Пуск двигателя. Регулировка частоты вращения асинхронных двигателей

Потери энергии и КПД асинхронного двигателя. В обмотку статора из сети поступает мощность P₁. Часть этой мощности идет на потери в стали P_сl, а также потери в обмотке статора Р_э1:

Оставшаяся мощность посредством магнитного потока передается на ротор и называется электромагнитной мощностью:

Часть электромагнитной мощности затрачивается на покрытие электрических потерь в обмотке ротора:

Оставшаяся мощность преобразуется в механическую, получившую название полной механической мощности:

Р₂'=Р_эм-Р_э2

Воспользовавшись ранее полученной формулой

запишем выражение полной механической мощности:

тогда

или

                                                                         Р_э2=SР_эм,

т.е. мощность электрических потерь пропорциональна скольжению.

 

Мощность на валу двигателя P₂ меньше полной механической мощности Р₂’ на величину механических Р_мех и добавочных Р_доб потерь:

 

                                                          Р₂=Р₂’-(Р_мех.+Р_доб.).

Таким образом:

                                                                    Р₂=Р₁-SP,

 

 

где

                                                         SP=P_сl+Р_э1+Р_э2+Р_мех.+Р_доб.

 

Коэффициент полезного действия есть отношение мощности на валу P₂ к потребляемой мощности P₁:

 

 

Механическая характеристика асинхронного двигателя. Зависимость М=f(S) получила название механической характеристики двигателя (рис. 1).

В момент пуска двигателя, когда n₂=0, скольжение S=1, тогда:

 

.

 

Под действием момента M_n ротор придет во вращение. В дальнейшем скольжение будет уменьшаться, а вращающий момент увеличиваться. При скольжении S_кр он достигает максимального значения M_max.. Величина критического скольжения

.

Тогда, подставив его значение в формулу для М, получим:

 

 

Дальнейший разгон двигателя будет сопровождаться уменьшением скольжения и, вместе с тем уменьшением вращающего момента. Равновесие наступит, когда величине вращающего момента будет противостоять тормозной момент, вызванный нагрузкой.

При номинальной нагрузке будут номинальный вращающий момент Мн и номинальное скольжение S_н.

Отношение максимального момента к номинальному называется перегрузочной способностью двигателя.

.

Обычно она составляет величину от 1,7 до 2,5.

Отношение пускового момента к номинальному называется кратностью пускового момента

 

.

 

Эта величина может быть меньше единицы (например, 0,8) и больше ее (до 1,2). При меньшей кратности двигатель следует включать в работу без нагрузки, и лишь после разгона подается нагрузка. Двигатель с кратностью К_п.м.>1 можно включать в сеть с полной нагрузкой.

 

 

 

Рабочие характеристики асинхронного двигателя. Эти характеристики снимаются экспериментально и представляют собой зависимость I₁, М₂, n₂, cosφ, h от нагрузки на валу двигателя P₂.

Примерный вид характеристик приведен на рис.2.

 

Пуск, регулирование частоты вращения и торможение асинхронного двигателя. На практике замечено, что ток, потребляемый обмоткой статора в первый момент пуска двигателя, очень большой. В ряде случаев он превышает номинальный ток в 6 - 10 раз.

Такой нагрузки может не выдержать не только питающая сеть, но и сама обмотка статора. Поэтому для пуска крупных асинхронных двигателей применяют специальные устройства, снижающие пусковой ток. На рис. 3. показаны схемы пуска мощных двигателей с помощью реакторов и автотрансформатора.

 

 

Принцип ограничения тока заключается в том, что к статорной обмотке двигателя на период пуска подводится пониженное напряжение. После разгона его дополнительные устройства от двигателя отключаются

 

Иногда для снижения напряжения, подаваемого в обмотки статора, изменяют схему переключения обмоток. Например, асинхронный двигатель нормально работает по схеме "треугольник". Если на период пуска его обмотки включить "звездой", то на каждую фазу придется напряжение в раз меньшее.

Двигатели с фазным ротором пускаются в работу с помощью дополнительных сопротивлений. Вводя дополнительные сопротивления в цепь ротора, добиваются ограничения пускового тока.

Регулирование частоты вращения асинхронного двигателя определяется формулой:

 

.

Здесь возможны три различных способа реализации:

Первый заключается в изменении частоты тока f, подаваемого в обмотки двигателя. Этот способ позволяет осуществлять плавное регулирование частоты вращения двигателя. Регуляторы частоты тока пока еще очень дороги, поэтому они мало применяются.

Второй способ связан с изменением пар полюсов p на статоре.

Укладывая на статоре несколько обмоток, рассчитанных на различные числа пар полюсов (р=1,2,3,4), можно обеспечить различные частоты вращения магнитного поля (соответственно: 3000, 1500, 1000, 750 об/мин). Подключение к сети необходимой обмотки производится специальным переключателем.

Этот способ регулирования ступенчатый, но в ряде металлообрабатывающих станков он нашел самое широкое применение (например, для привода продольно-строгального станка при рабочем и обратном ходе).

Третий способ регулирования частоты вращения возможен лишь для двигателей с фазным ротором. Здесь изменение скольжения S достигается введением в цепь ротора регулировочных сопротивлений. Такие схемы широко используются на грузоподъемных кранах.

 

К категории регулирования вращения вала двигателя относится так называемое реверсирование, т.е. изменение направления вращения на обратное. Осуществляется оно путем изменения порядка чередования фаз обмотки статора. На рис.4. показана схема изменения направления вращения вала двигателя.

 

 

Торможение асинхронного двигателя может быть механическим и электрическим.

К механическим относятся торможения муфтами, электромагнитными лентами, колодками и т.д.

Иногда применяют электродинамическое торможение, когда после отключения двигателя от сети переменного тока в его обмотки подается постоянный ток. В этом случае постоянное магнитное поле заметно сокращает выбег ротора..

Чаще используется торможение "противовыключением". После отключения двигателя от сети его кратковременно включают на вращение в обратную сторону. Как только оставшаяся частота вращения ротора n₂ станет равной нулю, двигатель отключается от сети.

 

Основная литература: [2(442-460),3(420-457), 4(404-424)]

Дополнительная литература: [6 (228-239)]

 

 

Контрольные вопросы:

1. Перечислите все виды потерь мощности в асинхронных двигателях[6 (229)].

2. Нарисуйте график механической характеристики асинхронного двигателя и проанализируйте его. [4 (404)].

3. Почему в период пуска токи в статорной обмотке максимальны? [4 (409)].

4. Как улучшают пусковые свойства двигателя с короткозамкнутым ротором? [3 (433-442)].

5. Как можно изменить направление вращения трехфазного асинхронного двигателя? [4(388)].

Тестовые задания к Лекции 14:

1. Какое скольжение асинхронного двигателя называется критическим?

a) максимальное скольжение двигателя; 

b) скольжение при работе двигателя в холостую; 

c) скольжение, при котором двигатель развивает критический, т.е. максимальный момент;   

d)  минимальное скольжение двигателя;  

e) скольжение при работе двигателя.

 

2. Как можно уменьшить значение пускового тока асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором? Указать неправильный ответ.