Конденсаторы, включенные в цепь вторичной обмотки, оказывают существенное влияние на механические характеристики индукторных двигателей.
Вопросам влияния емкости на характеристики индукторных двигателей в установившихся режимах посвящено несколько работ [Л. 11, 58, 69]. В настоящее время известны также работы по исследованию влияния конденсаторов в цепи ротора на рабочие, пусковые и регулировочные свойства обычных асинхронных двигателей с фазным ротором [Л. 79, 80]. В переходных режимах эти вопросы до последнего времени не рассматривались.
Динамические характеристики АИД в настоящей работе исследовались на АВМ типа МН-7. Блок-схемы моделей для получения динамических характеристик момента и скольжения s(t) в функции времени приведены на рис. 4-6. С помощью АВМ был проведен расчет кривых моментов скольжения и огибающих для токов в функции времени для образцов АИД. № 1,3 (их данные приведены в табл. 3-4) при пуске без нагрузки и различных величинах питающего напряжения.
Рис. 4-8. Осциллограммы начальных динамических моментов ЛИД в функции времени при различных значениях емкости во вторичной статорной обмотке.
а — β=0,2, С-105 мкФ; б — β=0,3; С=65 мкФ; в —β=0,3; С=25 мкФ.
Кроме того, сняты кривые момента в функции скольжения и фазовые портреты годографов первичных и вторичных токов для электрошпинделя типа ЭШ-12.
Осциллографирование кривых моментов, скольжений и токов высокочастотных АИД при различных значениях емкости во вторичной обмотке, а также высокочастотного электрошпинделя ЭШ-12 проводилось с целью определения продолжительности пуска, исследования влияния различных параметров (величины емкости и сопротивлений обмоток) на характер изменения максимального электромагнитного динамического момента в процессе пуска. Кривые M(t), i(t), s(t) были сняты с помощью осциллографа типа Н-700.
Представляет практическую ценность выяснение влияния емкостного сопротивления, включенного во вторичную статорную обмотку, на динамические свойства АИД. С этой целью сняты осциллограммы момента в функции времени для АИД № I (рис. 4-8).
Рис. 4-9. Осциллограммы динамических моментов АИД в функции времени в области начальных и критических скольжений ротора при различных значениях емкости во вторичной обмотке. α=β-0,8; б=β—0,55.
Как видно из осциллограмм, чем меньше емкость конденсаторов, тем больше начальный динамический момент и меньше время пуска.
Рис. 4-10. Осциллограммы момента в функции скольжения, полученные на АВМ для АИД. а=β-0,22, С-273 мкФ; б =β-0.
Характер изменения вращающего момента в функции времени (с уменьшением скольжения ротора) для АИД № 1 (табл. 3-4) показан на рис. 4-9. Там же видно влияние емкости С на величину максимального момента при критическом скольжении. Так, при емкости С=40 мкФ при времени 0,35 с, когда скольжение ротора равно 0,75, момент достигает наибольшего значения. При емкости С=0,25 мкФ максимум момента получается при скольжении, близком к единице.
На АВМ были сняты осциллограммы момента в функции скольжения для АИД № 3 (табл. 3-4) с емкостью Q=273 мкФ и при ее отсутствии (хс=0) во вторичной обмотке. На осциллограмме, представленной на рис. 4-10, максимальный момент при критическом скольжении принят за единицу. Как видно из осциллограммы рис. 4-10,а, момент достигает наибольшего значения при критическом скольжении sm≈s0,5. При отсутствии конденсаторов во вторичной обмотке АИД электромагнитный момент весьма мал (рис. 4-10,б), так как велико индуктивное сопротивление рассеяния вторичной обмотки при высокой частоте.
На рис. 4-8, а — в и 4-9, а,б приведены осциллограммы M(t) и s(t) в процессе пуска АИД, полученные на модели рис. 4-6 при различных значениях емкости конденсаторов во вторичных обмотках. Величина емкости в этом случае определяется в соответствии со степенью компенсации ею индуктивного сопротивления вторичной обмотки β=Хс/Хт2.
В качестве динамических показателей, характеризующих кривые Μ(t) и s(t) при пуске АИД, были приняты следующие:
где km1 — кратность максимального динамического момента по отношению к пусковому; Мтуд— максимальный ударный электромагнитный момент; Мп — установившееся значение пускового электромагнитного момента;
где km2 — кратность максимального динамического электромагнитного момента по отношению к максимальному статическому моменту; М— максимальный (критический) электромагнитный момент, соответствующий критическому скольжению в установившемся режиме.
