Механическая характеристика, управление и защита асинхронных двигателей

На рис.12.3 представлены механические характеристики n₂ = f (М) асинхронного двигателя. Ее характерные точки с координатами (рис.12.3, а): 0, n₁ – идеальный холостой ход; М_max, n_кр – максимальный момент, критическая частота вращения; М_П, 0 – пусковой момент. Точкой М_max кривая делится на две области: I – область устойчивой работы, где находится точка номинального режима (М_Н, n_Н); II – область неустойчивой работы, используемая при пуске или вынужденной остановке двигателя.

 

Двигатель в общем случае преодолевает некоторый момент сопротивления М_С со стороны механизма. Самый простой случай, когда момент М_С не зависит от частоты вращения. В этом случае при включении двигателя его пусковой момент М_П больше момента сопротивления М_С (рис.12.3, б) и ротор приобретает ускорение. Скорость возрастает до тех пор, пока не установится равенство моментов двигателя и сопротивления. При М_С = М_Н ротор вращается с номинальной частотой.

При увеличении момента М_С новое устойчивое состояние наступает при новом меньшем значении n₂. На холостом ходу частота вращения ротора близка к синхронной. Если М_С станет больше, чем М_max, то двигатель остановится.

 

ЭТО ВАЖНО. Вращающий момент двигателя пропорционален квадрату напряжения питающей сети, т.е. М_max » U ².

 

Если, к примеру, напряжение в сети снизилось на 10%, то значение М_max и М_П понизятся на 19%. А значение n_кр при понижении напряжения остается постоянным (рис.12.3, б).

 

Для двигателей с фазным ротором могут быть получены искусственные механические характеристики. Для этого в цепь обмотки ротора включают добавочные сопротивления. Чем больше добавочное сопротивление, тем круче спадает кривая (рис.12.3, в), тем «мягче» становится механическая характеристика. При изменении добавочного сопротивления значение М_max сохраняется постоянным.

Можно подобрать такое добавочное сопротивление, чтобы пусковой момент приобрел максимальное значение.

В общем случае механическая характеристика асинхронного двигателя имеет вид

(12.1)

где s_к и s_н - значения критического и номинального скольжения, s_к» (4¸5)s_н; М_max и М_Н – максимальное и номинальное значение момента, ; номинальное скольжение

(12.2)

где - частота вращения поля; f₁ – частота тока питающей сети; n₂ - частота вращения ротора.

В номинальном режиме работы s_Н = 0,02¸0,06.

При пуске асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором пусковой ток

(12.3)

Кратковременный толчок пускового тока для двигателя безопасен, но может явиться причиной чрезмерно большого падения напряжения в сети. В этих случаях ограничивают пусковой ток пуском двигателя на пониженном напряжении.

 

ЭТО ВАЖНО. Напряжение в период пуска двигателя понижают: используя в период пуска соединение обмоток статора в звезду с последующим переключением ее на треугольник; включая в цепь обмотки статора на период пуска добавочные активные или реактивные сопротивления; подключая двигатель к сети через понижающий трансформатор.

 

Общий недостаток всех способов – значительное уменьшение пускового и максимального моментов двигателя, пропорциональных квадрату приложенного напряжения.

Для управления и защиты асинхронных двигателей применяются магнитные пускатели.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ. Магнитный пускатель - это электрический аппарат, предназначенный для пуска, остановки, реверса и защиты электрических двигателей от токов перегрузки и понижения напряжения.

Для защиты от токов КЗ последовательно с главными контактами пускателя устанавливаются автоматические выключатели или плавкие предохранители.

Конструктивное отличие магнитных пускателей от контакторов – наличие устройства защиты (электротепловых реле) осуществляющих защиту от токов перегрузки.

Магнитный пускатель – относительно простое комплектное устройство, содержащее один (нереверсивный пускатель) или два (реверсивный пускатель) контактора, два или три электротепловых реле и кнопки управления («Пуск», «Стоп», «Назад»).

 

Пускатели выпускаются на номинальный переменный ток от 2 до 63 А и номинальные напряжения – 220 до 600 В. Номинальные напряжения втягивающих катушек контакторов от 24 и до 660 В – частотой 50 Гц. Коммутационная износостойкость пускателей от 1 до 16 млн. циклов.

На рис.12.4 приведена принципиальная электрическая схема нереверсивного магнитного пускателя. В схеме пускателя в двух фазах двигателя М включены нагревательные элементы тепловых реле КК1 и КК2.

