книги из ГПНТБ / Гейлер Л.Б. Электрооборудование и электроавтоматика кузнечно-прессовых машин

ГЛАВА 2

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

§ 3. МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

По сравнению с другими электрическими двигателями асинхрон­ ные двигатели отличаются простотой, надежностью и меньшей стои­ мостью. Подавляющее большинство кузнечно-прессовых машин приводится в движение асинхронными двигателями.

В курсах общей электротехники вращающий момент асинхрон­ ного двигателя, максимальный момент и критическое скольжение определяют по формулам:

т

где п0 — синхронная скорость вращения (скорость вращения поля

воб/мин;

п— скорость вращения ротора в об/мин.

9

Решая совместно уравнения (19) — (21) и пренебрегая отно­ сительно малой величиной Ги получим

Пользуясь уравнением (23), нетрудно построить механическую характеристику двигателя, переходя от скольжения к скорости вращения согласно формуле (22).

Фиг. 5. Механические характеристики асинхронного двигателя.

Можно также на вертикальной оси скорости вращения нанести значения скольжения.

Механическая характеристика асинхронной машины, построен­ ная по формуле (23), представлена на фиг. 5.

При п = п0 согласно формуле (23) имеем М = 0. Этот случай

синхронного вращения соответствует идеальному холостому ходу машины.

В первый момент пуска двигателя, когда ротор еще. неподвижен,

асинхронного двигателя: номинальная мощность на валу Рн в кет,

10

Величину номинального момента в кГм на валу двигателя можно

найти, пользуясь формулой

где Рн выражено в кет.

Величина номинального скольжения . sHколеблется в пределах

от 2 до 12% в зависимости от номинальной мощности и типа электро­ двигателя нормального исполнения. Двигатели большей номиналь­ ной мощности обычно имеют меньшую величину номинального сколь­ жения.

значение. Эта величина определяет допустимую механическую пере­ грузку электродвигателя. У отечественных двигателей >, = 1,65 -ч- 2,5, причем большая величина относится к быстроходным электро­

двигателям.

Номинальный момент может быть также выражен формулой

ЪН I

SK ^ SH

откуда можно определить критическое скольжение:

Величина критического момента пропорциональна квадрату напря­ жения сети. Так как напряжение в сети цеха подвержено значи­ тельным колебаниям, то в качестве наибольшего допустимого момента перегрузки обычно принимают не момент М к, а величину М чакс—

= 0,85М.-

Кратность пускового м о м е н т а у короткозамкнутых асинхрон­

ных двигателей отечественного производства колеблется в пре­

увеличение нагрузки вызовет снижение скорости вращения и всегда будет сопровождаться увеличением крутящего момента двигателя. Когда момент двигателя станет равным моменту нагрузки, дальней­ шее снижение скорости прекратится.

При работе на участке характеристики, заключенном в пре­ делах s = sK и s — 1, например в точке В, всякое снижение ско­

рости, вызванное увеличением нагрузки, будет вызывать умень­ шение крутящего момента электродвигателя и, если момент сопро­ тивления затем не уменьшится, то двигатель остановится.

Если в формулу (23) подставлять значения скольжения s > 1, то можно построить часть характеристики, лежащую в четвертой четверти системы координат М, п и соответствующую режиму

П

против вращения ротора (М и л имеют разные знаки), то такой режим является тормозным. Осуществить его можно, переключая работаю­ щий электродвигатель на вращение в обратную сторону (для кото­ рого характеристика изображена на фиг. 5 пунктиром). Как видно из фиг. 5, при таком переключении возникает тормозной момент, величина которого определяется отрезком CD.

Если в формулу (23) подставить сначала ряд положительных значений скольжения, а затем ряд отрицательных скольжений, имеющих ту же абсолютную величину, то, как видно из формулы (23), моменты электродвигателя, не меняя абсолютной величины, изме­ няют свой знак. Часть характеристики, соответствующая отрица­ тельным скольжениям, расположенная во второй четверти, соот­ ветствует работе асинхронной машины в качестве генератора. Этот режим также является тормозным; при таком генераторном торможении машина отдает энергию в сеть (так называемое реку­ перативное торможение).

Пример. Построить механическую характеристику асинхрон­

Р е ш е н и е

2)sK =s„(X + -jA2- l ) ;

3)М н — 975 — ;

действительной механической характеристики асинхронного дви­ гателя. Это объясняется тем, что формула (23) не учитывает ряда факторов, влияющих на форму механической характеристики (влияния активного сопротивления обмотки статора, эффекта вытеснения тока у короткозамкнутых двигателей и др.).

12

В области скольжений, меньших критического, механическая характеристика, построенная по формуле (23), относительно мало отличается от действительной, и потому формула (23) часто приме­ няется при практических расчетах.

