книги из ГПНТБ / Основы автоматизированного электропривода учеб. пособие

(2-72) только приблизительно соответствует условию мак­

симума cos срх-

При больших значениях скольжения (s -у оо) cos ->

Следует отметить, что для любых значений скольже­

так как реактивная составляющая тока / х всегда больше реактивной составляющей / 2 на значение тока намагни­ чивания двигателя / р.

Асинхронный двигатель может работать в тех же тормозных режимах, что и двигатель постоянного тока, а именно: в режимах рекуперативного торможения, противовключения, динамического с независимым возбужде­ нием и самовозбуждения.

Режим рекуперативного торможения имеет место при

а годографом вектора 71 — нижняя полуокружность Сх — см. круговую диаграмму на рис. 2-42. Из векторной диаграммы следует, что активные составляющие токов i'i и 1Ъ представляющие собой проекции указанных

векторов соответственно на векторы Е'г и £/ф, будут отри­ цательными, что соответствует отдаче асинхронной маши­ ной в сеть активной мощности (энергии), т. е. рекуперации энергии. Вместе с тем реактивная составляющая / х поло­ жительна, т. е. в этом случае асинхронная машина потреб­ ляет из сети реактивную мощность (энергию), необходимую для возбуждения.

С ростом угловой скорости, а значит, и с увеличением модуля s ток в цепи ротора увеличится. При этом конец вектора 1'2стремится к точке D2(рис. 2-42), а конец вектора /i — к точке Dx. Для указанных точек активные состав­ ляющие токов / 3 и /2 равны нулю, т. е. в этом случае рекуперация энергии в сеть прекращается. Учитывая, что

Таким образом, полученное ранее значение скольже­ ния sr „, соответствующее максимуму тока Г% при s < 0, соответствует также границе режима рекуперации энергии в сеть. Для машин небольшой мощности srp ^ — 1, что

100

позволяет осуществлять рекуперацшо энергии во встре­

= со0 (1 — srp) в энергетическом отношении асинхронная машина работает в режиме динамического торможения, так как механическая энергия, передаваемая на вал машины и преобразуемая в электрическую, в сеть не возвращается, а рассеивается в виде потерь электрических цепей машины. Если же угловая скорость больше. согр или s < srp — см. зоны Н х и Н г на круговой диаграмме рис. 2-42, то асинхронная машина работает в режиме противовключения. Действительно, в этом случае актив­ ные составляющие векторов токов / х и /£ положительны, т. е. из сети потребляется активная энергия, которая вместе с преобразованной механической выделяется в виде потерь электрических цепей машины.

Механические характеристики в режиме рекуператив­ ного торможения являются продолжением характеристик двигательного режима (см. рис. 2-36 и 2-37). Следует отметить, что максимальное значение момента в генера­ торном режиме оказывается большим, чем в двигатель­ ном, причем это отличие тем больше, чем больше относи­ тельная величина активного сопротивления статора. Ис­

где М к.г и М„.д — максимальные или критические значе­ ния момента двигателя соответственно в генераторном и двигательном режимах.

Такое соотношение моментов объясняется тем, что при одном и том же абсолютном значении скольжения,

в частности при | sK.r I = I skk I» ток I 2. в генераторном режиме всегда больше, чем в двигательном (см. рис. 2-40).

Отмеченное здесь обстоятельство, что | М к г | > | М к'л |, обусловливает также и большее абсолютное значение жесткости рабочего участка механической характеристики в режиме рекуперативного торможения по сравнению с двигательным режимом.

Коэффициент полезного действия асинхронной машины

101

Из полученного выражения видно, что при s = =Srp К. п. Д. Г|г (srp) = 0.

Сопоставление значения т]г по (2-68а) с % по (2-68) показывает, что т|д > г|г при работе с одним и тем же абсолютным скольжением. Коэффициент мощности ротора при работе двигателя с отрицательным скольжением нес­ колько меньше, чем при работе с таким же по величине положительным скольжением.

