КУРС лекций Электротехника, электронное / Курс лекций. Электротехника и электроника. РАЗДЕЛ 2. Электрические машины
.pdf148
ты, соответственно; n1, nH, nKP – синхронные, номинальные и критические обороты вала двигателя, соответственно.
Поскольку магнитный поток двигателя пропорционален квадрату напряжения, Ф ≡ U12 , то из выражения (16) следует, что
M |
вр |
= C U 2 |
I |
2 |
cosϕ |
2 |
, |
(27) |
|
1 |
|
|
|
|
С – коэффициент пропорциональности.
Вращающий момент зависит от квадрата приложенного напряжения к цепи статора. Это обстоятельство делает асинхронный двигатель весьма чувствительным к снижению напряжения питающей его сети. Поэтому в силовых сетях не допускается снижение напряжения больше чем на 10%.
Контрольные вопросы
1 Получение кругового вращающегося магнитного поля.
2 Понятие о синхронном и асинхронном вращении (рассмотреть соответствующие опыты, указать их практическое значение).
3 Устройство асинхронных двигателей (эскиз, название, материалы, назначение основных частей). Достоинства и недостатки асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором и с контактными кольцами.
4 Принцип работы асинхронного двигателя. (Доказать, что ротор двигателя вращается в направлении вращения магнитного поля статора). Дать понятие скольжения и его величина стандартных двигателей.
5 ЭДС одной обмотки статора и ротора (вывод формул, графики за- висимости ЭДС от скольжения).
6 Вращающий момент асинхронного двигателя (написать аналити- ческое выражение, изобразить на графике зависимости Мвр=f(s)). Объяс- нить причины характерного изгиба этого графика на основании анализа за- висимости.
7 Механическая характеристика асинхронного двигателя (изобра- зить график, дать определение основных величин и работу в характерных точках). Перегрузочная способность двигателя.
149
Лекция 2.4 Пуск, реверс и регулирование частоты вращения асинхронных двигателей
План лекции
1)Способы пуска асинхронного двигателя
2)Реверс асинхронного двигателя
3)Регулирование частоты вращения асинхронного двигателя.
2.4.1Способы пуска асинхронного двигателя
Пусковым током Iпуск называется ток, поступающий в двигатель в
момент включения его в питающую сеть.
Пусковой ток асинхронного двигателя велик и значительно превос-
ходит номинальный ток двигателя |
Iном . Его оценивают так называемой |
||
кратностью пускового тока: |
|
||
K = |
Iпуск |
= 2,5 − 10 . |
(1) |
|
|||
|
Iном |
|
|
А
В
С
t = 0
Пр
Iпуск 
М
Рисунок 1 – Пояснение к пуску асинхронного двигателя
Кратностью пускового тока называется отношение пускового тока к номинальному току.
Бросок тока при пуске одна из слабых сторон асинхронного двигате- ля. Рассмотрим причины броска тока. Как известно, ЭДС ротора двигателя определяется выражением
E2 = 4, 44K2W2Фf1S . |
(2) |
Для пускового режима Sпуск |
=1 . |
Для номинального режима Sном = 0,05 . Тогда имеем
E
2пуск =
E2ном
|
|
150 |
|
4, 44К2W2Ф f1 Sпуск |
= |
1 |
= 20. |
4, 44К2W2Ф f1 Sном |
|
0,05 |
|
Рисунок 2 – Пояснение к броску пускового тока |
|||
Таким образом, ЭДС ротора в момент пуска в десятки раз больше номинальной величины.