У электродвигателя с контактными кольцами активное сопро­ тивление цепи ротора можно изменять путем введения в эту цепь реостата. При этом критическое скольжение sK будет изменяться

пропорционально активному сопротивлению цепи ротора согласно формуле (21).

Рабочая часть механической характеристики получает при этом больший наклон (фиг. 5). Величина критического момента М к,

как доказывается в курсах электротехники, не зависит от активного сопротивления цепи ротора и потому остается неизменной.

Механические характеристики, соответствующие работе машины при отсутствии каких-либо дополнительных сопротивлений в схеме,

механической характеристики. Чем сильнее снижается скорость

2Мк

М2= SK2 So

ИЛИ

13

Следовательно, при работе асинхронного двигателя с неизмен­ ной нагрузкой и различными сопротивлениями скольжения про­ порциональны сопротивлениям цепи ротора.

§ 4. ПУСК В ХОД

При пуске в ход электродвигателя с короткозамкнутым ротором он потребляет пусковой ток / п, превышающий номинальный 1Н

в 4—8 раз. Толчок пускового тока вызывает в сети, к которой присо­ единен электродвигатель, понижение напряжения. Обычно это пони­ жение невелико, но при пуске двигателя большой мощности, пони­ жение напряжения может быть весьма значительным.

Крутящий момент асинхронного двигателя при данной скорости вращения пропорционален квадрату напряжения сети. Если при пуске электродвигателя большой мощности напряжение сети уменьшается, то уменьшится его пусковой момент, а другие электро­ двигатели, работающие в это время с перегрузкой, могут остано­ виться. Поэтому пуск асинхронного двигателя без применения средств, ограничивающих пусковой ток, допускается лишь в том случае, если номинальная мощность двигателя не превышает 25% мощности трансформаторов, питающих сеть цеха. В том случае, когда к той же сети присоединены лампы накаливания и электро­

ротора пусковой момент возрастает.

Величина пускового момента имеет большое значение для двига­ телей вспомогательных перемещений. Эти двигатели пускают в ход под значительной нагрузкой, обусловленной силами трения непо­ движного механизма. Однако вследствие небольшой мощности этих приводов наибольшее распространение получили короткозамкну­ тые двигатели.

В кузнечно-прессовом машиностроении применяют также короткозамкнутые двигатели с повышенным пусковым моментом и дви-

14

гатели е повышенным скольжением. Эти двигатели отличаются большим значением момента в начале пуска.

Во многих случаях большое значение имеет продолжительность пуска кузнечно-прессовой машины. Величина ее зависит от среднего момента двигателя, действующего в течение пускового процесса.

Приближенно средний момент, действующий во время пускового процесса асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, можно определить по приближенной формуле

Для увеличения начального и среднего пусковых моментов часто для привода главного движения кузнечно-прессовых машин приме­

Потеря мощности на нагрев обмотки ротора может быть выражена формулой

и выражением скольжения

--(JJ

s

а также принимая в целях упрощения, что Мс = 0 и разгон

происходит до соо, получим

Это выражение показывает, что потери энергии на нагрев цепи ротора электродвигателя при пуске его вхолостую равны кинети­ ческой энергии, сообщаемой движущимся массам привода. На вели­ чину этих потерь не влияют ни время пуска, ни форма механи­ ческой характеристики, ни наличие реостата в цепи ротора.

15

Так как в упрощенной схеме замещения активные сопротивле­

ния Г\ и гг соединены последовательно, то мощность, теряемая

в активных сопротивлениях, пропорциональна этим сопротивле­

Общие потери энергии на нагрев обмоток асинхронного двига­ теля при пуске его вхолостую могут быть определены по формуле

ЛЛ„ = 9,81 ^ 1 + j дж. -(31)

В тех случаях, когда необходимо уменьшить пусковые потери, применяют асинхронные короткозамкнутые двигатели с повышен­ ным скольжением sH — 7 ч- 16% вместо обычных значений sH =

= 2 ч-5%. Повышение скольжения достигается увеличением актив­ ного сопротивления обмотки ротора. Как видно из формулы (31),

потери, обусловливающие нагрев цепи статора, при увеличении г2

уменьшаются. Поэтому, у двигателя с повышенным скольжением потери на нагрев обмоток при пуске меньше, а допустимое число включений в час при одинаковых условиях нагрузки больше, чем у двигателей нормального исполнения.

