Электропривод с двигателями переменного тока

Асинхронный двигатель

Асинхронные двигатели созданы в Германии русским электротехником Доливо-Добровольским М. О. в 1888-1889 годах. Получили наибольшее распространение в промышленности благодаря ряду существенных преимуществ по сравнению с другими двигателями. Асинхронный двигатель прост и надежен в эксплуатации, так как не имеет коллектора, на его изготовление требуется меньше цветных металлов, он имеет меньшую массу, габариты и стоимость по сравнению с двигателями той же мощности переменного или постоянного тока, наконец, он выпускается серийно в широком диапазоне мощностей.

Схема включения, электромеханические и механические характеристики асинхронных двигателей

Наиболее распространенными типами нерегулируемых электроприводов являются электроприводы с короткозамкнутыми асинхронными двигателями. Для нерегулируемых электроприводов характерен пуск электродвигателя прямым включением в сеть с помощью контактной аппаратуры без промежуточных преобразователей электрической энергии.

Стандартная схема силовых цепей включения короткозамкнутого асинхронного двигателя с помощью контактов пускателя приведена на рис. 5.1.

Схема включения короткозамкнутого асинхронного двигателя с использованием контактного пускателя

Рис. 5.1. Схема включения короткозамкнутого асинхронного двигателя с использованием контактного пускателя

Для расчета характеристик асинхронного двигателя, как правило, пользуются его математической моделью, которая в общем случае представляется различными схемами замещения. Наиболее простой и удобной для инженерных расчетов асинхронного двигателя является Т-образная схема замещения (см. рис. 5.2).

На рис. 5.2 приняты следующие обозначения:

– фазное напряжение обмотки статора;

– активное сопротивление обмотки статора;

– индуктивное сопротивление рассеяния обмотки статора;

– ток обмотки статора;

– ЭДС обмотки статора;

– активное сопротивление обмотки ротора, приведенное к обмотке статора;

– индуктивное сопротивление рассеяния обмотки ротора, приведенное к обмотке статора;

– ток обмотки ротора, приведенный к обмотке статора;

– скольжение;

– синхронная угловая скорость;

– угловая скорость асинхронного двигателя;

– число пар полюсов;

– значение частоты напряжения переменного тока, подводимого к обмотке статора;

– ЭДС от главного магнитного потока машины;

– ЭДС обмотки ротора, приведенная к обмотке статора.

Схема замещения асинхронного двигателя

Рис. 5.2. Схема замещения асинхронного двигателя

Основные уравнения асинхронного двигателя, соответствующие принятой схеме замещения:

(5.1)

Векторная диаграмма токов, ЭДС и напряжений, удовлетворяющая системе уравнений (5.1), изображена на рис. 5.3.

Векторная диаграмма асинхронного двигателя

Рис. 5.3. Векторная диаграмма асинхронного двигателя

Ток ротора, приведенный к обмотке статора асинхронного двигателя, определяется зависимостью, получаемой непосредственно из схемы замещения асинхронного двигателя:

(5.2)

где – индуктивное сопротивление короткого замыкания.

Уравнениеназывается электромеханической характеристикой асинхронного двигателя.

Для короткозамкнутого асинхронного двигателя представляет интерес другая электромеханическая характеристика, отражающая зависимость тока статораот скольжения s. Ток статораопределяется путем сложения вектора тока намагничиванияи вектора тока ротора(рис. 5.3)

(5.3)

Полагая ток намагничивания асинхронного двигателяреактивным, ток статорачерез приведенный ток ротораможно найти по формуле [5]

(5.4)

где (5.5)

Основной выходной координатой силового привода является электромагнитный момент, значение которого для асинхронного двигателя может быть найдено из уравнения потерь

(5.6)

где – число фаз статора.

Подставив в (5.6) выражение токаиз (5.2) и решив полученное уравнение относительно момента М, будем иметь

(5.7)

Анализ уравнения (5.7) показывает, что механическая характеристика асинхронного двигателя имеет критический момент и критическое скольжение, которые находятся при условии Тогда критический момент

(5.8)

критическое скольжение

(5.9)

Знак "+" означает, что критический момент и скольжение относятся к двигательному режиму, знак "−" – к генераторному режиму рекуперативного торможения.

Уравнение механической характеристики асинхронного двигателя (5.7) можно преобразовать к более удобному для пользования выражению – формуле Клосса:

(5.10)

где – коэффициент.

