Л 3. Особенности характеристик асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором.

Формирование пусковых характеристик двигателей с фазным ротором проводится путём введения в цепь ротора дополнительного активного сопротивления и уменьшения его по мере разгона двигателя (уменьшения скольжения).

В короткозамкнутых асинхронных двигателях введение дополнительного сопротивления в цепь ротора невозможно. Однако тот же результат может быть получен, если воспользоваться эффектом вытеснения тока на поверхность проводника. Сущность этогоявления состоит в следующем. Согласно закону электромагнитной индукции при протекании по проводнику переменного тока в нём индуцируется ЭДС самоиндукции, направленная навстречу току

= - = -L = -L 10

Где L– индуктивность проводника

- амплитудное значение тока

Значение этой ЭДС зависит от значения тока , его частоты и индуктивности, определяемой характеристикой среды, окружающей проводник. Если проводник находится на воздухе, то магнитная проницаемость среды будет очень мала, следовательно, мала индуктивностьL. В этом случае изменение частоты 50Гц(влияние ЭДС самоиндукции незначительно. Если проводник помещён в тело магнитопровода, индуктивность многократно увеличивается и ЭДС самоиндукции, направленная навстречу тока, играет роль индуктивного сопротивления, препятствующего протеканию тока.

Рассмотрим проявление действия ЭДС самоиндукции для случая проводника (стержня обмотки ротора), помещённого в глубокий паз магнитопровода ротора двигателя (рис.).

Условно разделим сечение стержня на три части, которые соединим параллельно. Ток, протекающий по нижней части стержня, образует поток , магнитные силовые линии которого замыкаются по магнитопроводу. В этой части проводника возникает ЭДС самоиндукции, большого значения, направленная навстречу току. Ток, протекающий по верхней части стержня роторной обмотки, образует потом, но т.к. силовые линии этого потока в значительной части своей длины замыкаются по воздуху, то потокбудет гораздо меньше потока. Следовательно, ЭДСбудет во много раз меньше, чем.

Указанное распределение ЭДС самоиндукции по высоте стрежня характерно для того режима, при котором частота тока ротора близка к 50Гц. В этом случае, поскольку все три части стержня ротора соединены параллельно (рис.), то ток ротора пойдёт по верхней части стержня.

Это явление называют вытеснением тока на поверхность паза. При этом эффективное сечение стержня, по которому идёт ток, будет в несколько раз меньше, чем общее сечение стержня обмотки ротора. Таким образом, увеличивается активное сопротивление ротора . Поскольку ЭДС самоиндукции зависит от частоты тока (т.е. от скольжения), то и сопротивлениеиявляются функциями скольжения.

При пуске, когда скольжение велико(S=1), сопротивлениеувеличивается (в цепь ротора как бы вводится добавочный резистор). По мере разгона двигателя скольжение двигателя уменьшается, эффект вытеснения тока ослабевает, появляется сначала ток, затем, т.е. ток начинает распространятся вниз по сечению проводника, сопротивлениеуменьшается. При достижении рабочей скорости частота тока настолько мала, что явление вытеснения тока уже не сказывается, ток протекает по всему сечению проводника и сопротивлениеминимально. Благодаря такому автоматическому изменению сопротивленияасинхронных короткозамкнутых двигателей протекает благоприятно: пусковой ток составляет 5.0-6.0 номинального, а пусковой момент 1.1-1.3 номинального.

Варьировать параметры пусковой характеристики асинхронного двигателя при конструировании можно, меняя форму паза, а также сопротивление материала стержней (состав сплава).

Наряду с глубокими пазами применяют двойные пазы, образующие двойную “беличью клетку”, пазы грушевидной формы

На рисунке представлены примерные механические характеристики для серий асинхронных короткозамкнутых двигателей.

1 - нормального исполнения

2 - с повышенным пусковым моментом

3 - с повышенным скольжением

4 - краново-металлургических серий

Короткозамкнутый двигатель нормального исполнения используют для привода широкого класса рабочих машин и механизмов, прежде всего для приводов, работающих в длительном режиме. Для этого исполнения характерны высокий КПД и минимальное номинальное скольжение. Механическая характеристика в области больших скольжений имеет обычно небольшой провал, характеризуемый минимальным моментом .

Двигатели с повышенным скольжением имеют более “мягкую” механическую характеристику и используются, когда два или более двигателей работают на общий вал (для кривошипно-шатунных механизмов) с циклически изменяющейся нагрузкой, когда для преодоления сопротивления движению целесообразно использовать кинетическую энергию, запасаемую в движущихся частях электропривода для механизмов, работающих в повторно-кратковременном режиме.

