Устойчивость работы асинхронного двигателя

Факторы, определяющие устойчивость. Под устойчивостью работы электродвигателя понимают способность двигателя восстанавливать установившуюся частоту вращения при кратковременных возмущениях (изменениях нагрузки, напряжения питающей сети и пр.).

Рассмотрим известное из механики условие равновесия моментов, приложенных к ротору двигателя:

M = M_ст + Jdω₂/dt, (2.52)

где М — электромагнитный момент двигателя; М _ст — статический момент нагрузки (момент сопротивления механизма, приводимого во вращение, с учетом механических потерь в двигателе); J d ω₂ /dt — динамический момент, зависящий от момента инерции вращающихся масс J и ускорения ротора d ω₂/ dt.

При М = М _стускорение ротора

dω₂/dt = (M - M_ст)/J = 0, (2.53)

т. е. ротор вращается с установившейся частотой. Если М > М _ст, ротор ускоряется, а при М < М _ст — замедляется.

Устойчивость зависит от конкретных условий, при которых работает электродвигатель, в частности от формы механических характеристик двигателя и приводимого им во вращение производственного механизма.

На рис. 2.23, а для примера приведено несколько типичных механических характеристик различных производственных механизмов. Для грузоподъемных механизмов (кранов, лифтов, лебедок и т. п.) характерным является неизменность статического момента М _ст,его практическое постоянство независимо от частоты вращения (прямая 1 на рис. 2.23, а). Вентиляторы, центробежные насосы, гребные винты и прочие механизмы имеют характеристику (кривая 2), при которой нагрузочный момент М _ст резко увеличивается с ростом частоты вращения. Эту характеристику часто называют вентиляторной. Бетономешалки, шаровые мельницы и некоторые другие механизмы имеют большое трение в состоянии покоя и при малых частотах вращения, поэтому в таких механизмах с ростом частоты вращения нагрузочный момент падает (кривая 3).

 

Рис. 2.23 - Механические характеристики некоторых производственных механизмов (а)

и графики для определения статической устойчивости асинхронного двигателя (б)

 

Устойчивость «в малом». Рассмотрим работу асинхронного электродвигателя [механическая характеристика 1 на рис. 2.23, б ], приводящего во вращение производственный механизм, у которого статический (нагрузочный) момент М _стпадает с увеличением частоты вращения (механическая характеристика 2). В этом случае условие М = М _ствыполняется в точках А и В при значениях частоты вращения п_А и п_В. Однако в точке В двигатель не может работать устойчиво, так как при малейшем изменении момента М _ст(нагрузки) и возникающем в результате этого отклонении частоты вращения от установившегося значения появляется избыточный замедляющий или ускоряющий момент ± (М — М _ст), увеличивающий это отклонение. Например, при случайном небольшом увеличении статического момента М _ст ротор двигателя начинает замедляться, а его частота вращения п ₂— уменьшаться. При работе машины в режиме, соответствующем точке В, т. е. на участке М — П характеристики 1, это приводит к уменьшению электромагнитного момента М, т. е. к еще большему возрастанию разности (М-М _ст). В результате ротор продолжает замедляться до полной остановки. При случайном уменьшении статического момента ротор начинает ускоряться, что приводит к дальнейшему увеличению момента М и еще большему ускорению до тех пор, пока машина не переходит в режим работы, соответствующий точке А. При работе машины в режиме, соответствующем точке А, двигатель работает устойчиво, так как при случайном увеличении момента М _сти замедлении ротора (т. е. уменьшении частоты вращения n ₂) электромагнитный момент М возрастает. Когда момент М станет равным новому значению М _ст, двигатель снова работает с установившейся, но несколько меньшей частотой вращения.

Таким образом, асинхронный двигатель при работе на участке С — М механической характеристики обладает свойством внутреннего саморегулирования, благодаря которому его вращающий момент автоматически регулируется по закону М = М _ст. Это регулирование осуществляется за счет увеличения или уменьшения частоты вращения ротора п ₂, т. е. система регулирования является статической.

