книги / Электрооборудование одноковшовых экскаваторов

Скольжение играет очень важную роль во всех фи­ зических процессах, происходящих в асинхронных двига­ телях.

В асинхронном двигателе катушки расположены на неподвижной части машины 1 (рис. 2-4,а), называемой статором; их соединяют в звезду или треугольник и под­ ключают к сети трехфазного тока. Вращающуюся часть машины называют ротором 2, на котором размещают

ники обмотки ротора и наводит в них переменную э.д. с. Если обмотки ротора разомкнуты, то асинхронный дви­ гатель потребляет из сети только ток намагничивания

В замкнутой накоротко обмотке ротора или на рео­ стат под действием индуцированных э. д. с. £ p= £ Pins по проводникам ротора проходит ток (см. рис. 2-5, гдечдля простоты' роторная обмотка показана состоящей только из одного витка двух проводников, а статорная — из трех витков).

41

2-3. МЕХАНИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРЙСТИКА АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Рабочее свойство двигателя характеризуется законо­ мерностью изменения его вращающего момента, выра­ женного в виде механической характеристики, т. е. зави­ симости частоты вращения ротора от нагрузки (вращаю­ щего момента на валу). Для определения последнего рассмотрим процесс передачи электрической энергии от обмотки статора к валу ротора (рис. 2-7).

Активная мощность, подводимая из сети к обмотке статора асинхронного двигателя, равна:

фициент. мощности).

Эта мощность расходуется на покрытие потерь в ста­ торе и на создание электромагнитной мощности Ра, передаваембй ротору:

где Ер— э. д. с., индуктированная в роторе, В; / р — фаз­ ный ток ротора, А; соэфр — угол сдвига между током / р и э. д. с. Ер.

42

Электромагнитный момент вращения, Н*м, переда­ ваемый от статора к ротору,

так как э. д. с. ротора £ р пропорциональна магнитному потоку статора Ф.

Рис. 2-7. Схема передачи электрической энергии от обмотки статора к валу ротора с указанием потери энергии в различных частях дви­ гателя.

Из (2-6) следует, что момент асинхронного двигателя пропорционален току ротора, магнитному потоку и cos фр.

Так как ротор вращается с частотой, меньшей, чем частота магнитного поля статора, то мощность на валу ротора будет

Р=М о,

где © — угловая скорость вала ротора, 1/с.

Разность между мощностью, передаваемой ротору, и полезной мощностью на валу двигателя равна потерям

43

Ток нагрузки, потребляемый двигателем, без учета тока намагничивания определяется по закону О ма:,

где 17ф— напряжение на выводах двигателя;. Z — общее сопротивление двигателя, включающее активное и реак­ тивное (индуктивное) сопротивления статора гс и хс и ротора гр и хр (последние приводятся к статору и обо­ значаются г'р и х'р) .

Для этого рассмотрим работу двигателя как работу условного трансформатора, где энергия из первичной (статорной) во вторичную (роторную) обмотку переда­ ется через магнитное поле Ф. При_этом вращающийся двигатель заменяется неподвижным, и значения актив­ ного сопротивления роторной цепи будут rp/s и индук­ тивного сопротивления рассеяния xp/s. Приведение этих сопротивлений к статору производится умножением на

коэффициент трансформации обмоток т = ^ во второй

С учетом изложенного и того, что в неподвижной машине / с= / р, выражение (2-10) примет вид:

С/ф

U,Ф

Так как в приводах экскаваторов применяют асин­ хронные двигатели относительно большой мощности, то

44

Т£<3£х с , и поэтому г с, можно, не учитывать. Тогда.

Подставляя в выражение момента (2-9) значение то­ ка из (2-10а), получаем уравнение механической харак­ теристики асинхронного двигателя

Из выражения (2-11) следует, что момент является сложной функцией скольжения. Поэтому для нахожде­ ния его максимума нужно взять производную от момен­ та по скольжению и приравнять ее нулю:

Для того'чтобы выражение (2-12) стало равным ну­ лю, достаточно приравнять нулю часть числителя, стоя­ щую в скобках, т. е. —s2x2+r2p= 0, и отсюда найти сколь­ жение, при котором моментимеет максимальное значе­ ние. Это скольжение называется критическим *

(2-13)

Знак плюс в (2-13) соответствует двигательному ре­ жиму, а минус генераторному, т. е. момент имеет два максимума (рис. 2-8). Величина sKувеличивается с рос­ том активного сопротивления ротора.

