Механические характеристики асинхронных двигателей. 
Двигательный режим

Асинхронные двигатели (АД) — самый распространенный вид двигателей, т.к. они более просты и надежны в эксплуатации, при равной мощности имеют меньшую массу, габариты и стоимость в сравнении с ДПТ. Схемы включения АД приведены на рис. 2.14.

До недавнего времени АД с короткозамкнутым ротором применялись в нерегулируемых электроприводах. Однако с появлением тиристорных преобразователей частоты (ТПЧ) напряжения, питающего статорные обмотки АД, двигатели с короткозамкнутым ротором начали использоваться в регулируемых электроприводах. В настоящее время в преобразователях частоты применяются силовые транзисторы и программируемые контроллеры. Способ регулирования скорости получил название импульсного и его совершенствование является важнейшим направлением в развитии электропривода.

Рис. 2.14. а) схема включения АД с короткозамкнутым ротором; б) схема включения АД с фазным ротором.

Уравнение для механической характеристики АД может быть получено на основании схемы замещения АД. Если в этой схеме пренебречь активным сопротивлением статора, то выражение для механической характеристики будет иметь вид:

.

где; .

Здесь Мк — критический момент; Sк — соответствующее ему критическое скольжение; Uф — действующее значение фазного напряжения сети; щ0=2рf/p — угловая скорость вращающегося магнитного поля АД (синхронная скорость); f — частота питающего напряжения; p — число пар полюсов АД; хк — индуктивное фазное сопротивление короткого замыкания (определяется из схемы замещения); S=(щ0-щ)/щ0 — скольжение (скорость ротора относительно скорости вращающегося поля); R21 — суммарное активное сопротивление фазы ротора.

Механическая характеристика АД с короткозамкнутым ротором приведена на рис. 2.15.

Рис. 2.15. Механическая характеристика АД с короткозамкнутым ротором.

На ней можно выделить три характерные точки. Координаты первой точки (S=0; щ=щ0; М=0). Она соответствует режиму идеального холостого хода, когда скорость ротора равна скорости вращающегося магнитного поля. Координаты второй точки (S=Sк; М=Мк). Двигатель работает с максимальным моментом. При Мс>Мк ротор двигателя будет принудительно остановлен, что для двигателя является режимом короткого замыкания. Поэтому вращающий момент двигателя в этой точке и называется критическим Мк. Координаты третьей точки (S=1; щ=0; М=Мп). В этой точке двигатель работает в режиме пуска: скорость ротора щ=0 и на неподвижный ротор действует пусковой момент Мп. Участок механической характеристики, расположенный между первой и второй характерными точками, называется рабочим участком. На нем двигатель работает в установившемся режиме. У АД с короткозамкнутым ротором при выполнении условий U=Uн и f=fн механическая характеристика называется естественной. В этом случае на рабочем участке характеристики расположена точка, соответствующая номинальному режиму работы двигателя и имеющая координаты (Sн; щн; Мн).

Электромеханическая характеристика АД щ=f (Iф), которая на рис. 2.15 изображена штриховой линией, в отличие от электромеханической характеристики ДПТ, совпадает с механической характеристикой только на ее рабочем участке. Это объясняется тем, во время пуска из-за изменяющейся частоты э.д.с. в обмотке ротора Е2 изменяется частота тока и соотношение индуктивного и активного сопротивлений обмотки: в начале пуска частота тока большая и индуктивное сопротивление больше активного; с увеличением скорости вращения ротора щ частота тока ротора, а значит и индуктивное сопротивление его обмотки, уменьшается. Поэтому пусковой ток АД в режиме прямого пуска в 5ч7 раз превышает номинальное значение Iфн, а пусковой момент Мп равен номинальному Мн. В отличии от ДПТ, где при пуске необходимо ограничивать пусковой ток и пусковой момент, при пуске АД пусковой ток необходимо ограничивать, а пусковой момент увеличивать. Последнее обстоятельство наиболее важно, поскольку ДПТ с независимым возбуждением запускается при Мс<2,5Мн, ДПТ с последовательным возбуждением при Мс<5Мн, а АД при работе на естественной характеристике при Мс<�Мн.

