Электрические машины

129

В момент пуска частота ЭДС и тока ротора максимальная, равна частоте питающей сети, поэтому добавочное индуктивное сопротивление Х2д является большим

Х2д 2 f2 L2д

иток протекает, в основном, по параллельному активному сопро-

тивлению R2д. По мере разгона двигателя частота тока ротора уменьшается, что приводит к автоматическому плавному уменьшению величины Х2д почти до нуля, когда это сопротивление практически закорачивает R2д. При определенном расчете величин R2д и Х2д можно обеспечить почти постоянное значение пускового момента, близкое к величине М к е.

Индуктивности в цепи ротора включаются редко, так как они являются дополнительными дорогостоящими элементами, а постоянство пускового момента можно обеспечить без них, осуществляя автоматически уменьшение пускового резистора по мере разгона двигателя.

4.6.4 Искусственные механические характеристики АД при f1 f1н

Исследовано [4,5] несколько условий работы АД при неноминальной частоте напряжения и тока статора, например:

М к и М к е const, Ф const. Однако, это условие может быть выполнено в замкнутых системах регулирования АД с обратной связью по скорости или ЭДС, что требует применения специальных датчиков.

Условие «а» является наиболее простым, но может быть реализовано при небольшом диапазоне изменения f1, так как при малых частотах уменьшается собственное индуктивное сопротивление АД, что приводит к существенному увеличению пускового тока.

телей постоянного тока.

На рис. 4.8. показаны МХ когда f1 f1н, U1 U1н const. Для их построения нужно в выражение (4.16) ввести следующие параметры:

Через показатели естественных МХ формулы (4.48), (4.49) записываются в виде:

Скоростьхолостогоходаизменяетсяпропорциональночастоте f1:

131

Влияние частоты на МХ при U1 U1н const хорошо просматривается по рис. 4.8. Управление режимами работы АД, в том числе — регулирование скорости, путем изменения только частоты питающего напряжения используется на практике редко, так как есть проблемы пуска двигателя.

Наиболее распространены способы частотного регулирования АД при условии U1 f1 const. Механические характеристики АД при одновременном изменении частоты и напряжения статора с условием U1 f1 const описываются выражением (4.16) с параметра-

ми Sк и , М к и , и по формулам:

Согласно (4.52) и (4.53) перегрузочная способность АД по моменту Mки и пусковой ток изменяются мало. Механические характеристики АД для варианта U1 f1 const показаны на рис. 4.9.

Обратим внимание на то, что механические и скоростные характеристики строятся всегда в координатах M , — рис. 4.8, 4.9. Для каждого значения M (s) по (4.29) нужно найти скорость

f1 (1 s).

132

4.6.5 Другие искусственные МХ АД

К другим способам получения искусственных характеристик АД относятся: изменение числа пар полюсов, питание статора напряжением двух частот — одна нерегулируемая, другая регулируемая (АД двойного питания с двухобмоточным статором), регулирование тока ротора в электромеханических каскадах, импульсное регулирование параметров (коммутация цепей статора и ротора в режиме включено-выключено), регулирование тока ротора в электрических каскадах и др. В настоящее время чаще используются первый и последний способы.

Переключение числа пар полюсов широко используется в станочных электроприводах. Здесь применяются асинхронные двигатели с короткозамкнутым (литым) ротором и двумя обмотками статора. Переключение секций каждой из обмоток позволяет ступенчато регулировать скорость электрическим способом, заменяя им механические системы регулирования. Например, для двух вариантов

можно на одной обмотке получить р = 2 и 4, на другой 3 и 6, что обеспечит синхронные скорости n0 1500, 750, 1000, 500 об/мин.

Регулирование тока и ЭДС ротора возможно лишь у АД с фазным ротором. Кроме того, это регулирование требует применения специальных электронных устройств. На практике имеют применение асинхронно-вентильные каскады по схеме на рис. 4.11. Здесь в цепи ротора включены нерегулируемый выпрямитель В и инвертор

133

И, генерирующий энергию от мощности скольжения ротора в сеть. При этом выпрямленная ЭДС ротора сравнивается с противо-ЭДС сети, регулируемой инвертором Еи.

Для согласования напряжения сети и напряжения цепи ротора предусмотрен трансформатор Тр.

В асинхронно-вентильном каскаде (АВК) механические характеристики получаются близкими к МХ, получаемым при частотном регулировании с условием U1 f1 const. Здесь скорость холостого хода регулируется по закону

U1, f1

Тр

АД

В И

Id

Рис. 4.11

Исследования показали, что АВК по возможности регулирования скорости АД и технико-экономическим показателям уступают системам частотного регулирования. Во-первых, требуется применение двигателей с фазным ротором, которые в 2 раза дороже АД с короткозамкнутым ротором. Во-вторых, АВК не обеспечивают больших диапазонов регулирования скорости. При Д 3 уменьшается КПД и коэффициент мощности, ток в цепи ротора становится

134

прерывистым. Мощность АВК редко превышает 10 кВт. Используются они как электроприводы подъемных устройств, вентиляторов, насосов, компрессоров и турбомеханизмов.

