Файл: Глава 4.doc

Проанализируем особенности механической характеристики асинхронного двигателя (см.рис.4.5). Она носит нелинейный характер и состоит из двух частей. Первая – рабочая часть – в пределах скольжения от 0 до s_к. Эта часть характеристики близка к линейной и имеет отрицательную жесткость. Здесь момент, развиваемый двигателем, примерно пропорционален току статора I₁ и ротора I₂. Так как на этой части характеристики s<s_к, то второе слагаемое знаменателя в формуле (4.30) существенно меньше первого, и им можно пренебречь. Тогда рабочую часть механической характеристики можно приближенно представить в линейной форме, где момент пропорционален скольжению.

. (4.31)

Вторая часть механической характеристики асинхронного двигателя при скольжениях, больших s_к (s>s_к) криволинейная, с положительным значением жесткости . Несмотря на то, что ток двигателя по мере роста скольжения увеличивается, момент, напротив, уменьшается. Если рассматривать характеристику асинхронного двигателя с фазным ротором, обмотки которого во внешней цепи замкнуты накоротко, то пусковой ток такого двигателя (прииs=1) будет очень большим и превысит номинальный в 10-12 раз. В то же время пусковой момент составит порядка 0,4-0,5 номинального. Как будет показано в следующем параграфе, для короткозамкнутых двигателей пусковой ток будет (5,5-7,0)I_н, а пусковой момент (0,9-1,3)М_н.

Для объяснения такого несоответствия между величинами пускового тока и момента рассмотрим векторные диаграммы цепи ротора (рис.4.7) для двух случаев: а) когда скольжение велико (пусковая часть характеристики); б) когда скольжение мало (рабочая часть характеристики). При пуске, когда s=1, частота тока ротора равна частоте питающей сети (f₂=50Гц). Индуктивное сопротивление обмотки ротора (см.4.12) велико и существенно превосходит активное сопротивление ротора r₂, ток отстает от

э.д.с. ротора на большой угол, т.е. ток ротора, в основном, реактивный. Поскольку э.д.с. ротора в этом случае будет велика, то и пусковой ток будет очень большим, однако из-за малого значенияактив-ная составляющая тока ротораI_2а будет невелика, а, следовательно, момент, развиваемый двигателем, будет также невелик.

При разгоне двигателя сколь-жение уменьшается, э.д.с. ротора, частота тока ротора, индуктивное сопротивление ротора пропорци-онально уменьшаются. Соответ-ственно уменьшается величина полного тока ротора и статора, однако, вследствие повышения активная составляющая тока ротора растет и возрастает момент двигателя.

Когда скольжение двигателя станет меньше s_к, то частота тока ротора уменьшится настолько, что индуктивное сопротивление станет уже меньше активного, и ток ротора будет практически активным (см.рис.4.7б), момент двигателя будет пропорционален току ротора. Так, если номинальное скольжение двигателя s_н=2%, то по сравнению с пусковыми параметрами частота тока ротора уменьшится в 50 раз, соответственно уменьшится индуктивное сопротивление ротора. Поэтому, несмотря на то, что э.д.с. ротора также уменьшится в 50 раз, она будет достаточна для создания номинального тока ротора, обеспечивающего номинальный момент двигателя. Таким образом, своеобразие механической характеристики асинхронного двигателя определяется зависимостью индуктивного сопротивления ротора от скольжения.

4.2.3. Введение добавочного активного сопротивления в цепь ротора фазного двигателя

Исходя из изложенного, для пуска асинхронного двигателя с фазным ротором нужно принять меры для увеличения пускового момента и снижения пусковых токов. С этой целью в цепь ротора включают добавочное активное сопротивление. Как следует из формул (4.24, 4.26), введение добавочного активного сопротивления не изменяет максимального момента двигателя, а лишь изменяет величину критического скольжения

. (4.32)

Введение добавочного активного сопротивления увеличивает полное сопротивление роторной цепи, в результате чего уменьшается пусковой ток и увеличивается роторной цепи, вследствие чего увеличивается активная составляющая тока ротора и, следовательно, пусковой момент двигателя.

Обычно в роторную цепь двигателя с фазным ротором вводят секционированное сопротивление, ступени которого перемыкаются пусковыми контакторами. Расчет реостатных пусковых характеристик можно производить по формуле (4.30), используя значение s_к, соответствующее величине R_2доб для каждой ступени пускового сопротивления. Схема включения дополнительных сопротивлений и механические характеристики двигателя на рис.4.8. Как следует из рисунка, механические характеристики имеют общую точку идеального холостого хода, равную скорости вращения электромагнитного поля статора , а жесткость рабочей части характеристик уменьшается по мере возрастания суммарного активного сопротивления роторной цепи.

