|
РЕГУЛИРОВАНИЕ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙСкачать книгу |
ОписаниеБиблиотекаЭЛЕКТРОМОНТЕРА Выпуск 469 Л. Б. МАСАНДИЛОВ, В. В. МОСКАЛЕНКО РЕГУЛИРОВАНИЕ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ВТОРОЕ ИЗДАНИЕ, ПЕРЕРАБОТАННОЕ И ДОПОЛНЕННОЕ ^^ МОСКВА «Э Н Е Р Г И Я» 1978 ВВЕДЕНИЕ Для приведения в движение рабочих органов различных производственных механизмов преимущественно используются электрические двигатели. Электродвигатель, его система управления и 'механическое устройство "(например, редуктор), передающее движение от вала' двигателя^ к производственному механизму, образуют систему электрического привода. В настоящее время электропривод является основным потребителем выра- батываемой в стране электроэнергии —более 60% ее Рис. 1. Блок-схема системы электропривода. Структурная схема электропривода показана парне. 1. Основным ее элементом является электрический двигатель, в качестве которого используется двигатель постоянного тока, асинхронный или синхронный. Система управления электродвигателем содержит различные аппараты (контакторы, реле, магнитные и электронные усилители, полупроводниковые устройства JJ т. д.) и обеспечивает его пуск,- торможение, реверс, ре- гулирование частоты вращения и защиту. Механическая часть привода служит для согласования скоростей движения двигателя и производственного механизма, а также при необходимости для преобразо- вания одного вида движения в другой (например, вра- щательного в поступательное). Примерами механиче- - - 3 ской части электропривода могут служить различные цилиндрические или червячные редукторы, коробки ско- ростей, ременные передачи, кривошипно-шатунные ме- ханизмы и другие .подобные устройства. Работа электрического привода характеризуется целым рядом электрических и механических величин. К электрическим величинам относятся, например, напря- жение сети, ток электродвигателя, его магнитный поток и электродвижущая сила (э. д. с). Основными механи- ческими величинами являются частота вращения п (об/мин), момент М (Н-'м), а также механическая мощность электродвигателя Р (Вт)," определяемая произведением момента на частоту вращения: (1) Для обозначения скорости вращательного движения наряду с частотой вращения п используется и другая известная из физики величина — угловая скорость и, которая выражается в радианах ва секунду (рад/с). Между угловой скоростью и и частотой вращения п существует следующая связь: при учете которой формула (1) 'представляется в виде (1а)- Зависимость вращающего момента двигателя М от частоты вращения его ротора п называется механической характеристикой электродвигателя. Отметим, что понятие* механической характеристики применимо ко всем типам двигателей, например, паровым, газовым, гидравлическим, внутреннего сгорания, а также любым производственным механизмам. Различают естественную и искусственную характери стики двигателя. Если параметры питающего напряже ния соответствуют паспортным (номинальным) .значе ниям, а в цепях ротора и статора отсутствуют какие-либо добавочные сопротивления, то двигатель имеет так на зываемую естественную характеристику. Эта характе ристика у двигателя,одна. Все остальные характеристи ки, получающиеся при наличии добавочных сопротивле ний в обмотках' или отклонении параметров питающих' напряжений от их паспортных значений, называются 4 ? искусственными характеристиками. Таких характери- стик у двигателя множество. На рис. 2,а показаны естественные механические ха- рактеристики наиболее распространенных типов электро- двигателей. Зависимость вида /, представляющая собой прямую горизонтальную линию, является характеристикой синхронного электродвигателя. Характеристика //, также являющаяся 'прямой линией, но имеющая некоторый наклон, принадлежит двигателю (постоянного тока с независимым возбуждением. Криволинейные характе- ристики /// и IV относятся соответственно к двигателям .постоянного тока с яоследовательньш возбуждением и асинхронному. По аналогии с электродвигателем зависимость между частотой вращения рабочего органа производственного механизма Пр.о и его моментом М^.о называется ме- ханической характеристикой .производственного меха- низма. На рис. 2,6 в качестве примера показаны механические характеристики (некоторых .производственных меха- низмов: / — .подъемной лебедки; //.