Пояснения к лабораторной работе

Из формулы частоты вращения асинхронного двигателя

(7.1)

следует, что для регулирования w следует, либо изменять скорость вращающегося магнитного поля, либо, сохраняя w₁ постоянной, изменять скольжение двигателя. Поскольку изменение частоты вращения, имеющее место при изменении нагрузки двигателя, не является регулированием, под изменением скольжения в данном случае понимается изменение наклона рабочего участка механической характеристики асинхронного двигателя.

Величина w₁ пропорциональна частоте питающего напряжения f₁, поэтому при подключении асинхронного двигателя к источнику переменной частоты обеспечивается возможность плавного регулирования его скорости. В настоящей лабораторной работе источником напряжения переменной частоты служит синхронный генератор, скорость вращения которого регулируется приводным двигателем постоянного тока.

При изменении частоты питающего напряжения пропорционально меняется частота идеального холостого хода ротора, а наклон рабочего участка механической характеристики остается практически неизменным. Важно оценить изменение перегрузочной способности асинхронного двигателя при частотном регулировании. В соответствии с упрощенной формулой величина критического момента равна

.

(7.2)

В формуле (7.2) индуктивное сопротивление короткого замыкания – величина, зависящая от частоты питающего напряжения, значит, если пренебречь активным сопротивлением Г-образной схемы замещения R₁, пропорциональность критического момента можно представить как

.

(7.3)

Значит, при снижении частоты питающего напряжения критический момент, а, следовательно, и перегрузочная способность двигателя, будут расти. Это свойство можно было бы считать положительным, если бы не происходящее уже на холостом ходе значительное возрастание тока, потребляемого двигателем при снижении частоты питающего напряжения.

Для того чтобы при разных частотах двигатель работал с практически постоянными значениями КПД, перегрузочной способности и коэффициента мощности, следует одновременно с изменением частоты питающего напряжения изменять и его действующее значение. Закон изменения зависит от характера нагрузки на валу двигателя.

Если момент сопротивления не зависит от частоты вращения (рис. 7.3.а), для сохранения неизменной перегрузочной способности требуется поддержание неизменности критического момента. То есть, закон регулирования должен иметь вид:

или

(7.4)

В том случае, если к валу двигателя приложен так называемый вентиляторный момент, для поддержания неизменной перегрузочной способности действующее значение напряжения должно уменьшаться в большей мере, чем частота:

(7.5)

Этот случай проиллюстрирован на рисунке 7.3.б: при уменьшении частоты вращения критический момент также снижается, но перегрузочная способность двигателя поддерживается приблизительно постоянной.

Существует ряд производственных механизмов, нагрузка на валу которых зависит от внешних факторов и изменяется в широких пределах. При ограниченной мощности электродвигателя, приводящего в действие такого рода механизм, возникает необходимость оперативного изменения частоты вращения ротора при изменении нагрузки на валу с тем, чтобы мощность, развиваемая двигателем, оставалась неизменной:

(7.6)

На рисунке 7.3.в механическая характеристика такой нагрузки не показана, но показана линия, соединяющая точки пересечения механических характеристик двигателя с механическими характеристиками нагрузки. Эта линия называется гиперболой постоянства мощности (ГПМ). Для того чтобы двигатель, работающий в режиме постоянства мощности, имел постоянную перегрузочную способность, критический момент двигателя при меньших частотах должен возрастать, а при больших – снижаться, что обеспечивается следующим законом частотного регулирования:

.

(7.7)

Формула (7.7) означает, что при снижении частоты f₁ действующее значение питающего напряжения U₁ снижается менее значительно. Это с неизбежностью приводит к возрастанию тока машины, поэтому работа в таком режиме на частотах ниже номинальной должна быть ограничена по времени.

Анализируя рисунок 7.3, важно отметить, что изменение частоты и действующего значения питающего напряжения позволяет оптимизировать пусковые свойства двигателя. Применением тех или иных законов регулирования можно добиться как увеличения пускового момента, так и снижения пускового тока, что является актуальной задачей при пуске асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором.

Как следует из формулы (7.1) синхронная частота вращения w₁ зависит, также, от числа пар полюсов машины р. Для регулирования частоты вращения изменение числа пар полюсов на статоре двигателя размещают несколько обмоток, каждая из которых образует разное число полюсов вращающегося магнитного поля. Эти обмотки могут быть обычной конструкции или полюсопереключаемыми.

Исследуемый в лабораторной работе двигатель является трехскоростным именно из-за возможности оперативно изменять число пар полюсов машины. Такая возможность обеспечивается размещением на статоре двух обмоток. Одна обмотка, соединенная в звезду, создает шестиполюсную систему. Вторая, полюсопереключаемая, при соединении в "треугольник" образует четыре полюса, при соединении в "двойную звезду" – два полюса.

Образование полюсов машины переменного тока можно представить как результат завихрения тока секций статорной обмотки. На рисунке 7.4 показаны активные проводники одновитковой секции, ток в которой в данный момент времени течет по часовой стрелке. Ток, текущий в витке, создает магнитодвижущую силу, которая определяет напряженность магнитного поля, которой, в свою очередь, пропорциональна магнитная индукция, образующая магнитный поток:

.

