2.5.1 Построение механических характеристик с использованием формулы Клосса

Выражение зависимости вращающегося электромагнитного момента от скольжения - формула Клосса. Ее получают путем деления .

После проведения несложных алгебраических операций получим выражение, формулу Клосса:

(33)

Перегрузочная способность двигателя:

Если в уравнение (28) вместо момента подставить , получим:

(34)

Решим (34) относительно критического скольжения :

(35)

Используя эти выражения, а, также зная паспортные данные двигателя, легко можно построить механические характеристики , .

Последовательность промежуточных расчетов приведена в курсе «ЭП». Построение характеристик сводится к использованию уравнений (33) и (29):

В интервале от выбираем шаг не более 0,01,т.е. .

В интервале от шаг .

Получим характеристики аналогичные построенным ранее.

Рис.46 Механическая характеристика АД -

Рис.47 Механическая характеристика АД -

Эти характеристики, отличаются от экспериментальных механических характеристик тем, что реальный пусковой момент несколько больше, чем расчётный, при скольжении .

Реальные механические характеристики имеют некоторый провал в области скольжения . Это связанно с тем, что в расчётных характеристиках построенных с помощью формулы Клосса не учитываются конструктивные особенности двигателя, направленные на улучшение их пусковых свойств (двигатель с глубоким пазом или с роторной обмоткой типа беличьего колеса). Части характеристик, описывающих устойчивую работу (рабочие части характеристик) при скольжении практически точно совпадают.

Построение искусственных механических характеристик с использованием формулы Клосса несколько затруднительно в связи с тем, что для этого требуется уравнения зависимостей:

а) ;

б) ;

в) .

Достаточно точно эта зависимость может быть определена только для случая (а).

,

2.5.2 Пуск ад

Асинхронные двигатели с КЗ ротором является наиболее простым, дешевым и одним из самых надёжных типов ЭД, следовательно, в промышленности находят наиболее широкое применение.

При пуске в начальный момент АД обеспечивает достаточно большое значение момента. Для ЭП малой мощности к тому же не обладают большими пусковыми токами, следовательно, в АД с КЗ ротором малой мощности используют прямой пуск.

В ЭП средней и большой мощности задача пуска несколько сложнее. Это связано с тем, что электромагнитный момент выражается зависимостью:

, (36)

где - конструктивная электромагнитная постоянная двигателя, которая зависит от числа пар полюсов двигателя и способов наматывания статорной и роторной обмотки;

- основной магнитный поток;

- ток в роторе;

- угол сдвига фаз между ЭДС и током ротора.

При этом, в уравнении (36) не учитывается влияние на магнитный поток скорости и угла поворота ротора.

Уравнение (36) можно проиллюстрировать следующей векторной диаграммой (рис. 48).

Рис.48 Векторная диаграмма

Сдвиг фаз между ЭДС и током определяется активным и индуктивным сопротивлением обмотки ротора. При этом известно, что это соотношение изменяется при изменении скорости вращения ротора. И, в частности, при неподвижном роторе, фазовый сдвиг между ЭДС ротора и током ротора будет наибольшим (предельным для двигательного режима), т.е. скольжение , .

Величина индуктивного сопротивления будет наибольшей. Будет иметь место эффект вытеснения тока , следовательно, уменьшается эффективное сечение проводника и увеличится индуктивное сопротивление. В результате чего , что приведёт к понижению пускового момента. Кроме того, при неподвижном роторе относительная скорость пересечения силовыми линиями магнитного поля витков ротора также будет наибольшей.

ЭДС в обмотке ротора:

,

где - скорость изменения магнитного потока.

Величина пускового тока , что может привести к перегреву двигателя.

При запуске АД в ЭП средней и большой мощности основными задачами являются:

1) ограничение пускового тока (снижение броска тока );

2) увеличение пускового момента .

Если внимательно изучить уравнение (32), но нетрудно убедиться, что 1-ая задача может быть решена введением активного в цепь ротора, что позволяет:

а) снизить ;

б) увеличить составляющую , и, как следствие, увеличить пусковой момент.

Этот способ может быть применен только для двигателя с фазным ротором. При этом пусковые характеристики представляют собой семейство реостатных характеристик, где число ступеней чаще всего известно заранее.

Последовательность реостатного пуска

Рассмотрим последовательность реостатного пуска на рис. 49.

Рис.49 Семейство пусковых реостатных характеристик АД

На рис.49:

- «пиковый» момент, при котором начинается работа на новой механической характеристике (т.3, 5, 7, 9);

- момент переключения, при котором происходит переход на новую механическую характеристику (т.2, 4, 6, 8).

В момент подключения статорной обмотки к питающей сети ступенчатое добавочное сопротивление введено в цепь ротора полностью (т.1.). По мере разгона ротора угловая скорость возрастает, а относительная скорость перемещения силовых линий магнитного поля относительно роторной обмотки уменьшатся, следовательно, ЭДС и ток якоря и уменьшаются. Поэтому уменьшается и момент .

Для поддержания дальнейшего разгона двигателя отключают одну ступень (в т.2.), после чего характеристика переходит в точку 3. Далее разгон по 2-ой характеристике до т.4. После чего отключается следующая ступень, рабочая точка переходит в т. 5, и т.д. Разгон заканчивается на естественной характеристике в т. , при номинальных значениях скорости и момента .

В процессе разгона вращающий момент должен находиться в пределах:

Пуск может быть:

- форсированным (повышенные требования к длительности процесса запуска), и , смещены вправо;

- нормальным (повышенные требования к термическому состоянию двигателя ), и смещены влево.

Двигатель с КЗ ротором в зависимости от мощности и перечисленных требований к процессу запуска может быть запущен следующими далее методами.

1. Переключение со звезды в треугольник. При пуске статорная обмотка соединяется в звезду (пусковой ток уменьшается в 3 раза). При работе - соединяется в треугольник. Этот способ практически не обеспечивает увеличение момента при пуске.

2. Реакторный пуск заключается в том, что на время пуска в цепь статора вводиться токоограничивающие реакторы.

3. Автотрансформаторный: в цепь статора вводится трехфазный автотрансформатор. Запуск начинается при минимальном напряжении статорной обмотки, а заканчивается при номинальном.

Однако, в настоящее время наиболее эффективным способом запуска АД с КЗ ротором является частотный запуск.

Для этого в цепь статора включается частотный преобразователь. Пуск начинается при минимальной частоте. Это позволяет уменьшить пусковой ток и повысить пусковой момент (см. семейство частотных характеристик). Одновременно с частотой изменяют напряжение.

Рис.50 Схема частотного пуска

Рис.51 Семейство пусковых характеристик АД при изменении частоты

Минимизация пусковых токов реализуется за счёт уменьшения действующего значения напряжения в начале пуска. Однако, при этом уменьшается также и пусковой момент. В то же время известно, что пусковой момент тем больше, чем меньше частота питающего напряжения. Таком образом, уменьшение пускового момента, при уменьшении напряжения, компенсируется уменьшением частоты.

По мере разгона двигателя ступенчато уменьшают частоту и напряжение ротора . Пуск заканчивается на естественной механической характеристике (рабочая точка ), при скорости и моменте .

При этом, плавность процесса пуска обеспечивается равенством пусковых моментов и моментов переключения на всех ступенях пуска ( , ).

Форсированный или нормальный пуск обеспечивается начальным значением частоты и за счёт изменения шага частоты. Чем меньше начальное значение частоты, тем больше пиковый момент.