Pakhomov_A_N__Krivenkov_M_V_Elektricheskiy_privod_uchebnoe_posobie

111

Q2, который шунтирует автотрансформатор и на двигатель подается полное напряжение сети. Как и предыдущие способы пуска при пониженном напряжении, автотрансформаторный пуск сопровождается уменьшением пускового момента, но лучше реакторного с точки зрения уменьшения пускового тока. Однако автотрансформаторный пуск из-за сложности пусковой операции и повышенной стоимости переключающей аппаратуры применяется только в таких установках, где он технико-экономически обоснован.

Для пуска АД большой мощности иногда используются так называемые разгонные двигатели, жестко соединенные с приводными. При подходе к синхронной скорости разгонный двигатель отключается, а основной АД подключается к сети.

Пусковой момент короткозамкнутых АД можно повысить без увеличения активного сопротивления обмотки ротора, а, следовательно, без увеличения потерь в нем, за счет применения специальной конструкции ротора с глубокими пазами или с двумя короткозамкнутыми клетками. Если пазы ротора сделать в виде узких глубоких щелей, в которые уложить стержни обмотки ротора, то при пуске АД сопротивление в различных частях этих стержней будет неодинаковым. Так как магнитные силовые линии поля рассеяния проходят по пути наименьшего сопротивления, то в части стержня, расположенного ближе к поверхности ротора (зазору), их будет меньше. Нижняя часть стержня наоборот сцеплена с большим числом силовых линий магнитного поля, поэтому ЭДС, индуктирующаяся в нижней части больше, и, следовательно, индуктивное сопротивление внутренних частей обмотки ротора больше, чем наружных (при допущении равенства тока ротора в верней и нижней частях стержня). При пуске, когда s = 1 и f2 max = f1, плотность тока в

нижних частях паза ротора меньше, чем в верхних. Происходит «вытеснение» тока (скинэффект) в верхнюю часть стержня, поперечное сечение которого меньше сечения всего стержня. Это равноценно увеличению активного со-

противления обмотки ротора (подобно введению R′ доб для фазного АД), что

2

способствует росту пускового момента и ограничению пускового тока. По мере нарастания скорости ротора частота f2 = f1s убывает, в связи с чем

уменьшается индуктивное сопротивление обмотки ротора. Распределение плотности тока по высоте стержня становится более равномерным и при разгоне АД до номинальной угловой скорости он работает как обычный короткозамкнутый двигатель. Двигатели серии АОС с повышенным скольжением имеют ротор с глубоким пазом, залитым алюминиевым сплавом повышенного сопротивления под давлением.

Еще лучшими пусковыми свойствами обладают АД с двойной «беличьей клеткой» на роторе (двигатели с повышенным пусковым моментом серии АОП). Пусковую клетку, находящуюся ближе к зазору, выполняют меньшего сечения или из материала с повышенным сопротивлением (латунь, бронза). Стержни рабочей клетки выполняются из меди, и по сравнению со стержнями

112

пусковой клетки имеют большее сечение, что обеспечивает ей малое активное сопротивление. Но индуктивное сопротивление рабочей клетки больше, чем у пусковой, особенно в начальный период пуска, когда частота тока в роторе равна частоте питающей сети. Из-за влияния «скинэффекта» в начальный период пуска момент АД создается главным образом токами пусковой клетки, по окончании разгона – рабочей клетки. Результирующий момент двигателя равен сумме моментов пусковой и рабочей клеток.

В последние десятилетия для часто включаемых и отключаемых АД большой мощности используют частотный пуск, что более экономично. Для этой цели устанавливается специальный преобразователь, плавно изменяющий частоту питания АД при пуске, т. е. величину ω0 . Одновременно с этим

снижается напряжение (см. разд. 4.4 и 8.3), что ограничивает и пусковой ток.

4.6. Тормозные режимы асинхронных двигателей

Для организации останова привода и обеспечения торможения АД в течение определенного времени применяют следующие тормозные режимы [9]:

1)генераторное торможение с отдачей энергии в сеть (рекуперативное торможение);

2)торможение противовключением;

3)динамическое торможение с различными системами возбуждения статора:

а) независимое возбуждение постоянным током (АД работает генератором, рассеивая энергию во вторичной цепи);

б) конденсаторное самовозбуждение, осуществляемое в результате обмена энергией с конденсаторной батареей;

в) магнитное самовозбуждение, возникающее при замыкании статора АД накоротко.

Все перечисленные режимы применяются и для АДФ, и для АДК. Повышение эффективности торможения достигается путем внедрения силовой полупроводниковой техники и применения комбинированных способов торможения.

Наиболее эффективным является торможение противовключением и конденсаторно-динамическое торможение (КДТ). Последний используется для приводов с большими маховыми массами на валу.

