Работа трехфазных асинхронных двигателей при неноминальных условиях

Изменение частоты. Частота сети f_t может отличаться от номинальной f_H, в особенности, в маломощных автономных энергетических установках (транспорт, лесоразработки, изолированные строительные объекты и пр.). Рассмотрим влияние изменения частоты на работу двигателя, когда и_г = £/_1н = const и момент нагрузки на валу М_ст равен или близок номинальному.

Если пренебречь падениями напряжения, то

откуда следует, что при и_г — const изменение f_x приводит к изменению потока двигателя Ф. С другой стороны,

М = &Ф/₂ cos t|j₂,

откуда следует, что при М_ст = const изменение Ф приводит к изменению вторичного тока /₂ и нагрузочной составляющей первичного тока.

Ввиду заметного насыщения магнитной цепи асинхронных двигателей уменьшение /_х и соответствующее ему увеличение Ф приводят к значительному увеличению намагничивающего тока /_м. Например, уменьшение d на 10% обычно вызывает увеличение /„ на 20—30%. Хотя при увеличении Ф и М_С1 — const ток /₂ соответственно уменьшается, более значительное увеличение намагничивающего тока может вызвать общее увеличение первичного тока и перегрев первичной обмотки.

Увеличение f_x и соответствующее ему уменьшение Ф приводят к заметному уменьшению намагничивающего тока. При этом, однако, при М„ = const растет ток /₂, что приводит к перегрузке током обмотки ротора, а при определенных условиях также и к перегрузке обмотки статора.

Таким образом, как уменьшение, так и увеличение частоты вызывают ухудшение условий работы асинхронных двигателей, работающих при нагрузках, близких к номинальным. Поэтому колебания частоты сети должны быть ограничены. По ГОСТ 183—66 двигатели должны отдавать номинальную мощность при отклонениях частоты от номинального значения до ±5%.

Изменение напряжения при f_x = /_lH приводит, согласно равенству (29-2), к тем же последствиям, как и изменение частоты, с той лишь разницей, что уменьшение U_x вызывает также уменьшение Ф и наоборот. Поэтому изменение и_г при /_х = const и при нагрузках, близких к номинальным, тоже приводит к ухудшению условий работы асинхронных двигателей. В связи с этим колебания U_x

также должны быть ограничены. На основании ГОСТ 183—66 двигатели должны отдавать номинальную мощность при отклонениях напряжения сети от номинального в пределах от —5 до +10%. При одновременном отклонении напряжения и частоты двигатели переменного тока, согласно ГОСТ 183—66, должны отдавать номинальную мощность, если сумма процентных значений этих отклонений без учета знаков не превосходит 10%.

Переключение обмоток слабо загруженных асинхронных двигателей с треугольника на звезду. Как было установлено, при боль-

Рис. 29-13. "Рабочие характеристики асинхронного двигателя

28 mm, 975 об/мин при соединениях обмотки статора в трегулышк"

и звезду и при напряжении сети, равном номинальному фазному

напряжению двигателя

шой нагрузке асинхронного двигателя уменьшение напряжения не его зажимах приводит к перегрузке обмоток двигателя токами <я всеми вытекающими отсюда ^Последствиями (увеличение потери! уменьшение к. п. д., перегрев обмоток). Однако если двигателЩ нагружен слабо, например до 35—40% от номинальной мощности! то уменьшение и_г может привести к улучшению энергетическиэ| показателей двигателя. Действительно, намагничивающий ток /^ в результате уменьшения потока при этом весьма значительна уменьшается и, следовательно, коэффициент мощности заметно уве* личивается. Уменьшаются пропорционально U\ также магнитные потери. Хотя при М_ст = const уменьшение £/_а будет вызывать соответствующее увеличение /£, вследствие недогрузки двигателя величина /а может не превышать номинального значения. Нагрузоч* ная составляющая 1_г увеличивается тай, же, как /£, но ввиду умени шения /„ результирующая величина 1_г может даже уменьшиться?

В результате указанных причин величина к. п. д. ц может увеличиться.

По ряду причин некоторые асинхронные двигатели в условиях эксплуатации могут быть сильно недогруженными. Если обмотки статора таких двигателей нормально соединены в треугольник, то для улучшения c6s ф и к. п. д. двигателей может оказаться целесообразным переключение их в звезду. Напряжения фаз при этом уменьшатся в |/"3 раза, что вызовет также уменьшение Ф в У"3 раза, уменьшение /_м в 2—2,5 раза и при условий M_cr = const = увеличение /а в V"3 раза. Если при этом к. п. д. улучшится или даже останется неизменным, то для улучшения cos ф сети целесообразно переключить обмотки статора в звезду. Величина нагрузки, ниже которой такое переключение дли данного двигателя целесообразно, должна быть установлена путем расчета или экспериментально.

