4.5. Потери в асинхронном двигателе при пуске и торможении

Как было выяснено в разделе 4.3.1, потери в роторной цепи асинхронного двигателя пропорциональны его скольжению, поэтому стремятся, чтобы в рабочем режиме двигатель работал с минимальным скольжением. Однако в процессе пуска двигатель разгоняясь проходит скольжение от 1 до s_н. В этот период в роторе двигателя могут выделиться значительные по величине потери энергии, что особенно неблагоприятно для асинхронных короткозамкнутых двигателей, где эти потери не могут быть вынесены из машины в пусковые сопротивления.

Определим потери в цепи ротора за один пуск асинхронного двигателя без нагрузки (без статического момента на валу двигателя).

Потери энергии за один пуск будут

. (4.38)

При отсутствии статического момента уравнение движения будет , подставляя которое в (4.38) и соответственно заменяя пределы интегрирования, получим:

,

откуда

. (4.39)

Отсюда вытекает правило, что при пуске асинхронного двигателя вхолостую потери в цепи его ротора равны тому запасу кинетической энергии, который получают приходящие в движение маховые массы (ротора и рабочего механизма) при их разгоне до установившейся скорости.

Заметим, что потери в роторе не зависят от времени пуска, пусковых токов и других параметров. Потери в статоре, напротив, зависят от параметров пуска.

Во избежание перегрева для каждого короткозамкнутого двигателя существует предельное значение суммарного момента инерции, который может преодолеть данный двигатель. При пуске значение указывается в каталогах. При отсутствии этих данных величинаможет быть определена из следующих соображений.

Допустимая величина энергии, выделяющейся в клетке ротора и массой m_кл, не должна приводить к ее перегреву более чем на . Отсюда

,

где С_кл – Дж/кг.гр – теплоемкость материала клетки ротора.

Расчет проводится исходя из необходимости обеспечения двух пусков подряд. Поэтому . Из этих условий получим:

.

Потери энергии в роторной цепи двигателя при динамическом торможении от скорости до минимальной скорости (затормозить двигатель до нулевой скорости при динамическом торможении нельзя) также равны запасу кинетической энергии, которой обладали движущиеся массы ротора и рабочей машины.

При торможении противовключением двигатель работает при еще больших скольжениях – от s_нач=2 до s=1. Подставляя эти значения в (4.38), получим, что

.

Для асинхронного двигателя важно определить потери при пуске и торможении не только в роторной, но и в статорной цепи. Ориентировочно эти потери можно найти, зная потери в роторе и пользуясь соотношением

.

Потери в статоре могут быть сокращены, используя, например, снижение напряжения на статоре при пуске (если это возможно).

4.6. Электромеханические характеристики синхронных электродвигателей

Для нерегулируемых электроприводов большой мощности (свыше 250кВт) широко применяются синхронные электродвигатели с электромагнитным возбуждением. Схема включения такого двигателя показана на рис.4.22.

Конструкция статора синхронного двигателя аналогична конструкции статора асинхронного двигателя. Токи, протекающие по трехфазной обмотке статора, создают намагничивающие силы, результирующий вектор которых образует вращающееся в пространстве электромагнитное поле статора Ф₁. Скорость вращения поля статора равна

(4.40)

и является рабочей скоростью синхронного двигателя.

Рис.4.22. Схема включения Рис.4.23. Пространственные векторы

синхронного двигателя электромагнитных полей синхронного

двигателя а) идеальный холостой ход;

б) при нагрузке на валу

На роторе синхронного двигателя расположена обмотка возбуждения, которая питается постоянным током от независимого регулируемого источника напряжения – возбудителя. Ток возбуждения создает электромагнитное поле Ф₀, неподвижное относительно ротора и вращающееся в установившемся режиме вместе с ротором со скоростью. Магнитные силовые линии поля ротора сцепляются с вращающимся синхронно с ним электромагнитным полем статора. Взаимодействие полей статора и ротора создает электромагнитный момент на валу синхронной машины.

.

При отсутствии нагрузки векторы поля статораи поля роторасовпадают в пространстве (см.рис.4.23) и совместно вращаются со скоростью. При появлении на валу двигателя момента сопротивления векторыирасходятся (как бы растягиваются подобно пружине) на угол, называемый углом нагрузки, причем, если векторотстает от вектора(см.рис. 4.23б), то синхронная машина работает в двигательном режиме и электромагнитный момент на ее валу положителен. Если синхронная машина работает генератором, приводимым во вращение первичным двигатель, то вектор поля ротора опережает вектор поля статора на угол (-) и электромагнитный момент на валу машины отрицателен. Изменению нагрузки на валу машины соответствует изменение угла. Образно это соответствует растяжению-сжатию пружины. Максимальный момент будет иметь место при. Если нагрузка на валу машины будет большеМ_макс, то синхронный режим нарушается и машина выпадает из синхронизма.

