5. Асинхронные машины

Способ имеет существенный недостаток: при большом снижении напряжения частота вращения уменьшается незначительно, а критический момент наоборот – весьма сильно (рис. 5.38). Это отчетливо видно на численном примере [18].

Пусть двигатель с 2p = 6 работает с

частотой	вращения n = nн = 960 об/мин
(s = 0,04)	при напряжении, равном но-

минальному, U1 = U1н и моменте на валу M2 = M2н = const. Уменьшение величины напряжения U1 до 0,7U1н

(k = U1/U = U1/(0,7U1н) ≈ 1,4) приводит

s

s = 0	Mс
	M[U =Uн ]
	M[U =0,7Uн ]
s =1	M

Рис. 5.38. Регулирование частоты вращения изменением напряжения

кснижению частоты вращения до n = n1(1 − k2s) = 1 000 (1 − 1,42 · 0,04) =

=922 об/мин или на 1/17 часть номинальной частоты вращения. При этом критический момент уменьшится вдвое против номинального:

′	2	U		1	2		M кр	≈ 0,5M кр .
		=				=			(5.156)
Мкр = сU			1,4				1,42

Двигатель с отношением моментов Mкр/Mн = 2, поставленный работать в таких условиях, теряет устойчивость даже при номинальной нагрузке: его критический (опрокидывающий) момент становится равным номинальному (рис. 5.38). Способ может быть рекомендован для незначительного изменения частоты вращения. Его часто применяют для двигателей малой мощности (например, однофазных двигателей бытовых вентиляторов с мощностью, не превышающей 40 Вт), у которых критическое скольжение достаточно велико: sкр = 0,25–0,35, а нагрузочный момент снижается при уменьшении частоты вращения.

5.14. Многоскоростные двигатели

В многоскоростных двигателях регулирование частоты вращения осуществляют изменением числа пар полюсов, что вытекает из соотноше-

ния (5.137).

Практически это осуществляется выбором схемы обмотки статора, позволяющей наиболее простым переключением катушечных групп изменять направление тока в отдельных проводниках, а вместе с этим и число пар полюсов. На рис. 5.39, а показана элементарная схема обмотки из четы-

243

5. Асинхронные машины

рех последовательно соединенных проводников, образующих 2р = 4, а на рис. 5.39, б – схема из тех же четырех проводников, но соединенных параллельно и образующих 2р = 2. В обеих схемах обмоток на рис. 5.40, а и б сохранено последовательное соединение проводников, но порядок соединения их различен. В соответствии с этим неодинаково и число пар полюсов.

2 2

	N		S		N
1			3	1			3
	S		N				S
		4	2 р = 4			4	2 р = 2
1	2	3	4	1	2	3	4
А			Х		А	Х
	а					б

Рис. 5.39. Схемы переключения числа пар полюсов

Соответствующие схемы переключения обмоток статора, обеспечивающие изменение частоты вращения в отношении 1:2, показаны на рис. 5.40, в. На рис. 5.40, г представлена схема переключения обмоток при том же числе пар полюсов, но с параллельным соединением обмоток. Момент, развиваемый двигателем, в общем случае записывают уравнением

М = с1 рΦ0 I2 cos ψ2 .

(5.157)

При любом числе полюсов значение тока I2 должно сохраняться неизменным (по условиям нагрева обмоток), а cos ψ2 − величина, близкая к единице. Тогда формулу (5.157) можно записать иначе:

M = c2Φ0 p .

(5.158)

Выразим момент через отношение мощности и скорости:

М =	Р		Р				P		′′	(5.159)
	Ω	=	2πn	=			2π f
									= c P p ,
	1		1				1
			60				p

244

5. Асинхронные машины

приравняем друг к другу правые части уравнений (5.158) и (5.159) и, заменив поток Ф0 электродвижущей силой из формулы (5.1), получим следующее уравнение:

	с Φ		0	р			Е			E		U1ф
Р =	1				= с		1		= c	1	≈ c		.	(5.160)
	с		р			3 4,44 f w						w
		2								4 w
						1		1		1		1

Из уравнения (5.160) следует, что мощность двигателя прямо пропорциональна величине фазного напряжения и обратно пропорциональна числу витков, последовательно включенных в фазу обмотки.

После переключения обмотки по схеме рис. 5.40, в число последовательно включенных витков в фазе и фазное напряжение остаются теми же, что и до переключения. Значит, мощность двигателя до переключения и после него не изменяется, согласно выражению (5.160), хотя частота вращения и изменилась вдвое.

При переключении с 2р = 8 на 2р = 4 по схеме рис. 5.40, г фазное напряжение остается прежним, а число витков уменьшается вдвое. При этом вдвое увеличивается мощность. При уменьшении вдвое последовательно включенных витков в фазе и увеличении частоты вращения тоже вдвое ЭДС, индуктированная в фазе, остается прежней и двигатель может быть подключен к сети с тем же напряжением.

