Онищенко Г.Б. и др. Автоматизированный электропривод промышленных установок

Подождите немного. Документ загружается.

JB,4.1. Схемы включения асинхронного короткозамкнутого двигателя

: использованием контактного (а) и бесконтактного (б) пускателей

Для нерегулируемых приводов с синхронными двигателями

ме указанных функций управления необходимо также регули-

ние тока возбуждения. Принципы регулирования возбужде-

синхронных машин рассмотрены в §4.7.

Основной характеристикой нерегулируемого электропривода

Протея номинальные данные приводного электродвигателя, т.е.

.данные, которые относятся к основному расчетному режиму

оты двигателя. Номинальная мощность определяется как

|цность на валу двигателя, на которую он рассчитан по услови-

Тиагревания в длительном режиме работы или в том режиме,

которого этот двигатель предназначен. К номинальным дан-

относятся также частота и напряжение питания, скорость

^Шсния, ток в обмотках, кпд и

cos<p,

соответствующие номи-

1ЬНому режиму работы.

При выборе номинальных параметров нерегулируемого

Ъктропривода возникает задача выбора величины передаточно-

уКоэффициента редуктора (или другой передачи), соединяюще-

вал электродвигателя с рабочим органом машины. Асинхрон-

6 электродвигатели выпускаются с высокими скоростям вра-

епня (синхронная скорость 3000, 1500, 1000, 750, 600об/мин), в

время как скорость рабочего органа, как правило, требуется

||Чительно ниже. Для снижения скорости и соответствующего

«ышения момента на валу рабочего органа необходимо ис-

•Ьлъзование понижающей передачи (редуктора).

380В

Масса и габаритные размеры электродвигателя определяют-

ся не его номинальной мощностью, а номинальным моментом

двигателя

Номинальный момент двигателя пропорционален объему ак-

тивных частей электрической машины и принятыми для этой

машины электрическими и электромагнитными нагрузками: до-

пустимой плотностью тока в обмотках А (А/мм

) и индукцией в

магнитопроводе В (Тл), т.е. приблизительно

=kD

L-AB,

где D и L - диаметр и длина активной части ротора (якоря)

двигателя.

С учетом неактивных частей электрической машины (стани-

ны, подшипниковых щитов и др.) соотношение между весом и

номинальным моментом не будет строго пропорциональным, од-

нако приближенно для двигателей одной серии можно считать,

что вес и габариты двигателя примерно пропорциональны его

номинальному моменту.

Исходя из этого, конструктору при выборе привода следует

выбирать, чему отдать предпочтение: электродвигателю меньше-

го веса и меньших габаритов, но с редуктором, имеющим боль-

шее передаточное отношение, или большему по габаритам и весу

электродвигателю, но в сочетании с более простым редуктором с

меньшим передаточным отношением или вообще обойтись без

механической передачи, т.е. применить безредукторный электро-

привод.

Выбор производится, исходя из технико-экономических со-

ображений и удобства компановки конструкции рабочей машины

в целом.

Для нерегулируемых приводов малой и средней мощности

(до 200кВт), как правило, применяются редукторные электропри-

воды. Наиболее современным конструкторским решением явля-

ется использование мотор-редукторов, в которых электродвига-

тель и редуктор конструктивно объединены в одно целое.

Для регулируемых электроприводов (особенно высокоточ-

ных) стремятся избежать, когда это возможно, использования

дуктора и применяют безредукторные электроприводы, в кото-

рых вал электродвигателя непосредственно соединяется с рабо-

чим органом машины.

I Для электроприводов (в том числе и нерегулируемых), рабо-

Нкнних с большим числом пусков и остановов стремятся мини-

И|зировать время пуска привода (t

Г Из уравнения движения электропривода (2.8), полагая Мс=0

•пусковой момент двигателя (М

) постоянным (средним) во

^нмя пуска, получим

' J.

*П =

.ро

м,

Л, + Jn +

ро

(4.1)

I где: С0

^ - номинальная скорость рабочего органа;

Bp - момент инерции передачи, приведенный к валу двигателя.

\ Из (4.