Сравнивая условия работы двигателя в точках А и В, можно сделать вывод, что работа двигателя устойчива, если с увеличением частоты вращения п ₂ статический момент М _ст уменьшается медленнее, чем электромагнитный момент двигателя М. Это условие представим в следующем виде:

dM/dn₂ < dM_ст/dn₂.(2.54)

Оно выполняется практически дня всех механизмов с падающими характеристиками М _ст= f (n) и с характеристиками, не зависящими от частоты вращения (кривые 3 и 1 на рис. 2.23, а), если двигатель работает на участке СМ характеристики 1 (рис. 2.23, б). Следовательно, двигатель, приводящий во вращение подобные механизмы, может устойчиво работать только в диапазоне изменения скольжения 0 < s < s _кp. При s > s _кр, т. е. на участке М — П механической характеристики 1, устойчивая работа становится невозможной.

При работе электродвигателя совместно с производственным механизмом, имеющим вентиляторную характеристику (см. рис. 2.23, а), устойчивая работа возможна и на участке М — П механической характеристики 1, т. е. при S > S _кр. Однако допускать работу при скольжениях, больших критического, не следует, так как при этом резко уменьшается КПД двигателя, а потери мощности в его обмотках становятся настолько большими, что могут в короткое время вывести двигатель из строя.

Устойчивость «в большом». Практически условие (2.54) является необходимым, но недостаточным. В эксплуатации возможны не только кратковременные небольшие изменения М _ст, но и существенные увеличения нагрузочного момента при резких изменениях режима работы. Когда двигатель работает при скольжении, меньшем s _кp, но близком к нему, случайная перегрузка двигателя может привести к его остановке при М _ст > М_mах. Поэтому максимальный момент иногда называют опрокидывающим моментом.

При больших перегрузках устойчивость работы двигателя обеспечивают путем выбора номинального момента М _ном < М _max,. Отношение k_м = М _mах/ М _ном, называемое перегрузочной способностью, регламентируется ГОСТом. Перегрузочная способность для различных двигателей различна: k_м = 1,7 ÷ 3,5. Большие значения имеют двигатели, предназначенные для работы с большими перегрузками, — крановые, металлургические и т. п.

Увеличение перегрузочной способности асинхронного двигателя ведет к возрастанию его габаритов и массы или к снижению энергетических показателей. Из формулы (2.48) видно, что значение максимального момента приблизительно обратно пропорционально индуктивным сопротивлениям X₁ + X' ₂обмоток. Для увеличения перегрузочной способности двигателя следует уменьшать эти

Рис. 2.24 - Механические характеристики асинхронного двигателя

При различных напряжениях

 

сопротивления, т. е. числа витков обмоток статора и ротора. А это приводит к возрастанию магнитного потока (а, следовательно, к увеличению сечения магнитопровода) и тока холостого хода. Поэтому двигатели с повышенным значением k _мимеют большие габариты и массу, а ток холостого хода у них достигает 40 — 60% от номинального.

Большое значение для обеспечения устойчивой работы асинхронных двигателей имеет качество электроснабжения. Вращающий момент асинхронного двигателя зависит от квадрата питающего напряжения [см. (2.56) и (2.48)]. Поэтому даже незначительное уменьшение напряжения влияет на максимальный момент, а значительное уменьшение может вызвать остановку двигателя.

На рис. 2.24, а и б для примера приведены механические характеристики асинхронного двигателя при номинальном напряжении U ₁ = U _ном(кривая 1) и напряжении U ₁= = 0,7 U _ном(кривая 2). Во втором случае электромагнитный момент уменьшается примерно в два раза, и работа двигателя при номинальной нагрузке становится невозможной. ГОСТом установлено, что длительное изменение напряжения в электрических сетях, питающих силовое оборудование, не должно отличаться от номинального более чем на 5% и +10%.