Применение двигателя с контактными кольцами, пускаемого посредством роторного реостата, уменьшает потери на нагрев обмоток электродвигателя. В этом случае потери на нагрев цепи ротора рас­ пределяются между последовательно соединенными сопротивлением гг обмотки ротора и сопротивлением Rp реостата, пропорционально

величинам этих сопротивлений. При пуске с постоянно включен­ ным реостатом в обмотке ротора выделяются лишь потери энергии, определяемые формулой

У асинхронных короткозамкнутых двигателей нормального испол­

нения можно приближенно принять гх % г2. Следовательно, можно

считать, что общие потери энергии в электродвигателе вдвое превы­ шают потери энергии в роторе.

В предыдущем рассуждении было принято условие М с = 0. В действительности при пуске кузнечно-прессовой машины М с ф 0;

однако учет момента сопротивления при вращении машины вхоло­ стую величины потерь энергии при пуске значительно не изменяет.

Точно так же в приближенных расчетах можно пренебречь нали­ чием потерь в стали и потерь на трение в электродвигателе при его пуске.

16

§ 5. РЕГУЛИРОВАНИЕ СКОРОСТИ ВРАЩЕНИЯ

Принудительное изменение скорости вращения электродвигателя может быть произведено вручную или автоматически.

Скорость вращения асинхронных двигателей определяется фор­ мулой

Из выражения (33) следует, что скорость вращения асинхрон­ ного двигателя может быть изменена тремя способами: изменением частоты, изменением скольжения и изменением числа пар полюсов.

Регулирование скорости изменением частоты является бес­ ступенчатым, поскольку частота может принимать любые значения. Это регулирование является также достаточно экономичным. Однако широкого распространения в промышленности этот вид регулиро­ вания не имеет вследствие трудности получения изменяемой частоты.

Регулирование скорости изменением скольжения также может быть сделано бесступенчатым. Оно осуществляется посредством изменения сопротивления реостата, включенного в цепь ротора асинхронного двигателя с контактными кольцами. При этом увели­ чивается sK, наклон характеристики становится больше и при том же

моменте нагрузки скольжение возрастает. Большим недостатком этого вида регулирования является его неэкономичность. Кроме того, вследствие использования мягких характеристик при таком регулировании скорость вращения электродвигателя может резко изменяться при колебаниях нагрузки, а при холостом ходе или при малых нагрузках регулирование скорости становится вообще невозможным (фиг. 5).

Значительное распространение в машиностроении получил тре­ тий способ регулирования скорости асинхронных двигателей. Это регулирование является грубоступенчатым, поскольку число пар полюсов •— число целое. Помимо того, в данном случае требуется электродвигатель специальной конструкции. Он имеет особую обмотку статора и нормальный короткозамкнутый ротор.

Наиболее простым способом получения двух любых чисел полюсов является устройство на статоре асинхронного двигателя двух независимых попеременно работающих обмоток.

Существует, однако, ряд схем переключения проводников обмотки статора, при которых одна и та же обмотка может создать различные числа полюсов.

Простое и широко распространенное переключение такого рода показано на фиг. 6, а и б.

Как видно из схемы, катушки статора, включенные последова­ тельно, образуют две пары полюсов (фиг. 6, а). Те же катушки, включенные в две параллельные цепи, как это показано на фиг. 6, б,

образуют одну пару полюсов.

Три фазовые обмотки могут быть включены в трехфазную сеть звездой или треугольником. На фиг. 7 показано широко распростра­ ненное переключение, при котором электродвигатель для получения меньшей скорости включается треугольником с последовательным соединением катушек (фиг. 7, а), а для получения большей ско­

рости — звездой (фиг. 7, б) с параллельным соединением катушек (так называемой двойной звездой). Такой двухскоростной электро­ двигатель имеет шесть зажимов: С1, С2, С3, Dlt D 2, Ds (фиг. 7).

Помимо двигателей с двумя скоростями, электропромышлен­

При наличии на статоре электродвигателя двух независимых обмоток, каждая из которых допускает переключение полюсов, можно получить четырехскоростной электродвигатель. Числа полю­ сов подбирают при этом так, чтобы скорости вращения составили нужный ряд. Ротор всех двигателей с переключением полюсов имеет короткозамкнутую обмотку.

Путем использования специальных схем у одной обмотки можно также получить три и четыре различных числа пар полюсов.

Такие однообмоточные многоскоростные электродвигатели отли­ чаются значительно меньшими габаритными размерами, чем двух­ обмоточные двигатели с теми же параметрами, что является весьма важным преимуществом. Кроме того, у однообмоточных электродви­ гателей несколько выше энергетические показатели и ниже трудо­ емкость изготовления.

Недостатком однообмоточных многоскоростных электродвига­ телей является наличие большего числа проводов, выводимых к переключателю. Сложность переключателя определяется, однако, не столько числом выведенных наружу проводов, сколько числом одновременно осуществляемых переключений. В связи с этим

18