Анализ электрических цепей переменного синусоидального тока

ЛЕКЦИЯ № 10
ВРАЩАЮЩИЙ МОМЕНТ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ.

Для определения пригодности электродвигателя для работы в качестве привода различных механизмов необходимо знать вращающий момент этого двигателя и характер его изменения.

Вращающий момент электродвигателя возникает в результате взаимодействия токов протекающих по обмотке ротора с вращающимся магнитным полем статора.
Вращающий момент асинхронного электродвигателя определяется следующей формулой:
M = kФI_ротcos _рот
где M - вращающий момент (Нм);
Ф - вращающийся магнитный поток (Вб);
I_рот - ток в обмотке ротора;
k - константа, зависящая от конструкции электродвигателя;
cos _рот - косинус угла сдвига фаз между током и э.д.с. в обмотке ротора.
Таким образом, вращающий момент асинхронного двигателя пропорционален величине вращающегося магнитного потока, пронизывающего ротор, и активной составляющей тока ротора.
Магнитный поток двигателя величиной постоянной для данного двигателя.
Переменной величиной является ток ротора, зависящий в свою очередь от скольжения.
Вращающий момент асинхронного двигателя приближенно может быть выражен формулой:

M = 2M_кр/(s/s_кр + s_кр/s),

где s - скольжение электродвигателя;

M_кр -максимальный момент электродвигателя, называемый критическим;
s_кр - критическое скольжение электродвигателя, соответствующее критическому моменту.
Эта формула следует из анализа схемы замещения асинхронного электродвигателя.
Критическое скольжение можно определить по приближенной формуле:
s_кр = R_рот/(x_ст + x_рот),

где R_рот - активное сопротивление обмотки ротора;

x_ст и x_рот - реактивные сопротивления обмоток статора и ротора.
Зависимости вращающего момента от скольжения соответствует такая кривая:



Кривую можно условно разделить на два участка: ОА и АВ. Участок ОА соответствует устойчивым режимам работы асинхронного двигателя: с увеличением момента нагрузки скорость вращения двигателя замедляется, скольжение увеличивается, и как видно из графика, возростает вращающий момент.
Новое положение равновесия достигается. когда вращающий момент становится равным тормозному.
При этом двигатель устойчиво вращается с уменьшенной скоростью.
Участок АВ соответствует неустойчивым режимам работы двигателя.
С увеличением момента нагрузки скольжение увеличивается, вращающий момент уменьшается, скольжение возрастает еще больше.
Двигатель останавливается и начинает быстро нагреваться, так как при s = 1 его пусковой ток в 6 - 7 раз превышает номинальное значение.
Максимальный момент двигателя называется опрокидывающим.
Двигатель может работать только на устойчивой части характеристики.
Для практических целей вращающий момент электродвигателя определяют исходя из его мощности и скорости вращения.
Для этого служит следующее соотношение:
M = 9550P/n (Нм)
где P - мощность двигателя в кВт; n - скорость вращения в об/мин.


МЕХАНИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ
Зависимость скорости вращения двигателя от момента на валу при постоянных напряжении питания и частоте сети называют механической характеристикой.
Механическая характеристика асинхронного двигателя имеет вид:



Механическая характеристика снимается экспериментально или
На этом графике можно отметить максимальный критический момент; пусковой момент (при пуске двигателя, то есть при n₂ = 0); номинальный момент, соответствующий номинальному режиму.
Номинальные технические параметры расчитываются из условия допустимой температуры нагрева двигателя и электрической прочности, ограничиваемых стойкостью изоляции проводников обмоток.
строится на основании графика M(s).
С увеличением момента нагрузки скорость вращения двигателя уменьшается незначительно. Если момент нагрузки превысит максимальный, то скорость вращения двигателя лавинообразно уменьшиться до нуля.
Скорость вращения асинхронного двигателя зависит от напряжения питания. Вращающий момент пропорционален квадрату напряжения питания. Поэтому даже небольшие колебания напряжения питания приводят к заметному изменению вращающего момента и скорости вращения двигателя.
При увеличении вращательного момента от нуля до максимального значения скорость двигателя уменьшается незначительно.
Такая механическая характеристика называется жесткой.
При перегрузке свыше мсаксимального момента двигатель работает в области неустойчивого режима и может остановиться, если тормозящий момент превышает вращающий момент создаваемый двигателем.
Механическая характеристика, относящаяся к нормальным рабочим условиям работы двигателя, называется естественной механической характеристикой.