А В С

0 0 0

При работе двигателя в режиме рекуперации не следует включать в цепи его обмоток дополпительпые сопротив­ ления, так как это приведет к увеличению потерь и как следствие к снижению к. п. д. В частности, включение последовательно с обмоткой ротора сопротивлений i?2n при одном и том же тормозном моменте приведет к росту абсолютного значения скольжения и в соответствии с (2-68а) — к сииячвишо г|г.

Условия существования режима противовключения асинхронного двигателя следующие: ротор двигателя под действием активного момента, приложенного к его валу, должен вращаться в направлении, противоположном на­ правлению вращения поля статора. Для изменения иаправ-

102

ления вращения поля достаточно изменить последова­ тельность чередования фаз на зажимах обмотки статора, как показано на рис. 2-45. При включении контактора В на зажимах обмотки статора С1, С2, Со действует такая последовательность фаз сети: А — В — С, а при вклю­ чении контактора Н для тех же зажимов статора последо­ вательность фаз напряжения -сети изменяется и станет следующей: В — А — С.

Обратим внимание на то обстоятельство, что при противовключении двигатель работает с большим сколь­ жением в соответствии с условием s > 1. Действительно, если учесть в формуле s — (со0 — со)/со0, что в режиме противовключении направление скорости двигателя про­ тивоположно направлению магнитного поля, то эту фор­ мулу можно представить в виде

„ = ш0-(-1со1) = COq+ I со | ^

СОр (Dp

Если не принять дополнительных мер, то токи в об­ мотках двигателя могут значительно превышать поминаль­ ные значения, а кроме того, тормозной момент на естест­ венной характеристике при больших s заметно снижается в соответствии с кривой 1 на рис. 2-46, что уменьшает эффективность торможения. Наконец, заметно умень­ шается коэффициент мощности двигателя. О к. п. д. в данном случае говорить не приходится, так как и преоб­ разуемая в электрическую механическая энергия и энер­ гия, потребляемая из сети, рассеиваются па активных сопротивлениях цепи ротора Д2 и /?2П и полезно исполь­ зуемой энергии в данном случае нет. Таким образом, работа асинхронного двигателя в режиме противовключеиия на естественной характеристике оказывается, как правило, неблагоприятной.

Для двигателей с короткозамкнутым ротором реально осуществить режим противовключения при иных условиях практически невозможно. В связи с этим в данном случае приходится мириться с кратковременными перегрузками его обмоток по току, которые могут в 7—8 раз превышать соответствующие номинальные токи. Вместе с тем следует отметить, что перечисленные выше неблагоприятные фак­ торы для двигателей с короткозамкнутым ротором не­ сколько смягчаются, так как при больших значениях скольжения (s> 1) вследствие явления вытеснения тока заметно возрастает активное сопротивление ротора. Это,

103

-в свою очередь, приводит к уменьшению Г2 и увеличению момента.

Сцелью увеличения эффективности торможения протнвовключеинем двигателей с фазным ротором в цени их роторов на период торможения вводятся добавочные сопротивления Л2П, что позволяет ограничить токи в об­ мотках, увеличить момент (см. характеристики 2 и 3 на

рис. 2-46) и улучшить коэффициент мощности.

Добавочное сопротивление в цепи ротора может быть определено по формуле

жесткости механических характеристик. Для двигателей с короткозамкнутым ротором в режиме противовключения жесткость механических характеристик положительна либо близка к нулю. Поэтому для большинства механиз­ мов получить установившийся режим противовключения в этом случае затруднительно.

Для осуществления динамического торможения асин­ хронного двигателя обмотка его статора отключается от сети переменного тока и подключается к источнику по­ стоянного тока. Один из вариантов схемы включения двигателя для динамического торможения с независимым возбуждением показан на рис. 2-47. При включенном контакторе Т и отключенном контакторе Л в обмотке статора протекает постоянный ток, который создает не­ подвижное относительно статора магнитное поле. Вслед­ ствие вращения ротора это поле будет индуктировать в обмотке ротора э. д. с., частота которой пропорциональна

104

угловой скорости. Эта э. д. с., в свою очередь, вызывает появление тока в замкнутом контуре обмотки ротора. Создаваемая током ротора и. с. вращается относительно ротора, но неподвижна относительно статора. Таким обра­ зом, неподвижное магнитное поле асинхронного двига­ теля в режиме динамического торможения, равпо как и в других режимах, обусловлено суммой н. с. обмоток статора и ротора. Взаимодействие тока ротора с непод­ вижным магнитным полем приводит к возникновению тормозного момента. При этом механическая энергия, поступающая на вал двигателя, преобразуется в элек­ трическую, а последняя рассеивается в виде тепла в со­ противлениях цепи ротора.