— вентилятора, ком- прессора или насоса; /// — металлорежущего станка. Большое число производственных механизмов в про- цессе работы требуют регулирования скорости движения рабочих органов. К таким механизмам, «роме названных выше, относятся прокатные станы, транспортеры, экскаваторы, лифты и др. 5i: Для изменения частоты вращения входного вала про- изводственного механизма, а тем самым и скорости дви- жения его рабочего органа имеются следующие две принципиальные возможности: 1. При постоянной частоте вращения вала двигате ля можно изменять передаточное число i механической части, представляющее собой отношение частот враще ния валов двигателя и рабочего органа производствен ного механизма: . i=n/np.o. • " • Этот способ регулирования, часто называемый меха- ническим, может быть реализован с .помощью таких ме- ханических уст^)ОЙств, как вариаторы, коробки скоростей и пр. 2. При неизменном передаточном числе i механиче ской части привода можно изменять частоту вращения вала двигателя. Этот способ получил название электри ческого способа регулирования. Технико-экономическое сопоставление О'боих способов обнаруживает большие преимущества второго способа, 'Поскольку он более экономичен, обеспечивает ббльшой диапазон и плавность регулирования, позволяет просто автоматизировать производственные процессы. В некоторых случаях применение электрического способа регулирования позволяет упростить или даже исклю- . чить механическую передачу, что удешевляет конструкцию и уменьшает размеры ц массу электропривода. В силу этих положений в настоящее время, как правило, используется именно этот способ регулирования скорости движения рабочего органа .производственного механизма, который мы и рассматриваем в дальнейшем изложении. Следует отметить, что для ряда механизмов (главным образом металлорежущих станков) применяется комбинированное регулирование, когда электрический способ сочетается с механическим. Понятие регулирования частоты вращения при элек- трическом способе можно дать, воспользовавшись упо- мянутыми выше механическими характеристиками дви- гателя и производственного механизма. Рассмотрим для примера вентилятор, который непо- средственно, без' механической передачи приводится во вращение асинхронным электродвигателем. Совместим на одном чертеже (рис. 3) механические характеристики .6 'двигателя (кривая /) и вентилятора (кривая //). Тогда по известному в теории электропривода .правилу, основанному на втором законе механики Ньютона, точка пересечения этих характеристик А, в которой моменты двигателя и вентилятора равны друг другу, определит ча- -стоту вращения Пуст их установившегося движения. Рассмотрим теперь два возможных случая изменения частоты вращения двигателя и, соответственно, вентилятора. 1. Пусть по каким-то причинам (например, слу чайно увеличилось трение в подшипниках) момент на валу вентилятора возрос и его механическая характе ристика приняла вид штрих- пунктирной кривой IV. То гда двигатель и вентилятор будут вращаться уже с дру гой установившейся часто той вращения n'yci, соответ ствующей новому увеличи вающемуся значению момен- /та вентилятора. Можно ли назвать такое_ изменение ча- стоты вращения производ- ствепного механизма регулированием? Очевидно, нет, так как это ?ивмеиение .произошло не в результате соз-' нательного воздействия со стороны человека. 2. Рассмотрим теперь другой случай. Предположим, что нам каким-то образом (речь об этом 'будет подробно -идти ниже) удалось получить новую искусственную ха- рактеристику двигателя в виде .кривой "///. Тогда при первоначальной характеристике вентилятора новая уста- новившаяся частота вращения «"уст двигателя и венти- лятора определится точкой А". Можем ли мы такое изменение частоты вращения называть регулированием? Очевидно, да, поскольку оно произошло в результате наших -сознательных, целенаправленных действий. Итак, лод электрическим регулированием частоты вращения будем понимать принудительное, сознательное изменение частоты вращения электродвигателя в соответствии с требованиями производственного процесса~ путем (получения нужных искусственных механических характеристик. Регулирование, частоты вращения -элек- 7 тродвигателей обычно характеризуется определенными показателями, которые позволяют ? оценивать качество каждого конкретного способа регулирования, его соот- ветствие условиям работы производственного механизма, а также сопоставлять между собой различные способы. Такими показателями являются: 1. Диапазон" регулирования Д частоты вращения электродвигателя, который определяется отношением максимальной частоты вращения к мини- мальной при заданном моменте нагрузки. 