книги из ГПНТБ / Головин Ю.К. Судовые электрические приводы. Устройство и эксплуатация учебник

§ 9. Механические характеристики асинхронных электродвигателей

Схемы включения асинхронных электродвига­ телей трехфазного переменного тока показаны на рис. 15, а, б. Они

подразделяются в зависимости от конструктивного исполнения ротора на двигатели с фазным и короткозамкнутым ротором.

Наибольшее распространение в судовых электроприводах полу­ чили асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором. Это-объя­ сняется простотой их обслуживания и надежностью в работе, малыми размерами и небольшой массой.

Основные параметры асинхронного двигателя — частота вращения ротора в минуту п и вращающий момент М определяют его механиче­

скую характеристику. Частота вращения

зо

где E2s= 4,44 k2f2w2Ф — э. д. с., индуктируемая в фазе враща­

ющегося ротора;

R 2 и х 2 — соответственно активное и индуктивное

сопротивление фазы неподвижного ро­ тора;

x2s = 2nf2L2 — индуктивное сопротивление фазы вра­

щающегося ротора;

k2 — обмоточный коэффициент;

w2 — число витков в фазе ротора.

Возникающий при этом вращающий момент выражается через поток

где /г — постоянная величина для данного двигателя;

/2 — сила тока ротора;

Ф— полный магнитный поток статора;

ф2 — угол сдвига векторов Е 2 и / 2;

Y r I + xIs

Если скольжение асинхронного двигателя изменяется от единицы (при пуске) до величины, близкой к нулю (при холостом ходе), то ча­ стота тока — от / 2 = /у = 50 до f 2 = 1 н- 2 Гц и менее. Полученные

зависимости от (36) до (40) показывают изменение основных электриче­ ских параметров (э. д. с., индуктивного сопротивления, тока ротора)

Рис. 16. Механические характеристики асинхронного электродвигателя:

в зависимости от частоты вращения и поясняют физический смысл механической характеристики асинхронного двигателя п = f (М). График этой зависимости представлен на рис. 16, а. Как видно из ри­

сунка, с уменьшением скольжения момент двигателя медленно увели­ чивается от пусковой величины М п до максимального значения М тах,

а затем быстро уменьшается по мере приближения частоты ротора к частоте вращения поля статора.

31

При п = tiL вращающий момент электродвигателя М = 0. Увели­ чение вращающего момента на участке 3—2 объясняется повышением

активной составляющей тока ротора / 2акт = / 2cosi|)2, которая воз­ растает вследствие более интенсивного увеличения cos ф2 по сравнению с уменьшением полного тока ротора / 2. На участке 2— 1 при cos ф2 да 1

(скольжение очень мало и индуктивным сопротивлением ротора можно пренебречь) интенсивное уменьшение вращающего момента происходит из-за уменьшения тока ротора. Максимальный момент имеет место при некотором критическом скольжении sK, которое наступает тогда, когда реактивное сопротивление ротора x 2s при увеличении частоты враще­

ния уменьшится до величины, равной его активному сопротивлению: x2s — R*. Это соответствует критической частоте вращения ротора:

где с — коэффициент пропорциональности.

Из уравнения (42) следует: значение максимального или критиче­ ского момента асинхронного электродвигателя не зависит от вели­ чины активного сопротивления роторной цепи.

Механическая характеристика асинхронного двигателя определяет­ ся положением трех точек: 1) М = 0; п — пг\ 2) М = М„; п = л к; 3) М = УИП; п = 0. Меняя координаты этих точек путем изменения

электрических параметров (величины активного сопротивления в цепи ротора, напряжения на обмотках статора и частоты тока питающей се­ ти), можно получить ряд искусственных механических характеристик. Ввиду того что способ изменения механической характеристики за счет частоты тока будет рассмотрен при регулировании частоты вра­ щения, то ограничимся рассмотрением влияния первых двух пара­ метров.

Семейство механических характеристик при различных активных сопротивлениях цепи ротора представлено на рис. 16, б. Положение искусственных характеристик определяется координатами трех ука­ занных выше точек.

1. Точка (0, tix) для всех характеристик остается постоянной, так

2. Максимальный момент остается неизменным (42). С увеличением включаемых в цепь ротора активных сопротивлений уменьшается кри­ тическая частота вращения п к, что объясняется равенством Л'28 = R 2

при большем значении скольжения s„. Чем больше величина добавоч­ ных сопротивлений, тем круче механическая характеристика.

3. Уменьшение критической частоты вращения двигателя влечет за собой изменение пускового момента — с уменьшением п к до нуля

пусковой момент увеличивается.

32

Синхронная частота несколько больше номинальной и равна от­ ношению

60/ _ 3000

Следовательно, она может быть равна 3000; 1500; 1000; 750; 600; 500 и 375 об/мин. Частоту вращения электродвигателя, соответству­ ющую изменяющемуся скольжению, находят по формуле

а — пL (1 — s).

