Электропривод с двигателями переменного тока

Асинхронные двигатели созданы в Германии русским электротехником Доливо-Добровольским М. О. в 1888-1889 годах. Получили наибольшее распространение в промышленности благодаря ряду существенных преимуществ по сравнению с другими двигателями. Асинхронный двигатель прост и надежен в эксплуатации, так как не имеет коллектора, на его изготовление требуется меньше цветных металлов, он имеет меньшую массу, габариты и стоимость по сравнению с двигателями той же мощности переменного или постоянного тока, наконец, он выпускается серийно в широком диапазоне мощностей.

Наиболее распространенными типами нерегулируемых электроприводов являются электроприводы с короткозамкнутыми асинхронными двигателями. Для нерегулируемых электроприводов характерен пуск электродвигателя прямым включением в сеть с помощью контактной аппаратуры без промежуточных преобразователей электрической энергии.

Стандартная схема силовых цепей включения короткозамкнутого асинхронного двигателя с помощью контактов пускателя приведена на рис. 5.1.

Рис. 5.1. Схема включения короткозамкнутого асинхронного двигателя с использованием контактного пускателя

Для расчета характеристик асинхронного двигателя, как правило, пользуются его математической моделью, которая в общем случае представляется различными схемами замещения. Наиболее простой и удобной для инженерных расчетов асинхронного двигателя является Т-образная схема замещения (см. рис. 5.2).

На рис. 5.2 приняты следующие обозначения:

– фазное напряжение обмотки статора;

– активное сопротивление обмотки статора;

– индуктивное сопротивление рассеяния обмотки статора;

– ток обмотки статора;

– ЭДС обмотки статора;

– активное сопротивление обмотки ротора, приведенное к обмотке статора;

– индуктивное сопротивление рассеяния обмотки ротора, приведенное к обмотке статора;

– ток обмотки ротора, приведенный к обмотке статора;

– синхронная угловая скорость;

– угловая скорость асинхронного двигателя;

– число пар полюсов;

– значение частоты напряжения переменного тока, подводимого к обмотке статора;

– ЭДС от главного магнитного потока машины;

– ЭДС обмотки ротора, приведенная к обмотке статора.

Рис. 5.2. Схема замещения асинхронного двигателя

Основные уравнения асинхронного двигателя, соответствующие принятой схеме замещения:

Векторная диаграмма токов, ЭДС и напряжений, удовлетворяющая системе уравнений (5.1), изображена на рис. 5.3.

Рис. 5.3. Векторная диаграмма асинхронного двигателя

Ток ротора , приведенный к обмотке статора асинхронного двигателя, определяется зависимостью, получаемой непосредственно из схемы замещения асинхронного двигателя:

где – индуктивное сопротивление короткого замыкания.

Уравнение называется электромеханической характеристикой асинхронного двигателя.

Для короткозамкнутого асинхронного двигателя представляет интерес другая электромеханическая характеристика , отражающая зависимость тока статора от скольжения s. Ток статора определяется путем сложения вектора тока намагничивания и вектора тока ротора (рис. 5.3)

Полагая ток намагничивания асинхронного двигателя реактивным, ток статора через приведенный ток ротора можно найти по формуле [5]

Основной выходной координатой силового привода является электромагнитный момент, значение которого для асинхронного двигателя может быть найдено из уравнения потерь

где – число фаз статора.

Подставив в (5.6) выражение тока из (5.2) и решив полученное уравнение относительно момента М, будем иметь

Анализ уравнения (5.7) показывает, что механическая характеристика асинхронного двигателя имеет критический момент и критическое скольжение, которые находятся при условии Тогда критический момент

Знак "+" означает, что критический момент и скольжение относятся к двигательному режиму, знак "−" – к генераторному режиму рекуперативного торможения.