2. Плавность регулирования. Этот показатель характеризуется числом искусственных (регулировочных) характеристик при данном диапазоне регулирования. Чем больше искусственных характеристик внутри диапазона регулирования может 'быть получено, тем более плавно будет регулироваться частота вращения вала электродвигателя, и наоборот. 3. Направление возможного изменения -?частоты вращения определяется расположением получаемых искусственных характеристик относительно естественной характеристики двигателя. Если эти харак- теристики лежат выше естественной, то говорят о регу- лировании частоты вращения «вве;рх», если ниже — о ре- гулировании «вниз». 4. Стабильность при работе' на искус- ственных характеристиках характеризуется изменениями частоты вращения двигателя при колебаниях момента нагрузки. Небольшие перепады частоты вращения при возможных колебаниях момента нагрузки характеризуют стабильную работу электропривода на искусственных характеристиках, которые в этом случае часто называют «жесткими» характеристиками. Заметные (значительные) изменения частоты вращения при колебаниях момента нагрузки будут иметь место при «мягких» искусственных характеристиках двигателя, ра- бота на которых будет нестабильной. 5. Экономичность регулирования харак- теризуется капитальными затратами, связанными с со- зданием системы электропривода, и потеря151И электриче- ской энергии, которые имеют место при регулировании частоты вращения. При создании регулируемого элек- тропривода стремятся получить наименьшие капитальные затраты и наименьшие пот«ри энергии при регулировании. Экономически выгодным является такой регулируемый электропривод, который удовлетворяет всем техническим требованиям производственного механизма и относительно быстро окупа'ется. Для некоторых механизмов, работающих в повторно- кратковременном режиме (краны, лифты и др.), ббль^' шую часть рабочего цикла двигатель работает на естественной характеристике и только относительно небольшое время работает на регулировочной xai^aKTepncTHKe, обычно на пониженной частоте вращения. В' этом случае потери электроэнергии на регулировочной характеристике, сравнительно невелики, так как невелико время работы на ней. Поэтому здесь можно применять простые и дешевые способы регулирования, даже если они вызывают повышенные потери мощности в обмотках. 6. До пуст им ая нагрузка двигателя при его работе на регулировочных характе- ристиках.. Нормальным режимом работы двигателя при различных частотах вращения считается такой, при котором его нагрев не будет превосходить заданного нормативного нагрева, что обеспечивает нормальную эксплуатацию электрической машины в течение опреде- ленного времени (обычно 15—20 лет). Перегрев двигателя резко сокращает срок его службы из-за 'быстрой порчи изоляции обмоток, а недоиспользование двигателя по нагреву ухудшает его энергетические показатели (к. п. д., созф). Нагрев двигателя определяется главным образом значением тока, проходящего по обмоткам статора и ротора и вызывающего в них потери энергии, превращающиеся в тепло. Электрическая машина' рассчитывается так, ЧТО- нормативный ее нагрев 'будет при прохождении по ее обмоткам номинальных токов. Таким образом, при работе двигателя на регулировочных характеристиках он может нести только такую нагрузку (момент), при которой токи ^в его статорной и роторной цепях не превосходят номинальных. Эта нагрузка получила название допустимой нагрузки двигателя при его работе на искусственных характеристиках. Основными типами электродвигателей, которые используются для привода производственных механизмов с регулируемой скоростью движения рабочего органа, являются двигатели постоянного тока и асинхронные с короткозамкнутым или фазным ротором. Наиболее просто требуемые искусственные характеристики полу- чаются у двигателей постоянного тока, поэтому до не- давнего времени они (преимущественно и находили при- менение для регулируемых электроприводов. С другой стороны, асинхронные двигатели, уступая двигателям. постоянного тока по возможностям регулирования частоты вращения, по сравнению с последними проще в изго- товлении и эксплуатации и имеют относительно меньшие массу, размеры и стоимость. Именно эти отличительные свойства асинхронных двигателей определили их гла- венствующее использование Б промышленном нерегули- руемом электроириводе. Достаточно сказать, что число ? выпускаемых двигателей постоянного то.