У АД с короткозамкнутым ротором увеличение Мп обеспечивается специальной конструкцией обмотки ротора. Паз для обмотки ротора делают глубоким, а саму обмотку располагают в два слоя. При пуске двигателя частота Е2 и токи ротора большие, что приводит к появлению эффекта вытеснения тока — ток протекает только в верхнем слое обмотки. Поэтому увеличивается сопротивление обмотки и пусковой момент двигателя МП. Его величина может достигать 1,5Мн.

У АД с фазным ротором увеличение МП обеспечивается за счет изменения его механической характеристики. Если сопротивление RП, включенное в цепь протекания тока ротора, равно нулю — двигатель работает на естественной характеристике и МП=МН. При RП>0 увеличивается суммарное активное сопротивление фазы ротора R21. Критическое же скольжение Sк по мере увеличения R21 тоже увеличивается. Вследствие этого у АД с фазным ротором введение RП в цепь протекания тока ротора приводит к смещению МК в сторону больших скольжений. При SК=1 МП=МК. Механические характеристики АД с фазным ротором при RП>0 называются искусственными или реостатными. Они приведены на рис. 2.16.

Рис. 2.16. Механические характеристики АД с фазным ротором.

Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором запустится при Мп>Мс и будет работать в точке, А (см. рис. 2.15). После этого момент сопротивления Мс можно увеличивать до МК. АД, как и двигатели постоянного тока, при увеличении Мс будет автоматически, без вмешательства извне, снижать скорость щ и увеличивать вращающий момент М до тех пор, пока М и Мс не сравняются по величине, т. е. из установившегося режима с большей скоростью переходить в установившийся режим с меньшей скоростью. При уменьшении Мс будет наблюдаться обратное — двигатель из установившегося режима с меньшей скоростью будет автоматически переходить в установившийся режим с большей скоростью. Рабочий участок механической характеристики АД аналогичен механической характеристике ДПТ с независимым возбуждением — прямая линия, наклоненная к оси абсцисс.

Такими свойствами АД обладает благодаря э.д.с. Е2, которая наводится вращающимся магнитным полем статора в обмотке ротора. При Мс>М динамический момент Мд<0 и скорость ротора щ уменьшается. Магнитное поле статора, вращающееся с постоянной скоростью щ0 (синхронной скоростью) будет пересекать обмотку ротора с большой частотой. Поэтому будет увеличиваться Е2, ток в обмотке ротора, сила Ампера, действующая на ее витки, а значит и вращающий момент М.

Перегрузочная способность АД по моменту определяется отношением критического момента МК к моменту номинальному МН. Для обычных АД с короткозамкнутым ротором МК/МН=1,7, с фазным ротором МК/МН=1,8. Для специальных крановых АД с короткозамкнутым ротором типа МТК и фазным ротором типа МТКФ отношение МК/МН=2,3ч3,4.

20 Механические характеристики асинхронных двигателей. Режим электрического торможения Асинхронный двигатель, как и двигатель постоянного тока с независимым возбуждением, может работать во всех трех режимах электрического торможения.

Рекуперативное торможение. Возврат энергии в сеть возможен при скорости ротора щ выше синхронной скорости щ0. По мере приближения щ к щ0 уменьшается величина Е2, ток в обмотке ротора и вращающий момент двигателя М. Увеличение щ до значений, больших щ0 возможно под влиянием Мс, способствующего вращению двигателя. В данном случае АД работает как генератор, включенный параллельно с сетью: занесенную в движущихся элементах механической части электропривода механическую энергию он преобразует в электрическую и возвращает ее в сеть. Применяется режим рекуперативного торможения в электроприводах подъемных лебедок различных грузоподъемных машин. Реверсивная схема включения АД с фазным ротором приведена на рис. 2.17а, а соответствующие ей характеристики АД для режима рекуперативного торможения — на рис. 2.17б.

Реверсировать АД, в отличие от ДПТ, можно только одним способом — изменением порядка чередования фаз напряжения, питающего статорные обмотки двигателя. Для этого используют два трехполюсных контактора (в электроприводах малой и средней мощности — магнитных пускателя), конструкция которых имеет механическую блокировку, исключающую возможность одновременного срабатывания контакторов. На рис. 2.17а показаны главные контакты контакторов направления КВ (вперед или верх) и КН (назад или низ).

При замкнутых КВ статорные обмотки АД подключены к сети с прямым порядком чередования фаз — вывод С1 статорных обмоток к напряжению фазы А, вывод С2 — фазы В и вывод С3 — фазы С. Вращающееся магнитное поле и ротор двигателя вращаются в направлении «вперед».

