Механические характеристики. Энергетические режимы

Для получения механической характеристики ещё более упростим модель - вынесем контур намагничивания на зажимы - рис. 4.4,а, как это часто делается в курсе электрических машин.

а) б)

Рис. 4.4. Упрощенная схема замещения (а) и характеристики асинхронной машины (б)

Поскольку

,

где I_2а - активная составляющая тока ротора,

y₂ - угол между и ,

качественное представление о механической характеристике М(s) можно получить, проследив зависимость каждого из трех сомножителей от s.

Магнитный поток Ф в первом приближении в соответствии с (4.4) не зависит от s - рис. 4.4,б. Ток ротора (4.8) равен нулю при s = 0 и асимптотически стремится к при s ® ±¥ - рис. 4.4,б. Последний сомножитель легко определить по схеме замещения:

;

cosy₂ близок к ±1 при малых s и асимптотически стремится к нулю при s ® ±¥. Момент, как произведение трех сомножителей, равен нулю при s = 0 (w = w₀ - идеальный холостой ход), достигает положительного М_к+ и отрицательного М_к- максимумов - критических значений при некоторых критических значениях скольжения , а затем при s ® ±¥ стремится к нулю за счет третьего сомножителя.

Уравнение механической характеристики получим, приравняв потери в роторной цепи, выраженные через механические и через электрические величины. Мощность, потребляемая из сети, если пренебречь потерями в R₁, примерно равна электромагнитной мощности:

,

а мощность на валу определяется как

.

Потери в роторной цепи составят

(4.9)

или при выражении их через электрические величины

,

откуда

.

Подставив в последнее выражение I₂^¢ из (4.8) и найдя экстремум функции М=f(s) и соответствующие ему М_к и s_к, будем иметь:

(4.10)

где а=R₁/R¢₂:

; (4.11)

. (4.12)

На практике иногда полагают, что а = 0, т.е. пренебрегают активным сопротивлением обмоток статора. Это обычно не приводит к существенным погрешностям при Р_н > 5 кВт, однако может неоправданно ухудшить модель при малых мощностях. При а = 0 выражения (4.10) - (4.12) имеют вид:

; (4.10,a)

; (4.11,a)

, (4.12,а)

где Х_к = Х₁+Х₂^’ - индуктивное сопротивление рассеяния машины.

В уравнении (4.10,а) при s << s_к можно пренебречь первым членом в знаменателе и получить механическую характеристику на рабочем участке в виде

. (4.13)

Как следует из рис. 4.4,б и выражений (4.10) и (4.10,а), жесткость механической характеристики асинхронных двигателей переменна, на рабочем участке , а при ½s½>½s_кр½ - положительна.

Асинхронный электропривод как и электропривод постоянного тока, может работать в двигательном и трех тормозных режимах с таким же, как в электроприводе постоянного тока распределением потоков энергии - рис. 4.5.

Рис. 4.5. Энергетические режимы асинхронного электропривода

Рекуперативное торможение (р.т.) осуществляется при вращении двигателя активным моментом со скоростью w>w₀. Этот же режим будет иметь место, если при вращении ротора со скоростью w уменьшить скорость вращения поля w₀. Роль активного момента здесь будет выполнять момент инерционных масс вращающегося ротора.

Для осуществления торможения противовключением (т. п-в) необходимо поменять местами две любые фазы статора - рис. 4.6. При этом меняется направление вращения поля, машина тормозится в режиме противовключения, а затем реверсируется.

Рис. 4.6. Реверс асинхронного двигателя

Специфическим является режим динамического торможения, которое представляет собою генераторный режим отключенного от сети переменного тока асинхронного двигателя, к статору которого подведен постоянный ток I_п. Этот режим применяется в ряде случаев, когда после отключения двигателя от сети требуется его быстрая остановка без реверса.

Постоянный ток, подводимый к обмотке статора, образует неподвижное в пространстве поле. При вращении ротора в его обмотке наводится переменная ЭДС, под действием которой протекает переменный ток. Этот ток создает также неподвижное поле.

Складываясь, поля статора и ротора образуют результирующее поле, в результате взаимодействия с которым тока ротора возникает тормозной момент. Энергия, поступающая с вала двигателя, рассеивается при этом в сопротивлениях роторной цепи.

В режиме динамического торможения поле статора неподвижно скольжение записывается как

и справедливы соотношения для механической характеристики аналогичные (4.10,а) - (4.12,а):

, (4.14)

, (4.15)

где при соединении обмоток статора в звезду

и при соединении обмоток статора в треугольник;

(4.16)

Так как при ненасыщенной машине , критическое скольжение в режиме динамического торможения s_к.т существенно меньше s_к.

Номинальные данные

На шильдике или в паспорте асинхронного двигателя обычно указаны номинальные линейные напряжения при соединении обмоток в звезду и треугольник , токи , частота f_1н, мощность на валу Р_н, частота вращения n_н. КПД , .

Для двигателей с короткозамкнутым ротором в каталоге приводятся кратности пускового тока , пускового момента , критического момента , иногда - типовые естественные характеристики.

Для двигателей с фазным ротором указывается ЭДС на разомкнутых кольцах заторможенного ротора Е_2н при U_1н и номинальный ток ротора I_2н.

Приводимых в каталоге данных недостаточно, чтобы определить по ним параметры схемы замещения и пользоваться ей при всех расчетах, однако по каталожным данным можно построить естественную электромеханическую и механическую характеристики, воспользовавшись несколькими опорными точками - рис. 4.7.

а) б)

Рис. 4.7. К построению естественных характеристик асинхронного

двигателя с к.з. ротором

Точка 1 ( ) получится из ряда n₀=3000, 1500, 1000, 750, 600 об/мин как ближайшая большая к n_н; .

Точка 2 - номинальная.

Для определения точки 3 ( ) нужно рассчитать , определить и вычислить s_к по (4.10) или (4.10,а), подставив в эти уравнения M_н и .

Точка 4 (w = 0, М = М_п, I₁ = I_1п) рассчитывается непосредственно по каталожным данным.

Современные двигатели с короткозамкнутым ротором проектируют так, чтобы иметь повышенный пусковой момент М_п, и в некоторых каталогах указывают так называемый “седловой” момент М_сед - рис. 4.7,а.

Некоторое представление о характеристиках современных асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором можно получить из следующих данных:

s_н=0,01-0,05 (меньшие значения у двигателей большей мощности - сотни кВт);

k_I = 5-7;

k_М = 1,3-1,6;

.

Как следует из этих данных, естественные свойства асинхронных двигателей весьма неблагоприятны: малый пусковой момент, большой пусковой ток и самое главное - ограниченные возможности управления координатами.