоток у трикутник

Вид механічних характеристик (рис. 6.13) подібний до характеристик у режимі рекуперативного гальмування. Вихідною точкою показників є початок координат. Регулювати інтенсивність динамічного гальмування можна змінюючи струм збудження/дт в статорній обмотці. Чим вищий струм, тим більший гальмівний момент розвиває двигун. При цьому, однак, потрібно враховувати, що при струмах /дт>/1н починає позначатися насичення магнітного ланцюга двигуна.

Для асинхронних двигунів з фазним ротором регулювання гальмівного моменту можна також введенням додаткового опору в ланцюг ротора. Ефект від введення додаткового опору аналогічний тому, що має місце при пуску асинхронного двигуна: завдяки покращенню ф підвищується критичне ковзання двигуна і збільшується гальмівний момент при великих швидкостях обертання.

У режимі динамічного гальмування статора обмотки живляться від джерела постійного струму. Слід також мати на увазі, що у схемі динамічного гальмування струм/д т протікає (при з'єднанні обмоток у зірку) не за трьома, а двома фазними обмотками.

Для розрахунку характеристик потрібно замінити реальний /еквівалентним струмом/ , який, протікаючи по трьох фазних обмотках,

створює ту ж силу, що намагнічує, що і струм I.Для схеми на рис. 6.12 ,6 1 =0,816/ , а схеми на рис. 6.12 ,в I =0,472/ .

Спрощена формула для наближеного розрахунку механічних характеристик (що не враховує насичення двигуна) подібна до формули Клосса для рухового режиму:

де - критичний момент у режимі динамічного гальмування;

Слід підкреслити, що критичне ковзання в режимі динамічного гальмування істотно менше критичного ковзання в руховому режимі, тому що » до. . Напруга джерела живлення постійного струму буде значно меншою за номінальну напругу і приблизно дорівнює дт = (2, ... 4) / екв,.

Енергетично в режимі динамічного гальмування асинхронний двигун працює як синхронний генератор, навантажений на опір ланцюга роторного двигуна. Вся механічна потужність, що надходить на вал двигуна при гальмуванні, перетворюється на електричну і йде на нагрівання опорів роторного ланцюга. Гальмування противключеннямможе бути у двох випадках:

• коли при роботі двигуна необхідно його екстрено зупинити, і для цього змінюють порядок чергування фаз живлення статора обмоток двигуна;
• коли електромеханічна система рухається в негативному напрямку під дією вантажу, що спускається, а двигун включається в напрямку підйому, щоб обмежити швидкість спуску (режим протягує вантажу).

В обох випадках електромагнітне поле статора та ротор двигуна обертаються в різні боки. Ковзання двигуна в режимі про-

тивовключення завжди більше одиниці:

У першому випадку (рис. 6.14) двигун, який працював у точці 1, після зміни порядку чергування фаз двигуна переходить у гальмівний режим у точці Г, і швидкість приводу швидко знижується під дією гальмівного моменту М Тта статичного М с.При уповільненні до швидкості, близької до нуля, двигун необхідно відключити, інакше він розганятиметься у протилежному напрямку обертання.

Мал. 6.14.

У другому випадку після зняття механічного гальма двигун, включений у напрямку вгору, під дією сили тяжіння вантажу, що спускається, буде обертатися в протилежному напрямку зі швидкістю, відповідної точці 2. Робота в режимі противмикання під дією протягує вантажу можлива при використанні двигунів з фазним. При цьому ланцюг ротора вводять значний додатковий опір, якому відповідає характеристика 2 на рис. 6.14.

Енергетично режим противключення вкрай несприятливий. Струм у цьому режимі для асинхронних короткозамкнутих двигунів перевищує пусковий, досягаючи 10-кратного значення. Втрати в роторному ланцюзі двигуна складаються із втрат короткого замикання двигуна та потужності, що передається на вал двигуна при гальмуванні: А Р п =Л/Т із 0 + М т (о.