Г)

получим:

f _ ^Н

ро

(J»+J„)-l +

dt,

олагая —— = 0, найдем оптимальное по условию миними-

В|И времени пуска передаточное отношение редуктора:

ро

(4.2)

Электромеханические свойства асинхронных двигателей

[На,

• нромь

4.2.1. Принцип работы асинхронного двигателя

аиболее распространенными электрическими двигателями

ышленности, сельском хозяйстве и во всех других сферах

^Вменения являются асинхронные двигатели. Можно сказать,

Hi они являются основным средством преобразования электри-

•екпй энергии в механическую.

Г Асинхронный двигатель является трехфазной (может быть

Hvx или многофазной) индукционной электрической машиной

^Ьеменного тока. На статоре двигателя располагаются три рас-

^•дсленные обмотки, сдвинутые друг относительно друга на

если число пар полюсов машины 2р

= 2, как это показа-

f^^jlia рис. 4.2а. Если число пар полюсов

(рп)>

образуемых обмот-

Ми, более одного, то соответственно увеличивается число сек-

ций обмотки, и они будут сдвинуты геометрически друг

относительно друга уже не на

^--тТ

' 1-члО 120°

уС к ) 120,ана .

дД Фазные статорные обмотки

f -•Л \ асинхронного двигателя соеди-

I ) няют в звезду (рис.4.26) или в

\Х\С i у J. JT\J треугольник (рис.4.2в). Обычно

^•V" J) / асинхронные двигатели малой и

\Г л^лл ч/

средней мощности сконструиро-

ваны на номинальное напряжение

а) 380/220В. При этом, если напря-

жение питания 380В, то обмотки

^ в с соединяют в звезду (Y), если

напряжение питания 220В, то об-

мотки соединяют в треугольник

(Д). В обоих случаях напряжение,

прикладываемое к фазной обмот-

ке статора двигателя, равно 220В.

Работа асинхронного дви-

гателя основана на формировании

силового электромагнитного поля

статора. Благодаря простран-

ственному сдвигу обмоток на

120°/

/ градусов и временному

/ Рп

сдвигу трех фаз напряжения,

прикладываемого к обмоткам,

(фазы напряжений U

, U

, и Uc

сдвинуты на 120 электрических

градусов - р

иан

)

резуль-

тирующий вектор магнитодви-

жущих сил F, создаваемых

током в обмотках двигателя,

равномерно перемещается rib

в)

Рис.4.2. Схемы включения об- окружности расточки статора со

моток асинхронного двигателя скоростью

Рп

(4.3)

где:// - частота синусоидального тока в обмотках статора;

Рп

—

число пар полюсов машины.

Ь >• ><

Ъл

«) в)

Ьс.4.3. Принцип образования вращающегося электромагнитного поля

| 11ринцип образования вращающегося магнитного поля в об-

ах статора можно уяснить из рассмотрения рис.4.3. На

|L4.3a представлена эпюра системы трехфазных токов проте-

>щих по обмоткам статора (мгновенные значения токов в об-

(тках фаз о, в и с в зависимости от времени оя = 2л//). Рас-

Втрим положение в пространстве результирующего вектора

^к. статора в момент времени //.

ктор м.д.с. обмотки a F

направлен по оси «а» в положи-

Щьном направлении и равен 0,51

амтс

; вектор м.д.с. обмотки с

и направлен по оси «с» в положительном направлении и равен

HLkc-. Сумма векторов F

+ F

направлена по оси «в» в от-

Ъательном направлении; с этой суммой складывается вектор

Вс. обмотки «в», равный 1

вмокс

- Сумма этих векторов образует

Ьстранственный вектор F

, равный по модулю величине

и занимающий пространственное положение, как показа-

•Ь на рис.4.36.

По прошествии времени ол-у^ (при частоте 50Гц через

наступит момент времени (2, при котором вектор м.д.с.

обмотки «а» F

имеет максимальное положительное значение, а

векторы м.д.с. обмоток «в» и «с» - половинное отрицательное

значение. Результирующий вектор м.д.с. F

займет в этот мо-

мент положение, показанное на рис.4.36, т.е. переместится по от-

ношению к предыдущему положению F\ на пространственный

угол 60° по часовой стрелке. Нетрудно убедиться, что в момент

времени /

результирующий вектор м.д.с. обмоток статора займет

положение F

, т.е. будет продолжать перемещаться в пространст-

ве по часовой стрелке. За время периода питающего напряжения

результирующий вектор м.д.с. F совершит полный оборот по

часовой стрелке.

