Рис.4.1. Схемы включения асинхронного короткозамкнутого двигателя с использованием контактного (а) и бесконтактного (б) пускателей

Для нерегулируемых приводов с синхронными двигателями кроме указанных функций управления необходимо также регулирование тока возбуждения. Принципы регулирования возбуждения синхронных машин рассмотрены в §4.7.

Основной характеристикой нерегулируемого электропривода являются номинальные данные приводного электродвигателя, т.е. те данные, которые относятся к основному расчетному режиму работы двигателя. Номинальная мощность определяется как мощность на валу двигателя, на которую он рассчитан по условиям нагревания в длительном режиме работы или в том режиме, для которого этот двигатель предназначен. К номинальным данным относятся также частота и напряжение питания, скорость вращения, ток в обмотках, кпд и cosφ, соответствующие номинальному режиму работы.

При выборе номинальных параметров нерегулируемого электропривода возникает задача выбора величины передаточного коэффициента редуктора (или другой передачи), соединяющего вал электродвигателя с рабочим органом машины. Асинхронные электродвигатели выпускаются с высокими скоростям вращения (синхронная скорость 3000, 1500, 1000, 750, 600об/мин), в то время как скорость рабочего органа, как правило, требуется значительно ниже. Для снижения скорости и соответствующего повышения момента на валу рабочего органа необходимо использование понижающей передачи (редуктора).

Масса и габаритные размеры электродвигателя определяются не его номинальной мощностью, а номинальным моментом двигателя

.

Номинальный момент двигателя пропорционален объему активных частей электрической машины и принятыми для этой машины электрическими и электромагнитными нагрузками: допустимой плотностью тока в обмотках А (А/мм²) и индукцией в магнитопроводе В (Тл), т.е. приблизительно

,

где D и L – диаметр и длина активной части ротора (якоря) двигателя.

С учетом неактивных частей электрической машины (станины, подшипниковых щитов и др.) соотношение между весом и номинальным моментом не будет строго пропорциональным, однако приближенно для двигателей одной серии можно считать, что вес и габариты двигателя примерно пропорциональны его номинальному моменту.

Исходя из этого, конструктору при выборе привода следует выбирать, чему отдать предпочтение: электродвигателю меньшего веса и меньших габаритов, но с редуктором, имеющим большее передаточное отношение, или большему по габаритам и весу электродвигателю, но в сочетании с более простым редуктором с меньшим передаточным отношением или вообще обойтись без механической передачи, т.е. применить безредукторный электропривод.

Выбор производится, исходя из технико-экономических соображений и удобства компановки конструкции рабочей машины в целом.

Для нерегулируемых приводов малой и средней мощности (до 200кВт), как правило, применяются редукторные электроприводы. Наиболее современным конструкторским решением является использование мотор-редукторов, в которых электродвигатель и редуктор конструктивно объединены в одно целое.

Для регулируемых электроприводов (особенно высокоточных) стремятся избежать, когда это возможно, использования редуктора и применяют безредукторные электроприводы, в которых вал электродвигателя непосредственно соединяется с рабочим органом машины.

Для электроприводов (в том числе и нерегулируемых), работающих с большим числом пусков и остановов стремятся минимизировать время пуска привода (t_П).

Из уравнения движения электропривода (2.8), полагая М_С=0 и пусковой момент двигателя (М_П) постоянным (средним) во время пуска, получим

, (4.1)

где: - номинальная скорость рабочего органа;

J_П – момент инерции передачи, приведенный к валу двигателя.

Из (4.1) получим:

.

Полагая , найдем оптимальное по условию минимизации времени пуска передаточное отношение редуктора:

. (4.2)

4.2. Электромеханические свойства асинхронных двигателей

4.2.1. Принцип работы асинхронного двигателя

Наиболее распространенными электрическими двигателями в промышленности, сельском хозяйстве и во всех других сферах применения являются асинхронные двигатели. Можно сказать, что они являются основным средством преобразования электрической энергии в механическую.

