Основные понятия и особенности асинхронного двигателя

Из-за своей конструктивной особенности асинхронный двигатель лишен некоторых недостатков, которые характерны для машин постоянного тока. Так как коллектор и щетки в асинхронном короткозамкнутом двигателе отсутствуют, двигателю характерны большая предельная единичная мощность, более высокая перегрузочная способность,более высокие скорости вращения и допустимую скорость изменения момента, лучшие массогабаритные показатели, чем машины постоянного тока. Однако основной проблемой асинхронной машины является пуск и управление.

1.1 Проблема запуска асинхронного двигателя

Пусковые свойства асинхронноймашиныхарактеризуются зависимостью вращающего момента и токов от частоты вращения. Эта зависимость определяет такие показатели какпотери энергии в обмотках, длительность пуска, а так же нагрев двигателя. Для уменьшения потерь энергии в обмотках двигателя и их нагрева и времени пуска стараются увеличить пусковой момент и снизить пусковой ток.

Пусковой ток не должен быть выше определённых значений для данной сети, большие токи при запуске мощных асинхронных машин может вызвать большиеколебания напряжения в сети, а это в свою очередь негативно скажетсяне только на условия пуска самогоэлектропривода, но и на устойчивость работы других потребителей, подключенных к сети. Кроме того при некоторых неблагоприятных условиях, если падения напряжения будут значительны,пуск двигателя может оказаться вообще невозможным.

Большие пусковые токи могут создавать опасные электродинамические усилия в лобовых частях обмотки статора и стержнях беличьей клетки. Возникающие при переходных процессах электромагнитные переходные моменты, при запуске могут достигать десяти или даже пятнадцатикратных значений статического начального пускового момента, что в совокупности с предельным температурным напряжением ограничивают сроки эксплуатации асинхронных машин и может привести к перегоранию обмоток статора.

Рисунок 1.1–Изменение тока и напряжения сети при пуске асинхронного двигателя

В первый момент пуска, в обмотке ротора вследствие большой частоты индуктируется ЭДС такой величины, что пусковой ток в 5…7 раз больше номинального значения (рисунок 1.1). Однако коэффициент мощности цепи ротора при пуске мал и поэтому пусковой вращающий момент АД не превышает, как правило, 0,9…1,2 от номинального.

1.2 Обзор вариантов пуска асинхронного двигателя

Основная проблема запуска асинхронного двигателя заключается в том, что запуск сопровождается огромными пусковыми токамиIпуск=5…7Iн. Причина заключается в следующем. Асинхронный двигатель аналогичен по принципу преобразования электрической энергии трансформатору. Следовательно, частота питающей сети и частота ЭДС ротора в начальный момент времени одинаковы. ЭДС ротора можно определить по формуле:

U2=4,44w2к2fФ (1.1)

Где,f – частота напряжения;

Ф – магнитный поток;

к2– конструктивный коэффициент.

Как видно из формулы 1.1 напряжение на роторе пропорционально частоте. Так как двигатель асинхронный, это означает, что скорость вращения поля не совпадает со скоростью вращения ротора. Для оценки данного расхождения в скоростях введено скольжение. На основе скольжения в дальнейшем будут приводиться оценки величины напряжений и частоты.

Формула для скольжения:

s=(n0-n)n0 (1.2)

Где, n0– скорость вращения поля статора;

n –скорость вращения ротора;

s–скольжение.

Выведем связь между скольжением и частотой напряжения ротора. Для этого необходимо ввести промежуточную величину, характеризующую частоту вращения магнитного поля относительно частоты вращающегося ротора.

n’=n0-n……………………………………(1.3)

Тогда частота ЭДС вращающегося ротора:

f2=pn’60=p(n0-n)60=fs……………………………….(1.4)

Где, f– частота питающей сети;

p–число полюсов.

Как можно понять, скольжение изменяется в пределах от нуля до единицы. Номинальный режим работы асинхронного двигателя составляет(2÷5)%. В данном диапазоне практически исчезают пульсации момента. Следовательно, для равномерного распределения момента при разгоне скольжение должно составлять не более S=0.1. Это достигается тем, что частота питающей сети нарастает равномерно.

Прямой пуск

Наиболее простым способом пуска двигателя с короткозамкнутым ротором является включение обмотки его статора непосредственно в сеть, на номинальное напряжение обмотки статора (рисунок 1.2).Такой пуск называется прямым.

