Файл: Глава 4.doc

4.4.Электромеханические характеристики многоскоростных асинхронных двигателей

Поскольку скорость вращения электромагнитного поля статора, как это следует из (4.3), зависит от числа пар полюсов двигателя р_П, то имеются специальные модификации асинхронных короткозамкнутых двигателей, позволяющие изменять число пар полюсов машины и тем самым получать две или более (3 и 4) рабочие скорости двигателя. Конструктивно изменение числа пар полюсов может быть достигнуто двумя способами. При первом в пазы статора укладываются две или три независимые обмотки с различными значениями р_П. При этом значительно увеличиваются габариты двигателей, но возможно получение любого соотношения числа пар полюсов.

При другом способе используется для получения различного числа пар полюсов одна и та же обмотка, а изменениер_П достигается переключением секций этой обмотки. Наибольшее распространение получили две схемы обмоток: звезда (Y) – двойная звезда (Y-Y) и треугольник (∆) – двойная звезда.

Рассмотрим схему звезда – двойная звезда (см.рис.4.20). В этой схеме каждая из фазных обмоток состоит из двух секций, которые могут включаться параллельно или последовательно. При параллельном соединении напряжение подводится к средним точкам обмоток, а начала обмоток замыкаются между собой. Образуются две параллельно включенные системы обмоток, соединенные в двойную звезду (Y-Y). Такое соединение соответствует меньшему числу пар полюсов р_П. Этой схеме соединения отвечает механическая характеристика с индексом Y-Y на рис.4.20б.

Рис.4.20. Схема (а) и механические характеристики (б) двухскоростного асинхронного двигателя со схемой соединения обмоток

При последовательном соединении секций обмоток число пар полюсов увеличивается вдвое, поэтому номинальная скорость двигателя в этом случае будет вдвое меньше. Так, например, если схеме соединения Y-Y соответствует число пар полюсов р_П=2, то номинальная скорость вращения будет 1470об/мин (n₀=1500об/мин). Переключив обмотки для соединения в звезду (Y), получим р_П=4 и номинальную скорость вращения 735об/мин (n₀=750об/мин).

Поскольку длительно допустимый ток в обмотках должен остаться неизменным, то номинальная мощность на валу двигателя будет:

при схеме Y-Y ,

при схемеY ,

Т.е. мощность двигателя при высокой скорости будет примерно в 2 раза выше, чем при низкой скорости. Однако длитель-но допустимый номиналь-ный момент сохраняется постоянным, т.к. .

Рассмотрим схему тре-угольник - двойная звезда (рис.4.21). В этой схеме соединение «двойная звез-да» соответствует высокой скорости.

П

Рис.4.21. Схема (а) и механические характеристики двухскоростного двигателя

Мощность двигателя при этом будет:

,

здесь U₁ – фазное напряжение питания.

Длительно допустимый момент при соединении обмоток в Δ будет в раз больше, чем при соединении в двойную звезду. Таким образом, при обеих схемах соединения двигатель примерно сохраняет свою мощность.

Двух и многоскоростные двигатели применяются в тех случаях, когда по условиям технологии необходимо иметь две или более фиксированные скорости вращения приводного электродвигателя.

4.5. Потери в асинхронном двигателе при пуске и торможении

Как было выяснено в разделе 4.3.1, потери в роторной цепи асинхронного двигателя пропорциональны его скольжению, поэтому стремятся, чтобы в рабочем режиме двигатель работал с минимальным скольжением. Однако в процессе пуска двигатель разгоняясь проходит скольжение от 1 до s_н. В этот период в роторе двигателя могут выделиться значительные по величине потери энергии, что особенно неблагоприятно для асинхронных короткозамкнутых двигателей, где эти потери не могут быть вынесены из машины в пусковые сопротивления.

Определим потери в цепи ротора за один пуск асинхронного двигателя без нагрузки (без статического момента на валу двигателя).