Асинхронный двигатель является трехфазной (может быть двух или многофазной) индукционной электрической машиной переменного тока. На статоре двигателя располагаются три распределенные обмотки, сдвинутые друг относительно друга на 120⁰, если число пар полюсов машины , как это показано на рис. 4.2а. Если число пар полюсов (р_П), образуемых обмотками, более одного, то соответственно увеличивается число секций обмотки, и они будут сдвинуты геометрически друг относительно друга уже не на 120⁰, а на.

Ф

в

азные статорные обмотки асинхронного двигателя соединяют в звезду (рис.4.2б) или в треугольник (рис.4.2в). Обычно асинхронные двигатели малой и средней мощности сконструиро-ваны на номинальное напряжение 380/220В. При этом, если напря-жение питания 380В, то обмотки соединяют в звезду (Y), если напряжение питания 220В, то об-мотки соединяют в треугольник (Δ). В обоих случаях напряжение, прикладываемое к фазной обмот-ке статора двигателя, равно 220В.

Р

Рис.4.2. Схемы включения обмоток асинхронного двигателя

а

абота асинхронного двигателя основана на формировании силового электромагнитного поля статора. Благодаря простран-ственному сдвигу обмоток наградусов и временному сдвигу трех фаз напряжения, прикладываемого к обмоткам, (фазы напряженийU_A, U_B, и U_С сдвинуты на 120 электрических градусов - радиан), резуль-тирующий вектор магнитодви-жущих сил, создаваемых током в обмотках двигателя, равномерно перемещается по окружности расточки статора со скоростью

, (4.3)

где: f₁ – частота синусоидального тока в обмотках статора;

р_П – число пар полюсов машины.

Рис.4.3. Принцип образования вращающегося электромагнитного поля

Принцип образования вращающегося магнитного поля в обмотках статора можно уяснить из рассмотрения рис.4.3. На рис.4.3а представлена эпюра системы трехфазных токов протекающих по обмоткам статора (мгновенные значения токов в обмотках фаз а, в и с в зависимости от времени ). Рассмотрим положение в пространстве результирующего вектора м.д.с. статора в момент времениt₁.

.

Вектор м.д.с. обмотки а направлен по оси «а» в положительном направлении и равен 0,5I_а.макс; вектор м.д.с. обмотки с направлен по оси «с» в положительном направлении и равен 0,5I_с.макс. Сумма векторов направлена по оси «в» в отрицательном направлении; с этой суммой складывается вектор м.д.с. обмотки «в», равныйI_в.макс. Сумма этих векторов образует пространственный вектор , равный по модулю величине 3/2·I_макс и занимающий пространственное положение, как показано на рис.4.3б.

По прошествии времени (при частоте 50Гц черезс.) наступит момент времениt₂, при котором вектор м.д.с. обмотки «а» имеет максимальное положительное значение, а векторы м.д.с. обмоток «в» и «с» – половинное отрицательное значение. Результирующий вектор м.д.с.займет в этот момент положение, показанное на рис.4.3б, т.е. переместится по отношению к предыдущему положениюна пространственный угол 60⁰ по часовой стрелке. Нетрудно убедиться, что в момент времени t₃ результирующий вектор м.д.с. обмоток статора займет положение, т.е. будет продолжать перемещаться в пространстве по часовой стрелке. За время периода питающего напряжения результирующий вектор м.д.с.совершит полный оборот по часовой стрелке.

Предоставляем читателю самому убедиться, что при изменении порядка чередования фаз напряжения, подводимого к обмоткам двигателя (если, например, поменяем местами фазы В и С на рис.4.2б,в), то результирующий вектор потокосцепления будет вращаться против часовой стрелки, т.е. изменится направление вращения магнитного поля, образуемого токами в обмотках статора.

