Основы_электротехники

ется при сопротивлении R2''' до точки е, а затем сопротивление реостата уменьшается до R2', и двигатель разгоняется до точки d, которой соответствует скорость n2 не сильно отличающаяся от n1.

Асинхронные двигатели с повышенным пусковым моментом относятся к двигателям с улучшенными пусковыми свойствами. Особенностью этих двигателей является использование глубокого паза и двойной беличьей клетки. Повышение пускового момента основано на автоматическом увеличении сопротивления обмотки ротора в момент пуска за счет вытеснения тока из внутренней части обмотки во внешнюю часть.

На рис. 5.13а приведены формы паза и сечений обмоток двойной клетки для двигателя с повышенным пусковым моментом. Бронзовый или латунный стержень внешней клетки имеет круглое сечение, а медный стержень внутренней клетки имеет прямоугольное сечение большей площади.

110

По мере разгона двигателя скольжение уменьшается и вместе с ним уменьшаются индуктивные сопротивления короткозамкнутых клеток ротора. Токи начинают распределяться обратно пропорционально их сопротивлениям, т.е. начинает работать внутренняя медная беличья клетка.

Таким образом, механическую характеристику двухклеточного двигателя MД (рис. 5.13г) можно представить в виде суммы механической характеристики внешней бронзовой (пусковой) клетки MБ и механической характеристики внутренней (медной)

клетки MМ.

На рис. 5.13б представлен залитый алюминием фигурный паз двухклеточного двигателя, который является переходной разновидностью между пазом с двойной клеткой и глубоким пазом (рис. 5.13в). Физические процессы в этих двигателях аналогичны процессам в двигателе с двойной клеткой: при неподвижном роторе индуктивное сопротивление внутренней части обмотки больше, чем периферийной, и ток вытесняется к внешней части клетки. Происходит уменьшение действующего сечения стержня обмотки и возрастание его эквивалентного активного сопротивления, а следовательно, и пускового момента. По мере разгона двигателя ток распределяется более равномерно по всему сечению стержня короткозамкнутой обмотки ротора.

Механическая характеристика показывает свойства асинхронного двигателя, как части электропривода, однако для более полного выявления его свойств служат его рабочие характеристики, т.е. зависимости частоты вращения ротора n2, момента вращения M, коэффициента мощности cosφ и коэффициента полезного действия η от полезной мощности P2 на валу двигателя (рис. 5.14). Все рабочие характеристики снимаются при номинальной частоте сети f = 50 Гц и номинальном напряжении на обмотках статора U1 = U1НОМ.

Зависимость n2(P2) при P2 ≈ PМЕХ и PМЕХ = M ωР мало отличается по форме от механической характеристики двигате-

ля n2(M) и может быть названа жесткой. Жесткими называют характеристики, в которых скорость вращения вала двигателя мало изменяется с увеличением нагрузки на валу.

112

Вращающий момент двигателя M складывается из полез-

ного момента M2, осуществляющего преодоление нагрузки на валу двигателя, и момента холостого хода MХ, покрывающего механические потери и не зависящего от нагрузки. Полезный момент M2 = P2 / ωР при постоянной рабочей скорости ωР нарастал бы линейно с увеличением P2. Однако скорость n2 уменьшается с ростом P2, поэтому зависимость M(P2) немного отклоняется вверх. Зависимость I1(P2) имеет аналогичный характер.

Коэффициент мощности cosφ на холостом ходу двигателя примерно равен 0,2 и определяется в основном реактивным током намагничивания, который практически не зависит от нагрузки двигателя. С ростом полезной мощности P2 растет активная составляющая тока и соответственно растет коэффициент мощности, который достигает максимального значения (0,80–0,95) при нагрузке близкой к номинальной.

Невысокий коэффициент мощности предприятий в основном обусловлен неполной загруженностью асинхронных двигателей, поэтому одним из способов повышения cosφ на предприятиях является повышение степени загрузки двигателей.

Надо иметь ввиду, что намагничивающий ток двигателя при заданном значении потока в сердечниках двигателя обратно пропорционален магнитному сопротивлению, определяемому сопротивлением (длиной) воздушного зазора между ротором и статором. Зазор, который конструкторы стремятся уменьшить до минимума, мало зависит от номинальной мощности двигателя, поэтому с ее ростом cosφ уменьшается. С уменьшением скорости вращения ротора увеличивается намагничивающий ток I1Х, что тоже приводит к снижению cosφ двигателя. Таким образом, с уменьшением номинальной скорости вращения вала двигателя и его номинальной мощности, коэффициент мощности двигателей уменьшается, и следовательно высокоскоростные и мощные двигатели являются более экономичными.

