Построение естественных механической и

Электромеханической характеристик асинхронного двигателя

По каталожным данным

Характеристика асинхронного двигателя естественна при

 U_дв = U_н, отсутствии добавочного сопротивления в цепи ротора и статора и при частоте источника питания, равной номинальной

 частоте двигателя.

Естественную механическую характеристику по каталожным данным строят при расчетах переходных процессов электропри­водa, определении: частоты вращения регулируемого двигателя, т.е. в тех случаях, когда нужно точно знать частоту вращения и момент [18].

Исходные данные берут из таблички на щитке двигателя или из каталога (5): номинальная мощность двигателя Р_н, кВт; номинальная частота вращения n_н. , или значение номинального скольжения s_н (обычно в процентах); кратность критического момента М_к/М_н, для двигателей серии 4А ее обозначают μ_к;   кратность пускового момента М_п/М_н обозначают μ_п; кратность минимального момента М_min/М_н - μ_min; критическое скольжение –

Естественную механическую характеристику АД строят по пяти точкам с соответствующими координатами:

Первая точка - синхронная угловая скорость ω_о = 2πf/р или ω_о = πn_о/30  , где f - частота питающей сети; n_о = 60f/р; p – число пар полюсов (определяется из типоразмера электродвигателя). В каталожных данных при f = 50 Гц синхронная частота вращения двигателя  = 3000, 1500, 1000, 750, 600, 500 и т.д. . Момент двигателя при ω_о равен нулю, т.е. эта точка лежит на оси ординат – частоты вращения;

Вторая точка – номинальные: частота вращения ω_н = πn_н/30 или (1- s_н),  и момент М_н = Р_н • 10^-3/ ω_н, Н•м.

Третья точка – критические: момент   и угловая скорость ω_к = ω_о(1 - s_к).

Если значение критического скольжения не приводится в справочной литературе, его определяют по формуле:

 

  

    

Четвертая точка  – минимальные: момент М_м = М_н  скорость

 ω_м = ω_о(1 - s_м),  s_m= 6/7 для всех двигателей:

Пятая точка - пусковой момент М_п = М_н , ω_о = 0.

Для более точного построения механической характеристики в области критического скольжения необходимо взять несколько промежуточных точек и определить значения момента по (4.20).

                          

   Рис. 4.3. Построение естественной механической характеристики

                     асинхронного двигателя.

Соединив плавной линией рассчитанные точки, получим график механической характеристики асинхронного двигателя (рис.4.3). На этой же рисунке пунктиром приведен график ме­ханической характеристики, построенной по уравнению (4.19).

Естественная электромеханическая характеристика асинхрон­ного двигателя I = f(ω) нужна при построении нагрузочных диаг­рамм для проверки двигателя на нагрев.

                    

         Рис.4.4. Построение естественной электромеханической

                          характеристики асинхронного двигателя.

Исходные данные можно взять из таблички двигателя и каталога: номинальная мощность двигателя Р_н, кВт; номинальное линейное напряжение двигателя U_н, B; номинальные коэффициенты: полезного действия η_н и мощности cosφ; кратность пускового тока 1_п; номинальное и критическое скольжение s_н, s_к. Естественную электромеханическую характеристику строят по четырем характерным точкам:

Первая точка имеет координаты:синхронная угловая скорость

ω_о = 2πf/р или ω_о = πn_о/30 и ток статора, соответствующий ω_о (ток намагничивания):

              I_c = I _н(sinφ_н - cosφ_н/2 _к),                 (4.30)

где _к - кратность критического момента;

Вторая точка соответствует номинальным значениям:

          I_н = P_н • 10³/(  • U_н • η_н • cosφ_н);      ω_{н =} ω_о(1 - s_н);

Третья точка соответствует критическому скольжению дви­гателя:

            ω_{к =} ω_о(1 - s_к);                            I_к = (0,7…0,8)I_пуск

Четвертая точка - пусковая: I_пуск = I_н • i_п;     ω = 0

Соединив полученные точки плавной линией, получим график электромеханической характеристики. Обычно ее строят на одном графике с механической (рис.4.4).              

