03_эпла_ад_C

Раздел 3. Электропривод на базе асинхронных двигателей
3.1. Введение
Асинхронные двигатели являются самым распространенным типом электродвигателей. На долю
асинхронных двигателей приходится не менее 80% всех электродвигателей, выпускаемых
промышленностью [16]. Суммарный объем электроэнергии, используемой для приведения в
движение всех приводов с асинхронными двигателями, составляет более 50% всей потребляемой
электроэнергии [41].
Широкое распространение асинхронных двигателей объясняется простотой их конструкции,
надежностью в работе, хорошими эксплуатационными свойствами, невысокой стоимостью и
простотой в обслуживании.
3.2. Область применения на ЛА
Свое применение нашли АД и в составе электропривода на летательных аппаратах. В частности,
на самолетах Ту-154, Ил-62, Ил-76, Ил-86, у которых основной системой электроснабжения является
система переменного тока стабильной частоты, АД используется в качестве привода управления
закрылками, управления стабилизаторами и в топливных системах. Их количество на некоторых
объектах составляет более двух десятков. В автоматизированных системах, в пилотажнонавигационном комплексе и приборном оборудовании широко используются двухфазные
асинхронные микродвигатели [27].
3.3. Устройство АД
1) Неподвижный статор с (как правило) тремя фазными обмотками, образующими полюса, и
сдвинутыми в пространстве на 120 град.
Обмотка статора обычно выполняется с кремний-органической изоляцией. В авиационных АД
сравнительно небольшой мощности (до 1,5 кВт) применяются, как правило, однослойные обмотки, более простые по технологии изготовления. При использовании таких обмоток отсутствует
межкатушечная изоляция и увеличивается коэффициент заполнения паза медью.
Двухслойные обмотки применяются в АД относительно большой мощности. Они обеспечивают
лучшую форму магнитного поля в двигателях. Двухслойные обмотки с дробным числом пазов на
полюс и фазу в двигателях используют редко, так как при этом не обеспечивается приемлемая форма
магнитного поля.
2) Подвижный короткозамкнутый или фазный ротор.
Обмотка ротора в некоторых маломощных двигателях выполняется путем отливки под давлением
из алюминия [27].
В маломощных АД воздушный зазор между статором и ротором составляет 0,2 – 0,3 мм, в
двигателях большой мощности – несколько миллиметров.
3.4. Принцип действия АД
На три фазы статорной (первичной) обмотки АД подается переменное напряжение ua=Umsin(t),
ub=Umsin(t-/3); uc=Umsin(t-2/3), где =2πf1.
В обмотках начинают протекать фазные токи, также сдвинутыми относительно друг друга на 120
эл.градусов.
Возникает магнитное поле статора, вращающееся с угловой скоростью Ω0=2πf1/p.
Явление вращающегося магнитного поля открыл в 1885 году Галилей Феррарис [37].
Магнитное поле статора пересекает проводники обмотки ротора (вторичной обмотки) и
индуцирует в ней ЭДС:
E2=4,44w2f2Фm=4,44w2 s f1Фm = с2(Ω0-Ω)Фm,
(1)
где Фm – амплитуда магнитного потока, пронизывающего проводники ротора. Формула (в части
коэффициента 4,44 справедлива для синусоидально изменяющегося потока).
Направление E2 определяется по правилу правой руки. Наведенная ЭДС создает в замкнутой
обмотке токи. Ток ротора возбуждает в роторе поле рассеяния, индуктирующее в свою очередь в
обмотке ротора ЭДС рассеяния ротора E2, также в свою очередь влияющую на величину тока в
обмотке ротора. Окончательно действующее значение тока в обмотке ротора
I2 
E2
r22  x 22
,
(2)
где r2 – активное сопротивление обмотки ротора, x2=E2/I2=L2=2f2L2 – индуктивное сопротивление
рассеяния обмотки ротора.
Индуктивное сопротивление (индуктивность) стержней ротора мало, ток практически совпадает
по фазе с ЭДС [27].
Поле ротора, вращается синхронно с полем статора и образует общий вращающий поток
двигателя.
Поле ротора индуцирует в обмотке статора ЭДС [39]:
E1  2    kw1  f1  Ф  w1 ,
(3)
где kw1– обмоточный коэффициент; величина kw1 < 1; введением этого коэффициента учитывают
уменьшение результирующей ЭДС при геометрическом сложении ЭДС отдельных витков обмотки,
распределенных по пазам статора.
В результате взаимодействия токов ротора с магнитным потоком возникают действующие на
проводники ротора механические силы, направление которых определяется по правилу левой руки, и
вращающий электромагнитный момент.
Pэм m1 E2' I 2' cos ψ 2
M

 cм Ф m I 2' cos ψ 2  cм Ф m I 2' акт ,
0
0
(4)
где 2 – угол сдвига между векторами I2 и E2 [40]:
Угол 2 зависит от соотношения индуктивного сопротивления ротора х2 и активного сопротивления
ротора R2. В момент пуска, когда х2 >> R2, угол 2 приближается к 90 град, а cos 2 имеет малые
значения, поэтому даже при максимальных значения E2, наблюдаемых при пуске, пусковой момент
АД невелик [47].
(5)
см – коэффициент
cм 
1
pm1 w1 k об1
2
(6)
При этом для создания момента необходимо, чтобы поток статора пересекал бы проводники
ротора, т.е, чтобы статорное поле вращалось со скоростью выше частоты вращения ротора. Эта
разница в скорости вращения называется скольжением.
s
 0   n0  n  Р


0
n0
0
,
(7)
где Ωр – угловая скорость поля ротора относительно ротора.
Таким образом, отличительной особенностью АД, давшей ему название, является то, что поле
статора и ротор вращаются с разными скоростями, т.е. не синхронно или асинхронно.
Частота ЭДС (токов) обмоток ротора
f2 
( n 0  n)  p n 0
p  n0

 s
 s  f1
60
n0
60
(8)
Между обмотками статора и ротора существует только магнитная (трансформаторная) связь,
называемая также индуктивной, вследствие чего асинхронные машины в зарубежной литературе
называют также индукционными.
Другими словами, принцип работы АМ основан на использовании взаимодействия вращающегося
магнитного поля статора с токами, наведенными (индуцированными) этим полем в обмотках ротора.
Поэтому такие машины называют индукционными [27].
3.5. Баланс мощностей
Из сети асинхронным двигателем потребляется активная мощность Р1=3U1I1cosφ1, где φ1 – угол
между напряжением U1 и током I1 обмотки статора.
Часть мощности, соответствующая потерям в статоре ΔР1 (электрическим ΔР1эл и магнитным
ΔР1ст) выделяется в виде тепла в обмотке и магнитопроводе статора:.
ΔР1 = ΔР1эл + ΔР1ст
Электрические потери в статоре ΔР1эл = mI12R1.
Потери в стали статора связаны с возникновением вихревых токов и с перемагничиванием стали и
зависят только от величины магнитного потока. При постоянном напряжении питания потери в стали
статора постоянны. Магнитные потери в статоре пропорциональны приблизительно частоте питания
f1.5 [24].
Оставшаяся мощность, называемая электромагнитной мощностью Рэм, передается вращающимся
магнитным полем двигателя через рабочий зазор в ротор.
Рэм = m1E2'I2'cos2 [25]
(9)
Рэм = Р1 – ΔР1= МΩ0,
(10)
где М – электромагнитный момент.
Электромагнитная мощность расходуется на механическую мощность (Рм=МΩ) и мощность
потерь в роторе ΔР2.
Потери в роторе можно разделить на потери в стали и электрические потери. Из-за малой частоты
перемагничивания ротора f2=sf1 потери в стали ротора практически отсутствуют. Электрические
потери в роторе ΔР2эл = mI’22R’2.
Если пренебречь механическими потерями и потерями в стали ротора, то электрические потери в
роторе:
ΔРэл2 = Рэм – Рм =М*( Ω0 – Ω) = МΩ0s = Рэмs,
(11)
а механическая мощность
Рм= Рэм*(1-s)
(12)
Выражение Рэмs называют иногда мощностью скольжения.
Вследствие (11) во избежание перегрева ротора асинхронные двигатели выполняются таким
образом, чтобы при номинальной нагрузке их скольжение было невелико.
Механическая мощность расходуется на мощность на валу Р2=МвΩ и механические потери ΔРмх.
Вследствие этого момент на валу Мв немного меньше электромагнитного момента М, развиваемого
ротором.
Механические потери обуславливаются трением в подшипниках, трением вращающихся частей о
воздух, а в двигателях с фазным ротором еще и трением щеток о контактные кольца. Механические
потери пропорциональны приблизительно второй степени скорости вращения [24].
Кроме перечисленных выше основных потерь в двигателе имеются также так называемые
добавочные потери Рд, связанные с перемагничиванием зубцов статора и ротора высшими
гармониками полей взаимоиндукции и полями рассеяния статора и ротора [13].
3.6. Номинальные данные АД
На щитке (и в паспорте) асинхронного двигателя указываются следующие его номинальные
величины [18]:
1. Мощность (на валу), кВт или Вт;
2. Линейное напряжение обмотки статора, В; обычно через дробь указывают линейное
напряжение при соединении в звезду и треугольник [31]
3. Линейный ток статора, А;
4. Частота сети, Гц;
5. Частота вращения ротора (число оборотов в минуту);
6. Коэффициент полезного действия;
7. Коэффициент мощности (косинус угла сдвига фаз между напряжением и током фазы обмотки
статора);
8. Напряжение на контактных кольцах (при неподвижном роторе) и ток обмотки ротора (при
номинальном режиме) для двигателя с контактными кольцами.
9. Для АД с КЗ ротором: кратность пускового тока, кратность пускового момента, кратность
критического момента [40].
10. Для двигателей с фазным ротором указывается ЭДС на разомкнутых кольцах заторможенного
ротора Е2н при U1н и номинальный ток ротора I2н [40].
Кроме того, на щитке указываются схема соединений обмотки статора, режим работы
(продолжительный, кратковременный или повторно-кратковременный), для которого предназначен
двигатель, и полный вес его в килограммах.
Интенсивность отказов АД, характеризующая надежность их работы, составляет (0,008-0,1)*10-4
на час. Заданная надежность обеспечивается выполнением эксплуатационных норм и требований.
