Пуск в ход асинхронного двигателя.

Лекция от 6.04.2020 Пуск в ход асинхронного двигателя. При пуске АД возникают две проблемы: • повышенный пусковой ток, • недостаточная кратность пускового момента, что приводит к вялому, затрудненному пуску. 1. Ограничение пускового тока. Пусковой ток двигателя соответствует току I1 при скольжении s = 1: 𝐼𝐼1п = 𝑈𝑈1 ��𝑟𝑟1 +𝑟𝑟2′ �2 +𝑥𝑥к2 . За 𝑟𝑟 ′ счет уменьшения сопротивления 2�𝑠𝑠 в несколько десятков раз, наблюдается значительный бро- сок пускового тока IП = (5...7,5) I1Н, что может негативно сказаться на электрической цепи двигателя и на просадке напряжения питающей сети. Возможные решения подсказывает з-н Ома: уменьшение напряжения и/или увеличение сопротивления. АД с короткозамкнутым ротором небольшой мощности (примерно до 50 кВт), благодаря высокому омическому сопротивлению обмоток, выдерживают прямой пуск. Этот довольно распространенный способ, отличается простотой и не требует применения специальных пусковых устройств. Для мощных двигателей используются следующие способы: – реакторный пуск (рис.1,а) – включение в цепь обмотки статора на период пуска добавочных реактивных сопротивлений – реакторов (L). Большие индуктивности реакторов не позволяют резко возрасти току за счет ЭДС самоиндукции. При этом параметры реактора подбирают таким образом, чтобы электрическая постоянная τэ = L/r была близкой к механической постоянной разгона двигателя. Такое соотношение обеспечивает примерно постоянный и безопасный ток на весь период разгона. По достижении номинальной скорости пускатель замыкается, исключая реактор из цепи питания двигателя. Рис.1 – автотрансформаторный пуск (рис.1,б) – двигатель подключается к сети через понижающий автотрансформатор. Исходное положение движков трансформатора соответствует безопасному току статора (2,5…3,5) I1н. По мере разгона и роста скольжения движки перемещают вверх (по схеме), постепенно увеличивая напряжение и поддерживая ток. По окончании разгона движки оказываются в верхнем положении, исключая автотрансформатор из цепи статора двигателя. – пуск с изменением рабочей схемы соединения обмотки статора с «∆» на «Y» (рис.1,в). Если рабочая схема соединения обмоток «∆», то на время пуска обмотки переключают на схему «Y». Напряжение на обмотках меняется с линейного на фазное, т.е. уменьшается в √3 раз. В резуль- тате в 3 раза уменьшаются линейные токи и рассеиваемая тепловая мощность в обмотках. – пуск с введением в обмотку фазного ротора пускового реостата. Пусковой реостат включается последовательно в цепь роторной обмотки через контактные кольца и щетки, ограничивая ток статора. По мере разгона сопротивление пускового реостата уменьшают до нуля. 2. Повышение пускового момента Анализ механической характеристики М(s) показывает, что пусковой момент Мп можно увеличить до максимального Мm, если сместить критическое скольжение в точку s = 1, т.е. обеспечить на момент пуска sкр = 1. Величина 𝑠𝑠кр = 𝑟𝑟2′ . 𝑟𝑟2′ 𝑥𝑥к прямо зависит от активного сопротивления Значит, введя в фазную обмотку ротора дополнительный пусковой реостат роторной цепи 𝑟𝑟п′ = 𝑥𝑥к − 𝑟𝑟2′ , можно получить пуск с максимальным моментом Мп = Мm. При этом, одновременно с увеличением пускового момента, будет ограничиваться пусковой ток (два удовольствия в одном флаконе). Ещё одним плюсом является то, что максимальный момент при этом не меняется, так как от активного сопротивления роторной цепи не зависит: 𝑀𝑀𝑚𝑚 = 𝑚𝑚1 𝑝𝑝𝑈𝑈12 4𝜋𝜋𝑓𝑓1 𝑥𝑥к . По мере разгона двигателя сопротивление реостата надо уменьшать до нуля по траектории: a–b–c–d–f, выводя двигатель на естественную механическую характеристику. Число ступеней пускового реостата выбирают из соображений недопущения резкий изменений момента, которые могут привести к преждевременному износу