книги из ГПНТБ / Электрооборудование и автоматизация сельскохозяйственных агрегатов и установок учеб. пособие

Максимальный момент при этом останется постоянным, так как он не зависит от добавочного сопротивления; изменится наклон рабочей части характеристики и ее вид. Каждому значению добавочного со­ противления соответствует своя искусственная характеристика, но все они пересекаются в одной точке s = 0, или п — п0 (рис.99). Можно выбрать такое добавочное сопротивление, при котором критическое скольжение будет равно sK= 1, тогда момент двигателя при пуске будет равен максимальному. Одновременно уменьшится пусковой ток:

15.10. МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ В ТОРМОЗНЫХ РЕЖИМАХ

Асинхронный двигатель может работать и в тормозных режимах: противовключения, электродинамического торможения и генераторном с отдачей энергии в сеть. Последний возможен в приводе рабочей машины с потенциальным статическим моментом, способным увеличить скорость вращения ротора выше синхронной (например, опускание груза).

Механические характеристики тормозных и двигательного режимов располагаются в системе координат s (или п) и М (рис. 98 и 99) анало­ гично рассмотренным выше характеристикам двигателей постоянного тока.

Г е н е р а т о р н о м у р е ж и м у с о т д а ч е й э н е р г и и в с е т ь соответствует отрицательное скольжение, положительная скорость вращения ротора, совпадающая с направлением вращения поля, и отрицательный момент

со>со0, s = —— “ < о , М < 0 .

со0

Генераторный режим с отдачей энергии в сеть возможен в приводах с многоскоростными асинхронными двигателями. При переключении обмотки статора двигателя на меньшую скорость, он перейдет в генера­ торный режим торможения.

Э л е к т р о д и н а м и ч е с к о е т о р м о ж е н и е достигается подачей постоянного тока в отключенную от сети обмотку статора двигателя. В проводниках обмотки вращающегося ротора магнитным полем постоянного тока наводится э. д. с., и в замкнутой обмотке ротора появляется ток, создающий свое магнитное поле, также непо­ движное относительно статора. Взаимодействие тока ротора с резуль­ тирующим магнитным полем создает тормозной момент. Механическая энергия, подводимая со стороны вала, превращается в электрическую, а последняя — в тепловую и расходуется на нагревание обмоток и сопротңвлений цепи ротора.

210

Электродинамическое торможение возможно также при самовоз­ буждении отключенного от сети двигателя с помощью конденсаторов, включенных параллельно обмоткам статора. В этом случае двигатель работает в режиме самовозбужденного асинхронного генератора. Однако такой способ возбуждения применяется значительно реже из-за меньшего эффекта торможения.

В р е ж и м е п р о т и в о в к л ю ч е н и я рабочая машина вращает ротор двигателя в сторону, обратную направлению вращения магнитного поля статора, при этом скольжение s > 1. Ток двигателя будет еще больше, чем пусковой (последний превышает номинальный в 5—7 раз), а тормозной момент будет меньше, чем пусковой, из-за большой частоты тока ротора. Поэтому режим противовключения для двигателей с короткозамкнутым ротором практически непри­ меним.

В приводах с двигателями, имеющими фазную обмотку ротора, режим противовключения широко применяется благодаря возмож­ ности включения в цепь ротора большого активного сопротивления, ограничивающего ток и увеличивающего момент двигателя. Добавочное сопротивление увеличивает наклон рабочей части механической харак­ теристики, на которой двигатель остается работать при переходе

врежим противовключения.

Вприводе машины с реактивным статическим моментом торможение

противовключением производят путем переключения статора на обрат­ ное направление вращения поля. При таком торможении также необ­ ходимо включить достаточно большое сопротивление в цепь ротора и отключить двигатель от сети, когда скорость привода будет близкой к нулю.

15.11. РАСЧЕТ ПУСКОВЫХ СОПРОТИВЛЕНИЙ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ С ФАЗНЫМ РОТОРОМ

Рабочий участок механической характеристики асинхронного дви­ гателя в пределах от 0 до 0,85 М к можно считать прямолинейным. Включение симметричных активных сопротивлений в цепь ротора изменяет лишь наклон рабочей части характеристики, не оказывая влияния на величину максимального момента. Это обстоятельство позволяет при расчете пусковых сопротивлений двигателя с фазным ротором использовать рассмотренные выше методы расчета пусковых реостатов двигателей постоянного тока. Различие состоит только в том, что максимальный (пиковый) момент у двигателей постоянного тока ограничивается коммутацией, а у асинхронных двигателей — величи­ ной критического момента Мк.