Общими эксплуатационными требованиями, обеспечивающими нормальную работу АД в течение
гарантийного срока службы, являются:
1. Допустимая температура окр.среды -50-60°С
2. Искажение формы питающего напряжения, не более 8%
3. Максимальная асимметрия напряжения в фазах, не более 5%
4. Отклонение частоты питающего напряжения от номинального значения, не более 2%
5. Отклонение напряжения от номинального значения, не более 2%.
Наибольшее распространение получили трехфазные асинхронные двигатели.
Асинхронные электродвигатели обладают как рядом достоинств, так и некоторыми недостатками
по сравнению с двигателями постоянного тока.
По конструкции АД делят на два типа: с короткозамкнутым ротором и с фазным ротором.
3.7. АД с короткозамкнутым ротором.
Обмотка ротора не имеет корпусной изоляции. В АД общего назначения мощностью до 300-400
кВт (до 100 кВт [18]) обмотку выполняют заливкой пазов расплавленным алюминием или его
сплавами [9].
3.7.1. Достоинства:
1) Бесконтактность: отсутствие коллектора и щеток, которые чрезвычайно осложняют работу
электродвигателей на больших высотах; по сравнению с АД с фазным ротором проще обслуживание.
2) Простота и надежность конструкции; простота изготовления. По сравнению с АД с фазным
ротором изготовление короткозамкнутых роторов значительно проще и дешевле.
3) Возможность получения больших скоростей вращения (отсутствующий коллектор не
накладывает своих ограничений по скорости). Это дает возможность получить выигрыш по массе
двигателя.
3.7.2. Недостатки:
1) Трудность регулирования скорости вращения;
В отличие от ДПТ, в котором имеется две обмотки (статорная - возбуждения и роторная якорная), что позволяет управлять раздельно скоростью вращения (ток возбуждения) и
электромагнитным моментом (ток якоря), в двигателях переменного тока с короткозамкнутым
ротором имеется всего лишь одна статорная обмотка, ток через которую формирует
возбуждающее магнитное поле и определяет вращающий момент. С этим и связаны все трудности
управления электродвигателем.
2) Трудность получения больших кратностей пускового момента (в случае мощных двигателей
длительного режима работы);
3) Большой пусковой ток (превышает номинальный в 4-7 раз [8]);
4) Чувствительность к изменению напряжения и частоты [8].
Трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутой обмоткой впервые разработал главный
инженер немецкой фирмы АЭГ (Всеобщая компания электричества) русский эмигрант Михаил
Доливо-Добровольский в 1889 году (патент DRP 51083 от 31.08.1889) [37]. Работал в Германии с
1884 года
АД с короткозамкнутым ротором применяются в системе питания переменным током, если
указанные недостатки не имеют значения для привода. Это главным образом агрегаты, работающие
продолжительно с постоянной нагрузкой и примерно постоянной угловой скоростью: насосы (в
т.ч.системы перекачки топлива [3]), вентиляторы, холодильники, привод раскрутки колес перед
посадкой самолета и т.д [8].
Подавляющее большинство находящихся в эксплуатации АД являются короткозамкнутыми [14].
3.8. АД с фазным ротором.
Конструкции статора, корпуса, подшипниковых щитов и общая компоновка у
АД с фазным ротором и АД с короткозамкнутым ротором не имеют существенных
отличий.
На роторе расположена обмотка, имеющая столько же фаз, сколько и обмотка
статора. В большинстве случаев обмотка соединяется в звезду, реже – в
треугольник. Обмотка ротора имеет три вывода, которые подсоединяются к
контактным кольцам, расположенным внутри корпуса или на выступающем конце
вала. Во втором случае токоподводы от обмотки к контактным кольцам проходят
Рис. 1. Схема
по внутреннему отверстию вала. К контактным кольцам прилегают щетки. При
АД с фазным
пуске к щеточным контактам присоединяют реостат, а при работе замыкают
ротором [40]
накоротко [25].
3.8.1. Достоинства:
Фазный ротор обеспечивает дополнительный канал, по которому можно воздействовать на
двигатель. Отсюда вытекают основные достоинства АД с фазным ротором:
1) Лучшие пусковые свойства, обусловленные возможностью изменения сопротивления в цепи
ротора (см.ниже).
2) Введение добавочных резисторов в цепь ротора позволяет регулировать частоту вращения АД.
Необходимо, правда, отметить, что такой способ регулирования частоты вращения обладает рядом
существенных недостатков (см. ниже).
3) Потери энергии за время переходных процессов в обмотках статора и ротора АД с фазным
ротором значительно меньше аналогичных потерь энергии в короткозамкнутых АД [7].
3.8.2. Недостатки:
1) Худшие показатели по стоимости и массе по сравнению с АД с короткозамкнутым ротором.
При одинаковом исполнении и одинаковой синхронной скорости по массе он на 8-10% тяжелее, а по
стоимости на 30% дороже [26], по стоимости дороже в 1,5 раза [13].
2) Наличие контактных колец, скользящих контактов и пусковых реостатов увеличивает общие
габариты двигателя, снижает его надежность и усложняет конструкцию и эксплуатацию. Поэтому
этот тип АД применяется значительно реже, чем АД с короткозамкнутым ротором.
3) При обычной схеме включения невозможно получить жесткие механические характеристики
при пониженных скоростях в двигательном и тормозном режиме работы [7].
Эти негативные особенности привели к тому, что в общем объёме производства асинхронные
двигатели с фазным ротором составляют небольшую долю [40].
3.8.3. Область применения
АД с фазным ротором находят применение в следующих случаях [7]:
1) Когда требуется простая реализация регулирования угловой скорости в небольших пределах
(напр.привод подъемного крана [9];
2) Когда требуется простая реализация плавного пуска; обеспечения хороших тормозных качеств;
ограничения токов в переходных процессах в условиях, когда АД с короткозамкнутым ротором
неприемлемы: например, когда момент сопротивления при пуске велик (и пуск при пониженном
напряжении неприемлем, а прямой пуск двигателя недопустим по условиям воздействия больших
пусковых токов на сеть); или когда суммарный момент инерции настолько велик, что выделяемая в
цепи ротора тепловая энергия вызывает недопустимый нагрев обмотки ротора в виде беличьей
клетки [14].
То есть в приводах c тяжелыми условиями пуска и в механизмах, работа которых связана с
частыми пусками и торможениями [7].
3.9. Характеристики АД
3.9.1. Механическая характеристика
3.9.1.1. Вид характеристики
Механическая характеристика (рис. 2а) - зависимость скорости вращения двигателя от момента
нагрузки при фиксированном величине и частоте напряжения статора и параметров двигателя
(сопротивлениях цепей статора и ротора).
Часто механическую характеристику АД представляют в виде зависимости момента от
скольжения (рис. 2б)
Рис. 2б. Механическая характеристика в
координатах М(s) [20]
Рис. 2а. Типовой вид механической характеристики
АД
Проанализируем форму механической характеристики АД в координатах М(s), рассмотрев
формулу (4):
Pэм m1 E2' I 2' cos ψ 2
M

 cм Ф m I 2' cos ψ 2  cм Ф m I 2' акт
0
0
Рис. 3 Зависимости
параметров АД от
скольжения [40]
cos 2 (косинус угла между векторами тока и ЭДС ротора) близок к 1
при малых s и асимптотически стремится к нулю при больших [40].
Магнитный поток Ф в первом приближении не зависит от s [40].
Ток ротора равен нулю при s = 0 и асимптотически стремится к U1/x2'
при возрастании s [40].
Момент, как произведение трех сомножителей, равен нулю при s = 0
(идеальный холостой ход), достигает положительного Мк+ и
отрицательного Мк- максимумов – критических значений при
некоторых критических значениях скольжения ±sк, а затем при s→∞
стремится к нулю за счет третьего сомножителя [40].
3.9.1.2. Скорость идеального холостого хода
Ω0 - скорость идеального холостого хода, называемая также синхронной скоростью и равная
скорости вращения магнитного поля трехфазного АД:
Ω0 = 2πf1/p
(13)
3.9.1.3. Пусковой момент
Мп - пусковой момент. В случае, когда момент сопротивления равен этому значению, речь ведут о
моменте короткого замыкания. В первом приближении справедлива формула [20]:
Мп 
3  U 2  R2'
 0  [( R1  R2' ) 2  ( x1  x 2' ) 2 ]
(14)
Зависимость пускового момента от частоты напряжения можно выразить следующим образом:
Мп 
1
,
fх
где х =1,5 – 2,0 для авиационных двигателей [27].
3.9.1.4. Критический момент.
Мк или Мmax– критический (максимальный, опрокидывающий) момент. В первом приближении
справедливоа формула:
3  U12
(15
Мк 
2
2
)
2   0  ( R1  R1  xк )
где U1 – фазное напряжение, хк =x1+x2’; R1, x1 – активное и реактивное (индуктивное) сопротивление
фазы первичной цепи (статора); x2’ - реактивное (индуктивное) сопротивление фазы вторичной цепи
(ротора), приведенное к первичной цепи.
На значение критического момента существенно влияет напряжение питания. Например,
снижение напряжения сети на 10-15% приводит к уменьшению критического момента и
соответственно перегрузочной способности на 19-28% [7]. Это является одним из недостатков АД.
3.9.1.5. Участки механической характеристики
Механическую характеристику (рис. 2а) можно разделить на две части:
- рабочий участок (от Ω0 до точки а), где возможна работа АД в установившемся режиме по
разомкнутой схеме.
- участок неустойчивой работы (от точки а – точки критического скольжения, до точки b – точки
пуска), где такая работа невозможна.
Условие устойчивой работы АД: dM/dΩ<dMc/dΩ.
Обычно dMc/dΩ0 [25], поэтому часто условие устойчивой работы АД выглядит так: dM/dΩ<0 или
dM/s>0.
Рабочий участок механической характеристики может быть линеаризован прямой [24]:
  0  0 
R2'
M
mU 2
3.9.1.6. Выражение для электромагнитного момента
Если АД не имеет на роторе двойной или глубокопазной обмотки, то связь между его моментом М
и скольжением можно выразить следующей формулой.
Уравнение механической характеристики можно получить, приравняв потери в роторной цепи,
выраженные через механические и через электрические величины.