Уравнение механической характеристики асинхронного двигателя (5.7) можно преобразовать к более удобному для пользования выражению – формуле Клосса:

Двигатели средней и большой мощности имеют малое активное сопротивление R1, в этом случае коэффициентом а можно пренебречь, а выражение (1.9) преобразуется в упрощенную формулу Клосса:

Задаваясь скольжением s, можно по (5.10) и (5.2) построить, соответственно, механические и электромеханические характеристики асинхронного двигателя, которые представлены на рис. 5.4.

Рис. 5.4. Статические характеристики асинхронного двигателя: а – механическая; б – электромеханическая

При скольжениях асинхронная машина работает в двигательном режиме, при – в генераторном режиме параллельно с сетью (рекуперативное торможение), при – в генераторном режиме последовательно с сетью или в режиме торможения противовключением.

Механические характеристики, приведенные на рис 5.4, а, имеют в двигательном режиме три характерные точки:

• 1) , при этом скорость двигателя равна синхронной
• 2) , что соответствует точке с критическим скольжением и критическим моментом двигательного режима;
• 3) , при этом скорость двигателя будет равна нулю, а момент равен пусковому

Электромеханические характеристики, приведенные на рис 5.4, б, имеют две характерные точки в двигательном режиме:

• 1) при этом скороегь двигателя равна синхронной
• 2) , при этом скорость двигателя будет равна нулю, а ток ротора – току короткого замыкания ( ).

Механические и электромеханические характеристики асинхронного двигателя не совпадают, даже построенные в безразмерных единицах.

Различают естественную и искусственные механические характеристики асинхронного двигателя.

Под естественной механической характеристикой асинхронного двигателя будем понимать зависимость момента двигателя М от его скольжения 5 при номинальной схеме включения двигателя, номинальных параметрах питающей сети ( ) и отсутствии добавочных сопротивлений в цепях двигателя. Все остальные характеристики называются искусственными. С помощью искусственных характеристик асинхронного двигателя регулируют его скорость в соответствии с требованиями технологического процесса.

Как следует из уравнения механической характеристики асинхронного двигателя (5.7), регулировать его скорость можно, изменяя один или несколько параметров:

– фазное напряжение обмоток статора двигателя;

– добавочное активное сопротивление статора;

– добавочное индуктивное сопротивление статора;

– добавочное активное сопротивление ротора, приведенное к обмотке статора;

– добавочное индуктивное сопротивление ротора, приведенное к обмотке статора;

– синхронную угловую скорость изменением числа пар полюсов или частоты напряжения переменного тока, подводимого к обмотке статора.

Из всего многообразия искусственных механических характеристик асинхронного двигателя практический интерес в настоящее время могут представлять только следующие способы регулирования:

• • регулирование скорости изменением добавочного активного сопротивления в цепи обмотки ротора асинхронного двигателя с фазным ротором;
• • регулирование скорости изменением фазного напряжения коротко- замкнутого асинхронного двигателя;
• • частотное регулирование скорости короткозамкнутого асинхронного двигателя.

Статические механические и электромеханические характеристики асинхронных двигателей благоприятны для пусков двигателей прямым включением в сеть. Поскольку пуск двигателя происходит достаточно быстро, то кратковременная перегрузка по току даже в 6-8 раз нс опасна для него ни с точки зрения больших ударных динамических моментов, ни с точки зрения больших пусковых токов, которые много меньше пусковых токов естественной характеристики двигателей постоянного тока независимого возбуждения той же мощности. Ограничения на прямой пуск асинхронных двигателей накладываются не самим двигателем, а питающей сетью.

Если сеть имеет ограниченную мощность или большое внутреннее сопротивление, то пусковые токи двигателя будут вызывать в этой сети большие падения напряжения. Естественно, что это скажется на режимах работы других потребителей энергии. По правилам Ростехнадзора напрямую можно запускать асинхронные двигатели, если их мощность

где – мощность питающего трансформатора подстанции в том случае, если от сети не питается осветительная аппаратура.

При питании осветительной аппаратуры от общей сети асинхронный двигатель можно пускать прямым включением в сеть, когда

Если условия (5.12) и (5.13) не выполняются, то способы токоограничения вытекают из уравнения тока короткого замыкания асинхронного двигателя.