Двигатели средней и большой мощности имеют малое активное сопротивление R1, в этом случае коэффициентом а можно пренебречь, а выражение (1.9) преобразуется в упрощенную формулу Клосса:

(5.11)

Задаваясь скольжением s, можно по (5.10) и (5.2) построить, соответственно, механические и электромеханические характеристики асинхронного двигателя, которые представлены на рис. 5.4.

Статические характеристики асинхронного двигателя: а – механическая; б – электромеханическая

Рис. 5.4. Статические характеристики асинхронного двигателя: а – механическая; б – электромеханическая

При скольженияхасинхронная машина работает в двигательном режиме, при – в генераторном режиме параллельно с сетью (рекуперативное торможение), при – в генераторном режиме последовательно с сетью или в режиме торможения противовключением.

Механические характеристики, приведенные на рис 5.4, а, имеют в двигательном режиме три характерные точки:

  • 1), при этом скорость двигателя равна синхронной
  • 2), что соответствует точке с критическим скольжениеми критическим моментом двигательного режима;
  • 3), при этом скорость двигателя будет равна нулю, а момент равен пусковому

Электромеханические характеристики, приведенные на рис 5.4, б, имеют две характерные точки в двигательном режиме:

  • 1)при этом скороегь двигателя равна синхронной
  • 2), при этом скорость двигателя будет равна нулю, а ток ротора – току короткого замыкания ().

Механические и электромеханические характеристики асинхронного двигателя не совпадают, даже построенные в безразмерных единицах.

Различают естественную и искусственные механические характеристики асинхронного двигателя.

Под естественной механической характеристикой асинхронного двигателя будем понимать зависимость момента двигателя М от его скольжения 5 при номинальной схеме включения двигателя, номинальных параметрах питающей сети () и отсутствии добавочных сопротивлений в цепях двигателя. Все остальные характеристики называются искусственными. С помощью искусственных характеристик асинхронного двигателя регулируют его скорость в соответствии с требованиями технологического процесса.

Как следует из уравнения механической характеристики асинхронного двигателя (5.7), регулировать его скорость можно, изменяя один или несколько параметров:

– фазное напряжение обмоток статора двигателя;

– добавочное активное сопротивление статора;

– добавочное индуктивное сопротивление статора;

– добавочное активное сопротивление ротора, приведенное к обмотке статора;

– добавочное индуктивное сопротивление ротора, приведенное к обмотке статора;

– синхронную угловую скорость изменением числа пар полюсовили частотынапряжения переменного тока, подводимого к обмотке статора.

Из всего многообразия искусственных механических характеристик асинхронного двигателя практический интерес в настоящее время могут представлять только следующие способы регулирования:

  • • регулирование скорости изменением добавочного активного сопротивления в цепи обмотки ротора асинхронного двигателя с фазным ротором;
  • • регулирование скорости изменением фазного напряжения коротко- замкнутого асинхронного двигателя;
  • • частотное регулирование скорости короткозамкнутого асинхронного двигателя.

Статические механические и электромеханические характеристики асинхронных двигателей благоприятны для пусков двигателей прямым включением в сеть. Поскольку пуск двигателя происходит достаточно быстро, то кратковременная перегрузка по току даже в 6-8 раз нс опасна для него ни с точки зрения больших ударных динамических моментов, ни с точки зрения больших пусковых токов, которые много меньше пусковых токов естественной характеристики двигателей постоянного тока независимого возбуждения той же мощности. Ограничения на прямой пуск асинхронных двигателей накладываются не самим двигателем, а питающей сетью.

Если сеть имеет ограниченную мощность или большое внутреннее сопротивление, то пусковые токи двигателя будут вызывать в этой сети большие падения напряжения. Естественно, что это скажется на режимах работы других потребителей энергии. По правилам Ростехнадзора напрямую можно запускать асинхронные двигатели, если их мощность

(5.12)

где – мощность питающего трансформатора подстанции в том случае, если от сети не питается осветительная аппаратура.

При питании осветительной аппаратуры от общей сети асинхронный двигатель можно пускать прямым включением в сеть, когда

(5.13)

Если условия (5.12) и (5.13) не выполняются, то способы токоограничения вытекают из уравнения тока короткого замыкания асинхронного двигателя.

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ     След >