МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Основные требования к электроприводам станков. При обработке деталей на металлорежущих станках требуется сохранять заданные скорости резания и подачи. Отклонение от выбранного режима резания приводит к ухудшению качества обработки или уменьшению производительности труда. Поэтому электропривод станка должен сохранять примерное постоянство скорости при изменениях нагрузки, вызванных колебаниями припуска. Этому требованию удовлетворяют электродвигатели с достаточно жесткими механическими характеристиками.

Нужная скорость резания станка обеспечивается совместно электродвигателем и кинематической цепью станка. Если требуемая частота вращения шпинделя станка, например шлифовального, достаточно велика (1000…3000 об/мин), то вал электродвигателя можно связать непосредственно со шпинделем. А если же нужна низкая частота вращения шпинделя, то применять электродвигатель с пониженной номинальной частотой вращения нецелесообразно, так как при этом масса электродвигателя возрастает примерно обратно пропорционально номинальной частоте его вращения при той же мощности. Возрастают размеры и стоимость электродвигателя. Такой привод становится конструктивно и экономически неприемлемым. Поэтому, как показал опыт, в станкостроении целесообразно использовать электродвигатели с относительно высокой номинальной частотой вращения (1000…3000 об/мин) и механическими передачами для последующего понижения частоты вращения до нужного значения.

При небольшой частоте вращения шпинделя электродвигатель может иметь различные номинальные частоты вращения. Чем быстроходнее двигатель, тем он меньше по габаритам и дешевле, но тем сложнее механическая передача от двигателя к рабочему органу станка. Лучшее решение выбирают из экономического сравнения возможных вариантов. Это относится и к приводам подачи и вспомогательных перемещений. Но в отдельных случаях в станкостроении применяют и тихоходные электродвигатели специальной конструкции для повышения жесткости передачи или упрощения конструкции.

При необходимости обработки с различными скоростями резания применяют регулируемый электропривод, коробки передач или их сочетания в зависимости от результатов экономического анализа различных вариантов.

В некоторых случаях (электрокопировальные станки) большое значение приобретают динамические свойства привода: быстродействие, способность мгновенно изменять частоту вращения и др.

У приводов вспомогательных перемещений основную нагрузку составляет момент от сил трения, при этом коэффициент трения при покое значительно больше, чем во время движения. Поэтому электропривод должен обеспечивать достаточно большой начальный (пусковой) момент. У некоторых приводов вспомогательных перемещений и приводов подачи нагрузка кроме сил трения создается при подъеме и массой подвижных узлов станка. Электродвигатели станков должны быть достаточно дешевыми, долговечными и надежными в работе.

Механические характеристики асинхронных электродвигателей. Асинхронные электродвигатели нашли широкое применение в промышленности благодаря простоте конструкции, надежности и экономичности в эксплуатации, минимальной стоимости и возможности питания от электрической сети переменного тока.

Схема асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором приведена на рис. 5.1, а, с фазным ротором – на рис. 5.1, в, а соответствующие им механические характеристики в двигательном режиме на рис. – 5.1, б и г.

Вращающий момент М (Н∙м) на валу двигателя, угловая скорость ω (рад/с), частота вращения n (об/мин) его вала и мощность Р (Вт), развиваемые двигателем, связаны известными соотношениями

Р = М ω; ω = πn/30.

Угловая скорость и частота вращения магнитного поля статора, называемые синхронными, будут:

;

,

где f₁, р – соответственно частота сети и число пар полюсов.

Принцип действия асинхронного электродвигателя заключается в следующем. Трехфазный ток, протекающий по обмотке статора, создает вращающееся магнитное поле с частотой вращения n₀ (или угловой скоростью ω₀). Это поле, пересекая обмотки статора и ротора, индуктирует в них ЭДС. ЭДС статора и падение напряжения в обмотке статора уравновешивают приложенное напряжение питающей сети. ЭДС ротора создает в замкнутых проводниках ротора ток, который взаимодействует с полем статора и приводит к созданию электромагнитного момента М_э, действующего по направлению вращения поля и приводящего во вращение ротор (если М_э больше М_с).

Особенностью асинхронного двигателя является отставание ротора от магнитного поля статора, которое выражается скольжением:

или .

Наибольшую мощность Р_н, с которой может работать двигатель в нормальном для него режиме, называют номинальной мощностью. Соответствующие этой мощности значения тока I_н, частоты вращения n_н, скольжения S_н называют номинальными значениями данных величин. Номинальное скольжение асинхронного двигателя составляет 1,5…7 % (меньшие значения относятся к двигателям большей мощности).

Электромагнитный вращающий момент асинхронного двигателя, как и любой электрической машины, пропорционален магнитному потоку Ф и активной составляющей вторичного тока (тока ротора)

М = кФI₂ cosφ₂,

где к – конструктивный коэффициент.