ка составляет лишь 4—57о числа двигателей переменного тока. Последние годы характеризуются уже созданием ?многих систем регулируемого асинхронного электропри- вода, не уступающих традиционным электроприводам постоянного тока. . В настоящей работе описываются основные методы регулирования частоты вращения асинхронного элек- тродвигателя. 1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ и ОСОБЕННаСТИ РАБОТЫ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ Асинхронный двигатель (рис. 4) состоит из двух основных частей: неподвижной части — статора и вра- щающейся— ротора. Статор собирается из листов элек- тротехнической стали. В пазах его размещается обмотка. Статор помещен "в корпусе. (рис. 4,в). Ротор, собираемый также из листов^ электротехнической стали с пазами для размещения обмотки, укрепляется и_а стальном валу. Вал вращается в подшипниках, установленных в подшипниковых щитах (рис. 4,6).' Различают асинхронные двигатели с фазным (рис. 4,д) и короткозам'кнутым (рис. 4,г) ротором. Первые имеют на роторе обмотку, аналогичную статорной. Концы обмотки ротора через контактные кольца выводятся наружу. Обмотка короткозамкнутого ротора выполнена Б виде бел.ичьей клетки. При подключении к трехфазной сети переменного тока обмотки статора асинхронного двигателя соединяются в звезду (рис. 5,а) или в треугольник (рис. 5,6). Трехфазные токи, проходя по обмоткам', образуют вращающееся магнитное ноле. Рассмотрим предварительно магнитное поле, образо- ванное переменным током, .проходящим яо одному витку, состоящему из двух проводников, как показано на рис. 6,й. На рис. 6,в изображена синусоида (периодическая кривая, показывающая изменение переменного тока во времени). Ток периодически изменяется: в течение по- яупериода О—^i направление тока остается тем же, но меняется его величина от нулевого значения до макси- малйного /макс при t! и затем вновь до нулевого при t\; в течение последующего полупериода ti—4 ток изме няется аналогично предыдущему, но направление ме няется на обратное. ~ Предположим, что на- правление тока i, указанное стрелкой на рис. 6,а, соот- ветствует моменту времени t' на рис. 6,в. Ток, проходя по прямолинейному проводнику, образует, магнитное поле, силовые линии которого показаны на рис. 6,6, причем направление поля определя- ется по правилу буравчика. На рис. 6,6 изображена картина распределения силовых линий магнитного поля в плоскости, перпендикулярной контуру с током. Крестиком обозначено направление тока, втекающего в плоскость чертежа, а точкой — направление тока, вытекающего из плоскости чертежа. На рис. 6,6 пунктиром изображен постоянный магнит, который образует примерно такое же магнитное поле, как и контур с током, соответствующим моменту ППРЛ1Рни /' R мпмрит ппрдлрни у" (riwr fi f!\ МЯГНИТНПО поле '(.рис. 6,6) имеет такое же направление, как и для момента t\ но уменьшается по величине. В последующий полупериод ti—^2 направление тока и созданного им магнитного поля изменится на обратное, при этом направление стрелок на рис. 6,а и б и распо- ложение полюсов постоянного магнита следует изменить на противоположное. Следовательно, направление и индукция магнитного поля, образованного витком (рис. 6,а), периодически изменяются. Такое магнитное поле называется пульси- рующим. Рассмотрим далее магнитное поле, образованное обмотками статора, подключенными к трехфазной сети переменного тока. На рис. 7,6 представлена простейшая обмотка статора трехфазного асинхронного двигателя, в которой каждая фаза состоит из одного витка. Плоскости витков сдвинуты относительно друг друга на 120°, или на 7з окружности. В фазах обмотки проходят переменные токй,„.Следовательно, ток каждой фазы образует пуль- сирующее магнитное поле. Значения токов в фазных 12 обмотках в каждый момент времени разные, .потому что переменные токи разных фаз сдвинуты по времени на третью часть периода, как показано на рис. 7,а. Это означает, что если период тока равен Г, то вначале до- стигает максимального значения ток фазы А, через отрезок времени Г/3 —ток фазы В, далее через Г/3 — ток фазы С, затем — ток фазы Л и т. д. Токи считаются положительными, когда они в началах фаз (проводники Ля, В^, Сн) вытекают из плоскости ?