9.3.1.Общие представления о переходных процессах

в асинхронных двигателях

Переходные процессы в АД возникают при пусках, реверсах, торможениях, изменениях нагрузки, напряжения и частоты, при изменении параметров машины, при регулировании и т.д. Наиболее важными переходными процессами являются процессы пуска, торможения, реверса, повторного включения и изменения нагрузки на валу.

В некоторых электроприводах двигатели непрерывно работают в переходных режимах и понимание происходящих в них физических процессов определяют как уровень проектирования, так и уровень эксплуатации. К таким электроприводам на судах относятся многие устройства энергетической установки, систем управления и защиты, общесудовых систем.

На рисунке 9.11 приведены осциллограммы прямого пуска двигателя АК51/4-42 (2.8 кВт, 1500 об/мин). Как видно, в начале переходного процесса броски токов максимальны. В первый полупериод возникает максимальный момент, называемый ударным моментом М_уд. Колебания тока и момента отражаются на частоте вращения ротора. В конце переходного процесса колебания тока и момента затухают, а скорость плавно достигает установившегося значения.

Переходные процессы во вращающихся механизмах определяются электромагнитными процессами, связанными с созданием полей, механическими процессами, обусловленными изменениями частоты вращения ротора. Длительность электромагнитных процессов

о

Рисунок 9.11 – Прямой пуск асинхронного двигателя малой мощности

пределяется электромагнитной постоянной времени Т_эм, электромеханических – моментом инерции ротора и характеризуется постоянной времени Т_м.

Обычно в асинхронных двигателях Т_эм на порядок меньше,чем Т_м, однако электромагнитные процессы оказывают существенное влияние на поведение двигателей и должны учитываться при расчетах.

9.3.2. Пуск асинхронного двигателя в ход

При рассмотрении переходных процессов при пуске рассматривается случаи, когда двигатель включается в сеть при разомкнутой и замкнутой обмотке ротора.

В первом случае явления в АД носят такой же характер, что и при включении трансформатора тока при разомкнутой вторичной обмотке. И так же, как и в трансформаторе наиболее опасным является включение, когда напряжение проходит через нуль (). При этом магнитный поток определенной фазы, имеющий установившуюся и свободную составляющие, может в два раза превышать поток машины в нормальном режиме работы. Это приводит к возрастанию тока намагничивания, который может быть в несколько раз выше номинального тока двигателя.

На рисунке 9.12 приведены осциллограммы тока двух фаз при подключении к сети к сети двигателя АК 41/4-42 при разомкнутом фазном роторе. В данном случае ток включения существенно превышает не только установившийся ток холостого хода, но и номинальный ток двигателя.

Если в сеть включается двигатель с замкнутым накоротко и заторможенным ротором (это реальный пуск), то в первый момент времени n=0 и явления качественно те же, что и при внезапном коротком замыкании трансформатора.

К

Рисунок 9.12 – Подключение АД к сети при разомкнутой обмотке ротора

ак было показано в разделе «Асинхронные двигатели» вращающий момент образуется в результате взаимодействия токов ротора и результирующего магнитного потока

(9.38)

Поскольку магнитный поток пропорционален намагничивающему току I_µ, то можно записать

(9.39)

где - угол между векторами и .

Ф

Рисунок 9.13 – К пояснению взаимодействий в АД при образовании вращающего момента

изический смысл формулы (9.39) поясняется на рисунке 9.13, где обмотки ротора изображены эквивалентной катушкой, а направление магнитного потока ϕ совпадает с направлением намагничивающего тока . Положительное направление вектора тока совпадает с направлением МДС катушки. Из рисунка 9.13 следует, что для рассматриваемой схемы вращающий момент имеет максимальное значение при α = 90⁰ и равен нулю при α = 0.

О

Рисунок 9.14 – Векторная диаграмма составляющих переходных токов АД

тметим также, что поскольку электромагнитный момент в АД определяется симметричным действием токов фаз, то в (9.39) под токами и понимаются не фазные токи, а так называемые изображающие векторы, амплитуды которых равны геометрической сумме токов всех фаз, а направления совпадают с направлениями амплитуды волны МДС, образованной данной составляющей токов.

Следовательно, в установившемся режиме векторы изображающих векторов токов вращаются относительно статора АД с угловой частотой .

Векторная диаграмма, отражающая переходные процессы при пуске АД, дана на рисунке 9.14, где показаны векторы ЭДС и все составляющие токов: - установившиеся значения токов ротора и намагничивания; - свободные составляющие этих токов при t=0.

Если статор мысленно вращать в сторону, противоположную вращению поля, то изображающие векторы установивших токов будут неподвижными, что и отражается на векторной диаграмме. Свободные составляющие образуют волну МДС, ось которой неподвижна относительно обмоток статора. Поскольку статор вращается, то изображающие векторы токов вращаются вместе со статором по часовой стрелке и одновременно затухают с определенными постоянными времени. В частности, вращаясь, они изменяются по величине по закону

, (9.40)

, (9.41)

где - (9.42)

постоянная времени для свободного тока;

(9.43)

- постоянная времени для свободной составляющей тока намагничивания.

Соотношения между токами и постоянными времени различно. При пуске двигателя приведенный ток ротора почти равен току статора и в 15…20 раз превосходит по величине намагничивающий ток. Наоборот, постоянная времени почти на два порядка больше, чем . По мере разгона двигателя свободные составляющие вращаются по часовой стрелке с угловой скоростью ω и спустя время t поворачиваются на угол β=ωt. Текущие значения этих токов на векторной диаграмме обозначены .

В результате взаимодействия составляющих токов при пуске АД образуется, по меньшей мере, четыре составляющих момента.

1. (9.44)

Это положительный установившийся момент, направленный против часовой стрелки и приводящий ротор во вращение.

2. , (9.45)

где , (9.46)

Знак минус в (9.46) отражает то, что направление угла от отсчитывается против часовой стрелки. Учтя (9.44) и приняв во внимание, что , после преобразований получаем

(9.47)

3. . (9.48)

Учтя (9.44) и приняв во внимание, что , после преобразований получаем

(9.49)

4. . (9.50)

Составляющая тока затухает значительно быстрее, чем составляющая (так как ) , поэтому можно считать, что . При этом предположении получаем

Рисунок 9.15 – Составляющие момента АД в переходном режиме

. (9.51)

Поскольку составляющие момента, изменяющиеся с постоянной времени , быстро затухают, переходный электромагнитный момент при пуске определяется, главным образом, составляющей (9.47), а соотношение для полного электромагнитного момента имеет вид

. (9.52)

В момент включения переходный момент равен и противоположен пусковому установившемуся моменту (т.1 на рисунке 9.15).

По мере разгона двигателя составляющая момента пульсирует, а ее затухание в двигателях малой и средней мощности происходит за 0,3…1,5 сек. Это и находит отражение в осциллограмме, показанной на рисунке 9.11.

Отношение переходного момента к пусковому установившемуся моменту определяется отношением и может превышать десятикратное значение.