Электромагнитный момент и механические характеристики асинхронного двигателя
Электромагнитный момент асинхронного двигателя создается взаимодействием тока в обмотке ротора с вращающимся магнитным полем. Электромагнитный момент М пропорционален электромагнитной мощности:
. (13.12)
Переключение выполняется так, что крутящий момент перемещается между предварительно выбранным максимальным значением и номинальным моментом. Количество шагов переключения вычисляется на основе выбранного максимального значения - чем меньше оно, тем более мягко запускается, соответственно - требуется больше шагов.
В первой части статьи было отмечено, что остановка путем добавления сопротивления в роторе в обратном порядке обеспечивает очень эффективное динамическое торможение. Также возможно обеспечить плавное изменение сопротивления, например, путем включения тиристорного измельчителя в контур ротора или с использованием реостата для воды.
– угловая синхронная скорость вращения.
Подставив в (13.11) значение электромагнитной мощности по (13.5), получим
, (13.13)
т. е. электромагнитный момент асинхронного двигателя пропорционален мощности электрических потерь в обмотке ротора .
Если значение тока ротора по выражению (12.25) подставить в (13.13), то получим формулу электромагнитного момента асинхронной машины :
Асинхронные роторные и импедансные стартерные двигатели используются в приводах большой емкости с высоким начальным сопротивлением и большими массами, такими как мельницы, дробилки, металлургические машины, а также большие насосы и вентиляторы. Недостатки метода заключаются главным образом в объемном оборудовании и большом количестве тепла, выделяемого в резисторах, а также относительно высокой стоимости первоначальных инвестиций и эксплуатационных расходов самого двигателя. Потеря энергии, излучаемой в виде тепла в резисторах, имеет большее экономическое значение, тем чаще происходит запуск объекта.
. (13.14)
Параметры схемы замещения асинхронной машины , , и , входящие в выражение (13.14), являются постоянными, так как их значения при изменениях нагрузки машины остается практически неизменными. Также постоянными можно считать напряжение на обмотке фазы статора и частоту . В выражении момента единственная переменная величина – скольжение , которое для различных режимов работы асинхронной машины может принимать разные значения в диапазоне от до (см. рис. 10.1).
Здесь накапливаются как прямые потери, так и расход охлаждающих систем. По той же причине использование импедансов ротора для регулирования оборотов в процессе эксплуатации экономически невыгодно. Только системы используются для компенсации кратковременных колебаний механической нагрузки с соответствующим кратковременным входом резисторов в цепь ротора.
Лучшим методом контроля скорости асинхронных двигателей роторного ротора являются асинхронные каскадные схемы. Их принцип заключается в возвращении к электрической сети энергии, генерируемой в цепи ротора при работе с увеличенным скольжением, вместо того, чтобы высвобождать ее в виде тепла.
Рассмотрим зависимость момента от скольжения при , и постоянных параметрах схемы замещения. Эту зависимость принято называть механической характеристикой асинхронной машины. Анализ выражения (13.14), представляющего собой аналитическое выражение механической характеристики , показывает, что при значениях скольжения и электромагнитный момент . Из этого следует, что механическая характеристика имеет максимум.
Исторически первые каскадные схемы включают диодный выпрямитель, подключенный в роторной цепи, питающей постоянный двигатель с синхронизированным генератором, соединенным с ним, подключенным к сети электропитания. Позже решения полностью электронные - так называемые клапанные каскады. Большой смысл каскада клапана заключается в управлении мощными двигателями с относительно низкочастотным преобразователем низкого напряжения. Если оба из элементов преобразователя выполнены как обратимые инверторы, можно управлять скоростью выше, чем синхронно, в результате чего энергия из сетки вводится в ротор.
Для определения величины критического скольжения , соответствующего максимальному моменту, необходимо взять первую производную от (13.14) и приравнять ее нулю: . В результате
. (13.15)
Подставив значение критического скольжения (по 13.15) в выражение электромагнитного момента (13.14), после ряда преобразований получим выражение максимального момента :
Расширяя диапазон мощности и напряжения и уменьшая стоимость частотных преобразователей для прямого управления приводом, использование асинхронных клапанных каскадов ограничено очень большими емкостями, соответственно. Прямое регулирование частоты имеет следующие основные преимущества перед каскадами асинхронных клапанов: Обеспечивает регулирование во всем диапазоне скоростей 0, а диапазон каскадного управления асинхронным клапаном начинается примерно на 60% оборотов. Каскад асинхронного клапана, в отличие от частотных преобразователей, не может использоваться в качестве пускового устройства.