Рис. 7. Образование вращающегося магнитного поля трехфазным током. чертежа, что на рис. 7,6 обозначено точками, а отрица- тельный ток втекает в плоскость чертежа и обозначается крестиком. В момент времени ti ток фазы А имеет наи- большее значение и положителен, а в фазах В и С токи отрицательны. Этому положению соответствует верхняя схема на рис. 7,6, из которой видно, что создаются две зоны токов .противоположного направления. Применяя правило буравчика, можно прийти .к заключению, что силовые линии магнитного поля, создаваемого токами всех фаз, распределены так же, как распределилось бы магнитное поле, созданное постоянным магнитом, изо- • браженным на этом рисунке пунктиром. В момент времени ^2 ток фазы В достигает наибольшего положительного значения, а в фазах А и С токи отрицательны. Этому положению соответствует вторая сверху схема. И в этом случае образуются две зоны токов противоположного направления. Эти зоны токов со- • здают магнитное поле такое же, как на первой схеме, но повернутое на треть окружности по часовой стрелке. На дйух нижних схемах на рис. 7,6 представлены картины распределения магнитного поля, создаваемого токами обмоток статора в моменты времени 4 и tt. На последней, яижней схеме, соответствующей моменту времени tt, распределение магнитного поля такое, как и в .момент времени ti. Это значит, что за период частоты тока магнитное поле поворачивается на 360°. Такое магнитное поле называется вращающимся. Оно аналогично магнитному полю, создаваемому вращающимся по чаоо-. вой стрелке постоянным магнитом, изображенным на рис. 7,6 пунктиром. Если .поменять чередование двух фаз обмотки статора, т. е. если .подключить к сети статорные обмотки по схеме на рис. 5,в, а не по схеме на рис. 5,а, то направление вращейия магнитного поля изменится на противопо- ложное. Поэтому и направление вращения -двигателя изменится на обратное. Пересоединение двух фаз статора по схеме на рис. 5,е позволяет 'осуществить реверси- рование двигателя. Направление магнитного поля непрерывно изменяется. В момент времени, когда ток в фазе достигает наи- большего значения, направление результирующего маг- нитного поля совпадает с осью данной фазы. Так, когда ток достигает максимального значения в фазе А в момент времени ti, результирующее магнитное поле совпа- 14 . ет с осью фазы А, в момент U ток максимален в фазе й^и магнитное поле совпадает с осью фазы В и т. д. Допустим, что все проводники, изображенные на ис 7,6, располагаются не на всей окружности статора, я на некоторой части ее, как показано на рис. 8,а. Однако и в этом случае направление результирующего магнитного поля совпадает с осью той фазы, в которой ток данный момент достигает наибольшего значения. По- Рнс. 8. К принципу образования многополюсного магнитного поля. а — распределение фазных обмоток на части окружности статора; б — распо- лолченяе проводников одной фазы четырехполюсного двигателя; е — магнитное ~ поле четырехполюсного двигателя. этому за ддин период частоты тока магнитное поле по- вернется не на полный оборот, а на угол, соответствующий расположению проводников на рис. 8,а. Этот принцип используется для создания обмот-ак аоинхронного двигателя с числом пар полюсо'в, большим единицы. На рис. 8,6 представлена простейшая обмотка одной фазы статора четырехполюсного асинхронного двигателя, а на рис. 8,е изображена картина распределения магнитного поля, создаваемого в какой-то момент времени токами фазных обмоток статора этого двигателя. В каждый момент времени магнитное поле двигателя аналогично полю, создаваемому постоянным магнитом, изображенным на рис. 8,в пунктиром. Так как этот магнит имеет четыре полюса, то соответствующее магнитное поле называется четырехполюсным. Расположение проводников статора четырехполюсного асинхронного двигателя, изображенного на рис.' 8,е, одинаково по обе стороны от прямой 00. Каждая половина статора состоит из трех фаз, создающих магнитное поле. Поэтому за один период частоты сети магнитное поле перемещается' 15 статического Мс, то ротор двигателя будет ускоряться, а частота вращения двигателя увеличивается. При изменении частоты вращения ротора изменяется окорость пересечения проводников ротора магнитны'м полем двигателя. В результате этого изменяются токи в обмотках асинхронного двигателя, вызывая соответствующее изме- нение электромагнитного момента двигателя. Следова- тельно, разница между электромагнитным моментом двигателя и статическим моментом механизма с измене- нием частоты вращения также изменяется. При опреде- ленной частоте вращения эти моменты оказываются одинаковыми, при этом частота вращения системы дви- гатель— механизм устанавливается постоянной и соот- ветствует точке А на рис. 9,а. Из изложенного ясно, что установившаяся частота вращения асинхронного двигателя зависит от нагрузки На его валу, т. е. от статического момента. При синхронной частоте вращения ротора момент, развиваемый' асинхронным двигателем, равен нулю. Поэтому двйга-.