- •Раздел 3. Электропривод на базе асинхронных двигателей
- •3.5. Баланс мощностей
- •3.8. Ад с фазным ротором.
- •3.9.1.7. Критическое скольжение
- •3.9.1.9. Перегрузочная способность ад
- •3.9.1.10. Кратность пускового момента ад
- •3.9.3. Рабочие характеристики ад
- •3.9.3.1. Коэффициент полезного действия ад и потери.
- •3.9.3.2. Коэффициент мощности.
- •3.10. Масса и номинальная скорость вращения
- •3.11.4. Пуск ад с фазным ротором
- •3.11.5.2. Пуск при пониженном напряжении.
- •3.11.5.3. Глубокопазные короткозамкнутые ад
- •4) При изменении напряжения скорость можно регулировать в небольших пределах (максимум от sном до sк).
- •3.13.2.3. Область применения
- •3.13.3. Регулирование скорости вращения ад изменением числа пар полюсов.
- •3.13.3.1. Двухобмоточные многоскоростные двигатели
- •3.13.3.6. Реализация
- •2) Со звезды у (рис.19а) на двойную звезду уу (рис. 18б).
- •3.13.4. Частотное управление ад
- •3.14.2. Торможение противовключением
- •3.14.3. Динамическое торможение ад
3.8. Ад с фазным ротором.
Рис. 1. Схема АД с фазным ротором [40] |
Конструкции статора, корпуса, подшипниковых щитов и общая компоновка у АД с фазным ротором и АД с короткозамкнутым ротором не имеют существенных отличий. На роторе расположена обмотка, имеющая столько же фаз, сколько и обмотка статора. В большинстве случаев обмотка соединяется в звезду, реже – в треугольник. Обмотка ротора имеет три вывода, которые подсоединяются к контактным кольцам, расположенным внутри корпуса или на выступающем конце вала. Во втором случае токоподводы от обмотки к контактным кольцам проходят по внутреннему отверстию вала. К контактным кольцам прилегают щетки. При пуске к щеточным контактам присоединяют реостат, а при работе замыкают накоротко [25]. |
3.8.1. Достоинства:
Фазный ротор обеспечивает дополнительный канал, по которому можно воздействовать на двигатель. Отсюда вытекают основные достоинства АД с фазным ротором:
1) Лучшие пусковые свойства, обусловленные возможностью изменения сопротивления в цепи ротора (см.ниже).
2) Введение добавочных резисторов в цепь ротора позволяет регулировать частоту вращения АД. Необходимо, правда, отметить, что такой способ регулирования частоты вращения обладает рядом существенных недостатков (см. ниже).
3) Потери энергии за время переходных процессов в обмотках статора и ротора АД с фазным ротором значительно меньше аналогичных потерь энергии в короткозамкнутых АД [7].
3.8.2. Недостатки:
1) Худшие показатели по стоимости и массе по сравнению с АД с короткозамкнутым ротором. При одинаковом исполнении и одинаковой синхронной скорости по массе он на 8-10% тяжелее, а по стоимости на 30% дороже [26], по стоимости дороже в 1,5 раза [13].
2) Наличие контактных колец, скользящих контактов и пусковых реостатов увеличивает общие габариты двигателя, снижает его надежность и усложняет конструкцию и эксплуатацию. Поэтому этот тип АД применяется значительно реже, чем АД с короткозамкнутым ротором.
3) При обычной схеме включения невозможно получить жесткие механические характеристики при пониженных скоростях в двигательном и тормозном режиме работы [7].
Эти негативные особенности привели к тому, что в общем объёме производства асинхронные двигатели с фазным ротором составляют небольшую долю [40].
3.8.3. Область применения
АД с фазным ротором находят применение в следующих случаях [7]:
1) Когда требуется простая реализация регулирования угловой скорости в небольших пределах (напр.привод подъемного крана [9];
2) Когда требуется простая реализация плавного пуска; обеспечения хороших тормозных качеств; ограничения токов в переходных процессах в условиях, когда АД с короткозамкнутым ротором неприемлемы: например, когда момент сопротивления при пуске велик (и пуск при пониженном напряжении неприемлем, а прямой пуск двигателя недопустим по условиям воздействия больших пусковых токов на сеть); или когда суммарный момент инерции настолько велик, что выделяемая в цепи ротора тепловая энергия вызывает недопустимый нагрев обмотки ротора в виде беличьей клетки [14].