Для малоинерционных приводов применяется конденсаторномагнитное торможение (КМТ). Не менее эффективно и магнитнодинамическое торможение (МДТ).

Кроме того, для отдельных приводов используются такие комбинированные виды торможения, как противовключение и динамическое торможение (ПДТ), конденсаторное торможение и противовключение (КТП) и другие.

Торможение с отдачей энергии в сеть имеет место при превышении частоты вращения ротора АД скорости идеального холостого хода ω0 за счет

113

механической энергии, поступающей со стороны вала и действующей в направлении вращения поля статора.

При работе в этом режиме проводники статора пересекаются магнитным полем в прежнем направлении, а проводники ротора – в противополож-

ном меняет знак E′ , а ток:

2

I ′

2

			′	(− s)
	=		E2					=
		′	+ jX		′	(− s)
		R2			2

		′
	E2		.	(4.35)
	′
−	R2	′
	s	+ jx2

Из выражения (4.35) видно, что при переходе АД в генераторный режим изменяет направление только активная составляющая тока ротора, т. к. вращающий момент двигателя меняет свое направление и пытается затормозить двигатель.

Кроме того, электромагнитная мощность также становится отрицательной, т. е. отдается энергия в сеть:

′2	′	/(− s) = −m1I	′2	′	/ s .
Pэм = m1I 2	R2		2	R2
Реактивная же мощность вторичной цепи Q2 = m1U1I						′	сохраняет
						2 sin ψ 2

свой знак и по-прежнему потребляется из сети (на создание магнитного потока):

U

1

X

к

m U

2 X

к

> 0 .

Q

2

= m U

1

×

×

=

1 1

1

R¢

2

R¢

2

R¢

2

2

R1

2

R

+

2

+ X

2

R

+

2

+ X

2

+

+ X к

- s

1

- s

к

1

- s

к

При активном M с возникновение режима рекуперативного торможения

возможно в подъемной установке (при переключении на спуск груза по характеристике 2 на рис. 4.12, а). В транспортном приводе (при движении «под уклон» M с сам создает движущий момент).

При наличии реактивного момента M с генераторное торможение с ре-

куперацией энергии в сеть возможно при переключении числа полюсов обмотки статора с меньшего на большее или уменьшении частоты питающей

сети

f1

( ω01

=

2πf1

), что приводит к уменьшению скорости холостого хода

p1

2πf2

2πf1

ω

02

=

или ω

02

=

, где f

< f

и p < p

.

2

1

2

p1

p2

1

		114
ω ω0	ω		ω	ω
	c
				01	ωc1
2		1
					1
	M c	M		ω02	ωc2
					2
− ω0				M c	M
ωc	> ω0
		а			б
		Рис. 4.12

Двигатель переходит на 2-ую характеристику (рис. 4.12, б) и тормозит скорость двигателя до ω02 с отдачей энергии в сеть.

Торможение противовключением возникает при вращении ротора АД под действием M с в направлении, противоположном вращению поля статора.

Получить режим противовключения можно двумя методами.

Первый метод – поменять подключение двух фаз к сети местами (рис. 4.13, а) с помощью рубильников Q1 и Q2, что приводит к смене направления вращения магнитного поля и смене знака M (точка а на характеристике 2 рис. 4.13, б). Движение замедляется до точки б (режим противовключения). Далее, если не отключить двигатель от сети, происходит реверс в обратную сторону до скорости ωc3 для активного M с и ωc2 – для реактивного ста-

тического момента.

Для АД с фазным ротором при наличии R′доб возможна полная оста-

2

новка привода (точка е на характеристике 5) при выполнении условия M кз < M c . Кроме того, добавочные сопротивления служат для ограничения

токов при переключении фаз статора.

Второй метод – ввести добавочные сопротивления в цепь фазного ротора при активном M с без переключения фаз статора. Тогда машина в двига-

тельном режиме переходит в точку в на характеристике 3 или 4 в зависимости

от величины R′доб . Скорость двигателя начинает уменьшаться (под действи-

2

ем M с ) до нуля и, изменяя знак, по искусственной характеристике 4 переходит в режим противовключения до установившейся скорости ωc4 . Если необходимо затормозить двигатель при активном M с , то следует подобрать такую искусственную характеристику 3, чтобы M с = M кз (точка г). При реактивном M с двигатель остановится в точке д (г).

U1л ≈

Q2

M

115
			ω ω	ωc1
	а		0
			в
Q1	5		3
			4		1
	− Mc
б		е		M c
			д	г	M
2			ωc4
	ωc2		ωc3
а			− ω0		б
Рис. 4.13

Недостатками тормозных характеристик противовключением являются большая крутизна (низкий β ) и значительные потери энергии, превращаемые в тепло и рассеиваемые во вторичной цепи двигателя. Несмотря на указанные недостатки, в практике привода подъемно-транспортных машин этот вид торможения используется очень широко.