При разомкнутых КВ и замкнутых КН вывод С1 будет подключен к напряжению фазы С, вывод С2 останется подключенным к напряжению фазы В, а вывод С3 будет подключен к напряжению фазы А. прямой порядок чередования фаз (А, В, С) изменяется на обратный (С, В, А). В результате этого изменяется направление вращения поля и ротора двигателя.

Поднятый груз создает активный момент сопротивления Мс, направление которого не изменяется при изменении направления вращения двигателя (см. рис. 2.17б). Поэтому при замыкании КН и включении двигателя в направлении опускания груза ротор двигателя будут раскручивать как вращающий момент сопротивления Мс. Уравнение движения электропривода будет иметь вид:

.

Рис. 2.17.а) реверсивная схема включения АД с фазным ротором; б) механические характеристики АД с фазным ротором в режиме рекуперативного торможения.

Скорость вращения двигателя, а значит и скорость опускания груза, будет увеличиваться. При щ=щ0 вращающий момент М=0 и уравнение движения примет вид:

.

Скорость двигателя будет расти под действием активного Мс. Когда скорость ротора превысит скорость вращающегося поля (щ>щ0), момент двигателя изменит направление и станет тормозным, а уравнение движения электропривода будет иметь вид:

.

Поскольку схема включения двигателя не изменяется, механические характеристики АД для режима рекуперативного торможения (как и для ДПТ с независимым возбуждением) получаются продолжением характеристик для двигательного режима в третьем квадранте в четвертый.

С увеличением скорости двигателя будет расти величина тормозного момента М. При работе двигателя на естественной характеристике М станет равным Мс при скорости (-щ1) и двигатель перейдет в установившийся режим работы. Груз будет опускаться с постоянной скоростью. На реостатных характеристиках скорость установившегося режима будет больше — (-щ2) на пусковой характеристике.

Торможение противоключением, как и для ДПТ с независимым возбуждением, осуществляется в том случае, когда обмотки двигателя включены для одного направления вращения, а ротор двигателя под воздействием сил инерции или активного момента сопротивления вращается в противоположную сторону — против включения.

Допустим, что на рис. 2.17а замкнуты контакты КВ, а RП и RПР зашунтированы. Статорные обмотки подключены к напряжению сети с прямым порядком чередования фаз.

Размыкаются контакты КВ и замыкаются КН. Работающий двигатель включается на противоположное направление. Статорные обмотки двигателя подключаются к сети с обратным порядком чередования фаз. Изменяется направление вращения магнитного поля статора, а ротор двигателя под действием инерционных сил сохраняет направление вращения — вращается против включения. Изменяет направление вращающий момент двигателя, т. е. он становится тормозным.

Поскольку ротор двигателя вращается навстречу полю, частота, с которой вращающееся поле пересекает обмотку ротора, в два раза превышает частоту при пуске (ротор неподвижен, а поле вращается с синхронной скоростью щ0). Наводимая в обмотке ротора э.д.с. Е2 в два раза превышает номинальную э.д.с. Е2н, наводимую в обмотке ротора при пуске. Поэтому для ограничения тока в цепь ротора необходимо кроме пускового сопротивления RП включать сопротивление противовключения RПР. Механические характеристики двигателя, соответствующие схеме включения на рис. 2.17а, приведены на рис. 2.18. При замкнутых КВ и зашунтированных RП и RПР двигатель работал на естественной характеристике в точке А. После размыкания КВ, включения в цепь ротора RП+RПР и замыкания КН двигатель из точки, А переходит в точку В на характеристике торможения противовключением. Под действием тормозного момента скорость двигателя будет снижаться. Если двигатель тормозится для остановки, то в точке С при щ=0 необходимо разомкнуть КН.

Рис. 2.18. Механические характеристики АД с фазным ротором в режиме торможения противовключением.

Если же после остановки начинается разгон в противоположном направлении, то при скорости близкой к нулю необходимо зашунтировать RПР и перевести двигатель на предельную пусковую характеристику. На этой характеристике двигатель закончит торможение и сразу же начнет разгон в противоположном направлении с максимальным ускорением. В третьем квадранте он может работать в установившемся режиме в точке Д на пусковой характеристике или в точке Е на естественной. Если разомкнуть КН, включить в цепь ротора RП+RПР и замкнуть КВ двигатель из точки Е перейдет в точку F на характеристике противовключения в четвертом квадранте. Процесс торможения и разгон будут проходить аналогично.

