Тормозные режимы двигателя смешанного возбуждения

Двигатель смешанного возбуждения допускает три способа элек­трического торможения: с отдачей энергии в сеть, динамическое и противовключением.

При торможении с отдачей энергии в сеть ток в якоре и в после­довательной обмотке изменяет направление и может размагнитить машину.

Чтобы избежать размагничивающего действия, обычно при переходе через угловую скорость _о последовательную обмотку шун­тируют, и поэтому механические характеристики в квадранте II (рис. 9.5) имеют вид прямых.

Рис. 9.5. Тормозные режимы работы двигателя постоянного тока смешанного возбуждения

Такой же вид имеют и характеристики динамического торможения вследствие того, что оно осуществляется обычно при включении только независимой обмотки, когда магнитный поток практически постоянен. Характеристики при торможении противовключением нелинейны вследствие влияния изменяющейся МДС последовательной обмотки возбуждения при изменяющейся на­грузке.

Лекция 7 Механические характеристики асинхронного электропривода

План лекции:

1. Электрическая схема замещения.

2. Механические характеристики.

Асинхронные двигатели получили широкое применение. Они просты и надежны в эксплуатации, так как не имеет коллектора, дешевле и значительно легче двигателей постоянного тока.

Для вывода уравнения механической характеристики асинхронного электродвигателя воспользуемся схемой замещения

Рис. 10.1. Схема замещения асинхронного двигателя

На схеме приняты следующие обозначения:

U_ф — первичное фазное напряжение; I₁ — фазный ток статора; I₂^/ — приведенный ток ротора; Х₁ и Х₂^/ — первич­ное и вторичное приведенные реактивные сопротивления рассеяния; R_o и Х_о — активное и реактивное сопротивле­ния контура намагничивания; s = ( - )/ — скольжение двигателя; = 2πn₀/60 - синхронная угловая скорость двигателя; = 2πf₁; R₁ и R'₂ — первичное и вторичное приведенные активные сопротивления; f₁ — частота сети; р — число пар полюсов.

Из схемы замещения получим выражение для вторичного тока

(10.1)

Момент асинхронного двигателя может быть определен из выражения потерь M₀s=3(I'₂)²R'₂, откуда

(10.2)

Подставляя (10.1) в (10.2), получаем:

(10.3)

Кривая момента М = f (s) имеет два максимума: один - в генераторном режиме, другой — в двигательном.

Приравнивая dM/ds = 0, определяем значение критического скольжения s_K, при котором двигатель развивает максимальный (критический) момент

(10.4)

Подставляя значение s_K в (10.3), находим выражение для максимального момента

(10.5)

Знак «+» относится к дви­гательному режиму (или торможению противовключением), знак «-» — к генераторному режиму работы параллельно с сетью (при > _о).

Если выражение (10.3.) разделить на (10.5.) и произвести соответствующие преобразования, то можно по­лучить:

(10.6)

где М_k — максимальный момент двигателя; s_K — критическое скольжение, соответствующее максимальному моменту; а = R₁/R'₂.

Здесь следует подчеркнуть весьма важное для практики обстоятельство — влияние изменения напряжения сети на механические характеристики асин­хронного двигателя. Как видно из (10.3.), при данном скольжении момент двигателя пропорционален квадрату напряжения, поэтому двигатель этого типа чувствителен к колебаниям напряжения сети.

Рис 10.2. Механические характеристики асинхронного двигателя

Критическое скольжение и угловая скорость идеального холостого хода не зависят от напряжения.

На рис. 10.2 приведена механическая характеристика асинхронного двигателя. Ее характерные точки:

1) s=0; M=0, при этом скорость двигателя равна синхронной;

2) s=sном; M=Mном, что соответствует номинальной скорости и номинальному моменту;

3) s=s_k; M=M_к,д – максимальный момент в двигательном режиме;

4) s=1,0; – номинальный пусковой момент;

5) s=-s_k; M=-M_k,r – максимальный момент в генераторном режиме работы паралельно с сетью.

При s > 1 двигатель работает в режиме торможения противовключением, при s < 0 имеет место генераторный режим работы параллельно с сетью.

Необходимо подчеркнуть, что абсолютные значения s_K в двигательном и генераторном параллельно с сетью режимах одинаковы.

Из формулы (10.6) следует, что максимальные моменты в двигательном и генераторном режимах различны. В гене­раторном режиме работы параллельно с сетью максималь­ный момент по абсолютному значению больше.

