При смешанном способе управления асинхронным двигателем достаточно одной или двух ступеней пускового реостата. Расчет сопротивлений следует производить с учетом экстренных перегрузок двигателя, имеющих место при выполнении подъемных операций, исходя из максимально возможного пускового момента, развиваемого двигателем [5]. При одной ступени сопротивление пускового реостата определится как
, (3.1)
при двух ступенях
,
где 
-активное сопротивление фазы обмотки ротора, Ом;
- критическое скольжение на естественной механической характеристике.
В общем случае количество ступеней сопротивления реостата для асинхронных двигателей подъемов определяется из условия допустимых значений токов в режиме динамического торможения. Для обычных скиповых ШПУ, имеющих диаграмму с незначительными тормозными усилиями, как в данном случае, рационально применение в цепи ротора одного пускового сопротивления, то есть осуществление двухступенчатого пуска, что при высокой плавности регулирования скорости упрощает схему аппаратуры автоматизации.
Скольжение двигателя с одной ступенью пускового реостата при переходе на естественную характеристику находится по формуле
Скольжение двигателя с двумя ступенями пускового реостата при переключении на механической характеристике 
и при переходе на естественную характеристику
находится поформуле
;
. (3.4)
Значения 
и
вычисляются по паспортным данным двигателя [6] по формулам
где 
,
,
и
- соответственно номинальные ЭДС и ток ротора, кратность
критического моментам номинальное скольжение двигателя.
Для выбора сопротивления по условиям нагрева определяется эквивалентный по нагреву длительный ток для графика нагрузки с двумя рабочими периодами и неравномерными по величине нагрузками и паузами [7] по формуле
, (3.6)
где 
- значения эквивалентных токов ротора при пуске изамедлении соответственно, А; 
,
- время работы сопротивления при пуске и замедлении соответственно, с;
- время второй паузы, включающее в себя время механического торможения системы привода при замедлении 
и время паузы
, с;
- продолжительность цикла подъема, с, 
- постоянная времени нагрева предварительно выбранных номеров ящиков
сопротивлений, с.
Для определения 
, 
, 
, 
необходимо помнить работу ШПУ. Запуск двигателя производиться со всеми ступенями пускового реостата. По мере его разгона выводят вначале первую ступень, а затем вторую. В режиме динамического торможения в ротор опять вводятся все ступени реостата, а далее, по мере снижения скорости, исключается первая ступень, а затем - вторая. Режим дотягивания скипа с постоянной скоростью 
.Таким образом, согласно работе ШПУ время работы сопротивления при пуске определяется от момента запуска двигателя со всеми ступенями пускового реостата до момента выведения последней ступени. В свою очередь, время работы сопротивления при замедлении определяется от момента перевода двигателя в режим динамического торможения со всеми ступенями пускового реостата до момента выведения последней ступени и плюс время дотягивания
. (3.7)
Для ШПУ, имеющей только одну пусковую ступень, время работы сопротивления при пуске и при замедлении определяется временем работы этой ступени в режиме соответственно запуска и динамического торможения.
Значения токов рассчитываются по формуле:
, (3.8)
где 
и
- соответственно ток ротора и время работы добавочного сопротивления наi-ом участке;
-время работы сопротивления при пуске и замедлении.
Слагаемые числителя подкоренного выражения (3.8) находятся согласно формуле (2.3) путем подстановки вместо усилий токов ротора.
Рисунок 3.1 - Диаграммы движущих усилий и токов ротора для двух ступеней пускового реостата.
Значения 
,
,
,
и
;
, (3.9)
где 
- циклическая частота вращения, определяется по частоте вращения,
;
- текущее значение скольжения, определяемое тахограммой; 
-текущее значение движущих усилий, Н; 
Сопротивление фазы ротора зависит от скольжения:
при одной ступени
,при 
;
, при
;
при двух ступенях
, при
;
; 
, при
.
В режиме динамического торможения скольжение равно
, (3.10)
а скольжение в момент переключения реостата может быть принято равным 
для длительного режима (3.3) для одной ступени пускового реостата и принято равным
и
(3.4) при двух ступенях пускового реостата.
Примерный вид диаграмм токов для соответствующих нагрузочных диаграмм представлен на рисунке 3.1.
Относительная продолжительность включения роторного сопротивления 
составит
. (3.11)
По значениям 
,
и
для одной ступени и
,
,
и
для двух ступеней пускового реостата выбираются стандартные ящики сопротивлений и устанавливается схема соединения элементов [8, 9].
studfiles.net
Расчет производится графоаналитическим методом. Строятся характеристики в зависимости от желаемого количества ступеней. Выбираются моменты 
и
.