     4.4. Искусственные механические характеристики

          асинхронного двигателя

Асинхронные двигатели, применяемые в сельскохозяйственном производстве, редко работают на естественной механической характеристике. Это вызвано несколькими причинами. Во-первых, при включении двигателей в сеть возникают большие пусковые токи, которые вызывают понижение напряжения на зажимах электродвигателей. Во-вторых, для выполнения требований технологии к электроприводу применяют регулировки или поддержание на заданном уровне координат двигателя (ω, М, I, P). Например, в обкаточных стендах или установках вентиляции помещений можно применять регулировки частоты вращения путем изменения напряжения, частоты и сопротивления в цепи ротора. Таким образом, асинхронные двигатели в рассмотренных случаях работают на искусственных характеристиках, когда U_дв ≠ U_н или r_доб, х_доб ≠ 0 или f_сети ≠ f_ном                         

        4.5. Влияние изменения напряжения сети на

                    характеристики АД

Напряжение на обмотке статора изменяют с целью ограничения пусковых токов или регулирования скорости асинх­ронного двигателя. Напряжение  регулируют  с помощью авто­трансформатора, синхронного генератора или специальными полупроводниковыми

регуляторами напряжения.

 Из уравнения механической характеристики (4.10) следует, что для любой частоты вращения асинхронного двигателя при постоянст­ве r₁, r₂' и х_к момент двигателя пропорционален квадрату напряжения:

         

    

Таким образом, по естественной механической характеристи­ке, построенной при U_н, можно легко построить искусственную для напряжения U₁ <  U_н:

                М_иск/М_е = U₁²/U₁²_ном                                             (4.33)

отсюда

    

                    , (4.34)

 

где ΔU - относительное значение снижения напряжения на зажи­мах двигателя, ΔU = ΔU₁ /U_н.

Синхронная частота вращения ω_о и критическое скольжение s_к от напряжения не зависят, поэтому остаются  постоянными при изменении напряжения.

Порядок построения искусственной механической характеристики при изменении напряжения следующий: по паспортным данным двигателя строим естественную механическую характеристику; определяем относительное значение снижения ΔU₁; задаемся значением частоты вращения ω₁ и для нее на естественной характеристике определяем М_1е; определяем момент М_1и при понижения напряжения по выражению (4.34); задаемся значением ω₂ и рассчитываем М_2и и т.д. Соединяем расчетные точки и получаем график механической характеристики при пониженном на ΔU напряжении (рис.4.5).

На практике чаще приходится рассчитывать не всю характе­ристику, а только номинальный пусковой и критический момен­ты. Так, для проверки двигателя по перегрузочной способности необходимо определить момент   М_к    при заданном или расчетном снижении напряжения. С этой целью критический момент, соответствующий номинальному напряжению  пересчитывают    к заданному (сниженному) значению напряжения и сравнивают с максимальным

рабочим:

                     М_к(1 - ΔU)² > M_cmax

Например, если М_к = 10 Н м, максимальный момент нагрузки

М_смах = 7 Н м, то при работе на естественной характеристике ; двигатель не "опрокинется". Если в сети произошло понижение напряжения на 20% из-за пуска рядом работающего мощного двигателя, то

М_к < М_смах, т.к. М_к(1 - ΔU)²=10(1 - 0,2)² = 10  0,64 = 6,4 Н м

Следовательно, асинхронный двигатель «опрокинется» (остано­вится). Такие же проверочные расчеты проводят при пуске.

Электромеханическая характеристика асинхронного двигателя (4.4) зависит от напряжения в первой степени. Следовательно, ток изменяется пропорционально напряжению.

                   I_и = I_е(1 - ΔU₁).                               (4.35)

                                     

Рис. 4.5. Механические характеристики асинхронного двигателя при

             понижении напряжения на статоре.

 

 4.6. Влияние на характеристики асинхронного двигателя

 добавочных активного и индуктивного сопротивления в цепи     

                                     статора

Добавочное активное или индуктивное сопротивление включа­ют в цепь статора для ограничения пусковых токов асинхронных двигателей [4]. Выясним поведение механической и электромехани­ческой характеристик асинхронного двигателя. При введении r_доб и х_доб в цепь статора синхронная скорость не изменяется, а критическое скольжение и критический момент уменьшаются:

 ;                        (4.36)

 ;           (4.37)

 

 ;      (4.38)

 

4.39)               
Пусковой момент определим из уравнения (4.10) при s = 1:

    ;

 .   (4.40)

Следовательно, пусковой момент двигателя при введении в цепь

статора добавочного сопротивления снижается. Это явление необходимо учитывать при эксплуатации электроприводов различных технологических линий, отдельных машин и механизмов. При повышеннй нагрузке электродвигатель с включенными в цепи статора добавочными сопротивлениями может не запуститься, От этого может пострадать вся технологическая цепочка производства.