Скольжение s_к, при котором момент двигателя имеет максимальное (критическое) значение, называется критическим:

,

где R₂¢ – активное сопротивление фазы ротора, приведенное к частоте и напряжению статора;

Х_к – индуктивное сопротивления цепи короткого замыкания
(Х_к = Х₁ + Х₂¢^\).

Величина критического момента М_к определяет перегрузочную способность электродвигателя. У асинхронных короткозамкнутых электродвигателей нормального исполнения кратность критического момента , у двигателей краново-металлургической серии . Величина критического момента пропорциональна квадрату напряжения в сети U₁:

.

В сетях промышленных предприятий напряжение может изменяться, например, при пуске мощных двигателей, при ударных нагрузках, характерных для прокатных станов. Поэтому наибольшая допустимая перегрузка с учетом возможности снижения напряжения в сети на 10 % принимается .

Уравнение механической характеристики асинхронного электродвигателя имеет вид (упрощённая формула Клосса)

М = 2М_к/(s/s_к + s_к/s). (5.1)

По данной формуле, зная значения М_к и s_к, можно рассчитать соответствующие значения момента М для разных положительных и отрицательных значений s (в том числе и значений s < 1), а затем построить по ним механическую характеристику.

В каталогах обычно приводят следующие технические данные асинхронного двигателя: Р_н (кВт), n и n₀ (об/мин), и (М_п– пусковой момент). По этим данным можно определить значения всех величин, необходимых для расчета и определения механических характеристик по (5.1), из выражений , , ; ;

; .

Из рис. 5.1 видно, что верхний (рабочий) участок естественной механической характеристики обладает большой жесткостью β (β = dM/ds). Увеличение сопротивления в цепи ротора (рис. 5.1, г) приводит к увеличению критического скольжения s_к, а критический момент М_к остается неизменным, т. е. жесткость искусственных механических характеристик уменьшается с увеличением активного сопротивления в цепи ротора.

Активное сопротивление фазы обмотки ротора можно определить по формуле

,

где Е_2н, I_2н – соответственно фазная ЭДС и номинальный ток обмотки ротора (находят по каталогу).

Пример. Рассчитать естественную механическую характеристику асинхронного короткозамкнутого двигателя типа А2-72-4 с Р_н = 30 кВт; U_н = 380 В; n_н = 1460 об/мин; λ_к = 2.

Решение

1. М_н = Р_н /ω_н = Р_н /(π n_н /30) = 30000 / (π 1460/30) = 205 Н×м;

2. М_к = λ_к М_н = 2 × 205 = 410 Н×м;

3. s_н = (n₀ – n_н) / n₀ = (1500 – 1460)/1500 = 0,0266;

4. ;

5. Уравнение механической характеристики

М = 2М_к/(s/s_к + s_к/s) = 820/(s/0,1 + 0,1/s);

6. Задаваясь значениями s для двигательного режима от 0 до 1, рассчитываем соответствующие им значения момента М (табл. 5.1) и строим характеристику (рис. 5.2).

Таблица 5.1

Рекуперативное торможение с отдачей энергии в сеть можно получить, если к валу асинхронного двигателя, подключенного к сети, приложить добавочный момент по направлению вращения такой величины, чтобы ротор стал вращаться со скоростью выше синхронной (ω > ω₀). При этом скольжение будет отрицательным s = (ω₀ – ω)/ω₀ < 0. В данном случае относительное движение проводников ротора в поле статора по сравнению с двигательным режимом изменится на обратное. Следовательно, изменится направление ЭДС в проводниках ротора и соответственно ток ротора, который, взаимодействуя с полем статора, создает электромагнитный момент и будет выполнять роль тормоза. Вырабатываемая при этом активная электрическая энергия в обмотке статора поступает в сеть. Такой режим торможения можно получить, например, в подъемных установках при опускании тяжелых грузов, в эскалаторах метро при спуске с большим количеством пассажиров и других установках с активным статическим моментом на валу электродвигателя. Активная мощность к тому же изменяет знак, т.е. электрическая машина работает генератором, преобразуя кинетическую энергию от активного момента (опускающегося груза и др.) в электрическую и отдавая ее в сеть. Переход работы из двигательного режима в генераторный происходит автоматически, поэтому механические характеристики являются продолжением характеристик двигательного режима и располагаются во II и IV квадратах (рис. 5.3, линии с двумя засечками).

В режиме торможения противовключением ротор вращается в сторону, противоположную направлению вращения магнитного поля статора, скольжение становится больше единицы:

и ток ротора превышает ток короткого замыкания.

