Асинхронным двигателем (АД)

В большинстве случаев к.з. АД питается от сети с U₁=const и f₁=const. Поэтому нелинейность их механических характеристик проявляется полностью как в режимах пуска,так и торможения. Магнитный поток в переходных режимах изменяется в широких пределах и на характер переходных процессов существенное влияние оказывает электромагнитная инерция. С учетом ее движение электропривода в переходном процессе пуска включением на сеть можно описать, если воспользоваться уравнениями динамической механической характеристики в комплексной форме в осях U, V и уравнением движения обобщенной машины, подставить в них вместо U₂ - 0, т.к. двигатель короткозамкнутый. Уравнения в комплексной форме, полученные ранее, имеют вид

Если выразить векторы потокосцеплений через обобщенные векторы токов статора и

ротора т.е

и подставить в уравнения равновесия ЭДС, получим

Заменив р на , а вместо U₂ подставив 0, будем иметь

Решить эту нелинейную систему уравнений можно только с помощью ЭВМ. Однако оценить влияние электромагнитной инерции в общем виде можно при анализе процесса включения двигателя на сеть при неизменной скорости ротора, т.е. w_эл=const.

На начальном этапе скорость двигателя еще не успела существенно измениться и можно принять w_эл=0. Анализировать такой процесс удобнее всего в осях a и b, принимая w_к=0.При этих условиях первые 2 уравнения системы запишутся так

Переходя к изображениям переменных по Карсону при нулевых начальных условиях и учитывая, что синусоидальное напряжение сети U₁ имеет изображение в виде

, получим

Найдя из второго уравнения i^’₂(p) и подставив в первое, а затем из второго же найдя i₁(p) и подставив в первое получим после преобразований изображения токов

Характер изменения свободных составляющих и их затухание определяются корнями p₁ и p₂ характеристического уравнения

1)

Корень определяет установившийся режим т.к. относится к изображению напряжения.

Если учесть, что , то поэтому

Если выразить L₁, L₂, L₁₂ через индуктивные сопротивления

и учесть что и , получим

где , ибо в нормальных АД и и величиной можно пренебречь.

Здесь a₁ и a₂ - коэффициенты затухания, причем как видно из полученных соотношений a₁<a₂, а их отношение .

Для нахождения оригиналов, т.е. действительных значений токов и , будем иметь в виду, что при обозначении р₁=-a₁ и p₂=-a₂ принимаются во внимание точные значения р₁ и р₂, соответствующие выражению 1. т.о.

Из этих выражений видно, что вектор каждого тока, кроме установившейся составляющей, изменяющейся с частотой w_0эл, содержит 2 свободные составляющие, затухающие с коэффициентами затухания a₁ и a₂.

Для вычисления момента двигателя необходимо найти комплексно-сопряженный вектор тока ротора . С этой целью в выражении для перед всеми ставится знак минус. Подставив найденное значение и значение тока в выражение электромагнитного момента, получим его составляющие, обусловленные взаимодействием составляющих токов. Если для примера найти установившееся значение пускового момента двигателя, пропорциональное мнимой части произведения первых членов уравнений для и , выразить индуктивности через индуктивные сопротивления, то имея в виду, что амплитуда U_1M двухфазной машины связана с амплитудой U_1M трехфазного напряжения коэффициентом , получим

Если сюда подставить значения a₁ и a₂ из выражения 1 и выполнить некоторые преобразования с учетом того, что и , получим значение пускового момента

Полное выражение пускового момента имеет вид

Здесь 7 составляющих момента.

Первая - установившийся для данной угловой скорости момент, соответствующий его статической механической характеристике. Следующие две составляющие – апериодические свободные составляющие. Следующие четыре составляющие - периодические составляющие, обусловленные взаимодействием затухающих апериодических (свободных) составляющих с принужденными токами, обусловленными действием напряжения сети. Поэтому они имеют угловую частоту напряжения сети w_0эл. Апериодические (свободные) составляющие момента обусловлены взаимодействием свободных токов.

Поскольку, как показано ранее, a₁<a₂, то характер изменения момента определяется главным образом переменными составляющими момента, затухающими с коэффициентом a₁. Логарифмический декремент затухания для этих составляющих

т.к.

Т.к. x₁<x₁+x_m на порядок, а S_kp=0,1-0,5, то для колебательной составляющей равен десятым долям единицы. Это значит, что за время затухания совершается десятки колебаний

периодической составляющей момента, которая суммируясь с М_уст, создает пики пускового момента, превышающие статический пусковой момент в несколько раз.

Для иллюстрации на рис. приведены кривые переходного процесса к.з. АД при пуске вхолостую, которые отражают рассмотренное влияние электромагнитной инерции, т.е. электромагнитных переходных процессов. Тут же приведена динамическая механическая характеристика двигателя (кривая 1), построенная на основе зависимостей M=f(t) и w=f(t). Еще большие пики момента имеют место при противовключении двигателя с незатухающим полем. Т.о. электромагнитная инерция исключает возможность нарастания момента скачком и существенно ухудшает характер процесса пуска, вызывая большие и многократно повторяемые пики, ускоряющие износ самого двигателя и механического оборудования.

Исследования показывают, что к моменту выхода к.з. АД на устойчивую часть статической механической характеристики (S<S_kp) электромагнитные переходные процессы, обусловленные подключением двигателя к сети, практически затухают. В этом случае дальнейший процесс увеличения скорости до w₀ (при М_с=0) протекает следующим образом. При S<S_kp токи в обмотках статора машины, определяемые по статической электромеханической характеристике (см. рис.), резко меняются по величине с изменением скорости. Однако, в следствии влияния индуктивности обмоток токи ротора не успевают измениться в соответствии с данной характеристикой. Чем жестче рабочий участок статической механической характеристики и чем меньше приведенный момент инерции, тем в большей степени изменение токов будет отставать от изменения скорости. В результате при w=w₀ в процессе пуска вхолостую токи могут быть не равными нулю, поэтому не будет равен 0 и момент. И ротор разгоняется до скорости, превышающей синхронную. Момент становится тормозным, скорость начнет уменьшаться и т.д. (см. кривую 1- динамическую характеристику). Поэтому в конце переходного процесса изменение w и М двигателя имеет затухающий колебательный характер. Чем мягче рабочий участок статической механической характеристики и чем больше момент инерции ротора, тем меньше амплитуда этих колебаний. Практически эти колебания в конце переходного процесса возникают не всегда.

Рассмотренные особенности переходных процессов к.з. АД относятся к числу его существенных недостатков и снижают надежность его работы. Снижения переходных составляющих тока и момента можно достичь путем ограничения темпа нарастания напряжения, приложенного к двигателю при пуске, что осуществляется применением тиристорных регуляторов напряжения, тиристорных преобразователей частоты.