∆ wсоответствует сопротивлению двигателя. Составляем пропорцию и находимRд1 иRд2.
Система Г-Д представляет из себя регулируемый источник постоянного тока на базе генератора, приводимого во вращение, обычно при помощи синхронного двигателя (возможен привод от любого механического источника энергии).
На рисунке приведена регулировочная характеристика генератора постоянного тока независимого возбуждения, из которой следует, что в диапазоне изменения 
от 0 до
генератор представляет из себя регулируемый источник напряжения. Следовательно регулирование скорости в приведенной схеме (при
) аналогично регулированию скорости двигателя при изменении напряжения.
Рассмотрим механические характеристики.
,
От куда следует, что характеристики двигателя будут несколько мягче по отношению к естественной.
Семейство механических характеристик приведено на рисунке:
Оценим данный способ регулирования:
Регулирование скорости плавное;
Диапазон регулирования (20…30):1;
Значительные капитальные затраты Рсд>Рг>Рдв.
Динамическое торможение происходит за счет того, что двигатель отключается от сети и приводится во вращение механизмом, имеющим запас кинетической энергии. Режим работы двигателя – генераторный.
Двигатели постоянного тока.
П
ри динамическом торможении двигатель отключается от сети и подключается к сопротивлению динамического торможения. Т.к.
, то
, а жесткость характеристики будет определяться величиной сопротивления динамического торможения.
определяется величиной допустимого тормозного тока:
.
Асинхронный двигатель.
В этом режиме двигатель также отключается от сети 2 фазы подключаются к источнику постоянного напряжения U=40…60 В через сопротивление динамического торможения.
Источник постоянного напряжения создает в статоре неподвижное поле. Этому режиму соответствует характеристика 2.
Для ограничения тормозного момента вводится 
, которое уменьшает жесткость механической характеристики для торможения по желаемой механической характеристике.
Жесткость характеристики уменьшается за счет введения 
.
Регулировочные резисторы включаются параллельно и последовательно с якорем. Схема изображена на рисунке 1.
Запишем уравнения Кирхгофа для цепи якоря:
Исключая из системы уравненей 
и
получаем уравнения скоростной и механической характеристики в виде:
;
, где:
.
Уравнения показывают, что скоростные и механические характеристики двигателя независимого возбуждения в схеме шунтирования якоря имеют вид прямых линий. Скорость идеального холостого хода уменьшается по сравнению с естественной характеристикой. Также снижается модуль жесткости механической характеристики.
Возможны 3 способа регулировки скорости: 1) изменение 
при неизменном
, 2) изменение
при неизменном
, 3) одновременное изменение обоих сопротивлений.
1 способ:механическая характеристика изображена на рисунке 2, координаты точки пересечения:
,
.
.
2 способ:механическая характеристика изображена на рисунке 3, координаты точки пересечения:
,
.
.
3 способ:регулирование при условии
, по схеме, изображенной на рисунке 4. Механическая характеристика – на рисунке 5.
Рисунок 1
Рисунок 2
Рисунок 3
Рисунок 4
Рисунок 5
studfiles.net
Двигатели постоянного тока. Внутреннее сопротивление двигателей постоянного тока очень малό. Поэтому, если этот двигатель включить в сеть с полным напряжением, то при неподвижном якоре пусковой ток будет значительно больше номинального и не может быть допущен ни по условиям коммутации, ни для обмотокиз-забольших электродинамических усилий, ни для валаиз-забольших моментов.
Для уменьшения пускового тока до допустимой величина последовательно с якорем включается внешнее сопротивление rВ, позволяющее ограничить ток якоря при пуске до любой заданной величины, ибо
I Я = rДU+HrВ,
где UH – номинальное напряжение двигателя;
rД – внутреннее сопротивление якорной цепи двигателя.
При разгоне двигателя, по мере увеличения скорости, растёт его ЭДС, направленная против приложенного напряжения, и пусковой ток снижается, так как в этом случае ток якоря равен
I Я = U H +− Е . rДrВ
Вместе с током уменьшается и момент двигателя, а следовательно, снижается и эффективность ускорения. Для поддержания ускорения двигателя уменьшают внешнее сопротивление, отчего при данной ЭДС возрастает ток якоря и момент двигателя, вызывающий ускорение. Когда внеш-
25
нее сопротивление будет целиком закорочено, двигатель перейдёт на естественную характеристику.
Таким образом, пусковые сопротивления служат для ограничения тока двигателя и для ускорения его с определенными значениями моментов соответственно потребностям электропривода.
Схема включения пусковых сопротивлений для двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением при пуске в три ступни и его пусковая диаграмма показаны на рис. 2.1.