Уравнение (43) позволяет с достаточной для практических расчетов точностью построить механическую характеристику асинхронного двигателя в пределах скольжения от 0 до s K. При скольжениях от s„ до s = 1

это уравнение дает недопустимые по­ грешности, которые, однако, можно уст­ ранить, введя поправочный коэффициент, предложенный Чекуновым. Исправлен­ ная формула примет вид:

жду пусковым и максимальным моментами двигателя.

Если, пользуясь известной зависимостью п — п1 (1— s), перейти от скольжения s к частоте вращения двигателя я, то получится механи­ ческая характеристика п = / (М), график которой приведен на рис. 18.

Вид механической характеристики определяется из анализа урав­

которое позволяет считать участок характеристики от М = 0 до М та л; 1,5 М п прямой линией. При частотах вращения двигателя от М „ до нуля и при s > s l( в уравнении (43) можно пренебречь вторым слага-

34

электропривода. Частота вращения увеличится до прежней, при кото­ рой снова наступит равновесие меж­ ду вращающим и статическим мо­

ментами. Аналогичное явление произойдет при случайном возрастании частоты. Если же уменьшение частоты вращения случится при работе в точке В, то одновременно уменьшится и вращающий момент электро­

двигателя, поэтому при реактивном статическом моменте электродви­ гатель остановится (точка D), а при потенциальном — реверсируется и разгонится в противоположную сторону. В случае возрастания частоты вращения при работе в точке В вращающий момент увеличивается и

электродвигатель разгоняется до частоты, соответствующей работе в точке А. Таким образом, работа в точке В неустойчива; устойчивая работа возможна только в точке А, лежащей на рабочей части характе­

ристики. На нижней части характеристики электродвигатель работает во время переходного процесса пуска или если характеристика меха­ низма <3, например вентилятора, пересекает характеристику электро­ двигателя только в одной точке С, лежащей на нижней части последней.

Если во время работы электродвигателя на устойчивой части харак­ теристики статический момент значительно увеличится и станет боль­ ше критического, электродвигатель остановится (точка D). Это явле­ ние называется опрокидыванием, а'критический момент иногда назы­ вают опрокидывающим. Асинхронные электродвигатели не могут разви­

вать момент больший, чем критический, и поэтому очень чувствительны даже к кратковременным перегрузкам. Их перегрузочная способность

определяется коэффициентом |д.к = ^ - . /Ин

Пуском называется процесс разгона не вращав­ шегося перед тем электродвигателя до установившейся скорости. Наи­ более простым способом пуска электродвигателя постоянного тока является непосредственное подключение его к питающей сети по такой же схеме, по какой он включен при нормальной работе. Это — пря­ мой пуск. В момент подключения электродвигателя к сети по цепи яко­ ря проходит пусковой ток / П. При прямом пуске он равен

Сопротивление якоря у электродвигателей мощностью от 5 до 100 кВт составляет примерно от 10 до 3,3% соответственно. При таких сопро­ тивлениях расчетный пусковой ток в 10—30 раз больше номинального:

В действительности пусковой ток несколько меньше из-за влияния индуктивности обмотки якоря, задерживающей процесс нарастания тока, но все же он настолько велик, что электродвигатель не может перенести его даже кратковременно. При большом токе нарушается процесс нормальной коммутации и под щетками появляется сильное искрение, из-за которого обгорает коллектор и разрушаются щетки. После нескольких прямых пусков электродвигатель может прийти в негодность. При прямом пуске может также возникнуть так называе­ мый круговой огонь на коллекторе, при котором отдельные искры сли­ ваются в общую дугу, замыкающую накоротко разноименные щетки. При непродолжительном круговом огне электродвигатель полностью выходит из строя. Поэтому прямой пуск применяют для электродвига­ телей мощностью до 1 кВт, у которых сопротивление якоря сравни­ тельно больше.

Для более мощных электродвигателей применяют искусственные методы пуска, снижающие пусковой ток до величины, допустимой по

,условиям коммутации. Для нормальных электродвигателей она равна 250%. У крановых электродвигателей, обладающих высокой коммута­ ционной способностью, она достигает 320%.

Наиболее распространен реостатный пуск, при котором в цепь яко­ ря на время пуска включают добавочное сопротивление, называемое пусковым, R n. В этом случае пусковой ток равен

36

Пусковой ток не зависит от величины статического момента на валу электродвигателя: и при холостом ходе, и при полной нагрузке он при данном пусковом сопротивлении одинаков. Зато он в большой степени зависит от пускового сопротивления: чем оно больше, тем пусковой ток меньше. Это сопротивление подбирают так, чтобы пусковой ток был не больше допустимого по условиям коммутации.