E2пуск = 20E2 ном |
(3) |
||
Рассмотрим сопротивление ротора. Оно определяется формулой: |
|
||
|
|
|
|
z2 = R22 + (ω1 L2 S)2 . |
(4) |
||
Для пускового периода Sпуск =1 и сопротивление ротора будет рав-
но
z2пуск = |
R22 + (ω1 L2 1)2 . |
(5) |
|||||
Для номинального режима при Sном = 0, 05 |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
z |
2 |
пуск |
= |
R2 |
+ (ω L 0, 05) . |
(6) |
|
|
|
2 |
1 2 |
|
|
||
Тогда отношение сопротивлений ротора при пуске к номинальному значению будет таково:
z |
2 |
пуск |
= |
R2 |
+ (ω L × 1)2 |
||
|
2 |
1 2 |
|
||||
z |
2 |
ном |
R2 + (ω L × 0, 05)2 . |
||||
|
|||||||
|
|
2 |
1 2 |
|
|||
Из-за малости величины второго слагаемого в знаменателе (его мож- но приравнять к нулю) получим, что
z |
2 |
пуск |
= |
R2 + (ω L 1)2 |
|
ω L 1 |
2 |
|
|||||
|
2 |
1 |
2 |
= 1 + |
1 2 |
|
. |
|
|||||
z |
|
|
|
R |
2 |
|
R |
2 |
|
(7) |
|||
2 |
ном |
|
|
2 |
|
|
2 |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
151 |
|
|
На |
практике, установлено, что в выражении (7) составляющая |
|
|
ω L 1 |
2 |
||
|
1 |
2 |
|
для асинхронных двигателей равна 7 ÷ 9. Поэтому |
|
2 |
|
||
|
|
R2 |
|
|
z
2пуск = 
1 + (7 ÷ 9) = 2,85 ÷ 3,16. (8)
z2ном
Видим, что при пуске сопротивление ротора возрастает, поэтому для пускового тока получаем соотношение:
I2пуск = |
Е2пуск |
= |
20Е2ном |
= (7÷6, 32)I2ном . |
(9) |
|
z2пуск |
(2,85÷3,16)z2ном |
|||||
|
|
|
|
Так как трехфазный асинхронный двигатель работает как трансфор- матор, у которого вторичная обмотка вращается, то, следовательно, во сколько раз увеличивается I2, во столько же раз увеличится и I1. Тогда
можно считать, что I1пуск = (7 ÷ 6, 32)I1ном .
Таким образом, бросок тока образуется за счет резкого увеличения Е2. Чем же опасен большой пусковой ток?
Для самого двигателя он неопасен, т.к. асинхронный двигатель весьма прочен в электрическом и механическом отношении. Большой пусковой ток опасен для соседних уже работающих двигателей.
Он вызывает временное резкое снижение напряжение в сети, за счет падения напряжения в проводах. Это, в свою очередь снижает вращающий момент двигателя. Если в этот момент времени, момент сил сопротивления на валу будет больше вращающего момента, то двигатель остановится. В этом и состоит опасность броска тока асинхронного двигателя. Особенно большие броски тока наблюдаются для трехфазных асинхронных двигате- лей с короткозамкнутым ротором. Чтобы смягчить броски тока применя- ются искусственные пусковые схемы.
Существует ряд схем, ограничивающих пусковой ток асинхронных двигателей.
2.4.1.1 Прямой пуск асинхронного двигателя
Прямой пуск осуществляется по схеме, приведенной на рисунке 3. Применяется для небольших асинхронных двигателей с мощностью до
Рн = (80 100) кВт.
Допустимость прямого включения разрешается по следующей эмпи- рической формуле:
152
|
I |
пуск |
|
3 |
|
Р |
|
|
K = |
|
≤ |
|
+ |
МОЩ.П/СТАН. |
, |
(10) |
|
|
|
|
|
|||||
|
Iном |
4 |
|
РН.МОЩН. ДВ. |
|
|||
где РМОЩ.П/СТАН – мощность подстанции, питающей электродвигатель; РН.МОЩН.ДВ – номинальная мощность двигателя.
А
В 
380/220 В
С
Р
Пр
Iпуск 
М
Рисунок 3 – Прямой пуск асинхронного двигателя
Практически, необходимо, чтобы соблюдались параметры, приве- денные в Таблице 1.
