Файл: 5_Глава 3.doc

Отсюда следует, что Р_s мощность скольжения, выделяемая в обмотках ротора, пропорциональна моменту на валу двигателя и его скольжению. Эта мощность рассеивается в виде потерь в обмотках ротора двигателя (для фазных двигателей во время пуска – также в пусковых сопротивлениях).

При проектировании и использовании асинхронных двигателей стремятся уменьшить мощность скольжения, чтобы уменьшить потери электроэнергии, снизить нагрев двигателя и повысить его кпд. Асинхронные двигатели конструируются таким образом, чтобы номинальное скольжение составляло всего несколько процентов. Для экономичной эксплуатации асинхронных электроприводов важным условием является работа с минимальным скольжением. Это правило должно выдерживаться и для регулируемых асинхронных электроприводов. Исключения составляют каскадные схемы включения асинхронного двигателя с фазным ротором, где мощность скольжения используется полезно.

3.2.6. Изменение напряжения питания асинхронного двигателя

Величина потока асинхронного двигателя пропорциональна напряжению питания U₁, величина э.д.с. ротора, а, следовательно, и ток ротора I₂ также пропорциональны напряжению статора. Поэтому момент асинхронного двигателя, в том числе максимальный момент, пропорциональны квадрату напряжения U₁ (см. 3.19, 3.22). Это обстоятельство определяет недопустимость значительного снижения напряжения питания при пуске и работе асинхронного двигателя. Так, при снижении питающего напряжения на 30% его максимальный момент уменьшится примерно в два раза и при значительном статическом моменте двигатель может «опрокинуться», т.е. остановиться и оказаться под пусковым током. Этот режим является для двигателя аварийным. Такая же ситуация может сложиться, если напряжение питания снижено при пуске двигателя под нагрузкой. Указанные случаи имеют место в слабых электрических сетях, что обуславливает большую аварийность асинхронных короткозамкнутых двигателей. Во избежание этого должны предусматриваться необходимые защитные средства, предотвращающие длительное нахождение асинхронного двигателя под пусковым током.

В то же время преднамеренное снижение (регулирование) напряжения, подаваемого на статорные обмотки, иногда используется для регулирования скорости асинхронного двигателя и для обеспечения плавности пуска.

Регулирование скорости асинхронного двигателя путем изменения питающего напряжения сопряжено с возможностью перегрева его ротора и может производиться лишь при определенных условиях:

• при малом диапазоне снижения скорости относительно номинальной;

• при сниженном относительно номинального моменте сопротивления на валу двигателя;

• использовании двигателя с повышенным скольжением.

Рассмотрим механические характеристики асинхронного короткозамкнутого двигателя с повышенным скольжением при регулировании напряжения статора (рис. 3.13). При снижении напряжения U₁ критическое скольжение двигателя и скорость идеального холостого хода остаются постоянными, а максимальный моментМ_к двигателя уменьшается примерно пропорционально квадрату снижения напряжения, соответственно снижается жесткость рабочей части механической характеристики двигателя. Регулирование скорости возможно в диапазоне .

Предположим, что момент сопротивления на валу двигателя остается постоянным и равным номинальному . При снижении напряжения до величиныU₁₂ двигатель будет работать со скоростью, равной со скольжениемs_р. Как следует из энергетической диаграммы асинхронного двигателя (3.35), мощность скольжения Р_s, выделяемая в виде потерь в роторе двигателя будет равна и пропорциональна заштрихованной площади прямоугольникаОавs_р. Электромагнитная мощность пропорциональна площадиОаг1, полезная мощность на валу двигателя будет пропорциональна площадиs_рв,г1.

Номинальная мощность скольжения, на рассеяние которой рассчитана конструкция двигателя, пропорциональна площади Оабs_н. Сравним эту площадь с заштрихованной (Оавs_р), которая отражает потери в роторе двигателя при работе в точке «в». Она примерно в 3 раза превосходит номинальные потери в роторе. Естественно, что при длительной работе в указанном режиме ротор двигателя будет перегреваться и двигатель выйдет из строя. Для того, чтобы можно было применить данный способ регулирования, нужно установленную мощность двигателя завысить в 3 раза или применить специальную конструкцию интенсивного теплоотвода.