 

 

Главные контакты контактора КМ1 (КМ1:1) включены последовательно с предохранителями FU1¸FU3. Катушка КМ1 контактора подключена к сети через контакты тепловых реле КК1:1, КК2:1 и кнопки управления «Пуск» и «Стоп». При нажатии кнопки «Пуск» напряжение на катушку контактора КМ1 подается через замкнутые контакты кнопки «Стоп» и замкнутые контакты тепловых реле. При срабатывании контактора замыкаются его главные контакты, тем самым подключается напряжение сети к двигателю, кнопка «Пуск» самоблокируется вспомогательным контактом КМ1:2, которую после этого можно отпустить. Для отключения двигателя нажимается кнопка «Стоп», после чего главные контакты размыкаются.

При токовой перегрузке двигателя срабатывают тепловые реле КК1 или КК2, контакты которых разрывают цепь питания катушки КМ1. При этом контакты КМ1:1 размыкаются и двигатель отключается.

Высокий коэффициент возврата электромагнитов контакторов переменного тока позволяет защитить двигатель от понижения напряжения сети (электромагнит пускателя отпускает при U = (0,6¸0,7)U_ном). При восстановлении напряжения сети до номинального значения самопроизвольное включение пускателя не происходит, так как после размыкания главных контактов цепь катушки КМ1 не замкнута.

С учетом широкого распространения магнитных пускателей большое значение приобретает снижение потребляемой ими мощности, которая расходуется в электромагните контактора и других элементах схемы (тепловых реле и т.д.). Потери мощности в электромагните контактора составляют примерно 60 %, в тепловых реле около 40 % общих потерь пускателя.

Электрический привод

 

ОПРЕДЕЛЕНИЕ. Электрическим приводом называется электромеханическая система, состоящая из электродвигательного, преобразовательного, передаточного и управляющего устройства, предназначенных для приведения в движение исполнительных органов рабочей машины и управления этим движением.

Преобразовательное устройство преобразует напряжение и ток источника электроэнергии, в напряжение и ток, необходимые для работы электродвигателя.

Передаточное устройство содержит механические передачи и соединительные муфты.

Управляющее устройство представляет собой систему управления, в которой происходит обработка информации от датчиков состояния системы, и выработки на их основе сигналы управления преобразователем, электродвигателем и передаточным устройством.

 

ЭТО ВАЖНО. Основная функция электропривода – приводить в движение рабочий механизм и изменять его режим работы в соответствии с требованиями технологического процесса.

 

Электропривод бывает групповой и индивидуальный.

В групповом электроприводе один двигатель приводит в движение с помощью разветвленной передачи группу механизмов. В таком приводе кинематическая схема оказывается сложной и громоздкой, а сам привод неэкономичен, поэтому он находит ограниченное применение.

Наиболее прогрессивным является автоматизированный индивидуальный электропривод, в котором электродвигатель приводит в движение только один рабочий орган.

Индивидуальный электропривод существенно упрощает схему механизма, повышает экономичность и позволяет в ряде случаев встраивать электродвигатель непосредственно в механизм, что уменьшает его металлоемкость (электродрель, вентилятор, водяной насос и т.д.)

 

ЭТО ВАЖНО. Выбор электродвигателя для привода определяется условиями работы и требованиями производственного механизма. При этом целесообразно выбирать электродвигатель более простой, надежный в эксплуатации, имеющий наименьшую массу, размеры и стоимость.

Практически всем выше перечисленным требованиям отвечает асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором. Асинхронные двигатели с фазным ротором по конструкции сложнее двигателей с короткозамкнутым ротором. Однако они позволяют простыми средствами осуществлять регулирования частоты вращения, пусковой ток и момент.

Синхронные двигатели применяются для привода насосов, вентиляторов и преобразовательных установок, где не требуется регулирование частоты вращения и крайне редки перерывы в работе.

Двигатели постоянного тока используются для привода механизмов, работа которых сопровождается частыми пусками и остановками; требуется регулирование частоты вращения в широком диапазоне. Двигатели постоянного тока последовательного возбуждения применяются в электроприводе подъемно-транспортных механизмов, так как имеют повышенные перегрузочный момент и механическую прочность.

 

Механическая характеристика (n = f (М)) является основной характеристикой электропривода.