Таблица 1 – Соотношения мощности электродвигателя и п/станции для прямого пуска двигателя
Мощность |
Пределы мощности электродвигателя в кВт при |
||
дополнительной потере напряжения |
|||
п/станции, кВА |
|||
До 4% |
До 5% |
||
|
|||
50,0 |
2,9 |
12,0 |
|
100,0 |
5,5 |
14,5 |
|
180,0 |
10,4 |
26,0 |
|
|
|
|
|
320,0 |
18,5 |
46,3 |
|
560,0 |
32,4 |
81,0 |
|
|
|
|
|
1000,0 |
42,3 |
105,7 |
|
1800,0 |
76,0 |
190,0 |
|
2.4.1.2 Переключение статора короткозамкнутого двигателя, нормально работающего по схеме «Y», на время пуска на схему « »
Схема включения представлена на рисунке 4. Схема обеспечивает уменьшение пускового тока в 3 раза. Действительно, при пуске двигателя с обмотками статора соединенными в треугольник ток будет
153
I = |
|
|
U Л |
, |
|
|
3 |
(11) |
|||||
|
zФ
где U Л - линейное напряжение двигателя; zФ - сопротивление фазы двигателя.
При пуске двигателя с обмотками статора соединенными в звезду ток будет
|
IY = |
|
|
U Л |
|
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(12) |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
3 zФ |
|
|||||||||||||||||||||||||||||||
Тогда получаем, что отношение токов составит |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
I |
= |
|
|
3 U Л 3 zФ |
= 3. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(13) |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
IY |
|
|
|
|
zФ U Л |
|||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рисунок 4 – Схема переключения обмотки статора со «Y» на « »
Пуск двигателя проходит в следующем порядке. Сначала переключа- тель П ставится в положение «1» (схема «Y»), а когда двигатель наберет обороты, переключатель ставится в положение «2» (схема « ») и в таком положении двигатель работает до остановки.
Недостатком этого способа является уменьшение в 3 раза пускового момента двигателя. Способ можно применять только при механизмах,
154
имеющих пусковой момент близкий к нулю и для двигателей, у которых при нормальной работе обмотка статора соединена по схеме «треуголь- ник».
2.4.1.3 Пуск двигателя с помощью автотрансформатора
Схема включения в этом случае представлена на рисунке 5.
А
В |
380/220 В |
С
Р2
Пр
Iпуск 
Р3
|
|
ΔU1 |
|
|
Автотрансформатор |
С1 |
С2 |
С3 |
|
|
U1 |
Статор |
|
Р1 |
С4 |
С5 |
С6 |
Ротор
Рисунок 5 – Схема пуска асинхронного двигателя с помощью
автотрансформатора
Порядок включения:
1)Замыкаем рубильник Р1.
2)Замыкаем рубильник Р2, при этом двигатель начинает работать при пониженном напряжении U1.
Iпуск |
= |
U1 |
(14) |
|
zФ |
||||
|
|
|
3) Выключаем рубильник Р1. При этом автотрансформатор работает как три отдельные катушки с железом (дроссели). На дросселях падает на- пряжение. Ток в двигателе будет равен:
155
|
U |
С − |
U1 |
|
|
I пуск 2 |
= |
|
|
|
(15) |
|
zф |
|
|||
|
|
|
|
|
|
4) Когда двигатель наберет полные обороты, включаем рубильник Р3, при этом дроссели закорачиваются ножами рубильника. Статор двига- теля питается от полного сетевого напряжения.
Iном |
= |
UС |
(16) |
|
zФ |
||||
|
|
|
Указанный способ нашел широкое применение на практике благода- ря своей экономичности и надежности.
2.4.1.4Пуск двигателя с фазным ротором
Вцепь ротора включен трехфазный реостат из активных сопротив- лений (рисунок 6). Во время пуска он ограничивает ток ротора, а следова- тельно, и ток потребляемый двигателем из сети.