подшипников. По ГОСТ допускается колебание пускового момента в пределах ±10% от среднего пускового момента (𝑀𝑀п′ + 𝑀𝑀п )/2. Очевидно, что показанный метод применим только для двигателей с фазным ротором. Для короткозамкнутых АД того же эффекта добиваются за счет особых конструкций ротора: двойная беличья клетка и глубокопазовый ротор. Такие двигатели называют двигателями с улучшенными пусковыми свойствами. Их действие основано на эффекте вытеснения тока магнитным полем. Двигатель с двойной беличьей клеткой (см. рис.) имеет ротор с двумя короткозамкнутыми обмотками: внешней, которую называют пусковой, и внутренней, называемой рабочей. В электрическом плане обмотки включены между собой параллельно. Пусковую обмотку выполняют из проводника с повышенным удельным электрическим сопротивлением (латунь, бронза и т.д.), рабочую – из проводника с малым удельным сопротивлением (медь, алюминий). Полное сопротивление кажной обмотки состоит из индуктивного и активного сопротивления. Пусковая обмотка, расположенная вблизи воздушного зазора, имеет меньшее потокосцепление, чем внутренняя рабочая обмотка. Поэтому индуктивное сопротивление x2п пусковой обмотки значительно меньше, чем индуктивное сопротивление x2р рабочей обмотки. В момент пуска (s = 1) частота тока в роторе f2 максимальна, и индуктивные сопротивления обмоток во много раз превосходят их активные сопротивления. Поэтому ток I2 потечет в основном через пусковую обмотку, у которой х2п << х2р. А так как эта обмотка имеет повышенное активное сопротивление, критическое скольжение возрастет и обеспечит повышенный пусковой момент. По мере разгона частота f2 снижается, роль реактивных сопротивлений уменьшается , и ток постепенно перераспределяется в рабочую обмотку с малым активным сопротивлением r2р < r2п. Недостатком двухклеточных двигателей является их технологическая сложность и повышенная стоимость. Глубокопазовые АД проще и дешевле. Ротор таких двигателей имеет пазы, высота, которых больше ширины в 6…12 раз и составляет 30…60 мм при ширине 2…5 мм. Это обеспечивает существенный контраст между индуктивностями поверхностных и внутренних слоев обмотки. При пуске ток будет вытесняться в верхние слои обмотки, имеющие меньшие индуктивные сопротивления. Как результат, эффективное сечение проводника уменьшается, и сопротивление 𝜌𝜌𝑙𝑙 𝑟𝑟2 = �𝑆𝑆 увеличивается. По мере разгона и снижения частоты f2 явление вытеснения тока исэф чезает, и ток равномерно распределяется по сечению стержня. Двигатель работает как обычный АД с несколько большим индуктивным сопротивлением. Реверсирование двигателя Для изменения направления вращения двигателя достаточно изменить направление вращения магнитного поля в зазоре машины. Для этого изменяют порядок подключения статорных обмоток к фазам сети, например с прямого: А–В–С на обратное: А–С–В и наоборот. Следует учитывать, что величина скольжения при переключении обмоток на ходу близка к s = 2, а значит, ток в статорных обмотках резко возрастет даже больше, чем при пуске. Поэтому реверсирование должно выполняться либо при пониженном напряжении питания, либо с введением (для двигателей с фазным ротором) в цепь роторных обмоток ограничивающих резисторов. Самым простым будет реверсирование после частичной или полной остановки двигателя. Электрическое торможение Как следует из принципа обратимости электрических машин, любая машина может создавать как вращающий, так и тормозящий момент. Существуют три способа торможения АД: рекуперативное (генераторное), электромагнитное и электродинамическое. При рекуперативном торможении двигатель переводится в генераторный режим (s < 0). То есть создаются условия, при которых синхронная скорость (скорость вращения магнитного поля) n1 становится меньше скорости вращения ротора n. Типичный пример – спуск груза краном, когда под действием груза ротор раскручивается до скорости n < n1, знак ЭДС и тока I2 становится отрицательным, и электромагнитный момент становится тормозящим. При этом происходит рекуперация энергии, т.