Рабочие характеристики трехфазного асинхронного двигателя

 

Рабочими характеристиками называются зависимости мощ­ности Р₁скольжения s, тока в фазе статора I₁, КПД η и cosφ₁ от полезной мощности Р₂при U₁= const и f₁ = const.

Характеристики строятся для зоны практически устойчи­вой работы двигателя, т.е. до значений скольжений(1,1... 1,2)%. Опытным путем характеристики получают путем изменения нагрузки на валу двигателя при помощи вспомогательного нагрузочного устройства, из которых предпочтительным являет­ся генератор постоянного тока независимого возбуждения. Непосредственно измеряют момент, скорость вращения, ток ста­тора, мощность, потребляемую из сети. Скольжение, КПД и ко­эффициент мощности определяют расчетным путем по соот­ношениям, приведенным выше.

Рабочие характеристики, построенные в относительных единицах, представлены на рис. 3.16.

 

Рис. 3.16. Рабочие характеристики трехфазного асинхронного двигателя

Зависимость s(P₂) практически линейна и кривая слабо наклонена к оси абсцисс, поскольку s_H ≈ (0,08...0,1) и момент практически линейно зависит от скольжения.

Зависимость Р₁ (Р₂) также близка к линейной, как и зависи­мость I₁(Р₂). Это свидетельствует о том, что активная состав­ляющая тока пропорциональна полезной мощности Р₂. Реак­тивная составляющая тока в диапазоне рабочих нагрузок ме­няется мало, поскольку она определяется током холостого хода I₀, который составляет 20...40% от номинального тока. Поэтому зависимость I₁(P₂) выходит не из начала координат.

Зависимость cosφ₁ = f(P₂) показывает, что при малых на­грузках cosφ₁ имеет низкие значения (0,1...0,3). С увеличением нагрузки cosφ₁ увеличивается, достигая максимума (0,75...0,9) при нагрузке, близкой к номинальной. С ростом нагрузки и мощности активная составляющая мало изменяется по срав­нению с режимом холостого хода. При дальнейшем росте нагрузки cosφ₁ снижается из-за роста потоков рассеяния об­моток.

Зависимость η(Р₂) имеет такой же характер, как и у транс­форматора. Максимум КПД имеет место при нагрузках, немно­го меньших, чем номинальное значение. При дальнейшем уве­личении нагрузки КПД снижается из-за роста электрических потерь, которые пропорциональны квадратам токов статора и ротора.

Из анализа рабочих характеристик следует, что при малых нагрузках работа двигателя неэффективна, он имеет малые значения КПД и коэффициента мощности. С другой стороны, если двигатель перегружен, то эффективность его работы также снижается, но сверх того, он испытывает повышенный нагрев, а условия охлаждения, напротив, ухудшаются, поскольку интенсивность охлаждения зависит от куба скорости враще­ния вентилятора на валу двигателя. Поэтому, выбирая двига­тель для конкретного механизма, следует как можно точнее рассчитывать его мощность.

Способы пуска и регулирования

Частоты вращения АД.

Пусковые свойства асинхронных двигателей в основном определяются следующими величинами: пусковым током, пус­ковым моментом, плавностью и экономичностью процесса пус­ка, длительностью пуска. В каталогах обычно указывается кратность пускового тока I_П/I_Н и пускового момента М_П/М_Н.Кроме того, пусковые свойства асинхронного двигателя опре­деляются особенностями его конструкции, в частности устрой­ством ротора, который может быть с обычной короткозамкнутой обмоткой, с глубокопазной короткозамкнутой обмоткой, с фазным ротором.

Различают три вида пуска: прямой, пуск с пониженным напряжением на статоре, реостатный пуск (для двигате­лей с фазным ротором).

Прямой пуск наиболее простой и чаще всего применяет­ся для пуска двигателей с короткозамкнутым ротором. Необ­ходим лишь коммутирующий аппарат — рубильник или маг­нитный пускатель, а для двигателя высокого напряжения — масляный выключатель. Пуск происходит путем непосредствен­ного подключения обмотки статора к сети. При прямом пуске двигателя кратность пускового тока велика и составляет при­мерно 5,5...7 (для двигателей мощностью 0,6...100 кВт при синхронной скорости 750...3000 об/мин). Кратковременный толчок пускового тока относительно безопасен для двигате­ля, но вызывает увеличение потери напряжения в сети и может неблагоприятно сказаться на других потребителях энергии, присоединенных к той же сети. Поэтому допустимая номи­нальная мощность асинхронных двигателей при прямом пуске зависит от мощности распределительной сети. В мощных се­тях допускается прямой пуск двигателей с короткозамкнутым ротором мощностью и до 1000 кВт, но в большинстве случаев эта мощность не превышает 100 кВт.

У двигателей общепромышленного исполнения с короткозамкнутой обмоткой ротора кратность пускового момента лежит в пределах 1,2...2,5. Таким образом, двигатель при пуске имеет большую силу тока, а развивает относительно не­большой пусковой момент.

