4.2. Переходные процессы в электроприводе переменного тока

4.2.1. Переходные процессы в электроприводе с асинхронными электродвигателями

а) Схемы соединения обмоток (из курса электрических машин)

Для создания вращающегося магнитного поля обмотки статора соединяются: - звездой

- треугольником

Соединение звездой 

при этом: (ток фазный равен току линейному), из схемы .

Соединение треугольником 

при этом: (напряжение фазное равно напряжению линейному), или .

Примечание. Соотношения верны при симметричной нагрузке как для «звезды», так и для «треугольника».

Механическая характеристика асинхронного электродвигателя:

где: 1) - обороты идеального холостого хода (пограничная частота вращения) для асинхронного электродвигателя это синхронная скорость (скорость вращения поля статора)

2) - статический момент обычно (в идеальном случае) , в реальном (для длительного режима работы).

Примечание. Для остальных режимов как-то кратковременный; повторно-кратковременный и др. в результате специальных расчетов.

- максимальный момент электродвигателя

- формула из электрических машин, т.е. критический момент электродвигателя пропорционален квадрату приложенного напряжения.

Примечание. Некоторые понятия из ТОЭ и электрических машин.

Ротор асинхронного электродвигателя и вращающееся магнитное поле статора имеют разные скорости (за исключением момента идеального холостого хода), т.е. вращаются асинхронно. В установившемся режиме работы ( ) эта разница невелика (несколько процентов).

Величина, характеризующая это различие скоростей, называется скольжением (S).

или

где - синхронная скорость (скорость поля статора)

n – скорость ротора (вала)

, где

- частота переменного тока

- число пар полюсов

- максимальный момент электродвигателя

и = const (коэффициент для данного двигателя)

б) Переходные процессы в электроприводах переменного тока носят несколько отличный характер. Так, например, формула закона Ома для работающего электродвигателя ( ) будет верна для мгновенных значений тока и (т.к. ток переменный, то вместо будет - полное сопротивление якоря) это выражение будет иметь вид: , и (т.к. ток переменный, то мы не можем говорить об изменении направления тока (скажем, при генераторном торможении) изменится направление мгновенных значений токов или сдвиг по фазе на 180 эл. градусов или изменится направление мощности. Этим выражением («изменение направления мощности») и будем оперировать в дальнейшем. Соответственно, мы не можем, исходя из этой формулы, выводить значение n (оборотов, скорости). Для n (оборотов) используется выражение , где: - обороты идеального холостого хода (пороговая частота вращения), в нашем случае это синхронная скорость (скорость вращения поля статора).

При пуске , следовательно, выражение примет вид: .

Следовательно, для уменьшения пускового тока необходимо:

1) уменьшить подводимые напряжения

2) увеличить сопротивление якоря (для электродвигателей синхронных и асинхронных это ток статора)

Якорь электрической машины – элемент, который несет наибольшую токовую нагрузку.

Второй вариант (увеличение сопротивление якоря) – это частный случай первого, поэтому и рассматривать в дальнейшем будем только уменьшение величины подводимого напряжения.

Для асинхронного электродвигателя существует три вида пусков:

- прямой пуск

- пуск при понижении величины подводимого напряжения

- реостатный пуск (для электродвигателей с фазным ротором)

Прямой пуск – пуск не требует дополнительных изменение в схеме, т.к. у асинхронных электродвигателей отсутствует щеточно-коллекторный аппарат, он допускает пусковой ток .

Применяется для электродвигателей малой мощности, пуск которых незначительно повлияет на работу электростанции.

Пуск при понижении величины подводимого напряжения

Рассмотрим частный случай – переключением со «звезды» на «треугольник».

Применяется для мощных электродвигателей, работающих по схеме «треугольник».

При этом напряжение, подводимое к фазе (соединение «звезда») в меньше, чем при соединении «треугольником», и если бы обмотка статора была соединена «треугольником», то ток в ней был бы в больше, чем при соединении «звездой». Следовательно, _. Значит, пусковой ток уменьшится в 3 раза.

Механическая характеристика этого вида пуска (частный случай пуска при пониженном подводимом напряжении) имеем вид:

в) Торможение асинхронного электродвигателя

Асинхронному электродвигателю присущи все три вида торможения:

1) динамическое

2) генераторное

3) торможение противовключением

Динамическое торможение достигается, когда статор электродвигателя отключается от сети и замыкается на активные и реактивные сопротивления. В этом случае ток ротора исчезает не мгновенно (после отключения статора от сети, а из-за ЭДС самоиндукции (знак (-) показывает, что это ЭДС будет препятствовать изменению магнитного потока, а, следовательно, и тока ротора), а т.к. ротор замкнут, то через него какое-то время будет идти ток, наводящий ЭДС в статоре, а т.к. статор мы замкнули на сопротивление, по нему тоже пойдет ток, наводящий тормозной момент.

Две схемы этого вида торможения:

замыкание цепи статора на активное сопротивление

замыкание цепи статора на реактивное (емкостное) сопротивление

Либо динамическое торможение достигается, когда статор электродвигателя отключается от сети, а две (любые) его фазы подключаются на постоянное напряжение.