                                     

Рис.4.6. Механические характеристики асинхронного двигателя при введении в цепь статора добавочных сопротивлений: 1- активного, 2- индуктивного, 3 – естественная характеристика..

Промежуто­чные точки искусственной характеристики можно определить по формуле (4.20), подставляя значения s_ки и М_ки (рис.4.6).Для построения искусственной электромеханической характе­ристики при введении добавочного сопротивления запишем выра­жение механической характеристики (4.10):

               М = 3∙I’_2е ∙ r’₂ / ω_o ∙ s;                 (4.41)

пусть I₂ ≈ I_стат; тогда для любой постоянной скорости ω или s

                 М_е = I_е²∙А; М_и = I_и²∙А            (4.42)

где A = 3r₂'/ ω_os, откуда

 

 

Значит, для построения искусственной электромеханической характеристики необходимо иметь графики М_е, М_и, I_е. Задаваясь значением скорости, определим М_е, М_и и I_е, а затем по выражению (4.42) определим I_и.

    4.7. Включение добавочного активного сопротивления в цепь

                                            ротора

Добавочное активное сопротивление в цепь ротора асинхрон­ного двигателя включают для ограничения пусковых токов и ре­гулирования частоты вращения. Синхронная угловая скорость ω_о не изменяется, критическое скольжение s_к растет, так как увеличивается сопротивление ротора в соответствии с формулой (4.12.):

 

Значение критического момента М_к не изменяется, так как оно не зависит от r₂

                                             (4.43)

Пусковой момент двигателя изменяется: вначале возрастает и при 

                        

достигает величины критического момента (М_п = М_к). Дальнейшее увеличение добавочного сопротивления приводит к снижению пускового момента.

Определим соотношение скольжения двигателя при работе на естественной и искусственной характеристиках. Момент двига­теля на естественной характеристике:

 

на искусственной характеристике:

 

Приравниваем М_е и  М_и, учитывая, что М_ке, = М_ки:

 

Обозначим: s_е /s_ке = y; s_и/s_ки = z. Тогда последнее уравнение

можно записать в виде

                                      y +1/y = z +1/z.

Решим это уравнение:

 

 

Уравнение имеет смысл при y = z.  При yz = 1, y = 1/z  или  , что не имеет физического смысла, так как  .       Таким образом при

 

(4.44)                                                                                                                                                 

 

Для построения искусственной механической характеристики сначала необходимо построить естественную. Затем задаваясь значением момента М₁, определить по графику s_е1 и рассчитать s_и1:

 

На практике достаточно взять значение момента двигателя от нуля до М_к (четыре-пять точек) и построить искусственную характеристику (рис.4.7). Электромеханическую характеристику рассчитываем по выражению, как для случая с добавочным активным сопротивлением в цепи статора. 

                          

 Рис. 4.7. Механические и электромеханические характеристики

асинхронного двигателя при введении добавочного резистора

                                в цепь ротора.

 

  4.8. Влияние изменения частоты тока питающей сети

                                      на работу АД
Изменение частоты питающей сети наблюдается при значительных колебаниях нагрузки в сетях с источником электроснабжения ограниченной мощности (при питании от резервной электростанции). В приводах частоту тока сети изменяют с целью регулирования частоты вращения или поддержания ее на заданном уровне [19]. При изменении частоты тока сети двигатель переходит на искусственную механическую характеристику. Частота вращения поля статора при изменении частоты от   до :

                         (4.48)
        отсюда                                                                                                                                                                

Синхронная частота вращения изменяется прямо

пропорционально изменению частоты сети. Определим характер изменения критического момента и критического скольжения. Для простоты пренебрегаем значением активного сопротивления статора   .
  Тогда выражение  (4.14) будет иметь вид:
                                        (4.49)
Значение критического момента изменяется обратно пропорционально квадрату частоты. Для частот     и  , взяв соответственно отношение   и  ,  получим:
   .                      (4.50)
Для критического момента асинхронного двигателя при
      .                                                  (4.51)
т.е. значение критического скольжения изменяется обратно пропорционально частоте. Пересчитать скольжение с одной частоты на другую можно, если взять отношение   и
     .                                                            (4.52)

Значение изменения частоты вращения

 для разных частот тока:
 .                     (4.53)   

Если пренебречь изменением   и  в  двигателе при

изменении частоты, то будет иметь постоянное значение. Искусственные механические характеристики АД строят по выражению (4.19) или (4.20), для которых определяют   и  . Задавшись значением s от 1 до нуля, рассчитывают искусственную механическую характеристику (рис.4.8).