Пуск с пониженным напряжением на статоре. Ис­пользуется для мощных двигателей с целью ограничения пус­кового тока. Используют для этой цели реакторы (трехфаз­ные катушки индуктивности), автотрансформаторы (рис. 3.17).

 

Рис. 3.17. Схема пуска короткозамкнутого двигателя: а — с помощью реактора; б — при помощи автотрансформатора

Для уменьшения пускового тока можно на начальном эта­пе пуска понизить напряжение на зажимах статора, включив последовательно с обмоткой статора трехфазное индуктив­ное сопротивление — реактор Р (рис. 3.17,а). При пуске за­мыкается выключатель В1, и, таким образом, осуществляется последовательное соединение реактора и двигателя МА. Когда скорость двигателя приближается к номинальной, замыкается выключатель В2, который закорачивает катушку и подает на­пряжение сети непосредственно на статор МА. Уменьшение пускового тока, создаваемое понижением напряжения на стато­ре, вызывает уменьшение пускового момента, пропорциональ­ного квадрату напряжения на статоре. Например, при таком пуске уменьшение пускового тока в 2 раза будет сопровож­даться уменьшением пускового момента в 4 раза. Во многих случаях при пуске двигателя под нагрузкой такое понижение момента недопустимо, двигатель не сможет преодолеть ме­ханический момент торможения на валу.

Еще менее выгодно применение вместо реактора активно­го сопротивления поскольку это связано с дополнительными потерями энергии в реостате.

Для мощных двигателей часто применяется пуск при помо­щи автотрансформатора (рис. 3,17,б). Пуск происходит в два этапа: на первом этапе переключатели П1-ПЗ находятся в по­ложении 1. На двигатель МА подается пониженное фазное напряжение, и пусковой ток уменьшается пропорционально коэффициенту трансформации, но пусковой ток в сети меньше пускового тока двигателя в k раз. Следовательно, понижение напряжения автотрансформатором в к раз уменьшает пуско­вой ток в сети в k²раз. В то же время пусковой момент, пропорциональный квадрату напряжения, уменьшается в k²раз. Таким образом, пусковой момент уменьшается пропорциональ­но линейному пусковому току, тогда как при реостатном пуске момент уменьшается пропорционально квадрату пускового тока. Например, при понижении напряжения автотрансфор­матором вполовину пусковой ток сети понизится в 2 раза и в 2 раза понизится и пусковой момент. На втором этапе пере­ключатели П1-ПЗ переводятся в положение 2 и к статору подводится полное напряжение сети.

Понижение напряжения на статоре на время пуска можно осуществить также посредством переключения на время пуска обмотки статора, нормально работающей при соединении «треугольником», на соединение «звездой». Такое переключе­ние применяется только для пуска в ход короткозамкнутых двигателей относительно малой мощности, примерно до 20 кВт, работающих нормально при соединении обмоток статора «треугольником». При пуске обмотка статора соединяется «звездой», благодаря чему фазное напряжение уменьшается в √3 раз, примерно во столько же раз уменьшается и фазный пусковой ток. Переключение с «треугольника» на «звезду» используется также для того, чтобы дать возможность приме­нять одни и те же двигатели при двух различных линейных напряжениях, например 220/380 В. Для упрощения переклю­чения, а также для использования стандартных перемычек, за­жимы обмоток статора на присоединительном щитке двигате­ля располагаются соответствующим образом (рис. 3.18).

 

Рис. 3.18. Расположение на щитке зажимов начал и концов обмотки

статора

Следует отметить, что для машин переменного тока, раз­работанных после 1 января 1987 г., установлена система обо­значений выводов обмоток (ГОСТ 26772-85), соответствующая международным стандартам: фаза A: U1w U2, фаза В: V1 и V2, фаза С: W1 и W2. При соединении обмотки в «звезду» внут­ри двигателя используют обозначения выводов: U, V, W (N — если нейтраль выведена); при соединении обмотки в «тре­угольник»: U, V, W. Линейные провода на схеме обозначаются соответственно: L1, L2w L3.

Хорошими пусковыми свойствами обладает асинхронный двигатель с двойной беличьей клеткой. В таком двигателе короткозамкнутая обмотка ротора выполнена в виде двойной беличьей клетки, т. е. короткозамкнутый ротор снабжается двумя клетками, лежащими в теле ротора одна над другой: нижней — рабочей / и верхней — пусковой 2 (рис. 3.19,а). Стержни нижней клетки имеют обычно большее сечение (рис. 3.19,б). Таким образом, активное сопротивление верхней клетки значительно больше активного сопротивления нижней клетки (в 4—5 раз). Обе клетки

снабжены с торцевых сторон замыкающими кольцами.

Рис. 3.19. Ротор с двойной беличьей клеткой (а) и сечения верхнего и нижнего стержней (б)

В первый момент пуска двигателя (пока g = 1) частота токов в роторе равна частоте сети; в этих условиях полное сопротивление внутренней клетки обусловливается главным образом ее большим индуктивным сопротивлением. Таким образом, при пуске двигателя в роторе имеет место явление вытеснения тока из внутренней беличьей клетки. В то же время полное сопротивление наружной клетки является пре­имущественно активным сопротивлением и создает большой пусковой момент, как это имеет место и у двигателя с контактными кольцам при включении пускового активного со­противления. Отношение токов верхней и нижней клеток за­висит от отношения полных сопротивлений этих клеток; обыч­но при пуске ток нижней клетки значительно меньше тока верхней клетки.

