1387

шееся состояние электропривода определяется точкой а, то

ванием тому, что правую ветвь характеристики Рас асинхрон­

нием нельзя допускать вследствие большой силы тока и опас­ ности перегрева обмоток.

Если предположить, что момент сопротивления Мс равен максимальному моменту двигателя (рис. 3.5, точка с), то для бесконечно малого изменения частоты вращения dMc/da) = = dMRB/d(a и электропривод будет находиться в состоянии без­ различного равновесия. Однако при больших отклонениях ча­ стоты вращения в сторону убывания электропривод полностью остановится.

Механическая характеристика двигателей постоянного тока

В зависимости от способа включения обмотки возбуждения двигатели постоянного тока разделяются на двигатели парал­ лельного, последовательного и смешанного возбуждения. По ряду причин, которые будут рассмотрены далее, в нефтяной и

газовой промышленности двигатели постоянного тока не полу­ чили широкого распространения. Однако в результате развития полупроводниковой техники ожидается расширенное их приме­ нение, особенно в буровых установках. Возбуждение этих дви­

р — число пар полюсов двигателя; а — число пар параллельных ветвей обмотки якоря.

Электромагнитный момент [см. формулу (3.21)] больше момента на валу двигателя вследствие механических и венти­ ляционных потерь в двигателе. Однако обычно эти потери незначительны и момент на валу двигателя принимают равным

где г — суммарное сопротивление якорной цепи, состоящее из сопротивления реостата гр и внутреннего сопротивления якоря гя (сюда также входят сопротивления обмоток последо­ вательного возбуждения, дополнительных полюсов и компенса­ ционной) .

После подстановки в эту формулу э. д. с. из выражения (3.20) и тока якоря из формулы (3.21) получим уравнение ме­ ханической характеристики:

Под естественной механической характеристикой двигателя понимается характеристика, которой он обладает при номи­ нальном напряжении питания, полном потоке и без внешних сопротивлений в цепи якоря. Характеристики двигателя при наличии внешних сопротивлений в цепи якоря, пониженном напряжении питания или при ослабленном потоке называются искусственными.

132

Из равенства (3.23) следует, что при постоянном значении напряжения питания, неизменных магнитном потоке и сопро­ тивлении цепи якоря механические характеристики двигателя (естественная и искусственные) представляют собой прямые

(рис. 3.6). Частота вращения м0 называется частотой идеаль­ ного холостого хода. Вторая точка, которую обычно используют для построения механических характеристик двигателя, имеет

рактеристика. Внутреннее сопротивление цепи якоря машин постоянного тока большой и средней мощности обычно неве­ лико, поэтому их естественная механическая характеристика жесткая (рис. 3.6, линия 1).

Электрическая машина постоянного тока является обрати­ мой, т. е. она может работать как в режиме двигателя, потреб­ ляя электрическую энергию из сети и преобразуя ее в меха­ ническую, так и в режиме генератора, получая механическую энергию на вал извне и преобразуя ее в электрическую, которая снимается с зажимов машины. В электроприводе электриче­ ская машина обычно работает в режиме двигателя, однако в ряде случаев возможен и генераторный режим. Механическая энергия получается при этом от приводимого механизма, на­ пример вследствие опускающегося груза или запасенной в дви­ жущихся частях кинетической энергии, и превращается в элек-

133

электрической машины противоположен движущему моменту механизма, а направление движения совпадает с направлением момента, развиваемого механизмом.

Практически режим противовключения чаще всего получа­ ется при переключении вращающегося двигателя на противопо­ ложное направление, когда под действием кинетической энер­ гии электропривода вал двигателя еще продолжает вращаться в прежнем направлении, а его момент направлен в противо­ положную сторону. Двигатель затормаживается, его вал останавливается, затем изменяется направление вращения, пе­ реходя в двигательный режим. На рис. 3.6 режиму противо­ включения соответствует участок Е.

Третьим способом электрического торможения двигателя является динамическое торможение, при котором якорь двига­ теля отключают от сети и замыкают на отдельный внешний резистор. Обмотка возбуждения при динамическом торможе­ нии остается присоединенной к сети. Машина работает в ре­

вращения положительна и уравнение механической характери­ стики (3.23) принимает вид

Таким образом, механические характеристики при динами­ ческом торможении представляют собой прямые линии, прохо­ дящие через начало координат (см. рис. 3.6, прямые F и G). Наклон этих линий при неизменном значении магнитного по­ тока Ф зависит от сопротивления цепи якоря г и при наличии внешнего резистора увеличивается.