Зависимость коэффициента полезного действия η(P2) дви-

гателя (рис. 5.14) имеет вид, похожий на зависимость cosφ(P2). Отличие заключается лишь в том, что своего максимального

113

значения (0,65–0,95) КПД достигает при нагрузке, равной 75 % номинальной. Считается, что двигатели в среднем загружены на 75 % и это учитывается уже на стадии их проектирования.

Рис. 5.14

5.6. Способы пуска асинхронных двигателей

При выборе способа пуска асинхронного двигателя учитываются его пусковые свойства и негативное влияние на других потребителей энергии, подключенных к той же сети. Пусковые свойства двигателя определяются его конструкцией, пусковым током IП, пусковым вращающим моментом MП, отношением пускового тока к номинальному току IП/IНОМ, отношением пускового момента к номинальному MП/MНОМ, а также плавностью, экономичностью и длительностью пускового процесса.

Часто применяются следующие способы пуска АД.

1. АД с фазным ротором запускаются при максимальном значении сопротивления трехфазного реостата, а затем сопротивление реостата снижается до нуля, и скорость вращения ро-

114

тора увеличивается до номинального значения, обеспечивающего жесткий вид механической характеристики.

2.АД стандартного исполнения и АД с повышенным скольжением часто включаются по схеме «звезда» и запуск их осуществляется без нагрузки, а нагрузка подключается с помощью фрикционных муфт после раскрутки ротора. Это уменьшает значение пускового тока и его негативное влияние на других потребителей электроэнергии.

3.АД с повышенным пусковым моментом запускается по схеме «звезда» без нагрузки (или с нагрузкой), а затем схема может переключиться на схему «треугольник», чтобы увеличить рабочий момент вращения, а также снизить негативное влияние на других потребителей электроэнергии.

.

5.7. Режимы работы асинхронных двигателей

На практике применяются три режима работы электродвигателей и электроприводов.

1.Продолжительный режим (режим П), характеризую-

щийся тем, что время работы двигателя превышает 10 мин, т.е. превышает такое время, за которое температура обмоток статора достигает установившегося значения. Этот режим применяется

вцентробежных насосах, вентиляторах, пылесосах и др. механизмах.

2.Кратковременный режим (режим К), характеризую-

щийся тем, что время непрерывной работы двигателя невелико, т.е. менее 10 мин; при этом обмотки двигателя не успевают нагреться до максимальной температуры, а за время останова двигателя они успевают остыть до температуры окружающей среды.

Режим К применяется в механизмах подъема шасси самоле-

тов, управления открыванием и закрыванием ворот, дверей

ит.д.

3.Повторно-кратковременный режим (режим П-К). Он характеризуется тем, что за время включенного состояния дви-

115

гатель незначительно нагревается, а за время выключения незначительно остывает, однако с каждым циклом температура двигателя постепенно нарастает. Этот режим характеризуется коэффициентом повторного включения ПВ = tВКЛ / tЦ, где tВКЛ – время включенного состояния двигателя, tЦ – время цикла (tЦ = = tВКЛ + tВЫК), tВЫК – время выключенного состояния двигателя.

Промышленностью выпускаются АД с коэффициентом ПВ = 40, 60, 80 %; при этом, чем меньше значение ПВ, тем они дешевле. Двигатели с определенными значениями ПВ применяется часто в механизмах лифтов, холодильников и многих других устройств.

5.8.Схема управления асинхронным двигателем

Впроцессе управления двигателем используются три команды «Пуск», «Стоп» и «Реверс», которые при ручном управлении выполняются путем нажатия соответствующих кнопок

SB1, SB2 и SB3.

Схема управления трехфазным АД приведена на рис. 5.15, где Q – рубильник; F – предохранители, предназначенные для защиты двигателя при коротком замыкании в его статорных обмотках; KМ1, KМ2 – магнитные пускатели; KМ1.1–KМ1.3 – контакты магнитного пускателя KМ1; KМ2.1–KМ2.3 – контакты магнитного пускателя KМ2; KK1 и KK2 – тепловые реле, а KK1.1 и K2.1 – их контакты.

Пред запуском двигателя включают рубильник Q и подают напряжение трехфазной сети на схему.

