Исследование способов регулирования скорости асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором»

Теоретическая часть

Двигатели переменного тока имеют несколько разновидностей. Наиболее важными из них являются двигатели трехфазного тока: асинхронные с короткозамкнутым (АДК) или фазным (АДФ) ротором и син­хронные (СД).

В сравнении с двигателями постоянного тока асин­хронные двигатели проще, дешевле, надежнее в эксплуа­тации и не требуют преобразования трехфазного пере­менного тока, получаемого непосредственно от завод­ских сетей, в постоянный ток.

Конструктивная схема трехфазного асинхронного АДК приведена на рис.2.1,а. Шихтованный статор машины 1 имеет равно­мерно расположенные по внутренней расточке пазы, в которые уложены три фазы обмотки. Оси обмоток фаз пространственно сдвинуты на 120° относительно друг друга. При включении обмотки статора в трехфазную сеть переменного тока в фазах протекают переменные токи I_А, I_В, Ic, которые создают переменные н. с. F_A, F_В и Fc, изменяющиеся во времени по синусоидальным за­конам со сдвигом во времени на 1/3 периода переменного тока.

 

Рис.31. Конструктивная схема (а); механические характеристики АДК (б)

 

Вследствие сдвига по времени максимумы магнитных потоков фаз наступают поочередно в последовательности — фаза А, фаза В, фаза С, что приводит к вращению ре­зультирующего магнитного поля машины со скоростью

(3.1)

где: f₁ — частота сети переменного тока, Гц; 2р — число пар полюсов; n₁ – скорость вращения результирующего магнитного поля в воздушном зазоре между статором и ротором, об/мин.

Так как число пар полюсов может выражаться толь­ко числами натурального ряда 1, 2, 3, 4 и т. д., то при промышленной частоте синхронная скорость двига­теля может иметь лишь вполне определенные значения: 3 000, 1 500, 1 000, 750 об/мин и т.д. соответственно.

По конструкции асинхронные машины делятся на два основных типа: с короткозамкнутым ротором (АДК) и фазным ротором (АДФ).

Наибольшее распространение получили двигатели с короткозамкнутым ротором, которые в серии 4А выполняются на все мощности, включая 400 кВт.

Обмотки короткозамкнутых роторов выполняются литыми из алюминия или его сплавов или из меди. При заливке одновременно отливаются стержни, лежащие в пазах, и короткозамыкающие медные кольца с размещенными на их торцах вентиляционными лопатками и штырями для крепления балансировочных грузиков (см. рис. 3.1).

 

 

Рис.3. 2. Асинхронный двигатель 4А250

 

 

Роторы АДК крупных и специальных асинхронных машин с улучшенными пусковыми характеристиками выполняются сварными. Стержни ротора из меди или латуни привариваются к короткозамыкающим кольцам, имеющим отверстия, куда перед сваркой вставляются стержни обмотки.

АДФ имеют на роторе обмотку из круглых или прямоугольных проводов, которая выполняется так же, как и обмотка статора, начала которой выведены на контактные кольца. Узел контактных колец вынесен из станины, а контактные кольца закрыты кожухом. Узел контактных колец — консольного типа. Контактные кольца, опрессованные пластмассой, насаживаются на вал двигателя Кольца выполняются чугунными или медными. Выводные концы обмотки ротора подходят к трем кольцам через внутреннее отверстие в вале ротора. Обмотка ротора соединяется в звезду.

Токосъемный аппарат состоит из щеток и щеткодержателей. Щеткодержатели укреплены на изолированной части пальца, металлический конец которого ввинчен в прилив подшипникового щита.

При изготовлении серий электрических машин предусматривается максимальная унификация, поэтому большинство деталей одинаковые для машин как с короткозамкнутым, так и с фазным ротором.

Статор АДК и АДФ состоит из магнитопровода с обмоткой и станины. Магнитопровод статора набирается из листов электротехнической стали, изолированных друг от друга специальным изоляционным клеем, и имеющих на внутренней поверхности пазы.

Сердечник статора состоит из отдельных пакетов, которые после сборки скрепляют скобами и укрепляют в станине. При сборке пакетов магнитопровода статора может быть выполнен скос пазов. Форма пазов и число пазов на статоре зависят от мощности и частоты вращения.

Принципиальные схемы подключения асинхронных двигателей с короткозамкнутым и фазным ротором приведены на рис. 3.3.

 

Рис. 3.3. Схема принципиальная подключения АД с короткозамкнутым ротором (а) и фазным ротором (б)

 

Ротор двигателя 2 на рис.3.3,а имеет короткозамкнутую обмотку в виде беличьей клетки 3 и находится во вращающемся со скоростью n₁ магнитном поле, созда­ваемом обмоткой статора. Вращающееся магнитное поле, пересекая проводники ротора, наводит в них э. д. с., под действием которой в замкнутой накоротко обмотке ротора протекают токи, вокруг которых создается свое магнитное поле. В результате взаимо­действия этих магнитных потоков, возникает потокосцепление, создающее момент М, увлекающий ротор в направлении вра­щения поля статора.