Исходными данными для расчета являются номинальные данные двигателя и заданные условия пуска. Для асинхронного двигателя с фазным ротором полное номинальное сопротивление определяют при соединении фаз ротора в «звезду». В случае соединения в «треугольник» сопротивление фаз необходимо привести к эквивалентной «звезде», так как внешние сопротивления всегда соединены в «звезду», а полное

211

сопротивление каждой линии ротора определяется как сумма внутрен­

него и внешнего сопротивлений.

Номинальным сопротивлением двигателя с фазным ротором назы­ вают такое активное сопротивление каждой линии ротора, которое при неподвижном роторе и номинальных частоте и напряжении, под­ водимых к статору, определит номинальный ток в роторе.

Рис. 100. Графический расчет (а) и схема включения (б) пусковых сопроти­

влений асинхронного двигателя с фазным ротором.

Ввиду того, что у асинхронных двигателей индуктивная составля­ ющая сопротивления ротора значительно меньше полного сопротивле­ ния- х2 г2, принимают:

Ен—ZH Ѵ'Ъ/2Н’ (15-60)

где Е%н — э. д. с. ротора номинальная; /2н — ток ротора номинальный.

Г р а ф и ч е с к и й р а с ч е т п у с к о в ы х с о п р о т и в ­ л е н и е выполняют в следующем порядке. Строят естественную механическую характеристику по двум точкам: М = 0, s = 0; М = = M„,s = sH(рис. 100). Проводят вертикальные линии,соответствующие выбранным пределам пусковых моментов Ми М2 и М„ — 1, и строят пусковую диаграмму. Построив пусковую диаграмму, на вертикальной линии номинального момента Мн — 1 отсчитывают отрезки (представ­ ляющие собой скольжения), расположенные между смежными харак­ теристиками. Умножая полученные скольжения на номинальное сопротивление, находят сопротивления соответствующих секций реос­ тата. Внутреннее сопротивление фазы ротора будет равно:

^P= SH^H-

212

Сопротивление первой, второй и третьей секций реостата соответ­ ственно:

R i —SiRa, R2—s2Rn, R3—S'iRn-

А н а л и т и ч е с к и й р а с ч е т п у с к о в ы х с о п р о т и в ­ л е н и й двигателя с фазным ротором удобнее выполнять в относи­ тельных единицах. Порядок расчета следующий. Выбрав величину максимального пускового момента М1г по известной величине номи­

Находят номинальное сопротивление двигателя и активное сопро­

=0,85 -2,2 « 1,9.

Вобозначении типа двигателя АК-51/6 число 6 означает число полюсов обмотки, следовательно, синхронная скорость вращения магнитного поля статора равна:

Найдем число ступеней пускового реостата, принимая момент

213

Число ступеней должно быть целым числом, принимаем tn — 3; это будет соответствовать моменту переключения М 2 = 1,05 и отноше­ нию моментов Мх : = Я = 1,9 : 1,05 = 1,8.

Номинальное сопротивление двигателя

Контрольные вопросы

1.Какие зависимости выражают механические характеристики электродвига­ телей и рабочих машин?

2.Как получают естественную и искусственные механические характеристики двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением?

3.Как определяют знаки скорости вращения и момента двигателя при пост­ роении механических характеристик в двигательном и тормозных режимах?

4.Почему тормозные режимы работы электродвигателей называют генера­ торными?

5.В каких случаях производят расчет пусковых реостатов для электродви­

гателей?

6.Как определяют число ступеней и сопротивления секций пускового рео­ стата с помощью пусковой диаграммы?

7.Какую величину называют номинальным сопротивлением двигателя посто­ янного тока и в каких расчетах эта величина используется?

8.В чем состоит основное различие между механическими характеристиками двигателей с параллельным и последовательным возбуждением?

9.Какие параметры механической характеристики асинхронного двигателя называют критическими?

10.Почему для пуска асинхронных двигателей с короткозамкнутым рото не применяют пусковой реостат?

16.ПЕРЕХОДНЫЕ РЕЖИМЫ В ЭЛЕКТРОПРИВОДАХ

м о м э л е к т р о п р и в о д а называют его состояние при переходе от одного установившегося режима к другому. Наиболее характер­ ными неустановившимися режимами, которые свойственны любому электроприводу, являются процессы пуска и, торможения. К переход­

214

ным режимам относятся также: переход от одной скорости вращения к другой, изменение направления вращения, изменение нагрузки и т. п. В общем случае считают режим переходным, если изменяются ток двигателя, момент на валу или скорость вращения.