Предоставляем читателю самому убедиться, что при измене-

нии порядка чередования фаз напряжения, подводимого к обмот-

кам двигателя (если, например, поменяем местами фазы В и С на

рис.4.2б,в), то результирующий вектор потокосцепления будет

вращаться против часовой стрелки, т.е. изменится направление

вращения магнитного поля, образуемого токами в обмотках ста-

тора.

Если число пар полюсов двигателя больше единицы, то уве-

личивается число секций обмоток, располагаемых по окружности

статора. Так, если число пар полюсов /?я=2, то все три фазные

обмотки расположены на одной половине окружности статора,

соответственно и на второй его половине. В этом случае за время

одного периода питающего напряжения вектор м.д.с. статора F

пройдет половину окружности, т.е. повернется на 180 геометри-

ческих градусов, и скорость вращения магнитного поля статора

будет вдвое меньше, чем у машин с рп=\. Следовательно, ско-

рость вращения магнитного поля статора О)

(ее также называют

синхронной скоростью) обратно пропорциональна числу пар по-

люсов машины и будет в соответствии с (4.3).

В зависимости от конструкции ротора асинхронного двига-

теля различают асинхронные двигатели с фазным ротором и с*ко-

роткозамкнутым ротором. В двигателях с фазным ротором на ро-

торе располагается трехфазная распределенная обмотка, соеди-

ненная обычно в звезду, концы обмоток соединены с контактны-

кольцами, через которые электрические цепи ротора выводят-

Из машины для подключения к пусковым сопротивлениям с

"бедующим закорачиванием обмоток. В короткозамкнутых

]Гателях обмотка выполнена в виде беличьей клетки - стерж-

^ замкнутых накоротко с двух сторон кольцами. Несмотря на

ифическое конструктивное устройство, беличью клетку так-

можно рассматривать как трехфазную обмотку, замкнутую

1тко.

ело

п»р по-

люсов

Угловая скорость

электромагнитного

поля статор», 1/с

Синхронная ско-

рость асинхронного

двигателя, об/мин

Примерная ном.

скорость двига-

теля, об/мнн

2р

= 2

=314 1/с

л„ =3000об! мн

2940

2/>„=4

й)

= 157 1/с л

= 1500об / мн

1450

2 р„ =6

<и

=104,6 1/с

п„ = 1000об! мн

980

> 2

Рп

<у

=78,5 1/с

735

И 2р„ = 10

о)

=62,8 1/с

=600об! мн

585

»2/>

=12

со

=52,3 1/с

=500об! мн

490

Электромагнитный момент в асинхронном двигателе созда-

[

благодаря взаимодействию вращающегося магнитного поля

ра с активной составляющей тока ротора

= кФ1

2а

(4.4)

Ток ротора возникает благодаря э.д.с. Ег, которая индуктиру-

в обмотках ротора вращающимся магнитным полем. Когда

р неподвижен, асинхронный двигатель представляет собой

:фазный трансформатор с обмотками замкнутыми накоротко

нагруженными на пусковое сопротивление. Возникающая

неподвижном роторе в его обмотках э.д.с. называется номч-

ьнон э.д.с. ротора Е

2н

. Эта э.д.с. приблизительно равна фазно-

напряжению статора, деленному на коэффициент трансфер-

ами Г

(4.5)

Величина э.д.с. ротора £

при вращающемся двигателе и час-

этой э.д.с. (а значит, и частота тока в обмотках ротора) fi за-

ят от частоты пересечения вращающимся полем проводников

отки ротора (в короткозамкнутом двигателе - стержней). Эта

-Гота определяется разностью скоростей поля статора со

и ро-

гу

Эта разность называется абсолютным скольжением

o6c=V0 (4.6)

При анализе режимов работы асинхронного двигателя с по-

стоянной частотой питающего напряжения (50Гц) обычно поль-

зуются относительной величиной скольжения

й>

<У

Когда ротор двигателя неподвижен, 5=1.

