Электромеханические свойства асинхронных электродвигателей

Лекция 4 - 5 2.5. Электромеханические свойства асинхронных электродвигателей 2.5.1. Асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором На горных предприятиях наиболее широко применяются асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором. Для привода мощных механизмов и передвижных машин применяют двигатели с фазным ротором. Достоинства устройства, асинхронных надежность, электродвигателей экономичность. (АД) Недостатки – – простота сложность регулирования ω, квадратичная зависимость Мк от U (Мк – U2), плохие пусковые характеристики, небольшой пусковой момент при большем пусковом токе Iпуск. Работа АД основана на принципе взаимодействия вращающего магнитного поля статора с обмотками ротора. Скорость вращения магнитного поля статора равна синхронной и определяется уравнением: 𝜔синх = или 𝑛синх = 60𝑓 𝜌 2𝜋𝑓 𝜌 , рад/с , об/мин, где ƒ – частота питающей сети, ρ – число пар полюсов,  – угловая скорость, n – частота вращения. Вращающееся магнитное поле, пересекая обмотки статора и ротора, индуктируют в них ЭДС – ЭДС ротора создает в проводах ротора ток, который взаимодействует с полем статора, вызывает электромагнитный момент, действующий по направлению вращения поля. Скорость вращения ротора несколько меньше скорости вращения поля статора. Отношение разности этих скоростей к скорости 𝜔синх называется скольжением S. 𝑆= 𝜔синх −𝜔 𝜔синх или 𝑆 = 𝑛синх −𝑛 𝑛синх . S зависит от потерь в обмотках ротора. Чем больше нагрузка, тем больше S, так как растет ток обмоток ротора. Вращающий момент, развиваемый электродвигателем, зависит от активной составляющей тока ротора Iр.а. и определяется из равенства: 𝑀𝑔 = 𝑐𝐼p.a = 𝑐𝐼𝑝 cos 𝜑p . При критической величине скольжения Sкр ток Iр.а. достигает максимума и при дальнейшем росте скольжения ток Iр.а. уменьшается, следовательно, уменьшается и вращающий момент Мg несмотря на рост тока Iр.а. Зависимость Мg = ƒ(S) определяется уравнением 𝑀𝑔 = 2Мкр 𝑆кр 𝑆 + 𝑆кр 𝑆 . 𝑀кр берется из паспортных данных электродвигателя, 𝑆кр определяется из уравнения 𝑆кр = 𝑆н (𝜆 + √𝜆2 − 1). Здесь 𝜆 = Мкр Мн - перегрузочная способность, получена из предыдущих уравнений при значении М𝑔 = Мн . Пример 1: Построим естественную механическую характеристику для асинхронного двигателя с параметрами Pн = 30 кВт, Uн = 380В, nн =1460 об/мин, λ = 2,2. 1. Мн = 9550 Pн = 196,2 Нм; nн 32. Мкр = 2,2Мн = 431,7 Нм; 3. 𝑆н = 𝑛синх −𝑛н 𝑛синх = 0,0266; 4. 𝑆кр = 𝑆н (𝜆 + √𝜆2 − 1) = 0,11; Зададимся различными значениям S в уравнении 𝑀𝑔 = 2Мкр 𝑆кр 𝑆 + 𝑆кр 𝑆 и сведем результаты вычисления М и n в таблицу 1, по расчетным данным построим механическую характеристику, рис.13. Таблица 1 S 0,0266 0,04 0,1 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 n 1500 1460 1440 1350 1200 900 600 300 M 197 277 430 369 221 153 116 94 Участок характеристики от S = 0 до S = 𝑆кр является почти прямой линией со слабым наклоном. Это рабочая часть характеристики, имеющая жесткий характер. Участок характеристики S = 𝑆кр до S = 1 имеет гиперболический характер и называется нерабочим, так как здесь электродвигатель работает только при пуске и торможении. Жесткость механической характеристики объясняется тем, что она зависит прямо пропорционально от активного сопротивления ротора, которое делается небольшим для увеличения КПД и снижения потерь в роторе. Этим объясняется то, что при номинальном моменте скольжение уменьшается всего лишь на 4%. Недостаток асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором – это малый пусковой момент Мпуск для общепромышленных АД при большом пусковом токе. Для увеличения Мпуск необходимо увеличить сопротивление ротора Rр, но это приведет к уменьшению КПД двигателя. Поэтому для мощных машин и механизмов применяют асинхронные двигатели с фазным ротором, которые допускают включение добавочного сопротивления в цепь роторных обмоток. 