Согласно (11) ΔРэл2 = МΩ0s . Кроме того, по известной формуле:
ΔРэл2=3I'22R'2
(16)
Выразим из уравнений (11) и (16) электромагнитный момент. С учетом принятых допущений в
первом приближении справедливо следующее выражение:
3I ' 2 R '
3U 12 R2'
(17)
M 2 2 
0 s

R2' 2
2
 0 s ( R1  )  xk 
s


3.9.1.7. Критическое скольжение
sк - критическое скольжение, соответствующее критическому моменту. Выражение для
критического скольжения может быть получено, путем дифференцирования (3) по скольжению и
приравнивания результата к нулю [32].
sк 
R2'
R12  xк2
,
(18)
где R2‘ - активное сопротивление фазы вторичной цепи (ротора), приведенное к первичной цепи.
В АД авиационного назначения: sк = 0,2÷0,4 [2].
В АД общего назначения и нормального исполнения: sк = 0.05÷0.15 [22], sк=0,14÷0,15 [25], sк =
0,1÷0,2 [3]; sк = 0,1÷0,45 [27].
Большее значение sк принимает:
- при кратковременном режиме работы [2];
- у АД малой мощности [24].
Таким образом, в АД нормального исполнения механическая характеристика достаточно жесткая
и рабочая частота вращения Ω близка к синхронной Ω0.
Значение критического скольжения в двигательном режиме и режиме генераторного торможения
по абсолютной величине равны.
После подстановки выражения (18) в (17) получается выражение для критического момента (15).
С учетом выражений (15) и (18) справедливо следующее соотношение (формула Клосса) [32]:
М 
2  М к  (1  a  s к )
,
s sк
  2a  s к
sк
s
где коэффициент a представляет собой отношение активного сопротивления первичной цепи к
приведенному сопротивлению фазы вторичной цепи
a
R1
R2'
На практике иногда полагают, что а = 0, т.е. пренебрегают активным сопротивлением обмоток
статора. Это обычно не приводит к существенным погрешностям при Рн > 5 кВт, однако может
неоправданно ухудшить модель при малых мощностях [40].
3.9.1.8. Номинальное скольжение (соответствующее номинальному моменту):
для авиационных АД 0,1-0,15;
в АД общего назначения:
0,03-0,06 [3]; чем выше мощность АД, тем меньше скольжение
0,02-0,05, а в микродвигателях 0,05-0,2 [13];
0,02-0,12 [28];
0,01-0,05 (меньшие значения у двигателей большей мощности – сотни кВт) [40];
для двигателей мощностью от 1 до 1 000 кВт от 6 до 1% соответственно; при больших мощностях
обычно s< l % [18];
Номинальное скольжение выбирается при проектировании малым с целью уменьшения
электрических потерь в роторе, пропорциональных скольжению. Малое номинальное скольжение
соответствует рабочему участку механической характеристики с высокой жесткостью.
Участки механической характеристики в координатах М(s) могут быть описаны простыми
следующими простыми выражениями [32]:
Рабочий участок (s<<sк ) - в виде прямой: М=2Мкs/sк
Участок, соответствующий s>>sк - в виде гиперболы: М=2Мкsк/s.
3.9.1.9. Перегрузочная способность АД
Отношение критического (максимального) момента к номинальному, называемое перегрузочной
способностью двигателя:
 = Мкр/Мн
Для того чтобы двигатель работал надежно, его номинальный режим выбирают таким, чтобы
Мкр/Мн  1,7 [32].
Для АД ЛА: =2,5 (длительный режим)...3,0 (кратковременный режим) [1].
Эти показатели выше, чем у большинства АД общего назначения (1,8…2,5 [18,25], 1,7….2,5 [20],
1,8...3,0 [40]):
Например, для АД с КЗ ротором:
- единой серии А2 (ротор нормального исполнения) - 1,7-2,2 [7];
- с повышенным скольжением АОС2 – 1,8 – 2,4 [7];
- с повышенным пусковым моментом АОП2 – 2,2 [7];
- серия 4А – 2,2 [12];
- серия АИ – 2,2 – 2,8 [12];
- краново-металлургические – 2,6 – 3,6 [7].
Для АД с фазным ротором:
- единой серии АК – 1,7 – 2,0 [7];
- краново-металлургические – 2,3 – 3,0 [7].
3.9.1.10. Кратность пускового момента АД
Кратность пускового момента - отношение пускового момента к номинальному:
п=Мп/Мн
Этот показатель важен для надежного запуска АД.
Для АД ЛА: п =1,6 (длительный режим)...2,8 (кратковременный режим) [1].
п=1,2...2,0 (длит.режим), 2...2,5 (повт-кратк.режим), 2,5...3,0 (кратковр.режим) [24,27].
п=0,8-1,4 [25], 1,3-1,6 [40].
Эти показатели выше, чем у большинства АД общего назначения. Эта величина может быть
меньше единицы (например, 0,8) и больше ее (до 1,2). При кратности меньше 1 двигатель следует
включать в работу без нагрузки, и лишь после разгона подается нагрузка. Двигатель с кратностью
п>1 можно включать в сеть с полной нагрузкой [20].
Например, для АД с КЗ ротором:
- с ротором нормального исполнения - 1,0-1,9 [7];
- серия 4А – 1,4 - 2,0 [12];
- серия АИ – 2,2 – 2,8 [12];
- с повышенным скольжением – 1,7 – 2,2 [7];
- с повышенным пусковым моментом – 1,7 – 1,8 [7];
- краново-металлургические – 2,5 – 3,3 [7].
3.9.2. Электромеханическая характеристика
3.9.2.1. Вид характеристики
Рис. 4. Электромеханическая характеристика АД
3.9.2.2. Кратность пускового тока АД
отношение пускового тока к номинальному (кратность пускового тока):
jп=Iп/Iн
Для АД ЛА: jп =3...5 (чем выше номинальная мощность АД, тем на большую кратность пускового
тока проектируются двигатели) [2].
Для АД ОН jп=5...7 [3,25,40].
- серия 4А – 6,0 – 7,5 [12];
- серия АИ – 7,0 – 7,5 [12];
jп=5,5…7.0 для двигателей мощностью 3...35 кВт и 2,5...4,5 для двигателей мощностью не более
500 Вт [27].
Кратность пускового тока АД с короткозамкнутой обмоткой всегда превышает кратность
пускового момента, поскольку среднее значение электромагнитного момента АД определяется не
полным током в роторе, а только его активной составляющей [19].
3.9.3. Рабочие характеристики АД
Рабочие
характеристики
представляют
собой
зависимости частоты вращения ротора n, момента на
валу Мв, тока статора I1, коэффициента полезного
действия η и коэффициента мощности cosφ1, от
полезной мощности (мощности на валу) Рв при U1 =
U1ном = const и f1= f1ном = const [32].
Характеристики
cтроятся
только
для
зоны
устойчивой работы двигателя, т. е. от скольжения,
равного нулю, до скольжения, превышающего
номинальное на 10-20% [32].
Рис. 5. Рабочие характеристики АД [18]
Частота вращения АД с увеличением нагрузки уменьшается незначительно вследствие жесткой
механической характеристики.
С учетом этого зависимость момента на валу АД (Мв=Рв/Ω) от мощности нагрузки является
практически линейной, незначительно выгибаясь вверх.
Ток статора складывается из активной и реактивной составляющей.
В режиме холостого хода (Р2=0) ток статора практически равен реактивной составляющей. В
серийных АД при U1=U1ном и f1=f1ном, т.е. при номинальном магнитном потоке ток холостого хода I10
составляет обычно 30% – 40% от номинального тока статора I1ном [40].
С увеличением нагрузки растет активная составляющая, идущая на создание момента (полезной
мощности) и на покрытие потерь. Реактивная составляющая тратится на создание основного
магнитного поля и полей рассеяния и до номинальной нагрузки практически не меняется. Поэтому до
номинальной нагрузки ток изменяется линейно с изменением Рв. Свыше номинальной мощности
растут активная и реактивная составляющая тока, что обуславливает более быстрый рост тока [28] .
3.9.3.1. Коэффициент полезного действия АД и потери.
Коэффициент полезного действия конкретного АД зависит от мощности нагрузки Р2 и достигает
максимума при равенстве постоянных (Рст и Рмех) переменных потерь (Рэл1, Рэл2, Рдоб), что
соответствует Р2=0,75Р2ном [27].
Номинальный КПД АД возрастает с ростом их мощности и частоты вращения. При мощности
более 500 Вт номинальный КПД трехфазных АД имеет величину 0,650,95 [13]. Для мощности 500
Вт КПД=0,7...0,75; для мощности 3 кВт КПД 0,8...0,85; для мощности 100 кВт КПД=0,9...0,93; для
мощности 1 МВт КПД=0,92...0,95 [18]. Номинальный КПД трехфазных АД имеет величину 0,750,95
[19,24].
Для АД мощностью 0,6...100 кВт при номинальной нагрузке в [18] приводятся следующие
относительные значения потерь Р/Рн:
- электрические потери в обмотке статора примерно равны электрическим потерям в обмотке
ротора и составляют: 7 ÷ 2,5% при 2p = 4 и 2p = 6; 7,5 ÷ 2,5% при 2р = 8.
- потери в стали статора Pс1 и потери от пульсаций поля в зубцах статора и ротора Pс.д, вызванные
наличием пазов на статоре и роторе, составляют 5...2,5%;
- механические потери (потери на трение) Рмех обуславливаются трением в подшипниках, трением
вращающихся частей о воздух, а в двигателях с фазным ротором еще и трением щеток о контактные
кольца [24].
Зависят от:
- частоты вращения (пропорциональны приблизительно второй степени скорости вращения [24]);
- диаметра ротора;
- примененной системы вентиляции;
- типа подшипников.
Они составляют 1,5...0,8%;
- добавочные потери Рдоб, возникающие при нагрузке, вызваны полями рассеяния. Связаны с
перемагничиванием зубцов статора и ротора высшими гармониками полей взаимоиндукции и полями
рассеяния статора и ротора [13]. Не могут быть достаточно точно рассчитаны или определены
опытным путем. Их оценивают в 0,5% от подведенной к двигателю мощности P1н при номинальной
нагрузке на валу.
Однако, как показывает опыт, они в современных короткозамкнутых двигателях при алюминиевой
обмотке на роторе достигают 1  1.5% от Р1н.
В маломощных АД потери распределяются следующим образом [27]:
- потери в стали - 15-25% от суммарных потерь;
- потери в меди – 65-70% от суммарных потерь;
- механические потери с самовентиляцией – 10-20% от суммарных потерь.
3.9.3.2. Коэффициент мощности.
В процессе работы АД потребляет из питающей сети значительную реактивную мощность,
необходимую для создания рабочего магнитного потока машины и потоков рассеяния обмоток
статора и ротора. Соотношение между активной и реактивной мощностями АД характеризует
коэффициент мощности, который является важным энергетическим показателем АД. Величина
коэффициента мощности АД при синусоидальных напряжениях и токах численно равна косинусу
угла φ1 сдвига фаз тока в обмотке статора по отношению к напряжению и определяется выражением
cos 1 
Pa
P  Pр2
2
a
где Ра = М0+3I12R1+ΔPст – активная мощность; Рр=3Iμ2R1+3I12x1+3I’22x'2 – реактивная мощность.
Выражение для реактивной мощности можно записать в виде:
Pp  Pa 
1
1
cos 2 
Например, АД на 1 кВт активной мощности потребляет из сети 0,5-0,75 кВА реактивной
мощности. Чем ниже cosφ ном тем больше загружаются питающие сети реактивной мощностью,
обуславливающей в них дополнительные потери. Номинальный коэффициент мощности зависит от
мощности двигателей и их номинальной угловой скорости. С ростом номинальных значений
мощности и скорости уменьшается отношение объема машины к выходной мощности.
Следовательно, относительно уменьшается реактивная мощность главного поля и полей рассеяния,
т.е. повышается номинальный коэффициент мощности [7].
Коэффициент мощности существенно зависит от нагрузки на валу двигателя (рис. 5).
Если нагрузка отсутствует (Рв=0), то двигатель потребляет незначительную активную мощность,
расходуемую на потери в стали, механические и аэродинамические потери и значительную
реактивную мощность, расходуемую в основном на создание главного поля машины. Отметим, что в
АД в режиме холостого хода при номинальном напряжении возбуждается вращающееся поле с
максимальной величиной потока полюса [19]. Коэффициент мощности мал (0,09 0,18 [32]; 0,08-0,15
[19], не превышает 0,2 [27,28]).
С ростом нагрузки активная мощность АД увеличивается, а потребление реактивной мощности
изменяется незначительно, так как мощность главного поля несколько снижается из-за уменьшения
намагничивающего тока, а мощность потока рассеяния незначительно увеличивается. Коэффициент
мощности растет.
Номинальное значение коэффициента мощности для двигателей малой мощности составляет 0,6
0,85, а для двигателей средней и большой мощности 0,850,92 [32], 0,85-0,9 [28]. В АД малой
мощности 0,3-0,7; в двигателях мощностью более 1 кВт 0,7-0,9 [13]. В [19] общий показатель –
0,750,95. В [24] 0,8-0,9. С увеличением числа пар полюсов коэффициент мощности уменьшается
[18]. Для большинства асинхронных двигателей cosφ ном составляет от 0,8 до 0,9 [7].
При дальнейшем увеличении нагрузки реактивная мощность за счет потоков рассеяния
(увеличение x2’) увеличивается в большей степени, чем активная мощность, и коэффициент
мощности уменьшается [7].
Рациональная эксплуатация АД подразумевает их работу при высоких коэффициентах мощности.
В частности, избегают длительного вращения роторов АД без нагрузки, следят за тем, чтобы
мощность нагрузки, приводимого в действие АД, незначительно отличалась от номинальной
мощности двигателя. Если при длительной работе АД его средняя полезная мощность не превышает
45% от номинальной, то такой электродвигатель заменяют соответствующим двигателем меньшей
мощности [19].
В тех случаях, когда работа АД при полной нагрузке сочетается с его работой со значительной
недогрузкой, при которой коэффициент мощности становится недопустимо низким, применяют
специальные меры. Например, в режиме, когда Рв<0.5*Рвном, снижают фазные напряжения на
статорной обмотке АД. Тем самым поток полюса вращающегося поля, а следовательно и реактивная
мощность машины будут уменьшены, а коэффициент мощности возрастет [19].
Улучшение cos φ двигателя может быть достигнуто при уменьшении воздушного зазора δ между
статором и ротором. При этом снижается магнитное сопротивление для главного потока Ф, и,
следовательно, для его создания требуется меньший реактивный (намагничивающий) ток. Однако
при выборе δ приходится считаться с необходимостью получить механически надежную машину,
изготовление и установка которой не вызывают больших затруднений. Вследствие этого для δ
существует некоторое минимальное значение, ниже которого не следует спускаться. Для машин
различной мощности δ = 0,2...1,5 мм [18].
3.10. Масса и номинальная скорость вращения
Удельный вес электродвигателя для двигателей авиационного назначения имеет большое
значение. Как было отмечено ранее, снижение веса двигателя достигается увеличением номинальной
скорости вращения двигателя. Для двигателей переменного тока это обеспечивается повышенным
уровнем частоты питающего напряжения. Стандартный уровень частоты напряжения на самолетах –
400 Гц. Максимальная синхронная скорость, достигаемая при этой частоте напряжения статорных
обмоток у двухполюсных АД, составляет 24 000 об/мин. Такие быстроходные электродвигатели
целесообразно применять в составе привода ротора гироскопа.
При частоте напряжения 400 Гц и стандартном уровне напряжения трехфазные асинхронные
двигатели с короткозамкнутым ротором, благодаря отсутствию коллектора и щеток, а также
изоляции обмотки ротора, весят, примерно, на 30% меньше, чем двигатели постоянного тока при той
же номинальной мощности и скорости вращения.
По другим источникам масса АД на единицу мощности в 1,5-2,0 раза ниже, чем у машин
постоянного тока [17, 21], момент инерции ротора у АД меньше в 2 раза, а стоимость в 3 раза меньше
[21].
В ряде случаев, например, в случае привода центробежных вентиляторов и бензопомп, возникают
затруднения, связанные с устранением шумов редукторов и обеспечением надежной смазки. В этих
случаях находят применение тихоходные двигатели без редукторов, имеющие 6, 8 и более полюсов.
Управление АД
Выделим три операции управления АД:
- пуск АД;
- реверсирование АД;
- регулирование угловой скорости АД.
- торможение АД
3.11. Пуск АД
3.11.1. Проблемы пуска АД
При включении асинхронного двигателя в сеть переменного тока по обмоткам его статора и
ротора будут проходить токи, в несколько раз больше номинальных. Это объясняется тем, что при
неподвижном роторе вращающееся магнитное поле пересекает его обмотку с большой частотой,
равной частоте вращения магнитного поля в пространстве, и индуцирует в этой обмотке большую
ЭДС. Эта ЭДС создает большой ток в цепи ротора, что вызывает возникновение соответствующего
тока и в обмотке статора. При увеличении частоты вращения ротора скольжение уменьшается, что
приводит к уменьшению ЭДС и тока в обмотке статора [34].
Большой пусковой ток нежелателен как для двигателя, так и для источника, от которого источник
получает энергию. При частых пусках большой пусковой ток приводит к резкому повышению
температуры обмоток двигателя, что может вызвать преждевременное старение его изоляции. В сети
при больших токах понижается напряжение, что оказывает влияние на работу других приемников
энергии, включенных в эту же сеть. Поэтому прямой пуск двигателя непосредственным включением
его в сеть допускается только в том случае, когда мощность двигателя намного меньше мощности
источника энергии, питающего сеть. Если мощность двигателя соизмерима с мощностью источника
энергии, необходимо уменьшить ток, потребляемый этим двигателем при пуске в ход [34].
3.11.2. Требования к пусковым свойствам АД
1) АД должен развивать пусковой момент, который должен быть больше статического момента
сопротивления на валу, чтобы ротор двигателя мог прийти во вращение и достичь номинальной
скорости вращения [14].
2) При прочих равных условиях превышение пускового момента над статическим моментом
нагрузки должно быть тем большим, чем за меньшее время необходимо достичь номинальной
скорости вращения.
3) Чем больше момент инерции системы механизмов, вращающихся вместе с ротором двигателя,
тем больше должен быть вращающий момент, чтобы обеспечить пуск двигателя в течение заданного
времени.
4) В ряде случаев необходимо ограничивать пусковой момент, так как некоторые самолетные
исполнительные механизмы требуют плавности пуска. Это относится в первую очередь к сложным
передаточным системам механизмов, состоящим из большого числа шестерен. Из-за наличия
«люфтов» между передачами при нормальном пусковом моменте неизбежны большие толчки,
которые могут привести к поломке отдельных частей механизма.
5) Величина пускового тока должна быть ограничена такой величиной, чтобы не происходило
повреждения двигателя и нарушения нормальной работы сети [14].
В частности, при пуске АД, соизмеримого по мощности с питающим синхронным генератором,
большой пусковой ток вызывает значительное снижение напряжения сети и ухудшение работы
других потребителей [27].
Таким образом, пуск АД должен быть простым, без сложных пусковых устройств, с достаточным
значением пускового момента (как правило, требуется его повышение) и приемлемым пусковым
током (как правило, требуется его понижение) [27].
Условия пуска
Под тяжелыми условиями пуска понимается приведение во вращение механизмов с большими
моментами инерции [14].
3.11.3. Частота пусков АД.
При пуске АД на холостом ходу в активном сопротивлении ротора выделяется тепловая энергия,
равная кинетической энергии приводимых во вращение элементов двигателя. При пуске под
нагрузкой количество выделяемой энергии увеличивается. Выделение энергии в обмотке статора
несколько больше, чем в обмотке ротора. При частых пусках, а также при тяжелых условиях пуска,
возникает опасность перегрева обмоток двигателя. Число пусков АД в час, допустимое по условиям
его нагрева, тем больше, чем меньше номинальная мощность двигателя и чем меньше момент
инерции нагрузки. АД мощностью 3-10 кВт в обычных условиях допускают до 5-10 включений в час
[14].
3.11.4. Пуск АД с фазным ротором
Использование добавочных резисторов Rдоб в цепи ротора позволяет обеспечить плавный пуск АД
с фазным ротором.
Подключение дополнительного сопротивления к обмотке ротора при пуске позволяет получить
большой пусковой момент и ограничить пусковой ток.
Это объясняется тем, что хотя при увеличении сопротивления роторной цепи Rрц ток ротора
уменьшается, его активная составляющая Iакт2= I2’cos2 увеличивается за счет увеличения cos2,
поэтому, согласно формуле М=смI2’Фcos2, увеличивается и момент [25].