Исходя из сказанного, наибольшая величина э.д.с. ротора

при работе в двигательном режиме будет при неподвижном рото-

ре (Е

2м

); ПО мере увеличения скорости (уменьшении скольжения)

э.д.с. Ei будет уменьшаться

-s, (4.8)

аналогично частота э.д.с. и тока ротора /? при неподвижном рото-

ре будет равна частоте тока статора/|, и по мере увеличения ско-

рости будет уменьшаться пропорционально скольжению

Л =/,•*• (4.9)

В номинальном режиме скорость ротора незначительно от-

личается от скорости поля, и номинальное скольжение составляет

для двигателей общего применения мощностью 1,5-200кВт всего

2-3%, а для двигателей большей мощности порядка 1%. Соответ-

ственно в номинальном режиме э.д.с. ротора составляет 1-3% от

номинального значения этой э.д.с. при 5=

Частота тока ротора в

номинальном режиме будет составлять всего 0,5-1,5Гц. При 5=0,

если скорость ротора равна скорости поля, э.д.с. ротора £

и ток

ротора h будут равны нулю, момент двигателя также будет равен

нулю. Этот режим является режимом идеального холостого хода.

Зависимость частоты э.д.с. и тока ротора от скольжения оп-

ределяет своеобразие механических характеристик асинхронного

двигателя.

4.2.2. Механические характеристики асинхронного двигателя

Рассмотрим работу асинхронного двигателя с фазным рото-

ром, обмотки которого замкнуты накоротко.

Как уже указывалось (4.4), момент двигателя пропорциона-

лен потоку Ф и активной составляющей тока ротора Г

2а

, приве-

денного к статору. Поток, создаваемый обмотками статора, про-

порционален величине и частоте питающего напряжения

= ксо

Ф . (4.10)

Ток ротора I2 равен

/ -

и'*

•>

— г •

(4.11)

где Z

- полное сопротивление обмотки ротора.

L Следует учитывать, что индуктивное сопротивление обмотки

jtopa х

является величиной переменной, зависящей от частоты

ротора, а, следовательно, от скольжения

27rf

2Я/", • SL

•

При неподвижном роторе при 5=1 индуктивное сопротивле-

1 обмотки ротора наибольшее. По мере роста скорости

]еньшении скольжения) индуктивное сопротивление ротора х

шается и при достижении номинальной скорости составля-

1-3% от величины сопротивления при

5 = 1.

Обозначив

|| = х

1ном

, получим

(4.12)

(4.13)

2 ~

2ном '

•

Тогда

Л-

Е-, s

2 н

вная составляющая тока ротора

cos^j =

yj(x и*)

+г?

(4.14)

где cos^, =

+г}

(4.15)

риведем параметры цепи ротора к обмотке статора с уче-

оэффициента трансформации г = —-

•

Приведение паря-

в производится на основе сохранения равенства мощности.

Е = —

•

1=1

С учетом (4.16)

г; г, = г

=х

-т

/; =

2н

-з

>1(

г*'*)

И ha =

Е2н

2 '

yj(x

-s)

+ Г?

(4.16)

(4.17)

Разделив числитель и знаменатель формулы (4.17) нал, по-

•ЧИМ

(4.18)

Проведенная мате-

матическая опера-

ция - деление чис-

лителя и знамена-

теля на s, конечно,

не изменяет спра-

ведливость равен-

ства (4.18), но носит

формальный харак-

тер, что нужно учи-

тывать при рассмот-

рении этого соотно-

шения. В действи-

тельности как это

следует из исходной

формулы (4.13) от

скольжения зависит

величина индуктив-

ного сопротивления

ротора х

, а активное сопротивление г

остается постоянным. Ис-

пользование выражения (4.18) позволяет по аналогии с транс-

форматором составить схему замещения асинхронного двигателя,

которая представлена на рис.4.4а. Для анализа нерегулируемого

электропривода эту схему можно упростить, перенеся контур на-

магничивания на зажимы двигателя. Упрощенная П-образная

схема замещения представлена на рис.4.46. Исходя из этой схе-

мы, ток ротора будет равен:

б)

Рис.4.4. Схемы замещения асинхронного

двигателя

xl +

(4.19)

•t

где: х

= х, + х

2н

- индуктивное сопротивление короткого

замыкания.

Активная составляющая тока ротора будет: