2.3 Двигатели постоянного тока смешанного возбуждения

Эти двигатели обладают совокупностью свойств, присущих как двигателям независимого возбуждения, а именно возможность работы при малых нагрузках, так и двигателям последовательного возбуждения, а именно большие значения вращающих моментов при малых скоростях, при резком снижении момента в результате снижения скорости.

В настоящее время основным мотивом применения двигателей последовательного и смешанного возбуждения является возможность наиболее эффективного потребления электроэнергии, в частности в приводах механизмов, обладающих большой инерционностью, необходимо создавать большие пусковые моменты, в то время как в рабочем режиме (при скорости близкой к номинальной) момент на валу очень мал. В этом случае приходится выбирать двигатель заведомо завышенной мощности, что приводит к неоправданно большому потреблению электроэнергии.

С этой точки зрения механические характеристики двигателей последовательного и смешанного возбуждения являются наиболее оптимальными. Однако при этом важным недостатком является существенная нелинейность характеристик этих двигателей. Поэтому в последнее время в связи с разработкой и созданием современной преобразовательной техники приводы с двигателями последовательного и смешанного возбуждения вытесняются частотно регулируемыми приводами с асинхронными и синхронными двигателями.

Лекция 12

3 Асинхронные двигатели (АД)

В настоящее время асинхронные двигатели являются наиболее широким классом электродвигателей, применяемых в промышленных электроприводах, по причине их неоспоримых преимуществ перед другими типами двигателей, а именно: простота, надежность, низкая стоимость, высокие массогабаритные показатели, а также возможность непосредственного подключения к трехфазной линии электропередачи.

В настоящее время разрабатываются новые модели асинхронных двигателей, как общепромышленного назначения, так и специального, в частности, асинхронные двигатели, предназначенные для применения в частотно-регулируемых электроприводах.

1. Механические характеристики ад в различных режимах

Для того чтобы получить уравнение механической характеристики АД, рассмотрим физические процессы, происходящие в двигателе. Асинхронный двигатель представляет собой совокупность электрической, электромагнитной и механической систем. Для анализа процессов, воспользуемся простейшей электрической моделью АД, которая носит название схема замещения (рис. 1.1). Электрическая схема замещения представляет собой наиболее простую и удобную модель двигателя, в которой электромагнитная связь между статором и ротором заменена электрической. Кроме того, параметры обмотки ротора приведены к напряжению, питающему статор, а также учитывается механическая нагрузка на валу двигателя.

X₁ R₁ X^׀₂

I₁ I^׀₂

X₀

U_1Ф R^׀₂/S

I₀ R^׀₂

R₀ U^׀₂

Рисунок 3.1 - Т-образная схема замещения АД, представленная для одной фазы. U_1Ф – напряжение фазы обмотки статора; I₁ – ток фазы обмотки статора; R₁, X₁ – соответственно активное и индуктивное сопротивления фазы обмотки статора; I^׀₂ – приведенный ток ротора; R^׀₂/S – приведенное активное сопротивление обмотки ротора с учетом механической нагрузки на валу двигателя; X^׀₂ – приведенное индуктивное сопротивление обмотки ротора; I₀ – ток ветви намагничивания (ток ХХ); R₀, X₀ – соответственно активное и индуктивное сопротивления ветви намагничивания.

В дальнейшем при анализе процессов, происходящих в этой схеме, током ветви намагничивания будем пренебрегать.

Если пренебречь потерями мощности в АД, то тогда электромагнитную мощность можно считать равной механической мощности

Или

Решив это уравнение относительно момента, получим

(1)

При условии, что током I₀ пренебрегаем, получим I^׀₂= I₁. Тогда величину тока I^׀₂ можно определить через параметры схемы замещения

где Z_ДВ. - полное сопротивление схемы замещения

Тогда

Полученное значение тока I^׀₂, подставим в (1)

(2)

Уравнение (2) представляет собой зависимость электромагнитного момента АД от скольжения, выраженную через параметры схемы замещения.

Если в уравнение (2) подставить значение скольжения в пределах S=-1÷1 и совместно с этим уравнением при тех же значениях скольжения решить уравнение

(3)

то получим характеристики в координатах М=f(S) и ω=f(М) – механические характеристики АД (рис. 3.2).

М, Н·м ω, рад/с

M_K ДР ГР

ДР

M_П ω₀

- S -1 S_КР. 1 S

ГР -М_К М_П М_К М, Н·м

Рисунок 3.2 – Механические характеристики АД. M_K – максимальный или критический момент; М_П – пусковой момент; ω₀ – угловая скорость идеализированного ХХ (скорость ВМП).

Части характеристик, выражающие зависимость М(S) и ω(М) в области скольжений , описывают двигательный режим (ДР) в АД. Части характеристик при изменении скольжения описывают генераторный режим (ГР) в АД.

Определим параметры точки экстремума. Для этого нужно продифференцировать уравнение (2), затем приравнять его к нулю и решить относительно критического скольжения

(4)

где знак «+» означает ДР, знак «-» - ГР.

Подставив в уравнение (2) критическое скольжение из уравнения (4), найдем М_К

(5)

Кроме того, подставив в уравнение (2) значение скольжения, равное единице, получим пусковой момент М_П

(6)

Проанализировав уравнения (2), (4), (5) и (6), можно сделать следующие выводы:

1. Моменты АД пропорциональны квадрату питающего напряжения;

2. Критическое скольжение пропорционально активному сопротивлению ротора;

3. Критический момент не зависит от активного сопротивления ротора;

4. Пусковой момент пропорционален активному сопротивлению ротора и квадрату питающего напряжения.