4.7 Пуск и реверс АД

Пуск и реверс асинхронных двигателей может выполняться прямым включением статорных обмоток на номинальное напряжение питающей сети при закороченных обмотках ротора. Возникающий пусковой ток, в 4 8 раз превышающий номинальное значение, для двигателей не опасен, поскольку АД не имеет коллектора (нет проблем коммутации) и малая длительность процесса пуска (не более нескольких секунд) не приводит к перегреву обмоток.

Не опасен для АД и прямой реверс, то есть изменение направления вращения двигателя с максимальной скорости «вперед» до максимальной скорости «назад», или наоборот. Реверс осуществляется переключением двух любых фаз питающего напряжения — см.

рис. 4.12.

Пуски и реверсы АД могут повторяться, например — с характерной для станков цикличностью 5 10 мин. Все асинхронные двигатели выполнены так, что прямые пуски и реверсы они выдерживают нормально, не перегреваются, даже если работают с номинальным моментом нагрузки.

Не допускается прямой пуск и реверс АД в двух случаях:

1)переходные процессы пуска (реверса) ожидаются заведомо затяжными, что характерно, например, для электроприводов турбомеханизмов (вентиляторы, компрессоры, насосы и др.), имеющих большие моменты инерции; в данном случае длительная перегрузка по току будет перегревать обмотки двигателя;

2)мощность двигателя соизмерима с мощностью питающей сети; не допускается прямой пуск АД, если его мощность превышает 20% мощности источника питания, так как в этом случае потери напряжения во внутреннем сопротивлении источника от пускового тока АД будут отрицательно сказываться на других потребителях энергии.

136

I1п д I1н,

— кратность пускового тока к номинальному значению. Формулы для добавочных сопротивлений приведены в разде-

лах 4.6.2 и 4.6.3:

Важно помнить, что при ограничениях пускового тока запуск АД при номинальном моменте нагрузки возможен лишь в случае включения добавочного сопротивления в цепь ротора (см. раздел 4.6.3), когда пусковой момент не уменьшается, а наоборот увеличивается (рис. 4.7). При других способах токоограничения пуск должен осуществляться вхолостую, или при нагрузках, зависящих от скорости:

4.8 Тормозные режимы АД

Асинхронные двигатели, как и двигатели постоянного тока имеют 3 разновидности электрического торможения: противовключением, генераторное с рекуперацией энергии в сеть, генераторное без рекуперации (динамическое).

На рис. 4.13 показаны МХ с участками для тормозных режимов противовключением (выделены «жирными» линиями). Линейные характеристики, обозначенные ПИ (противовключения искусственные), могут быть получены у АД при включении в цепь рото-

137

ра добавочного активного сопротивления. Участок ПЕ — противовключение на естественной МХ.

Режимы противовключения на участке b — c в IV квадранте характерны для электроприводов подъемных устройств. Допустим, двигатель работал на естественной характеристике в режиме «подъем груза», что соответствует точке а в первом квадранте. Оператор принимает решение опускать груз со скоростью в точке с в четвертом квадранте. Для обеспечения этого режима оператор дает схеме управления АД команду на включение в цепь ротора добавочного активного сопротивления, обеспечивающего искусственную характеристику ПИ (величина этого сопротивления заранее рассчитана и ступень с этим сопротивлением в электрической схеме АД предусмотрена). После выполнения команды двигатель имеет крутящий момент в точке а на характеристике ПИ (мгновенно скорость, бывшая в точке а, не может измениться из-за инерционности механизма подъема). Этого момента явно недостаточно для подъема груза и система начинает замедляться да полного останова в точке b. Здесь опять активный момент груза (груз всегда тянет вниз) больше момента двигателя, и груз начинает раскручивать двигатель в обратном для его момента направлении. В точке с двигатель уравновесит момент груза и наступает равновесное движение с постоянной скоростью спуска. На участке b — с двигатель вра-

щается против движения вращающегося магнитного поля статора, создавая тормозной момент для активно действующего потенциального момента нагрузки.

Режимы противовключения на участках а — b и а — b во втором квадранте рис. 4.13 возникают при реверсе АД. Если при установившемся движении одного направления, например — вперед, поменять местами две фазы питающего напряжения статора, то есть включить АД для движения назад, момент двигателя скачком изменит свое направление и будет направлен против первоначального движения. Система начнет замедляться при действии тормозящего момента МТ, представляющего собой сумму момента противовключения двигателя Мпк и момента сопротивления нагрузки Мс:

138

МТ М п к М с.