книги из ГПНТБ / Кудактин, А. В. Электрооборудование подъемно-транспортных машин учебник для учащихся механизаторской специальности мореходных училищ

при этом частота вращения ротора изменяется от щ до 0. Но­ минальная величина скольжения асинхронного электродвигателя

10—20 кВт). Очевидно, 5 = 0 в том случае, когда ротор вращается с синхронной частотой пх. Можно считать, что на холостом ходу электродвигателя его ротор вращается с этой частотой, если не учитывается трение.

жимом стоянки под током). Получить режим короткого замыка­ ния можно, искусственно затормозив ротор или перегрузив электродвигатель до полной остановки его. Пуск асинхронного электродвигателя также начинается именно с этого режима.

Выражение (81) показывает, что скольжение может изменять­ ся гораздо в больших пределах, чем указано выше. Действитель­ но, ротор электродвигателя под действием постороннего источ­ ника механической энергии (например, под действием опускаю­

электродвигателя в генераторном режиме, когда, например, под действием опускающегося груза ротор вращается в ту же сторо­ ну, что и магнитное поле статора с частотой п2> п х.

Можно также представить, что ротор электродвигателя под действием опускающегося груза вращается в направлении, про­ тивоположном направлению вращения магнитного поля статора. В этом случае 5 > 1, так как в выражение (81) величину п2 нуж­ но подставить с отрицательным знаком. Такой режим называет­ ся режимом противовключения.

Таким образом, теоретически скольжение асинхронного электродвигателя может изменяться в пределах от —оо до + оо. Практически же скольжение асинхронного электродвига­ теля при работе последнего в двигательном и тормозном режи- ,

с помощью которой производится анализ работы электродвига­ теля и исследуются режимы его работы. На рис. 41 приведена

70

упрощенная схема замещения асинхронного электродвигателя, в которой приняты следующие обозначения:

U\ — фазное напряжение обмотки статора, В; 1Х— фазный ток обмотки статора, А;

фазы обмотки ротора, Ом.

Для приведенных величин могут быть выведены следующие соотношения:

Мощность Р1, забираемая электродвигателем из сети, опре­ деляется напряжением сети UXi током статора Д, зависящим от

71

что намагничивающий ток этих электродвигателей составляет 50—70% номинального тока статора.

§ 24. Вращающий момент

Вращающий момент асинхронного электродвигате­ ля создается, как уже указывалось, за счет взаимодействия меж­ ду вращающимся магнитным потоком статора и токами в обмотке ротора. Вполне понятно, что при отсутствии тока в обмотке ро­ тора никакого момента создаваться не будет. Скольжение харак­ теризует частоту вращения ротора относительно магнитного поля статора. От величины этой частоты зависит ток в роторе, а от

несмотря на свою простоту, не дает возможности выяснить влия­ ние различных факторов на величину вращающего момента. По­

Выражение (90) показывает, что вращающий момент пропор­ ционален квадрату напряжения сети, в связи с чем даже не­ большое уменьшение напряжения в питающей сети приводит к резкому снижению вращающего момента, что отрицательно ска­ зывается на работе электродвигателя.

Кроме того, выражение (90) учитывает зависимость вели­ чины вращающего момента от активных и индуктивных сопро­ тивлений электродвигателя, а также от скольжения.

Если обозначить (x\-{-cxf2) через х и выполнить несложные преобразования в формуле (90), то получим

72

где

m^Ui2 92

( )

9,81co1c2r2'

Таким образом доказано, что с увеличением скольжения воз­ растает и момент электродвигателя.

Более точный анализ выражений (90) и (91) показывает, что момент с увеличением скольжения возрастает лишь до некото­ рого критического значения М крит (так называемый опрокиды­ вающий момент), после чего начинается резкое его снижение.

Величина критического скольжения, при которой имеет место опрокидывающий момент,

электродвигателя в режимах двигательном и торможения противовключением, а знак минус — к работе в генераторном режи­ ме с отдачей энергии в сеть. Очевидно, что критический момент в двигательном режиме меньше, чем в генераторном.

