Принцип действия и основные режимы работы асинхронной машины. Трехфазные асинхронные электродвигатели широко используются в торфяной промышленности. Наибольшее распространение получили асинхронные короткозамкнутые электродвигатели. Электродвигатели с фазным ротором применяются в основном для некоторых механизмов передвижных торфяных машин (кузов СКС, стилочные машины).
Широкое распространение асинхронных электродвигателей объясняется простотой их устройства, надежностью и экономичностью. Особенно просты и надежны короткозамкнутые электродвигатели. Наряду с достоинствами асинхронные электродвигатели имеют существенные недостатки: отсутствие простых способов регулирования скорости вращения в широких пределах, что приводит к необходимости применять в сложных электроприводах электродвигатели постоянного тока; квадратичную зависимость момента от напряжения (Мд=U2), что значительно ухудшает работу электродвигателя при снижении напряжения в сети; малоудовлетворительные пусковые характеристики — небольшие пусковые моменты при больших пусковых токах (короткозамкнутые электродвигатели).
Работа трехфазного асинхронного электродвигателя основана на принципе вращающегося магнитного поля, создаваемого трехфазным током, протекающим по обмоткам статора. Поле статора перемещается в пространстве с угловой скоростью wсин, называемой синхронной скоростью:
(3-7)
или
(3-8)
где f — частота тока статора, гц;
р — число пар полюсов обмотки статора;
n — синхронная частота вращения поля статора, об/мин.
Вращающееся магнитное поле, пересекая обмотки статора и ротора, индуктирует в них э. д. с.
Э. д. с. статора совместно с падением напряжения уравновешивает приложенное напряжение.
Э. д. с. ротора создает в замкнутых проводниках ротора ток, который, взаимодействуя с полем статора, приводит к созданию электромагнитного момента, действующего по направлению вращения поля. Если этот момент достаточен для преодоления момента сопротивления на валу, то ротор придет во вращение. Скорость ротора ω будет несколько меньше скорости поля статора. Отношение разности этих скоростей к скорости поля статора называется скольжением:
На основании (3-9) или (3-10) могут быть определены скорость и частота вращения ротора
При изменении скорости вращения ротора в режиме двигателя от ω=0 до ω=ωcин величина скольжения изменяется от s=l до s=0.
Асинхронная машина может работать не только в двигательном режиме, но и в режимах генератора и электромагнитного тормоза.
Режим генератора можно получить в том случае, если к валу асинхронного электродвигателя, подключенного к электрической сети, приложить извне добавочный момент (по направлению вращения ротора) такой величины, чтобы ротор стал вращаться со скоростью выше синхронной. В этом случае относительное движение проводников ротора в поле статора в сравнении с двигательным режимом изменится на обратное. В связи с этим изменится направление электродвижущей силы в проводниках ротора и соответственно тока ротора, который, взаимодействуя с полем статора, создаст электромагнитный момент, который будет выполнять роль тормоза. Вырабатываемая при этом электрическая энергия поступает в систему. Такой режим торможения можно получить, например, в подъемных установках при опускании тяжелых грузов.
Асинхронная машина будет работать в тормозном режиме и в том случае, если ее ротор вращать с помощью постороннего источника механической энергии в сторону, противоположную направлению вращения поля статора.. При этом движение проводников ротора относительно поля статора в сравнении с двигательным режимом изменится на обратное так же, как и для случая режима генератора. Поэтому ток ротора, аналогично взаимодействуя с полем статора, будет создавать тормозной момент. Такой режим работы асинхронной машины называется режимом электромагнитного тормоза (режим противотока или противовключения). Практически он создается путем изменения направления вращения поля статора относительно направления вращения ротора, если переключить два каких-либо провода, подводящих ток к статору электродвигателя.