ПУСК АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ.
При подключении обмоток статора к сети, двигатель трогается с места, а затем разгоняется до номинальной скорости вращения.
При пуске, то есть при трогании с места, асинхронный двигатель должен развивать такой пусковой момент, который превышал бы момент сопротивления нагрузки, так как в противном случае двигатель под нагрузкой не сможет запуститься.
Пусковые свойства асинхронных двигателей определяются в основном конструкцией его ротора и характеризуются значениями пускового тока и пускового момента.
В момент пуска, когда двигатель находиться в режиме, аналогичном короткому замыканию трансформатора, ток достигает наибольшего значения.
Пусковой ток в асинхронных двигателях может превышать номинальный в 5 - 7 раз. Такое увеличение тока неблагоприятно влияет на двигатель, перегревая его обмотку, а в случае ограниченной мощности сети, к которой подключен двигатель, ведет к заметному снижению напряжения в сети, что в свою очередь может отрицательно влиять на работу других потребителей.
Следовательно, в некоторых случаях, в частности для двигателей большой мощности, необходимо предпринимать определенные меры к снижению пускового тока.
В тех случаях, когда статический тормозной момент превышает пусковой, двигатель под нагрузкой без дополнительных мероприятий не запустится.
Следовательно, необходимо увеличивать пусковой момент.
Для увеличения вращающего пускового момента с одновременным ограничением пусковых токов необходимо увеличить активное сопротивление обмоток ротора.
В двигателях с короткозамкнутым ротором это достигается путем применения специальных обмоток ротора (двойная беличья клетка), а в двигателях с фазным ротором путем включения в цепь обмоток ротора пусковых реостатов.
Исходя из условий работы двигателя, его мощности и конструкции ротора, пуск можно осуществить несколькими способами:
1).прямым пуском, когда обмотки статора подключают непосредственно к сети;
2).пуском с подключением к обмотке фазного ротора пускового реостата;
3). пуском при пониженном напряжении, то есть когда в период пуска к обмотке статора подведено пониженное напряжение.
Прямой пуск.
Прямой пуск применяется для большинства двигателей с короткозамкнутым ротором.
В этом случае обмотки статора подключают к цепи с помощью электро-магнитного выключателя (пускателя).
К недостаткам прямого пуска можно отнести:
- относительно малый пусковой момент: (1,2 - 1,6) М_н
- относительно большой пусковой ток: (5 - 7)I_н.
Поэтому этот способ пуска применяют тогда когда не требуется большой пусковой момент и мощность двигателя относительно мощности сети не велика.
Относительно небольшой пусковой момент при прямом пуске вызывает необходимость выбирать двигатель большей мощности, чем это требуется по условиям его работы.
Для улучшения пусковых свойств асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором снабжают ротором специальной конструкции.
Пуск при пониженном напряжении.
Когда мощность двигателя соизмерима с мощностью сети, используют различные способы уменьшения напряжения, подводимого к двигателю при пуске, что необходимо для уменьшения пускового тока.
Однако снижение пускового тока вызывает нежелательное уменьшение пускового момента, поэтому такой способ применяют тогда когда двигатель запускается вхолостую или при неполной нагрузке.
Если обмотки статора нормально работающего двигателя соединены треугольником, то его можно пускать при пониженном напряжении переключив в начале пуска обмотки статора на звезду, в результате чего напряжение, приходящееся на каждую фазу уменьшается в , а пусковой момент уменьшается в 3 раза, так как он пропорционален квадрату напряжения.
При этом пусковой ток в фазах обмоток статроа двигателя уменьшается в , а в линейных проводах, соединяющих двигатель с сетью - более чем в 3 раза.
Наряду с переключением обмоток статора с треугольника на звезду для уменьшения напряжения при пуске применяют понижающие трансформаторы, которые включают между двигателем и сетью.
В процессе пуска, когда двигатель достигает установившейся скорости вращения, трансформатор переводится в положение, при котором к двигателю подводится номинальное напряжение сети.
Недостатком пуска при пониженном напряжении является значительное уменьшение пускового и максимального момента двигателя, которые пропорциональны квадрату приложенного напряжения.
Уменьшение напряжения на обмотках статора при пуске двигателя достигают также последовательным включением реостатов в обмотки статора или включением пусковых автотрансформаторов.