Если число пар полюсов двигателя больше единицы, то увеличивается число секций обмоток, располагаемых по окружности статора. Так, если число пар полюсов р_П=2, то все три фазные обмотки расположены на одной половине окружности статора, соответственно и на второй его половине. В этом случае за время одного периода питающего напряжения вектор м.д.с. статора пройдет половину окружности, т.е. повернется на 180 геометрических градусов, и скорость вращения магнитного поля статора будет вдвое меньше, чем у машин ср_П=1. Следовательно, скорость вращения магнитного поля статора (ее также называют синхронной скоростью) обратно пропорциональна числу пар полюсов машины и будет в соответствии с (4.3).

В зависимости от конструкции ротора асинхронного двигателя различают асинхронные двигатели с фазным ротором и с короткозамкнутым ротором. В двигателях с фазным ротором на роторе располагается трехфазная распределенная обмотка, соединенная обычно в звезду, концы обмоток соединены с контактными кольцами, через которые электрические цепи ротора выводятся из машины для подключения к пусковым сопротивлениям с последующим закорачиванием обмоток. В короткозамкнутых двигателях обмотка выполнена в виде беличьей клетки – стержней, замкнутых накоротко с двух сторон кольцами. Несмотря на специфическое конструктивное устройство, беличью клетку также можно рассматривать как трехфазную обмотку, замкнутую накоротко.

Число пар полюсов	Угловая скорость электромагнитного поля статора, 1/с	Синхронная скорость асинхронного двигателя, об/мин	Примерная ном. скорость двигателя, об/мин
При			2940
При			1450
При			980
При			735
При			585
При			490

Электромагнитный момент в асинхронном двигателе создается благодаря взаимодействию вращающегося магнитного поля статора с активной составляющей тока ротора

(4.4)

Ток ротора возникает благодаря э.д.с. Е₂, которая индуктируется в обмотках ротора вращающимся магнитным полем. Когда ротор неподвижен, асинхронный двигатель представляет собой трехфазный трансформатор с обмотками замкнутыми накоротко или нагруженными на пусковое сопротивление. Возникающая при неподвижном роторе в его обмотках э.д.с. называется номинальной э.д.с. ротора Е_2н. Эта э.д.с. приблизительно равна фазному напряжению статора, деленному на коэффициент трансформации

(4.5)

Величина э.д.с. ротора Е₂ при вращающемся двигателе и частота этой э.д.с. (а значит, и частота тока в обмотках ротора) f₂ зависят от частоты пересечения вращающимся полем проводников обмотки ротора (в короткозамкнутом двигателе – стержней). Эта частота определяется разностью скоростей поля статора и ротора. Эта разность называется абсолютным скольжением

. (4.6)

При анализе режимов работы асинхронного двигателя с постоянной частотой питающего напряжения (50Гц) обычно пользуются относительной величиной скольжения

. (4.7)

Когда ротор двигателя неподвижен, s=1.

Исходя из сказанного, наибольшая величина э.д.с. ротора при работе в двигательном режиме будет при неподвижном роторе (Е_2н); по мере увеличения скорости (уменьшении скольжения) э.д.с. Е₂ будет уменьшаться

, (4.8)

аналогично частота э.д.с. и тока ротора f₂ при неподвижном роторе будет равна частоте тока статора f₁, и по мере увеличения скорости будет уменьшаться пропорционально скольжению

. (4.9)

В номинальном режиме скорость ротора незначительно отличается от скорости поля, и номинальное скольжение составляет для двигателей общего применения мощностью 1,5-200кВт всего 2-3%, а для двигателей большей мощности порядка 1%. Соответственно в номинальном режиме э.д.с. ротора составляет 1-3% от номинального значения этой э.д.с. при s=1. Частота тока ротора в номинальном режиме будет составлять всего 0,5-1,5Гц. При s=0, если скорость ротора равна скорости поля, э.д.с. ротора Е₂ и ток ротора I₂ будут равны нулю, момент двигателя также будет равен нулю. Этот режим является режимом идеального холостого хода.

Зависимость частоты э.д.с. и тока ротора от скольжения определяет своеобразие механических характеристик асинхронного двигателя.