Во многих электроприводах по условиям производственного процесса необходимы частые пуски, остановки, реверсы, изменение нагрузки (например, электрокары, экскаваторы). Выполнение производствен­ ными машинами заданной технологии зависит от режима работы при­ вода и в первую очередь от скорости вращения, поэтому переходные режимы оказывают существенное влияние на качество выпускаемой продукции и производительность машины. Режимы пуска и торможе­ ния обычно не входят в рабочий цикл, следовательно, сокращение их продолжительности повышает производительность машины и уменьшает бесполезный расход энергии.

Продолжительность переходного режима электропривода и ско­ рость его протекания определяются тремя основными физическими процессами: изменением скорости вращения, изменением тока в обмот­ ках двигателя и изменением нагрева активных частей двигателя. Про­ цессы нагревания и охлаждения двигателя протекают очень медленно и существенного влияния на переходный режим не оказывают.

Характер нарастания или спада величины скорости вращения двигателя или тока в какой-либо электрической цепи от одного до другого установившегося значения выражается а н а л и т и ч е с к и

где / н — номинальный ток возбуждения; 1Тэ = 4 — электромагнитная постоянная времени.

Величина Тэзависит от индуктивности L и активного сопротивления цепи; она характеризует скорость нарастания тока данной цепи и связанного с ним магнитного потока. Электромагнитная постоянная времени обмоток независимого возбуждения составляет от десятых долей до целых секунд, а для обмоток якорей, обладающих значи­ тельно меньшей индуктивностью, Тэ не превышает десятых долей секунды и заметного влияния на продолжительность переходного режима не оказывает.

Во многих электроприводах наибольшее значение в переходных режимах имеет продолжительность механических процессов измене­ ния момента искорости вращения двигателя. Поэтому скорость протека­ ния переходных процессов электропривода характеризуют обычно так называемой э л е к т р о м е х а н и ч е с к о й п о с т о я н н о й в р е м е н и Тм. Эта величина также является параметром экспонен­ циальной кривой, выражающей характер изменения скорости враще­ ния привода, момента и тока двигателя во время переходного режима. Например, для привода с двигателем независимого возбуждения кри-

215

вую изменения скорости вращения за время разгона при пуске из неподвижного состояния можно представить в следующем виде:

где J — момент инерции привода; R — сопротивление цепи якоря.

При переходе от одного установившегося режима со скоростью сонач

Подставляя значения t, можно найти скорость в любой момент переходного режима. Как вытекает из этих уравнений, скорость вращения достигнет установившегося значения, за бесконечно боль­ шое время t — оо. Практически переходный режим заканчивается за время t st? 4Тя.

Электромеханическая постоянная времени показывает степень зависимости продолжительности переходного режима от механической инерции привода (J) и электромеханических свойств двигателя (М , &Ф, R, со и др.). Величину Ти физически можно представить как время пуска электропривода с постоянным динамическим моментом из непо­ движного состояния до установившейся скорости вращения.

А н а л и т и ч е с к и й р а с ч е т п е р е х о д н ы х р е ж и ­ м о в с помощью электромеханической постоянной возможен только для электроприводов с линейными механическими характеристиками, такими, как у двигателя с независимым возбуждением при постоянном потоке или у двигателя с фазным ротором, работающего на линейном участке характеристики.

где snx — скольжение, соответствующее номинальному моменту на рассматриваемой искусственной характеристике, которая отвечает сопротивлению линии ротора —грх.

Как видно из уравнений (16-3) и (16-5), при реостатном пуске каждой ступени реостата соответствует своя электромеханическая постоянная, и величина ее тем меньше, чем меньше сопротивление цепи якоря или ротора. Характер изменения скорости вращения, момента и тока двигателя в переходном режиме определяется одной

216

и той же величиной Тм, следовательно, кривую изменения момента при постоянном статичесьом моменте можно представить в виде:

где АД — статический момент на валу двигателя; Мнач — начальный момент.

Отсюда можно определить время разгона привода на любой сту­ пени при изменении момента двигателя от АД до АД, если принять

ЛД = Л Д \ 1 - е Т“х ) + М1е Т*х.

Решив это уравнение относительно t, получим:

Суммируя продолжительность разгона на отдельных ступенях реостата, можно найти полное время пуска привода.

