5.6. Особенности формирования моментного треугольника в асинхронных электроприводах

В асинхронных электроприводах с управлением только по цепи статора (обычно – с асинхронными короткозамкнутыми двигателями) число независимых управляющих переменнных сокращается до двух (амплитуда и частота напряжения на статоре), так как роторные цепи электрической машины недоступны для воздействий. По этой причине оказывается ограничен и диапазон возможных конфигураций моментного треугольника асинхронного двигателя, который определяется параметрами роторной цепи. Так как эта цепь носит активно-индуктивный характер, то угол между векторами тока намагничивания и тока ротора всегда более 90 градусов, а асин­хронный двигатель всегда имеет отстающий коэффициент мощности. Однако в замкнутых системах регулирования всегда обеспечивается работа асинхронного двигателя на верхнем участке механической характеристики, где скольжение ротора мало и, следовательно, полное сопротивление роторной цепи носит активный характер, а доля индуктивного сопротивления мала. В этом случае на упрощенных векторных диаграммах токов асинхронного двигателя ток ротора можно считать чисто активным, а угол между векторами токов намагничивания и ротора можно считать прямым. В реальных двигателях в точке номинального режима отклонение этого угла от прямого не превышает 10...15.

Хотя схемное разнообразие асинхронных частотнорегулируемых электро­приводов весьма велико, однако в конечном итоге преобладают два варианта формирования моментного треугольника: в первом случае в асинхронном электродвигателе при регулировании момента в процессе поддержания заданного значения скорости поддерживается постоянство магнитного потока, а во втором – стремятся вести регулирование в электроприводе с минимальными или почти минимальными потерями. Известно, что минимум потерь в асинхронном электроприводе достигается при поддержании постоянства абсолютного скольжения [3], что и используется с целью поддержания минимума потерь.

Для первого случая механические характеристики и векторные диаграммы представлены на рис. 5.16 а. Регулирование момента ведут так, чтобы поддержать в двигателе постоянство магнитного потока в зазоре. Обычно эту задачу решают косвенным способом. Так, широко известный закон частотного регулирования скорости в асинхронном электроприводе Uc / fc = const следует отнести к рассматриваемому способу. В некоторых случаях величину магнитного потока измеряют непосредственно или вычисляют через электрические переменные двигателя (ток, напряжение, скорость), как это делает часто, например, фирма Siemens [9, 18, 19].

Предположим, что с точки зрения требований технологического процесса асинхронному электроприводу необходимо обеспечить прямоугольную механическую характеристику, проходящую через точки а, б и в. При нагружении электропривода режим поддержания заданного значения скорости (например, требуется перейти из точки а в точку б на механической характеристике замкнутого электропривода) достигается изменением как частоты, так и напряжения на статоре (рис. 5.16 а). Механические характеристики асинхронного двигателя при фиксированных значениях частоты и напряжения на статоре, соответствующих точкам а, б и в, изображены там же.

Моментный треугольник асинхронного двигателя обычно строят как геомет­рическую сумму векторов токов статора I₁, приведенного тока ротора I₂^ и тока намагничивания I₀. В этом случае, точке а на механической характеристике электропривода соответствует векторная диаграмма 0 – 2 – 3, а точкам б и в – диаграмма 0 – 1 – 2. Режим поддержания постоянства магнитного потока Ф = const энергетически менее выгоден, особенно при малых моментах статической нагрузки. Но он обеспечивает более высокие динамические показатели в электроприводах при резко переменных моментах.

 На векторной диаграмме (рис. 5.16 а) изображен вектор напряжения на статоре U_С. Если считать, что он соответствует работе двигателя в точке а механической характеристики, то как его следует изобразить при работе электропривода в точках б и в ? Для определенности можно предположить, что электромагнитный момент двигателя в точке б в два раза больше, чем в точке а, а скорость электропривода в точке в в три раза ниже, чем в точке а.

Для второго случая механические характеристики электропривода и векторные диаграммы при изменении момента статической нагрузки изображены на рис. 5.16 б. Здесь при нагружении электропривода и работе его в режиме поддержания заданного значения скорости в установившихся режимах изменяется только величина напряжения на статоре (рис. 5.16 б). Энергетически это – наиболее выгодный режим, так как в зоне малых моментов двигатель работает с малыми значениями магнитного потока, а следовательно, и тока намагничивания.

Векторные диаграммы токов асинхронного двигателя в режиме поддержания неизменного абсолютного скольжения ротора образуют подобные моментные треугольники (рис. 5.16 б), так как при постоянстве скольжения параметры роторной цепи остаются неизменными. Если при работе двигателя в точке а механической характеристики моментный треугольник описывается ломаной 0–3–4, то при работе в точке б – ломаной 0–1–2. При этом площадь первого треугольника во столько раз меньше, чем второго, во сколько раз меньше электромагнитный момент, развиваемый двигателем.

При нагружении электропривода режим поддержания заданного значения скорости (например, требуется перейти из точки а в точку б на механической характеристике замкнутого электропривода) достигается изменением только напряжения на статоре при постоянной частоте (рис. 5.16 б). В режиме же ограничения момента (участок б – в характеристики) частота и напряжение уменьшаются пропорционально друг другу.