Рисунок 1.2– Принципиальная схема прямого пуска двигателя

При пуске асинхронного двигателя на холостом ходу в активном сопротивлении его вторичной цепи выделяется тепловая энергия, равная кинетической энергии приводимых во вращение маховых масс, а при пуске под нагрузкой количество выделяемой энергии соответственно увеличивается. Выделение энергии в первичной цепи обычно больше, чем во вторичной цепи. При частых пусках, а также при весьма тяжелых условиях пуска, когда маховые массы приводимых в движение механизмов велики, возникает опасность перегрева обмоток двигателя. Число пусков асинхронного двигателя в час, допустимое по условиям его нагрева, тем больше, чем меньше номинальная мощность двигателя и чем меньше соединенные с его валом маховые массы.В двигателе с короткозамкнутым ротором активно-индуктивное сопротивление цепи ротора незначительное. В начальный момент времени, из-за максимальной частоты в цепи ротора двигателя, величина ЭДС ротора будет максимальной, а значит и ток цепи ротора будет максимальный. Из равенства мощностей обмоток трансформатора можно предположить, что раз ток ротора максимальный, то и ток статора так же будет максимальным.

Для борьбы с этим явлением, в двигателях с короткозамкнутым ротором в цепь статора вводят реостаты для понижения питающей сети.

Рисунок 1.3– Пусковые токи при прямом пуске двигателя

Как видно из рисунка 1.3, в нашем случае, без приведенных способов уменьшения входного тока, пусковой ток превышает номинальный больше чем в 10 раз.

Ниже, на рисунке 1.4, представлены осциллограммы поочередного прямого пуска асинхронных двигателей различной мощности (от 45 до 75кВт). На осциллограммах отчетливо видно превышающие пусковые токи. Кроме того, заметна ярко выраженная асимметрия питания.

Для высокомощных двигателей такой режим пуска может быть критичен, так как высокие пусковые токи могут привести к перегреву обмотки статора и выводу ее из строя. Так как пусковой момент, как видно из рисунка, нестабильный, что в свою очередь может привести к биениям двигателя. Для двигателей, мощностью больше 100кВт, такие пульсации момента могут оказаться критическими, так как они могут привести к механическим повреждениям двигателя, и устройств соединенных механически с двигателем, таким как, например, поломка подшипников.

При использовании методов пуска, в частности введение реостатов в цепи ротора или статора, существенно снижается кпд, т.к. потребляемый ток не производит полезной мощности, а нагревает реостаты. Это существенные потери, которые особенно проявляются при использовании особо мощных двигателей.

С появлением современных силовых полупроводниковых приборов и микроконтроллеров появилась возможность изготовлять различные силовые электронные преобразователи электрической энергии, с помощью которых возможно изменять амплитуду напряжения и частоту. Что позволило, в свою очередь, плавно изменять ток статора.

В зависимости от нужного качества пусковых характеристик, мощности и стоимости различают два основных метода плавного пуска: амплитудный и частотный.

Рисунок 1.4 – Осциллограммы прямого пуска различных асинхронных машин

Амплитудный пуск

Запуск двигателя с плавным нарастанием ЭДС питающей сети, при неизменной частоте питающей сети. Схема представлена на рисунке 1.5.

Рисунок 1.5 – Схема амплитудного пуска «softstart»

На рисунке 1.6 представлен результат моделирования при амплитудном пуске.

Рисунок 1.6 – Осциллограмма амплитудного пуска

На данном рисунке мы видим, что теперь ток превышает номинальный не значительно. Нарастание скорости не линейное. Момент двигателя без пульсаций, но не линейный и зависит от скорости вращения ротора. Момент на валу двигателя подчиняется закону:

M=cФI2cosψ2………………………………….(1.5)

с=3∙4,44fw2к2ω0=32w2к2p…………………………..(1.6)

Где,с– конструктивный коэффициент;

ψ2 – сдвиг по фазе между ЭДС и током ротора;

cos ψ2 – активная составляющая тока ротора.

Скорость вращения магнитного поля:

ω0=2πfp………………………………………(1.7)

Как видно из формулы с увеличением тока ротора момент увеличивается. Так как асинхронный двигатель можно представить как трансформатор, в котором в обязательном порядке соблюдается баланс мощностей на входе и выходе, то при увеличении тока статора будет так же увеличиваться ток ротора, а следовательно будет увеличиваться момент.

Частотный пуск

Из выше приведенных формул и выводов можно предположить, что если мы будем регулировать не только амплитуду, но и частоту пит.сети, то распределение момента будет почти не зависеть от увеличения скорости вращения ротора. Действительно в начальный момент времени, частота ЭДС ротора равна частоте питающейсети. С увеличением частоты питающей сети, пропорционально будет увеличиваться скорость вращения вала двигателя, следовательно частота ЭДС ротора останется не изменой, а значит останется постоянной ЭДС ротора, что в свою очередь приведет к неизменному току цепи ротора. На рисунке 1.7 приведен частотный пуск двигателя.

Рисунок 1.7 – Осциллограмма частотного пуска

Как видно из рисунка скорость нарастания почти постоянная. Момент на валу имеет не большие пульсации.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *