Lektsii_El_privod
.pdf
ограничения этого нагрева режим противовключения должен протекать кратковременно (при реверсе) или необходимы специальные меры:
включение добавочных сопротивлений в цепь ротора, чтобы ограничить ток двигателя и вывести потери за пределы обмоток двигателя.
Для определения характера изменения тока и момента двигателя в режиме противовключения представим электромагнитный момент двигателя в следующем виде:
M эм cмФм I2 cos 2 cмФI2а . |
(4.61) |
где - постоянный коэффициент, определяемый конструкцией двигателя;
|
- магнитный поток двигателя, пропорциональный напряжению сети; - |
|||||||||||||
ток ротора; |
|
|
– угол сдвига фаз тока и ЭДС ротора; |
- активная |
||||||||||
составляющая тока ротора. |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
Ток ротора |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
I |
2 |
E |
2 |
/ r 2 x2 E |
2 max |
s / |
r 2 |
x2 . |
(4.62) |
|
|||
|
|
|
2 |
|
|
2 |
max |
|
|
|||||
где |
– действующее значение ЭДС ротора; |
|
; |
|||||||||||
-индуктивное сопротивление ротора,
-ЭДС и сопротивление при s = 1.
При работе в режиме противовключения s |
|
|
|
⁄ |
|
||||||||
|
Таким образом, в режиме противовключения ток ротора и статора при |
||||||||||||
s |
стремятся к постоянному значению. Активная |
|
|||||||||||
составляющая тока ротора: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
I 2a I 2 cos 2 I 2 |
|
|
r2 |
|
I 2 |
|
r2 |
|
|
|
. |
(4.63) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
r 2 |
x2 |
r 2 (x |
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
2 max |
s)2 |
|
|||||
|
|
|
2 |
2 |
|
|
|
2 |
2 |
|
|||
При увеличении частоты вращения в режиме противовключения
(s ) активная составляющая тока ротора и момент двигателя стремятся к нулю. Действительно, и по уравнению механической
характеристики
2M k (1 ) |
|
M s / sk sk / s 2 . |
(4.64) |
при s |
электромагнитный момент будет уменьшаться до нуля. |
Режим |
инамического торможения асинхронных двигателей |
осуществляется с независимым возбуждением и с самовозбуждением. В
режиме динамического торможения с независимым возбуждением обмотку статора отключают от сети переменного тока и подают в нее постоянный ток.
При этом обмотка статора создает постоянный магнитный поток, который пересекает вращающаяся обмотка ротора. Последняя включена на добавочное сопротивление или замкнута накоротко. В обмотке ротора
наводится переменная ЭДС и появляется ток , как и в обычном
генераторе, только нагрузкой здесь служит сопротивление цепи ротора. Ток взаимодействует с постоянным магнитным полем статора и создает тормозной момент. С уменьшением скорости снижаются ЭДС, ток и момент.
При остановленном роторе тормозной момент равен нулю. Значение тока
ротора асинхронного двигателя |
|
|
|||||||
|
I |
2 |
E |
2 |
/(r 2 |
x2 ). |
(4.65) |
|
|
|
|
|
2 |
2 |
|
|
|||
где – ЭДС ротора двигателя, |
⁄ |
|
|||||||
где v - относительное значение частоты вращения, |
⁄ ; |
||||||||
- значение ЭДС ротора при синхронной частоте вращения . |
|||||||||
Пренебрегая эффектом вытеснения тока в обмотке ротора, считаем |
|||||||||
постоянным значение его активного сопротивления . |
|
||||||||
Индуктивное сопротивление |
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
. |
|
Принимаем постоянной индуктивность обмотки ротора |
. Частоту тока |
||||||||
ротора |
представим в виде |
|
|
||||||
|
|
f p f |
|
|
v, |
(4.66) |
|
||
|
|
|
|
|
|||||
|
|
0 0 |
|
||||||
где - частота тока ротора при синхронной частоте вращения, для отечественных двигателей = 50Гц. Индуктивное сопротивление
График изменения индуктивного сопротивления приведен на рис.4.14.
С учетом |
сказанного |
|
ток |
|
|
|
ротора |
|
можно |
записать в виде |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
I |
2 |
E |
2 max |
v |
|
r 2 |
x2 v2 . |
(4.67) |
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
2 |
0 |
|
|
|
|
|
|
|||||||
Тормозной момент, как и двигательный, создается активной |
|||||||||||||||||||
составляющей тока : |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
I 2a |
I 2 cos 2 |
|
|
E2 max v |
|
|
|
|
|
r2 |
|
|
E2 max vr2 |
. |
(4.68) |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
r 2 x2 v2 |
|
|
|
|
r 2 |
x2 v2 |
|
|
r22 x02 v |
|
||||
|
|
|
|
|
2 |
|
0 |
2 |
0 |
|
|
|
|
|
|||||
При изменении частоты вращения ротора от нуля до бесконечности активная составляющая имеет максимум. Частота вращения, при которой будет этот максимум:
d (I |
2a |
) |
|
d |
|
E |
vr |
|
|
E |
r (r 2 |
x2 v2 ) E |
2 max |
r 2x2 v2 |
||
|
|
|
|
|
|
2 max 2 |
|
|
|
2 max 2 2 |
0 |
|
2 0 |
0. |
||
|
|
|
|
|
x2 v2 |
|
|
(r 2 |
x2 v2 ) |
|
||||||
dv |
|
|
dv r 2 |
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
2 |
0 |
|
|
|
|
2 |
0 |
|
|
|
Дробь равна нулю, если числитель ее равен нулю, т.е.
E |
2 max |
r (r |
2 x2 v2 ) E |
2 max |
2r x2v2 |
0. |
|
||||||
|
2 2 |
0 |
|
2 0 |
|
|
|
||||||
Решаем это уравнение относительно v |
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
v |
k |
|
|
r 2 |
/ x2 |
r |
/ x |
. v |
|
|
(4.69) |
|
|
|
|
2 |
0 |
2 |
|
0 |
|
|
|
|
|
||
Рассмотрим график изменения сопротивлений |
и |
на рис. 4.14. |
|||||||||||
Для анализа влияния значения сопротивления в цепи ротора асинхронного
двигателя на тормозной момент необходимо выполнить построения,
представленные на рис. 4.14.
Из подобных треугольников АОВ и СОД имеем соотношения:
АВ / ОВ СД / ОД или r2 / AB x0 /1 откуда АВ = ⁄
Рис. 4.14. График изменения сопротивлений в роторной цепи при
динамическом торможении асинхронного двигателя.
Следовательно, АВ = . Из графика и выражения (4.70) видно, что
максимальное значение динамического момента наступает при равенстве активного и индуктивного сопротивлений в цепи ротора. Необходимо отметить, что на синхронной частоте вращения значение индуктивного сопротивления значительно больше активного сопротивления обмоток ротора.
Поэтому максимальное значение динамического момента находится на частоте вращения , близкой к нулю. При включении добавочного сопротивления
|
в ротор значение частоты |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
вращения |
|
увеличивается. Определим значение максимальной |
||||||||||||||||||||
составляющей тока двигателя при |
|
: |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
E |
2 max |
v r |
|
E |
2 max |
r 2 |
|
|
E |
|
r 2 |
|
E |
2 max |
|
|
||||
I 2a max |
|
|
k 2 |
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
2 max 2 |
|
|
. |
(4.70) |
|||||
|
|
|
x |
(r 2 |
x2 r 2 |
|
x |
(r 2 |
r 2 ) |
|
|
|||||||||||
|
|
r 2 x2 v2 |
/ x2 ) |
|
2x |
0 |
|
|
||||||||||||||
|
|
2 |
|
0 k |
0 |
2 |
|
0 |
2 |
0 |
|
0 |
|
2 |
2 |
|
|
|
|
|
||
Максимальное значение активной составляющей тока ротора зависит от ЭДС
, которое в свою очередь определяется для данного двигателя значением потока возбуждения (постоянного тока). График изменения активной составляющей тока ротора ( в другом масштабе это график динамического торможения) приведен на рис.4.15.
Рис.4.15. Механические характеристики асинхронного двигателя в
режиме динамического торможения. |
|
Пусть двигатель работает с частотой вращения |
. Отключаем |
его от сети переменного тока и подаем в цепь статора постоянный ток .