                                  

 Рис. 4.8. Механические характеристики АД при изменении частоты.  
          4.9. Тормозные режимы асинхронных двигателей
Асинхронные двигатели, как и машины постоянного тока, обратимы и могут преобразовывать электрическую энергию в механическую (двигательный режим) и наоборот преобразовывать механическую энергию в электрическую (генераторный режим). Режим генераторного (рекуперативного) торможения происходит с отдачей энергии в сеть. Он возможен при частоте вращения ротора асинхронного двигателя выше синхронной ( > ).
Скольжение s = (  -  )/ < 0 отрицательно, следовательно, в выражении момента двигателя знак изменяется:

         .                                      (4.54)
Рассмотрим особенности этого режима:
1) критическое скольжение не изменяется по значению, но меняется по знаку:
         .                                                         (4.55)

2) критический момент (4.14) будет больше критического момента  в двигательном режиме:

                      .                  (4.56)
       З) в двигательном режиме активная мощность

(из схемы замещения)
                 .                              (4.57)            

При любом s > 0 > 0. Активная мощность потребляется из сети и преобразуется в механическую.
При рекуперативном торможения при  s < 0
                                       (4.58)

Активная мощность изменяет свой знак. Механическая энергия, подведенная с вала рабочей машины, преобразуется в электрическую и отдается в сеть за вычетом потерь в электродвигателе.
Выясним характер изменения реактивной мощности:
                           (4.59)

При любом значении скольжения знак не изменяется. В режиме рекуперативного торможения реактивная мощность создает необходимое магнитное поле статора для возбуждения асинхронного

двигателя.

Механическую характеристику асинхронного двигателя строят по выражению (4.9). Характеристика располагается в четвертом или втором квадранте системы координат (рис.4.2).

Рекуперативное торможение возможно в следующих случаях:

1) при работе с активным моментом подъемно-транспортных машин (кранов, кран-балок, лебедок и т.д.). Допустим, лебедка поднимает груз со скоростью v. Момент сопротивления, создаваемый грузом, равен     (рис.4.10). В какой-то момент времени двигатель реверсируют. Следовательно, он перейдет на другую характеристику, из точки 1 в точку 2. Под действием сил инерции в первый момент времени ротор двигателя вращается с частотой вращения  (груз поднимается). Но так как   , то и < 0. Следовательно, груз тормозится и в точке 3 останавливается в верхнем положении, а затем под действием  и   начинает опускаться. В точке 4 = 0, но под действием груза электродвигатель разгоняется до точки 5,

где .   Груз опускается со скоростью , электрический двигатель находится в режиме рекуперативного торможения.

                             

            Рис. 4.10. Рекуперативное торможение асинхронного

                             двигателя при опускании груза.

Потенциальная энергия поднятого груза преобразуется в электрическую и отдается в сеть за вычетом потерь;

2) при переходе многоскоростного двигателя с высокой частоты вращения на низкую.   Допустим, двухскоростной двигатель работает с моментом   в точке 1 на второй частоте вращения (рис.4.11). Если отключить вторую частоту вращения и включить первую, то электродвигатель перейдет в точку 2 характеристики первой частоты вращения. В этом случае , и двигатель находится в режиме рекуперативного торможения. Запасенная двигателем и рабочей машиной кинетическая энергия преобразуется в электрическую и отдается в сеть. А с уменьшением запаса кинетической энергии снижается и частота вращения, двигатель тормозится и переходит в точку З характеристики, где  ;

3) при горячей обкатке ДВС после ремонта. Эта операция осуществляется в ремонтных мастерских и гаражах с помощью асинхронного двигателя с фазным ротором. В цепь ротора включают регулируемые резисторы. После окончания холодной обкатки выполняют горячую. С этой целью подают топливо в ДВС и запускают его. Постепенно увеличивают частоту вращения двигателя выше  и асинхронный двигатель переводят в режим рекуперативного торможения. Регулируя значение сопротивления добавочного резистора в цепи ротора, изменяют загрузку ДВС и его частоту вращения [21].