Потери энергии за один пуск будут

. (4.38)

При отсутствии статического момента уравнение движения будет , подставляя которое в (4.38) и соответственно заменяя пределы интегрирования, получим:

,

откуда

. (4.39)

Отсюда вытекает правило, что при пуске асинхронного двигателя вхолостую потери в цепи его ротора равны тому запасу кинетической энергии, который получают приходящие в движение маховые массы (ротора и рабочего механизма) при их разгоне до установившейся скорости.

Заметим, что потери в роторе не зависят от времени пуска, пусковых токов и других параметров. Потери в статоре, напротив, зависят от параметров пуска.

Во избежание перегрева для каждого короткозамкнутого двигателя существует предельное значение суммарного момента инерции, который может преодолеть данный двигатель. При пуске значение указывается в каталогах. При отсутствии этих данных величинаможет быть определена из следующих соображений.

Допустимая величина энергии, выделяющейся в клетке ротора и массой m_кл, не должна приводить к ее перегреву более чем на . Отсюда

,

где С_кл – Дж/кг.гр – теплоемкость материала клетки ротора.

Расчет проводится исходя из необходимости обеспечения двух пусков подряд. Поэтому . Из этих условий получим:

.

Потери энергии в роторной цепи двигателя при динамическом торможении от скорости до минимальной скорости (затормозить двигатель до нулевой скорости при динамическом торможении нельзя) также равны запасу кинетической энергии, которой обладали движущиеся массы ротора и рабочей машины.

При торможении противовключением двигатель работает при еще больших скольжениях – от s_нач=2 до s=1. Подставляя эти значения в (4.38), получим, что

.

Для асинхронного двигателя важно определить потери при пуске и торможении не только в роторной, но и в статорной цепи. Ориентировочно эти потери можно найти, зная потери в роторе и пользуясь соотношением

.

Потери в статоре могут быть сокращены, используя, например, снижение напряжения на статоре при пуске (если это возможно).

4.6. Электромеханические характеристики синхронных электродвигателей

Для нерегулируемых электроприводов большой мощности (свыше 250кВт) широко применяются синхронные электродвигатели с электромагнитным возбуждением. Схема включения такого двигателя показана на рис.4.22.

Конструкция статора синхронного двигателя аналогична конструкции статора асинхронного двигателя. Токи, протекающие по трехфазной обмотке статора, создают намагничивающие силы, результирующий вектор которых образует вращающееся в пространстве электромагнитное поле статора Ф₁. Скорость вращения поля статора равна

(4.40)

и является рабочей скоростью синхронного двигателя.

Рис.4.22. Схема включения Рис.4.23. Пространственные векторы

синхронного двигателя электромагнитных полей синхронного

двигателя а) идеальный холостой ход;

б) при нагрузке на валу

На роторе синхронного двигателя расположена обмотка возбуждения, которая питается постоянным током от независимого регулируемого источника напряжения – возбудителя. Ток возбуждения создает электромагнитное поле Ф₀, неподвижное относительно ротора и вращающееся в установившемся режиме вместе с ротором со скоростью. Магнитные силовые линии поля ротора сцепляются с вращающимся синхронно с ним электромагнитным полем статора. Взаимодействие полей статора и ротора создает электромагнитный момент на валу синхронной машины.

.

При отсутствии нагрузки векторы поля статораи поля роторасовпадают в пространстве (см.рис.4.23) и совместно вращаются со скоростью. При появлении на валу двигателя момента сопротивления векторыирасходятся (как бы растягиваются подобно пружине) на угол, называемый углом нагрузки, причем, если векторотстает от вектора(см.рис. 4.23б), то синхронная машина работает в двигательном режиме и электромагнитный момент на ее валу положителен. Если синхронная машина работает генератором, приводимым во вращение первичным двигатель, то вектор поля ротора опережает вектор поля статора на угол (-) и электромагнитный момент на валу машины отрицателен. Изменению нагрузки на валу машины соответствует изменение угла. Образно это соответствует растяжению-сжатию пружины. Максимальный момент будет иметь место при. Если нагрузка на валу машины будет большеМ_макс, то синхронный режим нарушается и машина выпадает из синхронизма.