По мере разгона ротора частота токов в нем уменьшается, уменьшается и влияние индуктивного сопротивления на рас­пределение токов. При номинальной скорости вращении час­тота токов ротора имеет значение порядка 1 Гц; в этих усло­виях индуктивные сопротивления весьма малы и распределе­ние токов между клетками ротора определяется отношением активных сопротивлений клеток, поэтому большая часть тока проходит по нижней, рабочей клетке, а результирующее актив­ное и полное сопротивления ротора в таких условиях малы, как у обычного двигателя с короткозамкнутым ротором.

Таким образом, у двигателей с двойной беличьей клеткой активное сопротивление обмотки ротора в целом изменяется в зависимости от изменения скольжения — оно велико при пуске и мало при номинальной скорости. Благодаря этому двигатель с двойной беличьей клеткой, по сравнению с обыч­ным двигателем, имеющим короткозамкнутый ротор, развивает повышенный пусковой вращающий момент при пониженном пусковом токе.

Двигатель с глубоким пазом ротора также обладает повы­шенным пусковым моментом. Это обусловлено также явлени­ем вытеснения тока и представляет собой упрощенный вариант двигателя с двойной клеткой. Обмотка ротора этого дви­гателя изготовляется из прямоугольных стержней малой ши­рины и большой высоты, которые помещаются в соответствующие глубокие пазы в стали ротора или заливаются в них.

 

Рис. 3.20. Стержень ротора и распределение магнитного

поля в глубокопазном ротаре

 

Переменный ток распределя­ется по сечению проводника в об­щем случае неравномерно; это явление использовано в данном двигателе. На рис. 3.20 показа­но поле рассеяния, замыкающее­ся поперек глубокого паза, когда по стержню обмотки проходит ток.

Часть стержня, лежащая в глубине паза, сцеплена с боль­шим потоком рассеяния, чем верх­няя часть того же стержня. Вслед­ствие этого при пуске двигателя в повышенное реактивное сопротивление нижней части стерж­ня вызывает вытеснение тока ротора в верхнюю часть сечения стержня. Это эквивалентно уменьшению сечения стержня и увеличению активного сопротивления обмотки ротора, благо­даря чему повышается пусковой момент двигателя и уменьша­ется пусковой ток.

При рабочей скорости двигателя индуктивное сопротивле­ние становится незначительным благодаря уменьшению часто­ты, ток распределяется по сечению стержня почти разномерно и двигатель работает, как обычный короткозамкнутый.

Двигатель с глубоким пазом ротора в конструктивном от­ношении проще двигателя с двойной клеткой и получил широ­кое применение.

Лучшие пусковые условия обеспечивает асинхронный дви­гатель с фазным ротором (рис. 3.21,а). При включении в цепь ротора пускорегулирующего сопротивления можно получить семейство механических характеристик с пусковыми момента­ми от минимального значения М_п, соответствующего есте­ственной характеристике, до М_п1, равного критическому мо­менту двигателя М_кр. При этом пропорционально будет умень­шаться ток двигателя, поскольку R3>R2>R1.

Рис. 3.21. Схема соединения обмоток статора и ротора

асинхронного двигателя с фазным ротором (а)

и механические характеристики двигателя при увеличении

пускорегулирующего сопротивления от 0 до R3 (б)

 

 

При изменении добавочного сопротивления в цепи ротора максимальный момент двигателя не изменяется, поскольку он не зависит от активного сопротивления ротора, увеличение сопротивления только смещает его в сторону большего сколь­жения. Выключение ступеней пускового реостата заставляет двигатель переходить с одной характеристики на другую.

Сопротивления реостата обычно выводят на контакты, бла­годаря чему при пуске момент двигателя и ток изменяются по ступенчатой кривой (рис. 3.21,б), число ступеней которой определяется числом контактов пускового реостата. Чем бли­же пусковой момент к максимальному моменту, тем больше будет и пусковой ток. По этой причине лишь для особо тяже­лых условий пуска реостат подбирается так, чтобы пусковой момент был равен максимальному.

Пусковой реостат должен в течение времени пуска, не перегреваясь, поглощать мощность, примерно равную мощно­сти двигателя. Следовательно, размеры пускового реостата определяются частотой пусков. В ряде случаев пусковые рео­статы выполняются с масляным охлаждением.

Таким образом, применение пускового реостата значитель­но улучшает пусковые условия асинхронного двигателя, повы­шая пусковой момент и уменьшая толчок тока. Однако, с дру­гой стороны, двигатель с фазной обмоткой ротора дороже двигателя с короткозамкнутой обмоткой, усложняется его об­служивание, что следует иметь в виду при подборе двигателя для конкретных механизмов.