Пусковой момент может быть равен даже максимальному, если общее сопротивление цепи ротора
будет таким, при котором критическое скольжение равно единице:
s = (R2’+Rпуск’)/xk=1 или R2’+Rпуск’ = xk
Таким образом, АД развивает наибольший пусковой момент, когда приведенное активное
сопротивление фазы обмотки ротора равно сумме индуктивных сопротивлений рассеяния обмоток
статора и ротора.
Возможность увеличения пускового момента АД с фазным ротором делает реализуемым пуск с
моментом нагрузки, превышающим пусковой момент АД Мп на естественной характеристике (при
Rдоб=0).
Если по мере разгона поочередно отключать группы резисторов, то момент и ток будут
изменяться в определенных пределах. Введение добавочных резисторов позволяет реализовать
плавный, без больших ускорений пуск двигателя.
При пуске (рис. 6) движение точки в
координатах n-M происходит по траектории о – б
(механическая
характеристика
1
при
сопротивлении роторной цепи Rрц= Rрц1=R2пуск) –
в – г (механическая характеристика 2 при
Rрц=Rрц2< Rрц1) – г – д - nном (естественная
механичекая характеристика 3 при Rрц=Rрц3=R2<
R рц2).
Число ступеней пускового реостата с целью
Рис. 6. Механические характеристики АД при
упрощения схемы пуска и удешевления пуске [33]
аппаратуры выбирается небольшим (обычно 2—3
ступени) [14].
По условиям нагрева пусковые реостаты рассчитываются на кратковременную работу [14].
3.11.5. Пуск АД с короткозамкнутым ротором
Как отмечалось выше, неблагоприятные пусковые условия короткозамкнутых АД по сравнению с
АД с фазным ротором являются их недостатком.
Понижение пускового тока может быть достигнуто снижением напряжения или повышением
сопротивления обмотки ротора [27].
Повышение пускового момента может быть обеспечено за счет повышения напряжения или
снижения индуктивного сопротивления статора или ротора, а также повышения сопротивления
ротора [27]
3.11.5.1. Прямой пуск
Обмотка статора при пуске включается на полное напряжение сети.
Достоинство: наиболее простой способ пуска.
Недостаток: при прямом пуске пусковой ток АД может в 5÷7 раз превышать номинальное
значение тока [24].
Когда пусковые токи АД не вызывают недопустимо больших падений напряжения в сети (не
более 10%) прямой пуск вполне возможен.
Современные (1966) АД с короткозамкнутым ротором проектируются с таким расчетом, чтобы
они по условиям нагрева обмоток допускали прямой пуск [14].
Современные (1966) энергетические системы, сети и сетевые трансформаторные подстанции
обычно имеют такие мощности, что в подавляющем большинстве случаев возможен прямой пуск
асинхронных двигателей [14].
При работе от маломощных сетей или при пуске двигателей большой мощности прямого пуска
следует избегать [24].
3.11.5.2. Пуск при пониженном напряжении.
Понижение напряжения производится с помощью:
- пусковых реакторов [14].
- понижающего автотрансформатора (реже) [14];
- изменения схемы соединения фаз обмотки статора [14].
При включении реактора или автотрансформатора уменьшение пускового тока приблизительно
пропорционально уменьшению напряжения [25]. Вместе с тем, пропорционально квадрату тока
(напряжения) будет уменьшен пусковой момент, что является недостатком пуска при пониженном
напряжении [14].
Поэтому данный способ применим только при легких условиях пуска, когда возможен пуск АД на
холостом ходу или под неполной нагрузкой. Необходимость пуска при пониженном напряжении
встречается чаще всего в случае мощных высоковольтных двигателей [14].
При переключении схемы соединения фаз обмотки статора:
В период пуска обмотки статора АД соединяются в "звезду", а в
номинальном режиме - в "треугольник". Как известно, при соединении в
"звезду" на каждую фазу приходится напряжение в sqrt(3) раз меньшее, чем при
соединении в треугольник. При этом в 3 раза меньшим будет и пусковой момент
и пусковой ток [27,25]. Это обуславливает уменьшение фазных токов в sqrt(3)
раз и линейных токов в 3 раза [32].
Для реализации этого способа необходимо, чтобы были выведены все шесть
концов фаз. Кроме того, недостатком этого способа пуска является то, что при
Рис. 7. Схема
переключении
фаз
цепь
АД
разрывается,
что
сопровождается
переключения
коммутационными перенапряжениями. Этот способ применялся при пуске
обмотки [25]
низковольтных двигателей, однако с увеличением мощности сетей стал
использоваться редко [14].
При тяжелых условиях пуска короткозамкнутый АД обычного исполнения может не развивать
достаточного пускового момента даже при прямом пуске с номинальным напряжением. В этих
случаях применяют АД с фазным ротором или короткозамкнутые АД с ротором специального
исполнения – глубокопазным или двухклеточным.
3.11.5.3. Глубокопазные короткозамкнутые АД
Увеличение активного сопротивления ротора
при пуске, необходимое для улучшения пусковых
свойств, достигается за счет явления вытеснения
тока в стержнях обмотки ротора, обусловленное
пазовыми потоками рассеяния (показаны на рис.8
пунктиром).
Вытеснение тока к поверхности ротора
происходит из-за неодинакового индуктивного
сопротивления рассеяния слоев проводника по
высоте паза.
На рис.8 линии магнитной индукции
показывают пути потоков рассеяния. Все они
Рис. 8. Вытеснение тока в проводнике,
находящемся в глубоком пазу: а — картина поля;
проходят под дном паза (там магнитная
б — распределение плотности тока по высоте
проводимость выше) и пересекают паз на разной
проводника [25]
высоте.
Как видим, элементарные слои
проводника сцеплены с разным потоком
рассеяния: значение потокосцепления рассеяния
э больше для слоев, расположенных внизу паза
и меньше для слоев, расположенных ближе к
поверхности ротора.
Как следствие, индуктивность элементарного слоя (Lэ = э/Iэ) для нижних слоев в несколько раз
больше индуктивности верхних слоев. Индуктивное сопротивление слоев стержня хэ = 2πf2Lэ =
2πsf1Lэ.
Распределение тока между верхними и нижними слоями определяется их полными
сопротивлениями
z э  Rэ2  xэ2
При пуске, когда скольжение близко к единице и частота токов в обмотке ротора равна частоте
токов в обмотке статора, индуктивное сопротивление xэ > Rэ и играет существенную роль. В
элементарных частях проводника в глубине паза оно оказывается столь значительным, что токи по
ним практически не текут. При этом в элементарных частях верхних слоев проводника, плотность
тока будет больше, чем в нижних слоях (рис. 8б). Происходит эффект оттеснения тока к
поверхностным слоям проводника беличьей клетки. Площадь активного сечения стержней обмотки
ротора становится меньше их геометрической площади, что эквивалентно увеличению активного
сопротивления фазы обмотки ротора R=l/S. Это приводит к увеличению пускового момента
двигателя.
По мере возрастания скорости вращения ротора скольжение и частота тока в обмотке ротора
уменьшается. Одновременно уменьшается и индуктивное сопротивление элементарных частей
проводника. При номинальной скорости вращения xэ << Rэ, сопротивление элементарных частей
стержня определяется, главным образом, активным сопротивлением, независящим от глубины
расположения слоя проводника, и плотность тока обмотки ротора становится практически
равномерной по сечению проводника. Площадь активного сечения стержней обмотки ротора при
этом равна их геометрической площади, а общее активное сопротивление проводника – меньше
активного сопротивления при пуске.
Интенсивность вытеснения тока зависит от отношения ширину к высоте паза и размеров его
прорези [25].
Высота стержней из алюминия выбирается 40-60 мм, что позволяет получить при частоте 50 Гц 34 кратное увеличение сопротивления при пуске [13].
Глубокопазный АД обычно имеет Мп/Мном=1,1...2,0 и Iп/Iном=4...6 [25].
Область применения
Используются в электроприводе малой мощности, при кратковременном режиме работы или при
наличии интенсивной вентиляции.
3.11.5.4. Короткозамкнутый АД с обмоткой ротора с повышенным удельным сопротивлением
В двигателях длительного режима работы большой мощности для получения необходимых
пусковых моментов приходится увеличивать сопротивление ротора путем выполнения беличьей
клетки из материала, имеющего большое удельное сопротивление.
3.11.5.5. Двухклеточный короткозамкнутый АД
Обмотку ротора выполняют в виде двойной беличьей клетки (предложена Михаилом ДоливоДобровольским).
Рис. 9. Пазы ротора с двойной клеткой [25]
Рис. 10. Механическая характеристика АД с
двойной беличьей клеткой: М1 - момент,
создаваемый пусковой обмоткой ротора; М2 –
момент, создаваемый рабочей обмоткой [25]
Внешняя часть обмотки называется пусковой. При конструкции, изображенной на рис. 9а и 9б,
когда возможно отдельное изготовление двух частей обмоток, пусковая клетка выполняется из
материала с повышенным удельным сопротивлением (как правило, из латуни – сплава меди с
цинком) и дополнительно часто имеет и меньшее сечение. Все это обуславливает большое активное
сопротивление пусковой клетки.
Внутренняя часть обмотки называется рабочей. Изготовляется из материала, имеющего меньшее
удельное сопротивление (медь).
Из технологических соображений двухклеточную обмотку ротора обычно выполняют путем
заливки в пазы алюминия и обе обмотки представляют собой единое целое (рис. 6в).
При пуске ток по тем же причинам, что и в двигателе с глубокими пазами, протекает, главным
образом, в стержнях внешней "клетки". Так как активное сопротивление пусковой "клетки"
повышенное, это обеспечивает высокий пусковой момент. При номинальной скорости ток ротора
между обмотками распределяется обратно пропорционально их активным сопротивлениям и
протекает, главным образом, в стержнях рабочей "клетки".
Отметим, что индуктивное сопротивление рассеяния обмотки ротора вследствие специфичности
обмотки у рассматриваемых двигателей выше, чем у двигателей обычного исполнения. Это приводит
к снижению коэффициента мощности (на 4-6%) и перегрузочной способности двигателя (на 15-25%)
в номинальном режиме [13].
Двигатель с двойной беличьей клеткой обычно имеет Мп/Мном=1,1...3,0 и Iп/Iном=3...6 [25].
3.12. Реверсирование (изменение направления вращения на обратное).
Осуществляется путем изменения порядка чередования фаз обмотки статора.
Рис. 11. Изменение чередования фаз при реверсе [20]
3.13. Регулирование угловой скорости трехфазного АД.