Рисунок 6 – Пуск асинхронного электродвигателя с фазным
ротором
156
Порядок включения:
1)Реостат Rp ставят в положение «а», при этом все сопротивления реостата полностью включены.
2)Включают рубильник Р. Ротор электродвигателя приходит во вра- щение. При этом, частота вращения ротора мала, пусковой ток тоже мал. Малая величина пускового тока определяется наличием в цепи ротора ак- тивного сопротивления пускового реостата Rp.
I пуск |
= |
U |
2 |
≤ 1,5I 2 ном . |
(17) |
|
Z 2 + R p |
||||||
|
|
|
|
|||
Коэффициент мощности цепи ротора при пуске возрастает и будет равен:
R2 + Rp
cosφ2 ПУСК = . (18)
(R2 + Rp )2 + (ω1L2 1)2
Пусковой момент увеличивается:
M пуск = К Ф I2пуск cosψ 2 ПУСК . |
(19) |
3)Реостат Rp постепенно выводят, т.е. поднимают его ползунок K вверх – частота вращения вала двигателя увеличиваются.
4)Когда ползунок K достигает крайнего положения (положение «б»), реостат Rp - оказывается полностью выключен.
Величина пускового реостата рассчитывается из условия получения максимального момента при пуске двигателя. Необходимо, чтобы актив- ное сопротивление фазы двигателя R2 и реостата по величине равнялось бы реактивному индуктивному сопротивлению ротора:
R2 + Rp = ω1 L2 1, |
Rp = ω1 L2 1 − R2 |
(20) |
Формула (20) используется для расчета реостата. При регулировании реостатом момент двигателя изменяется так, как показано на рисунке 7.
а |
157
б
Рисунок 7 – Изменения вращающего момента электродвигателя с фазным ротором при пуске: а – график момента; б –схема пятиступенчатого пус-
кового реостата
Таким образом, при изменении сопротивления реостата кривая мо- мента перемещается в случае увеличения сопротивления в сторону боль- ших скольжений, в случае уменьшения сопротивления – в сторону мень- ших скольжений. Величина максимального момента при этом не изменяет- ся.
Из рассмотренного следует, что реостат в цепи ротора выполняет следующие функции:
1)уменьшает пусковой ток;
2)увеличивает пусковой момент;
3)изменяет скорость вращения двигателя.
2.4.2Изменение направления вращения (реверс)
|
А |
В |
С |
|
Реверсом называется такой режим работы |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
двигателя, при котором изменяется направление |
|
|
|
П |
|
|
вращения. |
|
C |
|
|
|
C |
Схема реверса представлена на рисунке 8. |
|
|
|
|
|
|
||
B |
1 |
|
2 |
A |
При включении переключателя «П» в положе- |
|
A |
|
B |
||||
|
|
|
ние 1 – двигатель вращается, например, вправо. |
|||
Направо |
|
|
Налево |
|||
|
|
|
|
|
При включении в положение 2 – двигатель |
|
|
|
|
|
|
вращается в обратную сторону, т.е. влево. |
|
|
|
|
|
|
Реверс асинхронного двигателя осуществляет- |
|
|
|
|
|
|
ся весьма просто – для этого нужно изменить поря- |
|
|
ВАС |
|
|
|
док чередования фаз, т.е. поменять местами две лю- |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
АВС |
|
бые фазы. Следует учесть, что при реверсе сходу, без |
||
|
|
|
остановки двигателя перед реверсом, имеет место |
|||
Рисунок 8 – Схема |
||||||
бросок потребляемого тока в два раза больший, чем |
||||||
|
реверса АД |
при пуске. Поскольку в момент реверса из-за сложе- |
||||
|
|
|
|
|
||
ния скоростей скольжение будет равно 2. |
||||||