Для ограничения величины тока в цепь ротора вводят ступень реостата. Механические характеристики в данном режиме торможения являются продолжением характеристик двигательного режима (при s > 1 или ) и располагаются во II и IV квадратах (рис. 5.3, линии с четырьмя засечками). Таким образом, ротор двигателя, включенного на подъем, вращается в противоположную сторону, так как в цепь ротора введено большое сопротивление и момент электродвигателя достигает момента сопротивления лишь при отрицательном скольжении (на рис. 5.3, точка Б). Такой режим часто используется в металлургических кранах при спуске грузов в тормозном режиме.

Торможение противовключением может осуществляться реверсом магнитного поля статора (переменой мест двух фаз статора). Одновременно в цепь ротора вводится ступень реостата, ограничивающая ток и увеличивающая тормозной момент. На рис. 5.3 показан график перехода асинхронного двигателя с фазным ротором в режиме торможения противовключением. В точке 1 двигательного режима осуществляется реверс и двигатель переходит на работу в точку 2, по линии 2–3 осуществляется интенсивное торможение противовключением. В точке 3 двигатель останавливается и его необходимо отключить от сети, иначе он начнет вращаться в противоположном направлении.

На рис. 5.4 представлена схема осуществления динамического торможения с самовозбуждением, когда для возбуждения используется выпрямленное напряжение обмотки ротора. Условие самовозбуждения наступает лишь при определенном граничном значении угловой скорости , которое зависит от суммарного сопротивления фазы ротора. Таким образом, в интервале от 0 до условие самовозбуждения отсутствует, а механическая характеристика (рис. 5.4, б) совпадает с осью ординат. При двигатель самовозбуждается и его момент быстро увеличивается до значения, определяемого моментом нагрузки на валу. Увеличение сопротивления роторной цепи приводит к возрастанию (рис. 5.4, кривая 2). Механические характеристики имеют достаточно высокую

Пуск асинхронных электродвигателей. Для ограничения бросков тока и повышения пускового момента пуск электродвигателей, особенно средней и большой мощности, осуществляется через специальное пусковое устройство. Простейшее из них – пусковой реостат, секции которого изготовлены из стали, чугуна, хрома, фехраля и других сплавов с повышенным сопротивлением. По мере разгона двигателя реостат выводится ступенями.

В случае если питающая сеть недостаточно мощная, применяется пуск асинхронных двигателей при пониженном напряжении с помощью реактора L или автотрансформатора (рис. 5.5). При реакторном пуске сначала замыкается линейный контактор КМ1, а после разгона двигателя – контактор КМ2, а КМ1 отключается. При автотрансформаторном пуске сначала включаются контакторы КМ1 и КМ3, а после разгона двигателя КМ1 и КМ3 отключаются, а контактор КМ2 включает двигатель на полное напряжение сети.

Регулирование скорости асинхронных электродвигателей. Способы регулирования скорости асинхронного электропривода определяются из анализа уравнения механической характеристики асинхронного двигателя:

М = 3(U_ф)² R_2∑ / [ω_о s (R₁ + R_2∑ /s)² + X_к²]

и формулы угловой скорости вращения поля статора

ω_о = 2 π f₁ / p,

где U_ф – фазное напряжение сети;

R_2∑ – приведенное к статору сопротивление роторной цепи;

R₁ – сопротивление обмотки статора;

f₁ – частота сети;

p – число пар полюсов;

s – скольжение;

X_к – реактивное сопротивление короткого замыкания.

Изменением числа пар полюсов обеспечивается ступенчатое регулирование синхронной угловой скорости двигателя ω₀. Такой способ регулирования скорости может быть реализован только при использовании специальных АД, получивших название м н о г о с к о р о с т н ы х. Особенность этих АД состоит в том, что их каждая фаза статорной обмотки имеет две одинаковые секции (полуобмотки). За счет разных схем их соединения можно изменять число пар полюсов р АД. Ротор многоскоростных АД обычно выполняется короткозамкнутым.

Так как число пар полюсов АД может принимать только дискретные значения (р = 1, 2, 3, 4, ...), то и скорость АД этим способом может регулироваться лишь ступенчато.

Наиболее часто на практике применяются две схемы переключения статорной обмотки многоскоростных АД: с треугольника на двойную звезду и со звезды на двойную звезду. Схема, в которой фазы статорной обмотки образованы двумя параллельно включенными секциями, получила название двойной звезды. Схему переключения «звезда – двойная звезда» целесообразно применять при постоянном моменте нагрузки М_с, а схему «треугольник – двойная звезда» – при нагрузке, имеющей характер постоянной мощности. Помимо двухскоростных АД применяются также трех- и четырехскоростные. Первые из них кроме переключаемой обмотки статора имеют также и одну непереключаемую обмотку. Четырехскоростные АД имеют две переключаемые обмотки статора с различным числом пар полюсов.