Подставляя sK в (2-12), определяем критический мо­ мент двигателя, соответствующий критическому сколь­ жению:

Для определения значений sK и Мк по формулам (2-11) и (2-14) необходимо знать параметры двигателя. Удобнее для расчетов пользоваться долевыми единицами по отношению к критическому моменту, т. е. MfMKy от­ сюда с учетом критического скольжения из (2-13)

2М«

Задаваясь различными значениями 5, можно соглас­ но (2-15) построить механическую характеристику асин­ хронного двигателя (кривая 1 на рис. 2-8). Ее точки d, с и 0 являются наиболее характерными.

Точка d— точка. начального или пускового момента (включение двигателя в сеть), когда ротор еще непод­ вижен: s = l, п = 0, МП ск=3£/2фГр/соо(г2р+*2) .

Рис. 2-8. Зависимость основных параметров асинхронного двигателя от скольжения s.

Вследствие значительной э. д. с., индуктируемой в неподвижном роторе вращающимся потоком статора, и малого сопротивления фаз ротора возникают большие токи / С)пуск= (5-s-8)/ном. В этом один из существенных недостатков короткозамкнутых двигателей.

Несмотря на большие пусковые токи, пусковой вра­ щающий момент Мпуск у двигателей сравнительно неве­ лик (сравните на рис. 2-8 / р,пуСк и -Мдуск).

Небольшой пусковой момент двигателя даже при большом пусковом токе в роторе объясняется тем, что в момент пуска двигателя частота тока ротора наибольцщя: fp=fs—f, так'как s = l (равна частоте сети), и по-

40

§тбМу индуктивность его.обмотки максимальна. Поэтому сдвиг фаз фр между током и э. д. с. в' роторе близок к 90°. Из-за такого большого угла сдвига фаз наиболь­

поток статора поворачивается в пространстве на угол Ф=90° относительно этих проводников, которые в ре­ зультате оказываются в зоне вращающегося поля с са­ мой слабой магнитной индукцией. Вследствие слабой магнитной индукции силы взаимодействия тока ротора с полем статора получаются небольшими, и это сказы­ вается на значений пускового момента.

В формуле (2-6) ослабление сил взаимодействия от увеличения угла фр учитывается величиной cos-фр рото-

раравного Vr--;+,% -

При пуске двигателя без нагрузки, как это осущест­ вляется на строительных экскаваторах рассматриваемо­ го класса, момент нагрузки холостого хода Мс,х незна­ чителен. Динамический момент двигателя в это время будет равен МкпП)ПйЧ=М Пуск—МС)Х. Если бы момент ста­ тического сопротивления был равен или больше началь­ ного момента двигателя Мпу(}к, динамического момента не существовало бы и разгон не начался. Поскольку МПуСК>М с>х, ротор быстро раскручивается в соответ­ ствии с кривой dc (рис. 2-8). Одновременно с увеличе­ нием частоты вращения ротора скольжение в двигателе уменьшается, а следовательно, уменьшаются частота то­ ка ротора и индуктивное сопротивление. Это приводит к уменьшению угла фр, поэтому вращающий момент дви­ гателя продолжает увеличиваться, несмотря на умень­ шение тока ротора (сравни кривые 1 и 3).

Точка с (s=sK, Л4дв=ММакс=Мк) — точка критическо­ го момента и скольжения. В этой точке вращающий мо­ мент двигателя достигает наибольшего значения -Ммакс=-Мк; динамический момент также при этом до­ стигает максимума. Этот максимальный вращающий мо­ мент двигателя получается при равенстве активных и индуктивных сопротивлений в обмотке ротора, т. е. ког­ да Гр=Хр.

При дальнейшем уменьшении скольжения момент Мщт=М АЦ—Мс,х и вращающий момент резко снижаются из-за быстрого уменьшения тока в обмотке ротора, и

47

двигатель далее разгоняется .по кривой cba.. Когда вра­ щающий момент двигателя становится равным тормоз­ ному моменту нагрузки холостого хода (М д П= М с,х), а динамический момент станет равным нулю (МД1Ш= 0 ), разгон прекратится, т. е. двигатель работает с устано­ вившейся частотой вращения. На холостом ходу ротор развивает наибольшую частоту вращения.

Точка 0 (s=0, п=По, Мдв= 0 ) — это точка идеального

стоте вращения двигателя. При этом, как известно, в ро­ торе не наводится э. д. ст, а потому ток в нем и момент на валу равны нулю. Между тем через обмотку статора все же проходит ток, так называемый ток намагничи­ вания или ток идеального холостого хода, который на рис. 2-8 обозначен /о,ст-

Этот ток создает такой магнитный поток в статоре, который индуктирует противо-э. д. с,, уравновешиваю­ щую почти полностью приложенное внешнее напряжение (напряжение сети).

Практически двигатель не достигает величины /г0 изза различных сопротивлений движению ротора, даже на холостом ходу (всегда Мс> 0 ).

В условиях номинальной нагрузки двигатель работа­ ет в точке b со скольжением 5„0м и развивает номиналь­ ный момент, равный Мном (рйс. 2-8).