Асинхронный двигатель в режиме динамического тор­ можения представляет собой синхронный генератор с неявно выраженными полюсами, работающий при пере­ менной частоте. Его нагрузкой являются сопротивления цепи ротора.

Однако для анализа режима динамического торможе­ ния целесообразно рассматривать его как своеобразный режим асинхронной машины при питании обмотки статора от источника переменного тока. Для такого подхода к анализу режима динамического торможения существуют определенные предпосылки. Обмотка статора при подклю­ чении к источнику постоянного тока создает неподвижную в пространстве н. с. с синусоидальным распределением ее вдоль воздушного зазора, если пренебречь высшими гар­ моническими составляющими. Амплитуда этой н. с. опре­ деляется не только постоянным током и числом витков 'обмотки статора, но п схемой соединения фаз обмотки статора. На рис. 2-48 показаны наиболее часто исполь­ зуемые схемы подключения обмоток статора к источнику постоянного тока. Отметим, что приведенными схемами включения обмотки статора асинхронного двигателя при динамическом торможении не исчерпывается возможное их многообразие. Для реализации других вариантов необходимо производить дополнительные переключения, что значительно усложняет схему и увеличивает число коммутирующих аппаратов. Наиболее просто реализу­ ются схемы, изображенные на рис. 2-48, а я в. Для созда­ ния схем рис. 2-48, б' и г, как правило, не требуется использование дополнительных аппаратов, так как тормозной контактор Т на рис. 2-47 может быть выбран трехполюсным с использованием третьего силового коп-

105

такта для замыкания зажимов Ъс, показанных на рис. 2-48, б и г.

Фазные обмотки асинхронного двигателя сдвинуты относительно друг друга вдоль окружности статора на 120°, в связи с чем для определения результирующей н. с. статора необходимо векторное суммирование н. с., создаваемых фазными обмотками. На рис. 2-48 построены векторные диаграммы и. с. для каждой из приведенных схем включепия. Там же указаны значения суммарной н. с. Fn, создаваемой постоянным током.

Рас. 2-48. Схемы подключения обмотка статора к псточпику постояциого тока и режиме динамического торможения и соответствующие им векторные диаграммы намагничивающих сил.

Такая же и. с. может быть создана некоторым идеали­ зированным статором, по обмоткам, которого проходит симметричный трехфазный переменный ток с частотой / х, но при этом сам идеализированный статор вращается в пространстве со скоростью и0 = 2лf j p в направлении, обратном направлению вращения поля. При этих условиях абсолютная угловая скорость магнитного поля рассма­ триваемого идеализированного статора оказывается рав­ ной нулю, как и в реальной машине. Следует также обратить внимание на то, что в реальной машине постоян­ ный ток обмотки статора не зависит от режима ее работы, а определяется только напряжением источника постоян­ ного тока и активным сопротивлением обмотки статора. В связи с этим при переходе к идеализированному ста­ тору следует считать, что он получает питание не от источника напряжения, а от симметричного источника

106

трехфазного переменного тока с частотой f\. Прп указан­ ных условиях можно утверждать, что все количественные соотношения, характеризующие работу машины в рас­ сматриваемом режиме, будут одними и теми же как для реального неподвижного статора, так и для вращающе­ гося идеализированного статора, если только величины н. с. их обмоток равны между собой. Действительно, в обоих сЛучаях ротор один и тот же. Магнитное поле также в обоих случаях неподвижно в пространстве, имеет одинаковую величину н. с. и перемещается относительно ротора со скоростью последнего. К тому же, в обоих случаях параметры обмотки статора, т. е. ее активное и индуктивное сопротивления, не влияют на режим работы ма­ шины.