Двигатели с повышенным пусковым моментом предназначены для механизмов с тяжёлыми условиями пуска (скребковые конвейеры). Двигатели краново-металлургических серий предназначены для механизмов, работающих в повторно-кратковременном режиме с частыми пусками. Эти двигатели имеют большую перегрузочную способность, высокий пусковой момент, чем у двигателей нормального исполнения.

Приближённо механическую характеристику короткозамкнутого двигателя можно построить по четырём точкам: при холостом ходе (S=0), при максимальном (), пусковом () и минимальном () моментах. Данные этих характерных точек приводятся в каталогах и справочниках для асинхронных двигателей. Расчёт рабочей части технической характеристики (S=0 доSk) можно проводить по формуле (5) или если пренебречьr₁ (для двигателей мощности более 15кВт)

или =()

Где - номинальное скольжение или

Л 4-5. Регулирование координат электропривода.

При управлении движением исполнительных органов технологических установок с помощью электропривода обеспечивается регулирование одной или нескольких координат движения, главная из которых (основная выходная величина) – это угловая скорость на выходе ЭП, т.к. от её значения прямопропорционально зависит производительность технологических установок. Другие координаты чаще вспомогательные – это вращающий момент электродвигателя, ускорения, путь… Процесс принудительного изменения или поддержания на заданном уровне угловой скорости ЭП при изменяющихся внешних воздействиях называют регулированием угловой скорости.

Способы регулирования угловой скорости ЭП.

Регулирование возможно механическими и электрическими способами.

Механические способырегулирования заключаются в изменении угловой или линейной скорости исполнительных органов изменением передаточного числа устройства механической передачи (редуктора), путём применения различных коробок перемены передач, механических вариаторов.

Электрические способырегулирования заключаются в изменении угловой скорости ЭП с помощью устройства управления посредством преобразовательного и передаточного устройств. Энергетические способы прогрессивней, т.к. снижают металлоёмкость технологических установок, компактность, надёжность с повышением уровня автоматизации и качества управления техническими процессами.

Показатели.Основные показатели, характеризующие процесс регулирования угловой скорости ЭП:

• диапазон регулирования,

• плавность регулирования,

• стабильность заданной угловой скорости,

• направления регулирования,

• допустимая нагрузка на разных угловых скоростях и экономичность регулирования.

Диапазон регулированияугловой скорости определяется отношением максимально возможной угловой скорости ЭПк минимальнойпри допустимых пределах её колебания с изменением нагрузки:D=Обычно выражается как 2/1, 10/1, 100/1

Плавность регулированияугловой скорости характеризуется отношением двух ближайших соседних угловых скоростейипри переменной нагрузке ЭП и численно оценивается коэффициентом плавности регулирования=. При плавном регулировании частоты вращения ЭП этот коэффициент изменяется к единице.

Стабильность угловой скорости ЭП определяется жёсткостью механической характеристики электродвигателя и диапазоном изменения нагрузки на его валу. Чем больше жёсткая механическая характеристика двигателя и меньший диапазон колебания нагрузки на его валу, тем стабильнее угловая скорость ЭП, которая численно оценивается её отклонениемот заданного значения, При абсолютно жёсткой характеристике механической – синхронного двигателя и допустимых нагрузках ЭП значение

Направление регулирования угловой скорости ЭП, т.е. увеличение или уменьшение её по отношению к номинальной, зависит от принятого способа регулирования. Направленный ввод добавочных сопротивлений в силовой цепи электродвигателя, понижает жесткость их механических характеристик, и их угловая скорость при наличии нагрузки на валу понижается. С другой стороны уменьшение тока возбуждения и соответственно уменьшения магнитного потока ДПТ приводящий к увеличению угловой скорости.

Допустимая нагрузкана валу ЭД при разных угловых скоростях его вращения определяется принятым способом регулирования скорости ЭП. Выделяют регулирование при постоянном моменте М=constи при постоянной мощности Р=const. Регулирование скорости ЭП при постоянном моменте М=constцелесообразно для производственных механизмов, создающих на валу ЭД постоянный момент нагрузки, независящий от угловой скорости механизма. Это все грузоподъемные и большинство транспортирующих механизмов,

Регулирование угловой скорости ЭП при постоянной мощности Р. = constнаиболее оправданно для ЭП главного привода металлорежущих станков. В этих случаях изменением угловой скорости ЭП сила тока ЭД при всех угловых скоростях остается практически неизменной.

Экономичность регулированияугловой скорости ЭП определяется средними значениями энергетических показателей, рассчитанными за определенный период работы ЭП с данными угловыми скоростями.