тель не может нести никакой нагрузки при синхронной скорости, а может быть нагружен только при «несин--хронной» скорости, что, кстати говоря, и определило само название, асинхронного двигателя. Чем больше скольжение, т. е. чем выше относительная скорость пересечения магнитным полем проводника ротора, тем больше и величина э. д. с. ротора. При син- хронной частоте вращения проводники движутся с оди- наковой скоростью с полем и не пересекаются IJLM. ПО-' этому э. д. с. в роторе равна нулю, равен нулю и ток в роторе, а следовательно, отсутствует и вращающий момент. На рис. 9,а буквой N обозначена точка механической характеристики, соответствующая номинальному режиму работы асинхронного двигателя. При этом двигатель, развивая номинальный^'момент Ми, вращается с номи- нальной частотой вращения. По обмоткам .проходит но- минальный- ток. Номинальный режим работы характе- ризуется тем, что двигатель в это.м режиме может работать длительно. При этом номинальные токи определяют нагрев обмоток до температуры, несколько меньшей, чем допустимая температура для данного класса изоляции обмоток. Если к двигателю приложен статический момент, больший номинального, то длительная работа в,таком нию. По экономичности работы способы регулирования частоты вращения асинхронных двигателей могут быть разделены на две ^большие группы: а) неэкономичные способы регулирования, при кото- рых частота вращения ротора может значительно отли- чаться от синхронной, что вызывает наличие больших потерь в обмотке ротора. К таким способам относятся регулирование введением дополнительных сопротивлений в цепь ротора, с помощью магнитных усилителей и тиристоров, включенных в цепь обмотки статора, и т. д.; ?б) экономичные способы регулирования, при которых частота вращения ротора близка к синхронной, что определяет относительно небольшие по величине потери в цепи ротора. К таким способам относятся частотное регулирование -и регулирование изменением числа пар полюсов обмотки статора. робно рассмотрены ниже. Кроме двигательного режима, асинхронная машина цожет работать в генераторных режимах; когда на вал ротора поступает механическая энергия и преобразуется с помощью магнитного поля в электрическую. Генераторные режимы бывают разные: с рекуперацией (возвращением) энергии в сеть, режимы противовключения и динамического торможения. В генераторном режиме с рекуперацией асинхронная машина в схемах на рис. 5 работает при частоте вращения- ротора двигателя, пре- вышающей синхронную. В этом режиме происходит пре- образование механической энергии, поступающей с вала, в электрическую энергию, отдаваемую за вычетом потерь в сеть переменного тока. Режим противовключения имеет место при отрицательных частотах вращения двигателя, т. е. в этом случае ротор вращается в сторону, противоположную направлению вращения магнитного поля. Такой режим имеет место, например,' при спуске тяжелого груза подъемным механизмом. Двигатель вклю- чен при этом для движения в направлении подъема, но так как в роторную цепь его включено большое сопро- тивление, нужные для уравновешивания груза ток и мо- мент двигатель развивает лишь при вращении в направ- 30 - . 2. РЕОСТАТНОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ Одним из наиболее простых способов регулирования частоты вращения асинхронных двигателей является ре- остатное регулирование, т. е. регулирование введением . дополнительных активных сопротивлений в цепи обмоток двигателя. Принципиально реостатное регулирование может быть осуществлено введением активного сопротивления в статорные (рис. 14,а) или в роторные (рис. 14,6) цепи. Однако практически для целей регулирования частоты вращения преимущест- • венно применяются дополнительные сопротивления роторной цепи по схеме на рис. 14,6. Это связано с тем, что схеме на рис. 14,а свойственны следующие существенные недостатки. На рис. 15 представлены механические характеристи ки асинхронного двигателя. Рис. 15. Механические характе- построенные для различных ристики при различных допол- значений дополнительных «ительных активных сопротив- активных сопротивлений лениях в статорной цепи. статорной цепи. Из'них вид- но, что с увеличением сопро- тивления критический момент двигателя уменьшается. Это определяется тем, что с увеличением дополнительного сопротивления падение на[пряжения на нем увеличивается, что приводит к уменьшению напряжения на зажимах двигателя и в ^конечном счете к уменьшению момента. Заметим, что уменьшение критического момента нежелательно, так как оно ведет к уменьшению пере- грузочной способности двигателя. Так как устойчивая работа двигателя при постоянном моменте нагрузки возможна только в пределах кри- тического момента, снижаемого введением в статорную цепь сопротивлений, то диапазон регулирования при таком способе невелик. Так, например, введение дополнительного сопротивления R^^^h, уменьшающего критический момент приблизительно вдвое, снижает частоту 32 вращения двигателя от соответствующей точки / (рис. 15) до точки 2, т. е. незначительно. Наконец, при понижении напряжения на статоре при постоянном моменте двигателя возрастает его скольжение и повышаются роторный и статорный токи, как это следует из- формулы (12). Рассмотренные причины — уменьшение критического момента и малый диапазон регулирования — определяют тот факт, что реостатное регулирование частоты вращения введением активного сопротивления в статорную цепь не шолучило широкого практического распростра-.нения. Следует отметить, что схема, приведенная на рис. 14,а, имеет относительно широкое применение для ограничения пускового момента асинхронных двигателей с ко- роткозамкнутым ротором. Она применяется, например, в .приводах металлорежущих станков, когда для предот- вращения ударов в механических передачах требуется уменьшение начального момента двигателя. Для регулирования частоты вращения асинхронного двигателя широкое применение находит введение допол- нительного активного сопротивления в роторную цепь. Этот способ регулирования может' быть применен для' асинхронных двигателей с контактными кольцами, >к щет- кам которых подсоединяются зажимы - от внешних до- полнительных активных сопротивлений. В|веден.ие дополнительных активных сопротивлений в роторную цепь позволяет простым способом регулировать частоту вращения двигателя в относительно широких пределах. Допл^стим, что асинхронный двигатель вращается с частотой П\ и преодолевает при этом постоянный статический момент Мс. Введем дополнительное сопротивление в роторную цепь. При этом ток роторной цепи лшеньшится, так как увеличилось ее сопротивление. Уменьшение роторного тока приведет к уменьшению электромагнитного момента, который станет меньше статического, в результате чего частота • вращения двигателя начнет уменьшаться. Уменьшению частоты вращения соответствует увеличение скольже- -ния S двигателя, а значит и увеличение э. д. с. ротора,' !;Которая равна E^^s, где ^ак —э. д. с. ротора при пепо-ДВ'Ижном двигателе. При увеличении э. д. с. начнет увеличиваться ток ротора и электромагнитный момент двига-ЩА^. Когда последний вновь станет равным статическо- %^27 . 33 му iMOMeHTy, изменение частоты вращения прекратится, и двигатель вновь будет работать в установившемся ре- жиме с частотой вращения Пг, которая меньше щ. Существенно отметить, что при введении дополни- тельного активного сопротивления в роторную цепь ча- стота вращения двигателя изменяется в относительно широких пределах, а критический момент двигателя ири регулировании остается постоянным. Следовательно, перегрузо'чн'ая опособкость двигателя при этом не умень- шается. Рассмотрим указаиные положения несколько подроб- нее. Располагая параметрами соо, Ги Хи х'г асинхронного двигателя, можно на основании формулы (17) построить зависимость момента двигателя М от отношения х/г'г. Эта зависимость имеет вид кривой, представленной на рис. 16, и верна при любом сопротивлении ротора г'г. Следовательно, значение критического момента не зависит от сопротивления ротора. График кривой на рис. 16 может быть использован для построения механических характеристик асинхронного двигателя при разных со- противлениях, ротора. Для этого достаточно масштаб по оси ординат изменить в г^г раз. Полученную таким образом кривую зависимости момента двигателя от скольжения легко перестроить в механическую характе-34 ристику, учитывая, что частота вращения связана со скольжением выражением Если график на рис. 16 перестроить для сопротивления обмотки ротора, получим естественную механическую характеристику (кривая / на рис. 17). Возьмем на графике рис. 16 точку А, которая соот ветствует критическому моменту асинхронного двигате ля. Абсцисса точки А равна критическому моменту Мк, а ордината — отношению критического скольжения к со противлению ротора 8к1г'2- Умножив Зк1г'2 на сопротив ление обмотки ротора г'гобм, получим критическое сколь жение, соответствующее естественной механической ха рактеристике. Точке А на рис. 16 будет соответствовать точка Ai кривой / на рис. 17. Умножив далее «к/г'г на значение сопротивления, большее сопротивления обмот ки ротора (./^2обм+'^?'2д). получим .критическое скольже ние реостатной характеристики, которое больше крити- чеокого скольжения естественной характеристики. Точке Л на рис.16 соотБет'ствует для сопротивления г'гобм+^'гд. точка As на рис. 17. Точка Лг располагается ниже точ ки Ai и лежит на механической характеристике //, кото рая соответствует сопротивлению ротора г'гобм + ^^'гд. При дальнейшем увеличении сопротивления роторной цепи соответствующее критическое скольжение еще боль ше увеличится. В этом случае точке А на рис. 16 будет соответствовать точка As на рис. 17. ' Итак, при введении в роторную цепь acJinxponnoro двигателя дополнительного активного сопротивления ве- личина критического скольжения увеличивается, а ме- ханические характеристики деформируются, изменяются. Кривая / на рис. 17 обозначает естественную характе- ристику; при увеличении сопротивления роторной цепи получим реостатные характеристики соответственно //, ///, IV, V. Заметим, что на характеристиках IV и V асинхронный двигатель развивает критический момент при отрицательных частотах вращения, т. е. в режиме "Противовключения, что на рис. 17 не показано. Допустим, что асинхронный двигатель приводит ^ движение механизм, который характеризуется стати ческим моментом Мс, не зависящим от скорости, как по казано на рис. 17. На естественной характеристике дви- 1'атель будет работать в точке 7, при введении дополни- S* ' 35 тельного сопротивления в роторную цепь двигатель на- чинает работать в точке 2, при дальнейшем увеличении ? сопротивления в точке 5 и т. д. Как видно из рис. 17, при введении дополнительного сопротивления в роторную цепь частота вращения двигателя уменьшается. При таком регулировании частота вращения изменяется в относительно широких пределах — от частоты враще-иия, соответствующей точке /, до частоты вращения, со- ответствующей точке 5, как показано на рис. 17. Следует подчеркнуть, что характеристики /,.//, Uh /1/ и 1/ дают разные качественные показатели регулирования частоты вращения двигателя. Характеристика V является наиболее мягкой, а характеристика / наиболее жесткой. Работа двигателя в точке 5 характеристики F является нестабильной, поскольку уже при незначительном уменьшении статического момента, например от Мс до ЛГ"с, частота вращения двигателя возрастает почти в 2 раза, а при увеличении от Мс до М'с частота вращения уменьшается почти до 0. Если двигатель работает в точке / на характеристике /, то его работа будет намного стабильнее, так как при изменении момента частота вращения двигателя изменяется незначительно. Обычно механические характеристики вида V не. используются для нормального режима работы. Они используются для кратковременного снижения скорости привода (элект1р,ичеокие подъемные краны), для получе- ния пониженной ревизионной скорости (шахтные подъ- емные установки), для выбора люфтов в передачах ки- нематической цепи и слабины канатов перед .пуском электропривода. (электрические подъемные краны) и т. д. Если имеется хотя бы одна механическая характе- ристика асинхронного двигателя -при известном активном сопротивлении роторной цепи, то легко можно построить механические характеристики при любом другом сопротивлении ротора. Для доказательства этого поло- жения рассмотрим произвольную точку В на рис. 16. Ордината точки В равна 8в1г'2. При этом, когда двигатель развивает момент Мв, при любых сопротивлениях ротора г^ иг/' соблюдается равенство 4') с(2) .,(1) /(1) '2 -; |
|