При реверсивной схеме включения АД с короткозамкнутым ротором у двигателя будут две естественных характеристики (см. рис. 2.17б) в первом и третьем квадрантах. Для получения характеристик торможения противовключением естественные характеристики следует продлить во второй и четвертый квадранты. Процессы торможения и разгона будут протекать аналогично рассмотренным для АД с фазным ротором. Однако нагрев двигателя будет намного большим, т.к. ограничение тока ротора отсутствует.

В электроприводах с активным Мс, например, в электроприводе подъемной лебедки, где активный Мс создает груз массой m, подвешенный на крюке, режим торможения противключением можно получить за счет изменения механической характеристики двигателя. Схема включения двигателя приведена на рис. 2.17а, а механические характеристики двигателя на рис. 2.19.

Допустим, что замкнуты КВ и зашунтированы RП и RПР. Двигатель со скоростью щ1 работает в направлении подъема на естественной характеристике в точке А.

При введении в цепь ротора пускового реостата RП двигатель перейдет на предельную пусковую характеристику и будет работать в точке В со скоростью щ2. С введением RПР наклон характеристики будет увеличиваться, а скорость движения уменьшается (щ=щ3 при RПР= RПР1).

Рис. 2.19. Механические характеристики АД с фазным ротором в режиме торможения противовключением при активном Мс.

Можно так подобрать величину RПР, что М будет равен Мс при скорости двигателя щ, равной нулю. На рис. 2.19 этому случаю соответствует точка Д при RПР= RПР2. Двигатель останавливается и поднимаемый груз удерживается в подвешенном состоянии за счет вращающего момента двигателя М. При.

RПР= RПР3 момент двигателя М станет меньше Мс. Поднятый груз начнет опускаться и двигатель, включенный для работы на подъем, под действием активного Мс будет вращаться в направлении опускания — против включения. Момент двигателя становится тормозным. С увеличением скорости опускания груза он будет увеличиваться. При щ=-щ4 (точка Е на рис. 2.19) величина тормозного момента двигателя М станет равной величине активного Мс. Двигатель перейдет в установившийся режим работы и увеличение скорости опускания груза прекратится. Такой режим торможения широко используется в электроприводах подъемных лебедок, так как он позволяет получить очень низкие «посадочные» скорости двигателя и устанавливать груз в требуемом месте без удара.

При торможении противовключением АД работает в режиме генератора, включенного последовательно с сетью. Он преобразует механическую энергию в электрическую, а также потребляет электрическую энергию из сети. Вся электроэнергия выделяется в виде тепла в двигателе и на сопротивлениях, включенных в цепи протекания тока ротора. Поэтому торможение противовключением не экономично с точки зрения затрат энергии, однако по сравнению с другими видами оно обеспечивает минимальное время торможения.

Динамическое торможение осуществляется при отключении обмоток статора от сети переменного тока и подключении двух из них к сети постоянного тока. Схема включения двигателя приведена на рис. 2.20а, механические характеристики — на рис. 2.20б.

При замкнутых КЛ и разомкнутых КДТ и зашунтированном RДТ двигатель работает в первом квадранте на естественной характеристике в точке А.

При размыкании КЛ и замыкании КДТ выводы С2 и С3 статорных обмоток подключается к сети постоянного тока. Постоянный ток, протекая к обмотке статора, образует неподвижное магнитное поле. В обмотке вращающегося ротора наводится э.д.с., под действием которой протекает переменный ток. Создаваемое этим током поле неподвижно относительно статора. Тормозной момент возникает в результате взаимодействия суммарного магнитного потока с током ротора.

Двигатель из точки, А перейдет в точку В на одной из характеристик динамического торможения, которые расположены во втором квадранте. Они проходят через начало координат, так как при щ=0 э.д.с. ротора, ток ротора и тормозной момент двигателя тоже будут равны нулю.

В режиме динамического торможения двигатель работает как автономный генератор. Механическую энергию, запасенную в движущихся элементах механической части он преобразовывает в электрическую и расходует ее на нагрев обмоток и дополнительных сопротивлений в цепи ротора.