Для короткозамкнутих двигунів режим протиувімкнення можливий лише протягом кількох секунд. При використанні двигунів з фазним ротором у режимі противмикання обов'язкове включення в ланцюг ротора додаткового опору. У цьому випадку втрати енергії залишаються такими ж значними, але вони виносяться з об'єму двигуна роторні опору.

38) Механічна характеристика асинхронного двигуна.

Механічна характеристика. Залежність частоти обертання ротора від навантаження (моменту, що обертається, на валу) називається механічною характеристикою асинхронного двигуна (рис. 262, а). При номінальному навантаженні частота обертання різних двигунів зазвичай становить 98-92,5 % частоти обертання n 1 (ковзання s ном = 2 – 7,5 %). Чим більше навантаження, тобто крутний момент, який повинен розвивати двигун, тим менша частота обертання ротора. Як показує крива

Мал. 262. Механічні характеристики асинхронного двигуна: а – природна; б - при включенні пускового реостату

на рис. 262 а, частота обертання асинхронного двигуна лише незначно знижується при збільшенні навантаження в діапазоні від нуля до найбільшого її значення. Тому кажуть, що такий двигун має жорстку механічну характеристику.

Найбільший момент, що обертає, M max двигун розвиває при деякому ковзанні s kp , що становить 10-20%. Відношення M max /M ном визначає перевантажувальну здатність двигуна, а відношення М п /М ном - його пускові властивості.

Двигун може стійко працювати тільки при забезпеченні саморегулювання, тобто автоматичному встановленні рівноваги між прикладеним до валу моментом навантаження М вн і моментом М двигуном. Цій умові відповідає верхня частина характеристики до досягнення M max (до точки В). Якщо момент навантаження М вн перевищить момент M max , то двигун втрачає стійкість і зупиняється, при цьому по обмотках машини буде тривало проходити струм в 5-7 разів більше номінального, і вони можуть згоріти.

При включенні в ланцюг обмоток ротора пускового реостату отримуємо сімейство механічних характеристик (рис. 262 б). Характеристика 1 під час роботи двигуна без пускового реостата називається природною. Характеристики 2, 3 і 4, одержувані при підключенні до обмотки ротора двигуна реостату з опорами R 1п (крива 2), R 2п (крива 3) і R 3п (крива 4) називають реостатними механічними характеристиками. При включенні пускового реостата механічна характеристика стає більш м'якою (більше крутопадаючою), так як збільшується активний опір ланцюга ротора R 2 і зростає s кp . При цьому зменшується пусковий струм. Пусковий момент М п також залежить від R 2 . Можна так підібрати опір реостата, щоб пусковий момент М п дорівнював найбільшому М max .

У двигуні з підвищеним пусковим моментом природна механічна характеристика наближається за своєю формою до характеристики двигуна з увімкненим пусковим реостатом. Обертальний момент двигуна з подвійною білиною клітиною дорівнює сумі двох моментів, створюваних робочою та пусковою клітинами. Тому характеристику 1 (рис. 263) можна одержати шляхом підсумовування характеристик 2 та 3, створюваних цими клітинами. Пусковий момент М п такого двигуна значно більше, ніж момент М п звичайного короткозамкнутого двигуна. Механічна характеристика двигуна з глибокими пазами така ж, як і у двигуна з подвійною білиною клітиною.

НА ВСЯКИЙ ВИПАД РОБОЧУ ХАРАКТЕРИСТИКУ!

Робочі показники.Робочими характеристиками асинхронного двигуна називаються залежності частоти обертання n (або ковзання s), моменту на валу М 2 струму статора I 1 коефіцієнта корисної дії? та cos? 1 від корисної потужності Р 2 = Р mx при номінальних значеннях напруги U 1 і частоти f 1 (рис. 264). Вони будуються лише зони практичної стійкої роботи двигуна, т. е. від ковзання, рівного нулю, до ковзання, перевищує номінальне на 10-20%. Частота обертання n зі зростанням потужності Р 2, що віддається, змінюється мало, так само як і в механічній характеристиці; крутний момент на валу М 2 пропорційний потужності Р 2 він менше електромагнітного моменту М на значення гальмує моменту М тр, створюваного силами тертя.