Часть механической характеристики от 5=0 до 5ц (участок 0—с) называется'р а б оч ен, на ней двигатель работает в устойчивом режиме. Часть характеристики от 5К до 5 = 1 (участок с—d) называется нерабочей, так как увеличение момента нагрузки хотя бы незначительно выше максимального момента двигателя AfK вызывает остановку или, как иначе говорят, «опрокидывание» дви­ гателя; двигатель нужно отключить от сети во избежа­ ние перегрева большими токами. Следовательно, макси­

Чтобы при недопустимо больших перегрузках исклю­ чить нежелательные опрокидывания двигателя, фрикци­ онные устройства в кинематической передаче экскавато­ ров настраивают на значение статического момента'со-

48

противления, на 40% меньшее опрокидывающего момен­ та двигателя.

Вкаталогах даются значения Л1,юм. Я и зПом. по которым

можно определить критическое скольжение согласно формуле sK=

замкнутым ротором 1,65.

Для работы двигателя с короткозамкнутым ротором, кроме Я, имеет большое значение пусковой момент, который характеризуется отношением

где к — кратность пускового момента, она не должна быть менее 0,9.

Из характеристики 1 (рис. 2-8) следует, что на рабо­ чей ее части частота вращения мало изменяется (Ап) далее при значительно возросшей нагрузке на валу дви­ гателя (ДЛ1); такая характеристика считается жесткой, и, наоборот, чем значительнее это изменение, тем более она мягкая. Жесткость характеристики принято оцени­ вать степенью жесткости

У асинхронного двигателя р равно 40— 10, такая ха­ рактеристика считается хлесткой. Более мощные двига-' телн обычно имеют механическую характеристику с мень­ шим наклоном (кривая 7) вследствие меньшего сопро­ тивления ротора, так как наклон механической характе­ ристики согласно (2-13) зависит от..сопротивления цепи ротора.

Это обстоятельство используют для пуска и регули­ рования частоты вращения двигателя с фазным рото­ ром, искусственно добиваясь изменения активного сопро­ тивления ротора путем включения в его цепь ре­ гулируемого резистора (реостата) гв. С увеличением сопротивления резистора крутизна характеристики все более возрастает (сравни на рис. 2-8 кривые 9 и 10, когда Rp,io>\Rp,9, где ^р= гр+ гв).

Пусковое сопротивление /?р,ю здесь выбрано таким, чтобы пусковой момент был равен максимальному зна­ чению момента двигателя 'МК (при этом пусковой ток сравнительнр невелик). Пусковой резистор можно подо­ брать и такой, что максимальный вращающий момент

Пёрекести'гсй Даже ниже горизонтальной оси коорДййаФ (кривая 11 на рис. 2-8).

Если оставить резистор все время включенным в цепь ротора, то это вызовет потерю энергии на нагревание. Поэтому обычно по мере увеличения частоты вращения двигателя пусковой резистор выводят ступенями и затем замыкают ротор накоротко.

Кривые вращающего момента /, 7, 8 (рис. 2-8), на­ клон которых зависит только от значения внутреннего активного сопротивления роторной обмотки гр, называ­ ются естественными характеристиками, а кривые 9, 10, 11 в отличие от них — искусственными (реостатными), поскольку их. наклон достигается введением внешнего сопротивления в цепь ротора гв-

Рассмотренные механические характеристики асинхронного двигателя соответствуют нормальным (номинальным) параметрам электрической сети (напряжение, частота). Однако в электросетях имеется падение напряжения, которое по нормам не должно пре­ вышать 5%. В этом случае напряжение' на выводах двигателя бу­ дет равно 0,95С/НомСледовательно, момент двигателя уменьшается согласно (2-11) при любых значениях скольжения пропорционально квадрату приложенного напряжения. Перегрузочная способность двигателя при этом будет равна:

(2-19)

где М'к и X' — критический момент и перегрузочная способность двигателя при напряжении U, отличном от номинального Ua0м.

теля уменьшается на 10%, следовательно, ухудшаются условия пу­ ска, увеличивается ток, что приводит к перегреву двигателя. ( По­

Э-1251Б используется асинхронный двигатель с корот­ козамкнутым ротором типа КО-52-4К, 90 кВт, 380 В, 177 А, 1485 об/мин.

Статор двигателя (рис. 2-9) состоит из защитного стального кожуха трубы 1, стального кольца (сердечни­ ка) 3 и статорных обмоток 2. Сердечник для уменьше­ ния вихревых токов набирается из отдельных круглых штампованных, изолированных лаком листов электротех­ нической стали толщиной 0,35 и 0,5 мм. В собранном виде он имеет форму полого цилиндра с продольными

50