е. возврат преобразованной механической энергии вращающегося ротора в электрическую сеть. В случае обычного электропривода с АД перевод в режим рекуперативного торможения 60𝑓𝑓 выполняют уменьшением скорости вращения магнитного поля 𝑛𝑛1 = 1 за счет понижения ча𝑝𝑝 стоты питающего напряжения f1 (при наличии частотного преобразователя) или увеличения числа пар полюсов p (для многоскоростных двигателей). Недостатком рекуперативного торможения является невозможность торможения вплоть до полной остановки двигателя. Поэтому на практике этот способ чаще используют лишь для подтормаживания механизма. При электромагнитном торможении (торможение противовключением) изменяют направление вращения магнитного поля (как при реверсировании). Ротор при этом вращается навстречу полю (s >1). Знак ЭДС е2 меняется, и двигатель развивает тормозящий момент. Процесс будет проходить по траектории А-а-б. При остановке ротора цепь питания статора должна быть отключена специальным датчиком-коннектором нулевой скорости, иначе двигатель будет раскручиваться в противоположном направлении. Ток статора, как и при реверсировании, необходимо ограничивать. Достоинством метода является эффективное торможение вплоть до полной остановки двигателя. Недостатками: необходимость ограничивать ток статора; сильный нагрев обмоток, т.е. большие тепловые потери; требование наличия датчика нулевой скорости. Электродинамическое торможение АД с фазным ротором достигается путём перевода двигателя в режим синхронного генератора. Для этого обмотку статора отключают от трехфазной сети (контактор КР) и подключают к источнику постоянного напряжения (контакторы КТ). Фазную обмотку ротора замыкают на гасящие резисторы RГ, а через трехфазный выпрямитель подключают к статорным обмоткам, организуя требуемый источник постоянного напряжения. В результате взаимодействия статического магнитного поля и индуцированного в роторе тока создается тормозящий момент. Вся кинетическая энергия вращения ротора при этом выделяется в виде тепла на гасящих резисторах. Изменением величины этих резисторов можно изменять интенсивность торможения и даже обеспечить постоянство тормозного момента. В короткозамкнутых АД энергия вращения гасится на роторных обмотках, а для создания статического магнитного поля статора используется отдельный источник постоянного напряжения. Достоинством способа является эффективное и плавное торможение двигателя вплоть до его полной остановки с возможностью управления его интенсивностью. Недостатки: большие тепловые потери, необходимость в дополнительном источнике постоянного напряжения (для КЗ двигателей). Регулирование частоты вращения двигателя Скорость вращения двигателя описывается формулой: 60𝑓𝑓1 (1 − 𝑠𝑠). 𝑛𝑛 = 𝑛𝑛1 (1 − 𝑠𝑠) = 𝑝𝑝 Из неё следуют три возможных способа регулирования скорости – изменением f1, p, и s. 1. Частотное регулирование Регулируемым параметром является частота f1 напряжения питания статорных обмоток. В чистом виде диапазон регулировки частоты имеет существенные ограничения как сверху, так и снизу. Ограничение сверху связано с обратноквадратической зависимостью максимального момента от частоты 3𝑝𝑝𝑈𝑈12 𝑀𝑀𝑚𝑚 = 2 2 4𝜋𝜋 𝑓𝑓1 𝐿𝐿к Увеличение частоты приводит к уменьшению в квадрате максимального момента, а, следовательно, сильно сужается область устойчивости механической характеристики и стабильность работы двигателя. Уменьшение частоты может привести к насыщению магнитопровода возросшим магнитным потоком 𝑈𝑈1 , Ф= 4,44𝑤𝑤эф 𝑓𝑓1 в результате чего многократно