+ |
| =U |
| – | Ω |
|
|
|
| |
|
|
|
|
|
| Ω0 | ΩС | h | g | ест. |
|
| КМ4 | КМ3 | КМ2 |
|
|
| f | 3-яиск. | |
|
|
|
|
| e | |||||
|
|
|
|
|
|
|
|
| ||
+ | Е rД |
|
|
| КМ1 |
|
| d | 2-яиск. | |
r3 | r2 | r1 |
|
|
|
| ||||
М – |
|
| в | c | ||||||
|
|
|
|
|
| 1-яиск. | ||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
|
| LМ |
|
|
|
|
|
| a |
|
|
|
|
|
|
|
| МCМ2 | М1 | М | |
|
| а) |
|
|
|
|
| б) |
|
|
Рис. 2.1. Схема включения пусковых сопротивлений (а) и диаграмма пуска двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением (б)
На схеме: КМ1 – контакты линейного контактора, подключающие двигатель к сети; КМ2, КМ3, КМ4 – контакты контакторов ускорения, шунтирующие ступени пускового реостата.
Рассмотрим пуск двигателя при постоянной нагрузке, т.е. при МС =const (рис. 2.1). Напряжение на двигатель подаётся включением контактора КМ1. При включении контактора КМ1 и замыкании его контакта в якорной цепи двигатель подключается к сети через полное пусковое сопротивление с моментомМ1 (точка «а»). Этот момент больше статического и под действием динамического моментаМДИН =М1 +МС двигатель начнёт разгоняться. С увеличением скорости момент двигателя будет уменьшаться в соответствии с первой искусственной характеристикой по линииав, будет уменьшаться динамический момент, а следовательно, и эффективность ускорения. При некоторой скорости, соответствующей точке «в»,
26
включится контактор ускорения КМ2 и зашунтирует первую ступень пускового сопротивления r1, что вызовет переход двигателя при этой скорости на вторую искусственную характеристику в точку «с». Момент двигателя возрастёт, увеличится ускорение и двигатель будет разгоняться по линииcd. При достижении точки «d» включается второй контактор ускорения КМ3 и зашунтирует вторую ступень пускового реостатаr2. Далее разгон двигателя будет продолжаться аналогично описанному. В точке «f» при включении контактора КМ4 будет зашунтирована третья ступень ускоренияr3, и двигатель выйдет на естественную характеристику. Разгон двигателя закончится в точке «ΩС», когда динамический момент станет равным нулю, а момент двигателя будет равен моменту статическому, т.е.М =МС.
Очевидно, что благоприятным является такой пуск, при котором пики момента М1 и момента переключенияМ2 будут одинаковые на всех ступенях пуска, что и будет положено в дальнейшем в основу расчёта пусковых сопротивлений. Если производить закорачивание ступеней пускового реостата при других произвольных скоростях, то пики момента и момента переключений будут неодинаковыми, что может вызвать при закорачивании некоторых ступеней повышенные толчки момента, неблагоприятные для механизма, и создать неравномерное ускорение привода. Кроме того, возникающие на некоторых ступенях повышенные броски тока могут превышать допустимый ток двигателя по условиям коммутации.
Асинхронные двигатели с фазным ротором. При пуске асинхрон-
ного двигателя с фазным ротором с закороченными кольцами ток ротора будет велик вследствие значительной ЭДС, индуктируемой в неподвижном роторе быстро вращающимся магнитным полем статора и малой величины активного сопротивления фаз закороченного ротора. Будет велик и ток статора, превышающий номинальный ток двигателя в 5-10раз, что недопустимо по условиям допустимой плотности тока под щётками, динамических усилий в обмотках и нагрева обмоток двигателя. Однако пусковой
27
~ 3
КМ1
М
КМ4 r3
КМ3 r2
КМ2 r1
Рис. 2.2. Схема включения пусковых сопротивлений для асинхронного двигателя
момент двигателя при этом получается сравнительно небольшим (0,5÷1,5 номинального) ввиду малого значения коэффициента мощности ротора cosφР из-заувеличенного реактивного сопротивления фаз обмотки ротора от повышенной частоты. Такой низкий пусковой момент бывает часто недостаточным для пуска привода.
Введение внешнего сопротивления в цепь ротора уменьшает пусковой ток и настолько увеличивает cosφР, что пусковой момент возрастает. Но при очень больших сопротивлениях ток ротора сильно падает и пусковой момент опять уменьшается.
Схема включения асинхронного двигателя при пуске в три ступени приведена на рис. 2.2. Работа схемы осуществляется аналогично описанной выше при пуске двигателя постоянного тока.
Упрощённая пусковая диаграмма, в предположении, что пуск двигателя осуществляется на линейных участках механических характеристик, имеет вид, аналогичный приведённой на рисунке 2.1,б.