Переходный процесс в высокочастотном АИД, имеющем довольно большой момент инерции ротора, можно разбить условно на два этапа: электромагнитный процесс, протекающий сразу же после переключений в обмотках, когда частота вращения практически не успевает измениться, и последующий электромеханический процесс, протекающий при переменной частоте вращения. В соответствии с этим будем различать два времени:
tэ — время электромагнитного переходного процесса, соответствующее начальному переходному процессу, протекающему при малых изменениях скорости;
tп —время всего переходного процесса — время с момента переключения в обмотках АИД до момента, соответствующего достижению им рабочей скорости.
Из рассмотрения приведенных осциллограмм можно заключить, что величина β во вторичной обмотке существенным образом влияет на переходный процесс пуска АИД. Для количественной оценки этого влияния по полученным осциллограммам рассчитаны коэффициенты, приведенные в табл. 4-1.
Таблица 4-1
Из табл. 4-1 видно, что кратность максимального пускового ударного момента по отношению к пусковому установившемуся моменту с уменьшением емкости (увеличением β) резко падает от 5,5 до 1,25. Это объясняется тем обстоятельством, что с уменьшением емкости во вторичной обмотке максимальный ударный момент растет в меньшей степени, чем установившееся значение пускового момента. Так, при изменении β от 0,2 до 0,8 момент Мт уд увеличивается примерно в 2,8 раза, тогда как Мп увеличивается почти в 13 раз. Вместе с тем кратность максимального ударного момента к критическому установившемуся остается примерно постоянной (меньше единицы), возрастая лишь при β=0,8 до kт2=1,25. В этом случае пусковой и критический моменты примерно равны, поэтому
Динамический электромагнитный момент при пуске ЛИД может принимать отрицательные значения (рис. 4-8,а,б). При емкостях, соответствующих критическому скольжению sm≈l, он полностью переходит в область положительных значений (рис. 4-9,а).
Время переходного электромагнитного процесса tэ мало зависит от величины емкости во вторичной обмотке и остается практически постоянным. Полное время пуска АИД № 1, как следует из рис. 4-8 и табл. 4-1, резко уменьшается с уменьшением величины емкости во вторичной обмотке (с увеличением β). Это объясняется тем, что при меньших емкостях двигатель работает с большим скольжением, т. е. при более низких частотах вращения. Одновременно с уменьшением частоты вращения до определенного предела растет пусковой момент. Таким образом, применение конденсаторов в АИД, кроме улучшения их рабочих свойств, способствует ускорению переходных процессов. Так, для рассмотренного выше АИД № 1 (табл. 4-1) время пуска без конденсаторов составляет 3,8 с, тогда как включение последних позволяет сократить это время до 2,2 с при С=105 мкФ и даже до 0,06 с при С=25 мкФ.
Однако сказанное не всегда справедливо. При других параметрах обмоток может получиться увеличение времени пуска за счет возникновения колебаний скорости и момента около установившихся значений. Для сравнения (и в связи с трудностью непосредственных экспериментальных исследований высокоскоростных асинхронных двигателей с равномерным зазором) были проведены исследования переходных процессов на АВМ для электрошпинделя (ЭШ-12/5) с частотой вращения 12000 об/мин, мощностью 5 кВт, f1=200 Гц. Осциллограммы моментов и скольжений в функции времени для ЭШ-12/5 приведены на рис. 4-11 для двух вариантов роторных обмоток: медной и латунной.
Как видно из осциллограммы рис. 4-11,а, при медной обмотке ротора время пуска электрошпинделя 0,65 с (без учета сопротивления трения), начальный динамический момент равен 1,2 Мк; при латунной роторной обмотке он составляет 2,3 Мк (рис. 4-11,б), а время пуска 0,35 с (без учета сопротивлений трения). При медной обмотке ротора и большой частоте вращения наблюдаются колебания электромагнитного момента и скольжения ротора (рис. 4-11,а).
Рис. 4-11. Осциллограммы динамических моментов в функции времени, полученные на АВМ для электрошпинделя ЭШ-12. а — с мелкой обмоткой на роторе; б — с латунной обмоткой на роторе.
Для анализа полученных осциллограмм можно представить момент в виде суммы гармоник. Апериодический характер момента M(t) обусловлен взаимодействием переходных токов одинаковой частоты первичной и вторичной обмоток. Остальные свободные составляющие момента имеют периодический затухающий характер. Они обусловлены свободными токами разных частот первичной и вторичной обмоток.