Возникает тормозной момент, и двигатель переходит в точку 2
характеристики динамического торможения. При снижении частоты
вращения момент вначале растет, достигает , затем уменьшается до
нуля. Выражения (4.69…4.71) дают представление о качественном изменении механических характеристик асинхронных двигателей. Этими выражениями трудно пользоваться для построения реальных механических
характеристик, так как часто неизвестны параметры . Для
вывода расчетных формул механических характеристик в режиме динамического торможения постоянный ток, подаваемый в статор, заменяют эквивалентным переменным. И далее рассматривают работу как обычной асинхронной машины. Аналитическое выражение механической характеристики асинхронного двигателя в режиме динамического торможения имеет вид:
|
M .т |
2M к т |
|
. |
(4.71) |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
vk / v v / vk |
|
|
|
|||
где |
|
|
|
; |
|
, |
- индуктивные |
сопротивления |
||
|
|
|
||||||||
намагничивающего контура статора и обмотки ротора; |
- переменный ток |
|||||||||
статора, определяемый из равенства намагничивающих сил |
постоянного и |
|||||||||
переменного потоков = . |
|
|
|
|
|
|
||||
С учетом сопротивления обмотки статора относительное |
|
|||||||||
значение критической частоты вращения можно записать |
в |
виде |
||||||||
|
|
ê |
r /( x |
|
x ). |
(4.72) |
|
|
||
|
|
|
2 |
2 |
|
|
|
|||
Соотношение постоянных и переменных токов в зависимости от схемы нужно выбрать в табл.4.1
Таблица 4.1
Соотношения значений сопротивлений и токов для различных схем динамического торможения АД.
Параметры Схемы и значения параметров
Схемы
включения
обмоток
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Соотношения |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
токов = |
1,23 |
1,41 |
2,12 |
2,45 |
|
||||||
|
|
|
|
||||||||
Таким образом, изменение сопротивления |
|
в цепи статора приводит к |
|||||||||
изменению максимальных значений тормозного момента, а изменение сопротивления в цепи ротора - к изменению скольжения.
а б в
Рис.4.16. Схемы включения конденсаторов в режиме динамического
торможения асинхронного двигателя с самовозбуждением.
Динамическое торможение с независимым возбуждением нашло применение в приводах, где требуются быстрая и точная остановка механизма, сокращение продолжительности переходного процесса в электроприводах. Оно имеет достоинства: потери а двигателе ниже, чем при противовключении; не требуется отключать двигатель при нулевой частоте вращения; обеспечивается точная остановка привода.
Динамическое торможение с самовозбуждением осуществляется с помощью конденсаторов. у работающего двигателя отключают от сети обмотку статора и подключают батарею конденсаторов по схеме (рис.4.16) [12]. Можно использовать бумажные и электролитические конденсаторы.
Процесс самовозбуждения можно проследить по рис.4.17. Торможение при самовозбуждении основано на том, что после отключения АД от сети его электромагнитное поле затухает (исчезает не мгновенно) в течение некоторого, пусть и небольшого интервала времени. За счет энергии этого затухающего поля и использования специальных схем включения АД можно обеспечить его самовозбуждение и реализовать тормозной режим. На практике применение нашли так называемые конденсаторное и магнитное торможение АД. При конденсаторном торможении возбуждение АД осуществляется с помощью конденсаторов С, подключаемых к статору.
Отметим, что конденсаторы могут подключаться к статору постоянно
(глухое подключение) или с помощью дополнительного контактора, будучи при этом соединенными в схему треугольника или звезды.
Рис.4.17. График изменения ЭДС и напряжения на конденсаторе в зависимости от тока асинхронного двигателя.
Определяющий фактор, от которого зависят вид и расположение характеристик АД 1... 3 (см. рис.4.18, а значит, интенсивность торможения -
емкость конденсаторов С (кривые 1… 3 соответствуют значениям
). Чем она больше, тем больше будет максимум тормозного момента, а
характеристики будут смещаться в область низких частот вращения АД.
Магнитное торможение реализуется после отключения статора двигателя от сети и замыкания с помощью контактов К его выводов накоротко
(рис.4.19).
Рис.4.19. Схема магнитного торможения асинхронного двигателя.