При ускорении двигателя падает ЭДС ротора, вследствие чего уменьшаются ток ротора и момент. Для поддержания ускорения умень-
шают по ступеням величину пускового сопротивления, отчего при данной ЭДС возрастает ток ротора и динамический момент двигателя. Когда всё пусковое сопротивление будет выведено, двигатель перейдёт на естественную характеристику. Разгон закончится в точке «ΩС», где момент двигателя будет равен моменту статическому.
28
studfiles.net
При пуске а.д. для увеличения пускового момента необходимо увеличивать 
, а при номинальном режиме для увеличения КПД и cosφ надо 
иметь меньше, чтобы Sн было равно 1 – 4 % (как отмечалось ранее).
Электротехническая промышленность для тяжёлых условий пуска изготавливает двигатели со специальным короткозамкнутым ротором – это двигатели с двойной беличьей клеткой и двигатели с глубоким пазом специального профиля (рис. 3.14). В этих двигателях из – за эффекта вытеснения тока, ток в стержнях обмотки ротора проходит при пуске по части обмотке, расположенной ближе к зазору, а при номинальном режиме распределяется равномерно по всему сечению обмотки, тем самым имеет место изменение сопротивления ротора.
В двигателях с двойной беличьей клеткой пусковая клетка, находящаяся ближе к зазору, выполняется меньшего сечения, чем рабочая. Иногда пусковую клетку выполняют из латуни или бронзы, а рабочую из – меди.
Для тяжёлых условий пуска в приводах от нескольких кВт до сотен киловатт применяются двигатели с фазным ротором. В этих двигателях фазная обмотка выводится на кольца, к которым при пуске подключается резистор. По мере разгона двигателя сопротивление пускового резистора постепенно уменьшается. Механическая характеристика имеет вид (Рис. 3.20).
Рисунок 3.20 Механическая характеристика асинхронного двигателя с фазным ротором при изменении сопротивления R в цепи ротора
Пусковые резисторы выполняются проволочными, литыми, чугунными и жидкостными.
Резисторы помещают в бак с трансформаторным маслом и рассчитывают на кратковременный режим работы. Жидкостной резистор представляет собой сосуд с электролитом, в который опущены электроды. При изменении глубины погружения электродов изменяется сопротивление резистора. Двигатель пускается с полностью введённым резистором и работает на механической характеристике 1 (Рис. 3.20). При этом Мп ≈ Мmax. После того, как двигатель подойдёт к скольжению S ≈ 0,5 ÷ 0,6, закорачивается часть сопротивления резистора. Двигатель переходит на характеристику 2. Затем при S ≈ 0,3 ÷ 0,4 переключается вторая ступень и двигатель переходит на естественную механическую характеристику 3.
После окончания пуска щётки закорачиваются, а пусковой резистор приводится в исходное положение.
Двигатель с фазным ротором дороже двигателей с коротким замкнутым ротором и требует дополнительной пускорегулирующей аппаратуры. В серии 4А двигатели с фазным ротором выполняются на мощности от 5,5 до 400 кВт и частоты вращения от 500 до 1500 об/мин.
Асинхронный двигатель с коротким замкнутым ротором пускают обычно прямым включением на номинальное напряжение.
При пуске крупных асинхронных двигателей для ограничения пусковых токов в цепи статора включают резисторы или реакторы (
), или автотрансформатор 
(Рис.3.21).
Рисунок 3.21 Пуск асинхронного двигателя включением в цепь статора: а) реактора; б) автотрансформатора (Ат)
Пусковой ток асинхронного двигателя при включении реактора будет равен:
,
где 
- индуктивное сопротивление реактора.
За счёт 
пусковой ток уменьшается до 3 – 4 кратного значения
.
Для пуска асинхронный двигатель большой мощности иногда применяется пуск с помощью разгонного двигателя, который жёстко соединён с валом основного двигателя. Если основной двигатель тихоходный, то разгонный двигатель выбирается на частоту вращения на ступень большую. При подходе к синхронной частоте вращения основного двигателя разгонный двигатель отключается, а основной двигатель подключается к сети. Недостаток способа – наличие разгонного двигателя, используемого только при пуске.
При перерыве питание на несколько секунд большинство асинхронных двигателей успевают остановиться. При восстановлении напряжения начнётся самозапуск асинхронного двигателя. Процесс этот является трудным и для двигателей и для сети, т.к. требуется большая реактивная мощность для создания полей в двигателях, и активная мощность для запуска двигателей. При этом часть двигателей может не запуститься, а часть из – за затяжного пуска перегреться. При длительном перерыве питания необходимо асинхронный двигатель отключать от сети.
studfiles.net