Расчет механических характеристик АД при торможении противовключением может быть выполнен с помощью выражений (4.16) и (4.17). Практический интерес представляет расчет сопротивления противовключения, который можно выполнить, пользуясь выражением (4.26). Для принятой точки противовключения ( Мпр и sпр ) определяется критическое скольжение из вы-

ражения (4.16), на основании известных значений Мк и ε . Затем, подставляя найденное sки в ту же формулу, определяем при M н скольжение sни . Сопротивление ступени противовключения найдется при известном сопротивлении

роторной цепи АД R′ :

2

			′	′		sни		′
			R2пр = R2				− 1	− R2доб ∑ ,
					sне
где	′	–	имеющиеся сопротивления ступеней пускового реостата. Этот
	R2доб ∑

способ расчета основан на замене криволинейных механических характеристик АД прямолинейными.

Режим динамического торможения АД получается, если отключить его статор от сети и подключить к источнику постоянного (выпрямленного) напряжения (рис. 4.14, а). В результате получают неподвижный в пространстве поток статора, который индуктирует во вращающемся роторе ЭДС и ток. Простое отключение статора от сети не обеспечивает эффективного тормоз-

116

ного момента	M º Ф× I	′	за счет взаимодействия незначительного магнитного
		2

потока от остаточного намагничивания и, как следствие, небольшого тока ро-

тора I ′ .

2

Применяют различные схемы включения обмоток статора в сеть постоянного тока, некоторые из них представлены на рис. 4.14, б-г.

Для анализа режима динамического торможения удобнее заменить МДС Fп , созданную постоянным током Iп , эквивалентной переменной МДС

F~, формируемой аналогично обычному m-фазному включению АД, при соблюдении их равенства Fп = F~. Из теории электрических машин известно,

что среднее значение МДС однофазной обмотки равна половине ее амплитудного значения, тогда МДС 3-х фазной обмотки статора ( m1 = 3 ) равна:

	F~ = 0,5m I		w =	3			I w ,
		1max				2
	1		1	2	1 1

где I1 – действующее значение переменного эквивалентного тока статора. Определим МДС Fп для схемы включения, показанной на рис. 4.14, д:

F	= F	A	×cos 300 + F ×cos 300	= 2I	п	w cos 300	=	3I	п	w .
п			B			1				1
U1л ≈			+			+				+

Q	R	Iп
	п	+Uп

M

б в

		A	Iп	+	A+	Z
R′		Iп		Y+
					FA
2доб		Z X
	а		Iп
		Y			FB	B
				C
		C	B
				д	X	е

Рис. 4.14

							г
				Fɺ	= Iɺ		30о
							w
				A		п 1
		ɺ w 1		120о
	=	I п
						ɺ
ɺ	B				FB
				ɺ +
F			FA
			ɺ =
			Fп

ж

Следовательно, величины постоянного тока и эквивалентного по МДС переменного тока соотносятся как:

				=	3			I w I		=	3	I				=	2	I
3I			w				2							или I						.	(4.36)
											2						3
		п	1	2		1 1			п				1		1				п

117

Определив ток I1 , можно получить эквивалентную схему замещения и

векторную диаграмму АД, работающего в режиме динамического торможе-

ния (рис. 4.15).

− E1

I1

ψ1

′

X1

R

X

′

− I

2ν

2

1

I

I

I

Iμ

I

′

R′

μ

п

1

2

ψ2

2

′

I

′

2

E2

а

б

Рис. 4.15

На основании векторной диаграммы АД (рис. 4.15, а) можно записать:

I1 = Iμ + (− I2′ );

I1 cos ψ1 = I	′		;
	2 cos ψ 2
I1 sin ψ1 = Iμ + I		′		,
		2 sin ψ 2

откуда, возводя последнее выражение в квадрат, после несложных преобразований получим:

2

2

2

+ 2I

′

′2

2

ψ2

;

I1

sin

ψ1 = Iμ

μ I2 sin ψ

2 + I2

sin

2

(sin

2

ψ1 + cos

2

2

+ 2Iμ I

′

′2

(sin

2

ψ 2

+ cos

2

ψ2 );

I1

ψ1 )= Iμ

2 sin ψ2 + I 2

2

2

′2

+ 2Iμ I

′

(4.37)

I1 = Iμ + I

2

2 sin ψ2 .

При скорости

ω0

′

при иных

имеем максимальное значение ЭДС E2 ,

скоростях

′

′

ω

′

скольжение динамического тор-

E2ν

= E2 ω

0

= E2ν , где ν = 1 − s –

можения.

Соответственно индуктивное сопротивление ротора X ′ ν = X ′ ν , тогда

2 2

118

X

′

X

′

′

sin ψ

2

=

2ν

=

2ν

=

X 2

.