Многие механизмы и агрегаты летательных аппаратов, приводимые в движение
электродвигателями должны работать с переменной частотой вращения, например, топливные
насосы [27].
Как следует из формулы =2f1/p*(1-s), угловая скорость АД может быть изменена следующим
образом:
- за счет изменения угловой скорости магнитного поля статора 0=2f1/p посредством:
--- изменения числа пар полюсов p;
--- изменения частоты напряжения статора f1.
- за счет изменения скольжения s посредством:
--- изменения активного сопротивления цепи ротора Rрц (в АД с фазным ротором);
--- изменения напряжения статора U1;
--- изменения индуктивного сопротивления цепи ротора xрц [38] при введении в цепь ротора
добавочной регулируемой ЭДС (в АД с фазным ротором). Такая система называется асинхронный
вентильный каскад [36].
--- в двигателях двойного питания [40].
Последние два способа применяют достаточно редко. В настоящем разделе не рассматривается
При регулировании частоты вращения асинхронного двигателя необходимо учитывать, что при
уменьшении частоты вращения ухудшаются условия охлаждения статора и ротора. Это проявляется
особенно сильно в самовентилируемых двигателях, длительная мощность которых снижается при
уменьшении частоты вращения [36].
3.13.1. Регулирование угловой скорости АД с фазным ротором путем изменения сопротивления в
цепи ротора Rрц = R2+Rдоб (реостатное регулирование).
Осуществляется введением добавочного сопротивления Rдоб в каждую фазу обмотки ротора.
а)
б)
Рис. 12. Схема (а) и механические характеристики АД при реостатном регулировании [40,33]
Наряду с улучшением пусковых свойств АД с фазным ротором, о котором говорилось выше,
изменение Rдоб применяется при регулировании установившейся скорости вращения.
По добавочным резисторам в этом случае длительно протекает полный ток ротора, поэтому
регулировочный реостат имеет большие размеры, чем пусковой, чтобы получилась достаточная
поверхность охлаждения для рассеяния тепла, образующегося в реостате [18].
3.13.1.1. Принцип регулирования
При включении Rдоб ток в роторе уменьшается, что вызовет снижение вращающего момента
двигателя, и, следовательно, уменьшение частоты вращения (увеличение скольжения). При
увеличении скольжения (частоты перемагничивания) увеличивается ЭДС и ток в роторе, а также
создаваемый АД вращающий момент. Новый установившийся режим наступит, когда момент (и ток
ротора) АД примет исходное значение (при котором М=Мс), но уже при пониженной частоте
вращения.
3.13.1.2. Особенности регулирования.
1) Регулирование скорости идеального холостого хода (синхронной скорости) невозможно: Ω0 =
2πf1/p.
2) Регулирование однозонное. Введением Rдоб скорость вращения регулируется только в сторону
ее уменьшения от номинального значения.
Заметим, что в случае двигателя с самовентиляцией при снижении частоты вращения ухудшаются
условия охлаждения и регулирование не может происходить при постоянном моменте. На
пониженных частотах вращения он должен снижаться [29].
3) Значение критического скольжения увеличивается: sки/sке = (R2+Rдоб)/R2
Можно принять, что и рабочие скольжения при введении Rдоб (в случае Mc=const) меняются в той
же пропорции [40].
Для получения тех же значений момента необходимо иметь большую ЭДС в обмотках ротора E2,
что получается при больших скольжениях s [27]. (см.формулу (1))
4) Максимальный момент не зависит от сопротивления цепи ротора R2ц (см.выражение (15)) и
остается неизменным вплоть до sк=1 . Таким образом при Мс=const сохраняется постоянная
перегрузочная способность.
5) Жесткость характеристик снижается.
3.13.1.3. Достоинства:
1) Простота реализации, что определило его широкое применение в ряде электроприводов [36].
2) Сохранение перегрузочной способности АД Мк/Мном (при Мс=const) [38].
3) Повышение коэффициента мощности [38].
3.13.1.4. Недостатки:
1) Малая стабильность скорости при небольших скоростях вращения. Это обусловлено малой
жесткостью механических характеристик при небольших скоростях вращения.
2) Неэкономичность. Большие потери в цепи ротора, особенно при малых скоростях вращения
(больших скольжениях). Если пренебречь механическими потерями и потерями в стали ротора
ΔР2эл = mI’ 22 (R’2.+ Rдоб')=МΩ0s (см формулу 11).
Например, для уменьшения частоты вращения приблизительно вдвое требуется за счет введения в
роторную цепь добавочного сопротивления Rдоб увеличить скольжение s примерно от 0,02 до 0,5. При
этом при М=const согласно (11) почти половина электромагнитной мощности Рэм непроизводительно
будет теряться в реостате [18]. КПД уменьшается пропорционально угловой скорости [38]:
η  η
'

3) Первый и второй недостаток обуславливает небольшой диапазон регулирования D=макс/мин.
макс=ном, а мин ограничивается допустимой стабильностью скорости (максимально
допустимым изменением скорости при изменении момента нагрузки, т.е. не приводящим к
некачественному функционированию исполнительного механизма) и допустимыми потерями
(максимальными при мин).
Реальный диапазон регулирования при этом способе не превышает 3-5; 1-4 [26], 2-3 [36,40].
Этот способ регулирования пригоден только для двигателей, имеющих повышенное скольжение в
номинальном режиме. Диапазон регулирования скорости таким способом не превышает 1,15-1,2 [35].
Этим способом можно осуществлять плавную регулировку скорости вращения до 70%
синхронной (диапазон до 1,4) [25].
С уменьшением момента нагрузки диапазон регулирования уменьшается. На холостом ходу
регулирование угловой скорости невозможно [38].
4) Невозможность реверсирования путем воздействия на управляющие реостаты.
5) В случае АД большой мощности переключение ступеней сопротивления осуществляется
контакторами, число которых может быть ограничено в целях снижения стоимости
электрооборудования и повышения надежности ЭП. Вследствие этого соседние ступени
сопротивления могут заметно отличаться друг от друга. То есть появляется ступенчатость
регулирования.
6) Большие броски тока в сети в двигателях при переключении ступеней резисторов в случае
релейно-контакторной системы управления [26].
3.13.1.5. Вывод
Экономичность любого способа регулирования определяется стоимостью используемых средств
регулирования и расходами при эксплуатации электропривода. Затраты, связанные с созданием
данной системы электропривода, невелики, так как для регулирования обычно используются простые
и дешевые резисторы. В то же время при эксплуатации этой системы затраты существены, поскольку
значительны электрические потери в роторной цепи ΔРэл2, пропорциональные скольжению [36].
3.13.1.6. Реализация
1) С помощью контакторов.
2) С целью устранения недостатка, связанного со ступечатостью изменения сопротивления Rдоб
иногда используются схемы, в которых роторный ток выпрямляется и сглаживается реактором, а
резистор, включаемый за выпрямителем, шунтируется управляемым ключом – транзистором с
управляемой скважностью, благодаря чему достигается плавность регулирования, а при
использовании обратных связей формируются жесткие характеристики [40].
3.13.1.6. Область применения
Регулирование скорости этим способом применяется в тех случаях, когда требуется небольшой
диапазон регулирования скорости и работа на пониженных скоростях непродолжительна, при
кратковременной или повторно-кратковременной работе [14]. Например, этот способ нашел широкое
применение в электроприводе ряда подъемно-транспортных машин и механизмов [36] (например,
лебедок, кранов).
Главным образом в различных крановых механизмах при мощностях выше 15 кВт [38].
Кроме того, даный способ регулирования применим в приводах с вентиляторным моментом. В
этом случае мощность на валу с уменьшением скорости быстро снижается, и поэтому мощность
скольжения и потери в цепи ротора по величине ограничены [14].
Такой способ регулирования применяется в электроприводах сравнительно малой мощности [27].
3.13.2. Регулирование угловой скорости АД путем изменения напряжения (фазовое
регулирование).
В пределах рабочего участка механической характеристики АД, когда ток статора существенно не
превышает номинальное значение, ЭДС в обмотках статора E1 незначительно отличается от
напряжения сети U1E1= kФmf1 [32].
Из этого выражения следует, что при f1 = const изменение напряжения приводит к изменению
потока машины. Отсюда вытекает первая особенность данного способа регулирования.
3.13.2.1. Особенности данного способа регулирования.
1) Регулирование однозонное – вниз от номинальной скорости. Снижение напряжения питания
приводит к уменьшению магнитного потока и уменьшению скорости.
При повышении напряжения сверх номинального значения увеличивается магнитный поток АД.
Так как в номинальном режиме магнитная цепь машины насыщена, то увеличение потока будет
достигаться за счет значительного увеличения тока намагничивания Iμ. Ток статора (включающий в
себя ток намагничивания Iμ как реактивную составляющую) будет интенсивно нарастать по
нелинейному закону [30].
У двигателей нормального исполнения ток холостого хода I0= Iμ0=(0,25÷0,3)*I1ном. Повышение
напряжения на 20-30% может увеличивать ток холостого хода до значений, превышающих
номинальный ток I1ном, и двигатель может нагреваться этим током сверх допустимой температуры
даже при отсутствии полезной нагрузки на его валу [4].
Рис. 13. Механические характеристики АД при изменении напряжения U1.
2) Скорость идеального холостого хода и критическое скольжение от напряжения не зависят.
3) Критический момент АД пропорционален квадрату напряжения: МкU12.
С уменьшением напряжения критический момент двигателя будет существенно снижаться. При
Мс=const это приведет к снижению перегрузочной способности двигателя Мк/Мн.
Таким образом, допустимая нагрузка должна резко снижаться с уменьшением скорости. И не
только с целью сохранения перегрузочной способности, но и из-за перегрева двигателя.
Допустимыми в продолжительном режиме потерями можно считать номинальные: ΔРэл2ном=
МномΩ0sном. Допустимые потери при регулировании определятся как ΔРдоп = МдопΩ0s. Приравняв
выражения для потерь, получим Мдоп=Мномsном/s, т.е. даже для специального двигателя с повышенным
номинальным скольжением (очевидно невыгодного) sном = 0,06 вместо стандартного sном = 0,03
снижение скорости всего на 20% (до s=0,2) будет возможно лишь при снижении момента нагрузки в
3 раза (рис. 14б) [15].
4) При изменении напряжения скорость можно регулировать в небольших пределах (максимум от
sном до sк).