2

Поэтому регулирование скорости изменением напряжения питания возможно в том случае, если момент сопротивления М_с при снижении скорости существенно меньше номинального. Такой способ регулирования применяется иногда для привода насосов и вентиляторов, у которых момент сопротивления на валу резко снижается при уменьшении скорости. Этот случай рассмотрен на рис.3.13,б. Поскольку со снижением скорости М_с уменьшается примерно в квадрате от величины снижения скорости, то мощность скольжения Р_s со снижением скорости растет не столь существенно. Если нагрузка на валу двигателя носит вентиляторный характер, то максимальная величина мощности скольжения составляет 15% от мощности на валу при номинальной скорости. Поэтому для привода вентиляторов и насосов достаточно увеличение установленной мощности двигателя с повышенным скольжением в 1,5-2 раза.

Снижение напряжения на статоре асинхронного двигателя иногда используется для уменьшения пусковых токов двигателя. Это возможно, если момент сопротивления на валу двигателя при пуске не превышает 0,3-0,4М_н (насосы, вентиляторы или другие рабочие машины, пуск которых производится вхолостую). В этом случае посредством тиристорного регулятора напряжение, подводимое к обмотке статора, снижается, а затем по мере разгона двигателя увеличивается до номинального значения. Этим обеспечивается «плавный пуск» двигателя с уменьшенными пусковыми токами и сниженными динамическими нагрузками на рабочую машину.

3.2.7. Тормозные режимы асинхронных двигателей

Полная механическая характеристика асинхронного двигателя во всех квадрантах поля М-s, представлена на рис.3.14.

Асинхронный двигатель может работать в трех тормозных режимах: рекуперативного торможения, 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 .

Для того, чтобы ротор двигателя перешел синхронную скорость и разогнался до скорости выше синхронной, к его валу должен быть приложен внешний совпадающий со знаком скорости вращающий момент. Это может быть, например, в приводе подъемной лебедки в режиме спуска груза.

Механическая характеристика асинхронного двигателя в режиме рекуперативного торможения идентична (с учетом угловой симметрии) характеристике двигателя в двигательном режиме. Расчет характеристик может производиться по формуле Клосса (3.25). Максимальный момент в режиме рекуперативного торможения несколько выше, чем максимальный момент в двигательном режиме. Для рекуперативного режима

.

Несколько большая величина максимального момента в генераторном режиме объясняется тем, что потери в статоре (на сопротивлении r₁) в двигательном режиме уменьшают момент на валу, а в генераторном режиме момент на валу должен быть больше, чтобы покрыть потери в статоре.

Энергетический баланс в режиме рекуперативного генераторного торможения определяется следующим (рис.3.15). Механическая мощность, поступающая на вал двигателя, преобразуется в электромагнитную мощность вращающегося поля Р_эм и электрическую мощность, трансформируемую в роторную цепь двигателя. По аналогии с (3.33) получим

.

Электромагнитная мощность, за исключением потерь в статоре, отдается в питающую сеть, а мощность скольжения рассеивается в роторной цепи. 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 (см. рис.3.19).

Способ динамического торможения характеризуется тем, что статорные обмотки отключаются от сети переменного тока и подключаются к источнику постоянного напряжения (рис.3.16). При питании обмоток статора постоянным током создается неподвижное в пространстве электромагнитное поле, т.е. скорость вращения поля статора . Скольжение будет равно

,

где: - номинальная угловая скорость вращения поля статора.

Вид механических характеристик (рис.3.17) подобен характеристикам в режиме рекуперативного торможения. Исходной точкой характеристик является начало координат. Регулировать интенсивность динамического торможения можно изменяя величину тока возбуждения I_дт в обмотках статора. Чем выше ток, тем больший тормозной момент развивает двигатель. При этом, однако, нужно учитывать, что при токах начинает сказываться насыщение магнитной цепи двигателя.

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

Работу асинхронного двигателя в режиме динамического торможения можно рассматривать как работу трехфазного асинхронного двигателя при питании его постоянным током, т.е. током при частоте f₁=0. Второе отличие заключается в том, что обмотки статора питаются не от источника напряжения, а от источника тока. Следует также иметь в виду, что в схеме динамического торможения ток I_дт протекает (при соединении обмоток в звезду) не по трем, а по двум фазным обмоткам.

Для расчета характеристик нужно заменить реальный I_дт эквивалентным током I_экв, который, протекая по трем фазным обмоткам, создает ту же намагничивающую силу, что и ток I_дт.

Для схемы рис.3.16,б – I_экв=0,816I_дт.