Н. Д. Ясенев электрический привод курс лекций
 Скачать 5.65 Mb.
|
|
3.2. Электромеханическая и механическая характеристики асинхронного двигателя Процессы, происходящие в асинхронном двигателе, весьма сложны, и описать их математически точно трудно, т. к. уравнения получаются сложными и требуют многих допущений. Для практических целей при приближенных расчетах можно пользоваться приближенными методами. Уравнение механической характеристики двигателя можно получить с использованием уравнений энергетического баланса и схемы замещения. Из уравнения энергетического баланса момент двигателя можно выразить через ток ротора М = 𝟐𝟖,𝟔 𝑰 𝟐 𝟐 𝒓 𝟐 𝒏 𝟎 𝒔 , где М − электромагнитный момент I 2 − ток ротора r 2 − сопротивление роторной обмотки n 0 – синхронная частота вращения поля статора s = (n 0 –n)/ n 0 − скольжение – частота вращения ротора. Используя известные по схеме замещения выражения, можно получить для тока ротора 𝐼 2 = 𝑈 𝑠 𝑘 тр √(𝑟 2 2 + 2π𝑓𝐿 2 ) 2 𝑠 2 , где U − напряжение сети k тр − коэффициент трансформации, определяемый конструктивными параметрами f − частота тока сети L 2 − индуктивность роторной обмотки. Это уравнение, по сути, является уравнением электромеханической характеристики. В зоне больших скоростей ток пропорционален скольжению, в зоне малых − сильнее сказывается знаменатель, и ток почти не меняется. Скоростная характеристика имеет вид, представленный на рис. 3.5. Рис. 3.5. Скоростные характеристики асинхронного двигателя а − скорость в функции тока ротора б − скорость в функции тока статора Подставив полученное выражение для тока в уравнение для момента, получим М = 𝟐𝟖,𝟔 𝑼 𝟐 𝒔 𝒓 𝟐 𝒏 𝟎 𝒌 тр 𝟐 [𝒓 𝟐 𝟐 + (𝟐 𝝅 𝒇 𝑳 𝟐 ) 𝟐 𝒔 𝟐 ] Следует заметить, что ток пропорционален напряжению впервой степени, а момент − в квадрате. Судя по формуле, момент должен иметь максимум, который называется критической точкой. Для определения ее координат нужно найти dM/ds и приравнять ее нулю. Тогда получим к = 𝑟 2 2π𝑓𝐿 2 ; к = 28,6 𝑈 2 𝑛 0 𝑘 тр 2 4π𝑓𝐿 2 , По этим уравнениям видно, что критическое скольжение к зависит от сопротивления роторной обмотки r 2 , а момент М к не зависит. Строить механическую характеристику по формуле для момента неудобно, поэтому рассчитывают зависимость М/М к и определяют механическую характеристику по выражению М = 2 М к 𝑠𝑘 𝑠 + Это уравнение называется упрощенной формулой Клосса. Оно используется для построения механических характеристик (рис. 3.6). Характерные точки синхронная частота вращения, номинальный режим, критический режим, пуск или режим короткого замыкания. Рис. 3.6. Механическая характеристика асинхронного двигателя Для построения характеристики по паспортных данным надо, зная Мн нм М к /М н по формуле Клосса определить критическое скольжение к = нм + м 1) После этого в формуле будут только известные величины и для всех значений скольжения можно рассчитать моменты. Обычно у асинхронных двигателей нм. Пуск асинхронного короткозамкнутого электродвигателя Как правило, короткозамкнутые двигатели запускаются прямой подачей номинального напряжения на обмотку статора. Однако иногда приходится снижать пусковые токи и моменты, что может быть вызвано требованиями источника питания или особенностями механизма. В этом случае могут быть использованы следующие способы 1. Пуск с добавочными сопротивлениями вцепи статора. Сопротивления могут быть активными или реактивными риса. Пуск с использованием автотрансформатора (рис. 3.7, б. 3. Пуск с переключением обмотки статора со звезды на треугольник. Рис. 3.7. Схемы пуска асинхронного двигателя с использованием сопротивлений вцепи статора (аи автотрансформатора (б) При использовании этих приемов пусковые характеристики имеют вид, показанный на рис. 3.8. Рис. 3.8. Механические и электромеханические характеристики 1 – естественные 2 – пуск через реактор 3 – пуск через резистор 4 – пуск через автотрансформатор Наиболее благоприятен вид характеристик при автотрансформаторном пуске, т. к. при этом изменение момента наиболее плавное. Недостаток – при переходе на естественную характеристику будет большой бросок тока статора. Кроме того, стоимость установки сильно возрастает. Чаще для снижения момента или ограничения тока статора используют включение сопротивлений. Следует иметь ввиду, что на эти меры целесообразно идти только в крайних случаях, т. к. применение всяких добавочных устройств удорожает установку и увеличивает потери. Кроме того, двигатели разных серий имеют разное значение пускового момента, поэтому следует правильно выбирать приводной двигатель и поэтому параметру. Сегодня данные способы пуска двигателя являются устаревшими и практически не используются. В настоящее время плавный пуск АД осуществляется при нечастых пусках − от устройства плавного пуска на базе тиристорного преобразователя напряжения (ТПН), при частотном регулировании частоты вращения двигателя − от преобразователя частоты (ПЧ). 