                             

Рис. 4.11. Рекуперативное торможение асинхронного двигателя при

              переключении частоты вращения.
Режим противовключения. Этот режим возникает в тех случаях, когда под действием внешних сил (активного момента рабочей машины или сил инерции) двигатель вращается в обратную сторону (против включения). Рассмотрим эти случаи более подробно:

 1) асинхронный двигатель с фазным ротором приводит в движение лебедку, поднимающую груз (момент сопротивления  ). Подъем идет со скоростью  (рис.4.12). Вводим в цепь ротора добавочное активное сопротивление , и двигатель переходит на искусственную механическую характеристику из точки 1 в точку 2. При введении сопротивления момент двигателя уменьшается до значения , который меньше . Двигатель тормозится. В точке З двигатель остановится, но >     и под действием груза двигатель начнет вращаться в обратную сторону. Таким образом, асинхронный двигатель перевели в тормозной режим противовключения. в точке 4 , груз будет опускаться с постоянной угловой скоростью

                              

Рис.4.12. Режим противовключения асинхронного двигателя при

                                   активном моменте.
2) асинхронный двигатель работает с рабочей машиной с угловой скоростью . Предположим, что в какой-то момент времени мы осуществили реверс этого двигателя. Следовательно, он переходит на другую механическую характеристику (рис.4.13). Под действием сил инерции в первый момент времени частота вращения агрегата не изменяется, и двигатель переходит из точки 1 прямого вращения ротора в точку 2 обратного вращения.

                                

   Рис.4.13. Реверсирование асинхронного двигателя

В точке 2 знаки момента и скорости разные, следовательно, режим работы - тормозной. При таком движущем моменте двигателя знак скорости должен быть отрицательным, а он положительный, значит, от точки 2 до точки З имеет место режим противовключения. Механические характеристики асинхронного двигателя в режиме противовключения располагаются во втором или в четвертом квадранте.
Рассмотрим особенности работы асинхронного двигателя в режиме противовключения. Прежде всего необходимо отметить, что если двигатель перевели в режим торможения, то преобразованная механическая мощность от рабочей машины или энергия сил инерции поступает в ротор, т.к.  для первого случая и   =   - для второго. Электрическую мощность, поступающую из сети, можно  определить по выражению
                                                (4.60)

  В режиме противовключения s > 1, так как

                          
  Знак электромагнитной мощности не изменяется. Это говорит о том, что и сетевая активная мощность идет в ротор. Таким образом, в ротор асинхронного двигателя по двум каналам поступает энергия, которая расходуется в его сопротивлениях. Значение суммарной мощности велико, и двигатель может быстро нагреться выше допустимой температуры.  Для ограничения этого нагрева режим противовключения должен протекать кратковременно (при реверсе) или необходимы специальные меры: включение добавочных сопротивлений в цепь ротора, чтобы ограничить ток двигателя и вывести потери за

пределы обмоток двигателя.
Для определения характера изменения тока и момента двигателя в режиме противовключения представим электромагнитный момент двигателя в следующем виде:
                                          (4.61)

где  - постоянный коэффициент, определяемый конструкцией двигателя; - магнитный поток двигателя, пропорциональный напряжению сети;   - ток ротора;  – угол сдвига фаз тока и ЭДС ротора; - активная составляющая тока ротора.
Ток ротора

                        (4.62)

где  – действующее значение ЭДС ротора;    ;     

   - индуктивное сопротивление ротора,

  - ЭДС и сопротивление при s = 1.
При работе в режиме противовключения s

Таким образом, в режиме противовключения ток ротора и статора при s стремятся к постоянному значению. Активная

 составляющая тока ротора:
                             (4.63)

При увеличении частоты вращения в режиме противовключения

(s ) активная составляющая тока ротора и момент двигателя стремятся к нулю. Действительно, и по уравнению механической

 характеристики
                                         (4.64)

при s  электромагнитный момент будет уменьшаться до нуля.