Зависимость M = f(s)y построенная по уравнению (91), при­ ведена на рис. 42, который показывает, что при трогании элек­

ся его основным недостатком.

Выражения (93) и (94) показывают, что при изменении ак­ тивного сопротивления роторной цепи величина опрокидываю­ щего момента М крИт не изменяется, меняется при этом лишь ве­ личина критического скольжения 5крИт. Поэтому при различных активных сопротивлениях роторной цепи кривые M = f(s) имеют различный характер. Эти кривые показывают, что пусковой мо­ мент асинхронного электродвигателя с фазным ротором можно искусственным образом изменять, вводя различные активные со-

73

противления в его роторную цепь. Таким же образом можно регулировать частоту вращения электродвигателя, так как при изменении активного сопротивления роторной цепи меняется ве­ личина скольжения (рис. 43), а от скольжения, как показывает выражение (82), зависит частота вращения асинхронного элек­ тродвигателя.

§ 25. Механические характеристики

Анализ работы асинхронного электродвигателя удобно проводить на основе его механических характеристик, представляющих собой графически выраженную зависимость ви­ да n = f(M). Скоростными характеристиками в этих случаях поль­ зуются весьма редко, так как для асинхронного электродвигателя скоростная характеристика представляет собой зависимость ча­ стоты вращения от тока ротора, при определении которого встречается ряд трудностей, особенно в случае асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором.

Для асинхронных электродвигателей, так же как и для элек­ тродвигателей постоянного тока, различают естественные и искусственные механические характеристики. Асинхронный элек­ тродвигатель работает на естественной механической характери­ стике в том случае, если его статорная обмотка подключена к сети трехфазного тока, напряжение и частота тока которой соот­

сделав несложные преобразования, получим следующее уравнение механических характеристик асинхронного электродвигателя:

а член t\S опущен, ввиду его малости. Механические характери­ стики, соответствующие этому уравнению, приведены на рис. 44.

Для практических построений уравнение (95) неудобно, по­ этому на практике обычно пользуются упрощенными уравнения­ ми. Так, в случае работы электродвигателя на естественной харак­ теристике при вращающем моменте, не превышающем 1,5 его номинального значения, скольжение обычно не превышает 0,1. По­

этому для указанного случая в уравнении (95) можно пренебречь у*2с2

членом ------ М, в результате чего получим следующее упро- kr'2

74

щенное уравнение естественной ха­ рактеристики:

пределах для вращающегося момента и строить ее по уравне­

нию (97).

Таким образом, механические характеристики асинхронного электродвигателя в диапазоне от М = 0 до M =1,5M H при различ­ ных сопротивлениях роторной цепи представляют собой прямые, пересекающиеся в одной точке (рис. 45). Как показывает урав­ нение (97), наклон каждой характеристики к оси абсцисс опреде­ ляется величиной активного сопротивления роторной цепи г'2. Очевидно, чем больше сопротивление, введенное в каждую фазу ротора, тем больше наклонена к оси абсцисс характеристика.

Расчет пусковых и регулировочных сопротивлений производят с помощью уравнения (97). Построение естественной характери­

р

номинальном моменте.

Следует иметь в виду, что для асинхронных электродвигателей зависимость момента от тока ротора /2 носит более сложный ха­ рактер, чем зависимость момента от тока якоря для электродви-

75

гателей постоянного тока. Поэтому скоростная характеристика асинхронного двигателя неидентична механической характеристи­ ке. Характеристика n = f(12) имеет вид, показанный на рис. 46. Там же дана характеристика n = f(11).

§ 26. Пуск в ход

Из курса электротехники известно, что при пуске асинхронные электродвигатели потребляют из питающей сети зна­ чительные пусковые токи. Действительно, в момент пуска сколь­ жение асинхронного электродвигателя 5=1, в номинальном же режиме оно не превышает обычно 0,05. Это означает, что в момент пуска вращающееся магнитное поле статора в 20 раз чаще пере­ секает обмотку ротора.