Струм статора I 1 , зростає зі збільшенням потужності, що віддається, але при Р 2 = 0 є деякий струм холостого ходу I 0 . К. п. д. змінюється приблизно так само, як і в трансформаторі, зберігаючи досить велике значення порівняно широкому діапазоні навантаження.

Найбільше значення к. п. д. для асинхронних двигунів середньої та великої потужності становить 0,75-0,95 (машини великої потужності мають відповідно більший к. п. д.). Коефіцієнт потужності cos? 1 асинхронних двигунів середньої та великої потужності при повному навантаженні дорівнює 0,7-0,9. Отже, вони завантажують електричні станції та мережі значними реактивними струмами (від 70 до 40% номінального струму), що є суттєвим недоліком цих двигунів.

Мал. 263. Механічна характеристика асинхронного двигуна з підвищеним пусковим моментом (з подвійною білиною клітиною)

Мал. 264. Робочі характеристики асинхронного двигуна

При навантаженнях 25-50 % номінальної, які найчастіше зустрічаються при експлуатації різних механізмів, коефіцієнт потужності зменшується до незадовільних з енергетичної точки зору значень (0,5-0,75).

При знятті навантаження з двигуна коефіцієнт потужності зменшується до значень 0,25-0,3 тому не можна допускати роботу асинхронних двигунів при холостому ході та значних недовантаженнях.

Робота при зниженій напрузі та обриві однієї з фаз.Зниження напруги мережі не впливає на частоту обертання ротора асинхронного двигуна. Однак у цьому випадку сильно зменшується найбільший момент, що обертає, який може розвинути асинхронний двигун (при зниженні напруги на 30% він зменшується приблизно в 2 рази). Тому при значному падінні напруги двигун може зупинитися, а при низькій напрузі - не включитися в роботу.

На е. п. с. змінного струму при зменшенні напруги в контактній мережі відповідно зменшується і напруга трифазної мережі, від якої живляться асинхронні двигуни, що приводять до обертання допоміжні машини (вентилятори, компресори, насоси). Для того щоб забезпечити нормальну роботу асинхронних двигунів при зниженій напрузі (вони повинні нормально працювати при зменшенні напруги до 0,75U ном) потужність всіх двигунів допоміжних машин на е. п. с. береться приблизно в 1,5-1,6 рази більшою, ніж це необхідно для їх приводу при номінальній напрузі. Такий запас по потужності необхідний також через деяку несиметрію фазної напруги, так як на е. п. с. асинхронні двигуни живляться немає від трифазного генератора, як від розщеплювача фаз. При несиметрії напруг фазні струми двигуна будуть неоднакові і зсув між ними по фазі не буде дорівнює 120 °. В результаті по одній з фаз протікатиме більший струм, що викликає збільшений нагрів обмоток даної фази. Це змушує обмежувати навантаження двигуна в порівнянні з роботою його при симетричному напрузі. Крім того, при несиметрії напруг виникає не кругове, а еліптичне магнітне поле, що обертається, і дещо змінюється форма механічної характеристики двигуна. При цьому зменшуються його найбільший та пусковий моменти. Несиметрію напруги характеризують коефіцієнтом несиметрії, який дорівнює середньому відносному (у відсотках) відхилення напруг в окремих фазах від середньої (симетричної) напруги. Систему трифазної напруги прийнято вважати практично симетричною, якщо цей коефіцієнт менше 5%.

При обриві однієї з фаз двигун продовжує працювати, але по неушкоджених фаз протікатимуть підвищені струми, що викликають збільшений нагрівання обмоток; такий режим не повинен допускатись. Пуск двигуна з обірваною фазою неможливий, так як при цьому не створюється магнітне поле, що обертається, внаслідок чого ротор двигуна не буде обертатися.