Режим динамического торможения асинхронных двигателей осуществляется с независимым возбуждением и с самовозбуждением. В режиме динамического торможения с независимым возбуждением обмотку статора отключают от сети переменного тока и подают в нее постоянный ток. При этом обмотка статора создает постоянный магнитный поток, который пересекает вращающаяся обмотка ротора. Последняя включена на добавочное сопротивление или замкнута накоротко. В обмотке ротора наводится переменная ЭДС    и появляется ток , как и в обычном генераторе, только нагрузкой здесь служит сопротивление цепи ротора. Ток   взаимодействует с постоянным магнитным полем статора и создает тормозной момент. С уменьшением скорости снижаются ЭДС, ток и момент. При остановленном роторе тормозной момент равен нулю. Значение тока

 ротора асинхронного двигателя
                                         (4.65)

где – ЭДС ротора двигателя,

где v - относительное значение частоты вращения, ;

- значение ЭДС ротора при синхронной частоте вращения .
Пренебрегая эффектом вытеснения тока в обмотке ротора, считаем постоянным значение его активного сопротивления .
Индуктивное сопротивление
.
Принимаем постоянной индуктивность обмотки ротора . Частоту тока ротора  представим в виде
                                               (4.66)

где  - частота тока ротора при синхронной частоте вращения, для отечественных двигателей  = 50Гц. Индуктивное сопротивление

График изменения индуктивного сопротивления приведен на рис.4.14.
С учетом сказанного ток ротора можно записать в виде
                                          (4.67)

Тормозной момент, как и двигательный, создается активной

составляющей тока  :
                           (4.68)

При изменении частоты вращения ротора от нуля до бесконечности активная составляющая имеет максимум. Частота вращения, при

 которой будет этот максимум:
                

Дробь равна нулю, если числитель ее равен нулю, т.е.
                     
Решаем это уравнение относительно v
                       v            (4.69)

Рассмотрим график изменения сопротивлений и на рис. 4.14. 

Для анализа влияния значения сопротивления в цепи ротора асинхронного двигателя на тормозной момент необходимо выполнить построения, представленные на рис. 4.14.

  Из подобных треугольников  АОВ  и  СОД имеем соотношения:
      или      откуда   АВ =
                        

Рис. 4.14. График изменения сопротивлений в роторной цепи при

 динамическом торможении асинхронного двигателя.
  Следовательно, АВ = . Из графика и выражения (4.70) видно, что максимальное значение динамического момента наступает при равенстве активного и индуктивного сопротивлений в цепи ротора. Необходимо отметить, что на синхронной частоте вращения значение индуктивного сопротивления значительно больше активного сопротивления обмоток ротора. Поэтому максимальное значение динамического момента находится на частоте вращения , близкой к нулю. При включении добавочного сопротивления     в ротор значение частоты

вращения  увеличивается. Определим значение максимальной составляющей тока двигателя при  :
              (4.70)

Максимальное значение активной составляющей тока ротора зависит от ЭДС , которое в свою очередь определяется для данного двигателя значением потока возбуждения (постоянного тока). График изменения активной составляющей тока ротора (в другом масштабе это график динамического торможения) приведен на рис.4.15.

               

Рис.4.15. Механические характеристики асинхронного двигателя в

                режиме динамического торможения.
Пусть двигатель работает с частотой вращения . Отключаем его от сети переменного тока и подаем в цепь статора постоянный ток . Возникает тормозной момент, и двигатель переходит в точку 2 характеристики динамического торможения. При снижении частоты вращения момент вначале растет, достигает  , затем уменьшается до нуля. Выражения (4.69…4.71) дают представление о качественном изменении механических характеристик асинхронных двигателей. Этими выражениями трудно пользоваться для построения реальных механических характеристик, так как часто неизвестны параметры . Для вывода расчетных формул механических характеристик в режиме динамического торможения постоянный ток, подаваемый в статор, заменяют эквивалентным переменным. И далее рассматривают работу как обычной асинхронной машины. Аналитическое выражение механической характеристики асинхронного двигателя в режиме динамического торможения имеет вид:
                                                       (4.71)                                    

где    ; ,  - индуктивные сопротивления намагничивающего контура статора и обмотки ротора; - переменный ток статора, определяемый из равенства намагничивающих сил постоянного и переменного потоков = .      

С учетом сопротивления обмотки статора относительное

значение критической частоты вращения можно записать в виде

                                                          (4.72)

Соотношение постоянных и переменных токов в зависимости от схемы нужно выбрать в табл.4.1

 

                     

 

 

                                                                Таблица 4.1

Соотношения значений сопротивлений и токов для различных схем       

                      динамического торможения АД.