2.5.2 Асинхронный двигатель с фазным ротором. У асинхронного двигателя с фазным ротором величина скольжения зависит от величины сопротивления в роторной цепи, рис.14а. При 𝑅1  0, 𝑅′p − приведенное к статору: 𝑆к.е  𝑅′p 𝑋к , а при 𝑅доб > 0: 𝑆к.и = 𝑅pа +𝑅доб 𝑋к . Для построения искусственной характеристики необходимо вычислить отношение: 𝑆к.и 𝑆к.е = 𝑅pа +𝑅доб 𝑅pа Величину уравнения: 𝑅pа = 𝑅pн 𝑆н = . 𝑅pа определяем из 𝑈2н 𝑆, √3𝐼2н н где 𝑅pа сопротивление фазы неподвижного ротора при протекании тока 𝐼2н . Пример 2: Построим естественную и искусственную механическую характеристику для асинхронного двигателя с фазным ротором, имеющего: Pн = 55 кВт, Uн= 220/380 В, nн =720 об/мин, λ = 2,2, U2н = 376 В, 𝐼2н = 92 А, 𝑅доб = 0,4 Ом. 1. 𝑅pа = 𝑈2н 𝑆 √3𝐼2н н = 376 𝑛синх −𝑛н √3 92 𝑛синх = 0,094 Ом; 2. Мн = 9550 Pн nн = 730 Нм; 3. Мкр = 2,2Мн = 1606 Нм; 4. 𝑆кр = 𝑆н (𝜆 + √𝜆2 − 1) = 0,166; 5. 𝑀𝑠 = 2Мкр 𝑆кр 𝑆 + 𝑆кр 𝑆 = 2∗1605 ; 𝑆 0,166 + 0,166 𝑆 Естественную характеристику строим при S = 0; 0,04; 0,1; 0,166; 0,2; 0,4; 0,6; 0,8; 1,0. Данные расчета М и n при заданных значениях S сводим в таблицу №2. Таблица 2 0,04 0,1 0,166 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Sе n 750 720 675 626 600 450 300 150 M 730 1418 1650 1578 1136 825 639 518 Таблица 3 Sе 0,04 0,1 0,166 0,2 Sи 0,21 0,526 0,87 1 n 750 592,5 355,5 97,5 M 730 1418 1650 1578 Искусственную характеристику строим, используя выражение для определения скольжения: 𝑅pа + 𝑅доб 0,094 + 0,4 𝑆и = 𝑆е = 𝑆е = 5,26𝑆е . 𝑅pа 0,094 Результаты расчета М и n при заданных ранее значениях S сводим в таблицу №3. По расчетным данным на рис.14 б. приведены естественная и искусственная механические характеристики асинхронного двигателя с фазным ротором. 2.5.3 Пуск и торможение асинхронных электродвигателей Пуск и торможение – основные динамические режимы электроприводов, в процессе которых изменяются ω и другие величины во времени. В момент подключения электродвигателя к сети без соответствующих пусковых устройств он будет потреблять из сети ток, значительно превышающий Iн, т.к. сопротивления обмотки статора двигателя с неподвижным якорем мало. По мере разгона двигателя увеличивается ЭДС якоря, а ток уменьшается. Большой пусковой ток нежелателен, т.к. в обмотках растут потери, способные вызвать их перегрев, и вследствие электромагнитного взаимодействия между проводами обмоток, возможно их повреждение. На коллекторах может возникнуть недопустимое искрение, пусковой момент на валу может развить большее чем необходимо ускорение. В зависимости от величины статического момента различают легкий, нормальный и тяжелый режимы пуска. К легкому относят режим пуска, когда статический момент не превышает 35-40% 𝑀н (насосы, вентиляторы при закрытой задвижке). Нормальный режим пуска, когда Мс = (0,4 ÷ 1,0) 𝑀н (вентиляторы, насосы при открытых задвижках, небольшие ленточные конвейеры). Тяжелый режим, когда Мс > 𝑀н (подъемные машины, нагруженные конвейеры). Много лет существовала два основных способа пуска асинхронных электродвигателей: непосредственно (прямое) включение короткозамкнутого электродвигателя в сеть при полном или пониженном напряжении и реостатный пуск. Они широко распространены и имеют ряд взаимодействий. С появлением частотных преобразователей стали применять пуск при пониженной частоте питающего напряжения с выхода преобразователя частоты (ПЧ). Прямое включение асинхронного короткозамкнутого электродвигателя на полное напряжение сети – самое распространенное среди электродвигателей малой и средней мощности. Его достоинства – простота пуска, надежность, экономичность пусковой операции. Недостатки – большой пусковой ток Iпуск= (5,5 ÷7)Iн, малый пусковой момент 𝑀пуск = (1,1 ÷ 1,8)𝑀н . Большая величина пускового тока вызывает снижение напряжения в питающей сети, в обмотках трансформатора или генератора, а также нежелательные удары в передаточных устройствах. Снижение напряжения в питающей сети создает неблагоприятные условия как для пуска данного электродвигателя, так и для работы подключенных электроприемников. Предельная мощность асинхронного короткозамкнутого электродвигателя, пускаемого прямым включением, зависит от мощности источника питания. При питании от трансформатора силовых и осветительных электроприемников рекомендуется включать электродвигатель, мощность которого не превышает 25% мощности трансформатора по схеме прямого пуска. По мере нарастания скорости вращения электродвигателя сопротивление реостата постепенно уменьшается за счет переключения его ступеней. После окончания процесса пуска реостат замыкается накоротко, рис.15а. В современном автоматизированном электроприводе выведение пусковых сопротивлений осуществляется путем замыкания ступеней пусковых сопротивлений 𝑅1 ,𝑅2 ,𝑅3 , 𝑅4 ,𝑅5 контакторами ускорения. 𝐼1 , 𝐼2 ,𝐼3 , 𝐼4 ,𝐼5 . Расчет пусковых сопротивлений реостата наиболее просто и удобно осуществляется графическим методом, сущность которого заключается в следующем. На основании каталожных данных с помощью формул (Мs) и (S) строится естественная механическая характеристика электродвигателя (обычно устойчивая ее часть) в любом удобном масштабе, рис.15б. Затем задаются наибольшим и наименьшим пусковым моментами. Наибольший пусковой момент М1 обычно принимается равным (0,8  0,85) Мкр. Величина наименьшего пускового момента М2 должна быть несколько больше момента сопротивления, так как в противном случае электродвигатель не разгонится. Чем ближе М2 к Мн, тем больше среднее значение пускового момента, что не желательно для ускорения пускового процесса. Но, как следует из пусковой диаграммы на рис 15(б), увеличение М2 вызывает увеличение числа ступеней сопротивления, что не выгодно, так как потребует большее количество контакторов ускорения при автоматическом – разгоне и большее число контакторов пускового реостата при ручном управлении. Обычно принимают 3-6 пусковых ступеней и из этого условия выбирают М2. Реостатные механические характеристики проводятся на пусковой диаграмме последовательно, начиная с первой нижней. Отрезки аж, ае, ад и т.д. пропорциональны сопротивлению роторной цепи, и в масштабе для сопротивлений будут соответствовать сопротивлениям отдельных ступеней пускового реостата. Первой ступени соответствует отрезок аж, второй – ае, третьей – ад и т. д. Отрезок аб будет соответствовать внутреннему сопротивлению цепи ротора Rра. Отдельные секции пускового реостата определяются отрезками же, ед, дг и т. д. Суммарное сопротивление реостата определяется отрезком бж. Пример 3: Рассчитать пусковые сопротивления для асинхронного электродвигателя с фазным ротором при пуске в пять реостатных ступеней. Статический момент на валу электродвигателя равен номинальному. Каталожные и расчетные данные электродвигателя приведены в примере 2. Решение: Наибольший момент при пуске: 𝑀1 = 0,85𝑀кр = 0,85 ∙ 1605 = 1364 Нм. Наименьший момент при пуске подбираем опытным путем для получения шести реостатных ступеней в пределах 𝑀2 = (1,1 ÷ 1,2)𝑀н , принимаем 𝑀2 = 900 Нм. Сопротивление фазы обмотки ротора: 𝑈2н 𝑅pа = √3𝐼2н 𝑆н = 376 √3 92 0,04 = 0,094 Ом; Сопротивления реостатных ступеней определяется из выражения: первой 𝑅1 = аж второй 𝑅2 = ае 𝑅pа = аб аб третьей 𝑅3 = 𝑅pа = ад аб 𝑅pа = 100 7 63 7 0,094 = 0,864 Ом; 40 7 0,094 = 1,34 Ом; 0,094 = 0,538 Ом; четвертой 𝑅4 = пятой 𝑅5 = ав аб аг аб 𝑅pа = 𝑅pа = 17 7 26 7 0,094 = 0,348 Ом; 0,094 = 0,228 Ом; Общее сопротивление пускового реостата для одной фазы: 𝑅реост = бж 93 𝑅pа = 0,094 = 1,25 Ом аб 7 или 𝑅реост = 𝑅1 − 𝑅ра = 1,34 − 0,094 = 1,25 Ом. 2.5.4 Тормозные режимы асинхронных электродвигателей Торможение асинхронных электродвигателей возможно в трех режимах: генераторном, динамическом, торможении противовключением, а соответствующие схемы включения приведены на рис.16. Генераторное (рекуперативное) торможение возможно при вращении ротора со скоростью выше синхронной за счет внешних сил или сил инерции. При этом скольжение становится отрицательным (т. е. ротор отстает от магнитного поля статора) 𝑆= 𝜔синх −𝜔 𝜔синх < 0. Двигатель в этом режиме работает в качестве генератора параллельно с электрической сетью, потребляя из сети реактивную мощность на создание магнитного поля. Механическая энергия от внешних сил (или сил инерции), приложенная к валу двигателя, преобразуется двигателем в электрическую и отправляется в сеть. Поэтому этот режим является весьма экономичным. Режим генераторного торможения используется в подъемных установках при спусках грузов, эскалаторах метро, электровозах для поддержания постоянной скорости. Механические характеристики расположены во втором квадранте и являются продолжением механических характеристик двигательного режима, рис.17. Достоинства рекуперативного торможения – возврат энергии в сеть, надежность; недостаток – невозможность торможения при 𝜔 < 𝜔синх . Режим торможения противовключением. Ротор электродвигателя вращается в противоположном направлении вращению поля статора, поэтому скольжение будет иметь положительное значение 𝑆 = 𝜔синх −𝜔 𝜔синх > 1, так как 𝜔 < 0. При 𝑆 > 1 ротор уходит от магнитного поля статора в противоположную сторону. Это приводит к увеличению эдс в обмотках ротора и увеличения в них тока. Потому при получении этого режима в цепь ротора необходимо включать для ограничения тока большое дополнительное сопротивление. Электродвигатель преобразует механическую энергию и работает генератором, одновременно он потребляет мощность из сети, следовательно, электродвигатель расходует суммарную мощность, которая рассеивается в виде тепла. Механические характеристики располагаются в четвертом квадранте, переход в режим торможения возможен в подъемных установках. Если момент электродвигателя сделать меньшим статического, то под действием груза ротор принудительно будет вращаться в сторону противоположную вращению поля статора. На рис.18. во втором квадранте показана механическая характеристика (3) для остановки механизма, полученная противовключением двигателя. Механическая характеристика (2), расположенная в четвертом квадранте, полученная при введении добавочного сопротивления, характерна для случаев опускания грузов. Достоинства торможения противовключением – надежность, возможность полной остановки, быстрое торможение возможность реверса привода. Недостатки – выделение большой мощности на электродвигателе. Динамическое торможение. При динамическом торможении обмотки статора электродвигателя отключают от сети переменного тока и подключают к источнику постоянного тока. Постоянный ток, протекая по обмоткам статора, создает в нем неподвижное магнитное поле, при пересечении которого во вращающих обмотках ротора наводится ЭДС, имеющая переменный характер. Эта ЭДС в обмотках ротора вызывает переменный ток, который взаимодействует с полем статора, создает тормозной момент. При полной остановке двигателя ЭДС в роторе равна нулю. Механические характеристики в режиме динамического торможения приведены на рис. 19.