Схема имеет вид:

При вращении ротора в постоянном магнитном поле (поле статора) в нем (роторе) возникнет ЭДС, а (т.к. ротор замкнут), следовательно, пойдет ток, который взаимодействуя с полем статора, вызовет тормозной момент.

Как и в случае для постоянного тока, динамическое торможение возникнет вследствие запасенной динамической энергии вращающихся частей электрической машины (ротора).

С небольшой долей допущения можно использовать формулу , при (выражение верное для мгновенных значений тока и напряжения).

В нашем случае мы можем говорить о сдвиге тока по фазе на 180⁰ эл. или об изменении направления электромагнитной мощности, а, следовательно, и электромагнитном моменте.

Механическая характеристика данного процесса (динамического торможения) имеет вид:

Примечание. Форма кривой торможения зависит от величины и вида сопротивлений, на которые замыкаются обмотки статора, а так же от величины постоянного напряжения, подаваемого на две фазы статора.

Генераторное торможение

Возможно, когда за счет исполнительного механизма скорость асинхронного электродвигателя станет больше синхронной (обороты идеального холостого хода), например, спуск груза, либо при переходе с высокой скорости хода на более низкую.

Механические характеристики генераторного торможения имеют вид:

Так же с долей допущения можно использовать формулу (верной для мгновенных значений).

Т.к. , следовательно, , мгновенные значения токов поменяли свои знаки (сдвиг по фазе на 180⁰ эл.), т.е. электромагнитная мощность поменяла свое направление, следовательно, поменял направление и электромагнитный момент (стал тормозным).

Торможение противовключением

Для осуществления данного вида торможения необходимо переключить две любые фазы статора электродвигателя.

Используя формулу (для мгновенных значений), в нашем случае U поменяет свой знак (сдвиг фазы на 180⁰ эл.), т.е. станет –U.

И формула примет вид: , т.е. электромагнитная мощность (а, следовательно, и электромагнитный момент) поменяет свое направление и станет тормозящим.

Схема данного вида торможения (и реверса) имеет вид:

Механическая характеристика торможения противовключением (и реверса) имеет вид:

г) Реверс асинхронных электродвигателей

Для осуществления реверса, как и для торможения противовключением, необходимо, необходимо переключить две любые фазы электродвигателя. При этом физический смысл процесса, схема и механическая характеристика аналогичны режиму торможения противовключением. Механическая характеристика реверса (см. рисунок) начинается, когда характеристика пересекает ось абсцисс ( ), т.е. точку A.

д) Регулирование скорости

Согласно формуле: скорость асинхронного электродвигателя можно регулировать:

- изменением частоты питающей сети (f)

- изменением числа пар полюсов (P)

Регулирование изменением частоты питающей сети

Так как , то механические характеристики данного регулирования – семейство кривых, параллельных естественной механической характеристике.

Достоинства этого метода регулирования:

1) плавность

2) широкий диапазон регулирования

Недостатки:

1) регулирование более дорогое (необходим преобразователь частоты)

Регулирование изменением числа пар полюсов

Механическая характеристика данного вида регулирования имеет вид (т.к. ):

Достоинства данного метода регулирования:

1) дешевизна и надежность

2) большой диапазон регулирования

Недостаток:

1) скачкообразное регулирование (отсутствие плавного регулирования)

Кроме перечисленных способов, для асинхронных электродвигателей с фазным ротором существует способ регулирования скорости путем введения добавочного сопротивления в цепь ротора асинхронного электродвигателя.

Процесс регулирования аналогичен процессу реостатного пуска электродвигателя с фазным ротором, схема тоже аналогична, рассмотренных ранее (см. Реостатный пуск асинхронного электродвигателя с фазным ротором).

Достоинства данного метода:

1) большой диапазон регулирования

2) простота регулирования

Недостаток:

1) необходимость добавочного сопротивления

Иногда для увеличения диапазона регулирования и плавности регулирования используется (для электродвигателей с фазным ротором) комбинированный способ регулирования, совмещающий в себе регулирование изменением числа пар полюсов и введение дополнительного сопротивления в цепь ротора.

Механическая характеристика данного вида регулирования имеет вид:

Достоинства данного метода: широкий диапазон, плавность и дешевизна регулирования.

Совсем редко (слишком много недостатков) используется метод регулирования изменением величины подводимого напряжения.

Механическая характеристика данного метода:

Недостатки данного способа:

1) очень малый диапазон регулирования

2) сильно изменяется момент критический ( )

3) значительное возрастание тока статора при уменьшении величины подводимого напряжения

Достоинство: простота регулирования

е) Наброс нагрузки

Наброс нагрузки в электроприводе – это увеличение момента сопротивления на валу электродвигателя. Например: при работе грузового насоса на выгрузке нефтепродуктов в груз попал песок (камни).

При этом увеличивается момент сопротивления (статический момент) и станет больше вращающего (электромагнитного) момента. Электродвигатель тормозится ( ). Следовательно, уменьшится ЭДС ( ). Следовательно, возрастет ток якоря (статора), т.к. , а, следовательно (т.к. ), возрастет и электромагнитный (вращающий) момент. Электромагнитный момент будет увеличиваться до тех пор, пока не станет равным моменту статическому (сопротивления).

Логическая схема переходного процесса:

увеличивается пока не станет равным ( - установившийся режим работы).