Электромеханические свойства электропривода переменного тока

4. Электромеханические свойства электропривода переменного тока

4.1. Асинхронный и синхронный электродвигатели. Принцип работы

            Трехфазные асинхронные двигатели составляют основу современного электропривода. От ДПТ их отличает простота конструкции, надежность, высокие технико-экономические показатели. В настоящее время частотные преобразователи позволили сделать регулировочные свойства АД более лучшими, чем у ДПТ с НВ.

            По конструкции ротора АД разделяются на двигатели и короткозамкнутым ротором (КЗР) и двигатели с фазным ротором (ФР). Наиболее простая конструкция у АД с КЗР. Ротор такого двигателя не имеет выводов, так как его обмотка выполнена в виде короткозамкнутой клетки (беличья клетка). Его обмотка выполнена в виде ряда медных или алюминиевых стержней, расположенных по периметру сердечника ротора, замкнутые в двух сторон короткозамыкающими кольцами. Простота конструкции обеспечивает им высокую надежность, простоту обслуживания и невысокую стоимость. Схема включения АД СС КЗР представлена на рис. 4.1, а.

            Фазный ротор имеет трехфазную обмотку, выполненную по типу обмотки статора (рис. 4.1, б). Одни концы катушек соединены в нулевую точку («звезда»), а другие – подключены к контактным кольцам. На кольца наложены щетки, осуществляющие скользящий контакт с обмоткой ротора. При такой конструкции возможно подсоединение к обмотке ротора пускового или регулировочного реостата, позволяющего менять электрическое сопротивление в цепи ротора. Такие двигатели более сложны в изготовлении и эксплуатации, поэтому применяются только там, где применение АД с КЗР не обеспечит требованиям в приводу механизма.

            Ротор АД отстаёт от вращающегося магнитного поля статора, которое создается обмоткой статора, то есть вращение происходит асинхронно. В этих условиях вращающееся поле статора индуцирует ЭДС в обмотке роторе, под действием которого в роторе протекает ток, который взаимодействует с вращающимся магнитным полем (ВМП), создавая вращающий момент двигателя. В рабочих режимах разница частот вращения статора и ротора не велика и составляет несколько процентов. При рассмотрение рабочих процессов АД обычно используют понятие скольжения

.

Скорость асинхронного двигателя в рабочих режимах

Рекомендуемые материалы

,

где синхронная частота вращения магнитного поля ; – частота питающего напряжения ; – число пар полюсов.

Статор синхронного двигателя (СД) конструктивно не отличается от статора АД. Ротор СД имеет явнополюсную конструкцию, на полюсах которого расположена обмотка возбуждения. При включении обмотки к источнику постоянного тока в двигателе создается дополнительное магнитное поле. Таким образом, для работы синхронного двигателя кроме 3х-фазного переменного напряжения требуется также постоянное. Исключение составляют двигатели, возбуждаемые постоянными магнитами. Такие двигатели обладают абсолютно жесткой механической характеристикой: ротор двигателя вращается синхронно с вращающимся магнитным полем с частотой .

В отличие от АД, синхронные не создают пускового момента, так как ротор двигателя по причине инерционности не может мгновенно разогнаться до синхронной скорости. Для пуска СД необходимо предварительно привести его во вращение до скорости, близкой к синхронной (. С этой целью применяют асинхронный пуск, для чего на роторе двигателя располагается пусковая обмотка, конструктивно похожая на беличью клетку.

Процесс асинхронного пуска СД протекает следующим образом (рис. 4.2).

 При включении обмотки статора СД в сеть СД запускается как асинхронный. При этом обмотку возбуждения замыкают на сопротивление для ограничения величины ЭДС, которая наводится в ОВ при пуске двигателя. При достижении скорости вращения близкой к номинальной, обмотку возбуждения подключают к постоянному напряжению, и двигатель втягивается в синхронизм, то есть скорость вращения двигателя становится равной синхронной скорости.

            Синхронные двигатели изготавливаются на большие мощности: от сотен до тысяч киловатт. Объясняется это тем, что при меньших мощностях их применение нецелесообразно по технико-экономическим показателям.

            СД обычно имеют целевое назначение, то есть каждая серия разработана для конкретных механизмов (для шаровых мельниц - СДМЗ, для привода компрессоров – СДК, для привода насосов – ВДС и др.).

Синхронные двигатели имеют перегрузочную способность .