Конструктивное исполнение асинхронных электродвигателей. Выпускаемые отечественной электропромышленностью асинхронные электродвигатели имеют различное конструктивное исполнение, которое определяется в основном способом защиты электродвигателя от воздействия окружающей среды (защиты от воздействия пыли; грязи, влаги, кислот и щелочей, взрывоопасных газов, высокой температуры и т. п.) и характером сочленения электродвигателя с рабочей машиной (род монтажа).
В настоящее время асинхронные электродвигатели выпускаются по данным Единой серии, важнейшим достоинством которой является стандартизация шкалы мощностей и монтажных размеров.
В диапазоне мощностей 0,6—100 кВт выпускаются с 1964 г. асинхронные электродвигатели новой Единой серии А2 (взамен выпускаемых с 4949 г. электродвигателей Единой серии А).
Новая Единая серия А2 состоит из девяти габаритов: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 и 9, различающихся размерами наружного диаметра сердечника статора. Каждый габарит имеет при данной скорости вращения две мощности и соответственно этому два номера длины сердечника статора. Следовательно, шкала мощностей состоит из 18 ступеней: 0,6—0,8—1,1—1,5-2,2—3—4—5,5—7,5—10—13—17- 22—30-40—55—75—100 кВт.
Серия представляет собой два конструктивных параллельных ряда электродвигателей: защищенного исполнения — А2 (6—9 габариты) и закрытого обдуваемого исполнения — АО2 (1—9 габариты),.
Электродвигатели в защищенном исполнении имеют защиту от случайного прикосновения к вращающимся и токоведущим частям, а также от попадания внутрь машины посторонних предметов и капель воды, падающих вертикально или под углом 45°.
Электродвигатели в закрытом обдуваемом исполнении полностью закрыты и предохранены от попадания внутрь машины мелких предметов и пыли, что дает возможность применять эти электродвигатели в пыльных или засоренных помещениях.
Новйя Единая серия имеет основное исполнение — электродвигатели общепромышленного применения с короткозамкнутым ротором и электрические модификации: а) с короткозамкнутым ротором — электродвигатели с повышенным пусковым моментом, с повышенным скольжением, многоскоростные, для текстильной промышленности, с алюминиевой обмоткой; с фазным ротором.
Выпускаются также электродвигатели в специализированном исполнении: тропическом, химостойком; влаго- и морозостойком; малошумном; однофазном, а также встраиваемом с короткозамкнутым ротором и встроенным электромагнитным тормозом;
Обозначение типа электродвигателя состоит из буквенной и цифровой частей, например АО2-92-10 — электродвигатель закрытый обдуваемый, новой серии (цифра 2), девятого габарита, второй длины, десятиполюсный.
При обозначении типов модификаций к буквенной части прибавляется для электродвигателей: с повышенным пусковым моментом — буква П (например, АОП2-62-4); с повышенным скольжением — буква С (например, АОС2-41-4); для текстильной промышленности — буква Т (например, АОТ2-32-6); с фазным ротором — буква К (например, АОК2-72-6); со встроенным электромагнитным тормозом — буква Э (например, АОЭ2-41-4).
Для электродвигателей общего применения с алюминиевой обмоткой статора в конце полного обозначения типа добавляется буква А (например, АО2-42-4А). Для встраиваемых электродвигателей в конце буквенного обозначения добавляется буква В (например, АОПВ-42-4).
Электродвигатели специализированных исполнений имеют в обозначении дополнительные условные буквы, например X — для работы в химических средах (АО2-72-4Х); Т — для работы в условиях тропиков и т. д.
Электродвигатели А2 и АО2 всех габаритов выполняются в чугунной оболочке, а 1, 2 и 3-го габаритов в алюминиевой оболочке (например, АОЛ-2-11-4).
Электродвигатели серии А2 изготовляются на номинальные напряжения сети 220/380 В, 380/660 В и 500 В.
Для взрыво- и пожароопасных помещений выпускаются асинхронные взрывобезопасные электродвигатели Единой серии ВАО. Эти электродвигатели спроектированы на базе Единой серии АО2; установочные размеры машин серии ВАО совпадают с размерами машин серии АО2.