=

Где и - соответственно полезная (на выходном валу) и потребляемая из сети активная мощность ЭП наi– и ступени регулирования, Вт

- потеря активной мощности на регулирование угловой скорости при работе ЭП i– и ступени регулирования, Вт.

–продолжительность работы на i– и ступени регулирования, с

–потребляемая из сети активная мощность на i– и ступени регулирования, вар.

Любой процесс электрического регулирования координат ЭП всегда связан с получением искусственных (регулировочных) характеристик двигателя ЭП. Этого достигают на уровне разомкнутых либо замкнутых систем регулируемого ЭП.

Разомкнутые системы регулируемого ЭП.

Разомкнутая система регулируемого ЭП характеризуется тем что на ее вход не подается информация о текущем состоянии выходной величины (например, угловой скорости).

Функциональная схема разомкнутой системой регулируемого ЭП

–сигнал управления, yy– устройство управления, Прб – преобразователь.

Поэтому все внешние возмущения в виде, например, изменения момента нагрузки, напряжения питания влияют на выходную координату ЭП, снижая тем самым стабильность её поддержания. По этой причине разомкнутые системы регулируемого ЭП, отличаясь простотой реализацией нашли в основном применение для обеспечения автоматического пуска, то торможения или реверса ЭП, а также в тех случаях, когда не предъявляют повышенные тех. требования к стабильности выходной координаты ЭП.

В разомкнутых системах регулируемого ЭП механическая характеристика и приводные свойства ЭП полностью определяются типом используемого ЭД и принятыми для него параметрами регулирования.

Так для асинхронного ЭП такие параметры (способы) взаимодействия на угловую скорость двигателя – эта частота напряжения (тока) питания, число полюсов обмотки статора, скольжение.

Способ частотного регулирования.

Этот способ экономичный, обеспечивает плавное регулирование частоты вращения (угловой скорости) в широком диапазоне с высокой стабильностью даже в разомкнутых системах из-за высокой жёсткости механической характеристики АД в её рабочей части. При частотном регулировании в состав асинхронного ЭП входит управляемый преобразователь частоты, который обеспечивает заданное изменение частоты и соответствующий этой частоте уровень питающего напряжения АД. Изменять значение напряжения питания АД при изменении частоты необходимо, т.к. значение индуктивного сопротивления двигателя, а значит, и его ток зависят от частоты. При этом для сохранения неизменной перегрузочной способности двигателя (Мк/Мс= const) и высоких энергетических показателей на всех частотах вращения. Закон частотного регулирования АД, предложенный академиком М.П.Костенко, записывают ввиде соотношения:

Где ,,номинальное значение напряжения, частоты и момента статической нагрузки на валу АД при номинальной частоте вращения.

U,f,Mc– те же значения, но при частоте вращения АД, отличной от номинального на рис. Представлены механические характеристики при регулировании по указанному закону частотно регулируемого асинхронного ЭП.

Частотное регулирование угловой скорости

Способ поточного переключения.

Способ поточного переключения обмотки статора используется в многоскоростных АД, которые имеют обмотку статора с изменяемым числом полюсов. Регулирование, как и частотное, экономичное, его широко применяют для ступенчатого изменения частоты вращения (угловой скорости) АД с КЗ ротора. Так как количество пар полюсов АД может быть равным только по целому числу 1, 2, 3 и т.д., то данный способ обеспечивает только ступенчатое регулирование частоты вращения асинхронного ЭП. Чаще всего изменение

числа пар юсов обмотки статора АД получают путём изменения схемы обмотки. Для этого каждая фаза обмотки статора разделена на несколько секций и имеет от них соответствующее число видов. Изменяя схему соединения этих секций статорной обмотки во всех фазах, добиваются различных частот вращения магнитного поля статора, а соответственно и часто вращения ротора АД.

На рисунке показан принцип изменения числа пар полюсов. На примере одной фазы двухскоростного АД.

Стрелками показано условное направление протекания токов в секциях обмотки, а кружками – соответствующее направление магнитных силовых линий в соответствии с правилом “буравчика”.

В двух скоростном АД каждая фаза обмотки статора состоит из двух одинаковых секций (катушечных групп). Если секции соединить последовательно, то образуется максимальное число пар полюсов, условно равная 2р, которому соответствует угловая скорость магнитного поля (а). При соединении этих же секций встречно последовательно (б) или параллельно (в) количество пар полюсов уменьшается в двое и равно р, а синхронная угловая скорость увеличивается в 2 раза (2).

Наиболее распространенные и целесообразные схемы переключения статорной обмотки двух скоростных АД для основных видов нагрузки ЭП показаны на рисунке

Т.к. P=Mто т.кв 2р М2р нагрузка вентиляторная или линейная



Переключение для главного привода металлорежущих станков

Существенный недостаток многоскоростных АД помимо ступенчатого регулирования угловой скорости – повышенная сложность обмотки статора и сложность ее подключения и коммутации. Например, даже у двух скоростных АД количество выводов обмотки статоров равно 12 , у четырех скоростных – 24 .