3.4. Пуск асинхронного двигателя с контактными кольцами Двигатели с кольцами, как правило, имеют весьма жесткую характеристику в рабочей зоне и очень небольшой пусковой момент. Поэтому при их пуске приходится заботиться не только о снижении пускового тока, но и об увеличении пускового момента. В отличие от короткозамкнутых, двигатели с кольцами нельзя пускать прямой подачей питания на статор. Для запуска в их роторную цепь включают добавочные сопротивления, которые выводят ступенями (рис. 3.10). Возможны два варианта построения роторной цепи с симметричными несимметричным выведением сопротивлений ротора. При несимметричном выведении схема прощено из-за несимметрии характеристики имеют провал, который может привести к ненормальному разгону. Такой способ используется при управлении пуском с использованием силового контроллера. При симметричном выведении сопротивлений требуется больше контактов, но характеристики имеют более высокие качественные показатели. Рис. 3.10. Пусковая схема (аи пусковая диаграмма (б) асинхронного двигателя с контактными кольцами Расчет пускового реостата может быть произведен двумя способами. Первый способ (приближенный, графоаналитический) аналогичен расчету для двигателей постоянного тока с использованием лучевой диаграммы. Второй аналитический) состоит в следующем. При известном числе ступеней задаемся значением максимального пускового момента М. По числу ступеней и относительному значению максимального момента рассчитываем кратность максимального и минимального пусковых моментов λ = 𝑀 1 /𝑀 2 = д 𝑚 , где М – максимальный пусковой момент М – минимальный пусковой момент m – число ступеней пускового реостата 32 s N – номинальное скольжение д − максимальный пусковой момент в относительных единицах. д М 1 /М N Далее проверяется величина минимального пускового момента ММ Мс. Если полученный момент переключения больше, чем момент сопротивления, то можно рассчитать сопротивления ступеней R 3 = р R 2 = R 3 λ; R 1 = R 2 λ, где R 1 , R 2 , R 3 – сопротивление ступеней р − сопротивление обмотки ротора. р Е 2к 𝑠 𝑁 √3 𝐼 2𝑁 , где Е 2к – линейная ЭДС на разомкнутой обмотке ротора при n = 0. 3.5. Тормозные режимы асинхронных двигателей Асинхронный двигатель имеет три способа торможения с такими же названиями, как у двигателей постоянного тока. Рассмотрим их. 1. Рекуперативное торможение имеет место тогда, когда частота вращения ротора становится больше, чем синхронная частота вращения. При этом фаза ЭДС и тока ротора меняется на обратную и двигатель превращается в генератор, питающий сеть активной энергией. Самостоятельно двигатель в этот режим не переходит. Возможны два его проявления. При переходе двигателя с одной искусственной характеристики на другую, с меньшим значением n 0 , например, приуменьшении частоты питающего тока или изменении числа пар полюсов. Режим проявляется как переходный характеристика 2, рис. 3.11). При работе с активным моментом нагрузки может быть получен установившийся режим (характеристика 3, точка В, рис. 3.11). Рис. 3.11. Торможение рекуперативное Следует учитывать, что в этом режиме двигатель отдает в сеть только активную энергию, а реактивную потребляет. Способ используется для снижения или ограничения скорости. 