Рис.4.24. Механические характеристики синхронного двигателя

1 – характеристика синхронного режима

2 – пусковая характеристика (асинхронный режим)

Механическая харак-теристика синхронной машины представляют собой прямую, парал-лельную оси абсцисс и ограниченную значени-ями момента (рис. 4.24). Жесткость механической характе-ристики равна бесконечности.

Поскольку ротор двигателя вращается с синхронной скоростью и скольжение отсутствует, то вся мощность электромагнитного поля статора Р_эм преобразуется в механическую мощность на валу синхронного двигателя. Если пренебречь потерями в статоре, то , откуда

. (4.41)

Рассмотрим векторную диаграмму неявнополюсной синхронной машины (рис.4.25). Двигатель с неявнополюсным ротором имеет симметричную в магнитном отношении конструкцию. Пренебрегая активным сопротивлением статора получим .

ЗдесьЕ₁ – э.д.с., наводимая в обмотках статора вращающим-ся вместе с ротором полем Ф₀.

Из векторной диаграммы следует:

или

.

П

Рис.4.25. Векторная диаграмма синхронного двигателя

одставляя эти значения в (4.41), получим выражение для угловой характеристики неявнополюсной синхронной машины

. (4.42)

Из этого выражения и соответствующей ему угловой характеристики (рис.4.26) следует, что по мере нагружения синхронной машины угол нагрузки увеличивается и момент достигает максимума при . Учитывая пропорциональность между э.д.с.Е₁ и магнитным потоком Ф₀ (т.е. током возбуждения I_В), получим, что максимальный момент синхронной машины будет равен

, (4.43)

т.е. максимальный момент синхронного двигателя (в отличие от асинхронного) зависит от величины питающего напряжения в первой степени и в определенных пределах (когда не сказывается насыщение магнитной цепи) пропорционален величине тока возбуждения. Исходя из соотношения (4.43) в большинстве схем автоматического регулирования возбуждения синхронных двигателей для сохранения постоянной перегрузочной способности двигателя предусматривается автоматическое увеличение тока возбуждения при приложении ударной нагрузки или снижении величины питающего напряжения.

Рис.4.26. Угловая характеристика синхронного двигателя: а) неявнополюсной машины; б) – явнополюсной машины

1 – при номинальном потоке возбуждения;

2 – при форcировке возбуждения

Для синхронной машины с несимметричной магнитной цепью, когда ротор имеет явнополюсную конструкцию, кроме момента, вызванного полем ротора, возникает реактивный момент, определяемый стремлением ротора занять такое положение в пространстве, при котором магнитная проницаемость пути, по которому замыкается магнитное поле статора, была бы максимальной. Возникновение реактивного момента соответствует закону Ленца, который определяет: «При всяком изменении магнитного потока возникают силы электрического и механического характера, стремящиеся сохранить этот поток».

Для анализа угловой характеристики явнополюсного синхронного двигателя разложим векторы токов и падений напряжения по продольной d (согласно вектору э.д.с. Е₁) и поперечной q осям ротора. Очевидно, что индуктивные сопротивления двигателя по этим осям будут разными, причем x_d>x_q. Преобразуем выражения (4.41) в соответствии с векторной диаграммой 4.25, где .

.

Обозначив , получим

. (4.44)

Из векторной диаграммы следует:

(4.45)

Подставляя I_1d и I_1q из (4.45) в (4.44), после преобразований получим:

. (4.46)

Первый член выражения представляет электромагнитный момент M’, возникающий в результате взаимодействия полей статора и ротора, второй член – реактивный момент M”, возникающий из-за несимметрии магнитной цепи двигателя и связанного с ней стремления ротора ориентироваться по оси поля статора. Угловая характеристика синхронной машины с явнополюсным ротором показана на рис.4.26б. Максимальная величина реактивного момента составляет обычно 15-20% от момента, определяемого взаимодействием полей.

Заметим, что явнополюсная синхронная машина развивает момент даже при отсутствии тока возбуждения – за счет реактивного момента. Это свойство синхронной машины легло в основу создания синхронных электроприводов без возбуждения на базе синхронных реактивных двигателей. У этих машин индуктивность по продольной и поперечной осям различается значительно, что обуславливает создание достаточного по величине реактивного момента на валу двигателя. Синхронные реактивные двигатели используются, как правило, для приводов небольшой мощности (менее 1кВт).