Электродвижущая сила роторной обмотки зависит от относительной скорости пересечения полем проводников ротора, которую принято называть скольжением асинхронной машины. Скольжение s, %, определяется по формуле (3.2)

 

(3.2)

где n₂ — скорость вращения ротора.

Электромеханические свойства АДК можно установить, рас­сматривая его механическую характеристику (кривая 1 на рис.7.1,6). При вращении ротора с синхронной ско­ростью n = n₁, скольжение s = 0, соответственно равны нулю э. д. с. ротора и развиваемый машиной момент М. При увеличении нагрузки на валу ротор начинает отста­вать от поля, скольжение возрастает, что вызывает рост момента двигателя М до значения, определяемого на­грузкой на валу. При этом скорость несколько умень­шается, оставаясь близкой скорости n₁. В пределах ра­бочих нагрузок характеристика асинхронного двигателя подобна характеристике двигателя с независимым воз­буждением.

Однако при дальнейшем росте нагрузки механичес­кая характеристика асинхронного двигателя все больше отклоняется от прямой, скорость уменьшается с возра­станием М все быстрее. При увеличении нагрузки на валу до значений, превышающих критический момент машины М_макс. дальнейшее снижение скорости вызывает не возрастание момента двигателя, а его уменьшение и двигатель быстро останавливается.

Важным параметром АДК является пусковой момент М_п, который он развивает при n=0, т. е. в начале пуска. У АДК нормального исполнения пусковой момент намного меньше, чем критический мо­мент М_макс. Это обстоятельство осложняет пуск двигателей под нагрузкой, поэтому конструкторы при­нимают меры для увеличения пускового момента. С этой целью, например, можно увеличить сопротивление короткозамкнутой роторной обмотки, применив для ее из­готовления сплав с большим удельным сопротивлением. Характеристика двигателя при увеличении сопротивле­ния роторной клетки примет вид кривой 2 на рис.3.1,6. Рассматривая ее, можно установить, что при изменении сопротивления ротора критический момент не изменяет­ся, пусковой момент увеличивается, но одновременно уменьшается скорость вращения двигателя в рабочей зоне характеристики и уменьшается к. п. д. двигателя. Двигатели, изготовленные с повышенным сопротивлением роторной клетки, назы­ваются двигателями с повышенным скольже­нием.

Другим способом увеличения пускового момента является изготовление ротора с глубокими пазами или с двойной беличьей клеткой. В этом случае сопротивле­ние роторной обмотки переменно — при малых скоростях оно больше, чем в рабочей зоне. Характеристика двигателя с двойной беличьей клеткой представлена на рис.3.1,6 (кривая 3).

Кроме того, в специальном многоскоростном исполнении этот двигатель обеспечивает ступенчатое регулирование скорости (практически не больше четырех ступеней).

АДФ имеют на роторе трехфазную обмотку, аналогичную статорной. Зажимы обмотки ротора выведены на контактные коль­ца, поэтому в цепь ротора такого двигателя можно включать добавочные пусковые и регулировочные сопро­тивления, или тиристорный преобразователь. Схема включения двигателя с фазным рото­ром показана на рис.3.4,а. На рис.3.4,б показаны механи­ческие n=f(M) и электромеханические n=f(I₁) харак­теристики, где I₁ — ток фазы статорной обмотки. Механическая характеристика 1 соответствует работе двигателя с замкнутыми накоротко кольцами. Сравнивая ее с кривой 1 на рис.3.1,б, можно убедиться, что они аналогичны по форме, но пусковой момент двигателя с фазным ротором при n = 0 обычно меньше, чем у короткозамкнутого.

Кривая 1' представляет соответствующую механи­ческой характеристике 1 зависимость n=f(I₁). При включении добавочного сопротивления R_Д2 в цепь ротора пусковой момент двигателя увеличивается, а пусковой ток I_П — уменьшается (кривые 2 и 2' на рис.3.4,б).

Рис.3.4. Схема включения АДФ (а); его характеристики (б).

 

По­этому, вводя пусковой реостат в цепь ротора, можно получить достаточный пусковой момент при небольшом токе статора, а затем постепенно по мере разгона дви­гателя вывести его, замкнуть кольца накоротко и ра­ботать со скоростью, мало отличающейся от синхронной. Это важное преимущество АДФ перед АДК. При эксплуатации асинхрон­ных двигателей необходимо учитывать, что при снижении напряжения сети пусковой и критический моменты снижаются пропорционально квадрату напряжения сети.

АДФ успешно при­меняются для механизмов, работающих с частыми пус­ками и остановками под нагрузкой и требующих регулирования скоро­сти в первой зоне.

Благодаря простоте и надежности асинхронные дви­гатели получили на практике наиболее широкое приме­нение, хотя их возможности до середины 20 века в отношении регулирования скорости были весьма ограничены.

Режимы работы асинхронных машин:

В двигательном режиме электрическая мощность Р₁, поступающая в двигатель из сети, преобразуется в механическую мощность Р₂. Ротор асинхронного двигателя приходит во вращение с частотой в сторону вращения поля статора.

При включении обмотки статора в сеть трехфазного тока возникает вращающееся магнитное поле, которое, сцепляясь с короткозамкнутой обмоткой ротора, наводит в ней ЭДС. При этом в стержнях обмот­ки ротора появляются токи. В результате взаимодействия этих токов с вра­щающимся магнитным полем на роторе возникают электромагнитные силы. Со­вокупность этих сил создает электромагнитный вращающий момент, под дей­ствием которого ротор асинхронного двигателя приходит во вращение с час­тотой в сторону вращения поля статора. Если вал асинхронного дви­гателя механически соединить с валом какого-либо исполнительного механизма ИМ (станка, подъемного крана и т.п.), то вращающий момент двигателя М₂, преодолев противодействующий (нагрузочный) момент М_нагр. исполнительного ме­ханизма, приведет механизм во вращение. Следовательно, электрическая мощ­ность Р₁, поступающая в двигатель из сети, в основной своей части преобразует­ся в механическую мощность Р₂ и передается исполнительному механизму ИМ.

Весьма важным параметром асинхронной машины является скольжение — вели­чина, характеризующая разность частот вращения ротора и вращающегося по­ля статора (см.формулу 7.2).Вполне очевидно, что с увеличением нагрузочного момента на валу АД частота вращения ротора уменьшается. Следовательно, скольже­ние асинхронного двигателя зависит от механической нагрузки на валу двигате­ля и может изменяться в диапазоне

0 < s < 1 (3.3.)

 

При включении асинхронного двигателя в сеть в начальный момент времени ро­тор под влиянием сил инерции неподвижен, т.е. =0,а скольжение s =1. В режиме работы двигателя без нагрузки на валу (режим холостого хода) ротор вращается с частотой лишь немного меньшей синхронной частоты вращения, и скольжение весьма мало отличается от нуля s .

Скольжение, соответствующее номинальной нагрузке двигателя, называют номинальным скольжением s_ном. Для асинхронных двигателей общего назначения s = 1-8%, при этомдля двигателей большой мощности s_ном =1%, для двигателей малой мощности s_ном =8%.

Преобразовав выражение (3.2), получим формулу для определения асинхронной частоты вращения:

(3.4)

В генераторном режиме обмотку статора включают в сеть, а ротор асинхрон­ной машины посредством приводного двигателя, являющегося источником механиче­ской энергии, вращают в направлении вращения магнитного поля статора с часто­той, большей частоты вращения поля статора. При этом скольжение станет отрицательным, а ЭДС, наведенная в обмотке ротора, изменит свое направле­ние. Электромагнитный момент на роторе М₂ также изменит свое направление, т.е. будет направлен встречно вращающемуся магнитному полю статора истанет тормозящим по отношению к вращающемуся моменту приводного двигателя М_i. В этом случае механическая мощность приводного двига­теля в основной своей части будет преобразована в электрическую активную мощность Р₂, переменного тока.

Особенность работы асинхронного генератора состоит в том, что вращающееся магнитное поле в нем создается реактивной мощностью Q трехфазной сети, в которую включен генератор и куда он отда­ет вырабатываемую активную мощность Р₂. Следовательно, для работы асин­хронного генератора необходим источник переменного тока, при подключении к которому происходит возбуждение генератора, т.е. в нем возбуждается вра­щающееся магнитное поле.

Скольжение асинхронной машины в генераторном режиме может изменять­ся в диапазоне

< s < 0, (3.5)

т.е. оно может принимать любые отрицательные зна­чения.

В режиме торможения противовключением ротор асинхронной машины посред­ством приводного двигателя вращают против направления вращения магнитного поля статора. В этих условиях электромагнитный момент машины, направленный в сторону вращения поля статора, будет оказывать на ротор тормозящее действие. Активная мощность, поступающая из сети в машину, частично затрачивается на компенсацию механической мощности вращающегося ротора, т.е. на его торможе­ние. Частота вращения ротора является отрицательной.

В режиме электромагнитного торможения частота вращения ротора явля­ется отрицательной, а поэтому скольжение приобретает положительные зна­чения больше единицы и может изменяться в диапазоне

1 < s < + , (3.6)

т.е. оно может принимать любые по­ложительные значения больше единицы.