2. Торможение противовключением возникает тогда, когда направление вращения ротора и поля статора не совпадают. Режим возникает при переключении на ходу обмотки статора на другое чередование фаз ив этом случае может быть использовано для остановки. Приостановке двигатель надо отключить, иначе произойдет реверс. Рис. 3.12. Торможение противовключением У короткозамкнутых двигателей противовключение сопровождается большими токами, в то время как моменты невелики (характеристика 2, рис. 3.12). У двигателей с кольцами за счет включения добавочных сопротивлений в цепь ротора можно уменьшить токи одновременно увеличить тормозной момент (характеристика 3, рис. 3.12). Причем можно подобрать сопротивление таким, что время торможения будет минимальным. У двигателей сколь- цами возможен статический режим противовключения при действии активных моментов нагрузки и включении в роторную цепь больших добавочных сопротивлений (характеристика 4, рис. 3.12). Рис. 3.13. Схема динамического торможения Во всех случаях противовключения в роторной цепи выделяются большие потери энергии Р = Р эм s > Р эм , т. к. s > 1. Эти потери выделяются вцепи ротора и идут на нагрев обмоток и сопротивлений. Динамическое торможение производится при отключении статорной обмотки от сети переменного тока и включении любых двух ее фаз в сеть постоянного тока (рис. 3.13). Форма характеристики сохраняется, но она проходит через начало координат. Меняя ток статора за счет изменения добавочного сопротивления, можно получить разные моменты чем больше ток статора, тем больше момент. У двигателя с кольцами режим можно сделать более эффективным за счет введения добавочных сопротивлений в цепь ротора (рис. 3.14, б. Режим используется для точной остановки двигателя. Ток статора должен быть не более 2–3 значений тока холостого хода, т. к. при больших токах наступает насыщение магнитной цепи, и момент не растет. Рис. 3.14. Характеристики динамического торможения для разных значений тока статора (а для разных значений сопротивления ротора (б) ГЛАВА 4. ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ 4.1. Устройство и принцип действия Синхронный двигатель основан на использовании свойств трехфазного тока создавать вращающееся магнитное поле. Вращающееся поле создается трехфазной обмоткой, размещенной в пазах статорного пакета аналогично обмотке асинхронного двигателя. На роторе двигателя размещена обмотка возбуждения, питаемая постоянным током. Питание к ней подводится через щетки и кольца. Постоянный ток, протекающий по обмотке ротора (обмотке возбуждения) взаимодействует с вращающимся полем статорной обмотки, что вызывает появление вращающего момента. Этот момент зависит оттока возбуждения и не зависит от скорости, поэтому двигатель называется синхронным (ротор вращается со скоростью поля статора. У двигателей, рассчитанных на большие скорости (3000, 1500 об/мин.), роторная обмотка распределена по поверхности цилиндрического ротора равномерно. Такие двигатели называются неявнополюсными. У двигателей тихоходных на роторе выполнены полюса, на которых имеются катушки обмотки возбуждения. Такие двигатели называется явнополюсными. Синхронные двигатели находят применение для электроприводов средней и большой мощности, работающих с постоянной скоростью длительно. Кроме обеспечения постоянства скорости, они позволяют регулировать энергетические характеристики, поскольку при определенном токе возбуждения имеют опережающий cosφ, что позволяет использовать их для компенсации реактивной мощности предприятий. 4.2. Механическая и угловая характеристики синхронного двигателя В силу особенностей синхронного двигателя его момент не зависит от скорости. Поэтому механическая характеристика синхронного двигателя идеально жесткая (рис. 4.1): 37 n = 60∙𝑓 1 𝑝 , где f 1 − частота тока статора р − число пар полюсов статорной обмотки. Однако характеристика n = f(M) не отражает полного поведения двигателя. При увеличении нагрузки происходит смещение осей поля статора и ротора. Каждой определенной нагрузке соответствует определенный угол между их осями. При очень большой нагрузке, которую двигатель не в состоянии преодолеть, он останавливается и выпадает из синхронизма. Если для простоты пренебречь активными сопротивлениями обмоток машины, то можно записать Р эм = m∙ U∙ I 1 ∙ cosφ где Р эм −электромагнитная мощность m − число фаз U − напряжение статора ток статора. Рис. 4.1. Механическая характеристика синхронного двигателя Рис. 4.2. Векторная диаграмма По векторной диаграмме (рис. 4.2) можно записать U∙cosφ = Е ∙cos(φ−θ), где Е ЭДС, индуктированная в обмотке статора полем ротора угол между осями поля статора и ротором (угол вылета ротора. С другой стороны, по той же диаграмме находим cos(φ−θ) = U ∙sinθ/I 1 ∙ x 1 , где х − индуктивное сопротивление обмотки статора. В этом случае можно записать Р эм = Е ∙ U sinθ/x 1. M эм = Р эм 𝜔 0 = 𝑚 𝐸 𝑈 𝑥 1 sinθ = M max sinθ. Это достаточно приближенное уравнение угловой характеристики (рис. 4.3), представляющей зависимость момента навалу от угла вылета ротора. В реальных условиях максимальному моменту соответствует угол, несколько меньший, чем 90°. Перегрузочная способность синхронного двигателям М = 2–3. Рис. 4.3. Угловая характеристика. Пуски торможение синхронного двигателя Пуск синхронного двигателя простым включением невозможен. Его обеспечивают либо разгоном двигателя на холостом ходу вспомогательным пусковым двигателем (асинхронным, либо (чаще) за счет специальной пусковой короткозамкнутой обмотки, уложенной в пазах ротора. В этом случае пуск синхронного двигателя происходит также, как у асинхронного (характеристика 1, рис. 4.4) до скорости 0,95 n 0 , которая называется подсинхронной, при отключенной обмотке возбуждения. При достижении подсинхронной скорости подается питание на обмотку возбуждения, и двигатель разгоняется самостоятельно до синхронной скорости (характеристика 2, рис. 4.4). Включение обмотки статора припуске может быть таким же, как у асинхронного короткозамкнутого двигателя (напрямую или через добавочное сопротивление или реактор. Обмотка возбуждения подключается к возбудителю (генератор постоянного тока или в современных электроприводах полупроводниковый выпрямитель. Таким образом, в момент пуска включается контактор КМ, двигатель разгоняется, а при подсинхронной скорости включается контактор КМ. Тормозные режимы применительно к синхронному двигателю не используются как рабочие, а только как аварийные, поскольку они не обеспечивают эффективного торможения. Рис. 4.4. Схема пуска синхронного двигателя (аи пусковая диаграмма (б) При противовключении изменяется порядок чередования фаз статора, торможение идет за счет пусковой обмотки, как и у асинхронного двигателя. Динамическое торможение производится путем отключения статорной обмотки от сети переменного тока и замыкания ее на сопротивления, соединенные звездой. Тормозной момент обеспечивается за счет обмотки возбуждения. ГЛАВА 5. РЕГУЛИРОВАНИЕ СКОРОСТИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ 5.1. Общие положения Регулированием называется изменение скорости привода путем принудительного воздействия на его параметры и характеристики в соответствии с требованиями технологического процесса. Регулирование следует отличать от саморегулирования, когда скорость привода меняется из-за изменения нагрузки навалу, поскольку в этом случае характеристика двигателя не изменяется. Регулирование может осуществляться как механически, таки электрическими средствами. Последним обычно отдается предпочтение, т. к. их применение позволяет упростить конструкцию машин и дает возможность автоматизировать работу. Электрическое регулирование связано с изменение электромеханических свойств двигателя, те. изменением вида его характеристик. При выборе способа регулирования и при сопоставлении разных способов используются следующие показатели регулирования 1. Диапазон регулирования, характеризующийся отношением наибольшей скорости к наименьшей. 2. Направление регулирования, те. изменение скорости выше или ниже естественной характеристики. При этом регулирование может быть одно- или двухзонным. 3. Плавность регулирования характеризующаяся отношением скоростей на соседних ступенях регулирования. Чем это отношение ближе к единице, тем регулирование более плавное. 4. Стабильность работы на заданной скорости. Характеризуется изменением скорости при заданном изменении момента нагрузки. Она тем выше, чем более жесткая характеристика. 5. Экономичность регулирования, определяемая затратами на создание системы регулирования, потерями энергии, связанными с регулированием, эксплуатационными расходами на обслуживание установки. 6. Допустимая нагрузка, которая также зависит от способа регулирования. Различные механизмы предъявляют разные требования в отношении соотношения скорости и момента при работе. Выбирая двигатель соответствующей мощности, можно удовлетворить любое изменение момента или мощности нагрузки. Однако при этом регулирование скорости может оказаться неэкономичным, т. к. на разных ступенях регулирования двигатель будет использоваться по-разному. Для нормальной работы двигателя необходимо, чтобы ток в обмотках на разных характеристиках был бы по возможности постоянными не превышал номинального, поскольку это обеспечит стабильный нагрев обмоток, не превышающий допустимых пределов. |