Рис.4.8. Схема включения пусковых сопротивлений (а) и реостатные механические характеристики асинхронного двигателя с фазным ротором (б)

При пуске двигателя сначала вводится полное добавочное сопротивление R_1доб. По достижении скорости, при которой момент двигателя М_II становится близким к моменту сопротивления, часть пускового сопротивления закорачивается контактором К₁, и двигатель переходит на характеристику, соответствующую величине добавочного сопротивления R_2доб. По мере разгона двигателя контактором К₂ закорачивается вторая ступень пускового сопротивления. После замыкания контактов контактора К₃ двигатель переходит на естественную характеристику и будет работать со скоростью, соответствующей точке 1.

Величины добавочных сопротивлений легко определить графически. Проведем линию номинального момента двигателя и отметим точки пересечения этой линии с механическими характеристиками. Тогда отрезки, заключенные между точками, будут пропорциональны величинам сопротивления ступеней.

Полное добавочное сопротивление .

Первая ступень сопротивления .

Вторая ступень сопротивления .

Третья ступень сопротивления .

Отрезок аб пропорционален сопротивлению обмотки фазы ротора .

В приведенных соотношениях R_2н – номинальное сопротивление ротора, которое определяется по формуле:

,

где: Е_2н.лин - линейная э.д.с. ротора при s=1;

I_2н - номинальный ток ротора.

4.2.4. Особенности характеристик асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором

Как было показано выше, формирование пусковых характеристик двигателей с фазным ротором производится путем введения в цепь ротора дополнительного активного сопротивления и уменьшения величины этого сопротивления по мере разгона двигателя (уменьшения скольжения).

В короткозамкнутых асинхронных двигателях введение дополнительного сопротивления в цепь ротора невозможно. Однако тот же результат может быть получен, если воспользоваться эффектом вытеснения тока на поверхность проводника. Сущность этого явления состоит в следующем. Согласно закону Фарадея при протекании по проводнику переменного тока в нем индуктируется э.д.с. самоиндукции, направленная против тока

или . (4.33)

Величина этой э.д.с. зависит от величины тока I_m, его частоты и индуктивности, определяемой характеристикой среды, окружающей проводник. Если проводник находится в воздухе, то магнитная проницаемость среды очень мала, следовательно, мала индуктивность L. В этом случае при частоте 50Гц ) влияние э.д.с. самоиндукции незначительно. Другое дело, когда проводник помещен в тело магнитопровода. Тогда индуктивность многократно увеличивается и э.д.с. самоиндукции, направленная против тока, играет роль индуктивного сопротивления, препятствующего протеканию тока.

Рис.4.9. Конструкция ротора асинхронного к.з.двигателя с глубоким пазом (а), с двойной клеткой (б) и эффект вытеснения тока (в)

Рассмотрим проявление действия э.д.с. самоиндукции для случая проводника (стержня обмотки ротора), помещенного в глубокий паз магнитопровода ротора двигателя (рис.4.9а). Условно разделим сечение стержня на три части, которые соединены параллельно. Ток, протекающий по нижней части стержня образует поток Ф₁, магнитные силовые линии которого замыкаются по магнитопроводу. В этой части проводника возникает э.д.с. самоиндукции e_L1 большой величины, направленная против тока i₂₁.

Ток i₂₃, протекающий по верхней части стержня роторной обмотки также образует поток Ф₃, но, так как силовые линии этого потока наполовину своей длины замыкаются по воздуху, то величина потока Ф₃ будет гораздо меньше, чем потока Ф₁. Отсюда и э.д.с. e_L3 будет во много раз меньше, чем e_L1.

Указанное распределение э.д.с. самоиндукции по высоте стержня характерно для того режима, когда частота тока ротора велика – близка к 50Гц (см.4.33). В этом случае, поскольку все три части стержня ротора соединены параллельно (рис.4.9в), то ток ротора I₂ пойдет по верхней части стержня. Это явление называют вытеснением тока на поверхность паза. При этом эффективное сечение стержня, по которому идет ток, будет в несколько раз меньше, чем общее сечение стержня обмотки ротора. Таким образом, увеличивается активное сопротивление ротора r₂. Отметим, что поскольку э.д.с. самоиндукции зависит от частоты тока (т.е. от скольжения), то и сопротивления r₂ и x₂ являются функциями скольжения.

При пуске, когда скольжение велико, сопротивление r₂ увеличивается (в цепь ротора как бы вводится добавочное сопротивление). По мере разгона двигателя скольжение двигателя уменьшается, эффект вытеснения тока ослабевает, ток начинает распространяться вниз по сечению проводника, сопротивление r₂ уменьшается. При достижении рабочей скорости частота тока ротора настолько мала, что явление вытеснения тока уже не сказывается, ток протекает по всему сечению проводника, и сопротивление r₂ минимально. Благодаря такому автоматическому изменению сопротивления r₂, пуск асинхронных короткозамкнутых двигателей протекает благоприятно: пусковой ток составляет 5,0-7,0 номинального, а пусковой момент 1,1-1,3 номинального.