Для двигателей с нелинейными характеристиками (двигатели с короткозамкнутым ротором, с последовательной обмоткой возбуж­ дения) продолжительность переходного режима определяют г р а ф и ­ ч е с к и м м е т о д о м р а с ч е т а . В некоторых электроприводах постоянного тока с управлением в цепях возбуждения (например, система Г — Д) электромагнитные постоянные управляемых цепей оказываются соизмеримыми и даже превосходят электромеханическую постоянную привода. В этом случае одновременно действуют электро­ магнитная и механическая инерции, осложняя и затягивая протекание переходных процессов. Их расчет становится довольно сложной зада­ чей. В таких приводах с целью сокращения времени переходных про­ цессов прибегают к специальным мерам форсирования возбуждения. С этой же целью реверсирование двигателей с независимым возбуж­ дением всегда производят переключением тока якоря, несмотря на то, что ток якоря значительно больше тока возбуждения.

В электроприводах с асинхронными двигателями электромаг­ нитные переходные процессы быстро затухают и в практических рас­ четах их влиянием можно пренебречь.

16.2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВРЕМЕНИ ПУСКА И ТОРМОЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

Переходные процессы пуска и торможения сокращают продолжи­ тельность рабочего цикла электропривода и тем самым снижают производительность рабочей машины. Для принятия мер по снижению влияния процессов пуска и торможения на характер работы производ­

ственного механизма необходимо прежде всего определить продолжи­ тельность времени этих процессов.

217

Продолжительность времени пуска, торможения или перехода от одной скорости к другой определяется решением уравнения движе­ ния электропривода относительно времени

Практически можно считать, что подавляющее большинство элек­ троприводов имеет постоянную величину приведенного момента инерции, следовательно, для решения уравнения в общем виде можно написать:

/

Совершенно очевидно, что для интегрирования в каждом конкрет­ ном случае необходимо знать зависимость момента двигателя и момента статических сопротивлений от скорости вращения, то есть механиче­ ские характеристики, а также учитывать знаки этих моментов.

В случае, когда момент двигателя и статический момент можно считать величинами постоянными, независимыми от скорости, решение значительно упрощается (например, пуск электропривода вхолостую

сдвигателем постоянного тока или с двигателем с фазным ротором

ибольшим числом ступеней пускового реостата). Максимум и минимум момента двигателя будут одинаковыми на каждой ступени (см. рис. 91, 100). Следовательно, можно принять, что за все время пуска от сщ = Ö до со2 = ®о момент двигателя остается постоянным и равным среднему

или выборе пускового реостата в зависимости от требуемых условий пуска.

Для приближенных рачетов п р и п у с к е в х о л о с т у ю ста­ тический момент на валу двигателя можно принять Мс = 0, при этом п р о д о л ж и т е л ь н о с т ь п у с к а

Cöo

4 , ^ d<Ü _ CÖA

0

П р и п у с к е э л е к т р о п р и в о д а с н а г р у з к о й и

В р е м я т о р м о ж е н и я двигателя или электропривода опре­ деляют, также используя выражение (16-9), но в отличие от процесса пуска интегрирование следует вести от начальной скорости % = сон до ö)2 = 0. При отключении двигателя его момент становится равным

218

нулю (Мд = 0), и электропривод будет останавливаться под действием статического момента:

Для сокращения времени торможения или остановки электропри­ вода двигатель часто включают в качестве тормоза, в этом случае, учитывая знак момента двигателя, получим:

Используя выражение (16-9), можно определить продолжительность перехода электропривода от одной скорости к другой при изменении момента двигателя или нагрузки.

В практических расчетах часто встречаются условия, когда момент двигателя и момент статических сопротивлений электропривода не являются постоянными величинами, но характер зависимости их от скорости хорошо известен. В таких случаях для определения про­ должительности времени переходного процесса применяют один из наиболее распространенных методов, который состоит в следующем.

Построив механические характеристики двигателя и рабочей машины, строят кривую изменения динамического момента от скорости вращения п = / (Мдкп). Динамический момент для каждой точки ско­ рости определяют графически, как разность между моментом двигателя и статическим моментом:

MA- M c= J d£ = M ma.

Кривую п = f (МДШІ) заменяют ступенчатой кривой. В пределах каждой ступени Ап динамический момент принимают постоянным, равным среднему значению на этом участке.

Для каждого участка уравнение электропривода будет иметь вид:

Определив промежутки времени At на каждом участке Ап, сложе­ нием можно найти полное время пуска или построить зависимость п = f (t) рассматриваемого переходного режима.

Пример. Определить продолжительность времени пуска привода вентилятора типа ЭВР с асинхронным двигателем типа А051-6 (Р —

= 2,8 кВт, U — 380 В, I = 6,8 А, п = 950 об/мин, вЩ — 0,2 кГм2,

кратность пускового момента /.„ = 1,3, кратность критического момента

2 1 9