Например: по расчетам типового АД (p=3, nном=960 об/мин, Мс=const) уменьшение напряжения с
U1ном до 0.7U1 приведет к уменьшению скорости на 6% (диапазон 1,04) и к уменьшению критического
момента вдвое. То есть АД с кратностью максимального момента Мк/Мном< 2 даже такой диапазон
реализовать не сможет [38].
Диапазон регулирования зависит от степени
жесткости рабочего участка механической
характеристики,
которая
определяется
сопротивлением роторной цепи Rрц. Чем больше
Rрц, тем больше диапазон регулирования [18].
Для
получения
достаточно
большого
диапазона регулирования скорости необходимо,
Рис. 14.
Механические
характеристики
при чтобы активное сопротивление цепи ротора Rрц и
различном напряжении питания для АД с малым соответственно критическое скольжение sк были,
достаточно велики (рис. 14) [14].
Rрц (а) и большим Rрц (б) [14].
Увеличение Rрц для достижения этой цели возможно в АД с фазным ротором путем включения в
цепь ротора добавочного сопротивления Rдоб (со всеми вытекающими из этого недостатками) [18].
Кроме того, большим активным сопротивлением ротора обладает АД с массивным ротором, у
которого sк >1.
Более высокий диапазон регулирования может быть обеспечен в замкнутых по скорости
структурах асинхронного электропривода (рис. 16): 3...4 [40].
5) С уменьшением скорости (уменьшением напряжения) будет увеличиваться скольжение.
Увеличение скольжения вызовет увеличение потерь в роторе. Если пренебречь механическими
потерями и потерями в стали ротора, то
ΔРэл2 = МΩ0s
В случае применения короткозамкнутого АД потери скольжения выделяются внутри машины, в
беличьей клетке. Электродвигатель при этом перегревается, что может привести к
преждевременному выходу его из строя.
3.13.2.2. Реализация
Изменение напряжения может быть произведено при помощи:
- регулировочных трансформаторов;
- реактивных катушек с выдвижным сердечником;
- переменных активных сопротивлений, включенных в цепь статора;
- при помощи магнитных усилителей;
- при помощи тиристорных регуляторов (рис. 15).
Между выводами статора и фазами сети
включаются тиристорные регуляторы: в каждую
фазу – по два тиристора по встречно-параллельной
схеме. Тиристоры проводят ток в течение
соответствующего полупериода, после подачи на
управляющий электрод импульса управления при
положительном напряжении анод-катод. Когда
а)
тиристоры проводят ток – к фазе прикладывается
напряжение сети. Блок управления (БУ) типа СИФУ
(схема
импульсно-фазового
управления)
обеспечивает
сдвиг
импульсов
управления
относительно момента естественной коммутации на
угол α в функции внешнего сигнала управления.
Закрывание тиристоров происходит естественно –
б)
при изменении полярности напряжения. Регулируя
Рис. 15. Схема и фазное напряжение АД при
интервалы проводимости тиристоров в этой схеме,
фазовом
регулировании
при
помощи
можно
изменять
действующее
значение
тиристорного регулятора напряжения [40]
приложенного к двигателю напряжения [30].
б)
а)
Рис. 16. Схема (а) и механические характеристики (б) асинхронного электропривода
с замкнутой по скорости структурой (штриховые линии)[40]
Тиристорные регуляторы напряжения (рис.16а), отличающиеся предельной простотой,
доступностью элементной базы (тиристоры), малыми габаритами, высокой надежностью и низкой
стоимостью [40].
Преобразователь напряжения (ПН) более простое и в 3-4 более дешевое устройство, чем
преобразователь частоты, и именно эта особенность системы ПН-АД приводила в ряде случаев к её
неоправданному применению [40].
3.13.2.3. Область применения
Анализ особенностей данного способа регулирования показывает, что он неэффективен для
использования в продолжительном режиме [40].
Даже для самой благоприятной нагрузке – вентиляторной (М≡Ω2) необходимо двух-трехкратное
завышение установленной мощности двигателя с повышенным скольжением и интенсивный
внешний обдув [40].
Данный метод широко применяется для решения следующих задач [30]:
- облегчения плавного пуска и торможения АД c ограничением пускового момента и токов;
- изменение направления вращения;
- для экономии энергии при недогрузках [40];
- для регулирования скоростью в насосных и вентиляторных установках, то есть в механизмах, у
которых момент сопротивления при снижении угловой скорости резко снижается. Тем самым
становится возможным регулировать скорость АД в области допустимых потерь энергии. Это
позволяет создать простую и относительно недорогую систему регулируемого электропривода
насосов и вентиляторов [30].
Данный способ применяется для двигателей малой мощности, которые имеют значительные
активные сопротивления роторной обмотки и соответственно большие значения критического
скольжения (sк=0,25-0,35). Снижение КПД двигателя, связанное с увеличением потерь мощности в
роторе для двигателей малой мощности не имеет существенного значения [32].
3.13.3. Регулирование скорости вращения АД изменением числа пар полюсов.
Двигатели, допускающие регулирование скорости этим способом, получили название
многоскоростных [36].
Принцип этого способа заложен в формуле для синхронной скорости вращения
0=2f1/p
То есть при постоянной частоте питающего напряжения f1=const можно путем переключения
числа пар полюсов осуществлять ступенчатое регулирование скорости вращения.
Если двигатель имеет фазный ротор, то переключение числа пар полюсов нужно производить
одновременно как на статоре, так и на роторе, что усложняет конструкцию ротора (приводит к
увеличению контактных колец). Поэтому этот способ регулирования скорости вращения
используется на практике только в АД с короткозамкнутым ротором [18].
Изменение числа пар полюсов может достигаться следующими способами.
3.13.3.1. Двухобмоточные многоскоростные двигатели
а) На статоре укладываются две не связанные между собой обмотки с разным числом полюсов –
двухобмоточные многоскоростные двигатели (двигатель 4А132М6/4У3 и др [9]).
Достоинство: Возможность реализации практически любого соотношения чисел пар полюсов
обмоток. Как правило, такие двигатели выполняются с двумя обмотками с соотношением чисел пар
полюсов от 1:3 до 1:12.
Недостаток: Экономичность такого способа невелика, поскольку при работе только одной
обмотки, вторая не позволяет максимально эффективно использовать пазы статора АД. Из-за этого
увеличиваются масса и габариты двигателя.
По стоимости и массе двухскоростной АД с короткозамкнутым ротором примерно на 40% дороже
и тяжелее односкоростного АД [26].
3.13.3.2. Однообмоточные двухскоростные двигатели
б) Обмотка статора одна, но имеется возможность пересоединить ее отдельные части, то есть
переключить схему соединения катушечных групп обмотки – однообмоточные двухскоростные
двигатели (двигатель 4А100S8/4У3 и др. [9]).
Этот метод применяется для изменения числа полюсов двигателей в отношении 1:2 [14].
Рис.17. Схема переключения обмоток с последовательного согласного включения на последовательное
встречное (б) и на параллельное встречное (в) [36]
Достоинство
Обмотка работает постоянно
Недостаток:
Усложнение коммутационной аппаратуры, в особенности, если с помощью одной обмотки желают
получить более двух скоростей вращения [14].
3.13.3.3. Комбинированный способ.
Четырехскоростные двигатели. Устанавливают две не связанные между собой
полюснопереключаемые обмотки (например, двигатель 4А180М12/8/6/4/2У3: одна обмотка
переключается с 12 на 6 полюсов, вторая – с 8 на 4 полюса [9]).
Трехскоростные двигатели. Устанавливают две независимые обмотки, из которых только одна
выполняется полюснопереключаемой (например, двигатель 4А112М6/4/2У3: одна обмотка
рассчитана на 6 полюсов, вторая может переключаться с 2 на 4 полюса [9]).
3.13.3.4. Общие достоинства
... способа регулирования скорости АД изменением числа пар полюсов:
- простота реализации;
- высокая жесткость механических характеристик и отсутствие больших потерь скольжения;
При высокой жесткости механической характеристики изменение момента нагрузки не приводит к
существенному изменению угловой скорости, что важно для ряда механизмов.
3.13.3.5. Общие недостатки:
- регулирование скорости ступенчатое, так как число пар полюсов может быть только целым
числом. То есть в заданном диапазоне регулирования реализуется ограниченное число скоростей: для
однообмоточных двигателей – обычно две; для двухобмоточных двигателей, как правило, четыре.
- такой способ регулирования скорости малопригоден для автоматизации [35].
- обмотка с переключением числа полюсов создает МДС с большей величиной высших гармоник
поля, чем нормальная трехфазная обмотка. Это приводит к некоторому ухудшению энергетических
показателей двигателей с переключением числа полюсов по сравнению с нормальными [14].
3.13.3.6. Реализация
Наиболее часто на практике встречаются две схемы переключения статорной обмотки
многоскоростных АД:
а) с треугольника (Д) на двойную звезду (УУ).
Рис. 18. Схемы и обмоток и механические характеристики при переключение статорной
обмотки с треугольника на двойную звезду [36].
Изначально секции каждой фазы статора включены в треугольник последовательно согласно
(рис. 18а). Переключение на схему двойная звезда (рис. 18б) вызовет уменьшение в 2 раза числа пар
полюсов АД (подобно переходу от рис. 17а к рис. 17в) [36].
При различном подключении фаз к источнику питания ток в обмотках статора не должен
превышать допустимого (Iном). С учетом этого, для схемы, приведенной на рис. 18а допустимая
активная потребляемая мощность Р1доп=3U1I1номcosφ1. Для схемы двойная звезда (рис. 18б)
Р1доп=3U1/sqrt(3)* 2I1номcosφ1уу=3,46U1I1номcosφ1уу. Из полученных выражений следует, что при cosφ1д ≈
cosφ1уу допустимая мощность АД меняется незначительно. Поэтому при увеличении вдвое числа пар
полюсов АД и уменьшении тем самым вдвое синхронной скорости допустимый момент на валу АД
(Р/) увеличивается примерно в 2 раза [36].
С учетом прикладываемого напряжения к фазам вид механической характеристики изменится
подобно тому, как показано на рис.11в. Полученные характеристики соответствуют регулированию
скорости при постоянной мощности [36].
2) со звезды У (рис.19а) на двойную звезду УУ (рис. 18б).
Рис. 19. Схемы и обмоток и механические характеристики при переключение статорной
обмотки со звезды на двойную звезду [36].