На рйс. 29-13 в качестве иллюстрации к сказанному приведены характеристики двигателя на 28 кет, 975 обТмин. Из этих характеристик видное что для улучшения cos ф переключение обмоток этого двигателя в звезду целесообразно при нагрузках ниже 40% от номинального значения, когда cos ф и г) будут выше, чем при соединении в треугольник.

§ 29-8. Несимметричные режимы работы асинхронных двигателей

Предварительные замечания. Несимметричные режимы работы асинхронных Двигателей возникают в следующих случаях: 1) при искажении симметрии напряжений сети, 2) при несимметрии сопротивлений в цепях статора и ротора, 3) при несимметричной схеме соединений обмоток двигателя. Такие режимы могут возникнуть как результат отклонения условий работы двигателя от нормальных, в частности, вследствие неисправностей и аварий. В ряде случаев несимметричные режимы используются для получения характеристик с особыми свойствами. Рассмотрим некоторые несимметричные режимы и будем полагать, что устройство асинхронной машины в целом и фаз ее обмоток является симметричным.

Несимметричные режимы работы асинхронных машин целесообразно исследовать с помощью метода симметричных составляющих, пренебрегая насыщением и пользуясь методом наложения. Составляющие нулевой последовательности в токах обмоток асинхронных двигателей обычно не возникают, так как нулевые точки этих обмоток, если обмотки соединены в звезду, обычно изолированы. Поэтому следует рассмотреть поведение асинхронных машин по отношению к составляющим напряжений и токов прямой и обратной последовательности.

Работа асинхронной машины при несимметрии приложенных напряжений. Пусть система трехфазных напряжений, приложенных к первичной обмотке асинхронной машины, несимметрична и содержит составляющие прямой (U_n) и обратной (£/₁₂) последовательности. Все изложенное в предыдущих главах относилось к асинхронной машине с напряжениями и токами прямой последовательности. Повторим здесь вкратце полученные выше результаты, введя дополнительный индекс 1 для обозначения прямой последовательности, а затем распространим эти результаты на напряжения и токи обратной последовательности (с дополнительным индексом 2).

Рис. 29-14. Схемы замещения асинхронной машины для токов и напряжений прямой (а) и обратной (б) последовательности

Напряжения U_n вызывают в первичной цепи машины токи прямой последовательности 1_п. Эти токи создают магнитное поле и поток прямой последовательности, которые вращаются со скоростью

и индуктируют токи прямой последовательности /₂₁ во вторичной обмотке. Токи 1_и и /₂₁ создают общее магнитное поле прямой последовательности, вращающееся со скоростью n_v Скольжение ротора относительно этого поля есть скольжение прямой последовательности:

где п — скорость вращения ротора, положительная в случае, когда ротор вращается в сторону поля прямой последовательности.

Для системы токов и напряжений прямой последовательности действительна схема замещения рис. 29-14, а, которая идентична со схемами замещения рис. 24-6. Эта схема позволяет рассчитать токи 1_п и /ji, если известны U_u и параметры машины.

Необходимо отметить, что, кроме моментов М_г и М_%, в результате взаимодействия токов обратной последовательности ротора с прямым полем и взаимодействия токов прямой последовательности ротора с обратным полем возникают также добавочные составляющие вращающего момента. Однако эти добавочные моменты пульсируют с большой частотой, равной 2f_lt и средняя величина их равна нулю. Поэтому они практически не оказывают влияния на движение ротора-. Вместе с тем в результате взаимодействия прямых и обратных полей возникают вибрационные радиальные силы частоты 2/_х.

Надо также отметить, что в общем случае параметры вторичной цепи r'i и х'а₂ для токов прямой и обратной последовательности различны, так как частоты этих токов f_n = sfi, f_n = (2 —s)^ неодинаковы й влияние вытеснения тока сказывается поэтому в различной степени. Это обстоятельство необходимо учитывать при практических расчетах.

На рис. 29-15 изображены кривые моментов М_ъ М_а и М для случая, когда

и_п и и и постоянны по величине и U₁₂/U_u = 0,5. Ввиду преобладания составляющей прямой последовательности режим работы машины а целом определяется действием этой составляющей. Как видно из рис. 29-15, под влиянием токов обратной последовательности результирующий момент двигателя М снижается, скольжение при том же моменте сопротивления на валу М _ст увеличивается и, следовательно, увеличиваются потери и нагрев машины, а также уменьшается к. п. д. Все это является следствием тогоГ что по отношению к системе обратной последовательности мащина при 0 < s < 1 работает в тормозном режиме (1 < s_a < 2). Из сказанного следует, что наличие токов обратной последовательности ухудшает условия работы асинхронных двигателей, й поэтому искажение симметрии системы питающих напряжений нежелательно. Однако в ряде случаев несимметричные режимы используются в специальных целях.