Способ изменения скольжения

Изменением скольжения можно регулировать частоту вращения асинхронного ЭП, если на валу двигателя имеется нагрузка и АД обладает мягкой механической характеристикой.

Наиболее доступно этот способ реализуется при использовании АД с фазным ротором путем изменения сопротивления трех фазного реостата, включенного во внешнюю цепь обмотки ротора.

Механическая характеристика

Для АД с КЗ ротором регулирования угловой скорости изменением скольжения регулируется в случае применения специальных АД с мягкой механической характеристикой путем регулирования напряжения питания двигателя.

Способ регулирования частоты вращения АД изменением скольжения характеризуется повышенными потерями мощности, т.к. с увеличением скольжения S растут потери мощности Рэл₂ обмотки ротора АД, вызывая ее дополнительный нагрев

–момент нагрузки на валу АД Нм

-угловая скорость магнитного поля статор рад/с

При глубоком регулировании потери мощности в цепи ротора АД становятся преобладающими и КПД двигателя практически полностью определяется скольжением

Вместе с тем, данный способ нашел широкое применение в виду доступности и высокой плавности регулирования прежде всего для асинхронных ЭП с вентиляторной нагрузкой. В этом случае с понижением угловой скорости (с увеличением скольжения) существенно уменьшается и момент нагрузки на валу АД, чем обеспечивается достаточное постоянство потерь мощности в роторе и более полное использование АД по нагреву на всех частотах вращения. Диапазон регулирования до 10 :1 и соответственно в таком же диапазоне достигается плавное изменение производительности технологических установок (вентилятора).

Регулирование угловой скорости для ЭП с коллекторными двигателями (ДПТ)

Регулирование их угловой скорости возможно изменением: сопротивления в цепи якоря (параметрическое управление), магнитного потока двигателя (полюсное управление) и напряжения питания цепи якоря(якорное управление).

Двигатели постоянного тока могут иметь независимое, последовательное или смешанное возбуждение

Схема включения независимого (параллельного возбуждения)

Eя=k

K=

механическая характеристика привода

При введении добавочного резистора в цепь якоря скорость холостого хода останется не изменой, а изменяется наклон механических характеристик , т.е. уменьшается их жесткость. Данный способ регулирования скорости в настоящее время не используется, поскольку введение добавочного резистора сопряжено с потерями энергии в этом сопротивлении

Основным способом регулирования скорости ДПТ – НВ является регулирование напряжения, подводимого к якорю двигателя. При этом скорость лишь уменьшить по сравнению с номинальной, определяемой естественной характеристикой. При уменьшении напряжения якоря уменьшается скорость холостого хода, а жесткость механической характеристики остается постоянной. Повышение напряжения питания выше номинальной не рекомендуется, т.к. это может ухудшить коммутацию на якоре.

При постоянном потоке возбуждения

Повышение скорости по сравнению с номинальной проводится уменьшением тока (потока) возбуждения. При уменьшении магнитного потока происходит увеличение скорости х.х.и одновременно снижается жесткость механических характеристик двигателявыше нецелесообразно, т.к. магнитная цепь машины насыщается возрастание магнитного потока не будет существенно, а тепловой режим нарушится.

Если Мстат =Мн то при двигатель будет работать в т. 1.

Если ослабить поток возбуждения в 2 раза то скорость х.х увеличится в 2 раза.

Мощность на валу постоянна – это преимущество

Если момент двигателя сохраняется постоянным и равным номинальному двигатель будет работать в т. 4.

Однако M=ток якоря при этом увеличится в 2 раза. По этому длит. работа в т. 4 недопустима. Линия номинального момента при ослаблении поля отображается кривой

1-2-3.

Двигатели постоянного тока последовательного и смешанного возбуждения.

Последовательное возбуждение , где а=f(Iя) – нелинейный коэффициент.

При малых токах якоря а – величина постоянная при - двигатель насыщается и поток мало зависит от тока якоря.

Наиболее экономичным изменение Uподв.

Характеристики смещаются в низ по мере Uпараллельно естественной характеристике.

Изменение потока вращения в этих двигателях возможно, если зашунтировать обмотку якоря резистором с сопротивлением Rш, тогда ток возбуждения, т.е.содержит постоянную составляющую независимую от нагрузки двигателя.

При этом двигатель приобретает свойство двигателя смешанного возбуждения

Двигатель смешенного возбуждения механические характеристики.