Приведенные рассуждения позволяют рассматривать асин­ хронную машину, работающую в режиме динамического тормо­ жения, по своему принципу действия как асинхронную ма­ шину, питающуюся от трехфаз­ ного источника тока. Это дает

основание использовать для анализа схему замещения асинхронной машины, полагая, что. эта схема питается от источника тока, как показано на рис. 2-49.

Следует отметить, что в данном случае при определе­ нии скольжения следует исходить не из (2-46), а из физи­ ческого смысла. Действительно, скольжение представ­ ляет собой относительную скорость перемещения провод­ ников ротора по отношению к магнитному полю машины. Из приведенных рассуждений следует, что угловая ско­ рость поля относительно идеализированного статора равна со0, а угловая скорость ротора по отношению к этому полю равна со. Поэтому скольжение в режиме динами­

При переходе к идеализированному статору принято, что обмотка ста’гора, получающая питание от симметрич­ ной сети переменного тока с частотой / х, создает такую же и. с., что и постоянный ток. При этом амплитуда пространственно распределенной н. с., создаваемой пере­

107

менным током, равна амплитуде н. с., обусловленной постоянным током

Амплитуда н. с. трехфазпой обмотки асинхронного двигателя при питании от сети переменного тока равна:

1Х— действующее значение тока статора.

При переходе к эквивалентному режпму асинхронной машины необходимо, чтобы ток статора был равен:

Соотношенпе между эквивалентным по н. с. перемен­ ным током 7ЭКВ п постоянным током 1П определяется схе­ мой соединения обмоток статора. Так, например, для схемы рис. 2-48, а

а для схемы рис. 2-48, в

7энв —■/ 2о- In — 0,4 /2/ц. 3

Аналогичным образом может быть определено соот­ ношение между / экв и 1П для других схем соединения.

Для рассматриваемой схемы замещения на рис. 2-49 все токи и э. д. с. являются синусоидальными величинами, частота которых постоянна и равна частоте источника питания /j. Сопротивления цепи ротора приведены к об­ мотке статора, причем под х'% понимаются индуктивное сопротивление рассеяния обмотки ротора при частоте / х.

Следует отметить, что частота /х может быть выбрана произвольно. Обычно выбирают /х — 50 Гц, так как в этом случае нет необходимости производить пересчет индук­ тивных сопротивлений схемы замещения х '2 и х^ на дру­ гие частоты.

Для схемы замещения на рис. 2-49 справедливо соот­ ношение

е

(2-78)

108

аналогичное (2-50) для обычной схемы включения асин­ хронного двигателя.

Однако то обстоятельство, что источником питания в данном случае является источник, тока, существенно отличает режим динамического торможения асинхрон­ ного двигателя от тех режимов, когда обмотка статора подключена к источнику напряжения. Если при пита­ нии от источника напряжения ток намагничивания дви­ гателя и соответственно его магнитный поток можно счи­ тать неизменными при изменении скольжения в широ­ ких пределах, как принято для схемы замещения на рис. 2-35, б, то при питании от источника тока измене­ ние скольжения приводит к заметному изменению тока намагничивания. Действительно, для рассматриваемой

В связи с этим на векторной диаграмме, приведенной на рис. 2-50, годографом вектора 1ЭКВ должна быть дуга окружности. Из векторной диаграммы токов видно, что ток намагничивания существенно зависит от тока ротора. В частности, при неподвижном роторе скольжение и ток ротора равны нулю и, следовательно, = / эквПоэтому максимальный ток намагничивания, а значит, и магнит­ ный поток имеют место при неподвижном роторе. По Мере роста скольжения будет расти угол <р2 в соответ­ ствии с выражением

а также и абсолютная величина тока /£ согласно (2-78). Од­ нако с увеличением ср2 и / 2, как это видно из векторной диаграммы, ток намагничивания Д, уменьшается и как следствие снижается значение э. д. с.

где — индуктивное сопротивление контура намагни­ чивания.

При больших скольжениях, когда s' 00 и ф2 -> я/2, под действием реакции тока ротора — реактив-

109