1.7. Устойчивость асинхронной нагрузки

Проблема устойчивости имеет место и для асинхронных двигателей, что особенно актуально для асинхронной нагрузки достаточно больших мощностей. Для понимания особенностей проблемы рассмотрим идеализированную асинхронную машину и происходящие в ней процессы при возмущениях (рис. 1.24).

Асинхронная машина имеет «гладкий» ротор с одинаковым магнитным сопротивлением по обеим осям d и q, на роторе помещаются короткозамкнутые обмотки ротора. Переменный ток в обмотках статора создает «вращающееся» магнитное поле статора (см. штриховые линии, замыкающиеся через обмотки, на рис. 1.24). Замыкаясь через ротор, это магнитное поле создает в короткозамкнутых обмотках ротора токи, создающие в свою очередь магнитное поле ротора. «Вращающееся» магнитное поле статора, взаимодействуя с магнитным полем ротора, создает вращающий момент на валу асинхронной машины. Сопротивление проводимого в движение механизма (например, металлорежущего станка) приводит к тому, что вращение ротора замедляется по отношению к «вращающемуся» полю статора, в результате чего ротор асинхронной машины вращается с определенным скольжением по отношению к полю статора, тем большим, чем больше сопротивление вращаемого механизма.

q

d

P

s

1

2

3

4

s₁s'₁s₂ s₃ s_кр

Рис.1.24. Идеализированная асинх- Рис.1.25. Характеристики мощностей

ронная машина асинхронного двигателя в зависимости

от скольжения ротора, уровня напряже-

ния на питающих шинах и нагрузки на

ротор

На рис. 1.25 показаны характеристики электромагнитной и механической мощностей асинхронного двигателя в зависимости от конкретных условий. Рабочее скольжение асинхронного двигателя определяется точкой пересечения характеристик этих мощностей. В частности, при значении механической мощности Р_мех. (рис. 1.25) это значение скольжения . Если механическая мощность увеличивается (двигатель нагружается дополнительно) до значения , из рис. 1.25 видно, что скольжение ротора увеличивается до значения .

Пусть по каким либо причинам (в результате возмущения) напряжение на зажимах обмоток статора снизилось. В этом случае максимум характеристики электромагнитной мощности также уменьшается (кривая 2 вместо кривой 1 на рис. 1.25), а скольжение ротора увеличивается до значения . Если снижение напряжения на шинах асинхронного двигателя оказывается еще большим, его режим переходит на кривую 3 с рабочим скольжением ротора . Как видно из рис. 1.25, этот режим является близким к критическому, поскольку даже незначительное увеличение механической мощности или дополнительное снижение напряжения приводят к тому, что точка пересечения механической и электромагнитной мощностей исчезает, механическая мощность оказывается больше электромагнитной, происходит увеличение скольжения ротора вплоть до его остановки (так называемого опрокидывания асинхронного двигателя).

Значение скольжения в точке максимума характеристики электромагнитной мощности называется критическим – на рис. 1.25.

Реально в процессах, проявляющихся в асинхронных машинах при большом снижении напряжения на зажимах обмоток статора, важную роль играет еще один фактор. Дело в том, что при затормаживании ротора возрастают токи в обмотках статора, вследствие этого увеличивается падение напряжения в подходящих к шинам линиях и трансформаторах питающих подстанций. Если на шинах асинхронного двигателя нет источников реактивной мощности, поддерживающих уровень напряжения, этот уровень дополнительно снижается, уменьшая максимум характеристики электромагнитной мощности. Это, в свою очередь, приводит к росту скольжения, что сопровождается дополнительным увеличением токов в обмотках статора, дополнительным снижением напряжения на зажимах обмоток статора, дальнейшим увеличением скольжения и т.д. Происходит лавинообразный процесс, приводящий к полному торможению ротора (опрокидыванию) асинхронного двигателя.

Этот лавинообразный процесс получил название лавины напряжения. По причине опасности возникновения лавины напряжения рекомендуется в узлах с достаточно мощной асинхронной нагрузкой не допускать снижения уровня напряжения более, чем на 15% от нормального рабочего уровня.