(7.8)

В формулах (7.8) l – длина магнитной линии, m₀ – магнитная постоянная, m – относительная магнитная проницаемость среды, S – площадь, пронизываемая потоком магнитной индукции. Направление вектора магнитной индукции может быть определено по правилу правого (правоходового) винта: при вращении по току правоходового винта, расположенного перпендикулярно плоскости, в которой циркулирует ток, этот винт будет вкручиваться в направлении вектора магнитной индукции, создаваемой током.

Важно понимать, что в формулу (7.8) в качестве w может быть подставлено число меньше единицы. То есть поток будет образовываться и частью витка, например, как показано на рисунке 7.4, двумя параллельными проводниками, ток в которых течет в противоположные стороны. Таким образом, если в обмотке удается выделить эквивалентную секцию, в которой циркулирует ток, можно говорить о наличии одной пары полюсов. Очевидно, что при одинаковом направлении тока в активных проводниках секции результирующая индукция будет равна нулю и пара полюсов не образуется.

Из курса электротехники известно, что, если в проводнике протекает переменный ток, вектор магнитной индукции секции будет изменяться по величине и направлению, то есть пульсировать, а северный и южный полюсы – меняться местами. При наличии трех секций (трех фаз), плоскости которых смещены друг относительно друга на 120⁰, а в проводниках текут токи трехфазной системы, пара полюсов будет вращаться, совершая один оборот за период питающего напряжения. Это же относится к системе секций, образующей несколько пар полюсов – создаваемые одной фазой (А) полюсы вращаются при наличии еще двух фаз (В и С). Поэтому для объяснения образования системы полюсов асинхронной машины достаточно рассмотреть секции одной фазы.

На рисунке 7.5. показано образование полюсов асинхронного двигателя при соединении полюсопереключаемой обмотки в "треугольник". Секции отдельных фаз соединены последовательно, что соответствует подаче питания на выводы 4С1, 4С2, 4С3 (рис. 7.1). Образование полюсов показано на развернутой схеме (рис. 7.5.а) и на разрезе статора (рис. 7.5.б). Жирными линиями выделена фаза А. При указанном направлении тока в этой фазе южные полюсы создаются парами активных проводников 1-4 и 7-10, северные – парами 4-7 и 10-1. На рисунке 7.5.а южные полюсы показаны крестами (оперение стрелки), северные полюсы – точками (острие стрелки). На рисунке 7.5.б южные полюсы обозначены S_A, северные полюсы – N_A и показано, что при обходе статора в положительном направлении (против часовой стрелки) чередование северных полюсов оказывается таким: А-В-С. Это значит, что при подключении статорной обмотки к источнику трехфазного питания четырехполюсное магнитное поле будет вращаться против часовой стрелки.

По схеме, изображенной на рисунке 7.1, видно, что для получения соединения полюсопереключаемой обмотки "двойная звезда" питание должно подводиться к проводникам, соединяющим секции фаз обмотки (2С1, 2С2, 2С3), а крайние выводы фаз (4С1, 4С2, 4С3) должны быть замкнуты накоротко. На развернутой схеме (рис. 7.6.а) показано, что проводники, соединявшие секции одной фазы (рис. 7.5.а), теперь маркированы как начала фаз – А, В и С, а выводы, являвшиеся при соединении "треугольник" началами и концами фаз, соединены между собой и обозначены концами – Х, Y и Z. В результате в каждой фазе обмотки появляются пары активных проводников не создающих полюсы, токи в них текут сонаправленно. При принятом направлении тока единственный южный полюс в фазе А создается активными проводниками 1 и 4, а единственный северный полюс – активными проводниками 7 и 10. На рисунке 7.6.б показано, что при обходе статора в направлении против часовой стрелки чередование полюсов становится таким: А-С-В, что соответствует смене направления вращения поля по сравнению с имевшим место при соединении "треугольник". По этой причине для сохранения направления вращения ротора одновременно с изменением схемы соединения частей полюсопереключаемой обмотки должно производиться изменение порядка чередования фаз источника питания.

В соответствии с формулой (7.1) изменение частоты вращения двигателя может быть получено за счет изменения скольжения, то есть, за счет изменения наклона рабочего участка механической характеристики, который зависит от координат точки (М_max; w_кр). Зависимость критической частоты вращения от параметров машины для двигательного режима имеет следующий вид:

.

(7.9)

где R₁, R₂ и Х_к – параметры Г-образной схемы замещения асинхронной машины.

Анализируя формулы (7.2) и (7.9), можно заключить, что изменения наклона рабочего участка механической характеристики можно добиться следующими способами: регулированием напряжения на статоре, введением сопротивления в цепь ротора и введением сопротивления в цепь статора. Наибольшее распространение имеют первые два способа (рис. 7.7), но их применение имеет ряд ограничений.

Ограничение в применении регулирования частоты вращения посредством введения активного сопротивления в цепь ротора связано с тем, что этот способ неосуществим в двигателях с короткозамкнутым ротором. При включении дополнительного сопротивления в цепь фазного ротора изменяется критическая частота вращения, а критический момент остается неизменным (см. формулы (7.2) и (7.9)). На рисунке 7.7.б показан ряд искусственных характеристик, обеспечивающих снижение частоты вращения приблизительно на треть от основной частоты. Теоретически может быть получено сколь угодно глубокое регулирование, однако при большом наклоне рабочего участка механической характеристики работа с установившейся скоростью становится нестабильной. Кроме этого, из-за больших потерь в реостатах КПД машины значительно снижается. Способ часто применяется для пуска двигателя – при введении сопротивления в цепь ротора снижается пусковой ток и возрастает пусковой момент.