Використання асинхронних двигунів для приводу допоміжних машин. п. с. забезпечує значні переваги, порівняно з двигунами постійного струму. При зменшенні напруги контактної мережі частота обертання асинхронних двигунів, отже, і подача компресорів, вентиляторів, насосів мало змінюються. У двигунах постійного струму частота обертання пропорційна напругі живлення, тому подача цих машин істотно зменшується.

Механічні характеристики асинхронних двигунів

Асинхронні двигуни є основними двигунами, які найбільше широко використовуються як у промисловості, так і в агропромисловому виробництві. Вони мають істотні переваги перед іншими типами двигунів: прості в експлуатації, надійні і мають низьку вартість.

У трифазному асинхронному двигуні при підключенні обмотки статора до мережі трифазної змінної напруги створюється магнітне поле, що обертається, яке, перетинаючи провідники обмотки ротора, наводить в них ЕРС, під впливом якої в роторі з'являються струм і магнітний потік. Взаємодія магнітних потоків статора і ротора створює крутний момент двигуна. Поява в обмотці ротора ЕРС, отже, і моменту, що обертає, можлива тільки за наявності різниці між швидкостями обертання магнітного поля статора і ротора. Цю різницю в швидкостях називають ковзанням.

Ковзання асинхронного двигуна - це міра того, наскільки ротор відстає у своєму обертанні від обертання магнітного поля статора. Воно позначається буквою Sі визначається за формулою

, (2.17)

де w 0 - Кутова швидкість обертання магнітного поля статора (синхронна кутова швидкість двигуна); w - кутова швидкість ротора; ν – частота обертання двигуна у відносних одиницях.

Швидкість обертання магнітного поля статора залежить від частоти струму мережі живлення fта числа пар полюсів рдвигуна: . (2.18)

Рівняння механічної характеристики асинхронного двигуна можна вивести з урахуванням спрощеної схеми заміщення, наведеної на рис.2.11. У схемі заміщення прийнято такі позначення: U ф- первинна фазна напруга; I 1- Фазний струм в обмотках статора; I 2- наведений струм в обмотках ротора; X 1- Реактивний опір обмотки статора; R 1, R 1 2– активні опори в обмотках відповідно статора та наведеного ротора; X 2- наведений реактивний опір в обмотках ротора; R 0, X 0- активний та реактивний опір контуру намагнічування; S- Ковзання.

Відповідно до схеми заміщення на рис.2.11 вираз для струму ротора має вигляд

Мал. 2.11. Схема заміщення асинхронного двигуна

Обертальний момент асинхронного двигуна може бути визначений з виразу Мw 0 S=3(I 2 ) 2 R 2за формулою

Підставивши значення струму I 2 ΄з формули (2.19) у формулу (2.20), визначаємо момент двигуна, що обертає, залежно від ковзання, тобто. аналітичний вираз механічної характеристики асинхронного двигуна має вигляд

Графік залежності M= f (S)для рухового режиму представлено на рис.2.12. У процесі розгону момент двигуна змінюється від пускового. M nдо максимального моменту, який називається критичним моментом M до. Ковзання і швидкість двигуна, що відповідають найбільшому (максимальному) моменту, називають критичними та позначають відповідно S до, w до. Прирівнявши похідну нулю у виразі (2.21), отримаємо значення критичного ковзання S k, При якому двигун розвиває максимальний момент:

де Х до = (Х 1 + Х 2 ) -реактивний опір двигуна.

Для рухового режиму S добереться зі знаком "плюс", для надсинхронного - зі знаком "мінус".

Підставивши значення S до(2.22) у вираз (2.21), отримаємо формули максимального моменту:

а) для рухового режиму

б) для надсинхронного гальмування

Знак “плюс” у рівностях (2.22) та (2.23) відноситься до рухового режиму та до гальмування противключенням; знак “мінус” у формулах (2.21), (2.22) та (2.24) - до надсинхронного режиму двигуна, що працює паралельно з мережею (при w>w 0).