Пуск двигателя осуществляют нажатием кнопки SB2

(«Пуск»). Ток, вызванный линейным напряжением U BC , прохо-

дит через замкнутый контакт кнопки SB2 и обмотку магнитного пускателя KМ1. Он срабатывает, замыкает свои силовые контакты KМ1.1 и подает питание на статорные обмотки АД, ротор которого начинает вращаться. Одновременно замыкается контакт KМ1.2, обеспечивающий питание магнитного пускателя KМ1 при отпускании кнопки SB2, и ее можно отпустить. Кроме

116

того, размыкается контакт KМ1.3, который предохраняет магнитный пускатель KМ2 от срабатывания при случайном нажатии кнопки SB3.

Рис. 5.15

Остановку двигателя осуществляют нажатием кнопки SB1 («Стоп»). Путь тока через обмотку магнитного пускателя KМ1 прерывается. Его обмотка обесточивается, все его контакты приходят в исходное состояние. Силовые контакты KМ1.1 магнитного пускателя KМ1 размыкаются, двигатель останавливается, и кнопку SB1 можно отпустить.

Реверс двигателя (изменение направления вращения его ротора на обратное) осуществляется нажатием кнопки SB3. Ток, вызванный линейным напряжением U BC , проходит через замк-

нутый контакт кнопки SB3 и обмотку магнитного пускателя

117

KМ2. Он срабатывает, замыкает свои силовые контакты KМ2.1 и подает питание на статорные обмотки АД так, что фазы А и С источника питания меняются местами, т.е. изменяет направление вращения поле статора и, следовательно, ротор двигателя. Одновременно замыкается контакт KМ2.2, обеспечивающий питание магнитного пускателя KМ2 при отпускании кнопки SB3, и ее можно отпустить. Кроме того, размыкается контакт KМ2.3, который предохраняет магнитный пускатель KМ1 от срабатывания при случайном нажатии кнопки SB2.

Тепловые реле KK1 и KK2 служат для защиты двигателя от перегрузок на его валу. Если момент нагрузки по какой-либо причине окажется больше максимального момента двигателя (например, при разрушении подшипников и заклинивании ротора), то двигатель остановится, а напряжения на его обмотки будут по-прежнему поданы. Это приведет к тому, что через статорные обмотки двигателя будет проходить пусковой ток IП, который у асинхронных двигателей в 6–8 раз больше номинального тока IНОМ, проходящего через статорные обмотки при номинальной скорости вращения ротора. Тепловые реле KK1 и KK2 сработают и разомкнут свои контакты KK1.1 и KK2.1, обесточивая включенный магнитный пускатель. Последний разомкнет свои силовые контакты и прекратит подачу напряжений на статорные обмотки двигателя, защищая его от перегрева и выхода из строя.

Аналогичная ситуация может возникнуть в случае, когда в момент пуска или реверса двигателя его пусковой момент окажется меньше момента нагрузки на валу двигателя. Тепловые реле сработают и прекратят подачу напряжений на обмотки двигателя, защищая последний от перегрева и выхода из строя.

Если в механизме не требуется режим реверса, то схема управления упростится за счет того, что не нужны будут второй магнитный пускатель, его контакты и кнопка реверса.

118

5.9. Однофазные асинхронные двигатели

Однофазный АД питается от однофазной цепи переменного тока, которая есть во всех жилых и производственных помещениях. Это является главным его преимуществом. Он устроен так же, как и трехфазный АД, но в его статоре размещаются две обмотки, причем плоскость пусковой обмотки сдвинута в пространстве на угол 90º относительно плоскости рабочей обмотки.

Для создания вращающегося магнитного поля статора фаза тока пусковой обмотки сдвинута на 90º во времени относительно фазы тока пусковой обмотки. Этот сдвиг обычно достигается с помощью конденсаторов, поэтому такие двигатели иногда на-

зывают конденсаторными.

Схема включения обмоток конденсаторного двигателя приведена на рис. 5.16, где РО и ПО – рабочая и пусковая обмотки.

Рис. 5.16

Емкость С подбирается таким образом, чтобы в момент пуска двигателя в статоре создавалось круговое магнитное поле. Однако при номинальной нагрузке (вследствие изменения напряжения в пусковой обмотке по значению и фазе) поле статора станет эллиптическим (магнитный поток будет пульсирующим), что приведет к уменьшению вращающего момента. Этот недос-

119