При динамическом торможении статор асинхронного двигателя отключают от сети и подключают к источнику постоянного тока. Применение динамического торможения вместо торможения противовключением позволяет значительно улучшить регулировочные показатели асинхронных двигателей, однако, при таком режиме торможения увеличиваются потери активной энергии, и снижается КПД.

Режим холостого хода происходит при работе АД на холостом ходу без нагрузки на его валу. Режим имеет низкий КПД и отрицательно сказывается на всего предприятия.

Режим короткого замыкания происходит при замкнутой накоротко вторичной обмотке и заторможенном роторе. Режим аварийный, так как приводит к пробою изоляции как статора, так и ротора, к большим тепловым потерям и воспламенению машины.

Рабочие характеристики АД есть зависимость потребляемой мощности Р₁,первичного тока I₁, cos , момента на валу М₂и КПД от полезной мощности Р₂ при работе с номинальными U₁, ₁.

Рабочие характеристики позволяют находить все основные величины, определяющие режим работы машины в двигательном, генераторном и трансформаторном режимах при различной нагрузке.

Механической характеристикой АД является зависимость скорости вращения ротора ω₂ или скольжения s в функции механического вращающего момента электромагнитного происхождения М_эл при неизменном напряжении сети или зависимость электромагнитного вращающего момента М_эл от скольжения s.

Выражение для электромагнитного вращающего момента АД

, Нм (3.7)

где: х_k - реактивное сопротивление двигателя, Ом, х_k = x₁ + x₂;

г'₂ и х'₂ - приведенные к статору, соответственно, активное и реактивное сопротивления фазы ротора, Ом;

s – скольжение, %; ω₁ - скорость вращения магнитного поля статора, с^-1;

г₁ - активное сопротивление фазы статора, Ом;

U_1Ф - фазное напряжение сети, В.

Выражение (3.7) представляет собой аналитическую качественную зависимость естественной механической характеристики АД (рис.3.5), где прямая ОА является рабочей частью этой характеристики (т. А соответствует номинальному режиму), а кривая ВА – ее пусковой частью.

 

 

Рис.3.5.Естественная механическая характеристика АД

 

Для построения естественной механической характеристики как АДК, так и АДФ, на практике используют упрощенную формулу Клосса:

, (3.8)

где М_i – текущий момент на валу двигателя, Нм; М_max – максимальный или критический момент, развиваемый данным двигателем, Нм; s_i – скольжение, соответствующее текущему моменту, %; s_k – критическое скольжение, %.

Регулирование изменением амплитуды питающего напряжения: Из формулы 2.7 видно, что электромагнитный момент М_эл прямо пропорционален квадрату амплитуды питающего напряжения, т.е. при изменении U_ф меняется и М_эл.. Регулирование в этом случае производится только в первой зоне, т.к. возникает опасность перегрева статора, особенно при повышениях амплитуды напряжения в сети на величину, превышающую 5-10%, жесткость рабочей части механической характеристики падает, уменьшается М_пуск и М_max, М_ном – сохраняются. Диапазон регулирования даже в первой зоне ограничен, т.к. возникает опасность перегрева ротора при понижении амплитуды напряжения в сети на величину, превышающую 2,5-5% (см. рис. 3.6).

Рис.3.6

Регулирование изменением частоты питающего напряжения: Из той же формулы 1.7, видно, что М_эл обратно пропорциональна величине частоты питающего напряжения f₁.

 

, с^-1 (3.9),

 

где: f₁ , Гц – частота питающего напряжения;

2р – число пар полюсов.

Искусственные характеристики в этом случае располагаются в обеих зонах регулирования, жесткость рабочей части механической характеристики сохраняется, М_пуск и М_max изменяются, М_ном сохраняется неизменным (см. рис. 3.7).

 

Рис.3.7.

 

Регулирование изменением частоты и амплитуды питающего напряжения: Из вышеприведенных графиков (рис.3.6 и 3.7), видно, что искусственные характеристики и в случае изменения только амплитуды, и в случае изменения только частоты питающего напряжения, имеют ряд недостатков. Для исключения этих недостатков должен выполняться закон частотного регулирования, который в первом приближении выглядит так:

(3.10),

где U₁ⁱ – i-тое значение измененной амплитуды питающего напряжения;

f₁ⁱ – i-тое значение измененной частоты питающего напряжения.

В этом случае (см. рис. 1.8) сохраняются жесткость рабочей части искусственных характеристик, М_max и М_ном; изменяется только М_пуск..

Рис.3.8

 

Выполнение этого закона позволяет сохранять жесткость рабочей части механической характеристики в обеих зонах, сохраняя при этом высокий к.п.д. и cos .