Еще одной особенностью СД является возможность работать с величиной , более того, при перевозбуждении синхронный двигатель начинает генерировать емкостную нагрузку. Для повышении  в сети используют синхронные компенсаторы, представляющие собой перевозбужденные СД специальной конструкции, работающие без нагрузки на валу.

Механические характеристики синхронного двигателя представлены на рис. 4.3 (прямая 1).

Для синхронных двигателей важное значение имеет угловая характеристика, то есть зависимость момента синхронной машины от угла . Угол  - это угол между напряжением на статоре и ЭДС двигателя. При значениях, больших 90 градусов, как видно из рис. 4.4, двигатель выпадает из синхронизма, так как участок угловой характеристики при  является неустойчивым.

4.2. Механические характеристики асинхронного двигателя

Для вывода уравнения механической характеристики АД можно воспользоваться упрощенной схемой замещения двигателя, приведенной на рис. 4.5. На схеме приняты следующие обозначения:  - первичное фазное напряжение;  - фазный ток статора; -приведенный ток ротора;  и  - первичное и вторичное приведенное реактивные сопротивления рассеяния;  и  - активное и реактивное сопротивление контура намагничивания.

Уравнение механической характеристики можно получить из выражения активной электромагнитной мощности, передаваемой через воздушный зазор ротору двигателя

,

откуда

.                                                         (4.1)

Выражение для приведенного тока ротора  можно найти из схемы замещения по первому закону Кирхгофа

,                                              (4.2)

где  - индуктивное сопротивление короткого замыкания.

Тогда, подставляя (4.2) в в уравнение для момента (4.1), получим

.                                      (4.3)

Анализ формулы (4.3) показывает, что она имеет точки экстремума; критическое скольжение, соответствующее экстремуму, может быть определено путем дифференцирования по s и последующего приравнивания нулю этой производной:

.

Подставив формулу для критического скольжения в (6), можно найти выражение для критического момента

.

После преобразований выражение для момента (6) можно записать в форме уточнённой формулы Клосса:

,                                                         (4.4)

где .

            Вид механической характеристики показан на рис. 4.6.

Анализ формулы (4.4) показывает, что при  механическая характеристика близка к линейной зависимости , а в области больших скольжений () имеет гиперболический характер: . При  момент принимает максимальное значение, причем в двигательном режиме соответствующее значение критического момента меньше, чем в генераторном.

            Характерные точки МХ АД:

1) , при этом скорость двигателя равна синхронной скорости;

2) , что соответствует номинальному режиму работы двигателя;

3)  - экстремум механической характеристики в двигательном режиме;

4)  - пуск. В этот момент времени двигатель развивает пусковой момент;

5)  – экстремум механической характеристики в генераторном режиме.

При  двигатель работает в режиме торможения противовключением, при  имеет место генераторный режим работы параллельно с сетью.

4.3. Влияние параметров на вид механической характеристики асинхронного двигателя. Искусственные механические характеристики

Из выражения частоты вращения асинхронного двигателя

следует, что при постоянном статическом нагрузочном моменте  на валу двигателя частота вращения ротора зависит от частоты питающей сети , числа пар полюсов и величины скольжения . Кроме того в номинальных режимах работы величина ЭДС двигателя слабо отличается от величины питающего напряжения, поэтому

.                                               (4.5)

4.3.1. Изменение сопротивления ротора

Данный способ регулирования скорости возможен только для двигателей с фазным ротором, где имеется возможность изменения величины добавочного сопротивления ротора . При этом, как следует из выражений для критических момента и скольжения, при вариациях данного параметра будет изменяться величина скольжения, а величина критического момента остаётся неизменной. Данный способ регулирования скорости называют реостатным. Вид искусственных характеристик показан на рис. 4.7, а.

Величина критического момента при изменении сопротивления ротора остаётся неизменной, а величина критического скольжения изменяется.

При данном способе регулирования увеличивается значение пускового момента, двигатель не перегревается, однако суммарные потери возрастают, что снижает общий КПД.

4.3.2. Изменение напряжения на статоре

При данном способе изменяется величина первой гармоники напряжения статора двигателя . При этом, величина критического скольжения не изменяется, то есть  (рис. 4.7, б). Изменяется величина критического момента, причем существенным является тот факт, что величина момента изменяется пропорционально квадрату напряжения статора. Регулирование, при котором изменяется величина  называют фазовым. Изменение напряжения возможно только в сторону уменьшения, так как при увеличении напряжения при постоянстве частоты  будет возрастать величина магнитного потока. Это в свою очередь приведет к существенному росту тока намагничивания, который может достигать и превосходить номинальное значение тока двигателя вследствие явления насыщения машины.

4.3.3. Изменение частоты питающей сети.

Согласно формуле, для синхронной частоты , при изменении частоты питающего напряжения на статоре  будет изменяться частота вращения вращающегося магнитного поля . Из формулы (4.5) видно, что при уменьшении частоты при  происходит возрастание магнитного потока, что приводит к насыщению машины и большому возрастания тока намагничивания . Поэтому изменение частоты возможно только выше номинальной. При увеличении  происходит возрастание величин индуктивных сопротивлений , что в свою очередь ведет к уменьшению критических скольжения и момента (рис. 4.7, в).

            Перепишем формулу для ЭДС двигателя, оставив в левой части магнитный поток

.

Так как число витков обмотки  постоянно, становится очевидным, что для обеспечения постоянного значения магнитного потока необходимо поддерживать постоянным отношение , то есть необходимо обеспечить выполнение закона .

4.4. Тормозные режимы асинхронного двигателя.

 Механические характеристики асинхронного двигателя в тормозных режимах

4.4.1. Режим рекуперативного торможения

Данный режим возникает при превышении частоты вращения ротора относительно синхронной частоты вращения магнитного поля статора (). В этих условиях электромагнитный момент двигателя становится отрицательным, а вырабатываемая энергия отдаётся в сеть. Практически этот режим можно получить уменьшив синхронную частоту вращения в работающем двигателе. Из формулы для частоты вращения ВМП () видно, что сделать это можно двумя способами: либо изменением числа пар полюсов в обмотке статора в сторону увеличения , либо уменьшением частоты питающего напряжение . Этот режим применяют для уменьшения частоты вращения перед полной остановкой двигателя в лифтах, либо в тех случаях, когда двигатель работает на активный момент (например, в подъемно-транспортных машинах). Схема включения и механические характеристики двигателя в режиме рекуперативного торможения представлены на рис. 4.8, а, б соответственно.

4.4.2. Режим торможения противовключением

 Режим получается, когда активный статический момент больше, чем пусковой либо при изменении чередования фаз на обратное, при этом частота вращения магнитного поля изменяет направление вращения на притивоположное. Данный режим позволяет получать большие моменты, благодаря чему время торможения существенно уменьшается. Если при переключении чередования фаз двигатель включить при скорости близкой к нулю, то двигатель перейдет в двигательный режим работы другого направления вращения. При таком способе торможения в двигателе возникают большие токи, поэтому данный режим применяется для двигателей с ФР и введением дополнительного сопротивления в цепь ротора для ограничения максимального тока двигателя.

В асинхронном двигателе с ФР момент и ток двигателя можно регулировать введением в цепь ротора дополнительного сопротивления. При этом изменяется жесткость механических характеристик в режиме торможения. При торможении вся энергия выделяется на сопротивлении ротора и дополнительном сопротивлении, поэтому этот режим является неэкономичным.

            Схема включения и механические характеристики для этого режима представлены на рис. 4.9, а, б соответственно.

4.4.3. Динамическое торможение

 Этот вид торможения наступает в трехфазном АД при отключении его от сети переменного тока и подключении его к источнику постоянного тока. При этом постоянный ток создаст неподвижное магнитное поле статора. В этих условиях в роторе, вращающемся по инерцией, наводится ЭДС, возникает ток в обмотке ротора, взаимодействие которого с магнитным полем приводит к созданию тормозного момента на валу двигателя. В процессе динамического торможения механическая энергия вращающихся масс электропривода преобразуется в электрическую энергию, которая расходуется на нагрев обмотки ротора и дополнительных резисторов, включенных в цепь ротора. При скорости близкой к нулю, ЭДС становится равной нулю, ток прекращается, и тормозной момент пропадает.

Данный режим применяют для точной остановки двигателя. Постоянный ток преодолевает лишь активное сопротивление обмотки статора, поэтому напряжение постоянного тока, подводимое к обмотке статора при динамическом торможении, должно быть ниже напряжения переменного тока, соответствующего работе двигателя, так, чтобы ток в обмотке статора не превышал номинального значения. Схема включения и механические характеристики динамического торможения показаны на рис. 4.10, а, б.