Як видно з (2.23) і (2.24), максимальний момент двигуна, що працює в режимі надсинхронного гальмування, буде більшим у порівнянні з руховим режимом через падіння напруги на R 1(Рис. 2.11).

Якщо вираз (2.21) розділити на (2.23) і зробити ряд перетворень з урахуванням рівняння (2.22), можна отримати простіший вираз для залежності M= f (S):

де – коефіцієнт.

Нехтуючи активним опором статора обмотки R 1, т.к. у асинхронних двигунів потужністю понад 10 кВт опір R 1 значно менше Х до, можна прирівняти а ≈ 0, отримуємо більш зручну та просту для розрахунків формулу визначення моменту двигуна за його ковзанням (формула Клосса):

. (2.26) Якщо вираз (2.25) замість поточних значень Mі Sпідставити номінальні значення та позначити кратність моментів M до /M нчерез k max, Отримаємо спрощену формулу для визначення критичного ковзання:

У (2.27) будь-який результат рішення під коренем брати зі знаком “+”, бо за знаку “-” рішення даного рівняння немає сенсу. Рівняння (2.21), (2.23), (2.24), (2.25) та (2.26) є виразами, що описують механічну характеристику асинхронного двигуна (рис. 2.12).

Штучні механічні характеристики асинхронного двигуна можна отримати за рахунок зміни напруги або частоти струму в мережі живлення або введення додаткових опорів ланцюг статора або ротора.

Розглянемо вплив кожного з названих параметрів ( U, f, R д)механічні характеристики асинхронного двигуна.

Вплив напруги мережі живлення.Аналіз рівнянь (2.21) та (2.23) показує, що зміна напруги мережі впливає на момент двигуна і не впливає на його критичне ковзання. При цьому момент, що розвивається двигуном, змінюється пропорційно квадрату напруги:

М≡ kU 2, (2.28)

де k- Коефіцієнт, що залежить від параметрів двигуна і ковзання.

Механічні характеристики асинхронного двигуна за зміни напруги мережі представлені на рис 2.13. В даному випадку U н= U 1 >U 2 >U 3.

Вплив додаткового зовнішнього активного опору включеного в ланцюг статора.Додаткові опори вводять у ланцюг статора зменшення пускових значень струму і моменту (рис.2.14а). Падіння напруги на зовнішньому опорі є у разі функцією струму двигуна. При пуску двигуна коли величина струму велика, напруга на обмотках статора знижується.

Рис.2.14. Схема включення (а) та механічні характеристики (б) асинхронного двигуна при включенні активного опору в ланцюг статора

При цьому відповідно до рівнянь (2.21), (2.22) та (2.23) змінюються пусковий момент М п, критичний момент М дота кутова швидкість ω до. Механічні характеристики при різних додаткових опорах ланцюга статора представлені на рис.2.14б, де Rд 2 >Rд 1 .

Вплив додаткового зовнішнього опору, включеного до ланцюга ротора. При включенні додаткового опору ланцюг ротора двигуна з фазним ротором (рис.2.15а) його критичне ковзання підвищується, що пояснюється виразом .

Рис.2.15. Схема включення (а) та механічні характеристики (б) асинхронного двигуна з фазним ротором при включенні додаткового опору в ланцюг ротора

У вираз (2.23) величина R/2 не входить, тому що ця величина не впливає на М К, тому критичний момент залишається незмінним за будь-якого R/2. Механічні характеристики асинхронного двигуна з фазним ротором при різних додаткових опорах ланцюга ротора представлені на рис.2.15б.

Вплив частоти струму мережі живлення. Зміна частоти струму впливає величину індуктивного опору X доасинхронного двигуна і, як видно з рівнянь (2.18), (2.22), (2.23) і (2.24), впливає на синхронну кутову швидкість w 0 критичне ковзання S дота критичний момент M до. Причому ; ; w 0 ºf, де C 1 , C 2- Коефіцієнти, що визначаються параметрами двигуна, що не залежать від частоти струму f.

Механічні характеристики двигуна при зміні частоти струму fпредставлені на рис.2.16.