При прохождении пускового тока электродвигатель развивает пусковой момент М„. Поскольку ток велик, этот момент значительно

больше статического. Возникает положительный избыточный момент, вследствие чего начинается разгон электродвигателя. При вращении якоря в его обмотке образуется э. д. с., действующая навстречу прило­ женному напряжению. Она пропорциональна потоку возбуждения и частоте вращения, поэтому по мере разгона ток спадает:

Уменьшение тока вызывает снижение вращающего и, следовательно, избыточного моментов. Разгон электродвигателя становится менее ин­ тенсивным, он протекает с меньшим ускорением. Вместе с тем ток ока­ зывается ниже допустимого по условиям коммутации. Поэтому для увеличения момента и уменьшения времени пуска электродвигателя часть пускового сопротивления выключают. Величину этого сопротив­ ления и частоту вращения, при котором его выключают, подбирают та­ ким образом, чтобы возрастающий в момент выключения ток не пре­ восходил допустимого по условиям коммутации. Затем по мере разгона электродвигателя постепенно ступенями выключают все пусковое со­ противление. Ток и момент, при котором выключают очередную ступень пускового сопротивления, называют переключающими и обозна­ чают соответственно 1„ и М.

На рис. 20, а, б, в соответственно изображены схема включения пус­

кового сопротивления шунтового электродвигателя, пусковая диаграм­ ма и график зависимости тока и частоты вращения электродвигателя от времени при трехступенчатом пуске, поясняющие описанный выше процесс. Сериесные и компаундные электродвигатели пускаются в ход, как правило, подобно шунтовым двигателям — при помощи пусковых сопротивлений, включаемых в цепь якоря. Но есть и отличия — при одинаковых условиях пуска сериесные и компаундные электродвига­ тели имеют меньше пусковых ступеней ввиду большой крутизны ско­ ростных и механических характеристик; быстрее разгоняются до установившейся частоты вращения ввиду того, что с увеличением пус­ кового тока увеличивается и магнитный поток полюсов, обусловливая возникновение большего пускового момента, чем при постоянном маг­ нитном потоке у шунтовых двигателей. Согласно схеме, приведенной

По мере разгона электродвигателя по первой искусственной характеристике 1 (показано стрелкой) частота вращения увеличивает-

37

Ся, а ток й моКшнт уменьшаются. Через время tx частота равна пх, ток

Ап = -д,я +"R~ + et : + ца > момент М'п[ = kuФ /,,1. Чтобы увели­

чить вращающий момент, замыкают рубильник Р1 и выключают сту­

Рис. 20. Трехступепчатый пуск шуитового электродвигателя:

Начинается разгон электродвигателя по второй искусственной ха­ рактеристике 2, причем переход на нее происходит при частоте %. Через время от начала пуска tx + tz частота возрастает до п2,

а ток и момент уменьшаются: / п2 = 0 -■, ъ , п~ ; М пз = Л„Ф/П2-

''ЯТ^2Т'<3

Снова с целью увеличения момента замыкают рубильник Р2 и выклю­

чают ступень сопротивления /?2. Ток и момент при этом возрастают:

38

Далее происходит разгон по третьей искусственной характеристи­

В этот момент замыкают рубильник РЯ и выводят этим из цепи яко­

ря все пусковое сопротивление. Ток увеличивается д о /п,, = Ub ~_кеФпз Ря

момент — до М 114 = /емФ /П4.

После этого электродвигатель разгоняется по естественной харак­

случае они могут быть не равны друг другу. Величина пусковых и пе­ реключающих токов и моментов зависит от сопротивления ступеней пускового реостата, числа этих ступеней и времени их выключения. Эти параметры выбирают исходя из следующих положений.

1.Пусковые токи на любой из характеристик должны быть не боль­ ше допустимого по условиям коммутации.

2.Пусковые моменты, соответствующие этим токам, должны быть возможно большими для сокращения времени пуска.

3.Переключающие моменты при работе на всех пусковых характе­

ристиках должны составлять не меньше 1,1— 1,2 статического момента, а если последний неизвестен, — то номинального. Запас нужен, что­ бы при случайном небольшом увеличении нагрузки иа валу не возникли недопустимо большие толчки пускового тока.

Действительно, если статический момент М'с окажется больше пе­ реключающего М„ (см. рис. 20, б), то электродвигатель не сможет ра­ зогнаться до частоты большей, чем п{. Из-за этого при выключении

ступени пускового сопротивления ток возрастет до недопустимой ве­ личины Г > / п.

4.Число ступеней пускового сопротивления должно быть возможно меньшим, чтобы сократить количество пусковой аппаратуры и упро­ стить схему пуска. С другой стороны, чем больше ступеней, тем более плавно протекает пуск, а это в ряде случаев имеет решающее значе­ ние.

5.Желательно, чтобы пусковые и переключающие моменты при ра­ боте на всех пусковых характеристиках были по возможности равны между собой (см. рис. 20).

Пусковые свойства электродвигателей характеризуются кратно­

момент, соответствующий этому току. Критерием для сравнения пус­ ковых свойств различных типов электродвигателей постоянного тока служит величина кратности пускового момента при одинаковой крат-

39