Изначально секции каждой фазы статора включены в звезду последовательно согласно (рис. 19а).
Переключение на схему двойная звезда (рис. 18б) вызовет уменьшение в 2 раза числа пар полюсов
АД (подобно переходу от рис. 17а к рис. 17в) [36].
В отличие от рассмотренной выше схемы переключения треугольник — двойная звезда, в которой
регулирование скорости АД осуществляется при постоянной мощности нагрузки на его валу, в этой
схеме изменение скорости может осуществляться при постоянном моменте нагрузки Мс. Это следует
из рассмотрения выражений допустимой мощности АД [36]:
- для схемы звезда Р1доп=3U1/sqrt(3)* I1номcosφ1уу=1,73U1I1cosφ1уу.
- для схемы двойная звезда Р1доп=3,46U1I1номcosφ1уу.
Из приведенных выражений видно, что допустимая мощность при переключении статорной
обмотки на меньшее число пар полюсов (когда скорость АД увеличивается в 2 раза) возрастает также
в 2 раза. Тем самым допустимые моменты при работе АД в обеих схемах включения примерно
одинаковы и характеристики имеют показанный на рис. 19б вид [36].
Область применения:
На ЛА: Данный способ регулирования используется для изменения режима работы
перекачивающих насосов топливной системы.
Кроме того: многоскоростные АД применяются в электроприводах к вентиляторам, насосам,
металлорежущим и деревообрабатывающим станкам, где позволяют упростить "коробку скоростей"
или совсем от нее освободиться [18], в грузовых и пассажирских лифтах [14].
3.13.4. Частотное управление АД
Регулирование скорости вращения АД путем изменения частоты напряжения f1, подаваемого на
обмотку статора.
Проанализируем возможности управления АД при изменении только частоты напряжения.
В пределах рабочего участка механической характеристики АД, когда ток статора существенно не
превышает номинальное значение, ЭДС в обмотках статора E1 незначительно отличается от
напряжения сети [32]
U1E1= kФmf1
(19)
Из этого выражения следует, что при U1 = const изменение частоты f1 приводит к изменению
потока машины. При этом поток обратно пропорционален частоте f1.
В номинальном режиме магнитная цепь машины насыщена.
Уменьшение частоты (с целью снижения угловой скорости)
согласно (19) приведет к увеличению потока.
Это
произойдет
вследствие
того,
что
индуктивное
сопротивление xL=2πf1L при снижении частоты f1 уменьшится, что
приведет при фиксированном напряжении к увеличению
намагничивающего тока, значение которого определяет значение
магнитного потока. Увеличение магнитного потока приведет к
увеличению степени насыщения магнитной цепи; увеличение тока
намагничивания – к перегреву АД [46].
Поэтому допустимо только увеличение частоты выше
Рис. 20. Механические
характеристики при f1 = var [32]
номинального значения, что вызывает соответствующее
уменьшение потока Фm.. В соответствии с выражением (15)
увеличение f1 приводит к уменьшению критического момента.
Критическое скольжение (см. выражение 18) при этом также
уменьшается, а скорость холостого хода увеличивается [32].
Для оптимального регулирования угловой скорости АД ниже номинальных значений необходимо,
наряду с уменьшением частоты уменьшать также и напряжение на зажимах двигателя по
определенному закону. При определенных допущениях этот закон записывается в следующем виде:
U1/U1ном=f1/f1ном*sqrt(Mн/Мн ном)
(20).
Рис. 21. Схема (а) и механические характеристики (б) АД при частотном управлении [40].
Особенности
Регулирование двухзонное:
- выше номинальной скорости по закону U1=U1ном, f1>f1ном;
- ниже номинальной скорости по закону (19).
Допустимая нагрузка: М=Мн при регулировании вниз от номинальной скорости (Ф = Фном = const)
и Р = Рном при регулировании вверх от номинальной скорости (Ф < Фном) [40].
Реализация
- с помощью преобразователей частоты (ПЧ): ранее – с помощью электромашинных ПЧ, в
современном электроприводе – с помощью полупроводниковых ПЧ.
Достоинства частотного управления:
- плавность регулирования [40];
- высокая жесткость механических характеристик, что способствует:
--- стабильности скорости при изменении момента сопротивления [40];
--- широкому диапазону регулирования скорости; диапазон регулирования 8...10 [40];
- экономичность регулирования, определяемая тем, что двигатель работает с малыми величинами
абсолютного скольжения, и потери в двигателе не превышают номинальных [36].
Недостатки:
- сложность и высокая стоимость (особенно для приводов большой мощности) преобразователей
частоты
- сложность реализации в большинстве схем режима рекуперативного торможения.
Подробнее об этом способе регулирования мы будем говорить в следующем семестре.
Выводы
При частотном управлении или изменении числа пар полюсов КПД двигателя остается высоким.
При изменении питающего напряжения или введении в цепь ротора добавочного активного
сопротивления КПД снижается тем больше, чем больше s, так как при этом мощность скольжения
теряется во вторичной цепи двигателя [38].
3.14. Режимы торможения АД.
1) Рекуперативное торможение (генераторное с отдачей электрической энергии в сеть).
2) Торможение противовключением (электромагнитное торможение) [38].
3) Динамическое торможение.
3.14.1. Рекуперативное торможение
Этот режим торможения реализуется, когда скорость вращения ротора АД становится выше
синхронной, то есть при Ω > Ω0.
В этом случае машина переводится в генераторный режим, отдает электроэнергию в сеть,
затормаживаясь при этом. Величина отдаваемой электроэнергии пропорциональна частоте вращения.
Рекуперативное торможение может возникнуть:
- при отрицательном потенциальном моменте сопротивления (например, когда двигатель
опускает груз), когда момент опускаемого груза превышает критический момент двигателя;
- если при вращении ротора со скоростью Ω уменьшить скорость вращения поля Ω0, например, в
многоскоростных двигателях, когда их переключат с высших скоростей на низшие.
Скорость
двигателя
становится
больше
синхронной
Ω>Ω0,
скольжение
s = (Ω0-Ω)/Ω0 становится отрицательным, что ведет к изменению направления передачи активной
мощности, которая в двигательном режиме передавалась к ротору, а в генераторном режиме отдается
в сеть.
Участок
механической
характеристики
АД,
соответствующий режиму генераторного торможения
расположен в верхней части второго квадранта (рис. 22).
Момент двигателя меняет свое направление, становится
тормозным и уравновешивает момент сопротивления (точка
g рис. 22). АД отдает активную электрическую мощность в
сеть, получая из сети реактивную для создания магнитного
поля [1].
Рис. 22. Режимы работы АД [1].
Рекуперативное торможение с энергетической точки зрения весьма выгодно, так как кинетическая
энергия вращающихся масс превращается в процессе торможения в электрическую, отдаваемую в
сеть. При использовании частотного управления асинхронными двигателями (например, в
электроприводах тяговых и грузоподъемных механизмов) в процессе торможения можно плавно
уменьшать частоту вращения n1 практически до нуля, осуществляя рекуперативное торможение до
полной остановки двигателя.
3.14.2. Торможение противовключением
Этот режим возникает, при изменении чередования подключения любых двух фаз трехфазного
АД к сети. При этом направление вращения поля статора меняется на противоположное, а ротор по
инерции вращается против направления вращения поля и быстро затормаживается (по стрелке рис. 11
и рис. 22).
Переключению соответствует переход из точки а в точку b (рис. 22). Ротор двигателя тормозится
от номинальной угловой скорости до нулевой скорости (от точки b до точки c). Если двигатель не
отключить, он начнет вращаться в противоположную сторону. Если момент сопротивления –
реактивный, возникает двигательный режим в точке d, если режим потенциальный – режим
генераторного торможения в точке е.
Торможение противовключением наиболее эффективно, но и наиболее тяжело для машины: в
первый момент торможения при номинальной частоте вращения скольжение [38]
n n
s 1
 2,
 n1
а ток ротора вдвое превышает пусковой [38]:
sE
2 EK 0
I 2  20 
 2I П
zK
zK
Использование АД с к.з. ротором в режиме противовключения приводит к перегрузке обмоток по
току.
В этом режиме машина потребляет из сети электрическую мощность Рэл. Но поскольку ее момент М
является тормозным, она должна потреблять также и механическую мощность Рм. Мощности Рэл и Рм,
поступая в машину, превращаются в потери мощности Р, рассеиваемые в виде тепла [38].
В АД с фазным ротором при активном моменте в цепь ротора АД вводится добавочное
сопротивление с таким расчетом, чтобы М < Мс. Под действием статического момента двигатель
сначала снижает обороты до Ω = 0, а затем реверсируется.
Увеличение сопротивления в цепи ротора может ограничить ток ротора. Плавным изменением
сопротивления Rдоб при торможении противовключением и последующем пуске в противоположном
направлении можно обеспечить постоянство тормозного и пускового моментов двигателя в этих
режимах [32].
Режим применяется при силовом спуске груза.
3.14.3. Динамическое торможение АД
Этот режим применяется в ряде случаев, когда после отключения двигателя от сети требуется его
быстрая остановка без реверса [40].
Динамическое торможение в АД может осуществляться или при переходе на независимое
возбуждение или с самовозбуждением. На практике, как правило, применяется первый вариант.
При переходе на независимое возбуждение трехфазная обмотка статора отключается от сети
переменного тока и две фазы подключается к источнику постоянного тока.
Машина работает как синхронный генератор с ОВ на статоре [38].
Постоянный ток, протекающий по обмотке статора, создаёт неподвижный магнитный поток,
который, пересекая обмотку вращающегося по инерции ротора, наводит в ней ЭДС. Под действием
ЭДС в обмотке ротора протекает ток, от взаимодействия которого с магнитным полем статора,
возникает тормозной момент. Энергия, поступающая с вала двигателя, рассеивается при этом в
сопротивлениях роторной цепи [40]. По мере снижения частоты вращения уменьшается ЭДС, ток,
тормозной момент, а при частоте вращения, равной Ω = 0, они исчезают. Максимальное значение
тормозного момента тем больше, чем больше величина постоянного тока в обмотке статора [1]:
3I в2 х
Мк 
20 ( х  х2' )
к  0
R2'
х  х2'
Здесь xμ – реактивное сопротивление намагничивающего контура.
Для увеличения тормозного момента в цепь ротора вводят
добавочное сопротивление Rд (рис. 23).
Рис. 23. Динамическое торможение АД