При пуске реостат и автотрансформатор полностью включаются, чем достигают снижение напряжения на обмотках статора.
По мере увеличения оборотов двигателя реостат или автотрансформатор постепенно выключаються.


Пуск двигателя с фазным ротором.
Пуск двигателя с фазным ротором производят с помощью реостата, включаемого в цепь ротора, чем достигается уменьшение пускового тока в цепи статора.

Включение реостата производят посредством контактныхколец и щеток.

Пуск производится при полностью включенном реостате.
По мере наростания скорости вращения двигателя сопротивление реостатов уменьшают.
При достижении двигателем номинальной скорости вращения реостаты замыкают накоротко.
Недостатком этого способа пуска являются длительность и сложность пуска, а также необходимость применять более дорогие двигатели с контактными кольцами, которые имеют меньший к.п.д. и cos по сравнению с двигателями с короткозамкнутым ротором.


РЕГУЛИРОВАНИЕ СКОРОСТИ ВРАЩЕНИЯ И РЕВЕРСИРОВАНИЕ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ.

Регулирование скорости вращения асинхронных двигателей производят несколькими способами.

Скорость вращения асинхронного двигателя расчитывается по формуле:
n = 60f(1 - s)/p (об/мин)
s - скольжение в долях единицы.
Из этой формулы видно, что скорость можно регулировать изменением:
- частоты переменного тока;
- числа пар полюсов;
- скольжения.
Регулирование скорости изменением величины скольжения асинхронного электродвигателя ввозможно двумя способами:
1). введением в цепь ротора дополнительного сопротивления, что возможно для двигателя с фазным ротором.
2). изменением реактивных сопротивлений, включаемых в обмотку статора.
Регулирование скорости вращения двигателя с фазным ротором введением в его цепь дополнительного сопротивления позволяет уменьшить его скорость не более, чем на 40 - 50% номинальной скорости.
При таком регулировании с увеличением сопротивления реостата увеличивается величина скольжения, то есть уменьшается скорость вращения двигателя.
В этом случае схема регулирования сходна со схемой пуска асинхронного двигателя с фазным ротором с той разницей, что регулировочный реостат должен быть расчитан на длительную нагрузку током.
Регулирование скорости вращения с помощью добавочного сопротивления в цепи ротора приводит к неустойчивой работе электродвигателя на малых оборотах, так как при этом приходится включать большие сопротивления, что приводит к значительным колебаниям скорости при небольших изменениях момента сопротивления нагрузки.
Этот способ неэкономичен, так как увеличивает потери в роторной цепи.
Такой способ регулирования скорости вращения асинхронных электродвигателей применяют в тех случаях, когда работа двигателя с пониженной скоростью непродолжительна и когда не требуется большой точности регулировки (например подьемно-транспротные механизмы).
Регулирование скорости двигателе при помощи дросселей состоит в том, что в цепь статора электродвигателя включают реактивные сопротивления с переменной индуктивностью.
Изменение индуктивности реактивных сопротивлений (дросселей) осуществляется пропусканием постоянного тока различной величины через обмотку управления дросселями.



Изменяемое индуктивное сопротивление в цепи статора позволяет получить на зажимах электродвигателя различное напряжение, чем достигается изменение скольжения, то есть скорости вращения ротора.
Достоинством этого способа является плавное регулирования скорости вращения электродвигателя.
К недостаткам относится следующее: значительное уменьшение максимального вращающего момента, а так же уменьшение коэффициента мощности.
Регулирование скорости вращения за счет изменения числа пар полюсов осуществляется переключением обмоток статора и является ступенчатым.
Для этих целей применяют специально выпускаемые многоскоростные двигатели ( на 2, 3 и 4 скорости).
Двухскоростные двигатели имеют 6, трехскоростные - 9 и четырехскоростные - 12 выводов к переключателю полюсов.
Регулирование скорости вращения двигателей изменением частоты тока требует применения специального источника переменного тока с изменяемой частотой.
Изменение направления вращения двигателя называется реверсированием.
Реверсирование достигается изменением направления вращения магнитного поля. Для этого достаточно переключить любые два провода трехфазной системы подводящей ток к статору электродвигателя.