Несимметрия сопротивлений во вторичной цепи может возникать в результате различных неисправностей (например, отсутствие контакта в цепи одной фазы трехфазного ротора или обрыв одного или нескольких стержней короткозамкнутого алюминиевого ротора вследствие дефектов литья). Иногда для уменьшения числа контак-

Рис 29-15 Моменты прямой (M_t) и обратной {М₂) последовательности и результирующей момент (М) асинхронной машины в функции скольжения

тов реостата или контроллера при сохранении достаточно большого числа ступеней пуска применяются также несимметричные пусковые реостаты, в которых переключение ступеней реостата в разных фазах производится неодновременно. Например, если каждая фаза трехфазного пускового реостата имеет п — 2 ступени и переключение ступеней в каждой фазе производится одновременно, то получим 2+1=3 ступени пуска. Если же ступени каждой фазы переключить поочередно, то получим 2-3+1 = 7 ступеней пуска. В последнем случае большое количество ступеней пуска достигается при относительно простой и дешевой пусковой аппаратуре.

Рассмотрим, как влияет несимметрия цепи ротора на работу двигателя. Предположим при этом, что обмотка ротора является трехфазной.

Симметричная система напряжений сети U_x вызывает в обмотке статора токи 1_г ~ 1_п частоты сети f_v Вращающееся поле прямой последовательности, созданное этими токами, индуктирует в фазах ротора э. Д. с Е% частоты /₃ = ^sh- Вследствие неравенства сопротивлений отдельных фаз токи в фазах ротора будут неодинаковы, и их можно разложить на токи прямой (/₂₁) и обратной (1_п) последовательности.

Токи прямой последовательности ротора 1_п частоты sf_x создают прямое поле, вращающееся синхронно с полем токов 1_Х = 1_и статора, вследствие чего образуется результирующее, или общее, прямое поле двигателя. В результате взаимодействия этого поля с токами ротора /_г1 создается вращающий момент прямой последовательности Mi, который имеет ту же природу, что и обычный момент двигателя при cHMMetpH4HOM режиме работы.

Токи обратной последовательности ротора /₂₂ также имеют частоту /_s =» sf_t и создают поле, вращающееся со скоростью

которые замыкаются через сеть и накладываются на токи /_ц частоты f_v Так как в самой первичной сети нет напряжений и э. д. с. частоты /_w и сопротивление сети по отношению к сопротивлению

обмоток двигателя мало, то можно считать, что обмотка статора по отношению к токам /₁₃ замкнута накоротко.

Токи ротора /₃₂ и статора /₁₂ создают общее вращающееся поле, и при взаимодействии этого поля с током ротора /_2а возникает действующий на ротор момент М_г. Общий действующий на ротор вращающий момент

При скольжениях 0,5<s< 1,согласно равенству (29-11), имеем л₂ < 0, т. е. обратное поле вращается относительно статора в отри-

Рис. 29-16. Кривые вращающих моментов

асинхронного двигателя при несимметрии

сопротивлений в фазах (а) и при разрыве

цепи одной фазы (б) обмотки ротора

дательном направлении. Однако создаваемый при этом момент М₂ действует в положительном направлении (М₂ > 0), в результате чего и сам ротор вращается против направления вращения поля. Эти явления вполне аналогичны явлениям в асинхронном двигателе с питанием со стороны ротора, когда движение ротора также происходит против направления поля. При скольжениях 0 < s <

< 0,5 [см. выражение (29-11)] имеем п₃ > 0, т. е. обратное поле вращается в положительном направлении, вследствие чего М₂ <

< 0. При s = 0,5 [см. выражение (29-11)1 п_% = 0, обратное поле неподвижно относительно статора, поэтому токи /₁₂ в статоре не индуктируются и М₂ = 0.

Характер кривой момента М₂ = f (s) представлен на рис. 29-16, а. Там же показан характер кривой М_х = f (s) и М = Мх -f- M₂ = = f (s). Кривая момента М_х имеет в области s = 0,5 провал в связи с тем, что при s = 0,5 ток /₁₂ = 0, размагничивающее действие токов /_1а по отношению к полю токов ротора /₂₂ отсутствует (режим идеального холостого хода), поэтому индуктивное сопротивление

токам /₂₂ велико, вследствие чего величины всех токов /₂₂, h\ и /х = /_п при s «0,5 уменьшаются.

В связи со сказанным выше кривая моментов М = f (s) двигателя также имеет в области s = 0,5 провал. При значительной несимметрии сопротивлений вторичной цепи величина этого провала может оказаться настолько большой, что двигатель при пуске «застрянет» на скорости п та 0,5 п_х и не достигнет нормальной скорости вращения. Токи обмоток при этом будут велики и опасны для двигателя. Если одна из трех фаз ротора имеет обрыв, то величина М в области s — 0,5 будет даже отрицательной (рис. 29-16, б) и двигатель не достигнет нормальной -скорости вращения даже при пуске на холостом ходу. Такое явление впервые было описано Г. Гергесом в 1896 г. и называется эффектом Гергеса или эффектом одноосного включения. При увеличении активных сопротивлений цепи ротора, например, с помощью реостата кривая момента при обрыве одной фазы цепи ротора становится более благоприятной.

Дата добавления: 2015-07-18