(4.38)

Z ′

R′

2

+

( X ′

ν)

2

′2

/ ν

2

+

X

′2

2

R2

2

2

2

Под действием

′

в роторной цепи потечет ток, равный

E2ν

′

′

′

′

E2ν

E2ν

E2

I2

=

Z2

=

′

′

=

′

.

2

2

2

′

+ ( X

2ν)

R2

R2

+

′2

ν

X 2

Учитывая, что приведенная к статорной цепи ЭДС ротора равна E1 , по-

лучим выражение тока намагничивания:

E1

′

′

Iμ

=

=

I2Z

2

.

(4.39)

X μ

X μ

Подставляя выражения (4.38) и (4.39) в формулу (4.37) и решая его от-

′

получаем:

носительно тока I 2 ,

I

′

=

I1 X μ

,

2

R2′ 2

′ 2

+ (X μ + X

2 )

ν

тогда выражение для электромагнитного момента АД в соответствии с (4.12) примет вид:

	m I ′	2		R′						2	2	′
M =					=			m1I1			X μ R2
	1 2			2											.	(4.40)
			ν
	ω							R2′		2
	0					ω	ν			+ (X		μ	+ X ′ )2
								ν
					0								2

Исследуя выражение (4.40) на экстремум, находим критическое скольжение динамического торможения

	′
νкр =	R2			(4.41)
	X μ +	X	′
			2

и критического (максимального) момента

119

	m I 2 X	2
M кр =	1 1	μ			.	(4.42)
	2ω0 (X μ + X		′
			2 )

Формулу (4.40) с помощью (4.41) и (4.42) можно преобразовать в выражение для механической характеристики АД в режиме ДТ, подобное формуле Клосса:

M =		2M		кр			.	(4.43)
	ν		+		νкр
	ν	кр			ν

На рис. 4.16 представлены механические характеристики АД в режиме динамического торможения, где характеристики 1(2) и 1'(2') получены при двух значениях тока в статоре I1 < I1′ . Если возможно изменить активное со-

противление ротора, то можно получить более эффективные характеристики

торможения – характеристики 2(2') с введенным R′ доб (рис. 4.14, а).

2

2	2	ω
		1 1 ω	ωс
		0

νкр2

νкр1	M
M c

Рис. 4.16

Анализ физических явлений, характерных для динамического торможения АД:

1) свойства механических характеристик АД в режиме динамического торможения подобны свойствам аналогичных характеристик его двигательного режима работы – критический момент не зависит от активного сопро-

		120
тивления вторичного контура	M кр ¹	′
		f (R2 ) = const , а критическое скольжение
′	;
пропорционально ему νкр ≡ R2

2) параметр X μ и ток намагничивания Iμ ¹ const зависят от скольжения (4.39); ток статора при динамическом торможении АД постоянен I1 = const ;

3) результирующий магнитный поток при динамическом торможении АД и снижении скорости ротора увеличивается, вследствие снижения размагничивающего действия реакции ротора.

К недостаткам динамического торможения АД следует отнести нагрев роторной цепи двигателя и насыщение магнитной цепи при больших значениях намагничивающего тока, а также обязательное наличие источника постоянного тока. Однако, этот вид торможения широко используется в подъ- емно-транспортных и станочных приводах для точной остановки двигателя или как способ получения пониженных скоростей спуска груза.

Расчет механических характеристик возможен при известном или рассчитанном значении реактивного сопротивления цепи намагничивания:

							X μ =		Ux	,
								Ix sin ϕх
где	U х		и I х –	фазное		напряжение			и ток машины при холостом ходе;
sin ϕ		=
	х		1 − cos2 ϕ	х	; cos ϕ	х	– коэффициент мощности холостого хода (пас-

портные данные АД).

Далее с помощью выражения (4.41) и известном X ′ определяется необ-

2

ходимое сопротивление цепи ротора для заданного νкр . Это необходимо для расчета требуемого добавочного сопротивления в фазных АД. Зная M к , определяется эквивалентный ток статора на основании формулы (4.42):

	2ω0 M к (X μ + X		′
I1 =			2 )	.
	m X	2
	1	μ
Затем для выбранной схемы питания обмоток статора постоянным то-
ком находят нужное значение постоянного тока				Iп , например, по формуле

(4.36) для схемы рис. 4.14, д. После этого возможен расчет механической характеристики АД по формуле (4.40) или (4.43).

Возможность режима конденсаторного торможения была установлена еще в 1895 г., но в начале ХХ века этот вид торможения считался нерациональным (из-за высокой стоимости и габаритов конденсатора). Лишь в конце 50-х, благодаря трудам Л. П. Петрова, достигнуты значительные результаты в использовании конденсаторного торможения ввиду снижения стоимости и