Lektsia_15 (Лекции Васюкова), страница 6

Под действием этого момента в одних случаях происходит быстрый останов, в других – поддержание заданной скорости.Для анализа тормозных режимов воспользуемся уравнением механической характеристики двигателяM2 M кр.sкрssкрsВ двигательном режиме скольжение изменяется в пределах от s  1 доs  0 и механические характеристики располагаются в квадранте I (графики 1и 2 на рис. 15.17). Если в уравнение подставлять значения s больше единицыи меньше нуля, то механическая характеристика окажется соответственно вквадрантах IV и II.

В квадранте II ротор вращается в сторону поля, но с большей частотой ( n  n0 ), в квадранте IV – против поля. Таким образом, участокмеханической характеристики, расположенный в квадранте II, соответствуетгенераторному тормозному режиму, в квадранте IV – тормозному режимупротивовключения.Рис. 15.17. Естественная (1) и реостатная (2) характеристики двигателя.Генераторное торможениеМашина переходит в режим генератора, если n  n0 , т.е. если роторвращается быстрее магнитного поля. Этот режим может наступить при регулировании скорости вращения увеличением числа пар полюсов или уменьшением частоты источника питания, а также в подъемно-транспортных машинахпри опускании груза, когда под действием силы тяжести груза ротор начинаетвращаться быстрее магнитного поля.В режиме генератора изменяется направление электромагнитного момента, т.е. он становится тормозным, под действием чего происходит быстроеснижение скорости вращения.

Одновременно изменяется фаза тока в обмоткестатора, что приводит к изменению направления передачи электрическойэнергии. В режиме генератора происходит возврат энергии в сеть.На рис. 15.18 представлены механические характеристики при генераторном торможении за счет опускания груза (а) и понижении частоты источника питания (б).Рис. 15.18. Генераторный режим торможения.Пусть двигатель с заданной нагрузкой на валу работал в двигательномрежиме в точке A естественной механической характеристики (рис. 15.18 а) иопускал груз с некоторой постоянной скоростью n1.

Момент M 1, создаваемыйдвигателем, направлен в ту же сторону, что и момент груза M гр1, и оба этихмомента преодолевали момент трения М тр .М тр  M гр1  M 1.Будем считать момент трения неизменным по величине, т.е.М тр  const.Допустим, в процессе движения произошло увеличение массы груза, исоответствующему возрастанию момента до M гр2  M гр1.Ротор начнет увеличивать скорость, рабочая точка А начнет смещатьсявлево и вверх по механической характеристике, а момент двигателя будет падать. При увеличении скорости n  n0 момент двигателя меняет знак и равновесие устанавливается в точке В при отрицательном моментеM 2  ( M тр  M гр2 )  0и скорости n2  n0 .Пусть теперь двигатель работает с заданной нагрузкой на валу в точке Aестественной характеристики 1 (рис. 15.18. б).

В силу инерционности в первыймомент времени после понижения частоты источника сохраняются оборотыn1 , но двигатель переходит на искусственную характеристику 2 (точка В).Момент, развиваемый двигателем в точке В, отрицательный (режим генераторного торможения), двигатель начинает уменьшать обороты и в точке Сопять достигается равновесие между моментами двигателя, груза и трения.Генераторное торможение является самым экономичным режимом, т.к.происходит преобразование механической энергии в электрическую и возвратэнергии в сеть.Торможение противовключениемРис. 15. Торможение асинхронного двигателя противовключением.Перевод асинхронного двигателя в режим торможения противовключением может быть выполнен двумя путями.

Один из них связан с изменениемчередования двух фаз питающего электродвигатель напряжения.Допустим, что двигатель работает на характеристике 1 (рис. 15.19 а) причередовании фаз напряжения АВС. Тогда при переключении двух фаз (например, А и В) он переходит на характеристику 2, участок аб которой соответствует торможению противовключением.Ротор при этом вращается против направления движения поля и постоянно замедляется. Когда скорость спадает до нуля, двигатель должен быть от-ключен от сети, иначе он может перейти в двигательный режим, причем роторего будет вращаться в направлении, обратном предыдущему.При торможении противовключением токи в обмотке двигателя могут в7–8 раз превышать соответствующие номинальные токи и преобразуемая вэлектрическую механическая энергия и энергия, потребляемая из сети, рассеиваются в активном сопротивлении ротора, и полезно используемой энергии вданном случае нет.Другой путь торможения противовключением иногда применяется вдвигателях с фазным ротором.

Пусть двигатель поднимает груз со скоростьюn1  0 (рис. 15.19 б) и работает в точке А естественной механической характеристики, когда момент груза уравновешивается моментом двигателя (трениемввиду малости пренебрегаем)M дв  M гр .Допустим, что требуется осуществить спуск груза, обеспечивая его торможение с помощью асинхронного двигателя. Для этого двигатель путемвключения в цепь ротора добавочного резистора переводится на искусственную характеристику.

В первый момент времени при сохранении текущих оборотов двигатель переходит на искусственную характеристику в точку, где момент двигателя меньше, чем момент груза. Это приводит к замедлению подъема, а рабочая точка смещается вниз по искусственной характеристике. Приоборотах n2  0 опять наступает равновесие моментов M дв  M гр .Динамическое торможениеЭтот тормозной режим используется для точной остановки мощных двигателей. На время торможения обмотка статора отключается от сети переменного напряжения и подключается и источнику с постоянным напряжением.При этом обмотка статора будет создавать постоянное неподвижное магнитное поле.

При вращении ротора относительно этого магнитного поля изменяется направление ЭДС и тока ротора, что приведет к изменению направленияэлектромагнитного момента, т.е. он станет тормозным. Под действием этогомомента происходит торможение. Изменяя величину подведенного к обмоткестатора напряжения, можно регулировать время торможения. После остановкидвигатель нужно отключить от сети постоянного тока.Основные недостатки динамического торможения: необходим источникпостоянного тока и неэкономичность.15.16. Энергетические показатели асинхронных двигателейВажнейшими энергетическими показателями асинхронных двигателейявляются их КПД  и коэффициент мощности cos .

Чем больше значения и cos , тем экономичнее двигатель, так как он потребляет из сети меньшие активную P1 и полную S1 мощности, а также меньший ток I при данной мощности на валу двигателя P2 .В общем виде зависимости  ( P2 ) и cos ( P2 ) имеют вид: ( P2 ) cos ( P2 ) P2P2;P1 P2  Pс  PобмP2  Pс  PобмP1P1.S1P12  Q12( P2  Pс  Pобм ) 2  Q12Здесь Pс – потери мощности в магнитопроводах статора и ротора, атакже механические потери (мало зависят от нагрузки); Pобм  3I12 r1  3I 22 r2 –потери активной мощности в обмотках статора и ротора, зависящие от нагрузкина валу; r1 и r2 – активные сопротивления обмоток статора и ротора соответственно; Q1 – реактивная мощность (мало зависит от нагрузки).Из этих выражений ясно, что  ( P2 ) и cos ( P2 ) представляют собой достаточно сложные зависимости, поскольку при изменении мощности P2 весьмасущественно изменяются потери Pобм .

Примерный вид зависимостей  ( P2 ) иcos ( P2 ) приведен на рис. 15.20.Рис. 15.20. Зависимости КПД  и коэффициента мощности cos отмощности на валу P215.17. Однофазные асинхронные двигателиВозможность простого получения вращающегося магнитного поля является одним из основных преимуществ трехфазного тока перед однофазным.Однако асинхронный двигатель может быть построен и для однофазного тока,только по своим техническим качествам однофазный двигатель весьма серьезно уступает трехфазному. Область применения этих двигателей весьма ограничена, они изготовляются преимущественно в виде двигателей малой мощности (например, для вентиляторов).Статор однофазного двигателя снабжается однофазной обмоткой, таккак двигатель питается однофазным переменным током, но ротор имеет многофазную обмотку: короткозамкнутую или с контактными кольцами; в последнем случае двигатель снабжается пусковым реостатом.Магнитное поле двигателя является переменным пульсирующим полем,ось которого неподвижна в пространстве.

В проводниках ротора это поле индуктирует токи, как во вторичной обмотке трансформатора. На рис. 15.21 асхематически показано направление токов в стержнях короткозамкнутого ротора однофазного двигателя. Вращающие моменты, возникающие благодарявзаимодействию токов двух половин обмотки ротора с магнитным полем, про-тивоположны по направлению, в силу чего результирующий момент, воздействующий на неподвижный ротор, равен нулю.Рис. 15.21.

К пояснению принципа действия однофазного двигателя (а) и (б).Это отсутствие начального момента является характерной особенностьюоднофазного двигателя при обычной схеме соединения, следовательно, он неможет сам тронуться с места. Однако если посредством внешней силы раскрутить ротор, то двигатель в дальнейшем будет вращаться самостоятельно и может быть нагружен.Для объяснения указанных явлений представим себе переменное пульсирующее поле однофазной обмотки статора, как результирующее двух магнитных полей, вращающихся в противоположные стороны с синхронной скоростью 0 (рис. 15.21 б).Докажем справедливость такого представления. Пусть поток изменяетсяпо законуФ  Ф m  cos 0t.По теореме Эйлераejt cos t  j sin t ; e jte jt  e  jt cos t  j sin t  cos t .2С учетом этого соотношения,Ф m j 0 t Ф m  j 0 t  2,ee Ф1  Ф22 - прямо вращающееся поле, Ф - обратно вращающееся поле.где Ф12Ф  Ф m  cos 0t Амплитуды потоков Ф1 и Ф 2 одинаковы и равны половине пульсирующего потока.Разложив таким образом неподвижный в пространстве и изменяющийся во времени по закону косинуса магнитный поток Ф на два вращающихся в разные стороны с одинаковой угловой частотой потока, можно рассматривать однофазный двигатель как состоящий из двух трехфазных двигателей содним валом.

У одного из них поток Ф1 вращается по часовой стрелке (прямое поле), у другого поток Ф 2 вращается против часовой стрелки (обратноеполе). Каждый из двигателей развивает момент, действующий в сторонувращения магнитного поля, и имеет механическую характеристику, как идвигатель трехфазного тока (рис. 15.22 а).Рис. 15.22.

Механическая характеристика (а) и схема конденсаторного пуска(б) однофазного двигателя.Результирующий момент, создаваемый двигателем, будет равен суммемоментов:M  M1  M 2 .При неподвижном роторе оба вращающихся поля будут индуктировать вего обмотке одинаковые токи, которые, взаимодействуя с соответствующимиполями, создадут одинаковые вращающие моменты, направленные в разныестороны и уравновешивающие друг друга (рис. 15.22 а).

Следовательно, роторсамостоятельно не может прийти во вращение.Пуск однофазного двигателя обычно осуществляется путем применениявспомогательной фазы (рис. 15.22 б). Последняя представляет собой дополнительную обмотку, размещенную в пазах статора так, чтобы ее поток был сдвинут пространственно на 90° по отношению к потоку главной обмотки статора.Ток в этой дополнительной обмотке должен быть сдвинут по фазе по отношению к току главной обмотки на угол, возможно более близкий к 90°. Если этиусловия осуществлены, то магнитные потоки главной и дополнительной обмоток вместе создают вращающееся магнитное поле; это поле несимметрично исоздает вращающий момент относительно небольшой по величине, но достаточный для пуска двигателя в ход.

Дополнительная обмотка выключается, когда двигатель достигает нормальной скорости, так как она рассчитана на кратковременную нагрузку.Для получения 90° сдвига фазы тока в дополнительной обмотке можносделать ее короткозамкнутой или включить последовательно с ней емкостноесопротивление (рис. 15.22 б)..