Параметры	Схемы и значения параметров
Схемы включения обмоток
	2
Соотношения токов  =	1,23	1,41	2,12	2,45

 

Таким образом, изменение сопротивления  в цепи статора приводит к изменению максимальных значений тормозного момента, а изменение сопротивления в цепи ротора - к изменению скольжения.

    а                            б                                в  

Рис.4.16. Схемы включения конденсаторов в режиме динамического торможения асинхронного двигателя с самовозбуждением.
Динамическое торможение с независимым возбуждением нашло применение в приводах, где требуются быстрая и точная остановка механизма, сокращение продолжительности переходного процесса в электроприводах. Оно имеет достоинства: потери а двигателе ниже, чем при противовключении; не требуется отключать двигатель при нулевой частоте вращения; обеспечивается точная остановка привода.

Динамическое торможение с самовозбуждением осуществляется с помощью конденсаторов. у работающего двигателя отключают от сети обмотку статора и подключают батарею конденсаторов по схеме (рис.4.16) [12]. Можно использовать бумажные и электролитические конденсаторы. Процесс самовозбуждения можно проследить по рис.4.17. Торможение при самовозбуждении основано на том, что после отключения АД от сети его электромагнитное поле затухает (исчезает не мгновенно) в течение некоторого, пусть и небольшого интервала времени. За счет энергии этого затухающего поля и использования специальных схем включения АД можно обеспечить его самовозбуждение и реализовать тормозной режим. На практике применение нашли так называемые конденсаторное и магнитное торможение АД. При конденсаторном торможении возбуждение АД осуществляется с помощью конденсаторов С, подключаемых к статору. Отметим, что конденсаторы могут подключаться к статору постоянно (глухое подключение) или с помощью дополнительного контактора, будучи при этом соединенными в схему треугольника или звезды.

                          

 Рис.4.17. График изменения ЭДС и напряжения на конденсаторе

                   в зависимости от тока асинхронного двигателя.
Определяющий фактор, от которого зависят вид и расположение характеристик АД  1... 3(см. рис.4.18, а значит, интенсивность торможения - емкость конденсаторов С (кривые 1… 3соответствуют значениям ). Чем она больше, тем больше будет максимум тормозного момента, а характеристики будут смещаться в область низких частот вращения АД.   

Магнитное торможение реализуется после отключения статора двигателя от сети и замыкания с помощью контактов К его выводов накоротко (рис.4.19).

                                

Рис.4.19. Схема магнитного торможения асинхронного двигателя.

За счет запасенной в двигателе электромагнитной энергии проходит самовозбуждение двигателя и на его валу создается тормозной момент. Особенностью такого торможения является быстротечность, определяемая небольшим временем затухания магнитного поля двигателя, однако возникающие при этом тормозные моменты достаточно велики и обеспечивают интенсивное торможение электропривода.                                               

Тиристорные схемы существенно расширили практические возможности торможения АД, которые позволяют осуществлять как пуск двигателя, так и его торможение. Для обеспечения интенсивного торможения двигателя часто используется комбинированный способ, например динамическое торможение в сочетании с торможением коротким замыканием. Этот способ может быть реализован тиристорным устройством (см.рис.4.20) состоящим из двух пар встречно-параллельно включенных тиристоров VS1…VSб, служащих для подключения или отключения двигателя от источника питания, и дополнительного тиристора VS5 для торможения коротким замыканием обмоток статора.

                          

 Рис.4.20. Схема тиристорного торможения асинхронного двигателя.

Торможение осуществляется следующим образом. После закрытия тиристоров и отключения двигателя от сети подается сигнал управления на тиристор VS1, который замыкает накоротко две фазы статора. Когда интенсивность торможения коротким замыканием обмоток статора уменьшится, сигнал управления подается на тиристор VS1 который пропускает в цепь статора выпрямленный ток и тем самым обес-

 обеспечивает режим динамического торможения. Серийные тиристорные пускорегулирующие устройства обеспечивают и другие варианты торможения АД, а также так называемый безударный его пуск, при котором снижаются броски электромагнитного момента.
         