. (13.16)
В (13.15) и (13.16) знак плюс соответствует двигательному, а знак минус – генераторному режиму работы асинхронной машины.
Для асинхронных машин общего назначения активное сопротивление обмотки статора намного меньше суммы индуктивных сопротивлений: . Поэтому, пренебрегая величиной , получим упрощенные выражения критического скольжения
Как правило, каскадные двигатели имеют триггер-триггер. Преобразователи частоты могут работать с двигателями роторного двигателя, а также с синхронными двигателями. Управление преобразователем частоты до сих пор оставалось относительно дорогостоящим методом для асинхронных двигателей роторного двигателя и синхронных двигателей среднего напряжения, но со значительными преимуществами по сравнению с другими методами запуска и особенно с управлением частотой в рабочем режиме. Здесь мы вспомним те преимущества, которые были выделены в предыдущих двух частях статьи: Частотные преобразователи обеспечивают пуск, останов и управление скоростью от 0 до сверхсинхронных скоростей; занимают сравнительно мало места и имеют небольшие потери.
, (13.17)
и максимального момента
. (13.18)
Рис. 65. Зависимость режимов работы асинхронной машины от скольжения
Анализ выражения (13.16) показывает, что максимальный момент асинхронной машины в генераторном режиме больше, чем в двигательном 
. На рис. 65 показана механическая асинхронной машины при . На этой характеристике указаны зоны, соответствующие различным режимам работы: двигательный режим , когда электромагнитный момент является вращающим; генераторный режим и тормозной режим противовключением , когда электромагнитный момент М является тормозящим.
Они имеют самые гибкие характеристики запуска, подходящие для всех нагрузок; благодаря одновременному изменению частоты и напряжения, может достигать любого значения крутящего момента от нуля до, по меньшей мере, 150% от номинального крутящего момента двигателя при каждом значении оборотов с наименьшим крутящим моментом по сравнению с другими пусковыми методами.
На рис. 3 показаны предельные механические характеристики привода с преобразователем частоты. Поддержание постоянного крутящего момента при сверхсинхронных скоростях невозможно, так как напряжение не может подняться выше номинального, чтобы следить за увеличением частоты. В результате увеличения частоты ток и крутящий момент уменьшаются. Эта часть характеристики характеризуется постоянной мощностью вместо постоянного крутящего момента.
Из (13.14) следует, что электромагнитный момент асинхронного двигателя пропорционален квадрату напряжения сети: . Это в значительной степени отражается на эксплуатационных свойствах двигателя: даже небольшое снижение напряжения сети вызывает заметное уменьшение вращающего момента асинхронного двигателя
. Например, при уменьшении напряжения сети на 10% относительно номинального 
электромагнитный момент двигателя уменьшается на 19%: , где – момент при номинальном напряжении сети, а – момент при пониженном напряжении.
В других пусковых методах отсутствует утечка изменений тока и крутящего момента, характерных для времени переключения. Даже в тех приводах, где технология не требует изменения рабочей скорости, в некоторых случаях частотные преобразователи могут добиться значительной экономии энергии за счет снижения рабочих скоростей. Они не чувствительны к параметрам схемы, как другие пусковые установки, поэтому выбор оборудования не является более сложной задачей и допускает дальнейшие изменения схемы, включая замену двигателя.
Совместите преобразователь частоты с двигателем и двигателем. При выборе частотных регуляторов для ВЧ-характеристик, таких как. Необходимость динамического торможения или изменения направления вращения. Влияние гармоник тока, потребляемого преобразователем на источник питания. Влияние гармоник, генерируемых на выходе преобразователя на двигателе.
Для анализа работы асинхронного двигателя удобнее воспользоваться механической характеристикой , представленной на рис. 66. При включении двигателя в сеть магнитное поле статора, не обладая инерцией, сразу же начинает вращение с синхронной частотой , в то же время ротор двигателя под влиянием сил инерции в начальный момент пуска остается неподвижным и скольжение .
Длительные режимы работы с значительно меньшими оборотами двигателя, соответственно, - необходимость специального охлаждения двигателя, если пропеллер установлен на своем валу. не обеспечит необходимый воздушный поток. Потенциалы тока и напряжения, генерируемые на выходе преобразователей, оказывают влияние несколькими двигателями. Гармоники низкого порядка являются причиной тепловой перегрузки двигателей. Однако при использовании современных преобразователей используются эксклюзивные импульсно-модулирующие преобразователи, для которых устранение этих гармоник легко, используя соответствующие алгоритмы для формирования импульсов.