Рассматриваемый способ регулирования скорости АД характеризуется рядом положительных показателей, что определяет широкое его применение в регулируемом электроприводе переменного тока . К ним прежде всего следует отнести экономичность, так как регулирование скорости не сопровождается выделением в роторной цепи дополнительных потерь энергии, вызывающих излишний нагрев АД и ухудшающих его КПД. Недостатком способа является ступенчатость изменения скорости двигателя и относительно небольшой диапазон ее регулирования, не превышающий обычно 6…8.

При регулировании скорости введением реостата в цепь ротора вся энергия скольжения выделяется в виде потерь в цепи двигателя. Недостатки способа: уменьшение стабильности скорости при ее снижении, ступенчатость и относительно малый диапазон регулирования (2 : 1). Данный метод нашел широкое применение в металлургических кранах из-за простоты и малой стоимости применяемой аппаратуры.

Благодаря разработке и внедрению надежных тиристорных преобразователей частоты (ТПЧ) стало широко применяться частотное управление асинхронными электроприводами. Достоинства метода: регулирование производится при малых потерях скольжения, плавное регулирование скорости, возможность применения асинхронных короткозамкнутых двигателей, диапазон регулирования до 100 : 1.

Электромеханические свойства синхронных двигателей.Синхронные двигатели в основном применяются в приводах средней и большой мощности, когда режим работы длительный и не требуется регулирования скорости: воздуходувки, компрессоры, вентиляторы, насосы, дробилки, мельницы, приводы черновых клетей прокатных станов и др. Достоинства двигателей: простота конструкции, надежность, высокие значения cosφ и КПД, возможность работы с cosφ = 1 и даже с опережающим током, что позволяет осуществлять компенсацию реактивной мощности других электроприемников сети.

Схема синхронного двигателя приведена на рис. 5.7. На роторе расположены две обмотки: короткозамкнутая (пусковая) ОП и возбуждения постоянного тока ОВ. Обмотка возбуждения двигателя при пуске замыкается на разрядный резистор R_р, который предохраняет ее от пробоя. При скорости, близкой к синхронной (ω ≥ 0,95ω₀), обмотка возбуждения автоматически подключается к источнику постоянного тока на полное напряжение (контакты КМ замыкаются). При этом двигатель входит в синхронизм. Для нормального вхождения в синхронизм необходимо, чтобы входной момент был больше статического момента на валу: М_вх > М_с.

При холостом ходе оси полюсов ротора и поля статора совпадают (θ = 0 и М = 0). При увеличении нагрузки угол возрастает, соответственно возрастает и момент электродвигателя М. При дальнейшем увеличении нагрузки (θ > 90^о) момент М начнет уменьшаться, что соответствует выпадению электродвигателя из синхронизма и его остановке. Номинальной нагрузке на валу соответствует угол θ = 20…30°. Поэтому перегрузочная способность синхронного двигателя λ_к = М_max / М_н = 2–3.

Максимальный момент М_max пропорционален фазному напряжению сети и току в обмотке возбуждения. Поэтому перегрузочная способность синхронного двигателя может быть повышена путем увеличения тока возбуждения, что позволяет обеспечить устойчивую работу двигателя при значительных толчках нагрузки и колебаниях напряжения сети. Синхронный двигатель менее чувствителен к колебаниям напряжения сети, чем асинхронный, так как его момент пропорционален первой степени напряжения.

Для синхронного двигателя принципиально возможны все три способа торможения – рекуперативное, динамическое и противовключением. Практически используется только динамическое торможение. Рекуперативное торможение не применяется, так как нельзя получить снижения скорости без применения преобразователя частоты. В режиме противовключения электродвигатель, работая в асинхронном режиме, потребляет из сети большой ток, а так как его пусковая (асинхронная) обмотка рассчитана на кратковременную работу и длительное протекание по ней больших токов недопустимо, такое торможение нежелательно.

При динамическом торможении возбуждение синхронного двигателя сохраняется, а обмотка статора отключается от сети и замыкается на тормозной резистор. Его механические характеристики в этом режиме подобны характеристикам асинхронного двигателя при динамическом торможении.

Особенностью синхронного двигателя является то, что путем изменения тока возбуждения можно регулировать потребляемую из сети реактивную мощность. В процессе изменения тока возбуждения вектор тока двигателя может совпадать с вектором напряжения сети, отставать от него или опережать. В случае совпадения данных векторов двигатель потребляет из сети только активную мощность (cosφ = 1). Когда вектор тока двигателя опережает вектор напряжения сети, двигатель отдает в сеть реактивную мощность. Это свойство синхронного двигателя широко используют для компенсации реактивных нагрузок цехов или всего завода. В данном случае синхронный двигатель выполняет кроме основной функции также и функцию синхронного компенсатора, что дает большой экономический эффект.