В подъемно-транспортных установках применяются специальные крановые электродвигатели. Они предназначены для работы в повторно-кратковременном режиме с частыми перегрузками и реверсами, в условиях повышенной вибрации и температуры. Поэтому крановые электродвигатели по сравнению с нормальными общепромышленного исполнения (А2 или АО2) отличаются большей прочностью, имеют более жесткий корпус, лучшую изоляцию, увеличенный воздушный зазор. Эти электродвигатели обладают более высокой перегрузочной способностью и более высоким пусковым моментом. Однако при этом они имеют более низкие энергетические показатели: коэффициент полезного действия и коэффициент мощности.
Крановые асинхронные электродвигатели, выпускаемые в настоящее время, соответствуют ГОСТу 185—63. Электродвигатели с изоляцией класса Е обозначаются буквами МТ (с фазным ротором) и МТК (с короткозамкнутым ротором) с изоляцией класса В соответственно МТВ и МТКВ. При буквенных обозначениях указываются цифры. Первой цифра трехзначного числа, стоящая после букв, обозначает габарит статора, последняя — условную длину пакета статора. Цифра после черточки — число полюсов. Например, МТ 112-6 означает: крановый электродвигатель с фазным ротором, с изоляцией класса Е, первой величины, второй длины, шестиполюсный.
Рис. 3-6. Принципиальные схемы включения в сеть трехфазных асинхронных электродвигателей с фазным ротором:
а — звездой; б — треугольником.
Принципиальные схемы включения электродвигателей в сеть трехфазного тока приведены на рис. 3-6.
Обмотки статора электродвигателя в зависимости от напряжения сети соединяются звездой или треугольником.
Рис. 3-7. Соединение зажимов на щитке статора асинхронного электродвигателя при соединении обмоток статора звездой и треугольником.
Возможность изменения схемы соединения обмоток статора позволяет использовать одни и те же электродвигатели в сетях с различными номинальными напряжениями 127/220 В; 220/380 В; 380/660 В. При низших напряжениях обмотки статора соединяются треугольником, при высших — звездой. Для возможности такого соединения на щиток машины выводятся шесть зажимов (рис. 3-7). Выводы обмоток статора тестированы и имеют следующие обозначения:
При напряжении 500 В обмотки статора асинхронного электродвигателя соединяются звездой. При этом на щиток машины выводятся три зажима, имеющие обозначения соответственно С1, С2 и С3.
Обмотки роторов обычно соединяются звездой. В мощных электродвигателях в целях снижения напряжения на контактных кольцах иногда применяется соединение обмоток ротора треугольником. Выводы обмоток ротора имеют обозначение P1, Р2, Р3. Эти концы присоединяются к контактным кольцам ротора.
Механические характеристики асинхронного электродвигателя в тормозных режимах.
Асинхронный электродвигатель, как уже отмечалось, может работать в тормозных режимах: генераторном с отдачей энергии в сеть (рис. 3-10, б), противовключения (рис. 3-10, в), а также в режиме динамического торможения (рис. 3-10, г).
Режим генераторного торможения с отдачей энергии в сеть (рекуперативное торможение) возможен при вращении ротора за счет механической энергии со скоростью выше синхронной.
Величина скольжения принимает отрицательное значение:
так как ω>ωсин.
Рис. 3-10. Режимы работы асинхронной машины:
а — режим электродвигателя; б, в и г — тормозные режимы, соответственно: рекуперативный, противовключением и динамический.
Рекуперативное торможение используется в подъемных установках при Опускании тяжелых грузов, в эскалаторах метро (при спуске с большим количеством пассажиров) и в других установках с активным статическим моментом. Достоинство этого режима — возврат энергии в сеть, надежность торможения; недостаток — невозможность торможения при скоростях ω<ωсин.
Механические характеристики в этом режиме могут быть построены с помощью выражения (3-13) при значениях скольжения от s = 0 до s =—1.
