2.5. Скоростные и механические характеристики асинхронного двигателя

Известно, что асинхронные машины могут выполняться с короткозамкнутым и с фазным ротором.

Cхемы включения асинхронных машин приведены на рис.2.12.

а) б)

Рис.2.12. Схемы включения асинхронных машин

а)- с короткозамкнутым ротором;

б)- с фазным ротором

Для определения уравнений, описывающих скоростные и механические характеристики асинхронного двигателя, используется упрощенная схема его замещения (рис.2.13), где

- ток намагничивания;

- индуктивное сопротивление контура намагничивания;

– фазное напряжение обмотки статора;

- активное и индуктивное сопротивления обмотки статора соответственно;

- приведенные активное и индуктивное сопротивления обмотки ротора соответственно;

- скольжение.

Рис.2.13. Схема замещения асинхронного электродвигателя

При этом приняты следующие допущения:

• не учитывается насыщение магнитной цепи электрической машины;

• параметры ротора и статора не зависят от режима работы двигателя;

• не учитываются добавочные потери и влияние высших гармонических составляющих намагничивающих сил;

• по причинам, указанным в подразделе 2.2, считаем, что электромагнитная мощность асинхронного двигателя примерно равна мощности на его валу.

Из схемы замещения следует, что приведенный ток ротора равен

. (2.39)

Известно, что электромагнитная мощность, передаваемая на ротор, равна сумме мощности Мω, преобразуемую в механическую, и мощности потерь Мω₀S в обмотках ротора (потери в стали ротора здесь не учитываются в связи с их пренебрежимо малой величиной). Имея в виду, что,

Момент электродвигателя можно представить, как

. (2.40)

Подставим в (2.40) вместо приведенного тока ротора его значение из (2.39) и определим электромагнитный момент М двигателя:

(2.41)

Зависимости (2.39) и (2.41) являются уравнениями скоростной и механической характеристик соответственно. Из анализа (2.41) следует, что при S = 0 и момент двигателя равен нулю, то есть описываемая данным уравнением кривая имеет точки экстремумов. Для определения этих точек решается уравнение

и определяется значение критического скольжения

(2.42)

где - индуктивное сопротивление короткого замыкания.

Подставив (2.42) в (2.41), получаем уравнение для определения значения критического момента

(2.43)

Знаки (  ) в (2.42) и (2.43) означают, что максимум момента имеет место как в двигательном, так и в генераторном режимах: (+) – для двигательного режима; (-) – для генераторного. Причем из анализа (2.43) очевидно, что момент М_кг критический в генераторном режиме больше, чем момент М_кд критический в двигательном режиме.

С учетом (2.42) и (2.43) уравнение механической характеристики приобретает следующий вид:

(2.44)

где

В тех случаях, когда (обычно это бывает у асинхронных машин большой мощности), произведением аS_к можно пренебречь, и тогда уравнение механической характеристики приобретает вид

(2.45)

где

Если производится анализ работы машины при и , то в (2.45) можно пренебречь составляющей . При этом

(2.46)

Механическая характеристика, построенная согласно (2.44), имеет вид, приведенный на рис.2.14.

Рис.2.14. Механическая характеристика асинхронной машины

Для асинхронной машины перегрузочная способность определяется отношением ее критического момента в двигательном режиме к номинальному и регламентируется условиями нагрева двигателя, подробное описание которых приводится ниже. Для увеличения  применяется кремнийорганическая изоляция, более совершенная система вентиляции и снижение постоянных потерь, которые включают в себя механические потери, потери в стали статора и ротора и потери в стали за счет намагничивающего тока. Из приведенного перечня следует, что увеличение перегрузочной способности возможно путем изменения конструкции электрической машины. Например, потери от намагничивающего тока можно уменьшить, уменьшая воздушный зазор между статором и ротором; снижение температуры электродвигателя достигается путем применения принудительной вентиляции и т.д.

В нефтяной промышленности применяются погружные короткозамкнутые электродвигатели, работающие при высоких температурах и давлениях, когда для обеспечения требуемой перегрузочной способности необходимо уплотнение между подшипником и выходным валом, которое чаще всего невозможно обеспечить. Поэтому для предотвращения тяжелых аварий и снижения качества перекачиваемой жидкости стали применяться асинхронные двигатели, где статор и ротор отделены друг от друга антимагнитной гильзой, изготовленной, например, из аустенитной стали. Вал двигателя соединяется с рабочим колесом насоса без герметических уплотнений. Благодаря такой конструкции стало возможным изготовление погружных электродвигателей на десятки киловатт с КПД до 96 %.

Из анализа механической характеристики асинхронной машины и описывающего ее уравнения можно сделать следующие выводы:

• критические момент и скольжение асинхронной машины уменьшаются при увеличении ее индуктивного сопротивления и активного сопротивления обмотки статора;

• критическое скольжение не зависит от напряжения питания двигателя, а критический момент пропорционален его квадрату;

• жесткость механической характеристики является переменной величиной, и при скольжениях, равных критическим, происходит изменение ее знака;

• при скольжениях меньше критических жесткость характеристики отрицательна, а при скольжениях больше критических – положительна, то есть во втором случае работа асинхронной машины в статических режимах является неустойчивой;

• в зоне малых скольжений при S  (0,35 – 0,4) Sк механическая характеристика может считаться линейной, а ее жесткость – постоянной.

Скоростная характеристика асинхронной машины описывается уравнением (2.39), однако в связи с тем, что у данной машины имеется и ток статора, необходимо исследование двух видов скоростных характеристик:

Из анализа (2.39) следует, что при S  ток ротора стремится к значению некоторого предельного тока I₂_пр, который определяется как

^. (2.47)

При отрицательных скольжениях ток ротора возрастает и имеет экстремум, который характеризуется максимальными значениями тока I₂_м и скольжения . Ток определяется из условия и описывается уравнением

(2.48)

При этом

(2.49)

При скольжениях, больших , ток ротора стремится к I₂_пр. Так как для двигателей небольшой мощности то

У двигателей большой мощности то есть следовательно, режим, когда ток равен максимальному, практически недостижим. Из этого следует, что при равных значениях скольжения ток в генераторном режиме всегда больше тока в двигательном режиме.

Однако для построения скоростной характеристики не всегда удобно использовать (2.39) из-за отсутствия обмоточных данных машины. Поэтому из (2.40) и (2.44) получаем

(2.50)

При номинальном значении тока I₂_н ротора

(2.51)

где М_н – номинальный момент асинхронной машины;

S_н – номинальное скольжение.

После совместного решения (2.50) и (2.51) относительно тока ротора получаем

(2.52)

где

Из упрощенной круговой диаграммы [1,2] асинхронной машины получаем

, (2.53)

где – коэффициент кратности тока намагничивания.

На рис.2.15 приведены скоростные характеристики асинхронной машины, рассчитанные по изложенным выше методикам.

Рис.2.15. Скоростные характеристики асинхронной машины

Из рис.2.14 и рис.2.15 видно, что даже при небольших моментах короткого замыкания токи короткого замыкания могут иметь значительные величины. Поэтому возникает необходимость их ограничения. Для этого применяются специальные методы, которые будут описаны ниже при рассмотрении динамических режимов электроприводов.

С точки зрения распределения энергии асинхронная машина может работать в тех же режимах, что и машина независимого возбуждения, и имеет такие балансы мощностей.

Режим рекуперации осуществляется при скорости вращения ротора, большей, чем скорость вращения поля статора, то есть при    ₀ и S  0 (области А рис.2.16).

Из векторной диаграммы 1,2 следует, что рекуперация энергии в сеть возможна до

Рис.2.16. Механические характеристики при различных режимах

работы асинхронной машины

То есть рекуперация осуществляется до тока, равного максимальному в генераторном режиме. Однако для реальных машим это ограничение значения не имеет, так как обычно скольжения не достигают таких величин. При скорости энергия, поступающая с вала электродвигателя, не отдается в сеть, а рассеивается в виде потерь в электрических цепях машины.

Критический момент в генераторном режиме больше, чем в двигательном, в результате того, что при равных модулях скольжения ток в генераторном режиме всегда больше, чем в двигательном, и эта разница увеличивается при увеличении активного сопротивления статора. Из (2.43) можно получить соотношение критических моментов в двигательном и генераторном режимах

Режим противовключения возможен при изменении направления вращения ротора или поля статора. Первое возможно при наличии активного статического момента, превышающего момент короткого замыкания (область В рис.2.16); второе – за счет изменения последовательности чередования фаз (область Г рис.2.16).

Режим динамического торможения асинхронной машины осуществляется путем отключения ее от сети переменного напряжения и подачи в две фазы статора постоянного тока. В процессе торможения энергия поступает с вала двигателя и расходуется в виде электрических потерь.

Из уравнения баланса мощностей определяется уравнение механической характеристики при динамическом торможении 1

(2.54)

где

– постоянный ток в обмотке статора.

Анализ (2.54) показывает, что описываемая этим уравнением кривая имеет экстремум. Если пренебречь насыщением магнитной системы электродвигателя (Х_µ=const), то критические момент М_кт и скольжение S_кт в точке экстремума определяются следующим образом:

(2.55)

(2.56)

где Х_µ0 – индуктивное сопротивление рассеяния контура намагничивания при I_µ→0.

Построенные согласно (2.54) механические характеристики динамического торможения приведены на рис.2.17.

Из (2.55), (2.56) и рис.2.17 следует, что величина критического скольжения при динамическом торможении не зависит от величины постоянного тока в обмотке статора и изменяется при изменении активного сопротивления роторной цепи. Критический момент, при прочих равных условиях, пропорционален квадрату постоянного тока. В электроприводе буровых лебедок для осуществления надежного торможения применяются асинхронные электродвигатели, объединенные с тормозным устройством. Для этого используется асинхронный двигатель с коническим ротором и встроенным тормозом. Здесь вал двигателя заканчивается вентилятором с тормозной шайбой, а на боковом щитке крепится тормозной диск.

I_экв1 ;  I_экв2; R₂₁ ;  R₂₂ ;

Рис.2.17. Механические характеристики асинхронной

машины при динамическом торможении

При включении двигателя в сеть ротор втягивается в расточку статора, и тормозная шайба отходит от диска, прекращая тормозное действие. После выполнения рабочих операций двигатель отключается от сети, под воздействием пружины ротор соприкасается с тормозной шайбой, и рабочий механизм затормаживается. При такой конструкции вентилятор обдувает двигатель и тормозное устройство.