	2 р = 8
	2 р = 8
S N S N	S N S N S
а	2 р = 4

N

S

N

S

2 р = 4

б

в

г

Рис. 5.40. Возможные схемы переключения пар полюсов

245

5. Асинхронные машины

		n		n
		p1		p1
		n1		n1
		р2 = 2 p1		р2 = 2 p1
	Р = const	0,5n1	М = const	0,5n1
		M		M
	− M		− M
		а		б

Рис. 5.41. Регулирование частоты вращения изменением числа пар полюсов

Двигатели, обмотку которых переключают по схеме рис. 5.40, в, предназначаются для приводов механизмов, работающих с постоянной мощностью Р = const при n = var (металлорежущие станки), а переключаемые по схеме рис. 5.40, г − для работы с постоянным моментом M = const при n = var (подъемные механизмы). Соответствующие характеристики приведены на рис. 5.41, а для двигателей, работающих с Р = const; на рис. 5.41, б для двигателей, работающих с M = const.

Двигатели с регулированием частоты вращения переключением полюсов изготовляют двух-, трех- и четырехскоростными.

Переключения числа пар полюсов на статоре можно достичь следующим образом:

1)уложить на статор одну обмотку и изменять число пар полюсов путем соответствующего переключения ее частей;

2)выполнить на статоре две независимые друг от друга обмотки;

3)выполнить на статоре две независимые друг от друга обмотки – каждую с переключением полюсов.

Кнедостаткам рассмотренного способа относится скачкообразное изменение частоты вращения (3 000–1 500, 1 500–750, 1 000–500 об/мин).

5.15. Торможение двигателей

Для асинхронных машин возможны следующие тормозные режимы работы:

• электромагнитное торможение (торможение противовключением или противоточное торможение);

246

5. Асинхронные машины

•генераторное с гашением выработанной электрической энергии

вцепи ротора (динамическое, или реостатное, торможение);

•генераторное с отдачей электрической энергии в сеть (рекуперативное торможение).

На рис. 5.42 схематически показано направление частот вращения n1 и n, электромагнитного момента M, мощностей Pэл и Pмх, а также активной составляющей тока ротора I2a при различных режимах работы машины. В двигательном режиме (рис. 5.42, а) машина потребляет из сети электриче-

скую мощность Pэл и отдает механическую мощность Pмх.

В генераторном режиме (рис. 5.42, б) электрическая и механическая

мощности направлены в сторону, противоположную их направлению в двигательном режиме. Магнитный поток вращается с частотой n1 < n, следовательно, относительно ротора он вращается в обратном направлении и создаваемый им момент M противоположен n. В режиме электромагнитного тормоза в двигатель поступает и электрическая, и механическая мощности (рис. 5.42, в), рассеивающиеся в виде тепла в двигателе.

Электромагнитное торможение заключается в том, что на обмотку статора двигателя, вращающегося по инерции, подают напряжение с иным порядком чередования фаз (переключив два любых провода, присоединяющие фазы обмотки статора к сети трехфазного тока). Вследствие этого магнитный поток машины начинает вращаться в сторону, противоположную вращению ротора с частотой вращения (–n1), и ротор быстро затормаживается. Противоточное торможение наиболее эффективно, но и наиболее тяжело для машины: в первый момент торможения при номинальной частоте вращения скольжение

	s =	− n1 − n	≈ 2 ,		(5.161)
		− n
		1
Сеть		Сеть		Сеть
Φ n1		Φ	n1	Φ	n1
Рэл	Рэл		M	Рэл
M				Р	M
n < n1			n > n		n < 0
I2a	I2a		1	I2a
Рмх	Рмх			Рмх
а		б		в

Рис. 5.42. Работа асинхронной машины в различных режимах: двигательном (а), генераторном (б), электромагнитного торможения (в)

247

5. Асинхронные машины

а ток ротора

I2	=	sE20	=	2Eк0	= 2Iп ,	(5.162)
		zк
				zк

т. е. вдвое превышает пусковой. В этом режиме машина потребляет из сети электрическую мощность Pэл. Но поскольку ее момент M является тормозным, она должна потреблять также и механическую мощность Pмх. Мощности Pэл и Pмх, поступая в машину, превращаются в потери мощности ∆P (рис. 5.42, в), рассеиваемые в виде тепла в самой машине и в подключенном к ее ротору реостате.

Графически процесс торможения показан на рис. 5.43.

Кривые 1 и 1′ относятся к двигателю с короткозамкнутым ротором, а кривые 2 и 2′ − к двигателю с фазным ротором. Пунктиром показаны тормозные характеристики.

При режиме работы, соответствующем точке а, и переводе двигателя в тормозной режим (переключением, например, двух фаз) двигатель переходит

схарактеристики 1 на характеристику1′ (в режим, соответствующий точке а′) и снижает частоту вращения n, что показано кривой 1′. Включение в цепь фазного ротора добавочного активного сопротивления позволяет сдвинуть максимум момента в область скольжения s > 1 (обеспечив тем самым устойчивое электромагнитное торможение) и регулировать тормозной момент.