Если в уравнении (10.6) пренебречь активным сопротив­лением статора, то получится формула, более удобная для расчетов:

(10.7.)

Номинальное скольжение зависит от сопротивления ротора. Наименьшим номинальным скольжением при одинаковой мощности и числе полюсов обладают обычно двигатели с короткозамкнутым ротором нормального исполне­ния. У этих двигателей в силу конструктивных особенно­стей сопротивление ротора имеет относительно небольшое значение, что ведет к уменьшению значений критического скольжения s_к, (10.4.) и номинального скольжения s_H0M.

Максимальный момент, как это видно из (10.5.), не зависит от активного сопротивления ротора R₂. Критическое же скольжение согласно (10.4.) увеличивается по мере увеличения сопротивления ротора. Вследствие этого у двигателей, с фазным ротором при введении резисторов в цепь ротора максимум кривой момента смещается в сторону больших скольжений.

Значение сопротивления R₂, необходимое для построе­ния естественной и реостатных характеристик двигателя с фазным ротором, определяется из выражения

(10.8)

где E_2к, I_2ном — линейное напряжение при неподвижном роторе и номинальный ток ротора.

На рис. 10.3 приведено семейство реостатных характеристик в двигательном режиме в координатных осях М и  для различных значений сопротивлений роторной цепи. Реостатные характеристики в ра­бочей их части могут быть приняты линейными. Это дает возможность при расчете сопротивлений резисторов, вклю­чаемых в роторную цепь асинхронного двигателя, поль­зоваться методами, аналогичными методам, применяемым для расчета сопротивления цепи якоря двигателя постоян­ного тока независимого возбуждения.

Рис 10.3. Естественная и реостатные механические характеристики асинхронного двигателя с фазным ротором

Кратность максимального момента λ = M_к,д/M_ном должна быть у дви­гателей нормального исполнения с фазным ротором не ниже 1,8, а у двигателей с короткозамкнутым ротором не ниже, чем 1,7.

Для двигателей с короткозамкнутым ротором существенное значение с точки зрения электропривода имеют кратности начального пускового момента и начального пускового тока.

На рис. 10.4 представлены примерные естественные характеристики двигателя с нормальным короткозамкнутым ротором, имеющим круглые пазы. Эти характеристики показывают, что двигатель с короткозамкнутым ротором, потребляя из сети весьма большой ток, имеет сравнительно низкий начальный пусковой момент.

Рис. 10.4.. Характеристики  = f (М) и  = f₁ (I) для асинхронного

двигателя с короткозамкнутым ротором с круглыми пазами

Кратность начального пускового момента электродвигателей

а для крановых двигателей

Кратность пускового тока

(10.9)

Отсутствие пропорциональности между моментом двигателя и током статора во время пуска объясняется значительным снижением магнитного потока двигатели, а также уменьшением коэффициента мощности вторич­ной цепи при пуске.

Момент асинхронного двигателя, как и любой электрической машины, пропорционален магнитному потоку Ф и активной составляющей вторичного тока

(10.10)

где k' - конструктивная постоянная асинхронного двига­теля; ψ₂ — угол сдвига между ЭДС и током ротора:

(10.11)

При увеличении скольжения растет ЭДС ротора Е₂ = E_2Ks, возрастает ток ротора I'₂ в соответствии с (3.27), асимптотически стремясь к некоторому предельному значению, a cosψ₂ с ростом s уменьшается (на рабочем участке характеристики очень мало), асимптотически стремясь к нулю при s → ∞. Поток двигателя также не остается неизменным, уменьшаясь при возрастании тока из-за падения напряжения на сопротивлениях обмотки статора. Все это и обусловливает отсутствие пропорциональности между то­ком и моментом двигателя.

Для повышения начального пускового момента и снижения пускового тока применяются двигатели с короткозамкнутым ротором специальных конструкций. Роторы электродвигателей имеют две клетки, расположенные концентрически, или глубокие пазы с высокими и узкими стержнями. Сопротивление ротора этих двигателей в пусковой период значительно больше, чем при номинальной скорости, вследствие поверхностного эффекта, обусловленного повышенной частотой тока в роторе при больших скольжениях. Поэтому при переходе к двигателям с глубоким пазом или двойной обмоткой ротора существенно увеличивается кратность пускового момента (увеличивается cosψ₂ и поток) и снижается кратность пускового тока. Правда, в этом случае несколько уменьшаются коэффициент мощности и КПД, соответствующие номинальной нагрузке.