За счет запасенной в двигателе электромагнитной энергии проходит самовозбуждение двигателя и на его валу создается тормозной момент.
Особенностью такого торможения является быстротечность, определяемая небольшим временем затухания магнитного поля двигателя, однако возникающие при этом тормозные моменты достаточно велики и обеспечивают интенсивное торможение электропривода.
Тиристорные схемы существенно расширили практические возможности торможения АД, которые позволяют осуществлять как пуск двигателя, так и его торможение. Для обеспечения интенсивного торможения двигателя часто используется комбинированный способ, например динамическое торможение в сочетании с торможением коротким замыканием. Этот способ может быть реализован тиристорным устройством (см.рис.4.20) состоящим из двух пар встречно-параллельно включенных тиристоров VS1…VSб , служащих для подключения или отключения двигателя от источника питания, и
дополнительного тиристора VS5 для торможения коротким замыканием обмоток статора.
Рис.4.20. Схема тиристорного торможения асинхронного двигателя.
Торможение осуществляется следующим образом. После закрытия тиристоров и отключения двигателя от сети подается сигнал управления на тиристор VS1 , который замыкает накоротко две фазы статора. Когда интенсивность торможения коротким замыканием обмоток статора уменьшится, сигнал управления подается на тиристор VS1 который пропускает в цепь статора выпрямленный ток и тем самым обес-
обеспечивает режим динамического торможения. Серийные тиристорные пускорегулирующие устройства обеспечивают и другие варианты торможения АД, а также так называемый безударный его пуск, при котором снижаются броски электромагнитного момента.
4.10. Ограничение пусковых токов асинхронных
двигателей
При включении асинхронного двигателя в сеть возникает большой пусковой ток, превышающий номинальный в 5…7 раз и вызывающий в линии значительное падение напряжения, что может привести к остановке рядом работающих двигателей. Под действием пускового тока в двигателе возникают динамические усилия, повреждающие и разрушающие обмотку,
нагружаются силовые трансформаторы и линия, что приводит и дополнительным потерям мощности ‚ ограничение пусковых токов особенно актуально для сельскохозяйственных установок из-за удаленности электродвигателей от источников питания и соизмеримости мощности трансформаторов и пусковой мощности электродвигателей. Частые пуски нагревают обмотки двигателя.
Ограничить пусковые токи можно несколькими способами: включением добавочного активного или индуктивного сопротивления в цепь статора;
включением добавочного активного или индуктивного сопротивления в цепь ротора; переключением обмотки статора на период пуска с «треугольника» на «звезду»; понижением напряжения на статоре. Схемы снижения пусковых токов путем переключения обмоток со «звезды» на «треугольник»
(рис.4.21) можно рекомендовать для электродвигателей, фазные обмотки которых рассчитаны на линейное напряжение. Это относится к электроприводам прессгрануляторов, мощных дробилок и т.п.). В сети с напряжением 380 В необходимо применять двигатели рассчитанные на напряжение 660/380 В. При напряжении сети 380 В у двигателя должно быть напряжение 380/220 В.
Рассмотрим соотношение пусковых токов двигателя при соединении в
«звезду»:
|
|
|
|
|
|
I I ë U í |
3 zk , |
(4.73) |
|
где |
- полное сопротивление обмотки |
статора при включении. |
||
Рис. 4.21. Схема переключения обмоток статора асинхронного двигателя со «звезды» на «треугольник».
Пусковые токи двигателя при включении обмоток в «треугольник»:
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3U í |
. |
|
|||
|
|
|
I |
ô |
U |
í |
/ z |
; |
I |
ë |
|
3 i |
ô |
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
k |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
zk |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Отношение токов: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
I ô |
|
U í |
|
3 zk |
|
|
|
|
|
I ô |
|
|
|
|
3U í |
|
3zk |
3. |
(4.74) |
||||||||||
|
|
3; |
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
I ôY |
|
zk U í |
|
|
|
|
|
|
I ôY |
|
|
|
|
|
zk U í |
|
|||||||||||||
Таким образом, при включении обмоток двигателя в «звезду» фазный ток уменьшается в √ раз, а линейный - в три раза. При понижении напряжения на фазе в √ раз момент двигателя уменьшается в три раза.