На рис. 5.43 этот процесс показан переходом машины, работающей по кривой 2 , из режима, соответствующего точке b, в точку b′ и снижением частоты вращения по кривой 2′. Добавочное сопротивление наряду

ссокращением времени торможения уменьшает токи и потери энергии.

	n
а′	а 1

2′

b′ b

M

1′

2

Рис. 5.43. Механические характеристики при электромагнитном торможении

248

5. Асинхронные машины

Динамическое торможение заключается

+

в том, что при вращающемся по инерции ро-

_

торе обмотку статора переключают с пере-

менного тока на постоянный (рис. 5.44).

Асинхронный двигатель переводят этим в ре-

жим синхронного генератора: в неподвижном

магнитном поле вращается ротор; в его про-

водниках индуцируется ЭДС и течет ток, ве-

личины которых пропорциональны частоте

вращения; электромагнитный момент имеет

Рис. 5.44. Схема

направление, обратное инерционному.

динамического торможения

В процессе торможения электромаг-

нитный момент по своей форме аналогичен моменту машины, работающей в двигательном режиме. Дополнительно включенное в цепь фазного ротора сопротивление сдвигает максимум момента в сторону больших скольжений. Регулируют величину тормозного момента изменением тока возбуждения и величиной активного сопротивления ротора.

Режим динамического торможения можно получить и при отсутствии источника постоянного тока, подключив обмотки статора к конденсаторам. В этом режиме по обмотке статора и конденсаторам проходит трехфазный переменный ток и машина работает как асинхронный генератор с самовозбуждением, который получает реактивный ток Iμ, необходимый для возбуждения магнитного потока от конденсаторов.

По мере уменьшения частоты вращения ротора в результате выделения тепла в активном сопротивлении обмоток энергия магнитного поля и тормозной момент уменьшаются. При частоте вращения n = 0 тормозной момент равен нулю.

Рекуперативный способ торможения заключается в переводе двигателя в генераторный режим при частоте вращения ротора, большей частоты вращения магнитного поля статора (n > n1). В этом случае машина отдает в сеть энергию, величина которой пропорциональна частоте вращения, за счет чего ротор и затормаживается.

Рекуперативное торможение возможно в крановых схемах, когда момент опускаемого груза превышает критический момент двигателя, или в многоскоростных двигателях, когда их переключают с высших скоростей на низшие. Процесс торможения показан на рис. 5.45. Работая в точке а счастотой вращения na, двигатель (после переключения числа полюсов) переходит в режим, соответствующий точке б, и, затормаживаясь (кривая 2), снижает свою частотувращениядо новогоустановившегосязначенияnв вточкев.

Переход из двигательного режима в генераторный происходит автоматически, когда частота вращения ротора n превосходит частоту вращения магнитного поля n1.

249

5. Асинхронные машины

	n
б	а
na	1

nвв 2

МС М

Рис. 5.45. Механические характеристики при рекуперативном торможении

Генераторному режиму соответствуют участки механических характеристик, расположенных в области отрицательных моментов (рис. 5.45). Форму механических характеристик можно изменить, включив в цепь ротора добавочное активное сопротивление (пунктирная кривая на рис. 5.45), и при заданной частоте вращения n получить различные тормозные моменты.

Рекуперативное торможение с энергетической точки зрения весьма выгодно, так как кинетическая энергия вращающихся масс превращается

впроцессе торможения в электрическую, отдаваемую в сеть. При использовании частотного управления асинхронными двигателями (например,

вэлектроприводах тяговых и грузоподъемных механизмов) в процессе

торможения можно плавно уменьшать частоту вращения n1 практически до нуля, осуществляя рекуперативное торможение до полной остановки двигателя.

Вопросы и задания для самоконтроля

1.Параметры роторной цепи машины изменяются вместе с изменением нагрузки. Объясните и покажите характер зависимости.

2.В чем заключается смысл построения схемы замещения асинхронной машины? Как строят схему замещения двигателя?

3.Чем вызвана необходимость построения Г-образной схемы замещения? Назовите три вида Г-образных схем замещения.

4.Начертите кривую зависимости вращающего (электромагнитного) момента двигателя от скольжения. Укажите наиболее характерные точки кривой.

250

5. Асинхронные машины

5.Как получить пусковой момент двигателя, равный критическому?

6.Начертите семейство кривых электромагнитного момента двигателя при разных активных сопротивлениях в цепи ротора.

7.Выведите зависимость между потерями в обмотке ротора, электромагнитной мощностью и скольжением.

8.Объясните явления, происходящие при включении в сеть глубокопазного или двухклеточного ротора.

9.Начертите диаграммы изменения тока и скорости при пуске двигателя с помощью добавочного сопротивления в цепи ротора, объясните характер этих кривых.

10.Перечислите основные способы регулирования частоты вращения асинхронного двигателя.

11.В чем сущность и недостаток регулирования частоты вращения изменением напряжения питающей сети?

12.Для чего при регулировании частоты вращения изменением частоты питающего напряжения изменяют и величину напряжения?

13.Нарисуйте простейшую схему переключения обмотки статора на иное число полюсов, сохранив число последовательно включенных проводников прежним.

14.Поясните три основных метода торможения двигателей. Какой из них наиболее эффективен и почему?

251