То есть в приводах c тяжелыми условиями пуска и в механизмах, работа которых связана с частыми пусками и торможениями [7].
3.9. Характеристики АД
3.9.1. Механическая характеристика
3.9.1.1. Вид характеристики
Механическая характеристика (рис. 2а) - зависимость скорости вращения двигателя от момента нагрузки при фиксированном величине и частоте напряжения статора и параметров двигателя (сопротивлениях цепей статора и ротора).
Часто механическую характеристику АД представляют в виде зависимости момента от скольжения (рис. 2б)
Рис. 2а. Типовой вид механической характеристики АД |
Рис. 2б. Механическая характеристика в координатах М(s) [20]
|
Проанализируем форму механической характеристики АД в координатах М(s), рассмотрев формулу (4):
Рис. 3 Зависимости параметров АД от скольжения [40] |
cos 2 (косинус угла между векторами тока и ЭДС ротора) близок к 1 при малых s и асимптотически стремится к нулю при больших [40]. Магнитный поток Ф в первом приближении не зависит от s [40]. Ток ротора равен нулю при s = 0 и асимптотически стремится к U1/x2' при возрастании s [40]. Момент, как произведение трех сомножителей, равен нулю при s = 0 (идеальный холостой ход), достигает положительного Мк+ и отрицательного Мк- максимумов – критических значений при некоторых критических значениях скольжения ±sк, а затем при s→∞ стремится к нулю за счет третьего сомножителя [40].
|
3.9.1.2. Скорость идеального холостого хода
Ω0 - скорость идеального холостого хода, называемая также синхронной скоростью и равная скорости вращения магнитного поля трехфазного АД:
Ω0 = 2πf1/p (13)
3.9.1.3. Пусковой момент
Мп - пусковой момент. В случае, когда момент сопротивления равен этому значению, речь ведут о моменте короткого замыкания. В первом приближении справедлива формула [20]:
(14)
Зависимость пускового момента от частоты напряжения можно выразить следующим образом:
,
где х =1,5 – 2,0 для авиационных двигателей [27].
3.9.1.4. Критический момент.
Мк или Мmax– критический (максимальный, опрокидывающий) момент. В первом приближении справедливоа формула:
(15) |
где U1 – фазное напряжение, хк =x1+x2’; R1, x1 – активное и реактивное (индуктивное) сопротивление фазы первичной цепи (статора); x2’ - реактивное (индуктивное) сопротивление фазы вторичной цепи (ротора), приведенное к первичной цепи.
На значение критического момента существенно влияет напряжение питания. Например, снижение напряжения сети на 10-15% приводит к уменьшению критического момента и соответственно перегрузочной способности на 19-28% [7]. Это является одним из недостатков АД.
3.9.1.5. Участки механической характеристики
Механическую характеристику (рис. 2а) можно разделить на две части:
- рабочий участок (от Ω0 до точки а), где возможна работа АД в установившемся режиме по разомкнутой схеме.
- участок неустойчивой работы (от точки а – точки критического скольжения, до точки b – точки пуска), где такая работа невозможна.
Условие устойчивой работы АД: dM/dΩ<dMc/dΩ.
Обычно dMc/dΩ0 [25], поэтому часто условие устойчивой работы АД выглядит так: dM/dΩ<0 или dM/s>0.
Рабочий участок механической характеристики может быть линеаризован прямой [24]:
3.9.1.6. Выражение для электромагнитного момента
Если АД не имеет на роторе двойной или глубокопазной обмотки, то связь между его моментом М и скольжением можно выразить следующей формулой.
Уравнение механической характеристики можно получить, приравняв потери в роторной цепи, выраженные через механические и через электрические величины.
Согласно (11) ΔРэл2 = МΩ0s . Кроме того, по известной формуле:
ΔРэл2=3I'22R'2 (16)
Выразим из уравнений (11) и (16) электромагнитный момент. С учетом принятых допущений в первом приближении справедливо следующее выражение:
(17)