В режиме противовключения ротор электродвигателя вращается в противоположном направлении вращения поля статора. Поэтому скольжение в данном режиме будет иметь положительное значение:
(3-22)
Так как скольжение больше единицы, то это означает, что мощность на валу ротора будет отрицательной, т. е. она не сообщается рабочей машине, а берется от нее. Электродвигатель, преобразуя механическую энергию в электрическую, работает генератором.
Рис. 3-11. Механические характеристики асинхронного электродвигателя в режиме рекуперативного торможения.
Одновременно электродвигатель получает энергию из сети, которая передается полем статора в ротор и поступает на вал электродвигателя. Таким образом, в цепи ротора расходуется суммарная мощность, поступающая из сети и с вала электродвигателя. Эта мощность в форме потерь рассеивается в виде тепла.
Механические характеристики в режиме противовключения располагаются в четвертом квадранте (рис. 3-12). Переход из двигательного режима (рис. 3-12, характеристика 1) в режим противовключения (характеристика 2) возможен в установках с активным статическим моментом, например при подъеме тяжелого груза, когда электродвигатель переводится на искусственную характеристику путем введения в цепь ротора добавочного сопротивления. Если при этом момент короткого замыкания электродвигателя Мк окажется меньше момента статического Мс (рис. 3-12), то под действием груза ротор принудительно будет вращаться в сторону, противоположную вращению поля статора, т. е. будет идти процесс спуска груза со скоростью Мс, при которой Мд=Мс.
Режим противовключения может быть получен также в процессе реверсирования электродвигателя. Ротор при этом вращается против поля статора и постепенно замедляется. При скорости, близкой к нулю, электродвигатель должен быть отключен от сети, в противном случае он снова перейдет в двигательный режим с обратным направлением вращения (рис. 3-12, кривая 3).
Достоинства режима противовключения — надежность торможения при любой скорости, возможность полной остановки, интенсивность торможения; недостатки — возможность самопроизвольного реверса, большое потребление энергии из сети.
Ряс. 3-12. Механические характеристики асинхронного электродвигателя в режиме противовключения.
Расчет механических характеристик режима противовключения может быть выполнен с помощью выражения (3-13) для скольжений в пределах от s = 1 до s=2.
Динамическое торможение асинхронного электродвигателя может быть осуществлено путем отключения обмотки статора от сети трехфазного тока и подключением ее к источнику постоянного тока (см. рис. 3-10, г). Постоянный ток, протекая по обмоткам статора, создает неподвижное в пространстве магнитное поле, при пересечении которого в обмотке вращающегося ротора будет индуктироваться э.д.с. Эта э.д.с. создает переменный ток. Взаимодействие тока ротора с полем статора создаст тормозной момент, под действием которого электродвигатель будет останавливаться. При полном останове э.д.с., ток и тормозной момент будут равны нулю.
При динамическом торможении асинхронный электродвигатель работает при переменной скорости синхронным генератором в режиме короткого замывания. Кинетическая энергия, запасенная во вращающихся частях системы, преобразуется в электрическую, которая в виде тепла расходуется в цепи ротора.
Механические характеристики асинхронного электродвигателя в режиме динамического торможения при постоянном значении тока статора и различных активных сопротивлениях в цепи ротора приведены на рис. 3-13. Максимальный момент при торможении не зависит от величины сопротивления цепи ротора, а определяется величиной тока в обмотке статора. Величина критического скольжения пропорциональна активному сопротивлению обмотки ротора и не зависит от величины тока статора.
Рис. 3-13. Механические характеристики асинхронного электродвигателя в режиме динамического торможения.
Достоинства режима динамического торможения — надежность, экономичность, простота схемы включения; недостаток — уменьшение тормозного эффекта пропорционально скорости.
Динамическое торможение широко используется в практике привода подъемно-транспортных механизмов и в других приводах, требующих точной остановки.
Расчет механических характеристик динамического торможения может быть приближенно произведен по уравнению (3-13) для двигательного режима
, (3-23)
44
 | максимальный момент, Н-м; |