Однако пусковой ток в статорной и роторной обмотках обыч­ но не превышает номинальный ток более чем в 7— 8 раз, так как в момент пуска индуктивное сопротивление роторной цепи резко повышается за счет увеличения частоты тока. Известно, что индук­ тивное сопротивление любой цепи может быть определено по сле­ дующему выражению:

где L — индуктивность цепи.

В момент пуска частота тока в обмотке ротора при принятых выше условиях (5пуск=1; sHOm= 0,05) в 20 раз выше, чем в номи­ нальном режиме. Поэтому полное сопротивление роторной цепи

z = ]/~ R2JrX2L при пуске намного выше по сравнению с номиналь­

ным режимом. Этим и объясняется тот факт, что ток в момент пуска не в 20 раз превышает свое номинальное значение, а лишь в 7—8.

Для самого электродвигателя повышенные пусковые токи большой опасности не представляют, так как протекают они в те­ чение сравнительно короткого промежутка времени и перегреть обмотки не успевают. Однако повышенные пусковые токи приво­ дят к большим провалам напряжения в питающей сети, что край­ не неблагоприятно сказывается на работе других потребителей. Это заставляет применять ряд специальных мер, ограничивающих пусковые токи асинхронных электродвигателей.

Следует иметь в виду, что асинхронные электродвигатели, имея большой пусковой ток, обладают сравнительно небольшим пуско­ вым моментом, так как в момент пуска коэффициент мощности роторной цепи очень низок. Вращающий же момент, развиваемый асинхронным электродвигателем, согласно выражению (6 ), про­ порционален не только току ротора, но и коэффициенту мощности роторной цепи.

Поэтому искусственные схемы пуска асинхронных электродви­ гателей, рассматриваемые ниже, часто имеют своей целью не толь­

76

ковой момент вплоть до М крит. Выражение (93) показывает, что величина скольжения 5 Крит, при которой имеет место максималь­ ный момент, зависит от активного сопротивления фазы ротора. Следовательно, подобрав соответственную величину этого сопро­ тивления, можно получить момент, близкий по величине к А^крит (см. рис. 43 и 44).

Расчет пускового реостата удобно производить графо-анали­ тическим способом, имеющим много общего с ранее рассмотрен­ ными способами для электродвигателей постоянного тока.

Чтобы рассчитать пусковой реостат, необходимо знать номи­ нальные данные электродвигателя и иметь его естественную меха­ ническую характеристику n = f(M). Последняя может быть легко построена, как известно, по двум точкам — по синхронной скоро­ сти при нулевом моменте и по номинальной скорости при номи­ нальном моменте. Имея эти данные, можно производить расчет пускового реостата по следующей методике.

1. Выбираются пределы изменения вращающего момента при пуске Мщах и Afmin и откладываются на пусковой диаграмме (рис. 47). При выборе моментов следует руководствоваться тем, что максимальный момент при пуске должен быть несколько меньше опрокидывающего момента, а минимальный — несколько выше момента статического сопротивления Мс, причем чем меньше выбрана разность (Мт ах—М тт), тем больше ступеней будет иметь пусковой реостат и тем плавнее будет происходить пуск электро­ двигателя. Правда, пусковой режим при этом будет несколько за­ тягиваться.

2 . Пуск электродвигателя должен начинаться с точки /, так как при трогании с места электродвигатель по принятому выше условию должен развивать момент Мтах при п = 0. Следователь­ но, первая пусковая характеристика а, соответствующая полно­ стью включенному пусковому реостату, должна проходить через точки п0 и 1. Частота вращения электродвигателя будет возрас­ тать, так как Мтах> М Су т. е. имеется избыточный момент, сооб­ щающий механизму ускорение. С увеличением частоты вращаю­

77

3. При отключении первой ступени происходит переход элек­ тродвигателя на работу с характеристики а на характеристику b, соответствующую включенному пусковому реостату без первой ступени. За время отключения первой ступени частота электро­ двигателя практически не успевает измениться, поэтому можно считать, что переход с одной характеристики на другую происхо­ дит по горизонтальной прямой 2—3 и характеристика b проходит через точки п0 и 3.

4. Дальнейший разгон электродвигателя происходит уже по характеристике b до тех пор, пока вращающий момент снова не снизится до значения Мщш. При этом должна быть отключена вторая ступень реостата и электродвигатель перейдет на работу по характеристике с. Переход происходит по горизонтальной пря­ мой 4—5, а характеристика с проходит через точки п0 и 5.

5. Когда при работе на характеристике с момент опять сни­ зится до значения Мт ш, отключается третья последняя ступень пускового реостата и электродвигатель переходит на работу по естественной характеристике d. На этой характеристике разгон электродвигателя продолжается до тех пор, пока его вращающий момент не станет равным моменту статического сопротивления. После этого разгон прекратится и электродвигатель будет рабо­ тать с установившейся скоростью.

Следует заметить, что в рассмотренном случае число ступеней пускового реостата заранее выбрано. Поэтому моменты Мт&х и Mmin должны быть выбраны так, чтобы при отключении третьей ступени электродвигатель переходил на естественную характери­ стику d. Если этого не происходит, необходимо несколько изме­ нить значения моментов Мтах и Мтm и повторить построение. В том случае, когда число ступеней не ограничивается, построение ведется до тех пор, пока не происходит переход на естественную характеристику. Число ступеней реостата определяется в этом случае по пусковой диаграмме.

6 . Пользуясь пусковой диаграммой (см. рис. 47), нетрудно оп­ ределить сопротивление как всего реостата, так и отдельных его ступеней. Нетрудно доказать, что отрезок 7—9 представляет в масштабе сопротивлений активное сопротивление фазы обмотки ротора, а отрезок 1^-7 в том же масштабе — полное активное со­ противление фазы пускового реостата. Отрезки 1—3, 3—5 и 5—7 представляют соответственно величины активных сопротивлений первой, второй и третьей ступеней пускового реостата.

Масштаб сопротивлений может быть определен по выражению

78

может быть взято из паспортных данных электродвигателя или определено измерением или расчетом по формуле

Рассмотренный способ пуска в ход асинхронных электродви­ гателей с фазным ротором отличается простотой, надежностью. Он позволяет снизить пусковой ток и повысить, при необходимо­ сти, пусковой момент вплоть до опрокидывающего момента. Недостатком данного способа следует считать значительные по­ тери энергии в пусковых реостатах, а также большие габариты последних при большом числе ступеней. Чтобы избежать приме­ нения слишком громоздких пусковых реостатов, в крановых схе­ мах часто применяют реостаты с так называемой несимметрич­ ной схемой, когда сопротивление выводится не одновременно из трех фаз роторной цепи, а постепенно.

В начальный момент пуска в роторную цепь электродвигате­ ля введено все сопротивление. Затем постепенно, по мере раз­

цепи первой фазы, потом второй, затем третьей; при следующем положении контроллера выводится вторая ступень сопротивле­ ния из цепи первой фазы и так до тех пор, пока при последнем положении контроллера не будет выведено все сопротивление и замкнута накоротко цепь ротора.

Такой способ пуска создает некоторую асимметрию токов ро­ торной цепи, что, однако, опасности для электродвигателя не представляет и позволяет в то же время несколько уменьшить габариты пусковых реостатов и контроллеров.

Пуск электродвигателей с короткозамкнутым ротором. Пуск мощных асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором связан с рядом трудностей, так как ограничение пуско­ вых токов введением дополнительных сопротивлений в цепь ротора применить в данном случае невозможно. Как правило, в подъемно-транспортных машинах находят применение электро­ двигатели с короткозамкнутым ротором сравнительно небольшой мощности, вследствие чего необходимости в ограничении пуско­ вых токов обычно не возникает.

При питании асинхронного электродвигателя с короткозамк­ нутым ротором от мощной сети пуск в большинстве случаев про­ изводится подключением обмотки статора к полному напряже­ нию питающей сети, как показано на рис. 48, а.

Если мощность электродвигателя соизмерима с мощностью сети, пусковые токи вызывают недопустимо большие падения

79