Рассмотрим влияние изменения параметров г, Ф и U на ме­ ханическую характеристику двигателя. При увеличении сопро­ тивления резистора в цепи якоря наклон механической харак­ теристики увеличивается и характеристика становится менее жесткой (см. рис. 3.6, линия 2). Поскольку частота вращения too не зависит от г, механические характеристики для различ­ ных сопротивлений цепи якоря пересекают ось ординат в об­ щей точке. Введение резистора в цепь якоря приводит к умень­ шению пускового тока и момента, поэтому с увеличением со­ противления г точка пересечения с осью абсцисс перемеща­ ется к началу координат.

Для изменения магнитного потока Ф в цепь обмотки воз­

135

Механическая характеристика двигателей переменного тока

В нефтяной и газовой промышленности наибольшее распро­ странение получили двигатели переменного тока — асинхронные

благодаря простоте их конструкции, надежности в эксплуата­ ции и сравнительно низкой стоимости. Кроме того, асинхрон­ ные двигатели не требуют для питания преобразовательных установок, так как получают энергию непосредственно от об­ щей сети переменного тока. При присоединении обмотки ста­ тора к сети трехфазного тока в расточке статора возникает вращающееся магнитное поле. Частота его вращения (синхрон­ ная скорость) п0 (в об/мин), так же как и его -угловая скорость

Вращающееся поле, пересекая проводники ротора., индукти­ рует в них э. д. с., и, если обмотка ротора замкнута, в них про­ текают токи. В результате взаимодействия токов ротора с вра­ щающимся магнитным полем возникает вращающий момент. Ротор начинает вращаться, однако частота вращения ротора со всегда меньше частоты вращения поля (о0, поскольку в случае равенства этих частот не было бы тока в роторе, а следова­ тельно, и вращающего момента.

Для двигателя общепромышленного исполнения скольже­ ние при номинальной нагрузке на валу в среднем составляет от 1 до 5%.

136

Схема включения асинхронного двигателя с фазным рото­ ром представлена на рис. 3.7, а. Уравнение механической ха­ рактеристики асинхронного двигателя может быть получено на основании выражения момента, развиваемого двигателем, и схемы замещения (рис. 3.7,6). При анализе указанной схемы полную проводимость контура намагничивания принимают по­ стоянной. Параметры всей схемы замещения считаются неиз­ менными, не учитываются добавочные потери и влияние выс­ ших гармонических составляющих магнитодвижущей силы.

а

Сеть

Мощность, передаваемую ротору вращающимся магнитным полем статора, можно выразить через электромагнитный мо­ мент Мэм и частоту вращения поля статора со0:

В то же время мощность Рэм равна мощности Р и забирае­ мой из сети, минус сумма потерь в обмотке статора и в стали статора ДРСт ь

стали ротора, а оставшаяся мощность преобразуется в механи­ ческую. Потери в стали ротора малы по сравнению с потерями в обмотке, и ими обычно пренебрегают. Тогда механическая мощность, развиваемая двигателем, составит

137

Выразив мощности через момент и частоты вращения, по­ лучим

откуда после преобразований может быть получено выражение электромагнитного момента:

Момент, развиваемый двигателем на валу, меньше электро­ магнитного на величину момента механических потерь (трение в подшипниках и вентиляция). Момент механических потерь относительно мал, им обычно пренебрегают, и вращающий момент асинхронного двигателя М принимают равным элек­ тромагнитному моменту Мэм.

Выражение тока ротора можно получить из схемы замеще­

суммы хх+ х2, и им обычно пренебрегают. Подставив значение тока 12в уравнение момента (3.34), получим

Выражение (3.36) представляет собой уравнение механи­ ческой характеристики M = f(s). Анализ выражения (3.36) по­ казывает, что зависимость M=f(s) имеет два максимума при изменении скольжения от —оо до + оо, так как на границах указанного интервала и при s = 0 она обращается в нуль. Взяв производную dM/ds и приравняв ее нулю, можно найти кри­ тическое скольжение sI{, при котором двигатель развивает мак­ симальный (критический) момент Мп.

т

мальный) пропорционален квадрату напряжения сети; макси­ мальный момент не зависит от активного сопротивления ро­ тора.

Формулы (3.36) —(3.38) трудно применять в расчете и для построения характеристик, поскольку в каталогах не приво­ дятся параметры Х\ и х2. Поэтому на практике используют уп­ рощенное уравнение механической характеристики, в которое входят лишь величины, получаемые только из каталожных дан­ ных. Это уравнение получается из совместного решения урав­

текущих значений М и s подставить их номинальные значения Мв и sH:

Коэффициент X, характеризующий отношение максималь­ ного момента к номинальному, называют перегрузочной спо­ собностью двигателя. Для асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором обычно Я = 1,8—2,5.

139