Подставив в (13.14) скольжение , получим выражение пускового момента асинхронного двигателя :
. (13.19)
Рис. 66. Зависимость электромагнитного момента асинхронного двигателя от скольжения
Под действием этого момента начинается вращение ротора двигателя, при этом скольжение уменьшается, а вращающий момент возрастает в соответствии с характеристикой . При критическом скольжении момент достигает максимального значения . С дальнейшим нарастанием частоты вращения (уменьшением скольжения) момент начинает убывать, пока не достигнет установившегося значения, равного сумме противодействующих моментов, приложенных к ротору двигателя: момента х.х. и полезного нагрузочного момента (момента на валу двигателя) , т. е.
С другой стороны, проблема частотных приводов - пики высокочастотного напряжения, подаваемые на двигатель. Крутые фронты отражаются на клеммах двигателя из-за разницы в его волновом сопротивлении и сопротивления кабеля. Правая и обратная длины волн накладываются на достаточно длинный кабель, время нарастания фронта меньше времени, необходимого для достижения конца кабеля, поэтому может быть достигнуто удвоенное амплитудное перенапряжение.
Это перенапряжение является прямой опасностью для прорыва изоляции двигателя, особенно для тех из них, у которых не так много разрыва, как у низковольтной изоляции. Кроме того, высокочастотные пики напряжения увеличивают риск деформаций и блуждающих токов в валу и прорывают подшипники двигателя. Эти явления приводят к перегреву и возникновению дуги и электрической дуги, разрушая лагеря.
. (13.20)
Следует иметь в виду, что при скольжениях, близких к единице (пусковой режим двигателя), параметры схемы замещения асинхронного двигателя заметно изменяют свои значения. Объясняется это в основном двумя факторами: усилением магнитного насыщения зубцовых слоев статора и ротора, что ведет к уменьшению индуктивных сопротивлений рассеяния и , и эффектом вытеснения тока в стержнях ротора, что ведет к увеличению активного сопротивления обмотки ротора . Поэтому параметры схемы замещения асинхронного двигателя, используемые при расчете электромагнитного момента по (13.14), (13.16) и (13.18), не могут быть использованы для расчета пускового момента по (13.19).
Основными факторами, определяющими амплитуду высокочастотных перенапряжений, являются: тип конвертера; инверторы напряжения, хотя и более дешевые и компактные, чем инверторы тока, генерируют большие перенапряжения; длина кабеля; опорная частота ШИМ; разница в сопротивлении кабеля и двигателя в зависимости от мощности привода.
Производители передатчиков указывают рекомендованную максимальную длину кабеля для соответствующей мощности и подходит ли преобразователь для модернизации стандартных двигателей или для новых инвертор-инверторов. Уменьшение частоты ШИМ снижает высокочастотное перенапряжение, но, с другой стороны, увеличивает акустический шум. Двигатели, предназначенные для работы с инверторами, имеют сильную изоляцию.
Статический момент равен сумме противодействующих моментов при равномерном вращении ротора . Допустим, что противодействующий момент на валу двигателя соответствует номинальной нагрузке двигателя. В этом случае установившийся режим работы двигателя определится точкой на механической характеристике с координатами и ,
Конструктивные меры и эффективные методы проектирования приводов для предотвращения деформаций и токов в машинных валах и подшипниках включают: Обеспечение схемы низковольтного перенапряжения на землю с использованием экранированных кабелей с заземленным экраном и надежным заземлением корпусов двигателей. Использование изолированных подшипников для двигателя или, по крайней мере, для свободного конца вала. Использование изолированных муфт вала двигателя и приводного механизма. Использование заземляющей щетки для вала.
Фильтры также используются для ограничения высокочастотных перенапряжений. Они представляют собой емкостные фильтры, установленные на клеммах двигателя. По сравнению с первыми двумя типами фильтров они менее эффективны, а использование также связано с другими проблемами.
где: и – номинальные значения электромагнитного момента и скольжения.
Из анализа механической характеристики также следует, что устойчивая работа асинхронного двигателя возможна при скольжениях меньше критического
, т. е. на участке механической характеристики. Дело в том, что именно на этом участке изменение нагрузки на валу двигателя сопровождается соответствующим изменением электромагнитного момента. Так, если двигатель работал в номинальном режиме 
, то имело место равенство моментов: 
. Если произошло увеличение нагрузочного момента до значения , то равенство моментов нарушится, т. е. 
, и частота вращения ротора начнет убывать (скольжение будет увеличиваться). Это приведет к росту электромагнитного момента до значения (точка ), после чего режим работы двигателя вновь станет установившимся. Если же при работе двигателя в номинальном режиме произойдет уменьшение нагрузочного момента до значения , то равенство моментов вновь нарушится, но теперь вращающий момент окажется больше суммы противодействующих: 
. Частота вращения ротора начнет возрастать (скольжение будет уменьшаться), и это приведет к уменьшению электромагнитного момента до значения 
(точка ); устойчивый режим работы будет вновь восстановлен, но уже при других значениях и .
Трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, устройство и принцип действия.
Потери напряжения и мощности в трехфазной линии.
Ток нейтрального провода в трехфазной цепи является суммой фазных токов. При симметричной нагрузке сумма фазных токов равняется нулю. Таким образом, при симметричной нагрузке отсутствуют потери в нейтральном проводе. Потери напряжения и мощности в линии при трехфазном подключении в шесть раз меньше, чем при однофазном подключении потребителей такой же мощности.
При несимметричной нагрузке нейтральный провод необходим, по нему должен проходить выравнивающий ток. При несимметрии фазных токов появляется ток в нейтральном проводе. Если попытаться включить несимметричную нагрузку без нейтрального провода, получится перекос фаз, при котором на нагруженных фазах напряжение понизится, а на разгруженных появляется перенапряжение. Снижение напряжения нарушает работу потребителей, а перенапряжение может вывести из строя.
Потери энергии в нейтральном проводе снижают коэффициент полезного действия линии и ухудшается качество электроснабжения. Поэтому с целью получения симметричной нагрузки однофазные потребители стараются равномерно распределять по фазам.
Асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором является самым распространенным из электрических двигателей, применяемых в промышленности. Рассмотрим его устройство. На неподвижной части двигателя – статоре – размещается трехфазная обмотка, питаемая трехфазным током. Начала трех фаз этой обмотки выводятся на общий щиток, укрепленный снаружи на корпусе электродвигателя.
Собранный сердечник статора укрепляют в чугунном корпусе двигателя. Вращающуюся часть двигателя – ротор – собирают также из отдельных листов стали. В пазы ротора закладывают медные стержни, которые с двух сторон припаивают к медным кольцам.
Таким образом, все стержни оказываются замкнутыми с двух сторон накоротко. Если представить себе отдельно обмотку такого ротора, то она по внешнему виду будет напоминать «беличье колесо». В настоящее время у всех двигателей мощностью до 100 кВт «беличье колесо» делается из алюминия путем заливки его под давлением в пазы ротора. Вал вращается в подшипниках, закрепленных в подшипниковых щитах . Щиты при помощи болтов крепятся к корпусу двигателя. На один конец вала ротора насаживается шкив для передачи вращения рабочим машинам или станкам.
Рассмотрим характеристику, соответствующую режиму двигателя, т.е. при скольжении, изменяющемся от 1 до 0. Обозначим момент, развиваемый двигателем при пуске в ход (S =1) как M пуск. Скольжение, при котором момент достигает наибольшего значения, называют критическим скольжением S кр, а наибольшее значение момента – критическим моментом M кр. Отношение критического момента к номинальному называют перегрузочной способностью двигателя
M кр /M н =λ.
Критический момент не зависит от активного сопротивления ротора, но зависит от подведенного напряжения. При уменьшении U 1 снижается перегрузочная способность асинхронного двигателя.
Для построения механической характеристики задаются значениями коэффициента скольжения s и определяют по нему соответствующее значение частоты вращения ротора n, а также момент М по формуле Клосса
Если в эту формулу подставить вместо M и S номинальные значения момента и скольжения (M н и S н), то можно получить соотношение для расчета критического скольжения.
.
Участок характеристики, на котором скольжение изменяется от 0 до S кр, соответствует устойчивой работе двигателя. На этом участке располагается точка номинального режима (M н, S н). В пределах изменения скольжения от 0 до S кр изменение нагрузки на валу двигателя будет приводить к изменению частоты вращения ротора, изменению скольжения и вращающего момента. С увеличением момента нагрузки на валу частота вращения ротора станет меньше, что приведет к увеличению скольжения и электромагнитного (вращающего) момента. Если момент нагрузки превысит критический момент, то двигатель остановится.
Участок характеристики, на котором скольжение изменяется от S кр до 1, соответствует неустойчивой работе двигателя. Этот участок характеристики двигатель проходит при пуске в ход и при торможении.
Пусковой момент - это значение момента в момент трогания ротора.
M п =k м M н,
Где k м - кратность пускового момента.
Номинальный момент - значение момента, создаваемое электромагнитным полем на валу двигателя при номинальных параметрах двигателя и номинальных внешних условиях.
Под критическим моментом понимают наивысшее или максимально возможное значение. В случае если момент нагрузки превысит величину критического момента, то двигатель остановится.