уменьшаются индуктивные сопротивления обмоток, а ток двигателя может возрасти до недопустимых значений. Поэтому на практике, при необходимости осуществлять глубокое регулирование скорости, руководствуются алгоритмом (законом) академика Костенко. Закон формулируется следующим образом: чтобы обеспечить работу асинхронного двигателя с максимальными значениями КПД, коэффициента мощности и перегрузочной способностью при разных значениях 𝑓𝑓1 и М, напряжение на обмотке статора нужно изменять по зависимости 𝑈𝑈1′ 𝑈𝑈1 = 𝑓𝑓1′ 𝑓𝑓1 𝑀𝑀′ � 𝑀𝑀 , здесь 𝑈𝑈1 , 𝑓𝑓1 соответствуют моменту M, 𝑈𝑈1′ , 𝑓𝑓1′ – моменту 𝑀𝑀′ . В частности при регулировке скорости при постоянном моменте на валу ал𝑈𝑈 горитм имеет вид: 1 = 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐. 𝑓𝑓1 Частотное регулирование скорости АД позволяет изменять угловую скорость вращения в диапазоне (20...30) :1. Регулирование скорости асинхронного двигателя вниз осуществляется практически до нуля. Верхний предел частоты вращения асинхронного двигателя ограничен лишь условиям механической прочности ротора. В настоящее время промышленностью выпускается широкий ряд частотных преобразователей, реализующих алгоритм Костенко в диапазоне выходных частот от 0 до 800 Гц., и обладающих разнообразным набором функциональных особенностей, например, имеют ручное и автоматическое управление скоростью и направлением вращения двигателя . Частотный способ является наиболее перспективным для регулирования скорости короткозамкнутого асинхронного двигателя. Потери мощности при этом способе невелики, поскольку не сопровождаются увеличением скольжения, а получаемые при этом механические характеристики обладают высокой жесткостью. 2. Регулирование изменением числа пар полюсов Регулирование применяется в многоскоростных АД с короткозамкнутым ротором. Обычно они выпускаются на 2, 3 или 4 скорости. Статор таких двигателей снабжен дополнительными секциями обмоток, которые в процессе работы могут подключаться или отключаться, а также соединяться в различные схемы: последовательно, параллельно, «звезда», «двойная звезда», «треугольник» и т.д. Наибольшее распространение в промышленности получил способ последовательнопараллельного переключения. На рисунке схематично изображен статор с обмоткой одной фазы, например А. В остальных фазах все будет аналогично. На рис. а) обмотки всех полюсов включены последовательно. Из картины распределения магнитных полей (направление силовых линий определяется по правило правого винта) видно, что в этом случае число полюсов равно 8 (число пар полюсов p = 4). Если обмотки переключить на попарно - параллельное соединение (рис.б), число пар полюсов уменьшается вдвое, а значит вдвое возрастет синхронная скорость 𝑛𝑛0 = 60𝑓𝑓1 ⁄𝑝𝑝 и скорость двигателя 𝑛𝑛. Недостатком многоскоростных АД являются увеличенные масса и габариты (чем больше скоростей, тем больше), а также большая по сравнению с обычными двигателями стоимость. К недостаткам также можно отнести дискретный характер регулирования скорости (кратность 2)и относительно сложный коммутационный блок, требующий постоянного обслуживания. 3. Регулирование изменением скольжения Применяется как в АД с короткозамкнутым ротором, так и в АД с фазным ротором. Возможны два способа: амплитудный и параметрический (реостатный). Амплитудный способ реализуется за счет плавного снижения относительно номинального питающего напряжения. Для этого применяют трехфазные автотрансформаторы и тиристорные регуляторы напряжения. Вследствие прямой квадратичной зависимости максимального момента от напряжения, значения скольжений при постоянном моменте нагрузки изменяются как s1, s2, s3…, а значит, изменяется и скорость вращения ротора 𝑛𝑛 = 𝑛𝑛0 (1 − 𝑠𝑠). Из графика видно, что регулирование возможно