   4.10. Ограничение пусковых токов асинхронных

                                двигателей

При включении асинхронного двигателя в сеть возникает большой пусковой ток, превышающий номинальный в 5… 7 раз и вызывающий в линии значительное падение напряжения, что может привести к остановке рядом работающих двигателей. Под действием пускового тока в двигателе возникают динамические усилия, повреждающие и разрушающие обмотку, нагружаются силовые трансформаторы и линия, что приводит и дополнительным потерям мощности ‚ ограничение пусковых токов особенно актуально для сельскохозяйственных установок из-за удаленности электродвигателей от источников питания и соизмеримости мощности трансформаторов и пусковой мощности электродвигателей. Частые пуски нагревают обмотки двигателя.
Ограничить пусковые токи можно несколькими способами: включением добавочного активного или индуктивного сопротивления в цепь статора; включением добавочного активного или индуктивного сопротивления в цепь ротора; переключением обмотки статора на период пуска с «треугольника» на «звезду»; понижением напряжения на статоре. Схемы снижения пусковых токов путем переключения обмоток со «звезды» на «треугольник» (рис.4.21) можно рекомендовать для электродвигателей, фазные обмотки которых рассчитаны на линейное напряжение. Это относится к электроприводам прессгрануляторов, мощных дробилок и т.п.). В сети с напряжением 380 В необходимо применять двигатели рассчитанные на напряжение 660/380 В. При напряжении сети 380 Ву двигателя должно быть напряжение 380/220 В.   

Рассмотрим соотношение пусковых токов двигателя при соединении в «звезду»:
                                                         (4.73)

где - полное сопротивление обмотки статора при включении.
                          

Рис. 4.21. Схема переключения обмоток статора асинхронного

                    двигателя со «звезды» на «треугольник».

Пусковые токи двигателя при включении обмоток в «треугольник»:
                        

Отношение токов:
                      (4.74)

Таким образом, при включении обмоток двигателя в «звезду» фазный  ток уменьшается в  раз, а линейный - в три раза. При понижении напряжения на фазе в раз момент двигателя уменьшается в три раза.

                               

Рис.4.22. Характеристики асинхронного двигателя при

 переключении обмоток статора со «звезды» на «треугольник».

Механические и электромеханические характеристики при пуске двигателя этим способом приведены на рис.4.22. Пусковые токи асинхронных двигателей можно ограничить  понижением напряжения на статоре.
Пусковой ток асинхронного двигателя при номинальном напряжении питания равен:
                                        

где    - сопротивление фазы двигателя в момент включения.
Для снижения пускового тока в а раз напряжение на статоре асинхронного двигателя необходимо снизить в это же число раз
                      (4.75)

Уменьшение напряжения на статоре вызывает снижение пускового момента двигателя в  или (1 - . На рис.4.23 изображены механические и электромеханические характеристики асинхронного двигателя при снижении пускового тока а два раза. Значительное уменьшение пусковых моментов позволяет использовать данный способ в основном при пуске двигателей на холостом ходу с небольшим относительно  , моментом трогания.

                               

Рис.4.23. Характеристики асинхронного двигателя при понижении

                                 напряжения.
В расчетах при выборе двигателя обязательна проверка на возможность пуска при понижении напряжения: .
Ограничить пусковые токи асинхронных двигателей можно включением добавочного активного или индуктивного сопротивления в цепь статора [16].
Расчет значения добавочного активного     или индуктивного     сопротивления начинают с выбора необходимого пускового тока     и определения кратности  снижения этого тока:
                                         ,
где    - пусковой ток двигателя при отсутствии сопротивления в

цепи статора, =
номинальное фазное напряжение сети; сопротивление обмотки фазы статора; - пусковой ток при введении добавочного сопротивления в цепь статора,   - полное сопротивление цепи обмотки статора при введении   или
Подставим значения токов     и

                                        a = .

Для определения необходимого значения cтроят треугольник сопротивлений (рис.4.24).

Рассчитываем полное сопротивление обмотки двигателя:      

                      

 Затем активное сопротивление
,
        где   - коэффициент мощности двигателя при пуске;

Рис.4.24. Треугольники пусковых сопротивлений при включении в цепь статора асинхронного двигателя: а – активного сопротивления;

 б – индуктивного сопротивления.

индуктивное сопротивление       
                                           

Из треугольника сопротивлений (рис.4.25, а)  имеем
                           (4.76)

Аналогично определяем значение добавочного индуктивного

сопротивления (рис.4.24, б):
                                                    (4.77)

Механические и электромеханические характеристики двигателя при введении добавочных сопротивлений рассмотрены ранее.
Пусковая диаграмма