лишь в узких пределах 0 < s ≤ sкр. Реально для обычных АД средней и большой мощности частоту вращения удается снизить всего на 5...10%. Для расширения пределов регулирования в специальных управляемых АД увеличивают (за счет большого активного сопротивления ротора) критическое скольжение до 2…6, тем самым, исключая неустойчивый участок механической характеристики и расширяя диапазон до s=1. Такие двигатели допускают глубокое амплитудное регулирование практически во всем диапазоне от 0 до nmax. Параметрическое регулирование возможно только в АД с фазным ротором. Скольжение изменяют посредством включения в цепь ротора регулировочного реостата аналогично пусковому реостату. Из характеристик следует, что при увеличении сопротивления в цепи ротора при постоянном моменте нагрузки частота вращения вала двигателя уменьшается. При этом жесткость механической характеристики сильно снижается, что ограничивает диапазон регулирования скорости до (2…3) : 1. Недостатком этого способа являются значительные потери энергии, которые пропорциональны скольжению. Рабочие характеристики АД Рабочими характеристиками двигателя называют зависимости частоты вращения ротора n, полезного момента (момента на валу) M, коэффициента мощности cos ϕ, кпд η и тока статора I1 от полезной мощности P2 при неизменном напряжении питания. Характеристики АД очень похожи на аналогичные характеристики трансформатора. Примерный их вид для АД с короткозамкнутым ротором показан на рисунке Вращающий момент M связан с полезной мощностью на валу P2 соотношением 𝑀𝑀 = 𝑃𝑃2 60𝑃𝑃2 = ≈ 9,55𝑃𝑃2 /𝑛𝑛 𝜔𝜔 2𝜋𝜋𝜋𝜋 При достаточно жесткой механической характеристике скорость вращения меняется мало, поэтому зависимость М = f(Р2) близка к линейной. Для анализа графика к.п.д. удобно воспользоваться энергетической диаграммой. На диаграмме приняты следующие обозначения: Р1 – активная мощность, потребляемая двигателем из сети; Pст1 – магнитные потери (потери в стали) в магнитопроводе статора (в магнитопроводе ротора они пренебрежимо малы вследствие малости частоты тока f2); Pэл1 – электрические потери в обмотке статора; Pэл2 – электрические потери в обмотке ротора. Pэл2 = sPэм; Pмех – механическая мощность на валу двигателя; Pмх – механические потери на трение вращающегося ротора о воздух и в подшипниках; Pд – добавочные потери, к которым относят потери на зубчатость ротора и статора. PД обычно составляют около 5% Р1. Коэффициент полезного действия электродвигателя вычисляется по формуле 𝜂𝜂 = 𝑃𝑃2 𝑃𝑃2 = , 𝑃𝑃1 𝑃𝑃2 + Δ𝑃𝑃 где ∆P – суммарные потери мощности ∆P = Pэл1 + Pэл2 + Pст1 + Pмех + Pдоб . В АД, как и в трансформаторе, электрические потери в обмотках статора и ротора являются переменными потерями, так как зависят от нагрузки двигателя. Остальные потери постоянным. Поэтому КПД η растет почти пропорционально полезной мощности P2 . По мере увеличения нагрузки потери в меди сильно возрастают, и рост КПД замедляется. При примерном равенстве постоянных и переменных потерь КПД достигает максимума (номинальная нагрузка), а затем плавно уменьшается. Ориентировочно для АД средней мощности номинальный КПД составляет (70…90)%. Коэффициент мощности трехфазных АД определяется формулой: cos(ϕ ) = P1 3U 1 I 1 При отсутствии нагрузки (в режиме холостого хода) из-за больших намагничивающих токов, cos ϕ будет низким (обычно не более 0,2). С увеличением нагрузки возрастает активная составляющая тока и cos ϕ быстро растет, достигая наибольшего значения при номинальной мощности. При нагрузке больше номинальной увеличивается реактивная составляющая тока, и cos ϕ убывает. Потребляемый двигателем из сети ток I 1 с ростом нагрузки сначала, на фоне большого намагничивающего тока, увеличивается медленно. При рабочих нагрузках его рост будет пропорционален √М.